JP2008081755A - 処理装置及び処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハロゲン含有ガスを被処理体に対して均一に供給する。
【解決手段】ガスノズル１５の先端部をチャンバ１の周方向に傾斜して設け、Ｃｌ_２ガスをチャンバ１の周方向に渦巻状に供給し、Ｃｌ_２ガスを基板３に直接向けずに、生ガスやラジカルによる基板３への影響を最小限に抑え、基板３の表面の変質やエッチング過多を防ぎ、基板３の中心部に集中してＣｌ_２ガスがあたることをなくす。
【選択図】図３

Description

本発明は、ハロゲン含有ガスを被処理体に対して均一に供給することができる処理装置及び処理方法に関する。

現在、半導体等の製造においては、プラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置を用いた成膜が知られている。プラズマＣＶＤ装置とは、真空処理容器としてのチャンバ内に導入した膜の材料となる有機金属錯体等のガスを、高周波アンテナから入射する高周波によりプラズマ状態にし、プラズマ中の活性な励起原子によって基板表面の化学的な反応を促進して金属薄膜等を成膜する装置である。

これに対し、本発明者等は、高蒸気圧ハロゲン化物を作る金属成分であって、成膜を望む金属成分からなる被エッチング部材をチャンバに設置し、ハロゲンガスをプラズマ化して前記被エッチング部材をハロゲンのラジカルによりエッチングすることで金属成分のハロゲン化物である前駆体を生成させるとともに、前駆体の金属成分のみを基板上に成膜するプラズマＣＶＤ装置（以下、新方式のプラズマＣＶＤ装置という）および成膜方法を開発した（例えば、下記、特許文献１参照）。

上記新方式のプラズマＣＶＤ装置では、成膜される金属源となる被エッチング部材の温度に対して基板の温度が低くなるように制御して基板に当該金属膜を成膜している。例えば、被エッチング部材の金属をＭ、ハロゲンガスをＣｌ_２とした場合、被エッチング部材を高温（例えば３００℃〜７００℃）に、また基板を低温（例えば２００℃程度）に制御することにより、前記基板にＭ薄膜を形成することができる。これは、次のような反応によるものと考えられる。

（i）プラズマの解離反応；Ｃｌ_２→２Ｃｌ^＊
（ii）エッチング反応；Ｍ＋Ｃｌ^＊→ＭＣｌ（ｇ）
（iii）基板への吸着反応；ＭＣｌ（ｇ）→ＭＣｌ（ａｄ）
（iv）成膜反応；ＭＣｌ（ａｄ）＋Ｃｌ^＊ →Ｍ＋Ｃｌ_２↑

ここで、Ｃｌ^＊はＣｌのラジカルであることを、（ｇ）はガス状態であることを、（ａｄ）は吸着状態であることをそれぞれ表している。

新方式のＣＶＤ装置においては、ＭＣｌとＣｌ^＊との割合を適正に保つことで、成膜反応が適切に行われる。即ち、成膜条件として、Ｃｌ_２ガスの流量、圧力、パワー、基板及び被エッチング部材の温度、基板と被エッチング部材との距離等を適正に設定することで、ＭＣｌとＣｌ^＊との割合をほぼ等しく制御することができ、成膜速度を低下させることなく、しかも、基板に対してＣｌ^＊によるエッチング過多が生じることなくＭが析出される。

上述した新方式のＣＶＤ装置では、ハロゲンガス（Ｃｌ_２ガス）の供給状況を適正に保つことで、ガスを供給するノズルのノズル痕を膜に残さないようにしたり、基板の表面に対してＣｌ_２ガスを均一に供給することが可能である。ハロゲンガスの供給に関しては、被エッチング部材に対する供給状況と基板に対する膜厚分布との相関は、処理条件により様々である。このため、ハロゲンガスの供給に対しての技術が確立されていないのが現状であった。

