CN212357443U - 电镀装置及其阳极组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电镀装置及其阳极组件，阳极工件包括：互不导通的若干块第一阳极本体，若干块第一阳极本体互相套设且同轴，其中位于中心的第一阳极本体为圆柱体，其他的第一阳极本体为环状结构；互不导通的若干块第二阳极本体，若干块第二阳极本体互相套设且同轴，若干块第二阳极本体均为环状结构，其中位于最内环的第二阳极本体套设于位于最外环的环状结构的第一阳极本体，并且互不导通，第一阳极本体的投影面积小于第二阳极本体的投影面积。本实用新型可对一次或多次电镀后电镀层不均匀的情况进行修正，尤其是针对尺寸较小的电镀工件，可实现精细化控制，以提高电镀层的均匀性，以及电镀工艺的稳定性。

Description

电镀装置及其阳极组件

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种电镀装置及其阳极组件。

背景技术

集成电路的制造工艺是一种平面制作工艺，其包含材料镀敷、图案成型、掺杂、化学机械抛光、点抛光机热处理等多种工艺，在同一衬底上形成各种类型的复杂器件，并将其互连接以具有完成的电学功能。其中，金属沉积、金属布线的形成等工艺都是需要使用电镀工艺，即材料镀敷的工艺。

现有的电镀装置包括电镀槽、电镀阳极和电源模块。电镀槽内装有电镀液(在电镀回路中，相当于电阻)，电镀阳极设置于电镀槽中。电镀工件(如晶圆)与电镀阳极相对设置。电镀工件上已沉积了籽晶层。在电镀过程中，将已镀有籽晶层的电镀工件为阴极，将阴极与电源模块的负极相连，电镀阳极作为阳极，与电源模块的正极相连。当阳极与阴极分别与电源模块接通时，阳极和阴极之间形成电镀电场，实现给电镀工件电镀。

然而，使用现有的电镀装置电镀形成的电镀层的厚度不均匀。电镀层的均匀度未达到工艺要求，可能使得后续的其他工艺(例如化学机械研磨工艺和刻蚀工艺等)无法进行，甚至导致该电镀工件报废，不仅降低了产品质量，还增加了制造成本。

尤其是针对尺寸较小的电镀工件，无法较好地克服电镀层厚度不均匀的问题，无法实现精细化控制，导致严重降低产品质量。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中尤其是针对尺寸较小的电镀工件，无法实现精细化控制的缺陷，提供一种电镀装置及其阳极组件。

本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种阳极组件，其包括：

互不导通的若干块第一阳极本体，所述若干块第一阳极本体互相套设且同轴，其中位于中心的第一阳极本体为圆柱体，其他的第一阳极本体为环状结构；以及，

互不导通的若干块第二阳极本体，所述若干块第二阳极本体互相套设且同轴，所述若干块第二阳极本体均为环状结构，其中位于最内环的第二阳极本体套设于位于最外环的环状结构的第一阳极本体，并且互不导通，

