CN201778111U - 化学气相淀积反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种化学气相淀积反应器，包括反应腔底盘、放置在反应腔底盘上的衬底载盘、以及反应腔壁；反应腔壁与衬底载盘之间形成非环形反应室，至少一股气流由位于反应室一侧对应的气体入口进入反应室，通过衬底载盘上方的反应室后由位于反应室另一侧的尾气出口排出反应室，衬底载盘相对于气流流动方向倾斜设置，使得反应室垂直于气体流动方向的反应室截面面积沿气体流动方向呈线性或者非线性减小，由此产生的气体会聚效应能有效补偿反应剂耗尽效应所导致的化学气相淀积速度的变化，具有结构简单，操作与维修方便，制造和使用成本低等优点，使用该反应器进行化学气相淀积具有效率高、耗源少、重复性、再现性和一致性好等优点。

Description

化学气相淀积反应器

技术领域

本实用新型涉及用于化学气相淀积的反应器，进一步是指用于在一个或多个晶态或非晶态衬底表面淀积(又称为外延)单层或多层晶态或非晶态结构的非圆柱形反应腔或圆柱形反应腔。

背景技术

广泛应用于光电器件(如LEDs、激光器、太阳能电池和探测器)的化合物半导体材料通常通过化学气相淀积的方法制造。

一种常见的化学气相淀积反应器的反应腔侧面结构如图1所示。该化学气相淀积反应器的反应腔包括可进行化学气相淀积的圆柱形反应室122、反应腔顶盖101、中央气体导入喷嘴107、可旋转衬底载盘106、在可旋转衬底载盘106上加载的若干卫星舟127、可旋转衬底载盘106下面设置的加热装置126、以及围绕衬底载盘106外侧的尾气出口103。

在实施化学气相淀积时，几股由元素周期表中V族反应剂和III族反应剂组成的气流分别经由中央气体导入喷嘴107上各自的喷口进入反应室122内。中央气体导入喷嘴107和尾气出口103位于衬底载盘106的上方，使得由中央气体导入喷嘴107导入的气体能保持层流状态并沿着径向由内向外方向水平进入尾气出口103。

所述V族反应剂与III族反应剂在气相中会发生反应并形成微小颗粒和惰性衍生物，使得反应剂，特别是决定淀积速度的III族反应剂，沿气体流动方向不断减少，导致化学气相淀积速度也沿着气流方向不断下降(所述现象也称为反应剂耗尽效应)。对于圆柱形反应腔，当气体由内向外沿径向方向流动时，其圆周面积的增加也会使反应剂在气相中的质量密度和气体流速不断变小，导致化学气相淀积速度的进一步下降(所述现象也称为气流发散效应)，淀积的单层或多层结构的均匀性很差。

一种常用的消除反应剂耗尽效应和气流发散效应影响的手段是提升气流速度来减小气流方向的反应剂浓度梯度，但其缺点是化学气相淀积效率很低，耗源很多。另一种常用的用于补偿反应剂耗尽效应和气流发散效应影响的办法是旋转衬底载盘或旋转放置衬底的卫星舟。如图1所示，衬底载盘106一般以每分钟10转左右的速度旋转，卫星舟127一般以每分钟50转左右的速度旋转。制造和使用可旋转的大尺寸衬底载盘十分困难也十分昂贵，这已经影响到反应器反应室中衬底载盘尺寸的进一步放大，限制了反应器反应腔单次可放置衬底片容量的进一步增加。

由图1所示，反应腔顶盖上由于没有垂直方向的气流导入，使得径向气流不可避免地会在顶盖表面不断累积淀积物，它不仅消耗反应剂，而且不断累积的表面淀积会对气相淀积过程产生不可预见的影响。此外，由于顶盖上装有中央气体导入喷嘴107，使得顶盖结构比较复杂，每次化学气相淀积后无法彻底清理反应腔顶盖101和中央气体导入喷嘴107，继而无法确保化学气相淀积过程的重复性、再现性和一致性。

