JP2007227877A - 太陽電池用半導体基板の印刷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 位置決め時およびプリント時における半導体基板の割れ発生を抑制することができる太陽電池用半導体基板の印刷装置を提供する。
【解決手段】 太陽電池用半導体基板を載置するための印刷テーブルと、前記太陽電池用半導体基板を前記印刷テーブルから離した状態で保持する保持機構と、前記保持機構によって保持された前記太陽電池用半導体基板を位置決めする位置決め機構と、を有してなる太陽電池用半導体基板の印刷装置であって、前記保持機構は、前記太陽電池用半導体基板と非接触な状態を保ちつつ吸引する吸引部と、吸引された状態の前記太陽電池用半導体基板に接触する接触部とを有するように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は太陽電池用半導体基板の印刷装置に関し、特にペースト材を太陽電池用半導体基板に高精度に印刷できる印刷装置に関する。

従来から太陽電池の電極の形成には印刷装置が用いられている。近年、太陽電池の電極では微細化が進み、プリントスクリーン版と半導体基板との位置合わせにおいて高精度化が要求されている。

このスクリーン版と半導体基板との位置合わせについては、基準位置マークをスクリーン版と半導体基板との各コーナ部に予め設け、これらの基準位置マークを小型カメラで認識してスクリーン版又は半導体基板を載置しているテーブルを自動又は手動で操作してスクリーン版と半導体基板との基準位置マーク同士を位置合わせすることにより行われていた（例えば特許文献１参照）。

この方法では高精度の位置合わせが可能となるが、装置が複雑で高額になると共に位置合わせに時間がかかったり、特に太陽電池用の多結晶シリコン基板のような半導体基板では表面状態や画像処理のための照明の当て方などを一定に維持することが難しいという欠点があった。

また、スクリーン版と半導体基板とを位置合わせする別の方法として、半導体基板を載置しているテーブルに位置決め用のピンを設け、このピンに半導体基板の辺を合わせることが行われていた。

しかしながら、この方法では自動化が難しく、また太陽電池用シリコン基板のような３００〜３５０μｍ程度の厚みの薄い半導体基板にはピンの引っかかりが弱くて応用できないことがあった。

これに対しては、スクリーン版と半導体基板とを位置合わせする別の方法として、図３および図４に示すように、半導体基板２１を載置する印刷テーブル２２に１０〜２０ｍｍ程度の幅を有する切り込み２２ａを設け、印刷テーブル２２の上部又は下部から基準ピン２７とプッシャーピン２８を出し、半導体基板２１をプッシャーピン２８で基準ピン２７に押し付けて位置決めする手法がある。この方法によると、自動化がし易くてタクトタイムも短く、また厚みの薄い半導体基板２１でも問題なく応用できるという長所がある。
特開平１１−２４０１２９号公報

しかしながら、この方法では、印刷テーブル２２の切り込み２２ａを半導体基板２１の下まで設ける必要があり、例えばシリコン基板のようなもろい半導体基板２１では、位置決め終了後にスキージ（不図示）を動かしてプリントするときにこのスキージの圧力によって半導体基板２１がこの切り込み部２２ａでたわみ、半導体基板２１にこの切り込み２２ａの部分からクラックが発生することがあった。

本発明は、位置決め時およびプリント時における半導体基板の割れ発生を抑制することができる太陽電池用半導体基板の印刷装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る太陽電池用半導体基板の印刷装置では、太陽電池用半導体基板を載置するための印刷テーブルと、前記太陽電池用半導体基板を前記印刷テーブルから離した状態で保持する保持機構と、前記保持機構によって保持された前記太陽電池用半導体基板を位置決めする位置決め機構と、を有してなる太陽電池用半導体基板の印刷装置であって、前記保持機構は、前記太陽電池用半導体基板と非接触な状態を保ちつつ吸引する吸引部と、吸引された状態の前記太陽電池用半導体基板に接触する接触部と、を有することを特徴としている。

