JP2007103715A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体チップを絶縁膜中に埋め込んでなるSiP形態の半導体装置において、半導体チップに接続されている再配線の微細化が実現できる半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】電子回路が設けられた半導体を含んでパッケージ化された半導体装置であって、電子回路が形成された半導体本体(10a,10b)と半導体本体上に形成されたパッド電極(11a,11b)とを有する半導体チップ(1a,1b)が、パッド電極の形成面の裏面側から基板20にマウントされており、半導体チップを埋め込んで第1絶縁層22が形成されており、第1絶縁層を貫通してパッド電極に接続するように第1絶縁層の上層に第1配線(23,25)が形成されており、第1配線の表面の高さHが一定に加工されている構成とする。
【選択図】図1

Description

本発明は半導体装置及びその製造方法に関し、特に、ウェハレベルでパッケージ化されたシステムインパッケージ(SiP)と呼ばれる形態の半導体装置及びその製造方法に関するものである。
デジタルビデオカメラ、デジタル携帯電話、あるいはノートパソコンなど、携帯用電子機器の小型化、薄型化、軽量化に対する要求は強くなる一方であり、これに応えるために近年のVLSIなどの半導体装置においては3年で7割の縮小化を実現してきた一方で、このような半導体装置をプリント配線基板上に実装した電子回路装置としても、実装基板(プリント配線基板)上の部品の実装密度をいかに向上させるかが重要な課題として研究及び開発がなされてきた。
例えば、半導体装置のパッケージ形態としては、DIP(Dual Inline Package)などのリード挿入型から表面実装型へと移行し、さらには半導体チップのパッド電極にはんだや金などからなるバンプ(突起電極)を設け、フェースダウンでバンプを介して配線基板に接続するフリップチップ実装法が開発された。
さらに、半導体基板(チップ)に接続して形成される配線(再配線とも称する)を絶縁する絶縁層の層間に、能動素子を含む電子回路などが形成された半導体チップや、静電容量素子及びコイルなどの受動素子が埋め込まれ、ウェハレベルでパッケージ化されたシステムインパッケージ(SiP)と呼ばれる複雑な形態のパッケージへと開発が進んでいる。
上記のSiPの構成や製造方法は、例えば特許文献1〜3に開示されている。
上記の能動素子を有する半導体チップが絶縁層中に埋め込まれているタイプのウェハレベルSiPの製造方法としては、例えば、基板上に半導体チップを搭載し、スピンコートもしくは印刷などで感光性の樹脂で半導体チップを埋め込んで絶縁層を形成し、得られた絶縁層を露光及び現像によりパターニングして半導体チップのパッド電極を開口し、メッキ処理などで開口部内に導電層を埋め込んで再配線層を形成する。
上記のSiPの製造方法では、半導体チップを埋め込んでいる樹脂からなる絶縁層を形成する工程において、50μm以上の厚さで絶縁層の形成を行うには高粘度の樹脂が必要でスピンコートの1回の塗布での膜厚は最大100μmが限界であり、例えば数100μmの半導体チップの板厚に合わせて絶縁層を厚く形成する場合には、1回塗布するごとに仮乾燥を行い、1度目の層が2度目の塗布工程で溶解するのを防止して膜厚を確保する必要がある。
上記のようにして厚い半導体チップを樹脂の絶縁層で埋め込んだ工程の後、半導体チップのパッド電極を開口するようにパターニングするための露光工程において、露光量は露光すべき樹脂絶縁膜の膜厚に応じて大きくしなければならない。この結果、露光量を大きくすることに起因してパターン潰れが発生してしまい、安定したパターニングを行うことが困難となる。
上記の理由により、安定したパターニングを行うためには樹脂層の膜厚は制限され、これを実現するために埋め込む半導体チップの板厚を50μm程度にまで薄型化する必要がある。
上記の構成において、樹脂絶縁膜中に半導体チップを埋め込んだ領域と埋め込んでいない領域とでは樹脂絶縁膜表面の段差は、樹脂絶縁膜が70μm程度の膜厚の場合、15〜20μm程度となる。このため、後工程で形成する再配線の段切れを防止するにはメッキ用レジストの膜厚は10〜20ミクロン塗布する必要があり、従ってレジストの解像度は30μmが限界となってしまう。
従って、更なる微細な再配線形成のため、再配線形成時のメッキ用レジストの薄膜化を実現することが必要となっている。
