JP2003203597A - 走査形電子顕微鏡 - Google Patents
走査形電子顕微鏡Info
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Abstract
発生器を採用した走査形電子顕微鏡において、反射電子
や高加速の二次電子を検出する際の色収差発生を抑制す
ることにある。 【構成】上記目的を達成するために、直交電磁界発生器
によって偏向される電子の軌道上に二次電子変換電極を
配置し、二次電子変換電極で変換された二次電子を偏向
して検出する構成とした。
Description
試料から発生した反射電子或いは高加速の二次電子を検
出し、高分解能像を得るのに好適な走査電子顕微鏡に関
する。
出するために、二次電子検出器とは別の検出器(半導体
やシンチレータ)を試料の上部(電子源側)に配置して
検出していた。しかし、一次電子の加速電圧が数kVま
たは、それ以下の低加速電圧になると、試料から発生す
る反射電子のエネルギーも一次電子のそれと同程度であ
るため、従来の検出器では十分な感度が得られないとい
う欠点があった。このような低加速の反射電子を検出す
る方法として、反射電子検出器の検出面に、ある一定の
電圧を印加して反射電子を加速して検出する方法が取ら
れている。
鏡は、試料と対物レンズ間の距離(ワーキングディスタ
ンス)を短くすることで高分解能化を実現している。よ
って対物レンズと試料の間に検出器を設けることは事実
上困難であり、対物レンズのレンズ主面より電子源側に
検出器が設けられている。
の二次電子は、その多くが電子源方向(一次電子線の照
射源方向)に向かうため、レンズ主面より電子源側にお
いて、一次電子線の軸外へ偏向し、検出することが望ま
しい。しかしながら一次電子線と同等の加速電圧を有す
る反射電子や、高加速の二次電子を軸外に偏向するため
には大きな偏向力を必要とする。
えば特開平2−142045号公報に開示されているよ
うな直交電磁界発生器がある。この直交電磁界発生器は
電界によって二次電子を検出器側に偏向すると共に、こ
の電界の一次電子線への影響を相殺し且つ二次電子を検
出器側に導くように電界と直交する方向に磁界を発生さ
せることで、一次電子線の軸外収差を抑制しつつ、二次
電子の検出効率を高めるためのものである。
子線を電界と磁界によって互いに反対の方向に引き合う
ため、高加速の二次電子や反射電子を大きく偏向しよう
とすると、一次電子線を異なる方向に引き合う作用も大
きくなり、その結果色収差が増大する。
るには、一次電子線光軸に検出器を近接して配置しなけ
ればならず、他の構成との関係上、走査形電子顕微鏡鏡
体の構造が制約されるという問題がある。
差を低減する電磁界発生器を採用した走査形電子顕微鏡
において、反射電子や高加速の二次電子を検出する際の
エネルギー分散に基づく色収差の発生を低減することに
ある。
に、試料から放出される電子を、一次電子線の軸外に偏
向する電界を発生する電界発生器と、電界発生器と同じ
方向に試料から放出される電子を偏向する磁界を発生す
る磁界発生器と、電界発生器と磁界発生器によって偏向
される電子の軌道上に配置され、試料から放出される電
子の衝突によって二次電子を発生する二次電子変換電極
を備え、検出器は二次電子変換電極で発生した二次電子
を偏向して検出することを特徴とする走査形電子顕微鏡
を提供する。
電極によってエネルギーの低い二次電子に変換して検出
するので、強く偏向せずとも一次電子線光軸から離間し
た検出器まで、その二次電子を導くことができる。よっ
て、エネルギ−分散に基づく色収差の発生を抑制するこ
とができる。またエネルギーの弱い二次電子は軌道制御
が容易であるので、その被検出対象たる電子を検出器に
導くことが容易になる。
を示す図面である。
電圧V1により陰極101から放射された一次電子線1
04は、第二陽極103に印加される電圧Vaccに加
速されて後段のレンズ系に進行する。この一次電子線1
04は、集束レンズ制御回路170で制御された集束レ
ンズ105と対物レンズ制御回路174で制御された対
物レンズ106により試料107に微小スポットとして
集束され、二段の偏向コイル108で試料上を二次元的
に走査される。偏向コイル108の走査信号は、入力装
置154により指定された観察倍率に応じて、CPU1