特開２００３−１４７５３４号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、ハロゲン含有ガスを被処理体に対して均一に供給することができる処理装置及び処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の処理装置は、被処理体を支持する支持体が収容され圧力制御可能なチャンバと、原料を含有する金属製の被エッチング部材と、チャンバの内部にハロゲンを含有するガスを供給するハロゲン含有ガス供給手段と、チャンバの内部をプラズマ化しハロゲン含有ガスプラズマを発生させてハロゲンラジカルを生成すると共にハロゲンラジカルで被エッチング部材をエッチングすることにより被エッチング部材に含まれる金属成分とハロゲンとからなる前駆体を生成するプラズマ発生手段とを備え、ハロゲン含有ガス供給手段は、ハロゲン含有ガスをチャンバ内に供給する複数のノズルを備え、ノズルのガス噴出口はハロゲン含有ガスをチャンバの周方向に供給する向きとされていることを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、ノズルのガス噴出口が、ハロゲン含有ガスをチャンバの周方向に供給する向きとされているので、ハロゲン含有ガスを旋回させた状態でチャンバに供給し、被処理体の表面に対して均一にハロゲン含有ガスを供給することができる。

そして、請求項２に係る本発明の処理装置は、請求項１に記載の処理装置において、被エッチング部材は、支持体の上方の周囲に配されていることを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、チャンバの周囲に配された被エッチング部材に対して均一にハロゲン含有ガスを供給することができる。

また、請求項３に係る本発明の処理装置は、請求項２に記載の処理装置において、プラズマ発生手段は、チャンバの上面に配される平面リング状のアンテナと、アンテナに給電を行う給電手段とを有し、チャンバの筒部の被エッチング部材の外周部位にヒータを備えたことを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、平面リング状のアンテナによりプラズマを発生させることができると共に、ヒータにより被エッチング部材を独立して温度制御することができる。

また、請求項４に係る本発明の処理装置は、請求項２に記載の処理装置において、プラズマ発生手段は、チャンバの筒部の被エッチング部材の外周部位に備えられるコイルアンテナと、コイルアンテナに給電を行う給電手段とからなることを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、コイルアンテナに給電を行うことでチャンバの周囲に配された被エッチング部材を所望の温度に加熱することができる。

また、請求項５に係る本発明の処理装置は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の処理装置において、被処理体の温度を被エッチング部材の温度よりも低くすることで前駆体の金属成分を成膜させる温度制御手段を備えたことを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、ハロゲン含有ガスを被処理体に対して均一に供給し、ハロゲン含有ガスによる被処理体への影響を抑えて均一な膜厚分布による成膜を行うことができる。

上記目的を達成するための請求項６に係る本発明の処理方法は、被処理体が収容されるチャンバ内でハロゲン含有ガスプラズマを発生させてハロゲンラジカルを生成すると共にハロゲンラジカルで原料を含有する金属製の被エッチング部材をエッチングすることにより被エッチング部材に含まれる金属成分とハロゲンとからなる前駆体を生成して被処理体に処理を施すに際し、ハロゲン含有ガスを被処理体の周方向に向けて供給することを特徴とする。

請求項６に係る本発明では、ハロゲン含有ガスを旋回させた状態で供給し、被処理体の表面に対して均一にハロゲン含有ガスを供給することができる。

そして、請求項７に係る本発明の処理方法は、請求項６に記載の処理方法において、被処理体の温度を被エッチング部材の温度よりも低くすることで、前駆体を被処理体に吸着させると共にハロゲンラジカルにより前駆体のハロゲン成分を引き抜くことで前駆体の金属製分を被処理体に成長させることを特徴とする。

請求項７に係る本発明では、ハロゲン含有ガスを被処理体に対して均一に供給し、ハロゲン含有ガスによる被処理体への影響を抑えて均一な膜厚分布による成膜を行うことができる。

本発明の処理装置は、ハロゲン含有ガスを被処理体に対して均一に供給することができる処理装置となる。

第１実施形態例を説明する。

図１には本発明の第１実施形態例に係る薄膜作製装置の概略斜視状況、図２には本発明の第１実施形態例に係る薄膜作製装置の概略側面、図３にはノズル取り付き部の断面を示してある。また、図４には他の実施形態例に係る被エッチング部材の概観状況を示してある。

