DE10150640B4 - Thyristor with integrated over-head protection and process for its production - Google Patents
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Abstract
In
einem Halbleiterkörper
(1) integrierter Thyristor
mit mindestens einer anodenseitigen
Basiszone (2) vom ersten Leitungstyp und mit mindestens einer daran
angrenzenden katodenseitigen Basiszone (3) vom entgegengesetzten
zweiten Leitungstyp sowie
mit mindestens einer anodenseitigen
Emitterzone (8) des zweiten Leitungstyp und einer katodenseitigen
Emitterzone (7) des ersten Leitungstyps,
dadurch gekennzeichnet,
dass
der Thyristor innerhalb der anodenseitigen Basiszone (2) mindestens
eine dotierte Zone (16) mit verminderter Durchbruchsspannung umfasst,
die thermische Donatoren (15) aufweist und die eine gegenüber den
außerhalb
dieser Zone (16) angeordneten Bereichen der anodenseitigen Basiszone
(2) erhöhte
Dotierungskonzentration des ersten Leitungstyps aufweist.In a semiconductor body (1) integrated thyristor
with at least one anode-side base zone (2) of the first conductivity type and with at least one adjacent thereto cathode-side base zone (3) of the opposite second conductivity type, and
with at least one anode-side emitter zone (8) of the second conductivity type and a cathode-side emitter zone (7) of the first conductivity type,
characterized,
in that the thyristor within the anode-side base zone (2) comprises at least one doped zone (16) with reduced breakdown voltage, which has thermal donors (15) and the doping concentration increased relative to the regions of the anode-side base zone (2) arranged outside this zone (16) of the first conductivity type.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Thyristor gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, d. h. einen in einem Halbleiterkörper integrierter Thyristor, mit mindestens einer anodenseitigen Basiszone vom ersten Leitungstyp und mit mindestens einer daran angrenzenden katodenseitigen Basiszone vom entgegengesetzten zweiten Leitungstyp, mit mindestens einer anodenseitigen Emitterzone des zweiten Leitungstyp und einer katodenseitigen Emitterzone des ersten Leitungstyps, mit einem zentralen Bereich des Thyristors, der eine gegenüber den übrigen Bereichen des Thyristors und dem Rand des Halbleiterkörper verminderte Durchbruchspannung aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zu dessen Herstellung.The The present invention relates to a thyristor according to the preamble of claim 1, d. H. a integrated in a semiconductor body Thyristor, with at least one anode-side base zone from the first Conduction type and with at least one adjacent cathode side Base zone of the opposite second conductivity type, with at least an anode-side emitter region of the second conductivity type and a Cathode-side emitter region of the first conductivity type, with a central Area of the thyristor, one opposite the other areas of the thyristor and the edge of the semiconductor body having reduced breakdown voltage. Furthermore, the invention relates to a Process for its preparation.
Thyristoren werden unter anderem in Hochspannungsanlagen zum Schalten sehr hoher Spannungen im Bereich einiger Kilovolt eingesetzt. Bei Hochspannungsanwendungen werden zu diesem Zweck mehrere Thyristoren, die jeweils eine Spannungsfestigkeit von einigen tausend Volt aufweisen, in Reihe geschaltet. Die Schwierigkeit besteht nun darin, dass diese in Reihe zueinander geschalteten Thyristoren immer gleichzeitig gezündet werden müssen. Zündet beispielsweise einer der Thyristoren zeitverzögert, so liegt an ihm für kurze Zeit die gesamte Hochspannung an. Der lediglich für einige tausend Volt ausgelegte Thyristor wird dadurch sehr schnell zerstört, wodurch die Hochspannungsschaltanlage nicht mehr funktionsfähig ist.thyristors Among other things, in high voltage systems for switching very high Voltages in the range of a few kilovolts are used. For high voltage applications For this purpose, several thyristors, each having a dielectric strength of several thousand volts, connected in series. The difficulty consists in the fact that these thyristors connected in series with each other always ignited at the same time Need to become. ignites For example, one of the thyristors delayed, it is up to him for a short time Time the entire high voltage. The only for some a thousand volts designed thyristor is thereby destroyed very quickly, which the high-voltage switchgear is no longer functional.