为克服水平气流的反应剂耗尽效应和气流发散效应，反应气体可以由反应腔的顶部垂直向下喷淋。由于垂直气流均匀覆盖了整个衬底载盘，反应剂耗尽效应和气流发散效应对化学气相淀积过程影响较小，通常无须旋转衬底载盘或旋转放置衬底的卫星舟也可能实现均匀的化学气相淀积。为了在衬底表面有足够均匀的气体混合，所述反应腔必须有一定的高度。反应室直径越大，其所要求的高度就越高，特别是在高气压和衬底载盘温度很高时，所述反应室内就会发生严重的热对流，并引发涡流。为了抑制热对流，通常不得不使用很大的气体流量和高速换转衬底载盘，其负面效应就是气体耗用增加。特别是当衬底载盘越来越大时，高速旋转衬底载盘很难避免其摇摆和抖动，以致无法正常执行化学气相淀积过程。

另一种在衬底表面获得足够均匀的气体混合的方法是采用由许多小孔组成的喷淋头向衬底载盘上方均匀导入反应气体。所述喷淋头上成千上万个分立的由水管包裹冷却的小孔可以确保经由不同小孔进入反应室的各种反应剂能在衬底表面有足够均匀的混合。喷淋头式化学气相淀积反应器反应室的高度可以比较低，从而大幅减少反应腔内的热对流和气相反应。但是随着反应室尺寸的加大，所述喷淋头上的小孔越来越多，漏水的风险越来越高，结构越来越复杂，其可靠性也随之大幅下降，制造和使用成本已变得越来越高。另一方面，由于所述喷淋头十分靠近被加热的衬底载盘，使得喷淋头表面不可以避免地附着许多反应物，成千上万个分立的小孔限制了每次化学气相淀积后不能对喷淋头表面进行充分的清理，继而无法确保化学气相淀积过程的重复性、再现性和一致性。热压力和机械压力会过早损坏复杂多孔的喷淋头，影响其使用寿命，也妨碍了喷淋头在尺寸上的进一步放大。

很显然，现有化学气相淀积反应器存在有本质性的缺陷，如沿气流方向的反应剂耗尽效应和气流发散效应，复杂的顶盖结构，不可避免的气相反应和热对流都使得在所述化学气相淀积反应器反应室内进行的化学气相反应效率低，淀积重复性，再现性和一致性差，同时又面临各种配件结构复杂，制造和使用成本高，维护维修困难，控制过程复杂等缺点。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，提供一种化学气相淀积反应器，该化学气相淀积反应器结构简单，产能大，制造和使用成本低、重复性、再现性、一致性以及可控性好。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种化学气相淀积反应器，包括非圆柱形反应腔，所述非圆柱形反应腔包括反应腔底盘、放置在所述反应腔底盘上的衬底载盘、以及反应腔壁；所述反应腔壁与所述衬底载盘之间形成非环形反应室，至少一股气流由位于所述反应室一侧对应的气体入口进入所述反应室，通过所述衬底载盘上方的反应室后由位于所述反应室另一侧的尾气出口排出所述反应室，所述衬底载盘相对于所述气流流动方向倾斜设置，并且所述反应室垂直于气流流动方向上的截面面积沿气流流动方向减小。

在本实用新型的化学气相淀积反应器中，所述反应腔包括与所述反应腔底盘共同围成腔室的反应腔顶壁、反应腔侧壁、以及在所述反应腔两侧设置的气体导入口端面和气体导出口端面；所述反应室形成于所述反应腔顶壁和放置在所述反应腔底盘上的衬底载盘表面之间。

在本实用新型的化学气相淀积反应器中，所述衬底载盘沿所述气流流动方向向所述反应腔顶壁倾斜。

在本实用新型的化学气相淀积反应器中，所述反应腔顶壁的下表面沿所述气流流动方向向所述衬底载盘倾斜、或者所述反应腔顶壁的下表面为水平设置、或者所述反应腔顶壁的下表面向上倾斜设置并倾斜斜率小于所述衬底载盘的倾斜斜率。

在本实用新型的化学气相淀积反应器中，所述反应室垂直于所述气体流动方向的截面宽度自所述气体入口一侧向所述尾气出口一侧呈线性或非线性减小。

本实用新型还提供一种化学气相淀积反应器，包括圆柱形反应腔，所述圆柱形反应腔包括反应腔底盘、放置在所述反应腔底盘上的衬底载盘、以及反应腔顶壁；所述反应腔顶壁与所述衬底载盘之间形成环形反应室；所述反应室的外围设有至少一个气体入口，在所述反应室的中央设有尾气出口，至少一股气流自所述气体入口向所述尾气出口流动，并流经所述反应室；所述衬底载盘沿所述气流流动方向向所述反应腔顶壁倾斜设置。