本発明の太陽電池用半導体基板の印刷装置は、太陽電池用半導体基板を載置するための印刷テーブルと、前記太陽電池用半導体基板を前記印刷テーブルから離した状態で保持する保持機構と、前記保持機構によって保持された前記太陽電池用半導体基板を位置決めする位置決め機構とを有してなるものであって、前記保持機構は、前記太陽電池用半導体基板と非接触な状態を保ちつつ吸引する吸引部と、吸引された状態の前記太陽電池用半導体基板に接触する接触部とを有することから、位置決めに際して半導体基板へ加わる応力が抑制されるとともに、位置決めした後の半導体基板の動きを抑制することができる。特に、一旦位置決めした半導体基板を、印刷テーブルに戻すまでに位置ズレが生じることを効果的に防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を用いて説明する。

図１は本発明に係る太陽電池用半導体基板の印刷装置を示す図である。

図１において、１は半導体基板、２は印刷テーブル、３は保持機構、４は位置決め機構、５は吸引部、６は接触部、７は半導体基板を位置決めするための基準ピン、８は半導体基板を位置決めするためのプッシャーピンである。

印刷テーブル２は、セラミックやステンレスなどのように耐摩耗性にすぐれたものからなり、例えば、その大きさはおよそ２００×２５０ｍｍ、厚みは１０ｍｍ程度であり、半導体基板１が確実に固定できるように半導体基板１が載置されるべき位置に直径１〜３ｍｍ程度の真空吸着用の穴（図示せず）が５０個ほど均一に開けられている。

太陽電池用半導体基板１は、例えば多結晶シリコン基板であり、その大きさは約１５０ｍｍ角であり、厚さは約３５０μｍ以下、より好ましくは２５０μｍ以下である。

保持機構３は、吸引部５とその周りに設けられた接触部６とからなり、印刷テーブル２に載置された半導体基板１を吸引して持ち上げて半導体基板１の位置に移動させるために、上下動できるようになっている。吸引部５および接触部６は別体であっても一体化されていてもよい。

吸引部５は、ベルヌーイの原理を用いたベルヌーイチャックからなり、半導体基板１を非接触の状態を保ちながら吸引する。ここで、ベルヌーイの原理を用いたベルヌーイチャックとは、吸引板の中央のノズルから空気や窒素等の気体を噴出させ、半導体基板表面に沿って高速の気体を流して負圧を発生させ、この負圧によって半導体基板１を非接触状態で保持することができるようにしたアーム状のチャックを言う。

接触部６は、吸引部５の周囲に例えば４つ程度設けられ、半導体基板１を接触保持する。接触部６は、位置決めの際の割れ防止および位置決め後の位置ズレ防止を考慮して、摩擦係数が０．０５以上０．５以下、より好ましくは０．１以上０．４以下であるほうが好ましく、例えば、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂およびフッ素樹脂等の樹脂が好適に用いられる。摩擦係数が０．０５以下では位置ズレを防止する力が弱いため好ましくなく、０．５以上だと、位置決めの際に半導体基板１にクラック等が発生する可能性があるため好ましくない。なお、接触部６の大きさは、用いられる半導体基板１の大きさ等により適宜選択されるが、半導体基板１と接触する面の面積が５０ｍｍ^２以上５００ｍｍ^２以下とすることが好ましい。また、半導体基板１と接触する面の形状は、多角形、円、楕円等の加工を行い易い形状とすればよい。また、接触部６の下面は、吸引部５の下面よりも下に位置するとともに、その距離は、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であるほうが好ましく、０．１ｍｍより短いと位置ズレを防止する力が弱いため好ましくなく、２ｍｍよりも長いと、吸引が弱くなり半導体基板１が落下してしまう可能性があるため好ましくない。

次に、位置決め機構４について説明する。

位置決め機構４は、半導体基板１を位置決めするための基準ピン７と、半導体基板１を基準ピン７に押し付けるためのプッシャーピン８とからなり、基準ピン７およびプッシャーピン８はＸ軸方向に各１〜２個、Ｙ軸方向にも各１〜２個設けられており、カム機構等で基準ピン７が所定の位置まで動いた後、プッシャーピン８が半導体基板１を基準ピン７の位置まで押し付けるよう、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向とも全て連動して動くようになっている。プッシャーピン８はスプリング（不図示）が設けられており、これで半導体基板１を基準ピン７に押し付けることにより位置決めしていく。このように、基準ピン７とプッシャーピン８で位置決めすることによって、正確かつ高速に位置決めすることができる。