本実施形態例は、処理装置として薄膜作製装置を適用したものであり、金属としての銅（Ｃｕ）製の被エッチング部材が備えられたチャンバ内にハロゲンを含有する作用ガスとしてのＣｌ_２ガスを供給し、誘導プラズマを発生させてＣｌ_２ガスプラズマを発生させて塩素ラジカル（Ｃｌ^＊）を生成し、塩素ラジカル（Ｃｌ^＊）で被エッチング部材をエッチングすることにより被エッチング部材に含まれるＣｕ成分とＣｌ_２ガス成分との前駆体ＣｕＣｌを生成し、基板側の温度を被エッチング部材の温度よりも低くすることにより、前駆体ＣｕＣｌが塩素ラジカル（Ｃｌ^＊）で還元された状態のＣｕ成分を基板の表面に吸着（堆積）させるようにした薄膜作製装置である。

尚、金属としては、高蒸気圧ハロゲン化物を作る金属であれば銅に限らず種々の金属を適用することが可能である。また、ハロゲン含有ガスとしてＣｌ_２ガスを適用した例を説明してあるが、フッ素等の他のハロゲン含有ガスを適用することが可能である。

図に示すように、円筒状に形成された、例えば、セラミックス製（絶縁材製）のチャンバ１の底部近傍には支持体としての支持台２が設けられ、支持台２には被処理体としての基板３が載置される。支持台２にはヒータ４及び冷媒流通手段５を備えた温度制御手段６が設けられ、支持台２は温度制御手段６により所定温度（例えば、基板３が１００℃から３００℃に維持される温度）に制御される。尚、チャンバの形状は円筒状に限らず、例えば、矩形状のチャンバを適用することも可能である。また、基板３の温度を制御する温度制御手段６としては、ヒータ４及び冷媒流通手段５に限らず、基板３の温度を所定の温度に制御できるものであればよい。

チャンバ１の上面は開口部とされ、開口部は絶縁材料製（例えば、石英製）の板状の天井板７によって塞がれている。天井板７の上方にはチャンバ１の内部をプラズマ化するためのプラズマアンテナ８が設けられ、プラズマアンテナ８は天井板７の面と平行な平面リング状に形成されている。プラズマアンテナ８には整合器９及び電源１０が接続されて高周波が供給される。プラズマアンテナ８、整合器９及び電源１０により誘導プラズマを発生させるプラズマ発生手段が構成されている。

チャンバ１内の支持台２の上方の周囲には金属製として銅（Ｃｕ）製の被エッチング部材１２が配されている。被エッチング部材１２を有する被エッチング体３０が絶縁体製の円環部材１３に支持されることでチャンバ１内に配されている。被エッチング体３０は、絶縁材製の枠体としてのリング枠３１、絶縁材製の枠体としての棒枠３２及び棒状の被エッチング部材１２により構成されている。

即ち、チャンバ１内の支持台２の上方の周囲には複数（図示例では３個）のリング枠３１が配され、リング枠３１には４本の棒枠３２が固定されている。棒枠３２は３個のリング枠３１にわたり上下方向に取り付けられている。リング枠３１には棒枠３２の間に配される棒状の被エッチング部材１２が支持され、支持台２の上方の周囲に棒状の被エッチング部材１２が配された状態になっている。

支持台２の上方の周囲に被エッチング部材１２が配されているので、支持台２に基板３を載置した際に、基板３の直上に被エッチング部材１２が存在することがない。このため、プラズマによる被エッチング部材１２の過熱がなく熱変形が抑制され、パーティクルの落下をなくして金属成分とハロゲンとからなる前駆体を被処理体に均一に供給することができる。

尚、被エッチング部材としては、タンタル、タングステン、チタンを始めハロゲン化物形成金属であれば銅に限定されない。

また、被エッチング体３０の形状は、図１に示した形状には限定されない。即ち、図４に示すように、支持体の上方の周囲に配される絶縁材製のリング枠３７が備えられ、リング枠３７には絶縁材製の棒枠３８が複数（図示例では４本）立設されている。それぞれの棒枠３８は上部がチャンバ１の中心方向に傾斜して配され、それぞれの棒枠３８の間に円弧状の被エッチング部材３９が支持されている。上部がチャンバの中心方向に傾斜した棒枠３８に対して円弧状の被エッチング部材３９を支持したので、基板３の中心近傍の前駆体を確保することができる。また、被エッチング部材３９は棒枠３８により電気的に不連続な状態にされているので、閉回路を形成することがない。

