EP1941553A1 - Dispositif de fabrication d'un ruban de silicium ou autres materiaux cristallins et procede de fabrication - Google Patents
Dispositif de fabrication d'un ruban de silicium ou autres materiaux cristallins et procede de fabricationInfo
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Abstract
Le dispositif comporte un creuset (1) ayant un fond (2) et des parois (3) latérales. Le creuset (1) comporte au moins une fente (4) latérale disposée horizontalement à une partie inférieure des parois (3) latérales. La fente (4) latérale présente une largeur supérieure à 50mm et, de préférence, comprise entre 100mm et 500mm. La hauteur (H) de la fente (4) est comprise entre 50 et 1000 micromètres. Le matériau cristallin sort du creuset par la fente (4) latérale de manière à former un ruban (R) cristallin. Le procédé comporte une étape de mise en contact d'un germe de cristallisation avec le matériau sortant par la fente (4) latérale et une étape de déplacement horizontal du ruban (R).
Description
Dispositif de fabrication d'un ruban de silicium ou autres matériaux cristallins et procédé de fabrication
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un dispositif de fabrication d'un ruban de matériau cristallin par cristallisation dirigée.
État de la technique
La solidification du silicium à partir d'un bain de silicium liquide, est obtenue typiquement par cristallisation dirigée, c'est-à-dire par migration d'un front de solidification (interface solide/liquide) à partir d'une partie initialement solidifiée, notamment un germe ou une première couche cristallisée par refroidissement local. Ainsi, le bloc de silicium solide croît progressivement en se nourrissant du bain liquide. Les deux procédés classiquement utilisés sont le procédé de Czochralski, le procédé de Bridgman ou leurs variantes. Selon le procédé de Czochralski, un germe, souvent orienté par rapport à un axe cristallin du silicium solide, est trempé dans le bain fondu pour être remonté lentement. Le bain de silicium liquide et le gradient thermique restent alors immobiles, tandis que selon le procédé de type Bridgman, on déplace le bain par rapport au gradient thermique, ou bien le gradient thermique par rapport au bain.
Les progrès technologiques de la fabrication de plaquettes de silicium comme, par exemple, le sciage à fil ont permis de faire un grand pas économique dans l'industrie des semi-conducteurs et dans l'industrie photovoltaïque, par rapport aux scies à diamètre interne (ID), grâce aux gains indéniables apportés par une plus grande productivité et par la
diminution des pertes de matières liées à la découpe. Cependant, les pertes restent importantes et les appareils de sciage présentent des coûts très élevés. De plus, le sciage nécessite des étapes supplémentaires et coûteuses de nettoyage chimique et de restauration des surfaces.
Afin de s'affranchir de la découpe de matériau semiconducteurs, différents procédés de fabrication de plaques ou plaquettes ont été proposés comme, par exemple, le tirage de rubans à partir d'un bain ou la croissance d'un ruban sur un substrat en continu. Cependant, la croissance d'un ruban sur un substrat nécessite l'étape supplémentaire de la dissociation du ruban et du substrat et présente le risque de la pollution du ruban par le substrat. Une autre technique consiste à utiliser un ruban de carbone sur lequel du silicium est cristallisé, puis le ruban de carbone est brûlé laissant deux rubans de silicium. Cependant, l'orientation cristalline des plaquettes obtenues est plus ou moins difficile à contrôler et les propriétés électroniques sont, ainsi, médiocres. En particulier, il est nécessaire, pour des applications photovoltaïques, de disposer d'un matériau à forte longueur de diffusion des porteurs de charge minoritaires. Dans le cas du silicium multicristallin, par exemple, ceci n'est possible que si les joints de grains du matériau multicristallin sont perpendiculaires à la surface et plus précisément aux jonctions P/N des cellules photovoltaïques.