50によって偏向制御回路176を介し制御される。
次電子109を透過できる多孔電極112と対向電極1
11および該電極で発生する電界Eとほぼ直交する磁界
Bを発生させる図2で示した磁界発生用コイル213,
214を配置して二次電子109と反射電子110の軌
道を分離し、分離されて多孔電極112を透過した二次
電子109の軌道を見込む位置に二次電子検出器120
と、二次電子と分離された反射電子軌道を見込む位置に
反射電子検出器121を配置して両電子を分離して検出
する構成となっている。
電極112と対向電極111で発生する電界Eと同一方
向に偏向する力を受ける。一方、直交磁界発生コイル2
13,214により電界Eと直交する磁界Bが生成され
るので、一次電子線104はローレンツ力を受けて磁界
Bと光軸(一次電子線の進行方向)とにそれぞれ直交す
る方向、すなわち電界Eの向きと同一直線上の力を受け
る。従って、磁界Bの極性および強さを適切に選べば電
界Eによる一次電子線の軌道の曲がりを磁界Bで完全に
打ち消すことができる。また、光軸近傍では電界Eと磁
界Bがほぼ均一なため、不均一な電磁界分布に起因する
非点収差等は生じず最終的には何の作用も受けずに対物
レンズ106に入射する。
二次電子109と反射電子110が放出される。二次電
子109は、対物レンズ106による磁界の影響で螺旋
運動をしながら上部へ進行し、多孔電極112と対向電
極111で生成する電界Eおよび直交磁界発生コイル2
13,214で生成する磁界Bの作用で強く偏向される
ため、多孔電極112を透過して二次電子検出器120
に捕捉される。また、反射電子110は、エネルギーが
高いため、直交電磁界の作用を受けても多孔電極を透過
する程度までには偏向されず、その軌道を少し曲げてさ
らに上部に進行する。しかし、この反射電子軌道を見込
む位置に検出器121が配置されているため、反射電子
110は反射電子検出器121に捕捉される。
幅器160に入力され、又、二次電子検出器120から
の信号も可変増幅器162に入力され、それぞれの信号
はおのおのゼロを含む任意の利得で増幅された後A/D
変換器178,180によりディジタル信号に変換され
て、データバス158に入力される。そしてこれらの信
号はCPU150により信号処理され、その後、又は信
号処理される前にもメモリ等による記憶手段152にデ
ータ信号を記憶させている。そして、記憶手段152に
記憶された反射電子,二次電子の信号、又は処理された
信号を用いてCPU150はインターフェース156を
介して、CRT等の表示装置125に試料の反射電子
像,二次電子像、そして処理された信号による拡大され
た試料像を表示している。また、記憶手段を介さなくて
も、試料107を走査している時に、それらの試料像を
リアルタイムで表示する機能を持つ。
が、入力装置154からの指示によりCPU150は電
子線の加速電圧Vaccの値、そして、反射,二次電子
検出器の捕捉電界の強さ、さらには、集束,対物レンズ
の電流値を可変する機能を持つ。
界、及び磁界の一実施例を詳細に示したものである。
±Ve(V)の電位差を与えて電界Eを発生させると、
加速電圧Vaccの一次電子線104は、Ve/Vac
cに比例した角度θe=Ke・Ve/Vaccだけ偏向
される。ここで、Keは多孔電極12および対向電極1
1の形状や配置で決まる定数である。
に励磁電流Ib(A)を流すと電界Eと直交する磁界B
が発生し、一次電子線104は1b/√Vaccに比例
した角度θb=Kb・Ib/√Vaccだけ電界による
偏向とは逆向きに偏向される。ここで、Kbは、直交磁
界発生コイル213,214の形状や配置で決まる定数
である。互いに直交する電界Eと磁界Bが同時に存在す
る場合には、電界Eと磁界Bによる力の合成で一次電子
線の軌道が決まるため、θe=θbに選べば一次電子線
は偏向作用を受けずに直進する。
09と反射電子110は、一次電子104と進行方向が
逆向きであるため、電界と磁界とで同一方向、即ち、多
孔電極側に偏向される。したがって、θeとθbを一定
に保てば、一次電子とほぼ同エネルギーを持つ反射電子
は、常に一定の角度で多孔電極側に偏向される。
電子とほぼ同じエネルギーをもっているので、図3に示
された直交する電界と磁界で反射電子が偏向される角度
θBSE は、θBSE =θe+θbで与えられる。