Man ist daher bemüht, Thyristoren zu entwickeln, die "über Kopf" gezündet werden können. Solche Thyristoren haben in der Regel einen zentralen Bereich (Durchbruchbereich), der eine gegenüber den übrigen Bereichen und dem Randbereich niedrigere Durchbruchspannung (Überkopfzündspannung) aufweist. Steigt die Spannung am Thyristor an, so geht zunächst dieser zentra le Bereich, definiert in den Lawinendurchbruch. Der dadurch erzeugte Durchbruchstrom kann den Thyristor dann direkt oder über einen oder mehrere Hilfsthyristorstrukturen (Amplifying-Gate) definiert zünden.you is therefore anxious To develop thyristors, which are ignited "overhead" can. Such thyristors usually have a central region (breakdown region), one opposite the other areas and the edge area lower breakdown voltage (overhead ignition voltage) having. If the voltage at the thyristor increases, it will go first Central area defined in the avalanche breach. The result generated breakdown current, the thyristor then directly or via a or multiple Hilfsthyristorstrukturen (amplifying gate) defined ignite.
Der Durchbruchbereich (Überkopfzündbereich) wird beispielsweise dadurch erzeugt, dass an der katodenseitigen Basiszone eine oder mehr Aussparung vorgesehen ist, innerhalb der an der Oberfläche des Halbleiterkörpers eine dünnere Schicht des gleichen Leitungstyps angeordnet ist. Dieser Durchbruchbereich wird bei einem Thyristor häufig auch als BOD-Bereich (Break-Over-Diode) bezeichnet. Der pn-Übergang zwischen der anoden- und der katodenseitigen Basiszone im BOD-Bereich weist beim Übergang von der Waagerechten-in die Aussparung einen definierten Krümmungsradius auf, an dem gegenüber einem ebenen pn-Übergang eine Verdichtung der elektrischen Feldlinien des elektrischen Feldes auftritt. An der Krümmung kommt es daher aufgrund des dort vorhandenen größeren elektrischen Feldes vorzugsweise zu einem Durchbruch des Thyristors.Of the Breakthrough area (overhead ignition area) is generated for example by the fact that at the cathode side Base zone is provided one or more recess, within the on the surface of the semiconductor body a thinner one Layer of the same conductivity type is arranged. This breakthrough area is also common in a thyristor referred to as BOD area (break-over diode). The pn junction between the anode and cathode-side base region in the BOD region indicates during the transition from the horizontal-into the recess a defined radius of curvature on, on the opposite a flat pn junction a compression of the electric field lines of the electric field occurs. At the bend It is therefore preferable because of the existing there larger electric field to a breakthrough of the thyristor.
Eine
solche, gattungsgemäße Thyristor-Struktur
mit BOD-Bereich
ist beispielsweise in der
Gattungsgemäße Thyristoren
sind weiterhin in der
Wie bereits vorstehend erwähnt, ist insbesondere bei Hochleistungsthyristoren die Funktionalität eines Überkopfzündschutzes von sehr großer Bedeutung, da er den Thyristor beim Auftreten von Überspannungen vor Zerstörung schützt. Ein Problem, welches allen genannten Überkopfzündstrukturen inhärent ist, besteht darin, dass aufgrund unvermeidlicher Streuungen der Prozessparameter auch die Dotierungsprofile der einzelnen Bereiche des Thyristors variieren, wodurch es auch zu einer Streuung der Überkopfzündspannung kommt. Dies kann jedoch häufig erst nachträglich, d. h. nachdem das Halbleiterbauelement fertig prozessiert wurde, jedoch noch nicht montiert ist, gemessen werden. Eine nachträgliche Modulation der Überkopfzündspannung, beispielsweise durch Hochenergieionenimplantation oder durch Bestrahlung der entsprechend betroffenen Halbleitergebiete ist vielfach ohne weitere Beschädigung des Halbleiterkörpers nicht mehr möglich. Folglich bleibt lediglich die Möglichkeit die fehlerhaften Thyristoren auszusondern oder alternativ den Herstellungsprozess in entsprechender Weise so überzudimensionieren, dass die Möglichkeit für fehlerhafte Thyristoren gar nicht erst auftritt. Beide Fälle sind jedoch in wirtschaftlicher Hinsicht nicht vorteilhaft, bedeuten Sie doch eine signifikante Verteuerung der Thyristoren.As already mentioned above, In particular, in high-power thyristors, the