CN1147692A - 用干法刻蚀在半导体衬底上形成金属布线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过对一层金属布线薄膜或者对由一层金属布线薄膜和一层金属势垒薄膜组成的叠层结构进行干法刻蚀从而在半导体衬底上形成金属布线的方法，它包括第一步对金属布线薄膜进行的刻蚀和第二步干法刻蚀对金属布线薄膜或金属势垒薄膜进行的再刻蚀，它们所处的刻蚀条件是使第二步干法刻蚀中在刻蚀反应室内的气体驻留时间短于第一步刻蚀中的气体驻留时间。

Description

用干法刻蚀在半导体衬底上形成金属布线的方法

本发明涉及半导体器件生产工艺中的干法刻蚀，尤其涉及金属布线薄膜的干法刻蚀，这些金属布线薄膜例如是由铝合金制成的或是由金属布线薄膜与势垒金属组成的叠层。

在现有技术当中，铝合金(如，Al-Si、Al-Clu、Al-Si-Cu等)已成为最广泛应用的半导体器件的金属布线材料，并且对这类铝合金进行干法刻蚀通常所用的气体主要包含有氯(Cl)。

由于铝易于与氯发生反应，刻蚀工艺按照各向同性的方式进行。因而，为了获得高集成度半导体器件的要求的各向异性形状，人们采用了一种在刻蚀过程中在金属布线的侧壁上形成一层保护膜以抑制各向同性刻蚀的方法。形成侧壁保护膜的方法有两种，一种方法是利用从光刻胶掩膜中分解出的物质，另一种方法是利用在刻蚀反应过程中加入具有沉积特性的气体生成的反应物。前一种方法可以通过采用一种比较简单和洁净的气体系统(如Cl₂/BCl₃)使其实现。

但是，由于侧壁保护膜的形成是通过消耗光刻胶掩膜自身实现的，这种方法就带来降低光刻胶的选择性的问题，因而就缺乏精细加工的性能。另一方面，由于后一种方法在获得侧壁保护膜的同时抑制了光刻胶的刻蚀量，使它有可能提高对光刻胶的选择性，但它必须使用一种既复杂而且又具有高度淀积特性的气体系统(如，Cl₂/BCl₃/N₂、Cl₂/BCl₃/CHF₃、Cl₂/BCl₃/CH₂F₂、Cl₂/BCl₃/N₂/CHF₃等)。

在对铝合金进行干法刻蚀时，上述两种方法中，反应生成物明显地沉积在反应容器(以下称作反应室)的内表面，以能提高光刻胶选择性的后一种方法为例，其沉积的程度尤其显著。

图5示出在反应室内侧出现反应生成物沉积的情况。如图所示，随着被刻蚀的半导体圆片的数量增多，反应生成物，例如在反应室2的内壁上、在上电极3的表面上、在用来放置半导体圆片W的下电极4的侧壁上以及在均匀环5的表面上淀积下来，直至这种淀积物被剥离下来在反应室2中形成颗粒状物质。然后，如图6A所示，当颗粒6沉积在圆片W上，在刻蚀铝合金薄膜8时，它们就象光刻胶7一样起掩膜的作用。结果如图6B所示，在两条铝合金线8a和8b之间留下一层铝合金膜，从而导致两线之间的短路，并带来半导体器件的成品率显著下降的问题。

为了尽可能防止刻蚀过程中的反应生成物沉积在反应室内表面上，既要从根本上抑制沉积物在刻蚀过程中的形成，又要间歇地去除附着在内表面上的沉积物。前述方法是直接抑制光刻胶的分解生成物或是抑制作为沉积物形成源的沉积性气体。但这将导致为获得各向异性形状所需求的侧壁保护组份降低，因此按照精细图形加工的观点来说它是有害的。后述方法包括，一种方法是打开反应室，通入空气，并用水或酒精之类的溶剂清洗沉积物(湿法清洗)；另一种方法是在保持反应室处于真空状态的情况下将清洗气体引入反应室中并产生等离子体以清除沉积物(干法清洗)。

