DE2453035A1

DE2453035A1 - Verfahren zum aufbringen einer metallischen schicht auf einer leitenden oberflaeche

Info

Publication number: DE2453035A1
Application number: DE19742453035
Authority: DE
Inventors: Lubomyr T Romankiw
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-12-20
Filing date: 1974-11-08
Publication date: 1975-07-03
Also published as: DE2453035B2; DE2453035C3; FR2255392A1; JPS5636706B2; JPS5095147A; FR2255392B1; GB1422300A; US3853715A

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 973 003

Verfahren zum Aufbringen einer metallischen Schicht auf einer leitenden Oberfläche

Die Erfindung betriff ein Verfahren zum Aufbringen einer metallischen, beispielsweise magnetischen Schicht auf einer leitenden Oberfläche und insbesondere das Aufbringen eines Musters mit magnetischen Eigenschaften aus einem Metall oder einer Legierung gleichförmiger Stärke und Zusammensetzung. Beim elektrolytischen Abscheiden von Ni-Fe oder anderen ähnlichen Legierungen hängt die Zusammensetzung der Legierung von der örtlichen Stromdichte in dem elektrolytischen System ab. Es ist allgemein bekannt, daß dann, wenn große Bereiche durch Masken abgedeckt sind und kleine Bereiche unterschiedlicher Größe oder ungleichmäßige Flächen zu metallisieren sind, es praktisch unmöglich ist, selektiv auf diesen Flächen Filme mit gleichförmiger Dicke, gleichförmiger Legierungszusammensetzung und gleichförmigen magnetischen Eigenschaften aufzubringen. Dies läßt sich leicht erkennen, wenn man

eine Fläche von 100 cm

annimmt, die mit einem Strom von 100 ma

elektrolytisch metallisiert werden soll. Die Stromdichte

beträgt — oder 1 ma/cm . Werden jedoch die Bereiche r₁, r₉

lOOcirT ₂ ' *

und τ der 100 cm großen Oberfläche während des Metallisierungs-.

i Verfahrens maskiert, dann beträgt die Stromdichte- i-, ■

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für die Bereiche

cm

, r„ und

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Bei der Herstellung von Speichern von magnetischen Abfühlvorrich- ; tungen, d.h. Magnetköpfen und dergleichen aus Ni-ife oder ähnlichen

Legierungen ergeben sich dann, wenn die genaue Zusammensetzung \ der Legierung nicht eingehalten werden kann, schlechte magneti- I sehe Eigenschaften. Das hat zur Folge, daß beim elektrolytischen ! Metallisieren mit Materialien, deren Zusammensetzung für eine j Gleichförmigekeit der Betriebseigenschaften genau kontrolliert \ und gesteuert werden muß, die üblichen Maskenverfahren wirkungs- j los sind. Beim Metallisieren von Gegenständen mit einer Legierung, deren Zusammensetzung von der örtlichen Stromdichte abhing, hat man bisher die Metallisierung in Form von Folien aufgebracht und dann das gewünschte Muster durch Ätzen hergestellt. Wenn ! man jedoch dünne Filme durch elektrolytische Verfahren nieder- [ schlägt, muß man eine Haftschicht zwischen Legierung und Substrat vorsehen, die das aus Legierungsmaterial bestehende Muster trägt. Da man auf einigen Haftschichten keine elektrolytische Metallisierung durchführen kann, muß man auf der Haftschicht zunächst eine dünne Schicht eines verhältnismäßig edlen Metalls wie Gold, Platin, Palladium, Kupfer, Nickel oder dergleichen niederschlagen.