Pour obtenir une qualité de matériau cristallisé qui permet la fabrication de cellules photovoltaïques par la suite, il est indispensable d'enlever les impuretés résiduelles de la matière première (la charge de silicium, par exemple). Une méthode connue est la ségrégation des éléments ayant un faible coefficient de ségrégation. Or, pour que les impuretés restent dans la phase liquide, il faut établir un gradient thermique tel que l'interface solide/liquide reste suffisamment stable à une vitesse de progression de cette interface donnée, pour éviter la croissance non dirigée, équiaxe ou dendritique des grains de silicium.
Par ailleurs, les procédés selon l'art antérieur ne permettent pas d'intégrer l'obtention de plaquettes de silicium à partir de silicium liquide, dans une ligne de fabrication de cellules photovoltaïques.
L'article « Cast Ribbon For Low Cost Solar CeIIs » de Hide et al. (0160- 8371/88/0000-1400, 1988 IEEE) décrit un procédé de moulage d'un ruban de silicium photovoltaïque ayant une épaisseur de 0,5mm et une largeur de 100mm. Le procédé utilise un creuset débouchant dans un moule coudé disposé au-dessous d'une ouverture centrale du creuset. Le moule coudé se rétrécit de manière à former un canal de guidage étroit et allongé constituant une filière allongée s'éloignant horizontalement de l'axe du creuset. Le matériau de départ est du silicium de qualité semi-conductrice fondu dans le creuset. Après la fusion complète, le silicium est injecté dans le moule coudé, en exerçant une pression atmosphérique dans le creuset. La solidification a lieu dans le canal étroit. Les cristaux croissent du bas vers le haut dans le canal étroit et le front de solidification est très incliné.
Objet de l'invention
L'invention a pour but de remédier aux inconvénients des dispositifs connus et, en particulier, un dispositif et un procédé de fabrication de rubans de matériau cristallin par cristallisation dirigée, permettant d'obtenir les plaquettes directement à partir de la matière première liquide, sans nécessiter des étapes supplémentaires d'écroûtage du lingot, de débitage du lingot écroûté en briques et de découpe des briques en plaquettes par sciage. L'invention a également pour but d'intégrer l'obtention des plaquettes directement dans une ligne de fabrication de cellules photovoltaïques.
Selon l'invention, ce but est atteint par les revendications annexées et, plus particulièrement, par le fait que le dispositif comporte un creuset ayant un fond et des parois latérales, le creuset comportant au moins une fente latérale disposée horizontalement à une partie inférieure des parois latérales, la fente latérale présentant une largeur supérieur à 50mm et une hauteur comprise entre 50 et 1000 micromètres.
Un tel dispositif permet également d'effectuer une purification par ségrégation et, ainsi, d'obtenir des rubans de silicium à partir d'un silicium moins pur, comme le silicium métallurgique, et donc moins cher que le silicium très pur de qualité semi-conductrice.
L'invention a également pour but un procédé de fabrication de rubans de matériau cristallin par cristallisation dirigée selon un axe de cristallisation par l'intermédiaire d'un dispositif selon l'invention, l'axe de cristallisation étant sensiblement perpendiculaire à un axe de tirage du dispositif.
Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :
Les figures 1 , 2 et 4 montrent, en coupe, trois modes de réalisation particuliers du dispositif selon l'invention.
Les figures 3, 5 et 8 montrent, en coupe selon l'axe A-A de la figure 2, trois variantes d'un creuset selon la figure 2. La figure 6 illustre l'intégration directe du dispositif selon l'invention dans une ligne de production de cellules photovoltaïques.
La figure 7 illustre l'inclinaison du creuset et du ruban dans un mode de réalisation particulier du dispositif selon l'invention.
Description de modes particuliers de réalisation
Le dispositif représenté sur la figure 1 comporte un creuset 1 ayant un fond 2 et des parois 3 latérales. Le creuset 1 comporte une fente 4 latérale disposée horizontalement en partie inférieure de la paroi latérale de droite sur la figure 1. La fente 4 latérale présente une largeur L (perpendiculaire à la figure 1) supérieure à 50mm et, de préférence, comprise entre 100mm et 500mm. La hauteur H de la fente 4 est comprise entre 50 et 1000 micromètres. Un ruban R de matériau cristallin est ainsi obtenu par cristallisation dirigée du matériau sortant par la fente 4 latérale qui est tiré comme représenté par la flèche 5 à la figure 1. Le matériau cristallin est, par exemple, du Silicium (Si), du Germanium (Ge), de l'arséniure de gallium (GaAs), du phosphure de Gallium (GaP), etc..
