JP2006216864A - 化合物半導体製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】化合物半導体製造装置を使用し続ける中で、エピタキシャルウェハにおける電気的特性の変動を低減することのできる化合物半導体製造装置を提供する。
【解決手段】ガス流路4を形成する上壁の一部として板状のサセプタ1を設ける一方、このサセプタ1に対向してガス流路4の下面側に対向板7を設けると共に、対向板7の下側に冷却ジャケット8を設け、対向板7の温度を対向板表面に堆積物が生じにくいように制御する為、冷却ジャケット8に、ヒータ9と温調器を設け、板状のサセプタ1に、複数の基板3をサセプタ中心から少し離れた位置にて周方向に配設し且つその成長面をガス流路4側に向けて支持し、その基板3の裏面側からサセプタ1をヒータ5で加熱し、サセプタ中心部分から放射状に原料ガス6を流し、加熱された基板3上で半導体結晶を気相エピタキシャル成長させる。
【選択図】図1
【解決手段】ガス流路4を形成する上壁の一部として板状のサセプタ1を設ける一方、このサセプタ1に対向してガス流路4の下面側に対向板7を設けると共に、対向板7の下側に冷却ジャケット8を設け、対向板7の温度を対向板表面に堆積物が生じにくいように制御する為、冷却ジャケット8に、ヒータ9と温調器を設け、板状のサセプタ1に、複数の基板3をサセプタ中心から少し離れた位置にて周方向に配設し且つその成長面をガス流路4側に向けて支持し、その基板3の裏面側からサセプタ1をヒータ5で加熱し、サセプタ中心部分から放射状に原料ガス6を流し、加熱された基板3上で半導体結晶を気相エピタキシャル成長させる。
【選択図】図1
Description
本発明は化合物半導体製造装置、特に多数枚成長可能な化合物半導体製造装置に関するものである。
GaAs(ガリウム砒素)やInGaAs(インジウムガリウム砒素)などの化合物半導体はSi(シリコン)半導体に比べて、電子移動度が高いという特長がある。この特長をいかして、GaAsやInGaAsは高速動作や高効率動作を要求されるデバイスに多く用いられている。代表例としてHEMT(High Electron Mobility Transistor)が挙げられ、携帯電話の送信用マイクロ波増幅器や衛星放送用受信アンテナの高周波増幅器に用いられている。
HEMT用エピタキシャルウェハの概略構造を図3に示す。HEMT用エピタキシャルウェハは、半絶縁性基板上に結晶成長したバッファ層、電子走行層、スペーサ層、電子供給層及びコンタクト層よりなる。基板は単結晶成長するための下地である。バッファ層は基板表面の残留不純物によるデバイス特性劣化を防ぐ働きや、電子走行層からのリーク電流を防ぐ働きがある。電子走行層は自由電子が流れる層であり、高純度である必要がある。スペーサ層は、電子走行層の自由電子が電子供給層のn型不純物によってイオン散乱されるのを抑止する働きがある。電子供給層はn型不純物がドーピングされており、発生した自由電子を電子走行層へ供給する。コンタクト層は電極を形成するための層である。
表1はHEMT用エピタキシャルウェハの構造例を示す表である。
エピタキシャル層の名称の(n−)、(i−)はそれぞれエピタキシャル層がn型、半絶縁性であることを表している。厚さの単位は「nm(10-9m)」である。キャリア濃度の単位は「cm-3」である。
図4は、表1に示したHEMT用エピタキシャルウェハの成長に用いられる従来の化合物半導体製造装置(有機金属気相成長装置)の構成を示す。この化合物半導体製造装置は、板状のサセプタ1に、複数の基板3を、サセプタ中心から少し離れた位置にて周方向に配設し且つ成長面をガス流路4側に向けて支持し、その基板3の裏面側からサセプタ1をヒータ5で加熱し、ガス流路4においてサセプタ中心部分から放射状に原料ガス6を流し、加熱された基板3上で半導体結晶をエピタキシャル成長させる構成となっている。
図4は、表1に示したHEMT用エピタキシャルウェハの成長に用いられる従来の化合物半導体製造装置(有機金属気相成長装置)の構成を示す。この化合物半導体製造装置は、板状のサセプタ1に、複数の基板3を、サセプタ中心から少し離れた位置にて周方向に配設し且つ成長面をガス流路4側に向けて支持し、その基板3の裏面側からサセプタ1をヒータ5で加熱し、ガス流路4においてサセプタ中心部分から放射状に原料ガス6を流し、加熱された基板3上で半導体結晶をエピタキシャル成長させる構成となっている。