functionality of Überkopfzündschutzes very important, because it protects the thyristor from overvoltage when overvoltages occur. One Problem inherent in all of the above overhead ignition structures, is that due to unavoidable variability of the process parameters too the doping profiles of the individual regions of the thyristor vary, which also leads to a scattering of Überkopfzündspannung. This can, however often only later, d. H. after the semiconductor device has finished processing, however not yet mounted, be measured. A subsequent modulation the overhead ignition voltage, for example by high energy ion implantation or by irradiation the corresponding affected semiconductor areas is often without further damage of the semiconductor body not possible anymore. Consequently, only the possibility remains faulty thyristors weed out or alternatively the manufacturing process in a corresponding way to over-dimension, that possibility for faulty Thyristors do not even occur. Both cases, however, are more economical Not advantageous, they mean a significant increase in price the thyristors.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die Auswirkungen der Streuung der Dotierungsprofile und die damit einhergehende Streuung der Überkopfzündspannung weitestgehend kompensiert werden kann.Of the The present invention is therefore based on the object, a thyristor of the type mentioned in such a way that the effects the scattering of the doping profiles and the associated dispersion the overhead ignition voltage can be largely compensated.
Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Hochleistungsthyristor mit einem verbesserten Überkopfzündschutz bereitzustellen, d.h. einen Thyristor mit einer niedrigen Durchbruchspannung im Zentralbereich des Bauelements.It It is a further object of the present invention to provide a high performance thyristor with improved overhead ignition protection to provide, i. a thyristor with a low breakdown voltage in the central area of the component.
Es ist schließlich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein unkompliziertes und ökonomisches Verfahren zur Realisierung eines Überkopfzündschutz an Hochleistungsthyristoren, bereitzustellen, welches am im wesentlichen fertiggestellten Bauelement insbesondere bei geringen Temperaturen durchgeführt werden kann.It is finally An object of the present invention is an uncomplicated and economical Method for implementing overhead ignition protection on high-power thyristors, to provide, which at the substantially finished component especially at low temperatures can be performed.
Die anordnungsbezogenen Aufgaben werden erfindungsgemäß durch einen Thyristor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Demgemäss ist ein gattungsgemäßer Thyristor vorgesehen, bei dem im zentralen Bereich des Thyristors innerhalb der anoden seitigen Basiszone mindestens eine dotierte Zone vorgesehen ist, die thermische Donatoren aufweist und die eine gegenüber den außerhalb dieser Zone angeordneten Bereichen der anodenseitigen Basiszone erhöhte Dotierungskonzentration des ersten Leitungstyps aufweist.The Arrangement-related tasks are inventively a thyristor with the features of claim 1 solved. Accordingly, a generic thyristor provided, in which in the central region of the thyristor within the anode-side base zone provided at least one doped zone is that has thermal donors and the one opposite the outside This zone arranged areas of the anode-side base zone increased Having doping concentration of the first conductivity type.
Die verfahrensbezogene Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Demgemäss ist ein gattungsgemäßes Verfahren vorgesehen, bei dem ein Diffusionsprozess vorgesehen ist, bei dem zur Bildung der thermischen Donatoren des ersten Leitungstyps Wasserstoffatome in die Zone innerhalb des anodenseitigen Basiszone eindiffundiert werden.The procedural task is performed by a procedure with the characteristics of claim 8 solved. Accordingly, is a generic process provided in which a diffusion process is provided, in which to form thermal donors of the first conductivity type hydrogen atoms diffused into the zone within the anode-side base zone become.
Bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen sind in den nachgeordneten abhängigen Patentansprüchen aufgeführt bzw. ergeben sich aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.preferred embodiments and advantageous developments are listed in the subordinate dependent claims or will be apparent from the description with reference to the drawings.
Erfindungsgemäß wird also ein Absenken (Nachjustieren) der BOD-Spannung durch gezieltes Anheben der Anzahl von thermischen Donatoren ermöglicht. Die BOD-Spannung und folglich die elektrische Feldstärke ergibt sich demnach aus der Hintergrunddotierung und der Konzentration der erzeugten thermischen Donatoren. Bei einer vorgegebenen BOD-Struktur lässt sich diese somit sehr einfach nachjustieren, indem je nach Bedarf die entsprechenden thermischen Donatoren im Bereich dieser BOD-Struktur erzeugt werden. Die Erfindung eignet sich auch für solche Halbleiterbauelemente, die bereits weitgehend oder vollständig hergestellt sind, jedoch noch keine oder zumindest keine ausreichende BOD-Struktur aufweisen. In diesem Fall kann die BOD-Struktur vollständig durch nachträgliches Einbringen von thermischen Donatoren erzeugt werden.Thus, according to the invention a lowering (readjustment) of the BOD voltage by targeted lifting the number of thermal donors allows. The BOD voltage and consequently the electric field strength results from the background doping and the concentration the generated thermal donors. For a given BOD structure let yourself These are very easy to readjust as required by the corresponding thermal donors in the range of this BOD structure be generated. The invention is also suitable for such semiconductor components, which are already largely or completely manufactured, however have no or at least no sufficient BOD structure. In this case, the BOD structure can be completely replaced by subsequent Introduction of thermal donors are generated.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst im Wesentlichen zwei Schritte: In einem ersten Schritt wird der mit dem erfindungsgemäßen Überkopfzündschutz zu versehende Thyristor fertig prozessiert. Anschließend wird im zentralen Bauelementbe reich, also dort, wo der Überkopfzündschutz vorzusehen ist, eine Erhöhung der n-Dotierung in der n-dotierten Basis mittels Eindiffusion von Wasserstoffatomen durchgeführt.The inventive method Essentially, there are two steps: In a first step with the Überkopfzündschutz invention processed to be provided thyristor processed. Subsequently, will in the central component area, ie where the overhead protection is to be provided is, an increase the n-doping in the n-doped base by means of indiffusion of Hydrogen atoms carried out.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Thyristors mit integriertem Überkopfzündschutz wird demnach eine Erhöhung der n-Dotierung in der n-Basis dadurch erzeugt, dass eine Eindiffusion, insbesondere eine maskierte Eindiffusion, von Wasserstoffatomen durchgeführt wird. Dies führt dazu, dass sich in den Zonen, in welchen sich die eindiffundierten Wasserstoffatome befinden, bevorzugt thermische Donatoren bilden, welche die gewünschte zusätzliche n-Dotierung bewirken. Unter einem thermischen Donator ist ein n-dotierender Dopand zu verstehen, der eine im Vergleich zu herkömmlichen n-dotierenden Dopanden, wie zum Beispiel Phosphor oder Arsen, deutlich höhere Ionisationsenergie aufweist. Thermische Donatoren sind tiefe Donatoren und üben daher ihre Donatorenwirkung erst bei entsprechend vollständig erhöhter Temperatur aus. Befinden sich diese thermischen Donatoren innerhalb einer Raumladungszone, sind sie jedoch auch schon bei tiefen Temperaturen (z. B. Raumtemperatur) vollständig elektrisch aktiv. Diese durch die thermischen Donatoren bewirkte zusätzliche n-Dotierung bewirkt eine gezielte Anhebung der elektrischen Feldstärke bei anliegender Blockierspannung und somit eine gezielte Absenkung der Durchbruchspannung im Zentralbereich des Bauelements. Thermische Donatoren enthalten zumindest teilweise Sauerstoff bzw. ein Sauerstoff enthaltendes Konglomerat. Bei der Bildung des thermischen Donators bildet Wasserstoff quasi den Katalysator.To the inventive method for Production of a thyristor with integrated Überkopfzündschutz is therefore a Increase the n-doping in the n-type base produced by a diffusion, in particular a masked diffusion, of hydrogen atoms carried out becomes. this leads to that in the zones in which the diffused Hydrogen atoms are located, preferably forming thermal donors, which the desired additional effect n-doping. Under a thermal donor is an n-doping dopant to understand that compared to conventional n-doping dopants, such as phosphorus or arsenic, has significantly higher ionization energy. Thermal donors are deep donors and therefore exert their donor effect first at correspondingly complete increased Temperature off. Are these thermal donors within a space charge zone, they are already at low temperatures (eg room temperature) completely electrically active. This caused by the thermal donors additional n-doping causes a targeted increase in the electric field strength at adjacent blocking voltage and thus targeted lowering of the Breakdown voltage in the central region of the device. thermal Donors contain at least partially oxygen or an oxygen containing conglomerate. At formation of the thermal donor Hydrogen quasi forms the catalyst.