ルに流す励磁電流Ib(A)とを設定することで目的を
達成できる。以上のことより、電圧Veと電流Ibとの
関係を Ve=K・Vacc Ib=K・(Ke/Kb)・√Vacc すればよい。ここで、Kは、反射電子の偏向角度θBSE
を決める定数である。
ーがきわめて小さいため、直交電磁界で強く偏向されて
多孔電極112を透過してしまう。したがって、反射電
子の軌道を見込む位置と多孔電極を見込む位置におのお
の電子検出器を配置すると、反射電子と二次電子とが分
離して検出される。
出するための他の実施例を示している。
電子と分離された反射電子軌道上に反射電子を二次電子
に変換する二次電子変換電極440を配置してこの電極
にアースまたは負の電圧を印加すると反射電子は電極に
衝突して、電極表面からエネルギーの小さい二次電子を
発生する。直交電磁界の強さは、一次電子線104に対
して偏向作用を及ぼさないように設定されているが、一
次電子に比較してエネルギーの小さい二次電子450
は、磁界よりも電界によって強く曲げられる。その結
果、多孔電極側に強く偏向されて多孔電極112を透過
し、多孔電極を見込む位置に配置された検出器で検出さ
れる。また、多孔電極112の下部に軸対称電極441
を配置してこの電極に適当な負の電圧を印加すると、試
料から発生した二次電子はこの軸対称電極を進行できず
に試料側にはね返され、エネルギーの高い反射電子のみ
が多孔電極上部に配置した変換電極440で二次電子4
50に変換される。この変換された二次電子450は、
試料からの反射電子情報を反映しているため、この信号
で像形成することは、試料からの反射電子信号で像形成
することと等価となる。
反射電子を大きく曲げるためには、単に二次電子を曲げ
る場合と比較して大きな偏向力を必要とする。本実施例
装置で採用している直交電磁界発生器は、電界による一
次電子線の影響(軸ずれ)を抑制するために、電界と直
交する方向に磁界を発生させ、電界によって偏向を受け
る一次電子線を元に戻すように作用させている。しかし
ながらこのような直交電磁界発生器は、ウィンフィルタ
ーエネルギー分光器と同等の作用により、一次電子線を
エネルギー分散させることになるため、大きな偏向力の
発生により、色収差の問題が大きくなる。
物レンズより電子源側に設けられた電界発生器と磁界発
生器より電子源側であって、これらの偏向器によって偏
向される反射電子の軌道上に、二次電子変換電極を備え
ている。この電極で発生した二次電子を、反射電子の偏
向軌道外に設けられた検出器で検出する如き構成によれ
ば、高電圧が印加される検出器を離間できることによる
軸ずれ防止と、直交電磁界発生器によるエネルギー分散
の抑制の両立を実現でき、結果的に色収差を防止でき
る。
極440と多孔電極下部の軸対称電極441の印加電圧
の極性の組み合わせで、二次電子と反射電子を選択して
検出したり、合成して検出することができる。
切換スイッチ442で正または負の電圧が印加できるよ
うにし、また、多孔電極112の下部(試料側)には軸対
称電極441が配置され、切換スイッチ443で正また
は負の電圧が印加できるようになっている。電極440
に適当な負の電圧を印加すれば、電極440に衝突した
反射電子110は電極表面で二次電子450を放出す
る。また、電極440に適当な正の電圧を印加すれば電
極に反射電子が衝突しても二次電子は電極440の電位
に抑制されるため電極440から放出されない。一方、
電極441に適当な正の電圧を印加すれば試料から発生
した二次電子109は多孔電極部に進行できるが、適当
な負の電圧を印加すれば電極441を透過できずに試料
側にはね返されてしまう。したがって、電極440およ
び電極441に印加する電圧の極性を切り換えること
で、検出器120で二次電子109と反射電子110を
選択的に検出したり、二次電子109と反射電子110
の両方を同時に検出したりでき、またそれらの検出した
信号は上記図1の実施例で示した場合と同様に、CRT
を備えた表示装置125に画像として示すことが可能に
なる。
一例の試料を測定した場合の表示画面を示している。
に設けられたフォトレジスト512のコンタクトホール
510を測定した実施例である。
コンタクトホール開口部近辺に起伏514があり、その
開口部近辺の試料表面が負に帯電している状態を表して