すなわち、ガス流路4を形成する反応管10の上壁には、その一部として板状のサセプタ1が設けられ、回転軸2により回転される構造となっている。基板3はその成長面を下向き(フェイスダウン)にしてサセプタ1の開口内にセットされ、真上にある基板加熱用のヒータ5で加熱される。ガス流路4の下面側には、サセプタ1に対向して対向板7が配置され、さらにこの対向板7の下側には、部材を保護するため、冷却水のみが通っている冷却ジャケット8が設けられている。
成長中、サセプタ1は回転軸2を中心として矢印方向に回転(基板3が公転)すると共に、基板自身もサセプタ1に対して回転(基板3が自転)する。下側中央の原料ガス供給口10aから供給された原料ガス6は、サセプタ中心部分から放射状に外側へ流れ、加熱された基板3の表面(成長面)上で熱分解し、基板3上にエピタキシャル成長する。
表1に示したHEMT用エピタキシャルウェハの成長方法を以下に述べる。
エピタキシャル層を成長させる半絶縁性基板をサセプタにセットし、成長炉内で加熱する。成長炉内に原料ガスを供給すると、原料ガスが熱により分解し、基板上にエピタキシャル層を成長する。
i−GaAsを成長する場合には、Ga原料のGa(CH3)3(トリメチルガリウムとAs原料のAsH3(アルシン)を基板に供給する。なお、Ga原料として他にGa(CH3CH2)3(トリエチルガリウム)がある。As原料としては他にAs(CH3)3(トリメチル砒素)、TBA(ターシャリーブチルアルシン)がある。
i−Al0.25Ga0.75Asを成長する場合には、Ga(CH3)3、AsH3、及びAl原料のAl(CH3)3(トリメチルアルミニウム)を基板に供給する。なお、Al原料として他にAl(CH3CH2)3(トリエチルアルミニウム)がある。
i−In0.20Ga0.80Asを成長する場合には、Ga(CH3)3、AsH3、及びIn原料のh(CH3)3(トリメチルインジウム)を基板に供給する。なお、In原料として他にIn(CH3CH2)3(トリエチルインジウム)がある。
n−GaAsを成長する場合には、Ga(CH3)3、AsH3及びn型ドーパントを基板に供給する。n型ドーパントの元素としてはSi(珪素)やSe(セレン)がある。Si原料としてSiH4(モノシラン)、Si2H6(ジシラン)がある。Se原料としてはH2Se(セレン化水素)がある。
n−Al0.25Ga0.75Asを成長する場合には、Al(CH3)3、Ga(CH3)3、AsH3及びSi2H6を基板に供給する。
なお、基板の加熱源の設け方については、上記のように基板の上方に設けるタイプの他、基板の下側にウェハ加熱用のヒータを設けるタイプ(例えば、特許文献1、2参照)や、基板の上側と下側の両方に設けるタイプ(例えば、特許文献3参照)などが知られている。
特開2004−55636号公報
特開平5−21363号公報
特開平8−321468号公報
しかしながら、図4の化合物半導体製造装置を使用し続けると、反応管10とヒータ5から主に構成される反応炉内に化合物半導体結晶が堆積していく。特に、サセプタ1の表面とその向かい側に位置する対向板7の表面に化合物半導体結晶が堆積する。
従来技術では、対向板7の下側にある冷却ジャケット8は冷却水のみが通っている。エピタキシャル成長中も対向板7は冷却水により約25℃と十分に冷却されているため、対向板表面には化合物半導体結晶が堆積しやすい。このままで化合物半導体製造装置を使用し続けると、多くの種類の化合物半導体結晶をエピタキシャル成長していくため、対向板7の表面に堆積していく化合物半導体結晶の状態が変化してしまう。対向板7の表面の状態が変化すると、反応炉内の温度条件などが変化してしまい、成長膜厚やキャリア濃度が僅かずつではあるが経時変化を起こすことになる。
このことを確認するため、表1のような構造のHEMT用エピタキシャルウェハを、化合物半導体製造装置を使用し続ける中(反応炉メンテナンス後〜メンテナンス直前の間)で、同一成長条件にて10回作製した。図5に、このときのHEMT用エピタキシャルウェハにおける特性(シートキャリア濃度と電子移動度)の変動の具体例を示した。シートキャリア濃度とは、自由電子の面密度であり、単位は[cm-2]である。電子移動度とは半導体結晶中での電子の動きやすさを表し、単位は[cm2・V-1・s-1]である。また、シートキャリア濃度と電子移動度はvan der Pauw法によるホール測定で求めた。