Unglücklicherweise werden viele für die Metallisierung benutzte Haftschichten und Basisschichten, die mit der magnetischen Legierung und dem Substrat verträglich sind, während des Ätzens für die magnetische Legierung kathodisch, so daß sich sehr starke Unterschneidungen ergeben. Beispielsweise kann man Kupfer- oder Nickel-Eisenschichten dadurch auf Glas oder Silicium zum Anhaften bringen, daß man eine dünne Schicht aus Chrom oder Titan zwischen dem Kupfer- oder Nickeleisen und dem zugehörigen Substrat vorsieht. Werden solche Mehrfachschichten geätzt, dann ergibt sich in dem geätzten Metall eine sehr starke Unterschneidung. Ein solches Unterschneiden geht auf drei voneinander getrennte Effekte zurück, die während des Ätzens auftreten und diese sind weder reproduzierbar noch steuerbar. Das Unterschneiden ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß chemisches Ätzen eine beschleunigte Form der Korrosion darstellt. Korrosion ist im Prinzip isotro-

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pisch und sollte sowohl senkrecht zur Dicke des zu ätzenden Metalls als auch parallel zur Dicke des zu ätzenden Metalls mit gleicher Geschwindigkeit vor sich gehen. Daraus ergibt sich ein gleichförmiges Unterschneiden des Metalls.

Wenn jedoch die Dicke des Films, und die Abmessungen des gewünschten Musters sehr klein werden/ dann können die Abmessungen der j Kristallstruktur"und der Kornstruktur des Metalls nicht unbeachtet bleiben. Die Ätzung schreitet an den Korngrenzen mit einer j anderen Geschwindigkeit fort/ als im Korn selbst, so daß sich unregelmäßige Kanten ergeben. Wird die Korngröße des zu ätzenden Materials mit den Abmessungen des geätzten Musters vergleichbar, dann nimmt diese Unregelmäßigkeit eine immer größere Bedeutung an. Endlich ergeben sich im letzten Teil des Ätzvorganges, wenn j die Haftschicht und/oder die für die Metallisierung erforderliche Basismetallschicht dadurch freigelegt werden, daß das aufgebrachte Metall durch die Ätzlösung abgetragen wird, aus der Tatsache, daß es sich um verschiedene Metalle, wie z.B. Kupfer, Nickel, Eisen oder Nickeleisen, Chrom, Titan oder Gold handelt, die gleichzeitig vorhanden sind, daß sich zwischen den verschieden Metallen eine galvanische Zelle bildet, woraus sich ein außerordentlich rasches Abätzen des anodisehen Metalls ergibt. Titan und Chrom werden beide außergewöhnlich rasch passiviert und werden für Nickel und Nickeleisen sowie die Metalle der Eisen enthaltenden Gruppe kathodisch. Wenn Metalle wie Platin,' Palladium, Gold oder Kupfer in der Schichtung mit den Metallen der Eisen enthaltenden Gruppe vorhanden sind, so ist es offensichtlich, daß sie im Bezug'auf die Eisen enthaltende Gruppe von Metallen kathodisch wirken würden und daß das Ätzen von Nickel, Nickeleisen und dergleichen nicht mehr kontrollierbar wäre.

Offensichtlich ist ein derartiges Unterschneiden außergewöhnlich nachteilig bei der Herstellung von in großen Serien aufgelegten Anordnungen von sehr dünnen, eng beieinanderliegenden, parallelen Leitern oder metallischen Elementen, die gleichförmige Eigenschaften' aufweisen müssen.

