JP2007035973A - 半導体装置の製造方法及び研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＭＰ研磨に関し、ドレッサーによる研磨布の磨耗を防ぎ、かつ確実にコンディショニングを行なう。
【解決手段】研磨布１の表面に加圧された水蒸気を噴射してコンディショニングする。この水蒸気の湿り度、圧及び温度を、噴射後に湿り水蒸気となるように制御する。例えば、圧を１〜６ｋｇ／ｃｍ² 、温度を１００〜１３０℃とする。さらに、水蒸気に砥粒を溶解する薬液又はＣＭＰ用のスラリーを混合することもできる。この方法を実行するための研磨装置は、下面に水蒸気を噴射する噴射孔を備えた蒸気噴射管１１と、噴射孔近傍に設けられた蒸気回収用の回収孔を下面に備えた蒸気回収管１５とを、研磨布１上面に保持する。高温の水蒸気と噴流とにより研磨布１表面の砥粒等が溶解又は吹き飛ばされて清浄化する。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体基板をスラリーが供給されている研磨布の表面に押圧して化学的機械的研磨（ＣＭＰ）を行なう半導体装置の製造方法及び研磨装置に関し、とくに研磨布の磨耗及び傷みが少ない研磨布のコンディショニングに関する。

化学的機械的研磨は、半導体基板、例えばシリコンウエーハを研磨する技術又はシリコンウエーハ上に形成された素子、配線及び絶縁膜からなる積層の表面を、欠陥を導入することなく平坦化できる技術として半導体装置の製造工程で広く使用されている。

この化学的機械的研磨は、回転する研磨布（ポリッシングパッド）上に砥粒を含むスラリーを供給し、研磨布の表面に被研磨材である半導体基板を押圧して研磨する。このとき、固化したスラリーや砥粒、研磨布の微細な破片あるいは研磨屑等の微細な破片により研磨布が目詰りを起こし、研磨速度が低下してしまう。このため、研磨布の研磨速度を回復するコンディショニングが施される。

従来のコンディショニングは、ドレッサー、例えばダイヤモンドディスクからなるドレッサーで研磨布表面を研削することが一般的である。しかし、ドレッサーを用いると研磨布の表面が磨耗するので研磨布の寿命が短い。また、ドレッサー自体も磨耗するため一定回数の研磨ごとに交換する必要がある。このため、研磨布やドレッサーの交換作業に時間がかかり、生産性の低下及びコストの上昇を招来している。

さらに、コンディショニング工程から次ぎの研磨工程の間に研磨布表面が乾燥して、被研磨材である半導体基板の研磨面に研磨傷を生ずることがある。この研磨傷は、生産歩留りを低下させコスト上昇の要因となる。

かかる研磨布の磨耗を抑制しかつ研磨布の乾燥を防止するため、研磨布上に洗浄液を供給しつつ回転ブラシを研磨布表面に当ててドレッシングするとともに、プラテンを内側下り勾配とし、ドレッシング後プラテンの回転が停止しているときはプラテン上面に洗浄液が溜まり研磨布の乾燥を防止する方法が考案された（例えば特許文献１参照。）
また、研磨粒子を溶解させるドレッシング液を研磨布上に供給してブラッシングするとともに、ドレッシングに際して研磨布表面を薬液で親水性にすることでドレッシング後の乾燥を防止する方法が考案されている（例えば特許文献２参照。）。

さらに、研磨装置の筐体内を水蒸気で湿潤することで研磨布の乾燥を防止する方法も考案されている（例えば特許文献３参照）。

一方、研磨面に残留するスラリー残渣の洗浄に、水蒸気を用いる方法が開示されている（例えば特許文献４参照。）。この方法では、圧力が１．０５〜６．０５Ｋｇ／ｃｍ² 、温度が１００〜１６０℃の飽和又は乾き水蒸気を被研磨材の研磨面に供給して洗浄する。このとき、乾燥蒸気を供給して研磨面を常に乾燥状態に保つことで研磨面に水滴が残らないようにし、ウオータマークの発生を完全に回避する。