図5から、化合物半導体製造装置を使用し続けていくと、シートキャリア濃度nsが徐々に高くなっていくことが分かる。シートキャリア濃度が高くなるのは、電子供給層などの成長膜厚が厚くなることや、キャリア濃度が高くなることが原因として挙げられる。
従来技術における反応炉メンテナンス後からメンテナンス直前までの間でのシートキャリア濃度nsの変動率は、図5に示す通り6.8%と大きく経時変化を起こしている。これでは同じ成長条件で成長しても、同じ電気的特性のエピタキシャルウェハが作製できないため、その都度、各エピタキシャル層の成長膜厚やキャリア濃度を求めて、電気的特性の合わせ込みを行わなければならない。この電気的特性の合わせ込みには約24時間という長時間が必要であり、その分、生産性が低下してしまうという問題がある。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、化合物半導体製造装置を使用し続ける中(反応炉メンテナンス後〜メンテナンス直前の間)で、エピタキシャルウェハにおける電気的特性の変動を低減することのできる化合物半導体製造装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項1の発明に係る化合物半導体製造装置は、ガス流路を形成する上壁の一部として板状のサセプタを設ける一方、このサセプタに対向してガス流路の下面側に対向板を設けると共に、該対向板の下側に冷却ジャケットを設け、上記板状のサセプタに、複数の基板をサセプタ中心から少し離れた位置にて周方向に配設し且つその成長面をガス流路側に向けて支持し、その基板の裏面側からサセプタをヒータで加熱し、サセプタ中心部分から放射状に原料ガスを流し、加熱された基板上で半導体結晶を気相エピタキシャル成長させる化合物半導体製造装置において、上記対向板の下側にある冷却ジャケットに、ヒータと該ヒータを電力制御する温調器を設け、該ヒータと温調器により、対向板の温度を対向板表面に堆積物が生じにくいように制御する構成としたことを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1記載の化合物半導体製造装置において、上記サセプタを回転(基板を公転)させる機構と、該サセプタにセットされた基板自身を各々回転(基板を自転)させる機構を有することを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項1又は2記載の化合物半導体製造装置において、上記ヒータと温調器が、対向板の温度を20〜200℃の範囲で任意に制御できることを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項1又は2記載の化合物半導体製造装置において、上記ヒータと温調器が、対向板の温度を約100℃に制御することを特徴とする。
<発明の要点>
反応炉メンテナンス後からメンテナンス直前までの間において、製造するHEMT用エピタキシャルウェハに電気的な特性変動を起こさせないためには、サセプタの向かい側に位置する対向板表面に堆積する化合物半導体結晶の状態を変化させないことが重要である。
反応炉メンテナンス後からメンテナンス直前までの間において、製造するHEMT用エピタキシャルウェハに電気的な特性変動を起こさせないためには、サセプタの向かい側に位置する対向板表面に堆積する化合物半導体結晶の状態を変化させないことが重要である。
従来技術では、対向板の下側にある冷却ジャケットは冷却水のみが通っているため、エピタキシャル成長中も対向板は冷却水により約25℃と十分に冷却されており、対向板表面には化合物半導体結晶が堆積しやすい。このままで化合物半導体製造装置を使用し続けると、多くの種類の化合物半導体結晶をエピタキシャル成長していくため、対向板表面に堆積していく化合物半導体結晶の状態が変化してしまう。