図２にターンテーブル式の印刷装置を示す。

図２において、１１は回転中心となる回転角度を割り出すインデックスであり、正確に所定の角度で停止できるようになっている。例えば角度９０°で停止するインデックスでは、インデックス１１の回転中心の周囲に９０°の間隔で４つの位置Ａ〜Ｄに印刷テーブル２が配置されており、インデックス１１の回転に合わせて印刷テーブル２が回転するよう連結されている。

図２において、Ａの位置は半導体基板１を印刷テーブル２に載置するローディング位置であり、Ｂの位置は半導体基板１を印刷テーブル２の所定の位置に位置決めする位置であり、Ｃの位置は半導体基板１にスクリーン印刷を行う位置であり、Ｄの位置は印刷の完了した半導体基板１を取り出すアンローディング位置である。これらの印刷テーブル２が回転矢印１２の方向に回転して、連続的にスクリーン印刷を行うようになっている。

上述のようなターンテーブル式の印刷装置で、Ｂの位置に半導体基板１を載置した印刷テーブル２が来ると、図１に示す吸引部５と接触部６を具備した保持機構３が下がり印刷テーブル７に載置された半導体基板１を吸引部５により吸引して、吸引部５と半導体基板１を非接触な状態で保持し、そのまま約１０ｍｍ持ち上げる。この状態で位置決め機構４の基準ピン７とプッシャーピン８を動かして半導体基板１が所定の位置に来るようにする。

このように、ベルヌーイチャックからなる吸引部５により非接触状態で半導体基板１を保持するため、位置決めに際して半導体基板１へ加わる応力が抑制されるとともに、位置決めした後の半導体基板１の動きを抑制することができる。特に、一旦位置決めした半導体基板１を、印刷テーブル２に戻すまでに位置ズレが生じることを効果的に防止することができる。

ここで、半導体基板１と接触部６との接触強度は、位置決め時よりも位置決め後で大きく設定することが好ましい。これによって、位置決め後の位置ズレを効果的に抑制するとともに、位置決め調整に際して半導体基板１へ加わる応力負担を軽減することが可能となる。例えば、接触部６に上下動できるような機構を設け、位置決め時には半導体基板１と接触していない接触部６を、位置決め後に下へ移動させて半導体基板１と接触させることにより、半導体基板１と接触する接触部６の数が位置決め後において多くなるようにすればよい。

位置決めを行なった後、Ｂの位置で保持機構３を下げ、再び半導体基板１を印刷テーブル２上に戻す。半導体基板１が印刷テーブル２に戻ったら、印刷テーブル２の真空吸着のスイッチ（不図示）を入れて印刷テーブル２の下側から真空吸着して印刷テーブル２に固定し、吸引部５のスイッチ（不図示）を切って保持機構３を上方向に持ち上げて位置決めが完了する。

その後、印刷テーブル２に半導体基板１を真空吸着で固定したままＣの位置まで回転させ、Ｃの位置の上部にセットされているプリント用スクリーン版（不図示）と、このスクリーン版上にある導電ペーストやハンダペーストなどのペースト材などをスキージ（不図示）で所定の圧力で押さえつけながら半導体基板に印刷を行う。

本発明の実施形態は上述の例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはもちろんである。

例えば、吸引部５の周囲に設ける接触部６の個数は特に限定されるものでなく、接触部６に設ける材質やサイズによって増減しても構わない。

また、上述の実施形態では、ペースト材の半導体基板１への印刷をＣの工程において行っているが、これに限定されるものではない。例えばＡの工程において印刷テーブルに載置する際に、本発明の印刷装置により半導体基板の位置決めを行い、その次のＢの工程で印刷することもできる。また、ターンテーブルの印刷角も９０°に限定されるものではなく、４５°、６０°及び１２０°などでも可能である。

また、印刷テーブル２には、真空吸着用の穴以外に、半導体基板１を上に持ち上げるための突出ピンを設け、その突出ピンが上下に動くことのできる穴や、空気を噴出する穴等を設けても構わない。