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Kurzfassung der Erfindung

Um ein gleichförmiges Abätzen mehrschichtiger, elektrolytisch erzeugter Niederschläge ohne gleichzeitiges Unterschneiden zu erzielen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine schmale Begrenzung aus Photoresist oder Photolack auf der Oberseite einer kathodischen, metallischen Haftschicht vor dem elektrolytischen Abscheiden des gewünschten anodischen Metalls aufgebracht, wobei die schmale Begrenzung allseitig geschlossen ist und als Rahmen dient. Eine zweite Photolackschicht wird niedergeschlagen, belichtet und entwickelt, so daß diese nur über dem anodischen Material vorhanden ist und außerdem über die äußeren Grenzen des aus Photoresist oder Photolack bestehenden Rahmens hinausragt. D.h. aber, daß die anodische Schicht, die z.B. aus Permalloy bestehen kann, durch den Photolack vollkommen eingekapselt ist, so daß das nachfolgende Ätzen des überflüssigen anodischen Materials, das für das endgültig zu erzeugende Muster nicht erforderlich ist, das zu erzeugende Muster nicht angreift und damit auch die Unterschneidung vermeidet, die dann auftritt, wenn zwei oder mehr verschiedene Metalle einem gemeinsamen Ätzmittel ausgesetzt werden.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung sind den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen im einzelnen zu entnehmen.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 den ersten Verfahrensschritt der Erfindung,

Fig. 2, 3 + 4 die nachfolgenden Verfahrensschritte der Erfindung zur Erzielung scharfer Grenzlinien mehrerer übereinanderliegender Metallschichten, wobei keine Unterschneidungen auftreten, obgleich chemische Ätzmittel verwendet werden, die alle

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Metalle in der aus mehreren Schichten bestehenden Struktur angreifen und

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer gemäß den

Lehren der Erfindung hergestellten Struktur.

In vielen Technologien, wie in der Serienfertigung von Dünnfilmmagnetköpfen, Magnetblasenspeichern, Halbleitervorrichtungen mit Josephson-Tunn'elübergängen und dergleichen muß die Breite eines metallischen Streifens an der Oberseite gleich der Breite des

metallischen Streifens an seinem Fußpunkt sein. Die Toleranzen sind dabei so eng, daß selbst geringste Größenabweichungen zwij sehen der oberen und der unteren Fläche einer dünnen Schicht die ! Arbeitsweise der fertiggestellten Vorrichtung ernsthaft beeinj trächtigen. Bei der Hersteilung solcher metallischer Streifen ; müssen chemische Ätzlösungen in Verbindung mit einem photolitho-I graphischen Verfahren eingesetzt werden, wobei dann diese Ätzlösungen in denjenigen Bereichen, in denen sich zwei oder mehrere verschiedene Metalle berühren, eine beträchtliche Unterschneidung hervorrufen. Die Fign. 1 bis 4 zeigen in dieser Reihenfolge, wie dieses Unterschneiden beseitigt werden kann.

In Fig. 1 (oder Fig. 5) wird die gewünschte Schaltung auf einem Substrat 2 aus Siliciumdioxid, Glas oder einem ähnlichen selbsttragenden Isoliermaterial aufgebaut. Auf der Oberseite des Substrats 2 wird eine dünne Haftschicht aus Metall 4 niedergeschlagen. Beispiele für ein solches Metall sind Chrom, Titan, Tantal, Wolfram, Niob oder Aluminium. Eine solche metallische Haftschicht 4 dient vor allen Dingen dazu, das hauptsächlich interessierende Metall, das hier als das anodische Metall bezeichnet wird, an dem Substrat anhaften zu lassen. Da man eine Metallschicht auf einer solchen Haftschicht nicht einfach durch Elektrolyse oder stromloses Abscheiden von Metall aufbringen kann, ist es anschließend erwünscht, die metallische Haftschicht 4 mit einem leicht metaliisierbaren Metall 6, wie z.B. Gold, Platin, Palladium Kupfer, Nickel, Nickeleisen oder einer metallischen Legierung

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zu überziehen. In den Fällen, in denen das Substrat 2 aufgeheizt werden kann, kann man auch ein einziges Metall oder ein nur eine Legierung, wie z.B. Nickel, Nickeleisen, Kobalt und dergleichen verwenden, die sowohl als Haftschicht als auch als Basisschicht für die Metallisierung dienen. Eine solche Haftschicht 4 und leitende Schichten 6 können dabei durch Kathodenzerstäubung, Aufdampfen oder dergleichen aufgebracht werden.

