DE1208009B - Process for the production of low-dislocation single-crystal semiconductor material for a semiconductor component with pn junction - Google Patents
Process for the production of low-dislocation single-crystal semiconductor material for a semiconductor component with pn junctionInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES FEDERAL REPUBLIC OF GERMANY GERMAN '/WWW* '/ WWW * PATENTAMTPATENT OFFICE Int. CL:Int. CL:
HOIlHOIl
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Deutsche KL: 21g-11/02German KL: 21g-11/02
Nummer: 1208 009Number: 1208 009
Aktenzeichen: C 27398 VIII c/21 gFile number: C 27398 VIII c / 21 g
Anmeldetag: 6. Juli 1962 Filing date: July 6, 1962
Auslegetag: 30. Dezember 1965Opening day: December 30, 1965
Es ist allgemein bekannt, hochdotierte Halbleiterkörper mit pn-Übergängen durch Einführen einer Mischung von mehreren Verunreinigungen bzw. Dotierungsmaterialien in Halbleitermaterial herzustellen. So ist beispielsweise bekannt, eine Zone höherer Verunreinigungskonzentration vom η-Typ in Halbleitermaterial der Gruppe VI des Periodischen Systems durch Verwendung von Schwefel, Selen und/ oder Tellur als Dotierungsmaterial mit einem Anteil von weniger als 1% des Halbleitermaterials herzustellen. Es ist ferner bei der Herstellung von legierten pn-Ubergängen bekannt, fehlerhaftes Legieren von Gold-Antimon-Legierungsmaterial durch geringe Zusätze von Schwefel und Arsen zu verhindern.It is generally known to produce highly doped semiconductor bodies with pn junctions by introducing a To produce a mixture of several impurities or doping materials in semiconductor material. For example, it is known to have a zone of higher η-type impurity concentration in Semiconductor material of group VI of the periodic table through the use of sulfur, selenium and / or tellurium as a doping material with a proportion of less than 1% of the semiconductor material. It is also known in the production of alloyed pn junctions, faulty alloying of gold-antimony alloy material by adding small amounts of sulfur and arsenic.
Wenn Verunreinigungen in einen Körper, z. B. in einen Einkristall aus Halbleitermaterial, eindiffundiert werden, kann die Gitterkonstante der diffundieiten Schicht von dem darunter befindlichen Körper abweichen. Die Änderung in der Gitterkonstanten der diffundierten Schicht verursacht wegen der Verunreinigungsatome in der Umgebung der Berührungsfläche zwischen dem übrigen Körper und der diffundierten Schicht Spannungen. Wenn die Gitterkonstanten nur geringfügig voneinander abweichen, werden diese Spannungen wegen der kristallinen Struktur ausgeglichen. Wenn dagegen die Abweichung der Gitterkonstanten infolge der Anwesenheit von Verunreinigungsatomen wesentlich größer ist und genügend tief diffundiert wird, können die resultierenden Spannungen nicht durch die Gitterstruktur ausgeglichen werden. Die Spannungen werden in einem derartigen Falle vielmehr dadurch ausgeglichen, daß die Diffusionsschicht und der darunter befindliche Körper durch eine Reihe von Versetzungen verbunden sind.When contaminants enter a body, e.g. B. diffused into a single crystal made of semiconductor material the lattice constant of the diffused layer can differ from that of the body below. The change in the lattice constant of the diffused layer caused because of the impurity atoms in the vicinity of the contact surface between the rest of the body and the diffused Layer tensions. If the lattice constants differ only slightly from each other, these tensions are evened out due to the crystalline structure. If on the other hand the deviation the lattice constant is much larger due to the presence of impurity atoms and is diffused deep enough, the resulting stresses cannot be compensated for by the lattice structure will. The tensions are rather balanced in such a case that the diffusion layer and the underlying body are connected by a series of dislocations are.
Bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen mit epitaktisch aufgewachsenen Schichten entstehen z.B. Spannungen zwischen dem Körper und der auf diesem epitaktisch aufgewachsenen Schicht. Hierbei treten ebenfalls eine Reihe von Versetzungen an der Berührungsfläche dann auf, wenn der Unterschied in der Gitterkonstanten groß genug und die Dicke der epitaktisch aufgewachsenen Schicht groß ist.In the production of semiconductor devices with epitaxially grown layers, e.g. Tensions between the body and the layer epitaxially grown on it. Here a number of dislocations also occur on the contact surface when the difference in the lattice constant is large enough and the thickness of the epitaxially grown layer is large.
Bei der Herstellung von Transistoren soll nach Möglichkeit die Emitterzone eine hohe Verunreinigungskonzenti
ation aufweisen, während die anderen Zonen im Vergleich dazu verhältnismäßig niedrige
Verunreinigungskonzentrationen besitzen können. Das hat zur Folge, daß die Gitterkonstanten der anderen
Zonen im wesentlichen der Gitterkonstanten des reinen Kristalls entsprechen, während die äußere bzw.
Emitterzone eine unterschiedliche Gitterkonstante auf-Verfahren zum Herstellen von versetzungsarmem
einkristallinem Halbleitermaterial für ein
Halbleiterbauelement mit pn-übergangIn the manufacture of transistors, the emitter zone should, if possible, have a high impurity concentration, while the other zones, in comparison, can have relatively low impurity concentrations. This has the consequence that the lattice constants of the other zones essentially correspond to the lattice constants of the pure crystal, while the outer or emitter zone has a different lattice constant
Semiconductor component with pn junction
Anmelder:Applicant:
International Standard Electric Corporation,International Standard Electric Corporation,
New York, N.Y. (V. St. A.)New York, N.Y. (V. St. A.)
Vertreter:Representative:
Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,Dipl.-Ing. H. Ciaessen, patent attorney,
Stuttgart, Rotebühlstr. 70Stuttgart, Rotebühlstr. 70
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Hans J. Queisser, Mt. View, Calif. (V. St. A.)Hans J. Queisser, Mt. View, Calif. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:Claimed priority:
V. St. v. Amerika vom 13. Juli 1961 (123 778)V. St. v. America July 13, 1961 (123 778)
weist. Ähnliche Verhältnisse treten bei der Erzeugung von Solarzellen auf, bei denen angestrebt wird, die Oberflächenschicht mit verhältnismäßig hoher Verunreinigungskonzentration herzustellen. Auch dabei kann der Unterschied in der Gitterkonstanten die Bildung von Versetzungen verursachen.shows. Similar relationships occur in the production of solar cells in which the aim is to achieve the Produce surface layer with a relatively high concentration of impurities. Also there the difference in the lattice constant can cause dislocations to form.
Es ist bekannt, daß Versetzungen oder Fehler im Bereich der Raumladungszone eines pn-Übergangs in einem Halbleiterkörper die Lebensdauer der Ladungsträger wesentlich herabsetzen. Bei Kristallen, welche Versetzungen oder Gleitebenen aufweisen, diffundiert das zur Herstellung ohmscher Kontakte verwendete Material schneller entlang dieser Gleitebenen oder Versetzungen, wodurch die Anordnung nachteilig beeinflußt wird. Wenn eine Anordnung mehreren Diffusionsprozessen ausgesetzt wird, können Schwierigkeiten dadurch entstehen, daß die Diffusion bevorzugt entlang diesen Versetzungen stattfindet. Verschiedene Eigenschaften der Anordnung werden dadurch vermutlich berührt, z. B. die Durchbruchspannung, das Auftreten von Nebenschlüssen u. ä.It is known that dislocations or errors in the area of the space charge zone of a pn junction in a semiconductor body significantly reduce the service life of the charge carriers. With crystals, which Have dislocations or slip planes, diffuses that used to make ohmic contacts Material faster along these slip planes or dislocations, thereby adversely affecting the arrangement will. When an arrangement is subjected to multiple diffusion processes, difficulties can arise arise from the fact that the diffusion takes place preferentially along these dislocations. Different Properties of the arrangement are likely to be affected, e.g. B. the breakdown voltage, the Occurrence of shunts etc.