対向板表面の状態が変化すると、反応炉内の温度条件などが変化してしまい、HEMT用エピタキシャルウェハにおける電気的特性が経時変化を起こしてしまう。変動があるとその都度、電気的特性の合わせ込みを行わなければならず、この合わせ込みには約24時間という長時間が必要であり、その分生産性が低下してしまうという問題がある。
そこで本発明では、サセプタの向かい側に位置する対向板表面に堆積する化合物半導体結晶の状態を変化させないために、対向板の温度を任意に制御できるよう、図1に示すように、対向板の下側にある冷却ジャケットにヒータと該ヒータを電力制御する温調器を設けた反応炉構造とした。
本発明によれば、対向板の下側にある冷却ジャケットにヒータとこれを電力制御する温調器を設けたので、対向板の温度を任意に制御できるようになり、対向板表面に化合物半導体結晶を堆積させにくくすること、つまり対向板表面の状態を変化させないようにすることが可能になった。この作用効果については、対向板の温度を約100℃に定めることで良好な原料効率が得られる。冷却ジャケットの冷却水の水量調整などにより、このような温度制御をなすことは実際上不可能である。
本発明により、対向板表面の堆積物の状態が変化しなくなれば、化合物半導体製造装置を使用し続けてもHEMT用エピタキシャルウェハにおける電気的特性の変動は起こらず、生産性の向上が期待できる。
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
図1に本実施形態に係る化合物半導体製造装置(有機金属気相成長装置)を示す。この化合物半導体製造装置は、ガス流路4を形成する反応管10の上壁の一部として板状のサセプタ1を有しており、このサセプタ1は図示してないモータにより、回転軸2を中心として矢印方向に回転される構成となっている。
上記板状のサセプタ1には、複数の基板3が、サセプタ中心から少し離れた位置にて周方向に配設され、且つ、基板自身が回転(自転)する構成となっている。各基板3は、その成長面をガス流路4側に向けて、つまり下向き(フェイスダウン)にして、サセプタ1の開口内に収納され、且つ、開口内に突出するツメにより下面周縁を支持されて、成長面がガス流路4の上壁内面と同じ面一となるようにセットされている。
またサセプタ1の上方にはヒータ5が配設されており、基板3の裏面側をサセプタ1と一緒にヒータ5で加熱する構成となっている。反応炉はこのヒータ5と反応管10とから主に構成される。
一方、ガス流路4の下面側には、上記サセプタ1に対向してカーボンなどから成る対向板7が設けられており、更にこの対向板7の下側には冷却ジャケット8が設けられている。図中に矢印11にて冷却水の流れを示す。
成長中、サセプタ1は回転軸2を中心として矢印方向に回転(基板が公転)すると共に、基板自身もサセプタ1に対して回転(基板が自転)する。下側中央の原料ガス供給口10aから供給された原料ガス6は、サセプタ中心部分から放射状に外側へ流れ、加熱された基板3の表面(成長面)上で熱分解し、基板上にエピタキシャル成長する。
上記対向板7の下側にある冷却ジャケット8内にはヒータ9が設けられると共に、これを電力制御する温調器が設けられている。この温調器はヒータ9に通電する電力を制御して、対向板7の温度を、対向板表面に堆積物が生じにくいように制御する。従って、このヒータ9及び温調器は、対向板表面の状態を変化させないように作用する。
従来技術の化合物半導体製造装置(図4)の場合、表1のような構造のHEMT用エピタキシャルウェハを、化合物半導体製造装置を使用し続ける中(反応炉メンテナンス後〜メンテナンス直前の間)で同一成長条件にて10回作製した場合、図5に示すように、反応炉メンテナンス後からメンテナンス直前までの間でのシートキャリア濃度の変動率は6.8%と大きく経時変化を起こしている。
これは、図4の場合、対向板は冷却水により約25℃と十分に冷却されており、対向板表面には化合物半導体結晶が堆積しやすくなっているため、多くの種類の化合物半導体結晶をエピタキシャル成長して行くと、対向板表面に堆積していく化合物半導体結晶の状態が変化してしまうことが原因である。