所述第一阳极本体的投影面积小于所述第二阳极本体的投影面积。

可选地，每一块所述第一阳极本体的投影面积相同；和/或，

每一块所述第二阳极本体的投影面积相同。

可选地，所述第一阳极本体的数量为2块～5块。

可选地，若干块第一阳极本体分为至少两组第一阳极本体；

每一组第一阳极本体分别包括至少一块第一阳极本体；

同一组内的每一块第一阳极本体的投影面积分别相同，不同组内的第一阳极本体的投影面积分别不同。

可选地，所述阳极组件还包括绝缘层；

两相邻的第一阳极本体之间、两相邻的第一阳极本体与第二阳极本体之间和两相邻的第二阳极本体之间均通过所述绝缘层相隔离。

可选地，所述绝缘层的材质包括PVDF(聚偏氟乙烯)或PFA(四氟乙烯)；和/或，

所述阳极组件还包括导电基板；

所述第一阳极本体、所述第二阳极本体及所述绝缘层设置于所述导电基板上。

可选地，所述第一阳极本体及所述第二阳极本体均为可溶性电极；和/或，

所述第二阳极本体的数量为5块～20块。

一种电镀装置，其包括控制器、电源模块及如上述的阳极组件；

所述控制器与所述电源模块电连接；

所述控制器被配置为发送供电指令至所述电源模块；

所述电源模块被配置为响应于从所述控制器接收所述供电指令，给至少一块所述第一阳极本体或所述第二阳极本体供电。

可选地，所述电镀装置还包括检测模块；

所述检测模块与所述控制器电连接；

所述电源模块的正极与所述阳极本体电连接，所述电源模块的负极与电镀工件电连接；

所述检测模块被配置为获取形成于所述电镀工件上的电镀层的厚度分布数据并输出至所述控制器；

所述控制器被配置为生成所述供电指令。

可选地，所述电镀装置还包括存储器；

所述存储器与所述控制器电连接；

所述存储器被配置为存储所述电镀装置的电镀参数。

在符合本领域常识的基础上，所述各优选条件，可任意组合，即得本实用新型各较佳实施例。

本实用新型的积极进步效果在于：

本实用新型可对一次或多次电镀后电镀层不均匀的情况进行修正，尤其是针对尺寸较小的电镀工件，可实现精细化控制，以提高电镀层的均匀性，以及电镀工艺的稳定性。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本实用新型的所述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1为根据本实用新型一实施例的阳极组件的俯视示意图。

图2为根据本实用新型另一实施例的阳极组件的俯视示意图。

图3为根据本实用新型一实施例的用于水平电镀的阳极组件的俯视示意图。

图4为根据本实用新型一实施例的用于垂直电镀的阳极组件的俯视示意图。

图5为根据本实用新型一实施例的电镀装置的模块示意图。

图6为根据本实用新型一实施例的进行电镀时的阳极本体输入电流控制示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本实用新型，但并不因此将本实用新型限制在所述的实施例范围之中。

使用现有的电镀装置电镀形成的电镀层的厚度不均匀。电镀层的均匀度未达到工艺要求，可能使得后续的其他工艺无法进行，甚至导致该电镀工件报废，不仅降低了产品质量，还增加了制造成本。

尤其是针对尺寸较小的电镀工件，无法较好地克服电镀层厚度不均匀的问题，无法实现精细化控制，导致严重降低产品质量。

为了克服目前存在的上述缺陷，本实施例提供一种阳极组件，所述阳极组件包括：互不导通的若干块第一阳极本体，所述若干块第一阳极本体互相套设且同轴，其中位于中心的第一阳极本体为圆柱体，其他的第一阳极本体为环状结构；以及，互不导通的若干块第二阳极本体，所述若干块第二阳极本体互相套设且同轴，所述若干块第二阳极本体均为环状结构，其中位于最内环的第二阳极本体套设于位于最外环的环状结构的第一阳极本体，并且互不导通，所述第一阳极本体的投影面积小于所述第二阳极本体的投影面积。

在本实施例中，尤其针对3英寸的晶圆等较小尺寸的电镀工件，通过二次分段的多块阳极本体，实现精细化控制，以提高电镀层的均匀性，以及电镀工艺的稳定性。

具体地，作为一实施例，如图1、图3及图4所示，所述阳极组件采用分段结构，所述阳极组件主要包括若干块第一阳极本体(如图1中的A1、A2、A3，图3中的a1、a2、a3，以及图4中a1’、a2’、a3’)及若干块第二阳极本体(如图1中的B、C、D，图3中的b、c、d、e、f，以及图4中b’、c’、d’、e’、f’)。

作为另一实施例，参考图2所示，所述阳极组件还可以采用多级分段结构，若干块第一阳极本体分为至少两组第一阳极本体，每一组第一阳极本体分别包括至少一块第一阳极本体(如图2中的A1、A2和A3为一组，A01、A02和A03为另一组)。