Anschließend wird eine Schicht aus Photolack 8 mit der Dicke t durch übliche lithographische Verfahren mittels handelsüblicher Produkte aufgebracht. Dabei wird das Photoresist oder der Photolack entsprechend seiner Eigenschaft ausgewählt, daß beim Abziehen der Photolackschicht von der kathodischen Schicht 6 der so hergestellte Gegenstand nicht beschädigt wird. Die verbleibenden Streifen, die nach Belichten des Photolacks mit Ultraviolettstrahlung durch eine Maske und nach Abwaschen der nicht belichteten Teile durch ein dafür geeignetes Ätzmittel entstehen, sind zwischen 0,025 und 0,05 mm breit. Eine derart schmale Begrenzung aus Photolack oder Photoresist 8 begrenzt die letztendlich herzustellenden Muster (vergl. Fig. 5). Die Breite dieser Begrenzung stellt weniger als 10 % der zu ätzenden Fläche dar und sollte vorzugsweise bei etwa 1 bis 2 % der endgültigen Seitenabmessung des zu ätzenden Bereiches liegen. In der Praxis sollte die Abmessung dieses Streifens zwischen 2,5 ja und 10^1, vorzugsweise ungefähr 2,5 μ bis 5 μ betragen. Diese Streifen können sogar 1,0 bis 0,5 li breit sein, wenn man zur Herstellung des Musters einen Elektronenstrahl und einen elektronenempfindlichen Photolack benutzt. Aus praktischen Gründen wird man vorzugsweise die Höhe dieses Photolackstreifens kleiner oder gleich der Breite des Streifens wählen. Verwendet man also einen durch einen Elektronenstrahl belichtbaren Photolack und stellt man damit 0,5 fx breite Begrenzungen her, dann sollte die Dicke des niedergeschlagenen Metalls zwischen etwa 0_#5 und 0,Bp. liegen.

Nach Herstellen der aus Photolack oder Photoresist bestehenden Begrenzungen 8 wird die erforderliche Schichtdicke aus anodischem

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; Material 10, wie z.B. aus der Legierung Permalloy, die häufig, zur Herstellung von Magnetköpfen benutzt wird, niedergeschlagen. Dieser aus einer Metallegierung bestehende Film 10 wird durch elektrolytische Verfahren niedergeschlagen, und dieses Verfahren _o beeiflußt die örtliche Dickeverteilung der Schicht für nur etwa bis zu 0,005 oder 0,0075 mm von der Kante des Streifens 8 weg, wenn die Breite des Streifens kleiner ist als 0,0025 mm und beeinflußt in gleicher Weise die Zusammensetzung und magnetischen Eigenschaften des Films 10. Da die Breite des aus Photoresist oder Photolack bestehenden Streifens nur 0,005 mm beträgt, ist die Abweichung der Dicke des Filmes 10 in der Nähe der Kante des Streifens 8 kleiner als 5 % und der Fe-Gehalt der Legierung Permalloy (Ni-Fe) wurde zu weniger als 10 % des Eisengehalts der Permalloy-Zusammensetzung, die hier niedergeschlagen wird,

gemessen, d.h. 20 % Fe + 1 %. D.h. aber nichts anderes, daß bei Verwendung derart schmaler Begrenzungen 8 aus Photolack oder Photoresist, die sich aus der örtlichen Verteilung der Stromdichte ergebenden Unterschiede in der Zusammensetzung (Fe^Ni) und Dicke der Schicht praktisch vernachlässigbar sind.