図２に示すように、被エッチング体３０の外周におけるチャンバ１の内壁にはヒータ筒３３が配され、加熱コイル３４には直流電源３５から給電が行われる。ヒータ筒３３は加熱コイル３４により加熱されて被エッチング体３０（被エッチング部材１２）を所望の温度に制御する。

一方、図２、図３に示すように、チャンバ１の上方の筒部にはチャンバ１の内部にハロゲンとしての塩素を含有する塩素含有ガス（Ｃｌ_２ガス）１４を供給するガスノズル１５が設けられている。ガスノズル１５はチャンバ１の周囲に複数本（図３に示した例は８本）設けられている。それぞれのガスノズル１５には流量及び圧力が制御される流量制御器１６を介してＣｌ_２ガス１４が送られる（ハロゲン含有ガス供給手段）。

図３に示すように、ガスノズル１５の先端部はチャンバ１の周方向に傾斜して設けられ、Ｃｌ_２ガスはガスノズル１５からチャンバ１の周方向に渦巻状に供給される。Ｃｌ_２ガスがチャンバ１の周方向に渦巻状に供給されることにより、Ｃｌ_２ガスが基板３に直接向けられることがない。尚、直管状のノズルを傾斜して配置することも可能である。

このため、生ガスやラジカルによる基板３への影響を最小限に抑えることができ、基板３の表面の変質やエッチング過多を防ぐことができる。また、基板３の中心部に集中してＣｌ_２ガスがあたることがなくなるため、均一な成膜を行うことができる。また、ガスノズル１５の先端部はチャンバ１の周方向に傾斜して設けられているので、基板３の直上にガスノズル１５が配されることがなくなり、成膜時にノズル痕が膜に現れる虞がない。

図１、図２に示すように、チャンバ１の底部には排気口１７が設けられ、排気口１７には排気手段としての真空装置１８が接続されている。成膜に関与しないガス等は排気口１７から排気され、天井板７によって塞がれたチャンバ１の内部は真空装置１８によって所定の圧力に維持される。

上述した薄膜作製装置による成膜状況を説明する。

チャンバ１の内部にガスノズル１５からＣｌ_２ガス１４をチャンバ１の周方向に渦巻状に供給する。プラズマアンテナ８から電磁波をチャンバ１の内部に入射することで、Ｃｌ_２ガス１４をイオン化してＣｌ_２ガスプラズマ２０を発生させ、チャンバ１内にＣｌラジカルを生成する。この時の反応は、次式で表すことができる。

Ｃｌ_２→２Ｃｌ^＊ ・・・・（１）
ここで、Ｃｌ^＊は塩素ラジカルを表す。

生成されたガスプラズマ２０がＣｕ製の被エッチング部材１２に作用することにより、被エッチング部材１２が加熱されると共に、Ｃｕに均一な分布でエッチング反応が生じる。この時の反応は、例えば、次式で表される。
Ｃｕ（ｓ）＋Ｃｌ^＊→ＣｕＣｌ（ｇ） ・・・・（２）
ここで、ｓは固体状態、ｇはガス状態を表す。式（２）は、Ｃｕがガスプラズマ（塩素ラジカルＣｌ^＊）２０によりエッチングされ、前駆体１９とされた状態である。

ヒータ筒３３により被エッチング部材１２を加熱し（例えば、３００℃〜７００℃）、更に、温度制御手段６により基板３の温度を被エッチング部材１２の温度よりも低い温度（例えば、１００℃〜３００℃）に設定する。この結果、均一に分布された前駆体１９は基板３に吸着（堆積）される。この時の反応は、例えば、次式で表される。
ＣｕＣｌ（ｇ）→ＣｕＣｌ（ａｄ） ・・・・（３）

基板３に吸着したＣｕＣｌは、塩素ラジカルＣｌ^＊により還元されてＣｕ成分となる。この時の反応式は、例えば、次式で表される。
ＣｕＣｌ（ａｄ）＋Ｃｌ^＊→Ｃｕ（ｓ）＋Ｃｌ_２↑ ・・・・（４）