以下、図面を用いて太陽電池用半導体基板をスクリーン印刷し、太陽電池素子を形成する方法を説明する。

図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、スクリーン印刷方法の一連の動作の一実施形態を示す断面図である。４０はスクレッパー、４１はスクレッパーの回転部、４２は印刷スキージ、４３はスクリーン、４３ａはパターン孔、４４はペースト、４５は半導体基板、４６は充填スキージを示す。

印刷スキージ４２と充填スキージ４６は、略直方体形状のものであり、スクリーン４３の厚みバラツキ及び半導体基板４５の表面の凹凸に対して追随可能なように柔軟性を有する材料を用いることが好ましい。さらに、耐摩耗性及び耐溶剤性を併せ持つ材料が好ましく、ウレタンゴムが好適であるが特に限定するものではない。

スクリーン４３は、例えば３００〜５００ｍｍ角程度のアルミニウムやステンレスなどの金属製の枠にテトロンやステンレスなどのメッシュを貼り付け、感光性の乳剤をこのメッシュの両面に塗布したものであり、その必要な箇所にはパターン孔４３ａがマスクなどを使用した光学的描画方法等で設けられている。

ペースト４４は、導電性ペーストや耐酸レジストペーストなどで、例えば導電性ペーストでは銀やアルミニウムからなる導電性金属粉末、有機バインダーと有機溶剤からなる有機ビヒクルを混合してなるものを用いることができる。

ここで、有機バインダーは、例えばセルロース系やアクリル系、ブチラール系等があり、有機溶剤は、例えばブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、ブチルセロソルブ、ブチルセロソルブアセテート、ターピネオール、水素添加ターピネオール、水素添加ターピネオールアセテート、メチルエチルケトン、イソボニルアセテート、ノピルアセテート等がある。これらは４００℃程度で分解して揮散するため焼成後の電極にはその成分は残らない。また導電性ペーストにガラス粉末を含有させてもよく、ガラスフリットは、鉛、ホウ素、珪素等の酸化物を含み、３００〜６００℃程度の種々の軟化点をもつものがあるが、焼成後に一部は電極中に残り、シリコンと溶着するために電極と基板との間を接着する機能を持っている。

半導体基板４５は例えば太陽電池素子用の単結晶や多結晶のシリコン基板などである。本実施形態において、この充填スキージ４６はスクレッパー４０に固定されてもよく、またスクレッパー４０と固定せず単独で動作させることも可能である。

一例として例えば、充填スキージ４６とスクレッパー４０が同期して動作する構造とすることで、比較的に簡素・軽量な機構となるため充填スキージ１６を高速で移動させても安定した動作が可能となり印刷の精度が向上させることができる。

この場合において、充填スキージ４６及びスクレッパー４０の移動速度は同一に設定されなくてもよく、ペースト４４の粘度に応じて適宜設定すれば良い。

また、本実施形態においては、スクレッパー４０の先端部には回転部４１を具備している。このスクレッパー４０およびその先端である回転部４１は、ペースト４４の粘度に対抗して塗り広げることができる程度の剛性を有することが必要である。

また、回転部４１は、直径２０〜７０ｍｍ程度のドラム状のものであり、その材料として例えば鉄やアルミニウムなどが用いられるが、ステンレスなど耐腐食性や耐薬品性を有するものを用いることがより好ましい。またスクレッパー４０の表面を耐腐食性や耐薬品性を有する樹脂でコートしても良い。回転部４１の材質や表面形状は、ペースト４４の材料や粘度に合わせて選択し、形状はペースト量、スクリーンのパターン孔等に合わせて選択する。

＜第１工程について＞
図５（ａ）は回転部を有するスクレッパーを用いてペーストをパターン孔が覆われるようにスクリーン上に塗り広げて充填する第１工程の模式図を示す。まず、スクリーン４３のの上面をペーストで塗り付け、次に、スクリーン４３の表面と略平行に設置されている回転部４１を有するスクレッパー４０が充填スキージ４６と共に下降され、スクレッパー４０をスクリーン４３に対して平行に移動させて、スクリーン４３上に平滑にペースト４４を塗り広げる。