特開2005−175402号公報 特開2005−175320号公報 特開2005−175319号公報
本発明の目的は、半導体チップを絶縁膜中に埋め込んでなるSiP形態の半導体装置において、半導体チップに接続されている再配線の微細化が実現できる半導体装置及びその製造方法を提供することである。
上記の課題を解決するため、本発明の半導体装置は、電子回路が設けられた半導体を含んでパッケージ化された半導体装置であって、基板と、前記電子回路が形成された半導体本体と、前記半導体本体上に形成されたパッド電極とを有し、前記パッド電極の形成面の裏面側から前記基板にマウントされた半導体チップと、前記半導体チップを埋め込んで形成された第1絶縁層と、前記第1絶縁層を貫通して前記パッド電極に接続し、前記第1絶縁層の上層に形成され、表面の高さが一定に加工された第1配線とを有する。
上記の本発明の半導体装置は、電子回路が設けられた半導体を含んでパッケージ化された半導体装置であって、電子回路が形成された半導体本体と半導体本体上に形成されたパッド電極とを有する半導体チップが、パッド電極の形成面の裏面側から基板にマウントされており、半導体チップを埋め込んで第1絶縁層が形成されており、第1絶縁層を貫通してパッド電極に接続するように第1絶縁層の上層に第1配線が形成されている。ここで、第1配線は表面の高さが一定に加工されている。
また、上記の課題を解決するため、本発明の半導体装置の製造方法は、電子回路が設けられた半導体を含んでパッケージ化された半導体装置の製造方法であって、基板に、前記電子回路が形成された半導体本体と、前記半導体本体上に形成されたパッド電極とを有する半導体チップを、前記パッド電極の形成面の裏面側からマウントする工程と、前記半導体チップを埋め込んで第1絶縁層を形成する工程と、前記パッド電極に達する開口部を前記第1絶縁層に形成する工程と、前記開口部を埋め込んで前記第1絶縁層の上層に第1配線を形成する工程と、前記第1配線の表面の高さを一定に加工する工程とを有する。
上記の本発明の半導体装置の製造方法は、基板に、電子回路が形成された半導体本体と、半導体本体上に形成されたパッド電極とを有する半導体チップを、パッド電極の形成面の裏面側からマウントする。
次に、半導体チップを埋め込んで第1絶縁層を形成する。
次に、パッド電極に達する開口部を第1絶縁層に形成し、開口部を埋め込んで第1絶縁層の上層に第1配線を形成する。
次に、第1配線の表面の高さを一定に加工する。
本発明の半導体装置は、半導体チップを絶縁膜中に埋め込んでなるSiP形態の半導体装置において、半導体チップを埋め込む絶縁層上に半導体チップに接続して形成された第1配線の表面の高さが一定に加工されているので、その上層に形成される再配線形成時のメッキ用レジストの薄膜化を可能にし、これによって半導体チップに接続される再配線の微細化が実現できる。
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体チップを絶縁膜中に埋め込んでなるSiP形態の半導体装置の製造方法において、半導体チップを埋め込む絶縁層上に半導体チップに接続して形成された第1配線の表面の高さを一定に加工する工程を有しており、その上層に形成する再配線形成時のメッキ用レジストの薄膜化を可能にし、これによって半導体チップに接続される再配線の微細化が実現できる。
以下に、本発明の半導体装置及びその製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係る半導体装置の模式断面図である。
例えば、シリコンからなる半導体基板20上に、酸化シリコンなどの絶縁膜21が形成されており、その上層に、例えばトランジスタなどの能動素子を含む電子回路が形成されたシリコンからなる、例えば2個の半導体チップ(1a,1b)がダイアタッチフィルム13によりマウントされている。
半導体チップ(1a,1b)は、それぞれ、例えば、電子回路が形成された半導体本体(10a,10b)の表面にパッド電極(11a,11b)が形成されており、パッド電極(11a,11b)を開口するように保護絶縁膜(12a,12b)が形成されている構成である。
例えば、上記の2個の半導体チップ(1a,1b)の半導体本体(10a,10b)の板厚は、それぞれ50μm程度となっている。
上記の半導体チップ(1a,1b)を被覆して、感光性樹脂からなる第1絶縁層22が形成されている。
