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Belichtungsvorrichtung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Belichtungsvorrichtung zur Verwendung
bei einer Herstellung von Halbleiterschaltkreisen und insbesondere auf eine Belichtungsvorrichtung
zur Übertragung eines Schemas oder eines Musters einer Maske auf ein Wafer (Halbleiterplättchen).
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Für die Herstellung von Halbleiterschaltkreisen, wie integrierte Schaltungen,
Großschaltkreisen usw., wurden verschiedene Arten von Belichtungsvorrichtungen (-geräten)
entwickelt. Jede dieser Vorrichtungen enthält ihre eigene Lichtquelle, um einen
Belichtungs- oder Expositionsstrahl zu erzeugen, durch den ein auf einer Maske oder
Schablone ausgestaltetes Schaltschema bestrahlt wird, so daß das Schalt- oder Leiterschema
auf ein einen Photolacküberzug aufweisendes Wafer übertragen wird.
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Es ist auch bekannt, daß eine solche Belichtungsvorrichtung Wafer
mit gedruckten Schaltschemata durch die Wiederholung von verschiedenen Arbeitsschritten,
wie Transport des Wafers zum Belichtungstisch, Ausrichtungvzwischen Maske und Wafer,
Aussetzen des Wafers dem Maskenmuster oder -schema, Abführen des Wafers vom Belichtungstisch
usw., in Massen produziert.
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Insoweit ist der Belichtungs-schritt lediglich ein Teil der Arbeitsschritte,
die zum "Drucken'' des Schaltschemas auf das Wafer notwendig sind. Nichtsdestoweniger
hat gegenwärtig jede Belichtungsvorrichtung ihre eigene Lichtquelle zur Erzeugung
des Belichtungsstrahls, und diese Lichtquelle wird aus Gründen der Stabilisierung
des Belichtungsstrahls kontinuierlich mit Energie versorgt. Während anderer Arbeitsschritte
als dem Belichtungsschritt, z.B. während des Ausrichtens, wird ein Lichtabsperrglied,
beispielsweise eine Blende, dazu benutzt, eine Belichtung des auf dem Belichtungstisch
(der Belichtungsbühne) ruhenden Wafers zu verhindern.
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Aus diesem Grund wird die Belichtungsvorrichtung zwangsweis#e voluminös
und beansprucht einen großen Raum. Das ist wiederum im Hinblick darauf, daß gewöhnlich
mehrere solcher Belichtungsvorrichtungen in einem Halbleiterelemente fertigenden
Betrieb nebeneinander angeordnet werden, ungünstig und unzweckmäßig. Darüber hinaus
ist der nutzlose Energieverbrauch außerordentlich und zu hoch, weil die Belichtungsquelle
ständig mit Energie vesorgt wird, und zwar auch während anderer Arbeitsschritte
als dem Belichtungsschritt.
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Es ist insofern die Aufgabe der Erfindung, eine Belichtungsvorrichtung
zu schaffen, die die oben geschilderten, dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile
beseitigt.
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Hierbei ist es ein Ziel der Erfindung, eine Belichtungsvorrichtung
anzugeben, die in der Lage ist, Muster- oder Schemaübertragungsvorgänge mit Bezug
auf eine Mehrzahl von Wafern gleichzeitig oder in Aufeinanderfolge bei Einsparung
von Raum und Energie auszuführen.
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Gemäß der Erfindung wird - kurz gesagt - eine Belichtungsvorrichtung
geschaffen, die eine einzige Lichtquelle und eine Mehrzahl von Belichtungstischen
zur Aufnahme je eines Wafers aufweist. Das von der Lichtquelle ausgesandte Licht
wird gleichzeitig oder aufeinanderfolgend auf eine Mehrzahl von Masken gerichtet,
so daß die Maskenmuster gleichzeitig oder in Aufeinanderfolge auf die auf den Belichtungstischen
ruhenden Wafer jeweils übertragen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt
die Lichtquelle einen Dimer-Anregungs-Laser (Excimer-Laser), der einen gepulsten
Laserstrahl (Impulslaserstrahl) erzeugt (excimer = angeregtes Dimer).
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Die Aufgabe und deren Lösung wie auch weitere Ziele, Merkmale und
Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen deutlich. Es zeigen: Fig. 1 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung; Fig. 2 eine
schematische Darstellung einer Belichtungsvorrichtung der Repetierbauart in einer
Ausführungsform gemäß der Erfindung; Fig. 3 einen Ablaufplan zum Betrieb der in
Fig. 2 gezeigten Belichtungsvorrichtung.