しかし、かかるウオータマークの発生が回避される条件では、水蒸気に暴露された被洗浄物は直ちに乾燥してしまう。このため、乾燥を防がなければならない研磨布のコンディショニングに用いることができない。
特開平６−１９０７１４号公報 特開２０００−１７３９５８号公報 特開２００２−１９８３４０号公報 特開２００１−２５２６３１号公報

上述したように、従来のドレッサーによる研磨布のコンディショニングでは、研磨布及びドレッサーの磨耗が激しくこれを頻繁に交換しなければならず生産性の低下及びコストの上昇を招いていた。また、コンディショニングの後に研磨布の表面が乾燥して、半導体基板の研磨面に研磨傷を発生することがある。

また、ブラシと薬液を用いて洗浄する方法では、洗浄能力に限界がある。また、コンディショニング後の乾燥を防止するために特別の薬品処理や特殊な装置を必要とし、コスト上昇の要因となる。

水蒸気により洗浄する方法は優れた洗浄能力を有するが、従来の方法では洗浄面を常に乾燥させるため、これを研磨布のコンディショニングに適用すると研磨布の表面が乾燥してしまいその後の研磨工程で研磨傷が発生するという問題がある。

本発明は、優れた洗浄能力を有する水蒸気を用いて研磨布をコンディショニングすることで研磨布の磨耗を回避するとともに、研磨布の乾燥を防止することができるコンディショニング方法及び研磨装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の構成では、研磨布の表面に加圧された水蒸気を噴射して、研磨布をコンデショニングする。

この構成では、研磨布表面に加圧された水蒸気を噴射することで、研磨布表面に固着して目詰りを起こす微細な破片、例えば固化したスラリー若しくは砥粒、又は、研磨布若しくは研磨屑の微細な破片等を、高温の水又は水蒸気に溶解する又は蒸気の噴流で吹き飛ばす。この結果、研磨布表面の微細な破片が除去され、研磨布の研磨能力が回復する。

従って、研磨布表面を磨耗することなくコンディショニングがなされるので、研磨布の寿命が長く研磨布の交換間隔も長くすることができる。また、コンディショニングにドレッサーを用いないので、ドレッサーの交換工程を省くことができる。加えて、蒸気の噴流により研磨布表面の微細な破片を吹き飛ばすから、スラリーを均一に配分する目的で研磨布の表面に溝が形成されている場合でも、その溝の中の微細な破片を簡単に吹き飛ばすことができるから、このような溝が形成された研磨布でも容易にコンディショニングすることができる。

一方、研磨布表面に噴射された加圧水蒸気は、急速に膨張して温度が低下する。また、コンディショニングに供する研磨布表面は洗浄液又はスラリーを含み濡れているので、水蒸気はこれらの液体を高温に加熱し蒸発するために多くのエンタルピーを消失する。このように、水蒸気は、研磨布に噴射された後、急速に温度を低下させかつエンタルピーを失うため、湿り水蒸気となって研磨布表面を覆う。このため、水蒸気の噴射により高温にされた研磨布の表面近傍は湿り水蒸気で覆われるので、研磨布表面の乾燥が阻止される。なお、水蒸気が噴射された研磨布表面に存在していた液体は、水蒸気の噴射により水蒸気温度に近い温度まで加熱される。このため、研磨布表面の微細な破片は急速にその液体ないし湿り水蒸気に溶解してコンディショニングが進行する。

上記第１の構成では、水蒸気は、湿り水蒸気であっても乾き水蒸気であってもよいが、研磨布表面に噴射されたのちは湿り水蒸気又は飽和水蒸気になる必要がある。即ち、噴射直後に乾き水蒸気であっても、少なくとも研磨布表面が乾燥する前に湿り水蒸気になっていることが必要である。これにより、コンディショニング中の又は後の研磨布の乾燥が回避される。

かかる研磨布表面の乾燥防止の観点から、水蒸気は飽和水蒸気又は湿り水蒸気とすることが好ましい。また、研磨布表面の温度上昇を抑制して乾燥を防止するという観点から、水蒸気の温度は１３０℃以下が好ましい。一方、高温にしてコンディショニングを進行させるという観点から、１００℃以上とすることが好ましい。また、噴流で研磨布表面の微細な破片を除去するという観点から、水蒸気圧は１ｋｇ／ｃｍ² 以上あることが好ましい。一方、研磨布を乾燥させないように水蒸気の温度を低くするという観点からは、蒸気圧は６ｋｇ／ｃｍ² 以下であることが好ましい。