Das Ziel der Erfindung besteht im wesentlichen darin, Halbleiteranordnungen mit flächenhaften pn-Übergängen herzustellen, welche eine im gesamten Halbleiterkörper im wesentlichen gleichmäßige Gitter-The aim of the invention is essentially to provide semiconductor arrangements with planar pn junctions produce, which in the entire semiconductor body substantially uniform lattice
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konstante aufweisen und bei denen das Entstehen von Zonen stark unterschiedlicher Verunreinigungs-Versetzungen vermieden wird. Insbesondere sollen konzentration die Gitterspannungen solche Werte Halbleiteranordnungen betrachtet werden mit Schich- annehmen, daß schädliche Versetzungen auftreten ten hoher Verunreinigungskonzentration neben Schich- können.have constant and in which the emergence of zones of very different impurity dislocations is avoided. In particular, the lattice stress concentration should have such values Semiconductor devices are viewed with the assumption that harmful dislocations occur high concentration of impurities in addition to layering.
ten relativ niedriger Verunreinigungskonzentration, 5 Die weiteren Merkmale und Vorteile der Erfindungth relatively low impurity concentration, 5 The other features and advantages of the invention
an deren Verbindungsstelle keine Versetzungen auf- werden im folgenden an Hand der Zeichnung näherno dislocations occur at their connection point - will be explained in more detail below with reference to the drawing
treten und die durch den gesamten Halbleiterkörper erläutert:occur and which are explained through the entire semiconductor body:
eine im wesentlichen gleichförmige Gitterkonstante Fig. 1 zeigt eine Atomebene in einem reinena substantially uniform lattice constant. Fig. 1 shows an atomic plane in a pure
besitzen. Halbleiterkristall, ζ. B. in Silizium;own. Semiconductor crystal, ζ. B. in silicon;
Es ist bekannt, einen einheitlichen Halbleiterkörper io Fig. 2 zeigt eine Atomebene in einem Halbleiterfür
eine Spitzendiode mit zwei Dotierungsmaterialien kristall, in dessen obere Oberfläche Verunreinigungen
gleichen Leitfähigkeitstyps zu dotieren, von denen das mit einem kleineren Atomradius gegenüber dem
eine einen größeren und das andere einen kleineren übrigen Kristall eindiffundiert worden sind;
Atomradius als der Atomradius der Halbleiteratome Fig. 3 zeigt eine Atomebene in einem Kristall,
aufweist. Die Dotierung des Halbleiterkörpers erfolgt 15 bei welchem die mittleren Atomradien der Verunreidabei
in einem solchen Mengenverhältnis der Dotie- nigungen im wesentlichen dem des übrigen Kristalls
rungsmaterialien, daß der mittlere Atomradius des entsprechen;It is known to have a unitary semiconductor body. Fig. 2 shows an atomic plane in a semiconductor for a tip diode with two doping materials crystal, in the upper surface of which impurities of the same conductivity type are doped, one of which has a smaller atomic radius than the one larger and the other one smaller remaining crystal have been diffused;
Atomic Radius as the Atomic Radius of Semiconductor Atoms Fig. 3 shows an atomic plane in a crystal. The semiconductor body is doped in which the mean atomic radii of the impurities are essentially that of the rest of the crystal in such a quantity ratio of the doping materials that the mean atomic radius corresponds to the;
Halbleiterköipers dem eines nicht dotierten Halbleiter- Fig. 4A und 4B zeigen eine Solarzelle mit den
körpers entspricht. Durch diese Maßnahme soll die Merkmalen der Erfindung, und
Bildung von Ätzgrübchen auf dem Halbleiterkörper, 20 Fig. 5 zeigt einen Transistor mit flächenhaften
die bei der Herstellung von Spitzenkontakten von pn-Übergängen nach den Merkmalen der Erfindung.