これに対し、本実施例の化合物半導体製造装置(図1)によれば、表1のような構造のHEMT用エピタキシャルウェハを、化合物半導体製造装置を使用し続ける中(反応炉メンテナンス後〜メンテナンス直前の間)で同一成長条件にて10回作製した場合、図2に示すように、反応炉メンテナンス後からメンテナンス直前までの間でのシートキャリア濃度の変動率は1.5%となり、従来技術の変動率6.8%よりも大きく低減することができ、HEMT用エピタキシャルウェハを再現性良く作製することができた。
従って、本実施例の化合物半導体製造装置によれば、反応炉メンテナンス後〜メンテナンス直前の間で、HEMT用エピタキシャルウェハにおける電気的特性の変動を低減することができ、その都度、電気的特性の合わせ込みを行うことは不要となり、生産性向上の効果が期待できる。
<最適条件について>
上述したヒータ9と温調器による温度制御において、サセプタ1の向かい側に位置する対向板7の温度設定を25℃、50℃、100℃、150℃と変化させた。この場合の、反応炉メンテナンス後〜メンテナンス直前の間におけるシートキャリア濃度nsの変動率を、それぞれ表2に示した。
上述したヒータ9と温調器による温度制御において、サセプタ1の向かい側に位置する対向板7の温度設定を25℃、50℃、100℃、150℃と変化させた。この場合の、反応炉メンテナンス後〜メンテナンス直前の間におけるシートキャリア濃度nsの変動率を、それぞれ表2に示した。
表2に示すように、対向板7の温度設定を25℃、50℃、100℃、150℃と変化させると、シートキャリア濃度nsの変動率は、6.8%、3.2%、1.5%、1.4%と小さくなった。従って、対向板温度を上げていくことで、変動率が低減できることが分かる。ただし100℃を超えた所では、原料が消費される度合いの方が増すため、原料効率が悪化してしまう。このことから対向板温度は100℃に設定することが最適であると言える。
上記のように100℃を超えた所で原料効率が悪化してしまう理由は、対向板7の温度を150℃まで上げると、炉内の上流部分の温度が上がってしまい、成長速度が低下する(原料効率が悪くなる)ためである。100℃であれば成長速度の低下が大きくなく、かつ安定して生産も行うことができる。
[実施例]
本発明の効果を確認するため、図1の化合物半導体製造装置を使用し続ける中(反応炉メンテナンス後〜メンテナンス直前の間)で、表1のHEMT用エピタキシャルウェハを作製した。
本発明の効果を確認するため、図1の化合物半導体製造装置を使用し続ける中(反応炉メンテナンス後〜メンテナンス直前の間)で、表1のHEMT用エピタキシャルウェハを作製した。
ヒータ9と温調器による温度制御において、対向板7の温度を100℃に設定した。これにより対向板7の表面の温度は、実際には100℃以上であると考えられる。
成長時の基板温度は660℃、成長炉内圧力は70Torr、希釈用ガスは水素である。基板3には、半絶縁性GaAsウェハを用いた。
i−GaAs層の成長にはGa(CH3)3とAsH3を用いた。Ga(CH3)3の流量は70cc/分である。AsH3の流量は250cc/分である。
i−Al0.25Ga0.75As層の成長にはGa(CH3)3、Al(CH3)3及びAsH3を用い、それらの流量はそれぞれ30cc/分、60cc/分及び500cc/分である。
i−In0.20Ga0.80As層の成長にはGa(CH3)3、In(CH3)3及びAsH3を用い、それらの流量はそれぞれ40cc/分、150cc/分及び500cc/分である。
スペーサ層のi−Al0.25Ga0.75As層の成長にはi−Al0.25Ga0.75As層と同じGa(CH3)3、Al(CH3)3、AsH3を用い、それらの流量はそれぞれ30cc/分、60cc/分及び500cc/分である。
n−Al0.25Ga0.75As層の成長には、i−Al0.25Ga0.75Asの成長に使用したGa(CH3)3、Al(CH3)3、AsH3に加えてSi2H6を使用した。Si2H6の流量は50cc/分である。Si2H6以外の流量はi−Al0.25Ga0.75As層の場合と同じである。
n−GaAs層の成長には、i−GaAsの成長に使用したGa(CH3)3、AsH3に加えてSi2H6を用いた。Si2H6の流量は100cc/分である。Si2H6以外の流量はi−GaAs層の場合と同じである。
上記条件で成長したHEMT用エピタキシャルウェハを、化合物半導体製造装置を使用し続ける中(反応炉メンテナンス後〜メンテナンス直前の間)で同一成長条件にて10回作製した。