湿法清洗需要多步繁琐的操作，诸如，作为打开反应室之前的预处理要先向反应室和气体管道中通氮气；降低反应室温度；清洗反应室壁和反应室内的部件；清洗后干燥；提高反应室温度；将反应室抽真空后向反应室和气体管道通氮气吹洗；最后的干燥处理。因此，这种方法因降低生产率而造成生产成本增加，也就是说，处理步骤增多，因工艺装置空闲时间增多而使装置的工作时间减少，从而导致单位时间的加工量(产量)减少。为克服这些问题创造了干法清洗。

公开号为平2-304923的日本专利公开了一种干清洗法。在该专利文献中描述的技术包括：在采用溴气系统进行干法刻蚀之后，向反应室中引入清洗气体并产生清洗气体的等离子体，附着和沉积在刻蚀反应室中的残留溴由此被去除，而不必拆开反应室进行湿法化学清洗。

如图7所示，当采用这种干法清洗时，由于每片圆片在反应室内反应生成物的沉积量减少，间歇清洗之间的时间间隔Cb比起仅用湿法清洗的现有技术的间歇清洗时间间隔Ca加长了。因此，克服了加工装置工作时间缩短的弊病。

但是，在采用上述干法清洗时，在正常干法刻蚀的加工时间之外还需要一些额外的时间进行干法清洗。这就降低了单位时间内被处理的圆片数量，就是降低了产量，这种方法还不足以克服生产率下降的问题。

本发明的目的是克服上述问题，提供一种具有精细图形加工性能而又不致降低生产效率的金属布线薄膜的干法刻蚀工艺。

为实现上述目的，本发明提供的金属布线薄膜干刻蚀方法包括两个刻蚀步骤：第一步，对金属布线薄膜进行刻蚀；第二步，对金属布线薄膜进行再刻蚀，且在第二步刻蚀中气体在刻蚀反应室中的驻留时间长于第一步刻蚀中气体的驻留时间。

设第一步刻蚀中气体的驻留时间为t₁，第二步刻蚀中气体的驻留时间为t₂，最好设定刻蚀条件使其满足下列关系：t₁/t₂＞5。

并且，作为设置刻蚀条件的实际手段，在每步刻蚀中至少可以控制压力和总的气体流速中的一项。

如前所述，为了获得具有精细加工性能的金属布线薄膜干法刻蚀，特别是要具有光刻胶的高选择性和高生产效率，控制反应室中沉积物或反应生成物的数量是重要的。

气体在反应室中的驻留时间t，是被考虑在反应室中出现反应生成物多少的控制因素，其定义是指在抽真空之前，气体分子存在于反应室中的平均时间(可参阅由J.Brian N.Chapman编写的“辉光放电工艺：溅射和等离子体刻蚀”)。

t＝PV/Q……(1)其中，P是反应室中的气压(乇)，V是反应室容积(升)，Q是抽空量(乇·升/秒)。

气流速度和抽真空量间的关系可用正式表示：

1(SCCM)＝1.26×10^-2(乇·升/秒)……(2)

在反应生成物沉积之前，将它们彻底排放到反应室之外，便可抑制反应生成物沉积到反应室的内表面。如果缩短气体在反应室内驻留的时间，则反应生成物的驻留时间也被缩短，便使得反应室内的沉积量下降。

因为反应室的容量(V)通常是常量，缩短气体驻留时间的方法根据公式(1)可以是：1)降低气压(P)或者是2)增大抽空量(Q)。但是，如果在刻蚀加工的开始便采用这样的刻蚀条件，因为侧壁保护成份在反应室内的驻留时间也被缩短，那么侧壁保护膜将无法充分形成。加之，由于等离子体密度降低，有效的反应物(刻蚀剂)数量减少，导致金属布线薄膜的刻蚀速度降低。与此同时，由于离子能量的增高，使光刻胶的刻蚀率升高。所以，很难以高选择性的光刻胶对金属布线薄膜进行刻蚀。

另一方面，当完成对金属布线薄膜的第一步刻蚀后进行第二步再刻蚀的时候，上述刻蚀条件有效地防止金属布线由于过量刻蚀剂的侧向刻蚀作用导致的变形。并且，在对包含在一层金属势垒薄膜上形成一层金属布线薄膜的叠层金属布线薄膜结构进行刻蚀时，因为势垒金属层是在金属布线薄膜的刻蚀之后进行刻蚀的，可以预计金属势垒薄膜的刻蚀速率会因离子能量的提高而获改进。