当然，本实施例并不具体限定分段结构的级数，也并不限定每一级分段结构内的阳极本体的数量，均可根据实际需求进行相应的选择及调整。

在本实施例中，所述第一阳极本体及所述第二阳极本体均为可溶性电极，可溶性电极的材质为与待形成的电镀层的材质有关，例如镀铜时为铜。

当给阳极组件供电时，若干块第一阳极本体互不导通，若干块第二阳极本体互不导通，第一阳极本体及第二阳极本体也互不导通。

阳极组件分段后，可针对每块阳极本体进行电流及电镀时间的调节，使电镀效果可调性更强，更易达到晶圆表面电镀层厚度均匀的目的。

电源可以为恒压电源，也可以为可调节电压的电源。当为恒压电源时可以设置一个或两个电源。当为两个电源时，一个可以是多块第一阳极本体和/或第二阳极本体并联时使用的电源，一个可以是单块第一阳极本体或第二阳极本体单独使用时的电源。当为可调节电压的电源时，通常设置一个电源。电源数量可根据需求和经济成本进行灵活设置。

为了使在开启电源时，并联关系的每块阳极本体的电流一样(电流一致才能促进晶圆表面电镀的厚度均匀性)，需这其中的每块阳极本体的电阻一样。针对恒压电源且单独只开启某一块阳极的电源，为了节省成本，通常使多块阳极的电源是共用的。进一步地，为了方便供电数据的计算控制，需这其中的每块阳极的电阻一致。

为了使阳极本体的电阻一致，在阳极材料密度一致的条件下，可以使其体积一致，也可以在密度及厚度一致且形状规则均匀的情况下，使每块阳极本体的投影面积(即俯视状态下的投影面积)相同。考虑到实际电镀过程中不同的阳极本体会存在磨损消耗导致厚度不平的现象，因此，优选地，使每块阳极本体的投影面积相同。在电源数量允许的条件下，阳极本体的投影面积也可以不等分。

因此，优选地，每块第一阳极本体的投影面积相同，每块第二阳极本体的投影面积相同，而且第一阳极本体的投影面积小于所述第二阳极本体的投影面积，但本实施例并不具体限定第一阳极本体或第二阳极本体的投影面积，均可根据实际需求进行相应的调整及选择。

作为另一实施例，参考图2所示，当采用多级分段结构时，同一组内的每一块第一阳极本体的投影面积分别相同(即图2中的A1、A2和A3的投影面积分别相同，A01、A02和A03的投影面积分别相同)，不同组内的第一阳极本体的投影面积分别不同(例如，图2中A1与A01不同)。当然，本实施例并不具体限定每一组内或不同组内的第一阳极本体的投影面积，均可根据实际需求进行相应的调整及选择。为了使组内阳极可灵活拆分使用或合并为一块阳极使用，可使各组阳极的投影面积与相邻组的单环阳极投影面积有一定的加和关系，例如A01、A02和A03的投影面积之和等于A1的投影面积，进一步地，A1的投影面积的4倍等于B的投影面积，也就是A01、A02、A03、A1、A2和A3的投影面积之和等于B的投影面积。但也可以仅仅是A1、A2和A3的投影面积之和等于B的投影面积。以此类推，可多级布局，级数不限。每一级的分裂环数不限，例如A01、A02和A03的总投影面积也可以是由投影面积相同的四块阳极组成，或者也可以仅仅是由投影面积相同的两块阳极组成。

在本实施例中，如图1至图4所示，若干块第一阳极本体互相套设且同轴，其中位于中心的第一阳极本体为圆柱体，其他的第一阳极本体为环状结构，包括圆环形结构和半环形结构。优选地，如图1及图2所示，其他的第一阳极本体均为环状结构。

在本实施例中，并不具体限定所述第一阳极本体的形状，其投影面也可以为多边形等其他形状，可根据实际需求进行相应的选择及调整。

晶圆一般具有3英寸、4英寸、6英寸、8英寸、12英寸等尺寸，其中，可以使3英寸或4英寸的晶圆所对应的阳极成为分段的若干块第一阳极本体。

优选地，所述第一阳极本体的数量为2块～5块，一般可以为2块或3块，但本实施例并不具体限定所述第一阳极本体的数量，可根据实际需求进行相应的选择及调整。

在本实施例中，如图1至图4所示，若干块第二阳极本体互相套设且同轴，所述若干块第二阳极本体均为环状结构，包括圆环形结构和半环形结构，其中位于最内环的第二阳极本体(如图1中的B，图2中的B，图3中的b，或图4中的b’)套设于位于最外环的环状结构的第一阳极本体(如图1中的A3，图2中的A3，图3中的a3，或图4中的a3’)，并且互不导通。优选地，如图1及图2所示，若干块第二阳极本体均为环状结构。