在本实用新型的化学汽相淀积反应器中，所述反应腔顶壁的下表面沿所述气流流动方向向所述衬底载盘倾斜、或者所述反应腔顶壁的下表面为水平设置、或者所述反应腔顶壁的下表面向上倾斜设置并倾斜斜率小于所述衬底载盘的倾斜斜率。

本实用新型还提供一种化学气相淀积反应器，包括圆柱形反应腔，所述反应腔包括反应腔底盘、放置在所述反应腔底盘上的衬底载盘、以及反应腔顶壁，所述反应腔顶壁与所述衬底载盘之间形成环形反应室；所述反应室的中间位置设有至少一个气体入口，所述反应室的外围设有尾气出口，至少一股气流自所述气体入口向所述尾气出口流动，并流经所述反应室；所述衬底载盘沿所述气流流动方向向所述反应腔顶壁倾斜设置。

在本实用新型的化学汽相淀积反应器中，所述反应腔顶壁的下表面沿所述气流流动方向向所述衬底载盘倾斜、或者所述反应腔顶壁的下表面为水平设置、或者所述反应腔顶壁的下表面向上倾斜设置并倾斜斜率小于所述衬底载盘的倾斜斜率。

实施本实用新型具有以下有益效果：由于衬底载盘相对气流流动方向倾斜设置，使得反应室垂直于气流流动方向上的截面面积沿气流流动方向减小，由此产生的气体会聚效应能有效补偿反应剂耗尽效应所导致的化学气相淀积速度的变化，使得即使不旋转反应室内的衬底载盘也能实现均匀的化学气相淀积，简化大型化学气相淀积反应器的设计和结构，降低制造和使用大型化学气相淀积反应器的成本。另外，在需要时，也可以采用旋转的衬底载盘，来适应不同的应用场合。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是现有技术的化学气相淀积反应器反应腔侧面结构示意图；

图2a是本实用新型第一实施例的非环形反应室的俯视示意图；

图2b是本实用新型第一实施例的非环形反应室的剖视示意图；

图2c是图2a中的A向示意图；

图2d是图2a中的B向示意图；

图2e是本实用新型第一实施例的非环形反应室的另一种形式的剖视示意图；

图2f是本实用新型第一实施例的非环形反应室的另一种形式的剖视示意图；

图3a是本实用新型第二实施例的非环形反应室的俯视示意图；

图3b是本实用新型第二实施例的非环形反应室的剖视示意图；

图3c是图3a中的A向示意图；

图3d是图3a中的B向示意图；

图4是本实用新型第三实施例的非环形反应室的剖视示意图；

图5是本实用新型第四实施例的非环形反应室的剖视示意图。

具体实施方式

本实用新型和本实用新型的各种反应器反应腔实施方案可以通过以下优选方案的描述得到充分理解，以下优选方案也可视为本实用新型权利要求的实例。显然，应该充分理解到由本实用新型权利要求所定义的本实用新型所涵盖的内容要比以下描述的优选实施方案更加广泛。在不偏离本实用新型精神和范围的情况下，借助于平常的技能可以产生更多的经过变更和修改的实施方案。所以，以下描述的实施方案仅仅是为了举例说明而不是用来局限由本实用新型权利要求所定义的本实用新型的涵盖范围。

根据本实用新型一种实施方案，该化学气相淀积反应器通常包括非圆柱形反应腔200(见图2a-f)。该非圆柱形反应腔200包括反应腔底盘213、放置在反应腔底盘213上的衬底载盘206、放置在衬底载盘206和反应腔底盘213之间的加热装置、以及反应腔壁。该反应腔壁包括与反应腔底盘213共同围成封闭腔室的反应腔顶壁201、反应腔侧壁211、以及在反应腔211两侧设置的气体导入口端面和气体导出口端面。衬底载盘206放置在反应腔底盘213上，并且在衬底载盘206下方设置加热装置226。反应腔顶壁201与衬底载盘206之间形成非环形反应室222。在气体导入口端面和气体导出口端面上分别设有气体入口207和尾气出口203。