在下面的描述中，由Al-Si-Cu合金构成的铝合金薄膜将作为要进行刻蚀的金属布线薄膜的一项实例，并且所用的刻蚀手段是反应离子刻蚀装置(以下称为RIE装置)。当铝合金薄膜被一层光刻胶覆盖并且采用已有的光刻工艺将光刻胶层作成刻蚀掩膜的图形，乃由RIE装置进行刻蚀工艺。

为了获得光刻胶的高选择性以及各向异性的形状，对铝合金薄膜的刻蚀首先是在较高气压的加工气体和较高沉积特性的刻蚀条件下进行的，即处于反应生成物易于沉积的条件(第一步刻蚀)。在此之后，对铝合金薄膜进行再刻蚀是采用比第一步刻蚀更低的加工气压和更高的气体总流速的条件，即是在气体驻留时间更短的条件下进行刻蚀的(第二步刻蚀)。

通过提高加工气体的气压，并通过采用增强沉积的刻蚀条件充分保护侧壁，就能在光刻胶的选择性得到改进的情况下进行各向异性刻蚀。此外，将刻蚀铝合金薄膜时形成的反应生成物在再刻蚀时在反应室内附着和沉积之前就排放出去，就能抑制住反应生成物在反应室内的沉积。它的实现是借助于降低加工气体的气压抑制过量刻蚀剂的形成，从而保持铝合金薄膜的各向异性形状，此时同时，提高气体总流速以缩短气体在反应室内的驻留时间。

从下面结合附图进行的说明中，对本发明的上述和其它目的、优点以及特性更加明显可见，其中：

图1是本发明一项最佳实施例所用干法刻蚀装置的结构侧视的横断面示意图。

图2A至2D是本发明第一实施例中金属布线形成步骤各阶段的半导体圆片的横断面示意图。

图3是本发明实施例中气体驻留时间与反应生成物沉积膜厚度之间的关系示意图。

图4A至4D是本发明第二实施例中金属布线形成工艺中各阶段的半导体圆片的横断面示意图。

图5是用来解释现有技术缺陷的干法刻蚀装置的侧视图。

图6A、6B用来解释现有技术缺陷的半导体圆片的侧视图。

图7是对现有技术的湿法清洗与间歇进行的干法清洗进行比较的工艺流程图。

下面参照图1对本发明的第一实施例加以解释。图1是描述第一项实施例所用干法刻蚀装置的示意图。该装置是一个反应离子刻蚀类型的干法刻蚀装置，其中在由真空泵11保持高真空的一个刻蚀反应室12中彼此对面地设置着一个下电极13和一个与其平行的上电极14。高频电源16通过匹配箱15与下电极13相连。

并且，用来导入刻蚀气体的管道17与上电极14相连，刻蚀气体的出口18分布在上电极14的表面上，整个上电极14电接地。作为刻蚀件的半导体圆片W安放在下电极13的上面，均匀环19分布在圆片的周围位置，使得在圆片平面内的刻蚀速率和刻蚀形状的空间均匀性得到增强。此外，在反应室12的外壁上还设有一个用来检测刻蚀工艺终点的发射光单色仪20。用于该实施例的刻蚀反应室的容积为20.0升。

下面参照图2A至2D对用上述结构的RIE装置进行刻蚀金属布线薄膜的过程加以说明。这些图是本实施例形成金属布线的方法中各个步骤半导体圆片的横断面示意图。

首先，如图2A所示，用化学气相淀积(CVD)工艺在半导体衬底22上形成一层氧化硅薄膜23。再用溅射方法在氧化硅薄膜23上形成一层厚度为400至500纳米的铝-硅-铜合金薄膜24(以下称作Al-Si-Cu合金薄膜)作为金属布线薄膜。

然后，在Al-Si-Cu合金薄膜上旋转甩复一层光刻胶，并用已知的光刻工艺形成如图2B所示的掩膜图形。

接下来，如图2C所示，第一步刻蚀采用干法刻蚀，用主要为Cl₂气的四元混合气体系统Cl₂/BCl₃/N₂/CHF₃作为刻蚀气体对Al-Si-Cu合金薄膜24进行刻蚀。