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Die in Fig. 1 gezeigte Belichtungsvorrichtung enthält eine einen Belichtungsstrahl
erzeugende Lichtquelle 1, die in der bevorzugten Ausführungsform einen Laser, z.B.
einen
Excimer-Laser, umfaßt, der einen Strahl von hoher Leuchtdichte
liefert. Die Belichtungsvorrichtung weist ferner Strahlengang-Ablenk- oder Teilelemente
2 - 4, z.B. schwenkbare Spiegel, auf, die in den durch einen Doppelpfeil angegebenen
Richtungen bewegbar sind. Des weiteren sind mehrere Belichtungstische oder -bühnen
6 - 9 vorgesehen, die jeweils ein Wafer tragen. Mehrere (nicht gezeigte) Masken
oder Schablonen sind jeweils ganz nahe an oder in Berührung mit den auf den Belichtungstischen
ruhenden Wafern angeordnet, so daß das Schalt--oder Leiterschema jeder der Masken
(Schablonen) auf ein zugeordnetes Wafer übertragen wird. Die Masken können aber
auch kurz hinter den Spiegeln 2 - 5 angeordnet sein, und in diesem Fall kann sich
zwischen jedem der Spiegel 2 - 5 und jedem der Belichtungstische 6 - 9 ein optisches
Bilderzeugungssystem befinden, um das Maskenmuster auf das jeweils zugeordnete Wafer
zu projizieren. Auch kann als weitere Alternative eine einzelne Maske oder Schablone
zwischen dem Laser 1 sowie dem Spiegel 2 anstelle von mehreren Masken vorgesehen
sein.
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Ein Steuergerät 10 dient der Steuerung der Schwenkbewegung eines jeden
der Spiegel 2 - 4. Wenn das vom Tisch 6 getragene Wafer belichtet werden soll, so
wird der Spiegel 2 vom Steuergerät 10 in die in Fig. 1 gestrichelt angegebene Stellung
gebracht. Soll das auf dem Tisch 7 befindliche Wafer belichtet werden, dann wird
der Spiegel 2 in die mit einer ausgezogenen Linie dargestellte Lage gebracht, während
der Spiegel 3 in die gestrichelt angedeutete Stellung verschwenkt wird. Wenn das
auf dem Tisch 8 ruhende Wafer belichtet werden soll, so werden die Spiegel 2 und
3 in die mit ausgezogenen Linien angegebenen Lagen und der Spiegel 4 in die gestrichelt
angedeutete Stellung gebracht.
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Soll das auf dem Tisch 9 befindliche Wafer belichtet werden, so werden
die drei Spiegel 2 - 4 in die mit ausgezogenen Linien dargestellten Lagen geschwenkt.
Wenngleich bei der
beschriebenen Ausführungsform die Spiegel 2 -
4 auch als Blenden wirken, so können zwischen den Spiegeln 2 - 5 und den Tischen
6 - 9 jeweils eigene Blendenmechanismen vorgesehen sein, die so ausgestaltet sind,
daß sie im Einklang mit der Arbeitsweise der Spiegel 2 - 4 tätig werden. Durch diese
Schwenkbewegungen der Spiegel 2 - 4 wird der von der Lichtquelle 1 ausgesandte Laserstrahl
in Aufeinanderfolge zu den Tischen 6 - 9 hin gelenkt.
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Während einer Zeitspanne, in der das auf einem der Tische 6 - 9 ruhende
Wafer belichtet wird, werden verschiedene Schritte, die vor und/oder nach dem Belichtungsschritt
liegen, an den anderen Belichtungstischen ausgeführt, z.B.
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eine Waferzufuhr, ein Waferaustrag, eine Vorjustierung des Wafers,
eine Feinausrichtung zwischen Maske sowie Wafer und ähnliche Tätigkeiten. Durch
diese Ausgestaltung einer Belichtungsvorrichtung gemäß der Erfindung können Waferbelichtungen
wirksam und rationell mit einer einzigen Lichtquelle ausgeführt werden.