L'épaisseur du ruban R est déterminée par la hauteur H de la fente 4 et par la vitesse de tirage. En effet, plus la vitesse de tirage est élevée, plus l'épaisseur du ruban R diminue. La largeur du ruban R est déterminée par la largeur L de la fente 4. Le ruban R peut ultérieurement être découpé en plaquettes, la surface des plaquettes étant directement constituée par la surface du ruban R.
Le front de solidification, c'est-à-dire l'interface solide/liquide, est localisé dans la fente 4. Comme représenté à la figure 1 , la fabrication du ruban, et ainsi des plaquettes, par l'intermédiaire d'un dispositif selon l'invention permet d'obtenir une cristallisation dirigée selon un axe de cristallisation C sensiblement perpendiculaire à un axe de tirage T du dispositif.
Selon l'invention, un gradient thermique est établi sensiblement perpendiculairement aux rubans R et/ou à la direction de tirage des rubans sortant d'une ouverture du creuset qui comporte la matière première liquide. Le gradient thermique est, de préférence, localisé au niveau de l'ouverture du creuset, comme par exemple la fente 4. L'axe de cristallisation C est notamment déterminée par la direction du gradient thermique. L'axe de cristallisation C est, ainsi, sensiblement perpendiculaire aux rubans, et ainsi aux plaquettes. Les joints de grains du matériau multicristallin sont ainsi perpendiculaires à la surface de la plaquette et, pour les applications photovoltaïques, perpendiculaires aux jonctions P/N des cellules photovoitaïques, ce qui permet d'améliorer les propriétés électriques du matériau et la performance des cellules photovoltaïques.
Le creuset doit supporter des températures jusqu'à 15000C et présenter une faible réactivité avec le matériau destiné à être cristallisé, par exemple avec le silicium. Le creuset 1 est, par exemple, fabriqué en quartz, nitrure de silicium, graphite, quartz revêtu de nitrure de silicium ou d'autres matériaux réfractaires.
Sur la figure 1 , la fente 4 latérale est disposée entre le fond 2 du creuset 1 et la paroi 3 latérale correspondante, qui doit alors être maintenue à l'écart du fond 2. La hauteur H de la fente 4 peut éventuellement être réglée par l'intermédiaire d'une paroi supplémentaire 6 réglable en hauteur, disposée sur la face extérieur du creuset et permettant de varier la hauteur H de la fente 4 latérale, comme représenté à la figure 1. Le matériau de la paroi supplémentaire 6 est, de préférence, le même que Ie matériau du creuset 1.
Comme représenté à la figure 2, le creuset peut comporter plusieurs fentes 4 latérales disposées, par exemple, respectivement dans deux parois 3 latérales opposées. Ainsi, deux rubans R de matériau cristallin peuvent être obtenues simultanément. Sur la figure 2, les fentes 4 latérales sont usinées
dans les parties inférieures des parois 3 correspondantes. La figure 3 illustre la fente 4 latérale s'étendant horizontalement selon sa largeur L, à la partie inférieure de la paroi 3 latérale correspondante.
Le dispositif comporte de préférence une source d'alimentation 7 fournissant au creuset en continu le matériau destiné à être cristallisé, comme représenté par la flèche 8 à la figure 2. Le matériau peut être apporté en phase solide ou en phase liquide. Dans ce dernier cas, le dispositif peut être intégré dans un système de purification de la matière première. Par exemple, un système de chauffage complémentaire et une amenée par siphonage peuvent être envisagés et la purification peut, par exemple, être effectuée par plasma. Afin d'établir un gradient thermique dans le creuset 1 , le creuset est chauffé à sa partie supérieure et refroidi par le fond 2. Le refroidissement doit être calculé pour permettre la cristallisation du matériau et absorber la chaleur latente correspondant à la cristallisation. En fonction des impuretés, on doit tenir compte des phénomènes de surfusion.
