JP2006222140A - 熱拡散炉及び半導体用基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】不純物の結晶化による炉心管のひびや割れを防止し、炉心管の寿命（耐用期間）の長い熱拡散炉を提供する。
【解決手段】熱拡散炉１０は、炉心管１１と、周囲から炉心管を加熱するヒーター１２と、炉心管の炉口１１２近傍に嵌挿され炉口１１２近傍の炉心管１１の内壁を保護する炉心管壁保護管１５とを有する。このような熱拡散炉１０では、キャリアガス中の過剰不純物は炉口１１２近傍において炉心管壁保護管１５の内側表面に堆積して炉心管壁保護管１５の表面で結晶化し、炉心管１１の本体にはほとんど不純物が付着しない。従って、炉心管１１本体の過剰不純物の結晶化による破損や劣化を防ぐことができ、炉心管１１の寿命を延ばすことができる。なお炉心管壁保護管１５は炉心管１１に嵌挿されているだけなので、破損した場合の交換も容易に行え、熱拡散炉１０における生産性を低下させることは無い。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱拡散により半導体基板上に不純物を導入するための熱拡散炉、及び、この熱拡散炉を用いて基板上に不純物を導入する半導体用基板の製造方法に関する。

半導体デバイスの製造に際しては、一般的に、シリコン等の基板（ウエーハ）上にフォトリソグラフィーによってマスクを形成し、拡散やイオン注入により特定の領域に不純物を導入して導電型や抵抗率の異なる領域を形成する。そして、そのような領域をウエーハ上に所望の配置で形成することにより、これらが組み合わされて所望の機能を発揮する素子がウエーハ上に形成される。また、必要に応じてさらにそのような素子を組み合わせることにより所望の動作の半導体デバイスが製造される。
このような半導体デバイスの製造工程におけるウエーハへの不純物の導入方法の１つとして、熱拡散法がある。熱拡散法では、アンチモン（Ｓｂ）、リン（Ｐ）あるいはボロン（Ｂ）等の不純物を、高精度に温度制御された高温雰囲気中（例えばアンチモン（Ｓｂ）をウエーハに導入する場合には１２００℃程度）においてキャリアガスにより半導体基板上に輸送し、ウエハー内へ拡散させる。

熱拡散法により不純物の拡散を行うための一般的な熱拡散炉として、従来より図６に示すような横型の熱拡散炉が知られている。
図６に示す熱拡散炉９０は、石英製の炉心管９１及び炉心管９１を加熱するためのヒーター９２を有する。炉心管９１の一方の端部付近は拡散対象の不純物Ｘを配置する領域となっており、炉心管９１のその端部には、キャリアガスを炉心管９１内に導入するガス供給口９１１が設けられている。炉心管９１の他方の端部には、ウエーハＷを出し入れする開口（炉口）９１２が設けられており、拡散処理対象の複数のウエーハＷが載置されたボート９３が図示せぬフォークにより支持され、この炉口９１２を介して炉心管９１に出し入れされる。また、炉口９１２には、排気口９６１が形成されたシャッター９６が設けられており、さらに炉口９１２の外部には、炉心管９１からのガスを排気するためのスカベンジャー９７が設けられている。

このような熱拡散炉９０においては、炉心管９１の一方の端部付近に投入された例えばアンチモン（Ｓｂ）等の不純物がヒーター９２により加熱されて昇華し、ガス供給口９１１から供給されるキャリアガスにより炉心管９１の内部方向（ボート９３方向）に運ばれる。ボート９３に載置されたウエーハＷもヒーター９２により加熱されており、その状態で不純物を含む雰囲気中にさらされることにより、ウエーハＷに不純物が付着（堆積）し、ウエーハＷの内部に拡散される。
特開平１１−２６０６７７号公報