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Während bei der beschriebenen Ausführungsform der vom Laser 1 ausgesandte
Lichtstrahl mit der Zeit durch die Spiegel 2 - 4 geteilt bzw. abgelenkt und aufeinanderfolgend
zu den Tischen 6 - 9 hin gerichtet wird, so können die Spiegel 2 - 4 auch durch
stationäre Halbspiegel ersetzt werden, von denen jeder dahingehend wirksam ist,
zu einem zugeordneten der Tische 6 - 9 einen Lichtstrhal zu lenken, dessen Lichtmenge
annähernd gleich einem Viertel der von der Lichtquelle 1 gelieferten Lichtmenge
ist. In diesem Fall kann die Belichtungsvorrichtung von einem (nicht gezeigten)
Steuergerät derart gesteuert werden, daß zur gleichen Zeit an den Tischen 6 - 9
die gleichen Arbeitsabläufe ausgeführt werden, d.h., daß der Schritt der Waferzufuhr,
des Ausrichtens von Maske und Wafer, des Belichtens, des Waferaustrags usw. am einen
Belichtungstisch mit den entsprechenden Schritten
an den anderen
Belichtungstischen gleichgeschaltet wird.
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Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 wird eine weitere Ausführungsform
einer Belichtungsvorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben, wobei es sich um eine
Chip-für-Chip-Belichtungsvorrichtung der Repetierbauart handelt.
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Die Belichtungsvorrichtung enthält eine Lichtquelle, z.B.
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einen (Excimer-)Laser 11, die einen gepulsten Tief-Ultraviolettstrahl
erzeugt. Der Laser 11 ist auf einer waagerechten Bezugsebene angeordnet, und der
von diesem in horizontaler Richtung ausgesandte Laserstrahl wird von einem Spiegel
12 nach aufwärts sowie dann von einem weiteren Spiegel 13 in die Waagerechte umgelenkt.
Im Weg des horizontal sich fortpflanzenden Laserstrahls ist eine Aufweitungseinrichtung
14 angeordnet. Wenn es gewünscht wird, die Querschnittsform des Laserstrahls zu
verändern, so kann die Aufweitungseinrichtung 14 einen anamorphotischen afokalen
Wandler enthalten. Die schwenkbaren Spiegel 15 - 17 entsprechen den Schwenkspiegeln
2 - 4 der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform. Der aufgeweitete, parallele Laserstrahl
wird durch diese Spiegel 15 - 17 in Aufeinanderfolge zu drei Belichtungseinheiten
(Stufen) 18 - 20 gerichtet.
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Jede dieser Einheiten 18 - 20 enthält ein Beleuchtungssystem, das
ein optisches Integrationsglied 24, 25 bzw. 26 zur gleichförmigen Beleuchtung einer
Schablone 21, 22 bzw.
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23 sowie ein Kollimatorobjektiv 27, 28 bzw. 29 umfaßt.
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Ferner sind Reduktions-Projektionsobjektivsysteme 30, 31, 32 sowie
ein (nicht gezeigtes) Wafer-Spannfutter zur Aufnahme eines Wafers 33, 34 bzw. 35
und ein X-Y-Tisch 50,51 bzw. 52 zur schrittweisen Bewegung des Wafer-Spannfutters
entlang einer Richtplatte 36, 37 bzw. 38 in der X- sowie Y-Achsenrichtung vorhanden.
Jede der Richtplatten 36 - 38 ist auf der oder parallel zur horizontalen Bezugsebene
angeordnet.
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Ferner enthält jede der Belichtungseinheiten 18 - 20 eine Einrichtung,
um die Ausrichtung oder Justierung zu erfassen, die ein Paar von Ausricht-Fühloptiken
39-39, 40-40 bzw. 41-41 umfaßt, von denen jedoch nur jeweils eine aus dem Paar aus
Gründen der Deutlichkeit der Darstellung gezeigt ist. Im Fall einer Chip-für-Chip-Ausrichtung
wird die Lagebeziehung zwischen den Ausrichtmarkierungen auf der Schablone und dem
Wafer bei jedem Belichtungsschuß erfaßt, und die Ausrichtung wird durch Bewegen
des Wafers mit Bezug zur Schablone in der X-, Y- und e-Richtung mit Hilfe einer
(nicht gezeigten) Justiervorrichtung bewirkt. Dagegen wird im Fall einer pauschalen
Ausrichtung die Lagebeziehung zwischen der Schablone und dem Wafer einmal vor dem
Beginn der ersten stufenweisen Bewegung des X-Y-Tischs erfaßt und dann die Ausrichtung
bewerkstelligt.