さらに、上記第１の構成において、スラリーに含まれる砥粒を溶解する薬液を、水蒸気に混合することができる。これにより、研磨布表面に固着した微細な破片を急速に溶解することができるので、確実にコンディショニングを行なうことができる。かかる薬液として、例えば、砥粒がシリカ又はアルミナからなるとき、薬液をシリカ又はアルミナを溶解するアルカリ系薬液を用いることができる。

本発明の第２の構成は、化学的機械的研磨を行なう研磨装置に関し、蒸気発生装置で発生させた加圧された水蒸気を、噴射孔から研磨布の表面に噴射する蒸気噴射管と、この噴射孔に近設された回収孔を備え、研磨布の表面に噴射された水蒸気を回収孔から吸気して回収する蒸気回収管とを備える。

この第２の構成による研磨装置では、噴射孔から研磨布表面に噴射された水蒸気を、その噴射孔に近接する回収孔から吸気して回収する。このため、研磨布表面の微細な破片を溶解して汚染された水蒸気を、研磨布表面に拡散することなく回収することができる。従って、研磨布の汚染が少ないコンディショニングを実現することができる。

本発明によれば、優れた洗浄能力を有し、研磨布の磨耗が少なくかつ研磨布の乾燥が防止されるコンディショニング方法を提供できるので、研磨布の交換期間が長くなり又研磨工程の不良発生も抑制され、半導体装置の製造工程の作業時間の短縮及び製造コストの削減に寄与するところが大きい。

図１は本発明の実施形態による研磨装置構成図であり、研磨装置のプラテン周辺の主要な構造を表している。なお、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡＢ断面図である。

図１を参照して、本実施形態の研磨装置は、垂直な回転軸２ａ廻りに上面が水平面内で回転するプラテン２を有し、そのプラテン２上面に研磨布１が貼付されている。プラテン２上方に、回転軸３ａ廻りに回転又は回動する円盤状の上板３ｃを有するヘッド３が備えられ、その上板３ｃの下面にリテーナリング３ｅ及びメンブレン３ｄが設けられている。ウエーハ４（半導体基板）はメンブレン３ｄ下面に真空吸着されてヘッド３下面に保持される。リテーナリング３ｅは、ウエーハ４をそのリテーナリング３ｅ内部に保持し、ヘッド３の外へ飛び出すことを防止する。

研磨時に、ヘッド３はプラテン２上方（破線で描かれたヘッド３の位置）から研磨布１上面に下降され、ウエーハ４を研磨布１へ押圧する。このとき、メンブレン３ｄは圧気により膨張してウエーハ４上面から研磨圧を印加する。さらに、スラリー供給器３０から研磨布１上にスラリーが供給され、ウエーハの化学的機械的研磨が行なわれる。ここで研磨装置について上述したことは、従来の研磨装置と同じである。

研磨工程が終了すると、ヘッド３を上昇して研磨布１から離し、研磨布１のコンディショニング工程を開始する。まず、プラテン２の外側に置かれていた蒸気噴射ユニット１０を、研磨布１上面に移動する。そして、蒸気噴射ユニット１０の下面を研磨布１上面に少し浮かせて、例えば２〜３ｍｍ浮かせて研磨布１上面に平行に保持する。

図２は本発明の実施形態による蒸気噴射ユニットの構成図であり、図２（ａ）は下面からみた外形を、図２（ｂ）は図２（ａ）中のＣＤ断面を、図２（ｃ）は図２（ａ）中のＥＦ断面を、図２（ｄ）は図２（ａ）中のＥＦ断面を表している。

蒸気噴射ユニット１０は、図２を参照して、内管をなす蒸気噴射管１１と外管をなす蒸気回収管１５からなる二重管構造を有し、蒸気噴射管１１は蒸気回収管１５の下辺に延在するように設けられる。これら蒸気噴射管１１及び蒸気回収管１５は図２のように断面４角の管であっても、円管であっても、その他の断面形状を有する管であってもよい。なお、蒸気噴射管１１及び蒸気回収管１５は、先端（プラテン２の中央に近い側）が封止され、後端（プラテン２の外側に位置する側）にそれぞれ給気管１３及び排気管１６が接続される。また、蒸気噴射管１１及び蒸気回収管１５は、研磨布１の半径を確実に覆うように、その先端がプラテンの中心を超える長さを有することが好ましい。