第1絶縁層22には、半導体チップ(1a,1b)のパッド電極(11a,11b)を露出する開口部が形成されている。
上記の第1絶縁層22の開口部内及び第1絶縁層22の上層に、パッド電極(11a,11b)に接続して、シード層23及び銅層25からなる第1配線が形成されている。
上記の第1配線は、表面の高さHが一定に加工されている。
第1配線を被覆して、第1絶縁層22の上層に第2絶縁層26が形成されており、第2絶縁層26には第1配線に達する開口部が形成されている。
第2樹脂層26の開口部内及び第2絶縁層26上に、第1配線に接続して、シード層27及び銅層29からなる第2配線が形成されている。
第1絶縁層22と第2絶縁層26が積層した絶縁層上において、第2配線に接続して導電性ポスト31が形成されている。
また、導電性ポスト31の外周部において、第1絶縁層22と第2絶縁層26が積層した絶縁層上に形成され、半導体装置が実装基板に実装されたときに発生する応力を緩和する絶縁性のバッファ層32が形成されている。
さらにバッファ層32の表面から突出するように導電性ポスト31に接続してバンプ(突起電極)33が形成されている。
上記のようにして、第1配線の上層に第2樹脂層26及びバッファ層32が積層して上層絶縁層が形成されており、半導体チップ(1a,1b)のパッド電極(11a,11b)に接続している第1配線に接続し、上層絶縁層中に埋め込まれて第2配線及び導電性ポスト31などの上層配線が形成されている。
上記の本実施形態の半導体装置は、半導体チップを絶縁膜中に埋め込んでなるSiP形態の半導体装置において、半導体チップを埋め込む絶縁層上に半導体チップに接続して形成された第1配線の表面の高さが一定に加工された構成となっており、その上層に形成される再配線(第2配線)形成時のメッキ用レジストの薄膜化を可能にし、これによって半導体チップに接続される再配線(第2配線)の微細化が実現できる。
上記の第1、第2配線あるいはさらに積層させた配線の一部は、静電容量素子やインダクタンスなどの受動素子を構成していることができる。例えばこれらの受動素子を組み合わせることで、例えばLPF(Low Pass Filter)、BPF(Band Pass Filter)あるいはHPF(High Pass Filter)などを構成することができ、また、これらと電子回路に設けられた能動素子との組み合わせで、いわゆるSiP形態の半導体装置を構成することができる。
次に、上記の本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
まず、図2(a)に示すように、例えば、φ200mm、0.725mm厚の半導体ウェハ10wにトランジスタなどの能動素子を含む電子回路を形成し、電子回路に接続するパッド電極11と、パッド電極11を開口し、電子回路を被覆するように保護絶縁膜12を形成する。
次に、図2(b)に示すように、例えば、半導体ウェハ10wの裏面を#2000のホイールで研削して薄型化し、例えば50μm程度の板厚とする。
次に、図2(c)に示すように、例えば、半導体ウェハ10wの裏面にダイアタッチフィルム13をラミネートして張り合わせる。ラミネート条件は、例えばスピード1m/分、圧力10N/cm、温度65℃とする。
次に、図2(d)に示すように、半導体ウェハ10wをダイシングして所定形状の半導体チップ1とする。ダイシングの条件は、例えば、スピンドル回転数4000rpm、送りスピード10mm/秒とする。
以上のようにして、本実施形態の半導体装置に内蔵する、半導体本体10の表面にパッド電極11が形成されており、パッド電極11を開口するように保護絶縁膜12が形成されている構成の半導体チップ1を形成する。得られる半導体チップの板厚は、上記のように数10μm程度となっている。
次に、図3(a)に示すように、表面に酸化シリコンなどの絶縁膜21が形成されたウェハ状態の基板20上に、基板20に予め形成されているアライメントマークを認識して、上記のようにして形成した2個の半導体チップ(1a,1b)をフェイスアップでダイアタッチフィルム13の熱圧着によりマウントする。熱圧着条件は、例えば、荷重1.6N、温度160℃、時間2秒とする。
上記の2個の半導体チップ(1a,1b)は、それぞれ、半導体本体(10a,10b)の表面にパッド電極(11a,11b)が形成されており、パッド電極(11a,11b)を開口するように保護絶縁膜(12a,12b)が形成された構成である。
半導体チップ(1a,1b)の半導体本体(10a,10b)の板厚は、例えば50μmとする。
