JP2008224587A - 表面形状測定器の較正方法及び表面形状測定器 - Google Patents

Abstract

【課題】 特に、従来に比べて高精度に且つ簡単な手法により、ピエゾ素子への印加電圧変化に対する走査部材の昇降方向への移動量を求めることができる表面形状測定器の較正方法を提供することを目的としている。
【解決手段】 Ｚステージ１１を試料表面に向けて移動させて、レーザホロスケール１２により測定した前記Ｚステージ１１の移動量と、変位検出部６により測定した前記カンチレバー５の変位量との関係を求める。次に、ピエゾ素子７に印加する電圧を変化させて、前記ピエゾ素子７に印加した電圧変化量と、前記変位検出部により測定した前記カンチレバー５の変位量との関係を求める。２つの検出結果から求められる各比率を、組み合わせることにより、ピエゾ素子７への印加電圧変化に対するカンチレバー５の昇降方向への移動量を算出する。
【選択図】 図７

Description

本発明は、特に、従来に比べて高精度に且つ簡単な手法により、ピエゾ素子への印加電圧変化に対する走査部材の昇降方向への移動量を求めることができる表面形状測定器の較正方法及び表面形状測定器に関する。

下記特許文献１や特許文献２に記載されているように、試料表面の形状測定を、走査プローブ顕微鏡にて行うことが出来る。

走査プローブ顕微鏡には、高さ方向にて微小に、具体的には、１ｎｍよりも小さい値でカンチレバーを昇降させるためにピエゾ素子（圧電素子）を使用している。

ところで、前記ピエゾ素子が走査プローブ顕微鏡に組み込まれた状態において、前記ピエゾ素子への印加電圧変化に対して、前記カンチレバーの昇降方向への移動量を正確に把握できないと、試料表面の段差寸法を精度良く検出することが出来ない。
特開平５−１１８８０７号公報 特表２００２−５４０４３６号公報

例えば、予め段差寸法が分かっている試料表面に前記カンチレバーを走査させ、そのときの前記ピエゾ素子に印加される電圧変化を測定することで、ピエゾ素子に印加した電圧変化と、カンチレバーの昇降方向への移動量との関係を求めることが出来る。

しかしながら上記の方法では、所定の段差寸法で形成した試料を精度良く作製することが必要であり、測定方法が非常に煩雑化した。

特許文献１及び特許文献２に記載された発明には、ピエゾ素子に印加した電圧変化に対するカンチレバーの昇降方向への移動量を測定する具体的手法は開示されていない。

そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、従来に比べて高精度に且つ簡単な手法により、ピエゾ素子への印加電圧変化に対する走査部材の昇降方向への移動量を求めることができる表面形状測定器の較正方法及び表面形状測定器を提供することを目的としている。

本発明は、試料表面を走査するための走査部材、前記走査部材の高さ方向への変位を測定するための変位検出部、及び、前記走査部材の前記試料表面に対する高さ位置を調整するためのピエゾ素子を有するセンサヘッド部と、前記センサヘッド部を昇降させるためのＺステージと、前記Ｚステージの昇降量を測定するための移動検出部とを有して成る表面形状測定器の較正方法であって、
（ａ） 前記Ｚステージを前記試料表面に向けて移動させて、前記走査部材の変位領域での前記移動検出部により測定した前記Ｚステージの移動量と、前記変位検出部により測定した前記走査部材の変位量との関係を求める工程、
（ｂ） 前記Ｚステージの移動を停止させた状態で、前記ピエゾ素子に印加する電圧を変化させて、前記走査部材を試料表面方向に移動させ、前記走査部材の変位領域での前記ピエゾ素子に印加した電圧変化量と、前記変位検出部により測定した前記走査部材の変位量との関係を求める工程、
（ｃ） （ａ）工程、及び、（ｂ）工程の各検出結果から求められる各比率を、前記走査部材の変位量を共通値にして組み合わせることにより、ピエゾ素子への印加電圧変化に対する走査部材の昇降方向への移動量を算出する工程、
を有することを特徴とするものである。

ピエゾ素子は、例えば１ｎｍよりも小さい微小移動単位で駆動するが、Ｚステージの移動単位は、例えば数ｎｍ程度と前記ピエゾ素子に比べて大きい。このためＺステージの移動量を前記検出移動部にて高精度に検出できる。