このような熱拡散炉９０を用いた従来の熱拡散法においては、炉心管９１の炉口９１２付近に不純物が付着（堆積）して結晶化する場合がある。炉心管９１の内部のガス雰囲気中にはウエーハＷへの拡散に寄与しない過剰の不純物が含まれており、過剰な不純物はそのままキャリアガスに運ばれて排気口９６１等から外部に排出されるが、この際、炉口９１２付近は炉心管９１の内部と比較して温度が低いため、一部の過剰な不純物がここに付着し結晶化する。炉心管９１の内壁で例えばアンチモン（Ｓｂ）等の不純物が結晶化すると、炉心管９１にひびや割れが引き起こされることとなる。ひびや割れ等が生じ破損した炉心管は交換することになるが、炉心管の交換には時間やコストがかかる。従って、炉心管９１の破損が短期間の間に生じて炉心管の耐用期間が短くなると、半導体デバイス（半導体ウエーハ）の生産性が低下し、製造コストが高くなるという問題が生じる。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、不純物の結晶化による炉心管のひびや割れを防止し、炉心管の寿命（耐用期間）の長い熱拡散炉を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、炉心管の寿命の長い熱拡散炉を用いて高い生産性で低コストに半導体用基板を製造する半導体用基板の製造方法を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明に係る熱拡散炉は、処理対象の基板を収容する炉心管と、前記炉心管の周囲から当該炉心管の内部を加熱する加熱装置と、前記炉心管の炉口近傍に嵌挿された管状部材であって、当該炉口近傍の前記炉心管の内壁を保護する炉心管壁保護管とを有する。
好適には、炉心管壁保護管は、炉心管の炉口近傍であって、加熱装置により加熱が行われない区間を含むように、換言すれば炉心管の加熱装置により加熱される領域の炉口側の端部から炉口までの区間を含むように、前記炉心管の内部に配置される。

このような構成の熱拡散炉によれば、キャリアガス中の過剰不純物は炉口近傍において炉心管壁保護管の内側表面に堆積し、炉心管壁保護管の表面で結晶化する。すなわち過剰不純物が結晶化することに起因してひびや割れが生じて破損することとなるのは炉心管壁保護管となり、炉心管本体の過剰不純物の結晶化による破損や劣化を防ぐことができる。その結果、炉心管の寿命を延ばすことができる。
なお、炉心管本体の代わりに炉心管壁保護管を交換する必要があるが、炉心管壁保護管は炉心管本体に嵌挿されているだけの部材であり、破損した場合の交換も容易に行える。従って、炉心管壁保護管が破損したことによる生産性の低下やコストの増加は、炉心管本体が破損した場合の生産性の低下やコストの増加と比較して著しく少ないものである。

また、本発明に係る半導体用基板の製造方法は、基板を収容する炉心管と、前記炉心管の周囲から当該炉心管の内部を加熱する加熱装置と、前記炉心管の炉口近傍に嵌挿された管状部材であって当該炉口近傍の前記炉心管の内壁を保護する炉心管壁保護管とを有する熱拡散炉に基板を投入し、当該基板に所望の不純物の熱拡散を行う工程を含む。

本発明によれば、不順物の結晶化による炉心管のひびや割れを防止し、炉心管の寿命（耐用期間）の長い熱拡散炉を提供することができる。
また、炉心管の寿命の長い熱拡散炉を用いて高い生産性で低コストに半導体用基板を製造する半導体用基板の製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態について図１〜図５を参照して説明する。

まず、本実施形態の熱拡散炉及びその熱拡散炉を用いた熱拡散処理方法について、図１〜図４を参照して説明する。
図１は本実施形態の熱拡散炉の構成を模式的に示す図である。
また、図２は本発明に係る炉心管壁保護管の構造を示す図であり、図３は図１に示す熱拡散炉の炉口付近の構成を詳細に示す図であり、図４はスカベンジャーの構造を示す図である。
図１に示すように、本実施形態の熱拡散炉１０は横型の熱拡散炉であって、炉心管１１、ヒーター（加熱装置）１２、ボート１３、炉心管壁保護管１５、シャッター１６及びスカベンジャー１７を有する。

炉心管１１は、ウエーハＷを載置したボート１３を収容可能な十分な大きさの内径を有する石英製の反応管である。炉心管１１の一方の端部付近は、拡散対象の不純物Ｘを配置するする領域として径が絞られた構成となっており、その端部には炉心管１１内にキャリアガスを導入するガス供給口１１１が設けられている。また、炉心管１１の他方の端部は、ボート１３を炉心管１１に出し入れする開口（炉口）１１２が設けられている。