次に、図3(b)に示すように、例えば、ポリイミド系、フェノール系、エポキシ系の感光性樹脂の粘度を上げて、スピンコート法などで10μm程度の膜厚で半導体チップ(1a,1b)が全面に被覆されるように塗布して、第1絶縁膜22を形成する。この状態で、半導体チップの有無に起因して生じる最も薄い層が半導体チップの厚さより15μm以上厚い状態となる。
例えば、感光性ポリイミドをスピンコート法で形成する場合、(1000rpm,30秒)+(2000rpm,40秒)+(1000rpm,10秒)+(1500rpm,10秒)の塗布条件で行い、プリベークとして(90℃,120秒)+(100℃,120秒)の熱処理を行う。
さらに、例えば、露光及び現像を行って、第1絶縁層22に、半導体チップ(1a,1b)のパッド電極(11a,11b)を開口する開口部を開口する。この露光は、例えば露光量125mJ/cmで行う。
上記の第1絶縁層22のパターニングの後、第1絶縁層22の硬化処理を行う。
次に、図3(c)に示すように、例えば、スパッタリング法により、第1絶縁層22に形成された開口部の内壁面を被覆して、例えばTiを600nm、続いてCuを600nmの膜厚でそれぞれ堆積させ、次工程における電解メッキ処理のシード層23を形成する。
次に、図4(a)に示すように、例えば、フォトリソグラフィー工程により、第1絶縁層22に形成された開口部及び第1配線形成領域を開口するパターンのレジスト膜24を形成する。
次に、図4(b)に示すように、例えば、シード層23を一方の電極とする電解メッキ処理により、レジスト膜24の形成領域を除く領域に銅を成膜し、所定の配線回路パターンの銅層25を形成する。銅のメッキは、例えば1.5ASD(1.5A/dm)の条件とする。
銅層の膜厚は最大で100μmとし、半導体チップ(1a,1b)のパッド電極(11a,11b)が100μm□程度である場合、第1配線のアスペクト比が1.0以下となるようにする。
次に、図4(c)に示すように、半導体チップの有無に起因する第1配線の表面の高さのばらつきを一定にするために第1配線及びレジスト膜24の上面から15μm程度研削あるいは切削して、第1配線の高さHを一定に加工する。
次に、図5(a)に示すように、例えば、溶剤処理などによりレジスト膜24を剥離する。これにより、表面の高さHが一定に加工された第1配線が第1絶縁膜22上に凸に形成された状態となる。
上記の銅層の研削または切削時には銅の飛び散りが発生するが、上記のレジスト膜の剥離除去により、飛び散った銅も一緒に除去されて銅の混入が抑制されるので、第1配線間などの短絡を防止することができる。
次に、図5(b)に示すように、銅層25をマスクとしてウェットエッチングなどを行い、各銅層25間におけるシード層23を除去する。
これにより、シード層23及び銅層25からなる第1配線が形成される。
次に、図5(c)に示すように、第2絶縁層26を、例えばスピンコート法、CVD法あるいは印刷法などで形成する。感光性ポリイミドをスピンコート法により形成する場合、例えば、(7000rpm,25秒)+(1000rpm,125秒)+(1000rpm,10秒)+(1500rpm,10秒)の塗布条件で行い、プリベークとしては、(60℃,240秒)+(90℃,240秒)+(110℃,120秒)の熱処理を行って、第1配線を被覆して78μmの膜厚の第2絶縁層26とする。
さらに、上記のように形成した第2絶縁層26に対して、露光量300mJ/cmの露光条件でパターン露光及び現像を行い、第1配線を露出させる開口部を形成する。
次に、図6(a)に示すように、例えば、スパッタリング法などで第2絶縁層26に形成された開口部の内壁面を被覆して、160nmのTiと600nmのCuを積層してシード層27を形成する。
次に、図6(b)に示すように、例えば、フォトリソグラフィー工程により、第2絶縁層26に形成された開口部及び第2配線形成領域を開口するパターンのレジスト膜28を形成する。
上記のレジスト膜の膜厚は、第1配線の表面の高さを一定に加工した効果により、10μm以下で形成することが可能となり、解像度は例えばL/S=10/10μm程度である。
次に、図6(c)に示すように、例えば、シード層27を一方の電極とする電解メッキ処理により、レジスト膜28の開口部内に所定の配線回路パターンの銅層29を形成する。電解メッキ処理の電流密度は1.5ASD(1.5A/dm)で400mA/50分とする。