该衬底载盘206相对于气流流动方向倾斜设置，在本实施例中，衬底载盘206沿气流流动方向向反应腔顶壁201的方向倾斜设置，该反应腔顶壁201的下表面为水平设置，从而使得反应室垂直于气流流动方向上的截面面积沿气流流动方向减小。可以理解的，该反应腔顶壁201的下表面也可以为沿气流流动方向向衬底载盘倾斜，如图2e所示，或者，反应腔顶壁的下表面向上倾斜设置并倾斜斜率小于衬底载盘的倾斜斜率，如图2f所示。

进一步的，所述非环形反应室222水平呈梯形(如图2a所示)，与水平气流方向垂直的截面呈半弧形(如图2c、2d所示)。若干气流自位于梯形宽边(气体导入口端面)的气体入口207进入非环形反应室222，自位于梯形窄边(气体导出口端面)的尾气出口203排出非环形反应室222。从而反应室的宽度也沿气流流动方向呈线性或非线性连续减小，进一步的使得反应室沿垂直于气体流动方向上的截面面积沿气体流动方向成线性或非线性连续减小。

化学气相沉积过程一般受质量输运定律控制，其生长速度与反应剂扩散系数，反应剂气相浓度与衬底表面浓度之差和边界层厚度有关(见关系式一)：

Gr＝D(Cm-Cs)/δ        关系式一

其中，Gr为生长速度，D为反应剂扩散系数，Cm为反应剂气相浓度，Cs为衬底表面浓度，δ为边界层厚度。

由于气相反应可以导致反应剂气相浓度Cm沿气流方向连续减小，导致沿气流方向上生长速度的下降(反应剂耗尽效应)。气相反应的程度又与温度、压力和流量相关。主要体现在流速上，流速越快，停留时间越短，气相反应程度越低，生长速度的下降就越少。由于本实施例的非环形反应室222压力恒定和自气体入口207进入反应室的气体流量不变的情况下，非环形反应室222内水平气流的流速将沿气流方向连续增加。由以上分析可知，采用非环形反应室222截面积变小的方法可以在一定程度上减弱反应剂耗尽效应的作用。

在所述非环形反应室222内，边界层厚度与雷诺数相关(见关系式二)：

$\mathrm{\δ}=1/\sqrt{\mathrm{Re}}$ 关系式二(a)

$\mathrm{Re}\∝\frac{F}{(x+H)V}$ 关系式二(b)

其中，x为反应室截面宽度，H为反应室截面高度，V为运动粘度，F为流量，Re为雷诺数。

由关系式二可知，随着非环形反应室222截面积沿气流方向连续变小，反应室内的气体流速沿气流方向不断加快，其相对应的边界层厚度不断减小。将关系式二(a)和(b)代入关系式一得到关系式三。

$\mathrm{Gr}\∝D(\mathrm{Cm}-\mathrm{Cs})\sqrt{\frac{F}{(x+H)V}}$ 关系式三

由关系式三可知，截面越小，气流越快，边界层越薄，生长速度越大。由以上分析可知，通过改变沿气流方向的反应室截面面积，并按一定规模连续变化，气体会聚效应可以补偿因气相反应所导致的生长速度的下降，实现均匀的气相淀积。

所述衬底载盘206通常水平放置在反应腔底盘213上，所述衬底载盘206上有若干凹坑，每种凹坑一般放置一个衬底片。在气流流过时，在衬底片表面上实现均匀的气相淀积。

所述气体入口207通常水平设置在所述非环形反应室222的一侧，并位于所述反应腔顶盖201和所述衬底载盘206之间。每个所述气体入口207通常由一个或一组气体喷嘴和/或狭缝组成，按一定规则排布在所述气体入口端面。由气体入口207导入气流到非环形反应室222内，其中气流方向通常平行于衬底载盘206表面或与衬底载盘206表面成小于90度的夹角。气体入口207之间相互不连通，每一个气体入口207与各自的供气单元连接。不同的气体可从不同的位置由不同的气体入口导入非环形反应室222内。并且，气体入口207的数量可以根据需要进行调整。