ヒーター１２は、炉心管１１の周囲に配設され、炉心管１１の内部、すなわち炉心管１１に収容されたウエーハＷ及び拡散対象の不純物Ｘを加熱する。ヒーター１２は、図示せぬ制御部に制御されて炉心管１１の内部を所望の温度に高精度に制御する。ヒーター１２による加熱方法は、抵抗加熱あるいは誘導過熱等を含む任意の加熱方法であってよい。

ボート１３は、処理対象のウエーハＷを炉心管１１に投入するための石英製の部材である。処理対象の所定の複数枚数のウエーハＷは、所定の間隔で平行にボート１３上に載置されて保持される。このボート１３が、図示せぬフォーク等により支持され、炉心管１１の内壁に接触されることなく炉心管１１に出し入れされる。

炉心管壁保護管１５は、炉心管１１を保護するために、炉心管１１の内側に挿入されて炉口１１２近傍に配置される石英製の管部材であり、図２に示すように、両端が開放された円筒状の部材である。
炉心管壁保護管１５の外径は、炉心管壁保護管１５の外周面と炉心管１１の内壁との間の空間（隙間）がなるべく小さくなるように、炉心管１１の内径に近いサイズとするのが好ましいが、一方で、炉心管壁保護管１５を炉心管１１の内壁に接触させずに炉心管１１に嵌挿でき、さらに加熱により炉心管壁保護管１５や炉心管１１に膨張等の形状変化が生じても炉心管壁保護管１５と炉心管１１とが機械的に干渉することの無い程度の遊び（間隙）も必要である。従って、例えば図３に示すように、炉心管１１の内径よりも若干小さい程度の外径とするのが好適である。

炉心管壁保護管１５の長手方向の長さは、基本的には、ある程度の長さがあれば任意の長さでよい。一例としては、炉心管壁保護管１５の長さは、熱拡散炉１０を用いて熱拡散処理を行う際に過剰な不純物が堆積し結晶化する可能性のある炉心管１１の炉口１１２近傍の領域の全範囲に配置されるような長さとするのが好ましい。不純物が堆積し結晶化する可能性のある領域とは、例えば図３に領域Ｒとして示すように、炉心管１１の炉口１１２近傍の温度低下が予測される領域であって、周囲にヒーター１２が配設されていない領域である。従って炉心管壁保護管１５は、このような領域Ｒとほぼ等しい長さに形成して、炉口１１２からのこの領域Ｒに配置するのが好ましい。
但し、たとえ炉心管壁保護管１５が領域Ｒの全範囲を含むような長さでなくとも（それより短くても）、炉口１１２近傍の最も不純物が堆積（付着）し結晶化し易い領域に、ある程度の長さで配置されていれば、炉心管壁保護管１５の役目は十分に達成できる。そのような構成でもよい。

炉心管壁保護管１５は、このような径方向のサイズ及び長さに形成されて、炉心管１１の炉口１１２から炉心管１１内部に挿入され、図３に示すように、炉心管１１の炉口１１２近傍に配置される。その結果、熱拡散処理時において炉口１１２の近傍では、炉心管壁保護管１５の内面が主に炉心管１１内の雰囲気、すなわち不純物を含むガスにさらされることとなる。また、炉心管１１のシャッター１６の排気口１６１から排出される不純物を含むキャリアガスのほとんどは、この炉心管壁保護管１５の内部を通過して炉心管１１から排出されることになる。

その結果、炉心管壁保護管１５には、炉口１１２の近傍の温度低下により不純物が堆積（付着）し結晶化する。この不純物の付着及び結晶化は、熱拡散炉１０で熱拡散処理を繰り返すにつれて進行し、放置しておくと最終的には炉心管壁保護管１５にひびや割れが生じることとなる。そこで、炉心管壁保護管１５にひびや割れが生じる可能性が高くなった時点で、炉心管壁保護管１５は新しい保護管に交換する。

シャッター１６は、炉心管１１の炉口１１２を開閉する扉である。シャッター１６は、スライド移動、あるいはいわゆる観音開きに移動し、炉口１１２を開放あるいは閉塞する。また、シャッター１６には、排気口１６１が設けられており、シャッター１６が閉じた状態においても炉心管１１内からのガスを逃がす（排気する）ようになっている。