Die Wasserstoffeindiffusion zur Bildung der thermischen Donatoren kann gemäss diverser Verfahren durchgeführt werden, welche dem Fachmann geläufig sind. Beispielsweise kann die Wasserstoffeindiffusion mittels einer maskierten Wasserstoffplasmabehandlung durchgeführt werden, wie sie von A.G. Ulyashin et al. in Appl. Phys. A 66, 399–402 (1998) beschrieben ist. Die für die Bildung der thermischen Donatoren erforder lichen Sauerstoffatome sind im allgemeinen bei nach dem FZ-Verfahren (Float-Zone) hergestellten Siliziumscheiben in ausreichender Konzentration vorhanden, da während der üblicherweise durchgeführten Feuchtoxidation und der oxidierenden Eintreibschritte unter den gegebenen Bedingungen eine beträchtliche Konzentration von Sauerstoff in die Scheiben eindiffundiert, der dann bei der Bildung der thermischen Donatoren verwendet werden kann.The hydrogen diffusion to form the thermal donors can be carried out according to various methods which are familiar to the person skilled in the art. For example, hydrogen diffusion can be accomplished by a masked hydrogen plasma treatment as described by AG Ulyashin et al. in Appl. Phys. A 66, 399-402 (1998). The oxygen atoms required for the formation of the thermal donors are generally available in silicon wafers produced by the FZ process (float zone) reaching concentration, since during the usual carried out wet oxidation and the oxidizing driving steps under the given conditions a considerable concentration of oxygen diffuses into the discs, which can then be used in the formation of thermal donors.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Diffusionsverfahrens besteht in der Tatsache, dass es bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen, d.h. bei Temperaturen von weniger als 500°C, sowie sehr geringen Diffusionszeiten von ungefähr einer Stunde durchgeführt werden kann. Unter diesen Bedingungen wird die erforderliche Tiefe der n-Dotierung erreicht, wobei eine Metallisierungstemperung des Bauelements kein Hindernis darstellt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann damit auch nachträglich noch, dass heißt an dem bereits fertig prozessierten, jedoch noch nicht montierten Thyristor-Bauelement, vorgenommen werden. Aufgrund der niedrigen Prozesstemperaturen wird der Halbleiterkörper dabei nicht signifikant geschädigt.One particular advantage of the diffusion process according to the invention consists in the fact that at comparatively low temperatures, i. at temperatures of less than 500 ° C, as well as very low diffusion times of about one hour can be. Under these conditions, the required depth reaches the n-type doping, wherein a metallization annealing of Component represents no obstacle. The inventive method can also be retrofitted still that means on the already processed, but not yet assembled Thyristor device be made. Due to the low process temperatures will the semiconductor body not significantly damaged.