図２（ａ）、（ｂ）及び（ｄ）を参照して、蒸気噴射管１１の下辺には、蒸気噴射管１１の管軸にそって一列に噴射孔１２が開設されている。また、蒸気噴射管１１の後端に水蒸気を供給するための給気管１３が設けられている。

図２（ａ）、（ｃ）及び（ｄ）を参照して、蒸気回収管１５の下辺には、一列に開設された噴射孔１２の両側に、噴射孔１２に沿って２列の回収孔が開設されている。また、蒸気回収管１５の後端に蒸気回収管１５の内部を排気するための排気管１６が設けられている。この噴気孔１２は、蒸気噴射管１１内の水蒸気が勢いよく研磨布１に噴出するように、小径、例えば１ｍｍ径とされる。他方、回収孔１５は、膨張した水蒸気を吸引して効率よく回収できるように、大きな開口、例えば開口の長辺に沿って数個〜十数個の噴気孔１２が並ぶような矩形の開口とする。なお、回収孔１５の開口は大きすぎると蒸気回収管１５内の気圧が上昇して吸引力が低下するので、排出装置４０の排気能力を考慮して適切な大きさに定める。

図３は本発明の実施形態による水蒸気発生・排出システムの構成図であり、水蒸気発生ユニット及び排出装置を表している。

蒸気発生ユニット２０は、水蒸気、又は水蒸気に純水、薬液若しくはスラリー（以下、薬品等という。）を混合して蒸気噴射ユニットへ供給するユニットで、水蒸気の発生に関係する装置、薬品等を調合する装置および水蒸気と薬品等を混合する混合装置２５が含まれる。

蒸気発生装置２１は、純水を加熱し蒸発させて圧力１〜６ｋｇ／ｃｍ² の飽和又は湿り水蒸気を発生する。湿り度調整装置２７は、蒸気発生装置２１で発生した水蒸気の温度、圧力及び湿り度を調整して混合装置に送出する。湿り度の調整は、加湿するには等圧で冷却して温度を低くする又は等温で圧力を高くすることでなされる。あるいは、高温の水をミスト状に噴射してもよい。また、湿り度を低くするには、水蒸気の加熱、等温での水蒸気圧を低下することでなされる。

純水供給装置２２、薬液供給装置２３及びスラリー供給装置２４は、それぞれ純水、砥粒を溶解する薬液及びＣＭＰ研磨用のスラリーを供給する。薬液には、シリカ又はアルミナを溶解するアルカリ系薬液、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いることができる。

調合装置２６は、薬液供給装置２３及びスラリー供給装置２４から供給された薬液及びスラリーの一方を選択して、純水供給装置２２から供給された純水と混合し成分を調整する。

混合装置２５は、湿り度調整装置２７から送出された水蒸気に調合装置２６から供給された純水と薬液等との混合液を混合し、ミスト状の薬液等を含む水蒸気を生成する。このようにして生成された薬液等を含む水蒸気は、蒸気噴射ユニット１０の給気管１３から蒸気噴射管１１内へ送出される。もちろん、必要がなければ純水又は薬液等を水蒸気に混合しないこともできる。

排出装置４０は、蒸気噴射ユニット１０の蒸気回収管内のドレイン、薬液等を含む水蒸気を真空ポンプで吸引して排出する。

以下、コンディショニングの工程を説明する。まず、混合装置２５で生成された砥粒を溶解する薬液を含む水蒸気を、再び図１及び図２を参照して、給気管１３を介して蒸気噴射管１１内へ流入する。蒸気噴射管１１内へ流入した水蒸気は、蒸気噴射管１１の下面に設けられた噴射孔１２から研磨布１表面に噴射され、研磨布１の表面に固着している固化したスラリー、砥粒、研磨屑等の微細な破片を溶解又は吹き飛ばすことで研磨布１をコンディショニングする。