スカベンジャー１７は、炉心管１１から排出されるガスを排気する機構である。スカベンジャー１７の構造を図４に示す。図４は、図１に示す視点Ａ方向からシャッター１６及びスカベンジャー１７を見た図である。
スカベンジャー１７は、炉心管１１の炉口１１２外部に配置された排気室であり、側面の１つがシャッター１６を介して炉心管１１の炉口１１２に接続されている。この接続部においてシャッター１６が開放されている時には、炉心管１１の炉内空間がスカベンジャー１７に対して開放された状態となる。また、熱拡散処理中とでシャッター１６が閉まっている時には、排気口１６１を介して炉心管１１内のガスがスカベンジャー１７に排出される。

スカベンジャー１７には、図示せぬ排気ブロワーに接続された排気管１７２（図４参照。図１には図示せず）とスカベンジャー１７内との接続を制御する排気シャッター１７１が設けられている。この排気シャッター１７１が開放されることにより、ブロワーからの排気吸引力がスカベンジャー１７に作用し、炉心管１１からのガスがさらにスカベンジャー１７から排出される。
また、スカベンジャー１７の炉心管１１との接続面に対向する面には、ドア（オートドア）１７３（図４参照。図１には図示せず）が設けられており、炉心管１１にボート１３を出し入れする際に開放される。

次に、このような構成の熱拡散炉１０を用いた熱拡散処理について説明する。
ここでは、シリコン単結晶ウエーハＷにアンチモン（Ｓｂ）を拡散させて、ウエーハＷ上にｎ型拡散層を形成する処理を例示して熱拡散炉１０における熱拡散処理を説明する。
まず、熱拡散炉１０のガス供給口１１１側の端部近傍の領域に、拡散源Ｘたる三酸化アンチモン（Ｓｂ２Ｏ３）を投入する。
また、アンチモン（Ｓｂ）を拡散させる所定枚数（複数）のシリコン単結晶ウエーハＷをボート１３上に載置し、図示せぬフォーク等により支持、搬送して、炉心管１１内に投入する。

拡散源Ｘ及びウエーハＷを炉心管１１に投入したら、ヒーター１２により炉心管１１内、すなわち、拡散源Ｘ及びウエーハＷを加熱する。そして、炉心管１１内のウエーハＷの周辺雰囲気を約１２００℃に維持する。
三酸化アンチモン（Ｓｂ２Ｏ３）は、６００℃程度で昇華しガス化するので、これに合わせて炉心管１１のガス供給口１１１より例えば窒素ガス等のキャリアガスを供給する。その結果、アンチモン（厳密には三酸化アンチモン（Ｓｂ２Ｏ３））を含む不純物ガスが、炉心管１１の中心付近のボート１３方向に流され、順次炉心管１１の炉内全域に充満する。すなわち、炉心管１１の炉内がアンチモンを含むガス雰囲気とされる。順次供給される不純物ガスに対応して、余剰なガスが排気口１６１からスカベンジャー１７に排出され、さらに排気シャッター１７１及び排気管１７２を介して熱拡散炉１０外に排出される。

このような環境において、不純物ガス中の三酸化アンチモン（Ｓｂ２Ｏ３）がウエーハＷの表面に付着、堆積すると、三酸化アンチモン（Ｓｂ２Ｏ３）は酸素を含有しているためにシリコンウエーハＷ上においてはこれが酸化材となり、シリコンウエーハＷの表面で還元する。その結果、アンチモン珪酸ガラスが成長しつつ、アンチモン（Ｓｂ）がシリコンウエーハＷ中に拡散される。
この時、温度と時間を高精度に制御することにより、ウエーハＷ中に所望の不純物分布の層を精度よく形成することができる。