上述した薄膜作製装置では、支持台２の上方の周囲に被エッチング部材１２が配されているので、支持台２に基板３を載置した際に、基板３の直上に被エッチング部材１２が存在することがない。このため、プラズマによる被エッチング部材１２の過熱がなく熱変形が抑制され、パーティクルの落下をなくしてＣｕ成分と塩素とからなる前駆体１９を基板３に均一に供給することができる。

そして、ガスノズル１５の先端部はチャンバ１の周方向に傾斜して設けられ、Ｃｌ_２ガスがガスノズル１５からチャンバ１の周方向に渦巻状に供給されるので、Ｃｌ_２ガスが基板３に直接向けられることがなく、生ガスやラジカルによる基板３への影響を最小限に抑えることができ、基板３の表面の変質やエッチング過多を防ぐことができる。また、基板３の中心部に集中してＣｌ_２ガスがあたることがなくなるため、均一な成膜を行うことができる。また、ガスノズル１５の先端部はチャンバ１の周方向に傾斜して設けられているので、基板３の直上にガスノズル１５が配されることがなくなり、成膜時にノズル痕が膜に現れる虞がない。また、支持台２の上方の周囲に被エッチング部材１２が配されていても、被エッチング部材１２に対してＣｌ_２ガスを確実に供給することができる。

第２実施形態例を説明する。

図５には本発明の第２実施形態例に係る薄膜作製装置の概略断面を示してある。尚、図２に示した第１実施形態例の薄膜作製装置と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

第２実施形態例の薄膜作製装置は、プラズマ発生手段として、第１実施形態例のプラズマアンテナ８（図２参照）に代えて、チャンバ１の筒面の外周、即ち、被エッチング体３０の周囲に位置するチャンバ１の筒面の外周にコイル状のコイルアンテナ４１を配した構成となっている。コイルアンテナ４１には整合器９を介して電源１０から電力が供給されるようになっている。また、コイルアンテナ４１によるプラズマの発生により、被エッチング部材１２が所望の温度に加熱される。このため、温度制御用のヒータ筒３３（図２参照）は設けられていない。

第２実施形態例の薄膜作製装置では、コイルアンテナ４１に給電手段としての整合器９、電源１０を介して電力を供給することで、チャンバ１内に電磁波を入射して第１実施形態例と同様に成膜処理が施される。そして、コイルアンテナ４１に給電を行うことでチャンバ１内の周囲に配された被エッチング部材１２を所望の温度に加熱することができる。

第３実施形態例を説明する。

図６には本発明の第３実施形態例に係る薄膜作製装置の概略断面を示してある。尚、図２に示した第１実施形態例の薄膜作製装置と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

第３実施形態例の薄膜作製装置は、第１実施形態例の被エッチング体３０（図２参照）に代えて、格子状の被エッチング部材５２が備えられ、ヒータ筒３３（図２参照）、加熱コイル３４（図２参照）、直流電源３５（図２参照）が備えられていない構成となっている。

即ち、チャンバ１のガスノズル１５の下側には金属製として銅（Ｃｕ）製の被エッチング部材５２が絶縁体製の円環部材５１に支持され、被エッチング部材５２は格子状とされている。ガスプラズマ２０がＣｕ製の格子状の被エッチング部材５２に作用することにより、被エッチング部材５２が加熱されると共にＣｕに均一な分布でエッチング反応が生じる。

被エッチング部材５２は格子状とされることで、プラズマアンテナ８の電気の流れに対して基板３と天井板７の間に不連続状態で配置された状態になっている。即ち、被エッチング部材５２はプラズマアンテナ８の電気の流れ方向である周方向に対して構造的に不連続な状態とされている。

尚、プラズマアンテナ８の電気の流れに対して不連続状態にする被エッチング部材の構成としては、円環部材５１の内側にチャンバ１の中心側に延びる突起部を設けたり、網目状に構成する等とすることも可能である。