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Wenn das Ausrichten beendet ist, wird von der jeweiligen der die Justierung
erfassenden Einrichtungen ein Abschlußsignal erzeugt, das einer zugeordneten der
Zentraleinheiten (ZE) 45 - 47, die dazu dienen, die Belichtungseinheiten 18 - 20
jeweils zu steuern, zugeführt wird. Meßfühler 42 - 44 sind dazu vorgesehen, jeweils
die Lichtmenge zu erfassen, um die Belichtungszeit zu bestimmen, und sie geben Ausgangssignale
ab, die den ZE 45 - 47 zugeleitet werden. Auf der Grundlage der Signale von den
Meßfühlern 42 -44 und der den Abschluß des Ausrichtens kennzeichnenden, von den
dazu bestimmten o.a. Einrichtungen gelieferten Signale steuern die Zentraleinheiten
45 - 47 die Tische 50 - 52, die Ausricht-Erfassungseinheiten (Fühloptiken) 39 -
41, eine zentrale Verarbeitungseinheit 60, die die schwenkbaren Spiegel 15 - 17
einstellt, und eine Lichtmengen-Steuerzentraleinheit 63, die eine Blende 61, ein
Neutralfilter 62 usw. steuert.
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Es wird nun auf die Arbeitsweise der erläuterten Belichtungsvorrichtung
eingegangen. Zuerst wird von einer (nicht gezeigten
) Lichtmengenmeßvorrichtung
die Größe oder Menge des Laserstrahls gemessen, und auf der Grundlage der Meßergebnisse
werden eine geeignete Abmessung des Lichtdurchtrittsquerschnitts der Blende 61 sowie
ein passendes Neutralfilter (Graufilter) 62 ausgewählt, so daß eine gewünschte Laserstrahlmenge
erhalten wird. Es sei angenommen, daß der Spiegel 15 in der gestrichelt angedeuteten
Lage ist, daß die erste Schuß- oder Aufnahmefläche am Wafer 33 genau unter dem Objektivsystem
30 angeordnet ist und daß die Ausrichtung zwischen der Schablone 21 sowie dem Wafer
33 bereits vollendet ist. Das bedeutet, daß nun die erste Aufnahmefläche am Wafer
33 belichtet wird. Wenn die vom Meßfühler 42 integrierte Lichtmenge einen vorbestimmten
Wert erreicht, dann gibt die ZE 45 ein Befehlssignal an die zentrale Verarbeitungseinheit
60, um ein Rückkehren des Spiegels 15 in seine mit ausgezogenen Linien dargestellte
Lage und ein Schwenken des Spiegels 16 in die gestrichelt angegebene Lage zu bewirken.
Durch die Bewegung des Spiegels 15 in die horizontale Lage wird die Belichtung der
ersten Aufnahmefläche oder -position am Wafer 33 in der ersten Belichtungseinheit
18 beendet. Während des Belichtungsschritts in dieser ersten Einheit 18 werden die
Schablone 22 und die erste Aufnahmefläche am Wafer 34 in der zweiten Belichtungseinheit
19 miteinander ausgerichtet. Insofern ist der Ausrichtvorgang üblicherweise bereits
beendet, bevor der Spiegel 16 in seine gestrichelt dargestellte Lage schwenkt. Es
besteht jedoch die Möglichkeit, daß das Ausrichten in der zweiten Belichtungseinheit
19 zu der Zeit noch nicht beendet ist, da der Belichtungsschritt in der ersten Belichtungseinheit
18 abgeschlossen ist. Im Hinblick darauf kann das System so abgewandelt werden,
daß der Spiegel 16 nicht betätigt wird, bis die Verarbeitungseinheit 60 sowohl das
Ausricht-Abschlußsignal von der Ausricht-Fühloptik 40 wie auch das Belichtungs-Abschlußsignal
von der ersten Belichtungseinheit 18 empfängt.
Wenn der Spiegel
16 in seine geneigte Stellung bewegt wird, dann beginnt der Meßfühler mit der Integration
der Lichtmenge. Die anschließenden Vorgänge sind dann praktisch die gleichen wie
in der ersten Belichtungseinheit 18.