このような熱拡散処理においては、炉心管１１内に充満するガス中には拡散に寄与しない余剰な不純物が含まれている。余剰な不純物の一部は、温度が低下する炉口１１２近傍において周囲の壁面に付着、堆積する。本実施形態の熱拡散炉１０においては、この炉口１１２の近傍領域に、図１及び図３に示すように炉心管壁保護管１５が配置されているので、不純物はほとんどがこの炉心管壁保護管１５の内面に付着、堆積する。
炉心管壁保護管１５に付着、堆積した不純物（例えば、種々のアンチモン酸化物）は、炉心管壁保護管１５の石英と反応して結晶化する。そして、熱拡散処理を繰り返すにつれて、炉心管壁保護管１５に堆積し結晶化した不純物に起因して炉心管壁保護管１５にひびや割れが生じる可能性が高くなる。
そこで熱拡散炉１０においては、炉心管壁保護管１５にひびや割れが生じる可能性が高くなったら、あるいは、実際に炉心管壁保護管１５に破損が生じてしまったら、炉心管壁保護管１５を新しい保護管に交換する。これにより、炉心管１１の交換を必要とせずに継続的に熱拡散炉１０による熱拡散処理を行うことができる。

なお、炉心管１１内の一部のガスは、炉心管壁保護管１５の外面と炉心管１１の内壁との隙間に充満あるいは通過することとなるが、大半のガスは炉心管壁保護管１５の内部を通過するため、過剰不純物の堆積及び結晶化はほとんど炉心管壁保護管１５の内面において生じることとなり、炉心管１１に堆積する不純物は極僅かであるかほとんど無い。従って、そのような僅かな隙間があってもこれにより炉心管１１が破損する可能性はほとんど無い。

このように、本実施形態の熱拡散炉１０においては、炉心管１１の内部の炉口１１２の近傍に炉心管壁保護管１５を配設することにより、この領域における余剰不純物の堆積及び結晶化を炉心管壁保護管１５の表面で生じるようにしている。その結果、炉心管１１の本管には不純物がほとんど堆積せず、熱拡散処理開始前の初期状態を維持することができる。その結果、不純物の堆積、結晶化により炉心管１１にひびや割れが生じて破損する可能性を極低くすることができ、炉心管１１の寿命（耐用期間）を大幅に延長することができる。また、炉心管１１を頻繁に交換する必要も無いので、熱拡散炉１０を用いた不純物の拡散等の処理の効率、すなわち半導体用ウエーハ（基板）の生産効率を向上させることができる。

また、炉心管壁保護管１５に対する余剰不純物の堆積及び結晶化が進行した場合には、炉心管壁保護管１５を交換するのみで対策が完了する。炉心管壁保護管１５は、炉心管１１に対して容易に嵌挿可能な構成となっているので、炉心管壁保護管１５の交換も、時間を費やすことなく非常に容易に行うことができる。従って、この点においても熱拡散炉１０の利用効率を向上させることができる。すなわち半導体用ウエーハ（基板）の生産効率を向上させることができる。
また、このような効果により、製造される半導体用基板あるいは半導体デバイスの製造コストを低減することができる。

最後に、炉心管壁保護管１５を装着した熱拡散炉１０において不純物の熱拡散処理を行った場合の炉心管１１の寿命、及び、炉心管壁保護管１５を装着した熱拡散炉１０において製造したウエーハＷの不良率についての計測結果を図５に示す。
図５は、熱拡散炉１０の炉心管１１の寿命を示すグラフである。
図５は、Ａ炉〜Ｄ炉の４つの熱拡散炉の炉心管本体の寿命（処理バッチ数）及び保護管を用いない場合の平均の炉心管の寿命（処理バッチ数）を示す図であり、各々、その寿命中における保護管無しでの処理バッチ数、１個目の保護管を装着しての処理バッチ数及び２個目の保護管を装着しての処理バッチ数を明示したものである。

図５に示すように、保護管を装着しないで処理した場合（ＲＥＦ）は、平均約２００回の処理で炉心管が寿命となっている。なお、この時の使用不能となる（寿命となる）原因のほとんどは、炉心管の割れであった。
Ａ炉、Ｂ炉及びＤ炉は、当初は保護管を装着しないで処理を行った後、途中から保護管を装着して処理を行った炉である。Ｄ炉においては、１個目の保護管を装着して運用している間に炉心管が寿命となっているが、Ａ炉及びＢ炉においては、２個目の保護管を装着して運用している際に炉心管が寿命となっている。図示のごとく、これらいずれの炉においても、全く保護管を装着せずに運用した場合と比較して、炉心管の寿命は延びている。特に、Ｂ炉については、３００回のバッチ処理を行えており、全く保護管を装着しない場合と比較して寿命が１．５倍に延びている。これらの結果から、保護管の装着は炉心管の寿命の延長に有効であることがわかる。