这一步的刻蚀条件包括：加工气体的气压25帕(＝1.88×10^-1乇)，气体总流速75SCCM，高频电压2.55瓦/平方公里(W/Cm²)。在此条件下，Al-Si-Cu合金薄膜24的刻蚀速率为700纳米/分(nm/min)，光刻胶的选择率约为3.0。通过发射光单色仪(终点检测器)监测在铝的发射波长396纳米处的光发射强度，由此决定第一步刻蚀的刻蚀时间。

再接下来，如图2D所示，在第一步刻蚀完成以后，进行第二步“再刻蚀”，将精细图形区和下层台阶区的残余刻蚀物去除。

为了检验气体驻留时间与反应室中均匀环(图1中的19)内壁上反应生成物沉积厚度的关系，在第二步刻蚀中进行了一项改变气体驻留时间的试验。

表1表示出在此试验中所用的刻蚀条件及在各种条件下的气体驻留时间。最前面的条件(表1中的条件A)是为第一步刻蚀设定的，而为第二步刻蚀设定了6种不同的条件(条件B至G)，对于各种参数，在外加高频电源和刻蚀时间分别保持在1.59瓦/平方厘米和30秒的同时，改变加工气体的气压和气体总流速。试验中的两步刻蚀是用上述条件的组合进行的。

表1中抽空量的数值是用前述公式(2)在气体总流速的基础上计算得来的。而气体的驻留时间是按照前述公式(1)计算得来的。

在此实验中，当对100片具有图2B所示的光刻胶图形结构的半导体圆片连续进行刻蚀之后，将反应室打开处在大气压力的空气中，然后对沉积在反应室内均匀环上的反应生成物的厚度(T)进行测量。

图3示出气体驻留时间和反应生成物膜厚之间的关系。图中的横坐标表示第一步刻蚀中的气体驻留时间(t₁)和第二步刻中的气体驻留时间(t₂)的比值t₁/t₂。而纵坐标表示对薄膜厚度T₀的归一值(T₁/T₀)，T₀是仅在第一步刻蚀条件下连续加工100片圆片的反应生成物薄膜的厚度。

从图3的结果可以看出，在t₁/t₂＞5的条件下(条件A＋条件F，条件A＋条件E，条件A＋条件G)，保持着T/T₀＜1。这就是说，在第一步刻蚀中附着和沉积的反应生成物在第二步刻蚀中被除去。另一方面，在t₁/t₂＜5的条件下(条件A＋条件B，条件A＋条件C，条件A＋条件D)，保持着T/T₀＞1。这意味着在第二步刻蚀中，反应生成物的沉积量增大了。

这说明，第二步刻蚀中的气体驻留时间是影响反应室中反应生成物情况的主要参数。考虑到在第二步刻蚀中，在反应生成物能在反应室内附着和沉积之前，就将在第一步刻蚀中(即刻蚀铝合金薄膜的过程)形成的反应生成物抽出，这就使得在反应室内附着和沉积的反应生成物的绝对数量减少。在描述本实施例当中，仅提及反应生成物在均匀环设置处的沉积，然而，本发明在反应室内的其它地方如上电极的表面、反应室的内壁等处，也提供有类似的效应。

在本实施例的刻蚀条件下对Al-Si-Cu合金薄膜进行刻蚀之后，检查刻蚀件的外观，未发现有刻蚀残余物或其类似物存在，且该刻蚀条件没有对再刻蚀过程产生不符合要求的效应。

表2示出与刻蚀条件有关的间歇清洗的时间间隔和产量之间关系的一项实例。在t₁/t₂＜5的条件下(条件A＋条件C)，间歇清洗所要求的时间间隔短达500片/每个周期，其产量为15片/小时。

当将现有技术中的干法刻蚀加入到工艺条件中，间歇清洗的时间间隔提高到2500片/每周期，产量降低到原来的2/3，即10片/小时。反之，在满足t₁/t₂＞5属于本发明的技术条件下(条件A＋条件E)，间歇清洗的时间间隔可以长至2500片/每周期，但产量为15片/小时。这意味着，在不牺牲产量的前提下，获得与采用传统干法清洗所能得到的相同的间歇清洗时间间隔。

并且，由于本实施例引入了一个新的工艺变量，即气体驻留时间，在为了抑制反应室内沉积物而选择刻蚀条件的时候，象反应室内气压和气体总流速这样的条件可以参照驻留时间以更大的自由度选择设置。