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Während des Belichtungsschritts in der zweiten Belichtungseinrichtung
19 bewirkt der X-Y-Tisch 50 der ersten Belichtungseinheit 18 die schrittweise Bewegung,
so daß der zweite Aufnahmebereich am Wafer 33 genau unter dem Objektivsystem 30
angeordnet wird. Andererseits wird während des Belichtungsschritts in der zweiten
Belichtungseinheit 19 ein Ausrichtschritt in der dritten Belichtungseinheit 20 ausgeführt.
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Auf diese Weise wird eine vorbestimmte Anzahl von Belichtungsschüssen
in bezug auf jeden der Wafer 33 - 35 ausgeführt, worauf diese anschließend von den
Tischen 50 - 52 ausgetragen werden.
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Wenngleich bei der erläuterten Ausführungsform die erste bis dritte
Belichtungseinheit periodisch betätigt oder betrieben werden, so kann die Vorrichtung
auch so ausgestaltet werden, daß während der Belichtung der ersten Aufnahmefläche
in der ersten Belichtungseinheit 18 ein Ausrichten der mittleren Aufnahmefläche
in der zweiten Belichtungseinheit 19 erfolgt, während in der dritten Belichtungseinheit
20 die schrittweise Bewegung des Tischs 52 zum Zweck der Belichtung der letzten
Aufnahmefläche vor sich geht. In diesem Fall kann eine der Belichtungseinheiten
einen Waferzufuhr- oder Waferaustragschritt während der Zeitspanne ausführen, in
der in den anderen Belichtungseinheiten das Belichten und/oder Ausrichten erfolgt.
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Obwohl bei der in Rede stehenden Ausführungsform die Spiegel 15 -
17 bei jeder Chip-Belichtung (Belichtung von einer einzelnen Schuß- oder Aufnahmefläche)
ausgetauscht oder abgewechselt werden, kann die Vorrichtung so ausgestaltet sein,
daß der Belichtungsschritt in der folgenden Belichtungseinheit nach Abschluß der
Belichtung aller Chips (Schußflächen) des Wafers in der vorhergehenden Belichtungseinheit
eingeleitet wird. In diesem Fall können die Spiegel 15 - 17 im Ansprechen auf die
Belichtungs-Abschlußsignale, die jeweils von den ZE 45 - 47 abgegeben werden, betätigt
werden. Für den Fall einer pauschalen Ausrichtung wird die Vorrichtung so ausgestaltet,
daß während der Zeitspanne, in der der Belichtungsschritt in einer der Belichtungseinheiten
ausgeführt wird, die schrittweise Bewegung und/oder die Waferzu- oder -abfuhr in
den anderen Belichtungseinheiten ablaufen.
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Die Belichtungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform ist auch in
einem Simultan-Belichtungsbetrieb zu betreiben.
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Hierbei werden die Wafer 33 - 35 im Vergleich zum oben beschriebenen
Folge-Belichtungsbetrieb gleichzeitig belichtet. Wenn dieser Simultan-Belichtungsbetrieb
von einer Bedienungsperson gewählt wird, so werden die schwenkbaren Spiegel 15 und
16 von einem-(nicht gezeigten) Mechanismus zurückgezogen und zwei Halbspiegel durch
diesen Mechanismus jeweils an deren Stellen angeordnet. Der verbleibende schwenkbare
Spiegel 17 wird in die in Fig. 2 gezeigte Lage gebracht. Durch diese Maßnahmen können
alle Wafer 33 - 35 zur selben Zeit belichtet werden.
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Durch die Erfindung wird eine Belichtungsvorrichtung offenbart, die
eine einzige Lichtquelle und eine Mehrzahl von Belichtungstischen zur Lagerung je
eines Wafers enthält. Das von der Lichtquelle ausgesandte Licht wird
gleichzeitig
oder aufeinanderfolgend auf eine Mehrzahl von Masken gerichtet, so daß die Maskenmuster
gleichzeitig oder aufeinanderfolgend auf die jeweiligen, auf den Belichtungstischen
gelagerten Wafer übertragen werden. Bevorzugterweise umfaßt die Lichtquelle einen
Excimer-Laser, der einen gepulsten Laserstrahl erzeugt.
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Wenngleich die Erfindung utner Bezugnahme auf die hier beschriebenen
baulichen Einzelheiten erläutert wurde, so ist sie auf diese Einzelheiten keineswegs
beschränkt, und Abwandlungen oder Abänderungen, die dem Fachmann bei Kenntnis der
Offenbarung der Erfindung an die Hand gegeben sind, sind als in den Rahmen der Erfindung
fallend anzusehen.
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