この時、スクレッパー４０の回転部４１は移動時のペースト４４の摩擦によって自然に回転させても、モーター等による駆動機構により回転させても良い。また回転部４１の回転数は、ペースト４４の粘度や量、スクリーン４３のテンション、パターン孔４３ａへの充填度等を考慮してテスト印刷を行い決定すれば良い。本発明者らが繰り返し行ったテストでは、特にコーティングまたは充填が困難な高粘度のペーストにおいては低粘度のペーストに比べ、回転部４１の回転速度を上げると有効である。

また、スクレッパー４０の始点と終点では、その時のペースト量が異なる為、コーティングまたは充填に差が生じる。そこで、スクレッパー４０の回転部１１の回転量を調整する事により、コーティングと充填度を安定させることが可能である。すなわち近接センサーなどにより、スクリーン４３内のスクレッパー４０またはその回転部４１の位置を検出し、シーケンサーなどを用いて、各位置におけるスクレッパー４０の回転部４１の回転速度を最適に制御することによりコーティングと充填度を安定させることが可能である。

また、スクリーン４３は伸縮性がある為、ペースト４４をコーティングまたは充填する際に、下方に凸になってそのコーティングまたは充填を妨げる場合があるが、スクレッパー４０の径を最適に調整する事によりこのコーティングまた充填の安定性が向上する。一般的にはスクリーン４３の中央部が最も下方に凸ができやすい為、スクレッパー４０の回転部１１の中央部の径をその端部に比べ、例えば５〜２０％程度大きくすることが有効である。

ここで、スクレッパー４０の先端である回転部４１の下端とスクリーン４３の上面との間隔は、ペースト４４の粘度に応じて適宜設定すれば良く、例えば０．０５ｍｍ〜３．０ｍｍ程度である。

スクレッパー４０及び充填スキージ４６を水平に移動させる手段は、例えばエアーシリンダーやモーターを用いることができ、ペースト４４を平滑に塗り広げるにはスクレッパー４０及び充填スキージ４６の振動が生じないことが好ましい。これによれば、微細なパターン孔４３ａのあるスクリーンを用いた場合にも、ペースト４４に所望の圧力を加えることができ、充填の不足を抑制することができる。

＜第２工程について＞
次に、図５（ｂ）に示されるように、スクリーン４３上に平滑になって充填されているペースト４４を充填スキージ４６によってスクリーン４３のパターン孔４３ａ内に更に充填する。この充填スキージ４６による充填は、必要に応じて行われるものであり、スクレッパー４０の充填のみで十分である場合には必要ない。

この充填スキージ４６の上下移動手段は、エアーシリンダーなどを用いることができる。充填スキージ４６の下降時のエアーシリンダーの駆動圧縮空気圧力を制御することにより、ペースト４４はスクリーンのパターン孔４３ａへ充填する圧力を制御されるので、充填量を所望の量に制御することが可能となる。

さらに充填スキージ４６の上下の動作は、エアーシリンダー以外にもモーターを用いてもよく、特に限定するものではないが、充填量を微量調整が容易に可能となるという観点からは、数値制御を用いたモーターが好ましい。さらに、充填量を制御可能となるという観点から充填スキージ４６のペースト４４を押し付ける位置が制御できることがより好ましい。

また、充填スキージ４６はスクリーン４３の面に対して接触角度が調整できるように回動可能に設定されている。この調整方法としては、モーターの移動量を調整する方法や、角度ゲージを設け、移動量を調整する方法がある。これらにより、用いられるペースト４４の粘度やスクリーンの印刷パターン等に合わせて最適の印刷条件を設定して、印刷することが可能となる。

＜第３工程について＞
次に、図５（ｃ）に示されるように、第３工程では、スクレッパー４０と充填スキージ４６を上昇させ、半導体基板４５をスクリーン４３から０．５〜３ｍｍ程度離れた位置に接近させ、印刷スキージ４２をスクリーン４３に下降し押し付けることで、スクリーン４３と半導体基板４５に接触させ、印刷スキージ４２をスクレッパー４０と逆方向へ移動させることによりペースト４４を半導体基板４５に転写する。