上記（ａ）工程、及び（ｂ）工程では、共に、前記走査部材の変位量が測定されている。このため前記（ｃ）工程では、（ａ）工程、及び、（ｂ）工程による検出結果から求められる各比率を、前記走査部材の変位量を共通値にして組み合わせることが可能である。これにより、ピエゾ素子に印加される電圧変化と、Ｚステージの昇降方向への移動量との関係が求まるが、Ｚステージの移動量は、走査部材の昇降方向への移動量と見ることが出来るから、前記（ｃ）工程により、ピエゾ素子に印加される電圧変化に対する走査部材の昇降方向への移動量を算出することが可能になる。

本発明によれば、このように初めから表面形状測定器に備えられている部材を用いて、ピエゾ素子への印加電圧変化に対する走査部材の昇降方向への移動量を算出することができる。また、Ｚステージの移動量を前記検出移動部にて高精度に検出できるから、最終的に（ｃ）工程で、ピエゾ素子への印加電圧変化に対する走査部材の昇降方向への移動量も高精度に求めることができる。

以上により本発明では、従来に比べて高精度に且つ簡単な手法によって、ピエゾ素子への印加電圧変化に対する走査部材の昇降方向への移動量を求めることが可能である。

本発明では、前記移動検出部にはレーザホロスケールを用いることが、より正確に、ピエゾ素子に印加した電圧変化に対する走査部材の昇降方向への移動量を求めることができ好適である。

また本発明における表面形状測定器は、試料表面を走査するための走査部材、前記走査部材の高さ方向への変位を測定するための変位検出部、及び、前記走査部材の前記試料表面に対する高さ位置を調整するためのピエゾ素子を有するセンサヘッド部と、前記センサヘッド部を昇降させるためのＺステージと、前記Ｚステージの昇降量を測定するための移動検出部と、制御部とを有し、
前記制御部には、前記Ｚステージを前記試料表面に向けて移動させて、前記走査部材の変位領域での前記移動検出部により測定した前記Ｚステージの移動量と、前記変位検出部により測定した前記走査部材の変位量との関係、及び、前記Ｚステージの移動を停止させた状態で、前記ピエゾ素子に印加する電圧を変化させて、前記走査部材を試料表面方向に移動させ、前記走査部材の変位領域での前記ピエゾ素子に印加した電圧変化量と、前記変位検出部により測定した前記走査部材の変位量との関係を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された２つの検出結果から求められる各比率を、前記走査部材の変位量を共通値にして組み合わせることにより、ピエゾ素子への印加電圧変化に対する走査部材の昇降方向への移動量を算出する較正算出部と、
を有することを特徴とするものである。

本発明の表面形状測定器によれば、従来に比べて高精度に且つ簡単な手法によって、ピエゾ素子への印加電圧変化に対する走査部材の昇降方向への移動量を求めることが可能である。

本発明では、従来に比べて高精度に且つ簡単な手法によって、ピエゾ素子への印加電圧変化に対する走査部材の昇降方向への移動量を求めることが可能である。

図１は、本実施形態の表面形状測定器の一部分を示す正面図（図１の（ａ））と側面図（図１の（ｂ））、図２は、本実施形態の表面形状測定器のブロック図、図３ないし図５は、表面形状測定の原理を説明するための概念図、図６は、磁気ヘッドスライダのディスク対向面を示す平面図、である。

図１及び図３に示すＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向の各方向は、残り２つの方向に対して直交する関係にある。Ｚ方向は高さ方向である。

図１に示す実施形態での表面形状測定器１は、走査型プローブ顕微鏡の一部分を示し、前記走査型プローブ顕微鏡は、例えば、走査型原子間力顕微鏡（ＳＡＦＭ）である。

図１に示すように、表面形状測定器１は、Ｚ軸モータ１０、Ｚステージ１１、レーザホロスケール（移動検出部）１２、及びセンサヘッド部１４を有して構成されている。

前記Ｚステージ１１は、Ｚ軸モータ１０の駆動によって図示上下方向へ移動可能に支持されている。前記Ｚステージ１１の昇降方向への移動量は、前記レーザホログラムロスケール１２によって正確に測定される。