在本实施例中，并不具体限定所述第二阳极本体的形状，其投影面也可以为多边形等其他形状，可根据实际需求进行相应的选择及调整。

需要说明的是，第二阳极本体的数量可根据实际需求自行设置，可以但不限于是5块、6块，具体地，第二阳极本体的数量可以为5块～20块。当然，数量设置的越多，每块第二阳极本体的上表面的面积越小，对电镀均匀性修正的准确度就越高。

本实施例的阳极组件可实现水平电镀和垂直电镀，当进行水平电镀时，采用图3所示的水平阳极组件；当进行垂直电镀时，采用图4所示的垂直阳极组件。

在本实施例中，所述阳极组件还包括绝缘层。两相邻的阳极本体(可以是两块第一阳极本体，或者两块第二阳极本体，或者第一阳极本体与第二阳极本体)之间通过绝缘层相隔离，以实现当给阳极组件通电时，阳极本体互不导通。

其中，绝缘层贴合于两相邻的阳极本体中靠近阳极组件的轴线的阳极本体的外表面，绝缘层与两相邻的阳极本体中远离阳极组件的轴线的阳极本体之间具有间隙；或者，绝缘层贴合于两相邻的阳极本体中远离阳极组件的轴线的阳极本体的内表面，绝缘层与两相邻的阳极本体中靠近阳极组件的轴线的阳极本体之间具有间隙。此间隙用于电镀液从进液槽流入阳极本体，以及电镀槽中。

在本实施例中，优选地，绝缘层的材质可以采用PVDF或PFA。

如图5所示，本实施例还提供一种电镀装置，所述电镀装置主要包括如上述的阳极组件(包括如上述的第一阳极本体11、第二阳极本体12及绝缘层)、控制器2、电源模块3、电镀槽(图中未示出)和固定架(图中未示出)。

阳极组件固定于固定架上，固定架内置电镀液的进液槽。固定架设置并固定于电镀槽中。控制器2与电源模块3电连接。本实施例中的阳极组件还包括导电基板(图中未示出)，第一阳极本体、第二阳极本体和绝缘层均设置于导电基板上。

进行电镀时，将电源模块3的正极通过导电基板与第一阳极本体11及第二阳极本体12电连接，负极与电镀工件3(如晶圆)电连接。阳极组件和电镀工件相对平行设置，具体地：进行水平电镀时，图3示出的阳极组件设于电镀工件下方；进行垂直电镀时，图4示出的阳极组件设于电镀工件的左侧或右侧；且阳极组件的电镀表面的半径与电镀工件的半径相同，即阳极组件的形状与大小与电镀工件的形状和尺寸相同。

控制器2被配置为发送供电指令至电源模块3。电源模块3被配置为响应于接收所述供电指令，给一块或几块目标阳极本体(第一阳极本体或第二阳极本体)供电，此时目标阳极本体互不导通。

目标阳极本体为与目标区域对应的阳极本体。目标区域也即电镀层中厚度在厚度阈值范围之外的区域；厚度阈值范围可根据实际需求自行设置，该阈值范围是上下限两个值，因为考虑到电镀和退镀。

其中，供电指令包括电镀参数；该电镀参数包括以下参数中的一种或多种：

电镀速率、电镀次数、施加于目标阳极本体上的电镀电流值、施加于目标阳极本体上的电镀电压值、每个目标阳极本体的供电时长。

在本实施例中，电源模块可对一块或几块阳极本体单独供电，实现对电镀工件的局部区域进行电镀，从而可实现对一次或多次电镀(初始电镀)后电镀层不均匀的情况进行修正。

修正电镀时，对不同区域的电镀参数可通过以下方式获得：

采用超声波传感器、激光测厚仪、电涡流测厚仪或四探针测试仪等器件通过离线检测方式，对初始电镀的电镀层的厚度进行测量，得到厚度分布数据，根据厚度分布数据以及电镀工艺中的经验，确定每块目标阳极本体的电镀参数。