このときの水蒸気は、砥粒及び研磨屑を除去する観点から、研磨布が乾燥しない範囲で高圧、高温であることが好ましく、例えば温度１２０〜１３０℃、水蒸気圧４〜６ｋｇ／ｃｍ² とする。なお、研磨布の乾燥は研磨布の表面状態、例えば水分含有量、及び、コンディショニング中の研磨布の移動速度（回転速度）に依存するから、温度と圧力を適宜調整する。とくに、乾き水蒸気を用いる場合はかかる調整が重要である。しかし、湿り水蒸気を用いた場合は、噴射後の膨張とともに通常は湿り度が高くなるので、研磨布１が乾燥することは実用上は稀である。

研磨布１表面に噴射された後の微細な破片又はそれらを溶解した水を含む水蒸気は、蒸気回収管１５の下面に開設された回収孔１４から、内部が排気されて低圧にされている蒸気回収管１５の内部へ吸引され回収される。このため、噴射された後の微細な破片又はそれらを溶解した水を含む水蒸気は、噴射後直ちに回収孔１４から回収され、蒸気噴射ユニット１０の外側周辺への飛散が抑制されるので、コンディショニングに伴う研磨布１表面の汚染が少ない。このように、噴射された水蒸気を周囲に飛散させずに吸収するために、蒸気噴射ユニット１０と研磨布１表面との距離を適切に、例えば１〜６ｍｍに、より好ましくは１〜３ｍｍに保持する。

次いで、混合装置２５は、調合装置２６から供給されていた薬液と純水との混合液を湿り度調整装置２７から供給される水蒸気に混合することを停止し、湿り度調整装置２７から供給される水蒸気をそのまま蒸気噴射管１１へ供給する。従って、研磨布１の上面には、噴射孔から水蒸気が噴射され薬液を含む研磨屑等が除去される。この水蒸気は薬液や他の汚染物質を含まないので、研磨布１を汚染することなく清掃することができる。

この水蒸気は、研磨布１表面を乾燥させることがなければ乾き水蒸気を用いることもできる。しかし、飽和又は湿り水蒸気を用いることでより確実に乾燥を防止することができる。また、飽和又は湿り水蒸気を用いると、研磨布１の同一地点に長時間にわたり水蒸気を噴射し研磨布１表面を高温にしても、研磨布１表面を常に湿った状態に保つことができるので、高温・長時間の洗浄が可能となり優れたコンディショニングを行なうことができる。

以上の工程を経てコンディショニングを終了することもできる。この終了時には研磨布１表面は湿っており乾燥が防止されている。

コンディショニングのさらなる工程は、上記工程を経た後に、又は上記工程の薬液等を含む水蒸気を噴射する工程後に（即ち純粋な水蒸気を噴射する工程を省いて）以下の工程を続けることで行なわれる。

この工程では、スラリー供給装置２４及び純水供給装置２２から供給されるスラリー及び純水を調合装置で２６で混合して調合し、それを湿り度調整装置２７から供給される水蒸気と混合装置２５で混合して蒸気噴射管１１へ供給する。このスラリーは水蒸気と共に研磨布１表面に勢いよく噴射され、研磨布１表面をドレッシングするとともに砥粒を研磨布１全面に均一に分散させる。このため、この工程を研磨工程前の予備工程として行なうことにより、次ぎのウエーハの化学的機械的研磨の特性を一定に保つことができる。

上述した本発明の実施形態では、（１）薬液等を含む水蒸気の噴射によるコンディショニング、（２）水蒸気の噴射によるコンディショニング、及び（３）スラリーを含む水蒸気の噴射によるコンディショニングの工程を、（１）−（２）−（３）の順序で行なう方法、及び（１）−（３）の順序で行なう方法について説明したが、これに拘ることなく（１）、（２）及び（３）の工程をそれぞれ単独で行なうこともできるし、さらに任意に組み合わせることもできる。