いる。
部方向から二次電子で走査した像を示しており、コンタ
クトホールの帯電していない壁面、底の部分の正確な像
情報が得られているが、帯電している試料開口部近辺の
正確な像状態は得られていないことを示している。
電子信号による試料表面像を現しており、コンタクトホ
ールの底の部分の像は得られていないが、試料開口部近
辺の正確な起伏状態が得られていることを示している。
り発生する二次電子信号は、試料の表面から放出される
エネルギーの低い(数エレクトロンボルト程度)電子で
あるため、試料の表面から放出され試料の凹凸状態を忠
実に反映するため電子線の試料内散乱の影響を受けず、
高い空間分解能の情報を備える特徴を持っている。
法においては、試料表面が負に帯電(以下、チャージア
ップと表現する)していると、二次電子の上昇がチャー
ジアップによって妨げられてしまい、このため、コンタ
クトホール開口部近辺の起伏、即ち試料表面の凹凸状態
を忠実に反映することが出来なくなってしまう現象があ
り、この現象により帯電している試料開口部近辺の正確
な像情報が得られていないことを図5(b)の試料像は
示している。
射電子によるものであるが、二次電子では得られていな
い、試料開口部近辺の正確な起伏状態が判明しているこ
とを示している。
て、反射電子により正確な試料像を検出することができ
る理由を述べる。
ルギーが高い高加速電圧の一次電子で試料を走査してい
るので試料の深部に入り込み、これに対応して試料の深
部からエネルギーが高い反射電子(ほぼ加速電圧と同じ
エネルギー)を発生させるものである。このため一次電
子線の試料内部散乱の影響で反射電子の発生領域が広が
り空間分解能は低下するが、その信号は試料表面の凹凸
状態の他に組成情報を多く含む特徴を持っているため、
従来方法においては主に試料内の組成情報を得るために
エネルギーが高い反射電子を検出していた。
加速の一次電子で試料を走査し、試料の表面近くで反射
電子を発生させ、なるべく空間分解能を低下させずに反
射電子を検出する方法も存在するが、従来例の方法では
試料に一次電子を照射することにより発生する二次電子
と、反射電子を正確に分別して検出する手段がなく、反
射電子信号として取られた信号には二次電子が混入して
しまっていたため、結果的に高い分解能を持つ反射電子
検出方法は存在しなかった。
子源から試料までの光学系上に、試料から生じた反射電
子および二次電子の軌道を分離する電磁界を設け、そし
て生じた反射電子の軌道上にこの反射電子を検出する反
射電子検出器を設置し、また二次電子の軌道上にこの二
次電子を検出する二次電子検出器を設置しているので、
反射電子と二次電子を個別に検出することが出来るの
で、反射電子のみによる試料像を形成することを可能に
している。
検出方法においては、従来の反射電子の発生方法と異な
り加速電圧を低く、即ちエネルギー状態を低くした場合
においても、反射電子と二次電子を正確に分別して、低
いエネルギー状態の反射電子のみで試料像を形成するこ
とを可能にしている。
表面の浅い部分にしか入り込まず、試料からの反射電子
は浅い部分から放出されるようになるため、この反射電
子の信号は、空間分解能の高いものとする。よって、こ
の状態の反射電子の信号を検出することにより従来の二
次電子走査と同等の空間分解能で試料像を形成すること
を可能にしている。
帯電(チャージアップ)している場合においても、上述し
たようにエネルギーの低い二次電子はその発生過程で試
料表面の帯電の影響を受けるため、二次電子信号には試
料の凹凸情報が忠実に反映されなくなるが、二次電子に
比較してエネルギーレベルの高い反射電子では、帯電の
影響を受けないため、試料の帯電があっても試料の凹凸
情報を安定して得られるようになる。これから、本発明
の一次電子照射,反射電子検出方法により、試料表面の
情報を、その表面が帯電していても正確に検出できるこ
とを、図5(c)の開口部近辺の試料像は示している。
子のエネルギー状態に係らず検出できるようになるの
で、エネルギーが高い状態の反射電子を検出し、試料の
組成を調べる場合にも、反射電子と二次電子とを明確に
分別して検出し、正確な組成分析を行うことが可能にな
る。
ば、一次電子照射に同期して、反射電子信号,二次電子
信号それぞれのみを個別に検出し、また同時に検出でき