本实施例的电镀装置采用在线检测方式获取厚度分布数据，如图5所示，本实施例的电镀装置还包括检测模块5，检测模块5与控制器2电连接。控制器2包括计算单元21和控制单元22；计算单元21与控制单元22电连接。

作为一实施例，电源模块包括供电单元和开关电路。供电单元的正极通过开关电路与阳极本体电连接，供电单元的负极与电镀工件电连接。

本实施例的电镀装置可实现对一次或多次电镀(初始电镀)后的电镀工件上的电镀层的均匀性进行检测，并通过修正电镀对电镀均匀性进行修正，以提高电镀工件的电镀均匀性。其中，对于初始电镀、修正电镀，本实施例中采用不同的两个供电单元，分别为第一供电单元和第二供电单元，其输出不同的电流值。

第一供电单元用于实现初始电镀，第二供电单元用于实现修正电镀。且针对不同的目标区域，第二供电单元输出电流值不同的电流，整体来说，第一供电单元输出的电流大于第二供电单元输出的电流。需要说明的是，第一供电单元和第二供电单元实际输出的电流大小根据电镀图案的不同而不同。

在本实施例中，第一供电单元和第二供电单元采用直流稳压电源(Directcurrent regulated power supply)实现。提供的第一供电单元的电压的选择范围为0～30V，电流为0～150A。第二供电单元的电压的选择范围为-20V～20V，电流为-50A～50A。此外，在初始电镀之后，修正电镀时，第二供电单元也可以是脉冲电源，对初始电镀后形成的镀层进行选择性的退镀，实现电镀层的均匀性。具体地，当第二供电单元输出的电镀电流值大于0时，实现对目标区域进行补镀，也即对厚度较小的目标区域进行补充电镀；当电镀电流值小于0时，实现对目标区域进行退镀。该电镀装置适用于水平电镀和垂直电镀设备，也适用于TSV电镀、大马士革电镀、bump电镀、pillar电镀、RLD电镀(以上均为电镀工艺)等。

需要说明的是，第一电源和第二电源可通过多个直流稳压电源实现，也可通过1个直流稳压电源实现。共用电源的条件下，多块第一阳极本体及第二阳极本体间可组合起来构成更大阳极而进行修正电镀，且各种方式的修正电镀之间可多样化交叉组合，例如：先开启第一电源，实现所有阳极本体一起镀140s；然后开启第二电源给某块第一阳极本体或第二阳极本体单独供电50s，对某块目标区域进行电镀；然后再开启第二电源给某几块第一阳极本体和/或第二阳极本体供电50s，对多块目标区域进行电镀。

以下对电镀装置的电镀的工作原理进行说明：

S1、对电镀工件进行一次或多次电镀。

S2、检测模块获取形成于电镀工件上的电镀层的厚度分布数据并发送至控制器。

其中，检测模块可采用超声波传感器、激光测厚仪、电阻感应器、电流感应器、电压感应器或电涡流测厚仪等实现。

S3、对电镀工件上的电镀均匀性进行修正。

具体地，可预先计算并保存供电单元输出不同的电流值时的金属沉积分布曲线(也即厚度分布数据)。计算单元根据获取的厚度分布数据及电镀时长计算电镀参数，进而确定需要对厚度不符合厚度阈值范围的目标区域进行修正电镀的时长、电镀电流/电压值和电镀次数，即确定与目标区域对应的阳极本体(即目标阳极本体)的电镀参数。其中，电镀参数可通过如下方式确定：根据多次实验获取厚度分布数据、电镀速率与供电时长的对应关系并以表格的形式存储于数据库中；待对电镀工件进行修正电镀时，从数据库中获取相应的电镀参数。

在本实施例中，进行初始电镀时，若干块第一阳极本体及若干块第二阳极本体相当于一个整体的大阳极。

本实施例中，如图5所示，电镀装置还包括存储器6，存储器6与控制器2电连接。存储器6被配置为存储每次电镀时的电镀参数，以便于下次进行电镀时，控制器从存储器中获取历史电镀参数并根据该历史电镀参数生成供电指令。通过对每次电镀的电镀参数进行存储，随着存储的信息越多，往后计算的电镀参数就越精确，电镀形成的电镀层的均匀程度就越高。