Nachteil sind, verhindert werden. Bei der Herstellung In der Fig. 1 ist die Anordnung von Atomen
der Spitzendiode nach dem zuletzt genannten Ver- entlang einer Ebene dargestellt. Die Atome sind in
fahren wird auf dem relativ hoch dotierten Halbleiter- gleichem Abstand voneinander angeordnet. Es hankörper
durch thermische Oxydation eine sehr dünne 25 delt sich demnach um einen idealen Kristall mit einer
Oberflächenschicht von sehr reinem Silizium erzeugt. gleichförmigen Gitterkonstanten im gesamten Kristall.
Es liegt also vor dem Aufsetzen der sperrenden Wenn man einen derartigen, in der Fig. 1 dar-Spitzenelektrode
ein Halbleiterkörper vor, dessen gestellten Kristall einem Diffusionsprozeß aussetzt,
Gitterkonstante derjenigen der Oberflächenschicht durch welchen Verunreinigungsatome mit einem kleientspricht.
Dieses Verfahren ist jedoch nur zur Her- 30 neren Atomradius als dem der Kristallatome von der
stellung von sehr dünnen schichtförmigen Zonen Oberfläche in den Kristall eindiffundieren, dann wird
geeignet und hat ferner den Nachteil, daß es allgemein der Abstand zwischen den Atomen der oberen Zone
nicht anwendbar ist, da der Verteilungskoeffizient verringert. Die Gitterkonstante wird kleiner. Dieser
zwischen Silizium und Siliziumoxyd der meisten Voigang ist in der Fig. 2 dargestellt. Bei einer
Verunreinigungen derartig unterschiedlich ist, daß im 35 geeigneten Dicke und Verunreinigungskonzentration
allgemeinen gerade Spannungen zwischen dem Körper dieser Schicht wird der Unterschied der Gitter-
und der dünnen Spitzenoberflächenschicht entstehen. konstanten so groß, daß der Kristall diesen Unter-Semiconductor body corresponds to that of a non-doped semiconductor. FIGS. 4A and 4B show a solar cell with the body. By this measure, the features of the invention, and
Formation of etched pits on the semiconductor body, 20 Fig. 5 shows a transistor with two-dimensional those in the production of tip contacts of pn junctions according to the features of the invention. Disadvantage are to be prevented. During manufacture FIG. 1 shows the arrangement of atoms of the tip diode according to the last-mentioned method along a plane. The atoms are in driving is arranged on the relatively highly doped semiconductor- the same distance from each other. Thermal oxidation creates a very thin delt around an ideal crystal with a surface layer of very pure silicon. uniform lattice constants throughout the crystal. If such a tip electrode is a semiconductor body, the crystal of which is exposed to a diffusion process, then the lattice constant of that of the surface layer through which impurity atoms corresponds to one is before the placement of the blocking electrode. However, this method is only suitable for the atomic radius of less than that of the crystal atoms to diffuse into the crystal from the position of very thin layer-shaped zones on the surface; is applicable because the partition coefficient is reduced. The lattice constant becomes smaller. This gap between silicon and silicon oxide is shown in FIG. 2. If the impurity is so different that in the appropriate thickness and impurity concentration, there will generally be even stresses between the body of this layer, the difference between the grid and the thin tip surface layer. constant so large that the crystal
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren schied elastisch nicht ausgleichen kann. Der Unter-The present invention relates to a method that cannot compensate elastically. The under-
zum Herstellen von versetzungsarmem einkristallinem schied wird in diesem Fall durch Ausbildung vonfor the production of low-dislocation monocrystalline difference is in this case by the formation of
Halbleitermaterial für ein Halbleiterbauelement, bei 40 Versetzungen, die bei 11 angedeutet sind, ausge-Semiconductor material for a semiconductor component, at 40 dislocations, which are indicated at 11,
dem ein pn-Ubergang zwischen einer Zone mit glichen. Derartige Versetzungen werden in ähnlicherlike a pn junction between a zone with. Such dislocations are similar
niedriger Verunreinigungskonzentration und einer Weise gebildet, wenn die eindiffundierten Atomelow impurity concentration and a way formed when the diffused atoms
Zone mit höherer Verunreinigungskonzentration vor- einen größeren Atomradius aufweisen als die AtomeZone with higher impurity concentration in front of a larger atomic radius than the atoms
handen ist. Die genannten Nachteile des zuletzt des Kristalls.hand is. The disadvantages mentioned last of the crystal.