第２実施形態例及び第３実施形態例の薄膜作製装置は、第１実施形態例の薄膜作製装置と同様に、Ｃｌ_２ガスがガスノズル１５からチャンバ１の周方向に渦巻状に供給されるので、Ｃｌ_２ガスが基板３に直接向けられることがなく、生ガスやラジカルによる基板３への影響を最小限に抑えることができ、基板３の表面の変質やエッチング過多を防ぐことができる。また、基板３の中心部に集中してＣｌ_２ガスがあたることがなくなるため、均一な成膜を行うことができる。また、ガスノズル１５の先端部はチャンバ１の周方向に傾斜して設けられているので、基板３の直上にガスノズル１５が配されることがなくなり、成膜時にノズル痕が膜に現れる虞がない。

本発明は、ハロゲン含有ガスを被処理体に対して均一に供給することができる処理装置及び処理方法の産業分野で利用することができる。

本発明の第１実施形態例に係る薄膜作製装置の概略斜視図である。 本発明の第１実施形態例に係る薄膜作製装置の概略側面図である。 ノズル取り付き部の断面図である。 他の実施形態例に係る被エッチング部材の外観図である。 本発明の第２実施形態例に係る薄膜作製装置の概略側面図である。 本発明の第３実施形態例に係る薄膜作製装置の概略側面図である。

符号の説明

１ チャンバ
２ 支持台
３ 基板
４ ヒータ
５ 冷媒流通手段
６ 温度制御手段
７ 天井板
８ プラズマアンテナ
９ 整合器
１０ 電源
１２、５２ 被エッチング部材
１３、５１ 円環部材
１４ 塩素含有ガス（Ｃｌ_２ガス）
１５ ガスノズル
１６ 流量制御器
１８ 真空装置
１９ 前駆体
２０ ガスプラズマ
３０ 被エッチング体
３１、３７ リング枠
３２、３８ 棒枠
３３ ヒータ筒
３４ 加熱コイル
３５ 直流電源
４１ コイルアンテナ

Claims (7)

1. 被処理体を支持する支持体が収容され圧力制御可能なチャンバと、
   原料を含有する金属製の被エッチング部材と、
   チャンバの内部にハロゲンを含有するガスを供給するハロゲン含有ガス供給手段と、
   チャンバの内部をプラズマ化しハロゲン含有ガスプラズマを発生させてハロゲンラジカルを生成すると共にハロゲンラジカルで被エッチング部材をエッチングすることにより被エッチング部材に含まれる金属成分とハロゲンとからなる前駆体を生成するプラズマ発生手段と
   を備え、
   ハロゲン含有ガス供給手段は、ハロゲン含有ガスをチャンバ内に供給する複数のノズルを備え、ノズルのガス噴出口はハロゲン含有ガスをチャンバの周方向に供給する向きとされている
   ことを特徴とする処理装置。
2. 請求項１に記載の処理装置において、
   被エッチング部材は、支持体の上方の周囲に配されていることを特徴とする処理装置。
3. 請求項２に記載の処理装置において、
   プラズマ発生手段は、チャンバの上面に配される平面リング状のアンテナと、アンテナに給電を行う給電手段とを有し、
   チャンバの筒部の被エッチング部材の外周部位にヒータを備えた
   ことを特徴とする処理装置。
4. 請求項２に記載の処理装置において、
   プラズマ発生手段は、チャンバの筒部の被エッチング部材の外周部位に備えられるコイルアンテナと、コイルアンテナに給電を行う給電手段とからなる
   ことを特徴とする処理装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の処理装置において、
   被処理体の温度を被エッチング部材の温度よりも低くすることで前駆体の金属成分を成膜させる温度制御手段を備えた
   ことを特徴とする処理装置。
6. 被処理体が収容されるチャンバ内でハロゲン含有ガスプラズマを発生させてハロゲンラジカルを生成すると共にハロゲンラジカルで原料を含有する金属製の被エッチング部材をエッチングすることにより被エッチング部材に含まれる金属成分とハロゲンとからなる前駆体を生成して被処理体に処理を施すに際し、ハロゲン含有ガスを被処理体の周方向に向けて供給することを特徴とする処理方法。
7. 請求項６に記載の処理方法において、
   被処理体の温度を被エッチング部材の温度よりも低くすることで、前駆体を被処理体に吸着させると共にハロゲンラジカルにより前駆体のハロゲン成分を引き抜くことで前駆体の金属製分を被処理体に成長させることを特徴とする処理方法。

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