るので、試料が帯電しない状態で凹凸情報のみを高分解
能に観察する場合には、二次電子のみを検出し、一方、
組成情報のみを主に観察したい場合、また帯電している
試料の凹凸観察には、反射電子のみを検出し、凹凸情報
と組成情報の両方を観察するには、二次電子と反射電子
の両方を検出することを可能にしている。このため、目
的や試料の状態に応じて二次電子信号と反射電子信号を
選択的に検出あるいは合成することができるので、あら
ゆるアプリケーションに対応することができる。
ば、反射電子信号による対象試料の像と、二次電子信号
による対象試料の像を重ねあわせて試料像の情報を構築
することを可能にしている。
対象試料の像は、コンタクトホールの開口部が帯電して
いるためその側面,底部しか正確な試料凹凸情報を得ら
れていないが、図5(c)の反射電子信号によれば、開
口部の正確な凹凸情報が得られているため、これら2つ
の試料像を重ねあわせること、即ち、コンタクトホール
の内部を二次電子信号による試料像で、その外部を反射
電子による試料像を用いることにより、コンタクトホー
ル全体の対象試料の情報を得ることが可能になる。
に設けられたフォトレジスト512のコンタクトホール
510の断面を測定した実施例である。
半導体基板(シリコンオキサイド)上に形成されたフォ
トレジスト中に、レジスト形成中に発生した定在波52
0がいくつかの層状に存在していることを表している。
尚、このフォトレジスト512は帯電していない状態に
ある。
の断面を断面方向から一般的な一次電子走査,二次電子
検出方法で構成した試料像を示しており、表面の帯電に
より試料表面の状態が正確に得られていないことを示し
ている。
方法による試料像を示しているが、試料からの反射電子
には対象試料中の組成情報が多く含まれるので、これを
検出することによって試料の凹凸状態が正確に観察で
き、このレジスト形成時に発生した定在波が、いくつか
の層を形成して存在していることが示されている。
料の深部から発生し、この反射電子信号にはその組成の
相違が現れるようになるためである。従って本試料のよ
うに試料表面全体が帯電による電位分布を有する場合に
は、二次電子信号よりも反射電子信号による像形成が有
用になる。
ば、一次電子照射に同期して、反射電子信号,二次電子
信号それぞれを明確に分離して同時に検出できるので、
試料の凹凸情報と組成情報の両方を精密に対比して観察
することを可能にしている。
ば、反射電子信号による対象試料の像と、二次電子信号
による対象試料の像を重ねあわせて試料像の情報を構築
することが可能になる。
れば、正確な試料表面情報が得られ、図6(c)の反射
電子信号によれば、レジストの組成状態の情報が得られ
ているため、これら2つの試料像を重ねあわせること、
例えば、実施例においての一方の輝度信号を反転するよ
うに信号処理して互いに重ねあわせることにより、試料
の表面状態と組成状態を容易に比較して表示できる。
は、単にそれぞれの画像の輝度調整のみでなく、それぞ
れの画像状態に応じて所定の色情報を付加することによ
っても、試料の表面状態と組成状態を容易に比較して表
示することも可能である。
鏡における、反射電子,二次電子の信号表示処理手順を
示すフローチャートを示す。
2)、入力装置154から反射電子,二次電子の検出方
法が入力される(ステップ704)。この時の検出方法
としては、一回の一次電子線による照射によって、反射
電子,二次電子を同時に検出する方法、また反射電子,
二次電子の一方のみを検出する方法、更には一回の一次
電子線走査により反射電子,二次電子の一方を検出し、
この走査を複数回くり返すことによって試料像を得る操
作を指定する。
(ステップ706)。これらの検出方法としては、上記
ステップ704での指定に従い、反射電子,二次電子を
同時に、また個別に検出する。
手段152のメモリへ記憶される(ステップ708)。
U150の制御により、表示装置125に反射電子,二
次電子信号による試料像が個別に表示される(ステップ
710)。
54からいろいろな画像信号処理の指定をCPU150
に対し入力する(ステップ712)。
の検出信号レベルを反転(リバース)する(ステップ71
4)。これにより、分析確認したい部分のそれぞれの信
号レベルが高く、画像信号を合成した場合に表示がつぶ
れてしまう時でも、反射電子,二次電子信号による試料