genannten Verfahrens werden erfindungsgemäß da- 45 Wenn man nun in geeignetem Verhältnis zuein-according to the invention, if one is now in a suitable ratio to one another
durch vermieden, daß zum Erzeugen der Zone mit ander sowohl Atome mit größerem als auch Atomeby avoiding that to create the zone with other atoms with larger as well as atoms
höherer Verunreinigungskonzentration mindestens mit kleinerem Atomradius als dem Atomradius deshigher impurity concentration at least with a smaller atomic radius than the atomic radius of the
zwei Dotierungsmaterialien gleichen Leitfähigkeits- Kristalls einbringt, kann man erreichen, daß derintroduces two doping materials of the same conductivity crystal, one can achieve that the
typs eindiffundiert oder beim epitaktischen Auf- mittlere Atomradius innerhalb des gesamten Kristallstype diffused or with epitaxial mean atomic radius within the entire crystal
wachsen eingebracht werden, von denen mindestens 50 gleich groß wird, was in der F i g. 3 angedeutet ist.Grow are introduced, of which at least 50 is the same size, which is shown in FIG. 3 is indicated.
eines einen größeren und ein anderes einen kleineren In den oberen Teil der F i g. 3 sind durch einenone a larger and another a smaller one In the upper part of FIG. 3 are through one
Atomradius als der Atomradius der Halbleiteratome Diffusionsprozeß in den Kristall Atome mit größerenAtomic radius than the atomic radius of the semiconductor atoms diffusion process in the crystal atoms with larger ones
aufweist, und daß die Mengenverhältnisse der und Atome mit kleineren Atomradien eindiffundierthas, and that the proportions of and diffuses atoms with smaller atomic radii
Dotierungsmaterialien so gewählt werden, daß der worden. Die mit 13 bezeichneten Teile sind Zonen,Doping materials are chosen so that the have been. The parts marked 13 are zones,
mittlere Atomradius aller verwendeten Dotierungs- 55 in denen die Atome einen größeren Atomradius haben,mean atomic radius of all doping 55 used in which the atoms have a larger atomic radius,
materialien annähernd gleich dem Atomradius der und die mit 14 bezeichneten Teile sind Zonen, inmaterials approximately equal to the atomic radius of and the parts designated by 14 are zones in
Halbleiteratome ist. denen die Atome einen kleineren Atomradius besitzen.Semiconductor atoms is. where the atoms have a smaller atomic radius.
Durch das Verfahren der Erfindung können wesent- Dabei ist zu berücksichtigen, daß die DarstellungWith the method of the invention, it must be taken into account that the representation
lieh dickere Zonen in einem Halbleiterkörper mit in der F i g. 3 aus Gründen der Anschaulichkeitborrowed thicker zones in a semiconductor body with in FIG. 3 for the sake of clarity
einer einheitlichen Gitterkonstanten erzeugt werden. 60 wesentlich vereinfacht ist. In Wirklichkeit sind Atomea uniform lattice constant can be generated. 60 is much simplified. In reality there are atoms
Ein nach der Erfindung hergestellter Halbleiter- mit kleinen und großen Radien gleichmäßig überA semiconductor made according to the invention with small and large radii evenly across
körper wird bei Diffusionen von Verunreinigungen die gesamte betroffene Kristallfläche verteilt undIn the event of diffusions of impurities, the entire affected crystal surface is distributed and
praktisch keine Diffusion an Korngrenzen mehr auf- nicht auf Zonen, wie sie in der F i g. 3 dargestelltpractically no more diffusion at grain boundaries - not on zones as shown in FIG. 3 shown
weisen, die parallel zur Oberfläche verlaufen und sind, beschränkt.ways that run and are parallel to the surface.