前記センサヘッド部１４は、前記Ｚステージ１１に連結し、前記Ｚステージ１１の昇降に伴って前記センサヘッド部１４も一緒に昇降する。前記センサヘッド部１４は、図示上下方向へ伸縮可能に支持されたピエゾ素子７を備える。前記ピエゾ素子７の一端部はＺステージ１１側に固定支持され、他端部は、図３で説明するように、カンチレバー５を支持する連結部１７側に固定支持されている。よってカンチレバー５は前記ピエゾ素子７の伸縮によって図示上下方向に移動できるように支持されている。

図３では、図１に示すセンサヘッド部１４の内部構造を拡大して示してある。図３に示すように、前記センサヘッド部１４には、カンチレバー（走査部材）５、前記カンチレバー５を試料表面に走査させた際に生じる前記カンチレバー５の高さ方向への変位を測定するための変位検出部６、及び、前記カンチレバー５の高さ位置を調整するための前記ピエゾ素子７とを有して構成される。

図１に示すように前記カンチレバー５の先端部には、試料３を載せるための載置台４方向に向く探針８が設けられている。前記カンチレバー５の後端部は、カンチレバー保持部９に接続されている。そして前記カンチレバー保持部９とピエゾ素子７とが連結部１７を介して接続されている。前記変位検出部６は、レーザ部１３と、光検出器１６とで構成される。前記光検出器１６は、例えば、２分割フォトディテクタ（ＰＤ）である。

図２及び図３に示すように、センサヘッド部１４は制御部２０に接続されている。図２に示すように、レーザ部１３は、制御部２０の出力部２１とレーザ駆動部２２を介して接続される。光検出器（２分割フォトディテクタ）１６は、前記制御部２０の入力部２４とＰＤアンプ２３を介して接続される。ピエゾ素子７は、制御部２０の出力部２１とピエゾアンプ２５を介して接続される。さらにＺ軸モータ１０及びレーザホロスケール１２がコントローラ２７を介して制御部２０に接続されている。

本実施形態では、以下の方法によって、前記ピエゾ素子７への印加電圧変化に対するカンチレバー５の昇降方向への移動量を求める。

（第１の工程）
まず、Ｚ軸モータ１０を駆動させてＺステージ１１を前記試料３の表面方向に向けて降下させる。このときのＺステージ１１の移動量をレーザホロスケール１２で検出する。

Ｚステージ１１を徐々に降下させると、カンチレバー５の探針８が試料表面に当接する。さらにＺステージ１１を降下させると、前記カンチレバー５と試料表面間の距離が縮まり、前記カンチレバー５が試料表面に押し付けられた分、前記カンチレバー角度が変化する（図４を参照）。

レーザ部１３から照射されたレーザ光は、図３に示すように、前記カンチレバー５にて反射されて例えば２分割フォトディテクタ（ＰＤ）の光検出器１６に入射される。ＰＤ電圧値は、光検出器１６に入射するレーザ光の変位として読み取られ、前記ＰＤ電圧値が前記制御部２０に入力される。

前記カンチレバー５と試料表面間の距離が縮まり、前記カンチレバー角度が変化すると、図４に示すように、前記カンチレバー角度の変化に応じて反射したレーザ光の位置が変化し、２分割フォトディテクタ上のレーザ位置の変化に応じて、ＰＤアンプ２３の出力が変化する。前記ＰＤアンプ２３では、前記分割フォトディテクタから出力される電流値を電圧値に変換し、２つのＰＤの出力値の差分（ＰＤ電圧値）を取る。前記カンチレバー５と試料表面間の距離が縮まり、前記カンチレバー角度が試料表面に対して小さくなると、例えば、前記ＰＤ電圧値は小さくなる。本実施形態では、ＰＤ電圧値が変化することを、「走査部材の高さ方向への変位」と規定する。

上記したＺステージ１１の移動距離と、ＰＤ電圧値とを測定し、それをグラフにしたのが図７（ａ）である。図７（ａ）及び後述する図７（ｂ）は、共に、シミュレーション結果である。

図７（ａ）には、Ｚステージ１１の移動に伴い、ＰＤ電圧値が徐々に小さくなる領域（変位領域）が現れている。本実施形態では、変位領域まで、前記Ｚステージ１１を試料表面に向けて降下させることが必要である。