下面参照图4A至4D对本发明的第二项实施例进行说明。

首先要说明对金属布线薄膜进行刻蚀的过程。图4是该实施例金属布线形成方法的各步半导体圆片的横断面示意图。

第一步，如图4A所示，用传统的CVD工艺在半导体衬底27上形成一层氧化硅薄膜28。然后用溅射法在氧化硅薄膜28上形成一层厚度为100至200纳米的氮化钛薄膜29作为金属势垒层。接着，用传统的溅射方法，在氮化钛薄膜29上形成一层厚度为400至500纳米的Al-Si-Cu合金薄膜30。这样，就形成了包括一层Al-Si-Cu合金薄膜30和一层氮化钛薄膜29的叠层薄膜结构的金属布线薄膜。

然后，在Al-Si-Cu合金薄膜30上覆盖一层光刻胶，并用已知的光刻工艺将光刻胶层形成如图4B所示的掩膜图形31。

接下来，如图4C所示，进行第一步干法刻蚀，用四元气体系统Cl₂/BCl₃/N₂/CHF₃对Al-Si-Cu合金薄膜30进行刻蚀。这一步的刻蚀条件与第一项实施例中第一步刻蚀的刻蚀条件相同(表1中的条件A：加工气体的气压为2.5帕(＝1.88×10^-1乇)，气体总流速为75SCCM，高频电源为2.55瓦/平方厘米。用安放在反应室外面的发射光单色仪(终点检测器)监测在铝发射波长即392纳米处的光发射强度，由此决定第一步刻蚀的刻蚀时间。

然后，如图4D所示，在第一步刻蚀完成以后，进行第二步刻蚀，刻蚀氮化钛薄膜19(势垒金属的刻蚀步骤)。

在此第二步的刻蚀条件包括：加工气体的压力为5帕(＝3.75×10^-2乇)，气体总流速为120SCCM，外加高频电源为1.59瓦/平方厘米(与表1中的条件E相同)，刻蚀时间为60秒。

在此实施例中，每一刻蚀步骤中的气体驻留时间按照公式(1)和(2)进行如下计算。

第一步刻蚀中的气体驻留时间t₁为：

t₁＝1.88×10^-1×22/(75×1.26×10^-2)

  ＝4.38(秒)

另一方面，第二步刻蚀中的气体驻留时间t₂为：

t₂＝3.75×10^-1×22/(120×1.26×10^-2)

  ＝5.46×10^-1(秒)

从上述计算结果可得，t₁和t₂的比例t₁/t₂为7.95。它满足条件：t₁/t₂＞5，说明在第一步刻蚀中附着和沉积在反应室内表面的反应生成物在第二步刻蚀中能被去除。并且，在圆片表面的台阶部位没有残余刻蚀物。

在此实施例中，作为一项实例曾经提出过用由Al-Si-Cu合金薄膜和氮化钛薄膜组成的叠层结构金属薄膜，但是通过用一层钛薄膜或是由一层氮化钛薄膜和一层钛薄膜组成的叠层薄膜取代氮化钛薄膜也能获得类似的效果。

虽然对本发明已经联系了某些最佳实施例进行了描述，但由本发明方式所涵盖的内容并不仅限于这些具体的实施例。恰恰相反，本发明的意旨在于它的内容包括了所有可能在下述权利要求的精神和范围之内所作的替换、修改和等同的方案。

例如，在上述实施例的描述中曾用RIE装置作为刻蚀装置进行说明，但可应用于本发明的刻蚀装置并不仅限于RIE装置，其它的装置，如微波刻蚀装置或类似的设备也可采用。又如涉及本发明能够适用的刻蚀薄膜，除了铝合金薄膜以外，还有如钨或钼等制成的高熔点金属薄膜，尽管在采用氟系气体时它们在反应室内所造成的反应生成物沉积问题并不象铝合金薄膜情况下那么显著。