印刷スキージ４２の上下移動及び水平移動も前述のスクレッパー４０及び充填スキージ４６と同様の手段が用いられる。

以上のような第１工程〜第２工程により印刷することによって、例えばスクレッパー４０及び充填スキージ４６の移動スピードを１００ｍｍ／ｓｅｃ以上と比較的高速にした場合においても、スクリーン４３内のパターン孔４３ａにペースト４４を充分に充填することが可能であり、印刷に要する時間を大幅に短縮することができる。

図６は本発明に係る太陽電池素子４７の受光面側の平面図である。図６において４８は主電極（バスバー電極）、４９は副電極（フィンガー電極）、５０はシリコン基板を示す。

太陽電池素子４７は、例えば厚み０．３〜０．４ｍｍ程度、大きさ１５０ｍｍ角程度の単結晶や多結晶のシリコン基板２０で作られている。この太陽電池素子４７の内部にはボロンなどのＰ型不純物を多く含んだＰ層とリンなどのＮ型不純物を多く含んだＮ層が接しているＰＮ接合（不図示）が形成されている。さらに副電極４９は、太陽電池素子の辺に平行に、光生成キャリヤーを収集するため多数本形成される。主電極４８は収集されたキャリヤーを集電するもので、副電極４９と垂直に交わるように２〜３本程度形成される。このような主電極４８と副電極４９は、太陽電池素子４７の裏面（非受光面）側にも同様に形成されている。

このような主電極４８と副電極４９は、銀などを含む導電ペーストをスクリーンプリントすることなどにより形成される。一般に太陽電池素子４７の受光面側に設けられる主電極４８と副電極４９では、太陽電池素子４７の電極部分以外の有効受光部分の面積を大きくし、太陽電池素子４７の光電変換効率を高めるために電極の線幅を細くすることが求められるが、このような場合に、特に本発明に係るスクリーン印刷方法は好適に用いることができる。

すなわち例えば、副電極１９を線幅が３０μｍ以上１２０μｍ以下、線長が１０ｃｍ以下、主電極１８を、線幅が０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下、線長が１０ｃｍ以上で構成した場合であっても、上述した方法を用いることによって、副電極１９の線切れがなく膜厚を厚く印刷することが可能となる。

本発明の太陽電池用半導体基板の印刷装置を示す図である。 本発明の太陽電池用半導体基板の印刷装置の他の形態を示す図である。 従来の太陽電池用半導体基板の印刷装置を示す図である。 従来の太陽電池用半導体基板の印刷装置の印刷テーブルを示す図である。 スクリーン印刷方法を説明する断面図であり、（ａ）は回転部を有するスクレッパーを用いてペーストをパターン孔が覆われるようにスクリーン上に塗り広げて充填する第１工程、（ｂ）は充填スキージを用いてパターン孔内に更にペーストを充填する第２工程、（ｃ）は充填されたペーストを印刷スキージを用いて半導体基板に印刷する第３工程を示す図である。 スクリーン印刷方法を用いて形成された太陽電池素子を示す平面図である。

符号の説明

１ ：半導体基板
２ ：印刷テーブル
３ ：保持機構
４ ：位置決め機構
５ ：吸引部
６ ：接触部
７ ：基準ピン
８ ：プッシャーピン
１１ ：インデックス
１２ ：回転矢印
２１ ：半導体基板
２２ ：印刷テーブル
２２ａ：切り込み
２７ ：基準ピン
２８ ：プッシャーピン
４０ ：スクレッパー
４２ ：印刷スキージ
４３ ：スクリーン
４３ａ：パターン孔
４４ ：ペースト
４５ ：半導体基板
４１：スクレッパー回転部
４６ ：充填スキージ
４７ ：太陽電池素子
４８：主電極
４９：副電極
５０：シリコン基板

Claims (1)

1. 太陽電池用半導体基板を載置するための印刷テーブルと、
   前記太陽電池用半導体基板を前記印刷テーブルから離した状態で保持する保持機構と、
   前記保持機構によって保持された前記太陽電池用半導体基板を位置決めする位置決め機構と、を有してなる太陽電池用半導体基板の印刷装置であって、
   前記保持機構は、前記太陽電池用半導体基板と非接触な状態を保ちつつ吸引する吸引部と、吸引された状態の前記太陽電池用半導体基板に接触する接触部と、を有することを特徴とする太陽電池用半導体基板の印刷装置。

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