作为一实施例，如图6所示，进行电镀时，对于A至E这五块第二阳极本体，全部开启其输入电流，五块第二阳极本体同时进行电镀，再通过控制电量(即电流乘于输入电流的时间)的方式进行判断，判断电镀厚度是否达到要求。

例如，E的电量达到了要求，就可以先关掉E(一般从最外环的阳极本体开始关掉)，剩余的四块还没有达到电镀厚度的要求，就要继续开启其输入电流。若一次电镀无法达到厚度要求，分段的阳极本体都可以后续再增加电流以进行厚度增补。若没有分段的阳极本体，晶圆一般直接会电镀成一块铜板，因此为了有效地防止此现象的发生，需要利用每一块阳极本体控制厚度。

以上说明的是把中间的若干块第一阳极本体捆绑作为一块第二阳极本体使用时候的情形。对于3英寸或4英寸的晶圆进行电镀时，只需要开启中间的若干块第一阳极本体，此时若干块第一阳极本体作为分段阳极来使用，使用方法与如上所述的方式类似，故不再一一赘述。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种阳极组件，其特征在于，包括：

互不导通的若干块第一阳极本体，所述若干块第一阳极本体互相套设且同轴，其中位于中心的第一阳极本体为圆柱体，其他的第一阳极本体为环状结构；以及，

互不导通的若干块第二阳极本体，所述若干块第二阳极本体互相套设且同轴，所述若干块第二阳极本体均为环状结构，其中位于最内环的第二阳极本体套设于位于最外环的环状结构的第一阳极本体，并且互不导通，

所述第一阳极本体的投影面积小于所述第二阳极本体的投影面积。

2.如权利要求1所述的阳极组件，其特征在于，每一块所述第一阳极本体的投影面积相同；和/或，

每一块所述第二阳极本体的投影面积相同。

3.如权利要求1所述的阳极组件，其特征在于，所述第一阳极本体的数量为2块～5块。

4.如权利要求1所述的阳极组件，其特征在于，若干块第一阳极本体分为至少两组第一阳极本体；

每一组第一阳极本体分别包括至少一块第一阳极本体；

同一组内的每一块第一阳极本体的投影面积分别相同，不同组内的第一阳极本体的投影面积分别不同。

5.如权利要求1所述的阳极组件，其特征在于，所述阳极组件还包括绝缘层；

两相邻的第一阳极本体之间、两相邻的第一阳极本体与第二阳极本体之间和两相邻的第二阳极本体之间均通过所述绝缘层相隔离。

6.如权利要求5所述的阳极组件，其特征在于，所述绝缘层的材质包括PVDF或PFA；和/或，

所述阳极组件还包括导电基板；

所述第一阳极本体、所述第二阳极本体及所述绝缘层设置于所述导电基板上。

7.如权利要求1～6中任意一项所述的阳极组件，其特征在于，所述第一阳极本体及所述第二阳极本体均为可溶性电极；和/或，

所述第二阳极本体的数量为5块～20块。

8.一种电镀装置，其特征在于，包括控制器、电源模块及如权利要求1～7中任意一项所述的阳极组件；

所述控制器与所述电源模块电连接；

所述控制器被配置为发送供电指令至所述电源模块；

所述电源模块被配置为响应于从所述控制器接收所述供电指令，给至少一块所述第一阳极本体或所述第二阳极本体供电。

9.如权利要求8所述的电镀装置，其特征在于，所述电镀装置还包括检测模块；

所述检测模块与所述控制器电连接；

所述电源模块的正极与所述阳极本体电连接，所述电源模块的负极与电镀工件电连接；

所述检测模块被配置为获取形成于所述电镀工件上的电镀层的厚度分布数据并输出至所述控制器；

所述控制器被配置为生成所述供电指令。

10.如权利要求9所述的电镀装置，其特征在于，所述电镀装置还包括存储器；

所述存储器与所述控制器电连接；

所述存储器被配置为存储所述电镀装置的电镀参数。

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