この第１の工程での、Ｚステージ１１の移動量と、ＰＤ電圧値との関係は、図２に示す制御部２０の記憶部２６に記憶される。

（第２の工程）
次に、前記Ｚステージ１１を試料表面に向けて降下させ、前記Ｚステージ１１を前記試料表面に対して所定間隔を空けて停止させる。前記所定間隔は、実際に、試料表面形状を測定する際の間隔程度であれば足りる。このとき、前記ＰＤ電圧値は一定の大きさとなっている。

Ｚステージ１１を停止した状態を維持して、前記ピエゾ素子７に電圧を印加して、前記ピエゾ素子７を伸長させると、カンチレバー５が試料表面方向に徐々に降下する。このとき、前記カンチレバー５と前記試料表面間の距離が徐々に縮まり、カンチレバー角度が試料表面に対して小さくなると、前記ＰＤ電圧値は小さくなる。前記ＰＤ電圧値は、前記光検出器１６から制御部２０へ入力される。

上記したピエゾ素子７に印加した電圧と、ＰＤ電圧値とを測定し、それをグラフにしたのが図７（ｂ）である。

図７（ｂ）には、ピエゾ素子７への印加電圧変化に対して、ＰＤ電圧値が徐々に小さくなる領域（変位領域）が現れている。本実施形態では、変位領域でのピエゾ素子７への印加電圧変化とＰＤ電圧値との関係を求めることが必要である。

この第２の工程での、ピエゾ素子７に印加した電圧と、ＰＤ電圧値とを測定しとの関係は、図２に示す制御部２０の記憶部２６に記憶される。

（第３の工程）
図７（ａ）の検出結果からは、比率ａ（Ｚステージ１１の移動変化量／ＰＤ電圧値変化量）を求めることができる。この比率ａは、前記変位領域で求める。図７（ａ）では、前記比率ａは−２である。

また、図７（ｂ）の検出結果からは、比率ｂ（ピエゾ素子７に印加された電圧変化量／ＰＤ電圧値変化量）を求めることができる。この比率ｂは、前記変位領域で求める。図７（ｂ）では、前記比率ｂは−１０である。

前記比率ａ及び比率ｂの分母が共に「ＰＤ電圧値変化量」である。よって、比率ａ及び比率ｂを、前記ＰＤ電圧値変化量を共通値として組み合わせることが可能である。前記比率ａは−２、比率ｂは−１０であるから「ＰＤ電圧値変化量」は共に１の共通値である。よって、比率ａを比率ｂで割ると、比率ｃ（Ｚステージ１１の移動変化量／ピエゾ素子７に印加された電圧変化量）が求まり、前記比率ｃは０．２（ｎｍ／ｍＶ）となる。ここで、Ｚステージ１１の移動量は、カンチレバー５の昇降方向への移動量と同じことであるから、比率ｃは、ピエゾ素子７に印加される電圧が１ｍＶ変化すると、カンチレバー５が０．２ｎｍづつ昇降方向に向けて移動することを表している。

前記第３の工程での演算は、図２に示すように制御部２０内に設けられた較正演算部２８により行われる。

以上により、前記ピエゾ素子７への印加電圧変化に対するカンチレバー５の昇降方向への移動量を求めることが出来る。

Ｚステージ１１のＺ軸モータ１０による移動単位は、例えば数ｎｍ程度と前記ピエゾ素子７に比べて大きい。例えばＺ軸モータ１０はパルスモータであり、１パルスで前記Ｚステージ１１は数ｎｍ昇降する。このようにＺステージ１１の移動単位は大きいので、Ｚステージ１１の移動量を前記レーザホロスケール１２で正確に検出できる。

上記の第１の工程、及び第２の工程に示すように、各検出結果には共に、「ＰＤ電圧値変化量」が求められる。このため第３の工程では、第１の工程、及び第２の工程の検出結果から求められる各比率ａ，ｂを、前記「ＰＤ電圧値変化量」を共通値にして組み合わせることが可能である。これにより、ピエゾ素子７への印加電圧変化に対するカンチレバー５の昇降方向への移動量、特に１ｎｍよりも小さい微小移動量を算出することが可能になる。