进一步的，在喷嘴和/或狭缝的出口处设置有透气材料，例如透气泡沫材料，其厚度优选为0.01mm至1000mm，优选为1-2mm的厚度，从而可以减小气体进入反应腔的流速，同时又起到均匀分布的作用，减小紊流的产生。

尾气出口203放置在非环形反应室222的另一侧的气体导出端面上，一般位于反应腔顶盖201和衬底载盘206之间，以保持由气体入口207导入的气流在进入尾气出口203之前保持层流状态，产生化学汽相淀积，在衬底片上生长出适当的微小颗粒和惰性衍生物。

根据本实用新型另一种实施方案，一种化学气相淀积反应器包括非环形反应腔300(见图3a-3d)，包括反应腔顶壁301、反应腔底盘313、反应腔侧壁311、衬底载盘306、气体入口307、尾气出口303、放置在反应腔顶部外侧的加热装置326和由反应腔顶壁与衬底载盘之间形成的非环形反应室322。

该衬底载盘306相对于气流流动方向倾斜设置，在本实施例中，衬底载盘306沿气流流动方向向反应腔顶壁301的方向倾斜设置，该反应腔顶壁301的下表面为水平设置，从而使得反应室垂直于气流流动方向上的截面面积沿气流流动方向减小。当然，如上一实施例，反应腔顶壁的下表面也可以为沿气流流动方向向衬底载盘倾斜，或者，反应腔顶壁的下表面向上倾斜设置并倾斜斜率小于衬底载盘的倾斜斜率。

如图所示，非环形反应室水平可以呈矩形(如图3a所示)，与水平气流方向垂直的截面呈梯形(如图3c、3d所示)。若干气流自位于矩形反应室一侧的气体入口进入反应室，自位于矩形反应室另一侧的尾气出口排出反应室。非环形反应室梯形截面的宽度维持不变，但由于衬底载盘是倾斜设置，其高度沿水平气流方向呈线性连续或非连续减小，使得反应室沿垂直于气体流动方向上的截面面积沿气体流动方向成线性或非线性连续或非连续减小。

如图4所示，是本实用新型的另一实施例，该化学气相淀积反应器通常包括圆柱形反应腔，包括反应腔顶壁801，反应腔底盘813，反应腔侧壁811，衬底载盘806，气体入口807，尾气出口803，放置在反应腔内的加热装置826，和在反应腔顶壁801与衬底载盘806之间形成的环形反应室822。该气体入口807设置在反应室的外围，而尾气出口设置在反应室的中央位置。

该衬底载盘沿气流流动方向向反应腔顶壁倾斜设置，在本实施例中，即自圆周向圆心方向向上倾斜，从而降低反应室的高度，进而使得气流流经的面积减小。

若干气流自位于反应腔侧壁811的气体入口807进入反应室822，沿衬底载盘上方的反应室流动后自位于反应室822中央的尾气出口803排出反应室822。由于衬底载盘向上倾斜设置，气流流经的截面积沿径向向内方向连续减小，因而气流同样会产生的气体会聚效应可以自动补偿反应剂耗尽效应。

气体导入口807通常沿反应腔侧壁811水平相间排布在反应室顶壁801和衬底载盘806之间。气体入口由一个或一组狭缝组成或由一个或一组喷嘴组成或由一个或一组喷嘴和狭缝混合组成；并且气体入口之间相互不连通，每一个气体入口与各自的供气单元连接。由气体入口807导入反应室的气流方向通常平行于衬底载盘806表面或与衬底载盘806表面成小于90度的夹角。

如图5所示，是本实用新型另一种实施方案，该化学气相淀积反应器通常包括圆柱形反应腔(见图12)，包括反应腔顶壁1201，反应腔底盘1213，反应腔侧壁1211，衬底载盘1206，气体入口1207，尾气出口1203，设置在反应腔内的加热装置1226，和在反应腔顶壁与衬底载盘之间形成的环形反应室1222。其中，气体入口1207设置在反应室的中央，而尾气出口1203设置在反应室的外围。

该衬底载盘沿气流流动方向向反应腔顶壁倾斜设置，在本实施例中，即自圆心向圆周方向向上倾斜，从而自圆心向圆周逐渐降低反应室的高度，进而使得气流流经的面积减小。

若干气流自气体入口1207进入反应室1222，沿衬底载盘上方的反应室流动后自位于反应室1222外周边的尾气出口1203排出反应室1222。由于衬底载盘向上倾斜设置，气流流经的截面积沿径向向内方向连续减小，因而气流同样会产生的气体会聚效应可以自动补偿反应剂耗尽效应。

