JP2009016679A - ステージ装置およびその浮上制御方法と、ステージ装置を用いた露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
超精密位置決めが可能な小型ステージ装置を提供する。
【解決手段】
少なくとも３個づつ可動台３に対向するように配置された浮上用電磁石４を具備した固定台２と、前記浮上用電磁石４により非接触磁気浮上方式により支持される可動台３と、前記可動台３に具備された浮上制御用のギャップセンサ１２と、前記可動台３の中央に配置された２次元リニアセンサ８と、前記可動台３を駆動するリニアモータ５とを備えたステージ装置１において、前記可動台３の重心位置近傍の位置を検出する光学式計測手段５１、５２、５３を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、可動台が非接触に支持され、リニアモータで駆動され、任意の位置に位置決めされるステージ装置およびその駆動方法に関する。また、このステージ装置が備えられた露光装置に関するものである。

半導体集積回路や液晶基板の回路基板を感光基板に転写するために、投影露光装置が使用されており、２つの方式が提案されている。
第１の投影露光装置のステージはサポートプラットフォームを備えたものである（例えば、特許文献１）。
ステージ装置１００は、図５に示すように、固定フレーム１０１と、固定フレーム１０１に対してＸ方向に可動なスライダ１０２と、半導体ウェハＷを保持するサポートプラットフォーム１０３とからなっている。サポートプラットフォーム１０３は、Ｙ方向に沿って動くようにスライダ１０２に取り付けられている。ステージ装置１００は、さらに、Ｘ方向にスライダ１０２を動かす２つのＸリニアモータ１０５と、サポートプラットフォーム１０４がＹ方向に動かされるＹリニアモータ１０６を備えている。サポートプラットフォーム１０４が非接触支持される場合、前記サポートプラットフォーム１０４と固定フレーム１０１間の間隙を計測するために、静電容量型などの高精度変位センサが用いられている。ステージ装置１００は、サポートプラットフォーム１０４を正規の姿勢に保ち、Ｘ方向およびＹ方向に正確に位置決めしている。
第２の投影露光装置のステージは、磁気浮上装置を備えたものである（例えば、特許文献２）。
ステージ装置は、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、ステージ１は、浮上用電磁石４と、Ｙ軸リニアモータ５と、Ｘ軸リニアモータ６と、２次元リニアセンサ８等を具備した固定台２と、Ｙ軸リニアモータおよびＸ軸リニアモータ６から位置決めされる可動台３から構成されている。
固定台２は、Ｙ軸方向の両端が開口するとともに、下面にＹ軸方向に伸びる溝状の開口を備えた略矩形の形状をしており、穴９が天板に設けられている、穴９は可動台３または被搬送物１５の位置を計測する光学式計測器の光軸を通すために光軸に沿って貫通している。光軸が被搬送物１５に当たるように可動台３と交わる箇所に穴１６が設けられている。また固定台２は、互いに平行に配置された２組のＹ軸リニアモータ５と１組のＸ軸リニアモータ６を備えている。また、固定台２の天板と底板には、浮上用電磁石４、Ｙ軸リニアモータ５およびＸ軸リニアモータ６の固定子５１が上下対称に配置され、浮上用電磁石４は、４分割して図１（ａ）に示すように互いに間隔を開けて光軸を避けて配置されている。
可動台３は固定台２に取り付けられた浮上用電磁石４で支持され、Ｘ軸およびＹ軸方向に自在に移動できる。また、可動台３の上面および下面に、浮上用磁性片１７ 、Ｙ軸リニアモータ５およびＸ軸リニアモータ６の可動子６１が配置されている。可動台３はＸ軸リニアモータ６とＹ軸リニアモータ５によって駆動されて、Ｘ軸およびＹ軸方向に自在に移動する。ただし、本実施例ではＸ軸方向のストロークはＹ軸方向に比べて小さい。
２次元リニアスケール７は、可動台３の中央、２組のＹ軸リニアモータ５の中間にＹ軸リニアモータ５と平行に固定されている。２次元リニアスケール７はＸ軸方向およびＹ軸方向の位置を検出する目盛を刻んだリニアスケールであり、例えば独ハイデンハイン社の２軸座標測長システム（ＰＰ２７１Ｒ、ＰＰ２８１Ｒ）などが用いられる。
２次元リニアセンサ８は、固定台２にＹ軸方向に間隔を開けて２台取り付けられている。２次元リニアセンサ８は２次元リニアスケール７の目盛を読んで、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の位置を求めるセンサであり、例えば、前述の独ハイデンハイン社のＰＰ２７１Ｒ、ＰＰ２８１Ｒの２次元リニアエンコーダセンサなどが用いられる。
高精度ギャップセンサ１０は可動台３の上面に設けられ、対向する固定台２にターゲット１１が配置されている。
低精度ギャップセンサ１２は固定台２に設置され、対向する可動台３にターゲット１３が配置されている。
回転検出ギャップセンサ１４は固定台２に距離を設けて２個配置されており、対向する可動台３上にＹ軸ストローク分の長さをもつターゲット１３が配置されている。ターゲット１３は低精度ギャップセンサ１２用と兼用されている。
次に浮上用電磁石４および浮上用磁性片１７の詳細な構造について説明する。浮上用電磁石４および浮上用磁性片１７は、図６に示すように配置されている。浮上用電磁石４および浮上用磁性片１７の一方または両方は、ＰＴＦＥのような樹脂材料やステンレスのような金属材料等からなる非磁性材料２０で覆われており、対向する空隙は、高精度ギャップセンサ１０とターゲット１１の間隔よりも小さくなるように形成されている。
特開２００２−２６１０００号公報（第１０頁、第１図） 特開２００６−２８７０３３号公報