またＣ炉は、当初より保護管を装着して運用している炉であり、１個目の保護管で３００回近い処理が行えており、さらに２個目の保護管で１５０回近い処理が行えており、全体として約４５０回のバッチ処理が行えている。すなわち、全く保護管を装着しない場合の２．５倍に炉心管の寿命が延びている。この結果から、保護管の装着が炉心の寿命の延長に著しく有効であることがわかるとともに、当初から保護管を用いて運用することで、より炉心管を有効に保護することができることがわかる。
なお、Ｃ炉の炉心管の寿命は、炉心管の割れによるものではなく、炉心管の内部天井から付着物が突出してきた（たれてきた）ために、大径のウエーハＷの処理が不可能になったことが原因である。従って、Ｃ炉のように当初より保護管を装着して運用することにより、不純物の結晶化に起因して炉心管の寿命が短くなるという問題については、実際的に問題とならない状態に克服できたと言える。

なお、本実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって本発明を何ら限定するものではない。本実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含み、また任意好適な種々の改変が可能である。

例えば、熱拡散炉１０において行う不純物を拡散する処理は、半導体デバイスの製造工程における任意の工程に適用可能であり、特定に工程に限られるものではない。例えばパターンの形成されていないシリコンウエーハの全面にアンチモン（Ｓｂ）等の不純物を拡散させて、ウエーハの全面に活性層を形成する処理に適用してもよいし、あるいは、既にパターン、素子が形成されたウエーハに対して、さらに所望の領域に選択的にドーパントを熱的に拡散させるプロセスに適用してもよい。例えば予めｎ型不純物やｐ型不純物となるドーパントをイオン注入により打ち込んでおいたウエハＷに対して熱拡散を行う拡散炉にも適用することができる。

また、炉心管壁保護管１５及びウエーハＷを搭載するボート１３の材質は、本実施形態においては石英製としたが、カーボンあるいは炭化珪素（ＳｉＣ）等の他の材料でもよい。

図１は、本発明の一実施形態の熱拡散炉の構成を模式的に示す図である。 図２は、図１に示した熱拡散炉の炉心管壁保護管の構造を示す図であり、図２（Ａ）は斜視図であり、図２（Ｂ）は側面図である。 図３は、図１に示した熱拡散炉の炉口近傍の構成を詳細に示す図である。 図４は、図１に示した熱拡散炉のシャッター及びスカベンジャーの構造を示す図であり、図１の視点Ａから見た図である。 図５は、図１に示した熱拡散炉の寿命を計測した結果を示すグラフである。 図６は、従来の熱拡散炉の構成を模式的に示す図である。

符号の説明

１０，９０…熱拡散炉
１１，９１…炉心管
１１１，９１１…ガス供給口
１１２，９１２…炉口
１２，９２…ヒーター
１３，９３…ボート
１５…炉心管壁保護管
１６，９６…シャッター
１６１…排気口
１７，９７…スカベンジャー
１７１…排気シャッター
１７２…排気管
１７３…オートドア
Ｗ…ウエーハ
Ｘ…不純物

Claims (3)

1. 処理対象の基板を収容する炉心管と、
   前記炉心管の周囲から当該炉心管の内部を加熱する加熱装置と、
   前記炉心管の炉口近傍に嵌挿された管状部材であって、当該炉口近傍の前記炉心管の内壁を保護する炉心管壁保護管と
   を有することを特徴とする熱拡散炉。
2. 前記炉心管壁保護管は、前記炉心管の前記炉口近傍の前記加熱装置により加熱が行われない区間を少なくとも含むように前記炉心管の内部に配置されることを特徴とする請求項１に記載の熱拡散炉。
3. 基板を収容する炉心管と、前記炉心管の周囲から当該炉心管の内部を加熱する加熱装置と、前記炉心管の炉口近傍に嵌挿された管状部材であって当該炉口近傍の前記炉心管の内壁を保護する炉心管壁保護管とを有する熱拡散炉に基板を投入し、当該基板に所望の不純物の熱拡散を行う工程を含むことを特徴とする半導体用基板の製造方法。
   

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