根据本实用新型实施方案的化学气相淀积反应器的反应腔中，衬底载盘倾斜设置，使得垂直于气体流动方向的反应室截面面积沿气体流动方向呈线性或者非线性减小，可以有效补偿反应剂耗尽效应，使得即使不旋转反应室内的衬底载盘也能实现均匀的化学气相淀积，反应器具有结构简单，操作与维修方便，制造和使用成本低等优点。

Claims (9)

1.一种化学气相淀积反应器，包括非圆柱形反应腔，所述非圆柱形反应腔包括反应腔底盘、放置在所述反应腔底盘上的衬底载盘、以及反应腔壁；所述反应腔壁与所述衬底载盘之间形成非环形反应室，至少一股气流由位于所述反应室一侧对应的气体入口进入所述反应室，通过所述衬底载盘上方的反应室后由位于所述反应室另一侧的尾气出口排出所述反应室，其特征在于：所述衬底载盘相对于所述气流流动方向倾斜设置，并且所述反应室垂直于气流流动方向上的截面面积沿气流流动方向减小。

2.根据权利要求1所述的化学气相淀积反应器，其特征在于，所述反应腔包括与所述反应腔底盘共同围成腔室的反应腔顶壁、反应腔侧壁、以及在所述反应腔两侧设置的气体导入口端面和气体导出口端面；所述反应室形成于所述反应腔顶壁和放置在所述反应腔底盘上的衬底载盘表面之间。

3.根据权利要求2所述的化学气相淀积反应器，其特征在于，所述衬底载盘沿所述气流流动方向向所述反应腔顶壁倾斜。

4.根据权利要求3所述的化学气相淀积反应器，其特征在于，所述反应腔顶壁的下表面沿所述气流流动方向向所述衬底载盘倾斜、或者所述反应腔顶壁的下表面为水平设置、或者所述反应腔顶壁的下表面向上倾斜设置并倾斜斜率小于所述衬底载盘的倾斜斜率。

5.根据权利要求2-4任一项所述的化学气相淀积反应器，其特征在于，所述反应室垂直于所述气体流动方向的截面宽度自所述气体入口一侧向所述尾气出口一侧呈线性或非线性减小。

6.一种化学气相淀积反应器，包括圆柱形反应腔，所述圆柱形反应腔包括反应腔底盘、放置在所述反应腔底盘上的衬底载盘、以及反应腔顶壁；所述反应腔顶壁与所述衬底载盘之间形成环形反应室；所述反应室的外围设有至少一个气体入口，在所述反应室的中央设有尾气出口，至少一股气流自所述气体入口向所述尾气出口流动，并流经所述反应室；其特征在于：所述衬底载盘沿所述气流流动方向向所述反应腔顶壁倾斜设置。

7.根据权利要求6所述的化学汽相淀积反应器，其特征在于，所述反应腔顶壁的下表面沿所述气流流动方向向所述衬底载盘倾斜、或者所述反应腔顶壁的下表面为水平设置、或者所述反应腔顶壁的下表面向上倾斜设置并倾斜斜率小于所述衬底载盘的倾斜斜率。

8.一种化学气相淀积反应器，包括圆柱形反应腔，所述反应腔包括反应腔底盘、放置在所述反应腔底盘上的衬底载盘、以及反应腔顶壁，所述反应腔顶壁与所述衬底载盘之间形成环形反应室；所述反应室的中间位置设有至少一个气体入口，所述反应室的外围设有尾气出口，至少一股气流自所述气体入口向所述尾气出口流动，并流经所述反应室；其特征在于：所述衬底载盘沿所述气流流动方向向所述反应腔顶壁倾斜设置。

9.根据权利要求8所述的化学气相淀积反应器，其特征在于，所述反应腔顶壁的下表面沿所述气流流动方向向所述衬底载盘倾斜、或者所述反应腔顶壁的下表面为水平设置、或者所述反应腔顶壁的下表面向上倾斜设置并倾斜斜率小于所述衬底载盘的倾斜斜率。

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