Nach Aufbringen der Permalloyschicht 10 wird durch übliche photolithographische Verfahren auf der Oberseite des anodischen Metalls der Schicht 10 eine weitere Photoresistschicht 12 aufgebracht. Die für die Belichtung der Schicht 12 benutzte Maske braucht nicht besonders sorgfältig für die Belichtung ausgerichtet zu sein und kann sich bis zu 0,025 mm über die äußeren Kanten 14 und 16 der Streifen 8 hinaus erstrecken. Das überschüssige anodische Metall 10, das außerhalb des Streifens oder der Begrenzung 8 liegt, wird anschließend abgeätzt (wobei FeCl_ ein für Fe-Ni geeignetes Ätzmittel darstellt), wobei das gewünschte Muster vollständig durch Photoresist oder Photolack 8 und 12 eingekapselt ist. Diese Begrenzungen aus Photolack, die hier mit 8 und 12 bezeichnet sind, verhindern, daß das aktive Metall Fe-Ni bei Anwesenheit eines kathodischen Metalls, wie z.B. Chrom, Titan, Gold usw. angeätzt wird. Nachdem das aktivere

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Metall 10 mit FeCl- abgeätzt ist, wird das für die elektrolytische Abscheidung benutzte Basismetall 6 und die Haftschicht 4 durch geeignete chemische Ätzmittel abgeätzt. Anschließend werden die Photolackschichten 8 und 12 entfernt, wobei man z.B. bei einem bekannten Photolack Azeton verwendet. Der verbleibende schmale Streifen der Basisschicht 6 und der Haftschicht 4 und alle beim chemischen Ätzen noch nicht entfernten Bestandteile werden dann durch ein kurzes Zerstäubungsätζen entfernt.

Andererseits kann man auch nach Beendigung des Ätzens von Fe-Ni den Photolack durch Azeton entfernen und das Werkstück anschließend für eine kurze Zeit einem Zerstäubungsätzen aussetzen und damit das Basismetall 6 und die Haftschicht 4 entfernen. Fig. 4 und 5 zeigen das Endergebnis, nach dem alle Materialien mit Ausnahme des gewünschten Musters entfernt sind.

Das bisher beschriebene Verfahren, das vor allen Dingen dann besonders wertvoll ist, wenn die Stromdichte bei der elektrolytischen Abscheidung von magnetisierbaren Legierungen durch die gesamte metallisierte Schicht gleichmäßig sein muß, ist in gleicher Weise auch dann anwendbar, wenn das anodische Metall 10 ein metallisches Element, wie z.B. Kupfer ist. Es wurde festgestellt, daß sich die Erfindung selbst dann anwenden läßt, wenn der anodische, aus einem metallischen Element bestehende Film 10, durch Verdampfung aufgebracht worden ist. In diesem Fall soll die Breite der Begrenzung 8 aus Photolack oder Photoresist etwa 1,2 bis 2-mal so groß sein wie die Dicke des aufgedampften Metalls, damit das unerwünschte Unterschneiden zwischen anodischen und kathodischen Metallen vermieden wird.

Das im Vorangegangenen dargestellte und beschriebene Verfahren ist besonders wertvoll dann, wenn man zwei übereinanderliegende metallische Schichten einsetzen muß, wobei die untenliegende Schicht als Haftschicht für die darüberliegende elektrisch leitende Schicht dient oder die untenliegende Schicht ein wesentliches Element einer Vorrichtung ist, die die obere Schicht be-

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\ nutzt und diese beiden Schichten aus verschiedenen Metallen bestehen. Die Erfindung ist ebenfalls ganz besonders wertvoll, wenn eine Legierung, deren Zusammensetzung von der örtlichen j Stromverteilung oder Stromdichteverteilung abhängt, über einer j untenliegenden Schicht niedergeschlagen werden muß. Verwendet man sehr dünne Begrenzungen rund um die Kanten eines mit einer solchen Legierung aufzubringenden und zu metallisierenden Musters und schützt man dann die Oberseite dieses Musters, während alle unerwünschten Teile der Legierung abgeätzt werden, so erhält man drei wesentliche Merkmale, nämlich 1. ein Unterschneiden zwischen weitgehend verschiedenen Metallen wird verhindert;

2. eine gleichförmige Dicke und eine gleichförmige Zusammensetzung der aufzubringenden metallischen Legierung, unabhängig davon, daß verschiedene Bereiche des Musters metallisiert werden und