上述した本明細書には、以下の付記記載の発明が開示されている。
（付記１）半導体基板を、スラリーが供給された研磨布の表面に押圧して化学的機械的研磨を行なう工程を有する半導体装置の製造方法において、
前記研磨布の表面に加圧された水蒸気を噴射して、前記研磨布をコンデショニングする工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記２）前記水蒸気は、飽和水蒸気又は湿り水蒸気であることを特徴とする付記１記載の半導体装置の製造方法。
（付記３）前記水蒸気の温度を１００℃以上１３０℃以下とすることを特徴とする付記１又は２記載の半導体装置の製造方法。
（付記４）前記水蒸気は、１〜６ｋｇ／ｃｍ² に加圧されていることを特徴とする付記１、２又は３記載の半導体装置の製造方法。
（付記５）前記水蒸気は、１〜６ｋｇ／ｃｍ² に加圧され、かつ１００℃以上１３０℃以下の温度を有することを特徴とする付記１記載の半導体装置の製造方法。
（付記６）前記スラリーに含まれる砥粒を溶解する薬液を、前記水蒸気に混合したことを特徴とする付記１〜５の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
（付記７）前記砥粒がシリカ又はアルミナからなり、前記薬液がシリカ又はアルミナを溶解するアルカリ系薬液であることを特徴とする付記６記載の半導体装置の製造方法。
（付記８）半導体基板を、スラリーが供給された研磨布の表面に押圧して化学的機械的研磨を行なう研磨装置において、
加圧された水蒸気を発生する蒸気発生装置と、
前記水蒸気を噴射孔から前記研磨布の表面に噴射する蒸気噴射管と、
前記噴射孔に近設された回収孔を備え、前記研磨布の表面に噴射された前記水蒸気を前記回収孔から吸気して回収する蒸気回収管とを備えたことを特徴とする研磨装置。
（付記９）前記蒸気発生器で発生された前記水蒸気と前記スラリーに含まれる砥粒を溶解する薬液とを混合して前記蒸気噴射管へ供給する混合装置を備えることを特徴とする付記８記載の研磨装置。

本発明は、半導体基板を化学的機械的研磨する研磨装置のコンディショニングに適用することで、半導体装置の製造コストを低減し，また半導体装置の製造歩留りを向上することができる。

本発明の実施形態による研磨装置構成図。 本発明の実施形態による蒸気噴射ユニットの構成図 本発明の実施形態による水蒸気発生・排出システムの構成図

符号の説明

１ 研磨布
２ プラテン
２ａ 回転軸
２ｂ 回転方法
３ ヘッド
３ａ 回転軸
３ｂ 回転方向
３ｃ 上板
３ｄ メンブレン
３ｅ リテーナリング
４ ウエーハ
１０ 蒸気噴射ユニット
１１ 蒸気噴射管
１２ 噴射孔
１３ 給気管
１４ 回収孔
１５ 蒸気回収管
１６ 排気管
２０ 蒸気発生ユニット
２１ 蒸気発生装置
２２ 純水供給装置
２３ 薬液供給装置
２４ スラリー供給装置
２５ 混合装置
２６ 調合装置
２７ 湿り度調整装置
３０ スラリー供給器
４０ 排出装置

Claims (5)

1. 半導体基板を、スラリーが供給された研磨布の表面に押圧して化学的機械的研磨を行なう工程を有する半導体装置の製造方法において、
   前記研磨布の表面に加圧された水蒸気を噴射して、前記研磨布をコンデショニングする工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記水蒸気は、１〜６ｋｇ／ｃｍ² に加圧され、かつ１００℃以上１３０℃以下の温度を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記スラリーに含まれる砥粒を溶解する薬液を、前記水蒸気に混合したことを特徴とする請求項１、２又は３記載の半導体装置の製造方法。
4. 半導体基板を、スラリーが供給された研磨布の表面に押圧して化学的機械的研磨を行なう研磨装置において、
   加圧された水蒸気を発生する蒸気発生装置と、
   前記水蒸気を噴射孔から前記研磨布の表面に噴射する蒸気噴射管と、
   前記噴射孔に近設された回収孔を備え、前記研磨布の表面に噴射された前記水蒸気を前記回収孔から吸気して回収する蒸気回収管とを備えたことを特徴とする研磨装置。
5. 前記蒸気発生器で発生された前記水蒸気と前記スラリーに含まれる砥粒を溶解する薬液とを混合して前記蒸気噴射管へ供給する混合装置を備えることを特徴とする請求項５記載の研磨装置。

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