次に、図7(a)に示すように、例えば、溶剤処理などによりレジスト膜28を剥離する。シード層27は、次工程で導電性ポストを形成する電解メッキ処理工程においても用いるので、エッチングせずにおく。
次に、図7(b)に示すように、例えば、フォトリソグラフィー工程により導電性ポストの形成領域を開口するパターンでレジスト膜30をパターン形成する。
次に、図8(a)に示すように、例えば、シード層27を一方の電極とする電解メッキ処理により、第2配線に接続するように、銅からなる導電性ポスト31を形成する。銅からなる導電性ポスト31の径は250μm、高さは80μmとする。
次に、図8(b)に示すように、例えば、溶剤処理などによりレジスト膜30を除去し、さらに導電性ポスト31及び銅層29をマスクとしてウェットエッチングなどを行い、各銅層29間におけるシード層27を除去する。
次に、図9(a)に示すように、例えば、印刷法あるいはモールド法により、導電性ポスト31の外周部において第2絶縁層26の上層に、エポキシ系、ポリイミド系、シリコーン系などの樹脂からなり、半導体装置が実装基板に実装されたときに発生する応力を緩和する絶縁性のバッファ層32を形成する。
ポリイミド系樹脂の場合には、印刷法によりNV値27.5のペーストを使用し、スキージで印刷を行うことで形成する。硬化は(100℃,10分)+(150℃,10分)+(200℃,10分)+(250℃,60分)の熱処理で行う。
次に、図9(b)に示すように、例えば、バッファ層32の上面から研削を行い、導電性ポスト31の頂部を露出させる。条件は、例えば#600のホイールを用いて3500rpm,0.5mm/秒とする。
次に、図10(a)に示すように、例えば、露出した導電性ポスト上にはんだボールまたははんだペーストにてバンプ(突起電極)33を形成する。
次に、図10(b)に示すように、基板20の裏面側から研削して薄型化した後、ダイシングラインにおいてダイシングを行うことで、図1に示すような構成の半導体装置を製造することができる。
上記の半導体装置において、内蔵する半導体チップを薄型化した場合、基板をも薄く加工すると半導体装置全体の総厚を725μmまで薄くすることができる。これ以上の薄型化をおこなう場合は、搭載した半導体チップをさらに研削する。
本実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、半導体チップを絶縁膜中に埋め込んで形成するSiP形態の半導体装置の製造方法において、半導体チップを埋め込む絶縁層上に半導体チップに接続して形成された第1配線の表面の高さを一定に加工するする工程を有しており、その上層に形成する再配線形成時のメッキ用レジストの薄膜化を可能にし、これによって半導体チップに接続される再配線の微細化が実現できる。
本実施形態の半導体装置及びその製造方法によれば、以下の利点を享受できる。
(1)再配線を形成する工程のレジスト膜の解像度がL/S=10/10μmにまで微細化できる。
(2)半導体チップ搭載領域と非搭載領域との間における配線の傾斜がなくなり、内蔵素子を半導体チップ近傍に配置することも可能となり、半導体装置全体の面積の小型化が図れる。
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、基板にも電子回路が形成されていてもよい。この場合には絶縁層に埋め込まれる配線が基板に接続するように形成される。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
本発明の半導体装置は、システムインパッケージ形態の半導体装置に適用できる。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、システムインパッケージ形態の半導体装置を製造する方法に適用できる。