Afin de localiser la séparation de phase liquide/solide au niveau de la fente 4 latérale, le creuset est, de préférence, refroidi localement au niveau de la fente 4 latérale, par exemple par l'intermédiaire d'une ou plusieurs spires de refroidissement disposées en contact avec le fond 2 du creuset. Dans les spires circule un liquide de refroidissement comme l'eau ou l'hélium. Dans un mode de réalisation particulier, représenté à la figure 4, le dispositif comporte, à titre d'exemple, une plaque réfractaire 9 et un nébuliseur 10 pour déposer un liquide de refroidissement sur la plaque réfractaire 9. On peut, bien entendu, envisager tout autre dispositif de refroidissement local.
La localisation du refroidissement doit être contrôlée de manière à obtenir un ménisque du matériau fondu formé au niveau de la fente 4, susceptible de cristalliser lors du contact avec un germe de cristallisation. Pour le silicium, par exemple, la température correspondante de solidification est comprise
entre 1400°C et 1450°C, tandis que le bain de silicium contenu dans le creuset peut être chauffé à une température comprise entre 14200C et 155O0C. Le silicium s'écoule ainsi à travers la fente 4 et cristallise à la sortie de la fente 4. Sur la figure 4, l'épaisseur de la paroi 3 latérale augmente en s'éloignant de la fente 4.
Sur la figure 4, le dispositif peut comporter également un élément de chauffage 15 supplémentaire disposé au-dessus de la fente 4 pour chauffer localement la paroi 3 et le silicium en cours de solidification, au niveau de la fente 4. Ainsi, la fente 4 est disposée entre une source chaude, disposée au- dessus de la fente 4, et une source froide, disposée sous la fente 4. Ceci permet d'établir et de contrôler le gradient thermique dans le silicium en cours de solidification et, ainsi, l'orientation de la cristallisation dirigée. Lorsqu'une paroi supplémentaire 6 réglable en hauteur est utilisée, celle-ci peut être mise en contact avec l'élément de chauffage 15 supplémentaire. Ainsi, la paroi supplémentaire 6 peut servir de conducteur de chaleur pour apporter la chaleur à la fente 4.
Le gradient thermique est sensiblement vertical et doit être compris entre 5 et 20°C/cm dans le silicium en cours de refroidissement. Ce gradient est nécessaire pour la ségrégation des impuretés et pour la croissance de grains suivant l'axe thermique sensiblement vertical. Ainsi, la direction de croissance des grains est perpendiculaire à la surface supérieure du ruban R.
Le dispositif comporte un appareil 11 de préhension du ruban R de matériau cristallin sortant par la fente 4 latérale du creuset 1. L'appareil 11 comporte, par exemple, un support 12 maintenant un germe 13 de cristallisation permettant la mise en contact du germe 13 avec le matériau sortant par la fente 4 latérale. Un germe 13 en silicium mono- ou polycristallin est, de préférence, taillé suivant un axe de faible vitesse de croissance, par exemple
selon les axes <112> ou <110>, afin de limiter la croissance des grains dans le sens du tirage. Le matériau du germe est, de préférence, le même que le matériau qui est en train de cristalliser. Le germe peut, cependant, être en un matériau différent du matériau de cristallisation, par exemple en quartz, nitrure, silicium polycristallin ou en mullite, l'essentiel étant d'éviter la fusion et de ne pas générer des impuretés. L'épaisseur et la largeur du germe 13 correspondent à l'épaisseur et la largeur du ruban R.
L'appareil 11 comporte, de préférence, également un moteur de déplacement pour tirer le ruban R de matériau cristallin comme représenté par la flèche 14 sur la figure 4. Ainsi, le ruban R peut être tiré jusqu'à une longueur souhaitée pour être coupée ensuite au niveau de la fente 4.