画像の違いを表示装置125に表示できる。
方、又は互いの検出信号レベルを表示装置125への表
示する色信号に変換し合成する(ステップ716)。こ
れにより、同一の試料に対し、反射電子,二次電子信号
により微妙に異なる部分を色の差として明確に区別して
表示することが可能になる。
方、又は互いの検出信号レベルを変換し合成する(ステ
ップ718)。これにより、同一の試料に対し、反射電
子,二次電子信号により異なる部分を強調した輝度信号
として、明確に区別して表示することが可能になる。
電子信号を用いて、CPU150は合成した反射電子,
二次電子信号による試料像を表示装置125、例えばC
RTに表示する(ステップ720)。
て、反射電子,二次電子による合成した試料像を表示す
る処理を示しているが、合成しなくても、例えば反射電
子,二次電子による試料像を表示装置125の表示画面
に信号処理せずに個別に表示し、また信号処理した後で
の反射電子,二次電子による試料像を個別に表示するこ
とによっても試料状態を操作者に知らせることができ
る。
ば、軸外収差を低減する電磁界発生器を採用した走査形
電子顕微鏡において、反射電子や高加速の二次電子を検
出する際の色収差の発生を低減することが可能になる。
104…一次電子線、105…集束レンズ、106…対
物レンズ、107…試料、108…偏向コイル、10
9,450…二次電子、110…反射電子、111…対
向電極、112…多孔電極、115…絞り装置、120
…二次電子検出器、121…二次電子検出器(反射電子
検出用)、125…表示装置(CRT)、152…記憶
装置(メモリ)、156…表示装置I/F、160,1
62…可変増幅器、178,180…A/D変換器、2
13,214…直交磁界発生コイル、440…二次電子
変換電極、441…軸対称電極、442,443…切換
スイッチ。
Claims (5)
- 【請求項1】電子源と、当該電子源から放出された一次
電子線を試料上で走査する走査偏向器と、前記電子線を
集束する対物レンズと、前記試料から放出される電子を
検出する検出器を備えた走査形電子顕微鏡において、 前記対物レンズより前記電子源側に、前記試料から放出
される電子を、前記一次電子線の軸外に偏向する電界を
発生する電界発生器と、当該電界発生器と同じ方向に前
記試料から放出される電子を偏向する磁界を発生する磁
界発生器を配置し、前記電界発生器と磁界発生器より電
子源側であって、前記電界発生器と磁界発生器によって
偏向される反射電子の軌道上に配置され、前記電界発生
器と磁界発生器によって偏向される反射電子の衝突によ
って二次電子を発生する二次電子変換電極を備え、前記
検出器は、前記反射電子の偏向軌道外に配置され、当該
二次電子変換電極で発生した二次電子を偏向して検出す
ることを特徴とする走査形電子顕微鏡。 - 【請求項2】請求項1において、前記磁界発生器は、前
記電界発生器が前記一次電子線に与える偏向作用を相殺
するように前記一次電子線を偏向することを特徴とする
走査形電子顕微鏡。 - 【請求項3】請求項1または2において、 前記電界発生器は、正と負の電圧がそれぞれ印加され、
前記一次電子線を挟んで対抗して配置される一対の電極
を含み、当該一対の電極の内、前記検出器側に配置され
る電極がメッシュ状に形成されていることを特徴とする
走査形電子顕微鏡。 - 【請求項4】請求項1において、 前記検出器と前記一次電子線光軸との間にメッシュ状の
電極を配置したことを特徴とする走査形電子顕微鏡。 - 【請求項5】請求項1において、 前記二次電子変換電極と前記試料との間に、正及び/ま
たは負の電圧が印加可能な制御電極を配置したことを特
徴とする走査形電子顕微鏡。
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---|---|---|---|---|
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-
2002
- 2002-12-26 JP JP2002375808A patent/JP2003203597A/ja active Pending
Cited By (4)
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