3. eine außerordentlich präzise Definition des Musters, die so gut ist, wie die optische Belichtung des Photolackstreifens 8. Man kann noch eine weitere Verbesserung in der hermetischen Abdichtung dadurch erreichen, daß man den Photolack vor der Beendigung des Ätzverfahrens rasch (für etwa 1 bis 2 min) auf 150 bis 160 ⁰C aufheizt. Durch eine solche Aufheizung werden die Photolackbereiche 8 und 12 fließend und verschließen jeden Spalt oder jede öffnung in den Photolackbereichen 8 und 12, die beispielsweise während des Ätzens aufgetreten sein könnten.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Aufbringen einer metallischen Schicht in Form eines Musters auf einem Substrat, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Aufbringen einer ersten dünnen, metallischen Schicht auf einem inerten Substrat,

- Herstellen sehr dünner, selbsttragender Begrenzungen vorgegebener Höhe aus Photoresist oder Photolack auf dieser metallischen Schicht, welche Begrenzungen die Formen von anschließend niederzuschlagenden dünnen metallischen Mustern umschließen, wobei diese zweite metallische Schicht bei einem nachfolgenden Ätzvorgang anodisch wird,

- Niederschlagen dieser zweiten dünnen, metallischen Schicht über der ersten dünnen, metallischen Schicht,

- Niederschlagen einer Photoresistschicht nur über dem Muster aus anodischem Material und

- Chemisches Abätzen von allem nicht eingeschlossenen anodischen Material.

2. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

auf dem inerten Substrat zunächst eine Haftschicht oder eine Basisschicht für eine Metallisierung aufgetragen wird, welche Schicht bei einer nachfolgenden Ätzung anodisch wird

und daß die zweite metallische Schicht elektrolytisch auf der ersten metallischen Schicht bis zu einer Höhe niedergeschlagen wird, die die Höhe der aus Photolack oder Photoresist bestehenden selbsttragenden Begrenzungen des aufzubringenden Musters nicht überschreitet.

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Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als anodisehes Material eine tibergangs-Metall-Legierung verwendet wird, die der Legierungsgruppe Fe-Ni, Fe-Ni-Cr, Fe-Ni-Q, Fe-Ni-Wo, Fe-Ni-Co und Ni-Co entnommen ist.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungen des aufzubringenden metallischen Musters nicht breiter sind als 0,5 tun-.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Begrenzungen kleiner ist als 10 % der Fläche des das Muster bildenden anodischen Materials.

Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Begrenzungen zwischen 1 und 2 % der Fläche des das Muster bildenden anodischen Materials ist.

Verfahren zum Aufbringen einer metallischen Schicht in Form eines Musters auf einem Substrat, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte;

- Aufbringen einer ersten Haft- oder Basisschicht auf einem inerten Substrat für eine Metallisierung, welche Schicht bei einem nachfolgenden Ätzvorgang kathodisch wird,

- Herstellen sehr dünner selbstragender Begrenzungen vorgegebener Höhe aus Photoresist oder Photolack auf dieser kathodischen Schicht, welche Begrenzungen die Formen von anschließend niederzuschlagenden dünnen Mustern aus anodischem Material umschließen,

- Aufheizen der Photoresist- oder Photolackbegrenzungen für ein bis zwei Minuten zum Verschmelzen der Begrenzungen miteinander,

- Elektrolytisches Abscheiden von anodischem Material auf dem kathodischen Material bis zu einer Höhe, die etwa gleich groß ist wie die Höhe der aus Photoresist oder Photolack bestehenden selbsttragenden Begrenzungen,

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Niederschlagen einer Schicht aus Photoresist oder Photolack nur auf dem das Muster bildenden anodischen Material, wodurch das das Muster bildende anodische Material allseitig umschlossen wird und Abätzen alles übrigen anodischen Materials. ■

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