somit im Gegensatz zum zuletzt genannten bekannten 65 In der folgenden Tabelle sind die Atomradien von Verfahren beim Ätzen nicht sichtbar gemacht werden Silizium und verschiedenen Donator- und Akzeptorkönnen. Es war beim bekannten Stand der Technik substanzen in Ängström angegeben. Die dritte Spalte überraschend, daß auch bei wesentlich dickeren enthält die Abweichung der Atomradien von Silizium-thus in contrast to the last-mentioned known 65 In the following table the atomic radii of Processes during etching are not made visible silicon and various donor and acceptor can. In the known state of the art, substances were given in angstroms. The third column Surprisingly, that even with much thicker ones, the deviation of the atomic radii from silicon
Claims (1)
durch die Elastizität des Kristalls ausgeglichen werden.It can be seen from the table that the atomic radius, the collector layer 21 and the base layer 22 of boron atoms is 0.19 angstroms smaller than that of a relatively small impurity con silicon atoms. On the other hand, in comparison to the emitter layer 23, aluminum atoms have a radius that is 0.16 angstroms larger. The emitter layer can, for. B. is epitaxial than that of silicon atoms. Therefore when you have grown up. The difference in the lattice. B. will produce a p-type zone, can be boron constant are compensated by and aluminum in the silicon crystal diffuses, namely composition for the η-type emitter layer, the suitable additions and in a ratio of 19 parts of aluminum of the impurities ao selects. It minium to 16 parts of boron. The mean atomic radius are suitable for z. B. phosphorus and antimony in then corresponds to the atomic radius of silicon. The average lattice constant, a ratio of 17 parts of phosphorus to 10 parts, is determined by the antimony. A mean lattice constant thus becomes essentially the same for the entire crystal. Possibly obtained, which essentially corresponds to the remaining low voltages can then 15 semiconductor body,
be balanced by the elasticity of the crystal.
unreinigungen die gleiche DiffusionsgeschwindigkeitThe individual claims should preferably
impurities have the same rate of diffusion
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---|---|---|---|
US12377861A | 1961-07-13 | 1961-07-13 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1208009B true DE1208009B (en) | 1965-12-30 |
Family
ID=22410827
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DEC27398A Pending DE1208009B (en) | 1961-07-13 | 1962-07-06 | Process for the production of low-dislocation single-crystal semiconductor material for a semiconductor component with pn junction |
Country Status (2)
Country | Link |
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DE (1) | DE1208009B (en) |
GB (1) | GB953034A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2049696A1 (en) * | 1970-02-07 | 1971-08-26 | Tokyo Shibaura Electric Co | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2824269A (en) * | 1956-01-17 | 1958-02-18 | Bell Telephone Labor Inc | Silicon translating devices and silicon alloys therefor |
DE1037015B (en) * | 1956-05-21 | 1958-08-21 | Ibm Deutschland | N-type interference semiconductors for transistors or the like. |
FR1174436A (en) * | 1956-05-15 | 1959-03-11 | Siemens Ag | Silicon-based semiconductor device |
FR74285E (en) * | 1956-05-15 | 1960-11-07 | Siemens Ag | Silicon-based semiconductor device |
-
1962
- 1962-06-20 GB GB2382762A patent/GB953034A/en not_active Expired
- 1962-07-06 DE DEC27398A patent/DE1208009B/en active Pending
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2824269A (en) * | 1956-01-17 | 1958-02-18 | Bell Telephone Labor Inc | Silicon translating devices and silicon alloys therefor |
FR1174436A (en) * | 1956-05-15 | 1959-03-11 | Siemens Ag | Silicon-based semiconductor device |
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DE1037015B (en) * | 1956-05-21 | 1958-08-21 | Ibm Deutschland | N-type interference semiconductors for transistors or the like. |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2049696A1 (en) * | 1970-02-07 | 1971-08-26 | Tokyo Shibaura Electric Co | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
FR2080965A1 (en) * | 1970-02-07 | 1971-11-26 | Tokyo Shibaura Electric Co |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
GB953034A (en) | 1964-03-25 |
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