Die Wasserstoffeindiffusion selbst kann erfindungsgemäß sowohl einstufig als auch zweistufig durchgeführt werden. Bei einem einstufigen Verfahren wird die Wasserstoffeindiffusion vorzugsweise bei Temperaturen von 300°C bis 500°C durchgeführt. Demgegenüber wird bei einem zweistufigen Verfahren zuerst eine Wasserstoffvorbelegung bei Temperaturen von 200°C bis 300°C und anschließend eine Anealstufe bei Temperaturen von 300°C bis 450°C durchgeführt. Das einstufige Verfahren zeichnet sich gegenüber dem zweistufigen dadurch aus, dass lediglich ein Prozessschritt erforderlich ist, während bei dem zweistufigen Verfahren vorteilhafterweise eine geringere Temperatur erforderlich ist. Das ein- und zweistufige Verfahren ist in A.G. Ulyashin et al., Solid State Phenomena 57–58, 189, GADEST '97, 7th International Autumn Meeting, Spa, Belgien, 1997, beschrieben.The hydrogen diffusion itself can be carried out according to the invention both in one stage and two stages. In a one-step process, the hydrogen diffusion is preferably carried out at temperatures of 300 ° C to 500 ° C. In contrast, in a two-stage process, first a hydrogen presetting at temperatures of 200 ° C to 300 ° C and then an Anealstufe at temperatures of 300 ° C to 450 ° C is performed. The single-stage process is distinguished over the two-stage in that only one process step is required, while in the two-stage process advantageously a lower temperature is required. The one- and two-stage process is in AG Ulyashin et al., Solid State Phenomena 57-58, 189, GADEST '97, 7 th International Autumn Meeting, Spa, Belgium, 1997..
Die Einstellung der Überkopfzündspannung kann durch entsprechende Wahl der Diffusionstemperatur und Diffusionszeit erfolgen. Vorzugsweise wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines integrierten Überkopfzündschutzes an einem Hochleistungsthyristor die Wasserstoffeindiffusion kathodenseitig vorgenommen.The Setting the overhead ignition voltage can by appropriate choice of the diffusion temperature and diffusion time respectively. Preferably, in a process for the production an integrated overhead ignition protection on a high-performance thyristor, the hydrogen diffusion on the cathode side performed.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur der Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt in einem Teilschnitt einen erfindungsgemäßen Thyristor.The Invention will now be described with reference to the single figure of the drawing explained in more detail. The FIG. 1 shows a partial section of a thyristor according to the invention.
In
der Figur ist mit Bezugszeichen
Kathodenseitig
schließt
sich eine p-dotierte Basiszone
Kathodenseitig
sind in der Basiszone
Bei
Anlegen einer Blockierspannung werden bevorzugt im Bereich des pn-Übergangs
Die
oben beschriebenen Zonen bzw. Schichten können entsprechend
Die Erfindung sei nicht ausschließlich auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können dort beispielsweise durch Austauschen der Leitfähigkeitstypen n gegen p und umgekehrt sowie durch Variation der Dotierungskonzentrationen eine Vielzahl neuer Thyristorvarianten angegeben werden.The Invention is not exclusive to the embodiment shown limited. Rather, you can There, for example, by exchanging the conductivity types n against p and vice versa and by varying the doping concentrations a Variety of new Thyristorvarianten be specified.
Die
oben beschriebenen Maßnahmen
ermöglichen
eine nachträgliche
Justierung der Überkopfzündspannung,
die beispielsweise wie in
- 11
- HalbleiterkörperSemiconductor body
- 22
- anodenseitige Basiszoneanode side base zone
- 33
- katodenseitig Basiszonecathode side base zone
- 44
- Aussparungrecess
- 55
- dünne p-dotierte Schichtthin p-doped layer
- 66
- DurchbruchbereichBreakdown region
- 77
- kathodenseitig Emitterzonethe cathode side emitter region
- 88th
- anodenseitige Emitterzoneanode side emitter region
- 1010
- Emitterelektrodeemitter electrode
- 1111
- Anodenelektrodeanode electrode
- 1212
- Gateelektrodegate electrode
- 1313
- pn-Übergangpn junction
- 1414
- erste Oberfläche, Scheibenrückseitefirst Surface, Wafer backside
- 1515
- thermische Donatorenthermal donors
- 1616
- Zone mit thermischen DonatorenZone with thermal donors
- 1717
- zweite Oberfläche, Scheibenvorderseitesecond Surface, Wafer front side
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