如以上具体描述过的，在本发明的干法刻蚀中，引入了气体驻留时间作为一个受控制的变量。当第一步刻蚀和第二步刻蚀中的气体驻留时间被合适设定时，在刻蚀金属布线薄膜过程中形成的反应生成物可以在再刻蚀过程中从反应室中抽排掉。因而，这就减少了存在于反应室中的反应生成物的绝对数量，防止了反应生成物在反应室的内表面沉积。所以获得了诸如下述的一些有益效果，譬如，由于减少了颗粒而提高了半导体器件的成品率，并由于减少了间歇清洗的时间间隔而提高了生产效率。由于本发明在不牺牲产量的情况下防止了反应生成物的沉积，因而采用它就有可能实现具有高生产效率的干法刻蚀工艺。它的优点超过了现有技术的干清洗方法，现有技术在干法刻蚀加工时间之外还需要增加专门的干法清洗时间。

Claims (11)

1.一种在半导体衬底上形成金属布线的方法，其特征在于，它包括下列步骤：

第一步干法刻蚀，在一个刻蚀反应室内对在所述半导体衬底上形成的金属布线薄膜进行刻蚀；

第二步干法刻蚀，在所述刻蚀反应内对所述金属布线薄膜进行再刻蚀，其中在所述第二步干法刻蚀中进行再刻蚀所处的条件是使刻蚀气体在所述刻蚀反应室中的气体驻留时间比在所述第一步干法刻蚀中的气体驻留时间短。

2.一种形成金属布线的方法，所述金属布线至少具有第一层金属布线材料和在配置于半导体衬底上的所述第一层金属布线材料上形成的第二层金属布线材料，其特征在于，它包括下列步骤：

第一步干法刻蚀，在一个刻蚀反应室内对所述第二层金属布线材料的薄膜进行刻蚀；

第二步干法刻蚀，在所述刻蚀反应室内对所述第一层金属布线材料的薄膜进行刻蚀，其中在所述第二步干法刻蚀所处的条件是使在所述刻蚀反应室内的气体驻留时间比在所述第一步干法刻蚀中的气体驻留时间短。

3.如权利要求1或2所述的形成金属布线的方法，其特征在于，所述第一步干法刻蚀中的所述气体驻留时间与所述第二步干法刻蚀中的所述气体驻留时间的比值大于5。

4.如权利要求1或2所述的形成金属布线的方法，其特征在于，在每步干法刻蚀中，对反应室气压和气体总流速至少其中有一项被控制成使所述第二步干法刻蚀中所述的气体驻留时间比第一步干法刻蚀中所述的气体驻留时间短。

5.如权利要求1或2所述的形成金属布线的方法，其特征在于，通过在每步刻蚀中对反应室气压和气体总流速中的至少一项进行控制，使得其中所述第一步干法刻蚀中的所述气体驻留时间与所述第二步干法刻蚀中的所述气体驻留时间的比值被设置成大于5。

6.如权利要求1或2所述的形成金属布线的方法，其特征在于，其中所述第二步干法刻蚀中的反应室气压低于所述第一步干法刻蚀中的反应室气压，而所述第二步干法刻蚀中的气体总流速则高于所述第一步干法刻蚀中的气体总流速，使得所述第一步干法刻蚀中的所述气体驻留时间与所述第二步干法刻蚀中的所述气体驻留时间的比值大于5。

7.如权利要求1所述的形成金属布线的方法，其特征在于，其中所述的金属布线薄膜是一层铝合金薄膜。

8.如权利要求2所述的形成金属布线的方法，其特征在于，其中所述的第二层金属布线材料是一层铝合金，而所述的第一层金属布线材料是从钛、氮化钛或是钛和氮化钛组成的叠层结构中选择任意一种。

9.如权利要求1或2所述的形成金属布线的方法，其特征在于，其中所述的干法刻蚀是从一组包括Cl₂、BCl₃、CH₂F₂、CHF₃和N₂的气体中选用的混合气体进行的反应离子刻蚀。

10.如权利要求1所述的形成金属布线的方法，其特征在于，它还包括一个在所述金属布线薄膜上形成一层光刻胶掩膜的步骤，并且所述的干法刻蚀是从一组包括Cl₂、BCl₃、CH₂F₂、CHF₃和N₂的气体中选用的混合气体进行的反应离子刻蚀。

11.如权利要求2所述的形成金属布线的方法，其特征在于，它还包括一个在所述第二层金属布线材料上形成一层光刻胶掩膜的步骤，并且所述的干法刻蚀是从一组包括Cl₂、BCl₃、CH₂F₂、CHF₃和N₂的气体中选用的混合气体进行的反应离子刻蚀。

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