図1は、本発明の施形態に係る半導体装置の模式断面図である。 図2(a)〜(d)は、本発明の施形態に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。 図3(a)〜(c)は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。 図4(a)〜(c)は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。 図5(a)〜(c)は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。 図6(a)〜(c)は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。 図7(a)及び図7(b)は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。 図8(a)及び図8(b)は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。 図9(a)及び図9(b)は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。 図10(a)及び図10(b)は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
符号の説明
1,1a,1b…半導体チップ、10,10a,10b…半導体本体、10w…半導体ウェハ、11,11a,11b…パッド電極、12,12a,12b…保護絶縁膜、13ダイアタッチフィルム、20…基板、21…絶縁膜、22…第1絶縁層、23…シード層、24…レジスト膜、25…銅層、26…第2絶縁層、27…シード層、28…レジスト膜、29…銅層、30…レジスト膜、31…導電性ポスト、32…バッファ層、33…バンプ

Claims (8)

  1. 電子回路が設けられた半導体を含んでパッケージ化された半導体装置であって、
    基板と、
    前記電子回路が形成された半導体本体と、前記半導体本体上に形成されたパッド電極とを有し、前記パッド電極の形成面の裏面側から前記基板にマウントされた半導体チップと、
    前記半導体チップを埋め込んで形成された第1絶縁層と、
    前記第1絶縁層を貫通して前記パッド電極に接続し、前記第1絶縁層の上層に形成され、表面の高さが一定に加工された第1配線と
    を有する半導体装置。
  2. 前記第1絶縁層の上層に、前記第1配線に接続する上層配線と、前記上層配線を埋め込む上層絶縁層が形成されている
    請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記半導体チップとして複数の半導体チップが前記第1絶縁層中に埋め込まれている
    請求項1に記載の半導体装置。
  4. 電子回路が設けられた半導体を含んでパッケージ化された半導体装置の製造方法であって、
    基板に、前記電子回路が形成された半導体本体と、前記半導体本体上に形成されたパッド電極とを有する半導体チップを、前記パッド電極の形成面の裏面側からマウントする工程と、
    前記半導体チップを埋め込んで第1絶縁層を形成する工程と、
    前記パッド電極に達する開口部を前記第1絶縁層に形成する工程と、
    前記開口部を埋め込んで前記第1絶縁層の上層に第1配線を形成する工程と、
    前記第1配線の表面の高さを一定に加工する工程と
    を有する半導体装置の製造方法。
  5. 前記第1配線の表面の高さを一定に加工する工程が、前記第1配線を上面から研削あるいは切削する工程を含む
    請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記第1配線を形成する工程が、前記第1配線のパターンに開口するレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜に開口した部分に前記第1配線を構成する導電層を形成する工程とを含み、
    前記第1配線の表面の高さを一定に加工する工程が、前記レジスト膜と前記導電層を上面から研削あるいは切削する工程を含む
    請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記第1配線を形成する工程の後に、前記第1絶縁層の上層に前記第1配線に接続する上層配線と前記上層配線を埋め込む上層絶縁層とを形成する工程をさらに有する
    請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記半導体チップをマウントする工程において複数の半導体チップをマウントし、前記第1絶縁層を形成する工程において前記複数の半導体チップを埋め込む
    請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
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