本実施形態によれば、このように初めから表面形状測定器１に備えられている種々の部材を用いて、ピエゾ素子７への印加電圧変化に対するカンチレバー５の昇降方向への移動量を算出することができる。また、Ｚステージ１１の移動量を前記レーザホロスケール１２にて正確に検出できるから、最終的に第３の工程でのピエゾ素子７への印加電圧変化に対するカンチレバー５の昇降方向への移動量も高精度に求めることができる。

以上により本実施形態では、従来に比べて高精度に且つ簡単な手法によって、ピエゾ素子７への印加電圧変化に対するカンチレバー５の昇降方向への移動量を求めることが可能である。

次に、試料表面形状の測定方法について説明する。
Ｚステージ１１を上昇させてセンサヘッド部１４を上方へ移動させ、前記センサヘッド部１４と載置台４との間の間隔を大きくした状態で、前記載置台４の表面に試料３を載せる。前記載置台４の表面は、Ｘ−Ｙ平面と平行な面に向いている。続いて前記Ｚステージ１１を降下させ、前記センサヘッド部１４と試料３の表面間を所定距離離した状態で前記Ｚステージ１１の移動を停止させて、以下の試料表面形状の測定を行う。

図５に示すように表面形状測定器１では、前記カンチレバー５が前記試料３の表面を接触しながら走査する。

図３に示すように、前記レーザ光は、前記カンチレバー５で反射されて、前記光検出器１６に入射される。前記光検出器１６では前記ＰＤ電圧値の大きさを測定し（図４も参照）、前記ＰＤ電圧値は、図２に示すようにＰＤアンプ２３を介して制御部２０内の入力部２４から入力される。

図５に示すように（１）の位置からカンチレバー５を図示右方向に走査させると、平坦面では、前記ＰＤ電圧値は一定である。

図５に示す（２）の位置には、走査面の高さが高くなる段差があり、前記カンチレバー５が高さの高い走査面上に乗ると、前記カンチレバー５と試料３間の距離が縮まり、前記ＰＤ電圧値が小さくなる。この結果、前記光検出器１６から制御部２０内に入力されるＰＤ電圧値が変動する。

この結果を受けて、制御部２０では、出力部２１とピエゾアンプ２５を介して接続されるピエゾ素子７に印加する電圧を変化させて、前記ピエゾ素子７を縮ませ、前記カンチレバー５をΔＺだけ上昇させて、図５の（３）に示すように、前記ＰＤ電圧値を再び（１）の状態のときと同じ値になるように制御する。前記ピエゾ素子７をＺ軸方向に伸び縮させて、常に、前記カンチレバー５と試料表面との高さ方向への位置関係が一定になるようにフィードバックを行っている。

走査範囲における前記ピエゾ素子７への印加電圧変化を測定する。上記した第１の工程〜第３の工程により、既に、ピエゾ素子７への印加電圧変化に対するカンチレバー５の昇降方向への移動量がわかっているので、前記ピエゾ素子７への印加電圧変化から、試料表面の段差寸法を正確に測定することが可能である。

図６に示すように、例えば、試料３には、磁気ヘッドスライダ４０が用いられる。前記磁気ヘッドスライダ４０はアルミナチタンカーバイト（Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ）で形成されるスライダ４１と、前記スライダ４１の一端部（トレーリング側端面；空気流出端）に設けられた再生及び記録用の薄膜磁気ヘッド４２と、ディスク対向面を除いて前記薄膜磁気ヘッド４２の周囲を囲む絶縁性の保護層４３とを有して構成される。

薄膜磁気ヘッド４２の再生用ヘッドは、磁性材料で形成されたシールド層４４，４５やＭＲ素子等で構成される。記録用ヘッドは、磁性材料で形成された磁極層４６，４７等で構成される。前記保護層４３は例えばＡｌ_２Ｏ_３で形成される。前記ディスク対向面には例えば薄いコーティング層が設けられている。

前記磁気ヘッドスライダ４０のディスク対向面にはラッピング処理が施される。このとき前記ディスク対向面に現れる材質の違いから前記ディスク対向面の薄膜磁気ヘッド近傍には凹凸段差が生じる。磁気ヘッドスライダ４０を使用した際に、薄膜磁気ヘッド４２とディスクとの間隔（スペーシング）を精度よく規制するため、前記薄膜磁気ヘッド４２のディスク対向面が、スライダ４１のディスク対向面からどの程度後退した位置にあるのか、正確に知ることは重要なことである。