この場合のHEMT用エピタキシャルウェハにおける特性変動の具体例を図2に示した。反応炉メンテナンス後〜メンテナンス直前の間でのシートキャリア濃度の変動率は、図2に示す通り1.5%となり、従来技術の変動率6.8%よりも大きく低減でき、HEMT用エピタキシャルウェハが再現性良く作製できていることが分かる。
<他の実施例、変形例>
本発明は化合物半導体製造装置についてであるので、実施例で適用したHEMT用エピタキシャルウェハ以外の他のエピタキシャルウェハの製造にも適用することができる。HEMTと同様に電子デバイスであるFET(Field Effect Transistor)、HBT(Hetero Junction Bipolar Transistor)のエピタキシャルウェハの製造にも適用可能である。
本発明は化合物半導体製造装置についてであるので、実施例で適用したHEMT用エピタキシャルウェハ以外の他のエピタキシャルウェハの製造にも適用することができる。HEMTと同様に電子デバイスであるFET(Field Effect Transistor)、HBT(Hetero Junction Bipolar Transistor)のエピタキシャルウェハの製造にも適用可能である。
<使用方法、応用システムなど>
本発明の長所は、化合物半導体製造装置を使用し続ける中(反応炉メンテナンス後〜メンテナンス直前の間)でHEMT用エピタキシャルウェハにおける電気的特性の変動を低減することができる点である。反応炉メンテナンス後からメンテナンス直前までの間で、HEMT用エピタキシャルウェハにおける電気的特性の変動が低減できれば、その都度、電気的特性の合わせ込みを行うことは不要となり、生産性向上の効果が期待できる。
本発明の長所は、化合物半導体製造装置を使用し続ける中(反応炉メンテナンス後〜メンテナンス直前の間)でHEMT用エピタキシャルウェハにおける電気的特性の変動を低減することができる点である。反応炉メンテナンス後からメンテナンス直前までの間で、HEMT用エピタキシャルウェハにおける電気的特性の変動が低減できれば、その都度、電気的特性の合わせ込みを行うことは不要となり、生産性向上の効果が期待できる。
1 サセプタ
2 回転軸
3 基板
4 ガス流路
5 ヒータ
6 原料ガス
7 対向板
8 冷却ジャケット
9 ヒータ・温調器
10 反応管
10a 原料ガス供給口
10b ガス排気口
11 矢印
2 回転軸
3 基板
4 ガス流路
5 ヒータ
6 原料ガス
7 対向板
8 冷却ジャケット
9 ヒータ・温調器
10 反応管
10a 原料ガス供給口
10b ガス排気口
11 矢印
Claims (4)
- ガス流路を形成する上壁の一部として板状のサセプタを設ける一方、このサセプタに対向してガス流路の下面側に対向板を設けると共に、該対向板の下側に冷却ジャケットを設け、上記板状のサセプタに、複数の基板をサセプタ中心から少し離れた位置にて周方向に配設し且つその成長面をガス流路側に向けて支持し、その基板の裏面側からサセプタをヒータで加熱し、サセプタ中心部分から放射状に原料ガスを流し、加熱された基板上で半導体結晶を気相エピタキシャル成長させる化合物半導体製造装置において、
上記対向板の下側にある冷却ジャケットに、ヒータと該ヒータを電力制御する温調器を設け、該ヒータと温調器により、対向板の温度を対向板表面に堆積物が生じにくいように制御する構成としたことを特徴とする化合物半導体製造装置。 - 請求項1記載の化合物半導体製造装置において、
上記サセプタを回転させる機構と、該サセプタにセットされた基板自身を各々回転させる機構を有することを特徴とする化合物半導体製造装置。 - 請求項1又は2記載の化合物半導体製造装置において、
上記ヒータと温調器が、対向板の温度を20〜200℃の範囲で任意に制御できることを特徴とする化合物半導体製造装置。 - 請求項1又は2記載の化合物半導体製造装置において、
上記ヒータと温調器が、対向板の温度を約100℃に制御することを特徴とする化合物半導体製造装置。
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2005
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