La figure 5 représente un autre mode de réalisation particulier du dispositif selon l'invention, comportant plusieurs fentes 4 latérales disposées dans une même paroi 3 du creuset, chacune ayant, par exemple, une largeur de 150mm.
Par ailleurs, le silicium dans le creuset est chauffé, par exemple par induction, par résistance, par infrarouge ou par une combinaison de ces méthodes. Le choix des méthodes est notamment lié aux matériaux utilisés.
D'autres étapes et traitements peuvent être ajoutés par la suite dans une même ligne de production. A la sortie du creuset 1 , le ruban R peut être coupé, par exemple par laser. De préférence, le ruban R est coupé par l'intermédiaire d'une accélération abrupte et temporelle de la vitesse de tirage provoquant la rupture du ruban R. Le ruban étant ainsi séparé du matériau sortant de la fente 4, un deuxième appareil 11 de préhension peut être mis en place pour prendre la partie initiale du ruban R suivant. En alternative, un système de préhension latérale permet de déplacer le ou les
rubans (ou les plaquettes, selon le degré de la découpe) les uns à la suite des autres.
Le dispositif de fabrication peut être intégré directement et sous forme continue dans une chaîne de production de cellules photovoltaïques, même avant de découper en plaquettes le ruban R du matériau sortant de la fente
4. Ainsi, la figure 6 illustre un four de dopage 16 dans lequel le ruban R est directement introduit. Un appareil 11 de préhension et de déplacement du ruban R permet notamment de conduire le ruban R au four 16. Le ruban R sortant du creuset étant déjà à haute température, on économise une étape de préchauffage supplémentaire avant d'introduire le ruban R dans le four
16.
On peut ainsi réaliser une production complètement intégrée à partir du silicium liquide pré-purifié jusqu'à l'assemblage du module photovoltaïque final. En effet, le dispositif s'intègre aussi bien en amont pour la réception de la matière première, qu'en aval pour les étapes de production de cellules photovoltaïques.
Le procédé comporte, de préférence, une étape de mise en contact d'un germe 13 de cristallisation avec le matériau sortant par la fente 4 latérale et une étape de déplacement horizontal 14 du ruban R.
Sur la figure 7, le creuset 1 est incliné selon un angle α par rapport à un plan horizontal 17 par l'intermédiaire de tout dispositif mécanique approprié, par exemple un support pivotant. La direction de tirage du ruban R, et ainsi le ruban R, est inclinée selon un angle β par rapport au plan horizontal 17. Ceci permet notamment de faciliter la croissance cristalline perpendiculaire au plan du ruban R. En effet, plus la vitesse de tirage est importante, plus l'axe de cristallisation C s'incline par rapport à l'axe de tirage T du dispositif.
L'inclinaison du creuset 1 et/ou de la direction de tirage permet de corriger
cet effet et d'obtenir une cristallisation C perpendiculaire au ruban R. On peut également envisager des angles α et β négatifs ou de signes opposés, afin de contrôler l'axe de cristallisation C.
Dans un mode de réalisation particulier selon l'invention représenté à la figure 8, la fente 4 est constituée par une série d'orifices 18, espacés de manière à ce que des filets de matériau traversant les orifices 18 se rejoignent à la sortie des orifices pour constituer le ruban R. En effet, l'espacement entre les orifices 18 peut être adapté de manière à ce que les filets individuels sortant par les orifices 18 se rejoignent par capillarité.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation représentés. En particulier, on peut envisager l'intégration de plusieurs creusets selon l'invention dans une ligne de fabrication. Ainsi, un premier creuset permet de produire des rubans R en matériau de type N et un second creuset permet de produire des rubans R en matériau de type P, selon le dopage du bain de silicium dans le creuset.
La fente 4 latérale étant disposée à une partie inférieure des parois 3 latérales du creuset, la profondeur D de la fente 4 correspond à l'épaisseur de la paroi, qui est comprise entre 2,5mm et 15 mm et, de préférence, entre 4 et 10mm. Le creuset présente alors un canal de sortie très court d'une longueur correspondante, c'est-à-dire de quelques millimètres. Lorsque la paroi 3 latérale a une épaisseur variable, comme représenté à la figure 4, la profondeur de la fente 4 latérale correspond à l'épaisseur de la paroi 3 latérale au niveau de la fente. Dans tous les cas, la profondeur D de la fente 4, ou de manière générale la longueur du canal de sortie, est comprise entre 2,5mm et 15 mm et, de préférence, entre 4 et 10mm.