本実施形態によれば、前記薄膜磁気ヘッド４２のディスク対向面の、スライダ４１のディスク対向面からの後退量を１ｎｍよりも小さい微小量にて高精度に求めることが可能である。

本実施形態の表面形状測定器の一部分を示す正面図（図１の（ａ））と側面図（図１の（ｂ））、 本実施形態の表面形状測定器のブロック図、 主にセンサヘッド部の構成と表面形状測定の原理を説明するための第１概念図、 表面形状測定の原理を説明するための第２概念図、 試料表面の測定原理を説明するための第３概念図、 磁気ヘッドスライダのディスク対向面を示す平面図、 （ａ）は、Ｚステージの移動量とＰＤ電圧値との関係を示すグラフ（概念図）、（ｂ）は、ピエゾ素子に印加される電圧変化と、ＰＤ電圧値との関係を示すグラフ（シミュレーション）、

符号の説明

１ 表面形状測定器
３ 試料
４ 載置台
５ カンチレバー
６ 変位検出部
７ ピエゾ素子
８ 探針
９ カンチレバー保持部
１０ Ｚ軸モータ
１１ Ｚステージ
１２ レーザホロスケール
１３ レーザ部
１４ センサヘッド部
１６ 光検出器
２０ 制御部
２１ 出力部
２４ 入力部
２５ 較正演算部
４０ 磁気ヘッドスライダ
４１ スライダ
４２ 薄膜磁気ヘッド
４３ 保護層

Claims (3)

1. 試料表面を走査するための走査部材、前記走査部材の高さ方向への変位を測定するための変位検出部、及び、前記走査部材の前記試料表面に対する高さ位置を調整するためのピエゾ素子を有するセンサヘッド部と、前記センサヘッド部を昇降させるためのＺステージと、前記Ｚステージの昇降量を測定するための移動検出部とを有して成る表面形状測定器の較正方法であって、
   （ａ） 前記Ｚステージを前記試料表面に向けて移動させて、前記走査部材の変位領域での前記移動検出部により測定した前記Ｚステージの移動量と、前記変位検出部により測定した前記走査部材の変位量との関係を求める工程、
   （ｂ） 前記Ｚステージの移動を停止させた状態で、前記ピエゾ素子に印加する電圧を変化させて、前記走査部材を試料表面方向に移動させ、前記走査部材の変位領域での前記ピエゾ素子に印加した電圧変化量と、前記変位検出部により測定した前記走査部材の変位量との関係を求める工程、
   （ｃ） （ａ）工程、及び、（ｂ）工程の各検出結果から求められる各比率を、前記走査部材の変位量を共通値にして組み合わせることにより、ピエゾ素子への印加電圧変化に対する走査部材の昇降方向への移動量を算出する工程、
   を有することを特徴とする表面形状測定器の較正方法。
2. 前記移動検出部にはレーザホロスケールを用いる請求項１記載の表面形状測定器の較正方法。
3. 試料表面を走査するための走査部材、前記走査部材の高さ方向への変位を測定するための変位検出部、及び、前記走査部材の前記試料表面に対する高さ位置を調整するためのピエゾ素子を有するセンサヘッド部と、前記センサヘッド部を昇降させるためのＺステージと、前記Ｚステージの昇降量を測定するための移動検出部と、制御部とを有し、
   前記制御部には、前記Ｚステージを前記試料表面に向けて移動させて、前記走査部材の変位領域での前記移動検出部により測定した前記Ｚステージの移動量と、前記変位検出部により測定した前記走査部材の変位量との関係、及び、前記Ｚステージの移動を停止させた状態で、前記ピエゾ素子に印加する電圧を変化させて、前記走査部材を試料表面方向に移動させ、前記走査部材の変位領域での前記ピエゾ素子に印加した電圧変化量と、前記変位検出部により測定した前記走査部材の変位量との関係を記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶された２つの検出結果から求められる各比率を、前記走査部材の変位量を共通値にして組み合わせることにより、ピエゾ素子への印加電圧変化に対する走査部材の昇降方向への移動量を算出する較正算出部と、
   を有することを特徴とする表面形状測定器。

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