La solidification provoque une ségrégation des impuretés, c'est-à-dire une diminution de la concentration des impuretés dans la phase solide et une
augmentation de la concentration des impuretés dans la phase liquide, selon le coefficient de ségrégation de chaque élément. Grâce à la fente selon l'invention, le front de solidification est disposé dans le volume principal du creuset, ou au moins très près de celui-ci. Les impuretés se dispersent ainsi dans le volume entier du creuset, notamment grâce au brassage habituel. La phase solide est ainsi nettement plus pure que la phase liquide. Par conséquent, le dispositif selon l'invention permet effectivement d'utiliser un silicium de départ moins pur que le silicium final souhaité et de le purifier au cours de la cristallisation.
Au contraire, le dispositif décrit dans l'article de Hide et al. précité, est limité à l'utilisation d'un silicium de qualité semi-conductrice, présentant très peu d'impuretés. En effet, le dispositif selon Hide et al. ne permet pas d'obtenir une bonne dispersion des impuretés dans le volume entier de la phase liquide, car la ségrégation au niveau du front de solidification provoque le confinement des impuretés dans le canal étroit. Les impuretés sont alors forcément incluses dans la phase solide, notamment dans la couche supérieure du ruban, ce qui présente une dégradation de la qualité du ruban.
Claims
1. Dispositif de fabrication d'un ruban (R) de matériau cristallin par cristallisation dirigée, caractérisé en ce qu'il comporte un creuset (1) ayant un fond (2) et des parois (3) latérales, le creuset (1) comportant au moins une fente (4) latérale disposée horizontalement à une partie inférieure des parois (3) latérales, la fente (4) latérale présentant une largeur (L) supérieur à 50mm et une hauteur (H) comprise entre 50 et 1000 micromètres.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la fente (4) latérale est comprise entre 100mm et 500mm.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la fente (4) latérale est disposée entre le fond (2) du creuset (1) et l'une des parois (3) latérales.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la fente (4) latérale est usinée dans la paroi (3) latérale.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la fente (4) latérale est de hauteur (H) variable.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'alimentation (7) en continu du creuset (1) en matière première destinée à être cristallisée.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de refroidissement (9, 10) pour refroidir le fond (2) du creuset (1) localement au niveau de la fente (4) latérale.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de chauffage (15) pour chauffer la paroi (3) localement au niveau de la fente (4) latérale.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de préhension (12) d'un ruban (R) de matériau cristallin sortant par la fente (4) latérale du creuset (1).
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de déplacement (11) pour tirer le ruban (R) de matériau cristallin.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la fente (4) est constituée par une série d'orifices (18), espacés de manière à ce que des filets de matériau traversant les orifices (18) se rejoignent à la sortie des orifices (18) pour constituer le ruban (R).
12. Procédé de fabrication d'un ruban (R) de matériau cristallin par cristallisation dirigée selon un axe de cristallisation (C) par l'intermédiaire d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 , caractérisé en ce que l'axe de cristallisation (C) est perpendiculaire à un axe de tirage (T) du dispositif.
13. Procédé de fabrication selon la revendication 12, caractérisé en ce que, le matériau cristallin sortant par la fente (4) latérale, le procédé comporte une étape de mise en contact d'un germe (13) de cristallisation avec le matériau sortant par la fente (4) latérale et une étape de déplacement horizontal (14) du ruban (R). 10
14. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 12 et 13, caractérisé en ce qu'il comporte l'intégration directe du dispositif de fabrication dans une chaîne de production de cellules photovoltaïques.
15. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'il comporte l'inclinaison du creuset (1) et/ou du ruban (R) par rapport à un plan horizontal (17).
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