従来の投影露光装置に用いられる精密ステージには、半導体集積回路や液晶基板の回路基板を感光基板に転写するために、高精度な位置決めが要求されている。転写される線幅が細密化されるにしたがって、ステージに要求される精度も、位置決めのみならず、姿勢制御についても高精度な位置決めが要求されるようになってきている。このような状況になると、搬送される搬送物の近傍を位置検出部で検出するようにすることで、正確な位置や姿勢を制御することが必要となってくる。
ところが、従来のステージ装置では、小型化と精密な位置決め性能が要求されるが、精密な位置決めを実現するために、被搬送物の位置計測用としてレーザ式干渉計等が用いられると、その光軸を通す空間を確保するために、ステージ装置が大型化するという問題が生じていた。さらに、ステージ装置が大型化することにより、駆動電流が増大するために、発熱による熱膨張が機構部品に生じ、走行性能や姿勢精度が低下するという問題も生じていた。
また、可動台の重心位置を直接検出していないので、たとえば、可動台の形状誤差や撓みおよび歪みを含んだ値を計測することになるために、正確な可動台の位置や姿勢を計測することができないために位置および姿勢制御しても、可動台を正確に制御できないという問題が生じていた。
そこで、本発明は、走行性能や姿勢精度が低下することなく、ステージ装置が小型化でき、安定した浮上制御が可能なステージ装置およびその駆動方法と、ステージ装置を用いた露光装置を提供することを目的とするものである。

上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたものである。
請求項１に記載の発明は、少なくとも３個づつ可動台に対向するように配置された浮上用電磁石を具備した固定台と、前記浮上用電磁石により非接触磁気浮上方式により支持される可動台と、前記可動台に具備された浮上制御用のギャップセンサと、前記可動台の中央に配置された２次元リニアセンサと、前記可動台を駆動するリニアモータとを備えたステージ装置において、前記可動台の重心位置近傍の位置を検出する光学式計測手段を備えたものである。
請求項２に記載の発明は、前記可動台のＸ軸方向の変位を計測するために、前記可動台のＹ軸方向の移動方向に平行な前記固定台および前記可動台の一面に開口部を備えたものである。
請求項３に記載の発明は、前記可動台の開口部は、前記固定台の開口部よりも前記可動台のＹ軸方向の移動方向について大きく形成されたものである
請求項４に記載の発明は、前記可動台の開口部が、前記可動部の重心位置に対して対称構造に形成されたものである。
請求項５に記載の発明は、前記可動台の重心位置近傍に、前記光学式計測手段の反射ミラーが備えられたものである。
請求項６に記載の発明は、前記リニアモータは、Ｙ軸方向に前記可動台を移動させるＹ軸リニアモータと、Ｘ軸方向に前記可動台を移動させるＸ軸リニアモータとを備え、前記Ｙ軸リニアモータの電機子は、前記固定台の内上壁に取り付けられ、前記Ｘ軸リニアモータの電機子は、前記固定台の内側壁に取り付けられたものである。
請求項７に記載の発明は、前記Ｙ軸リニアモータは、前記電機子が前記固定台の内上壁に取り付けられ、前記電機子を上下方向から挟み込むように配置された永久磁石からなるものである。
請求項８に記載の発明は、前記Ｘ軸リニアモータは、前記電機子が前記固定台の内側壁に取り付けられ、前記電機子を上下方向から挟み込むように配置された永久磁石からなるものである。
請求項９に記載の発明は、前記Ｙ軸リニアモータは、前記電機子が前記固定台の内上壁に取り付けられ、前記電機子を上下方向から挟み込むように配置された永久磁石からなり、前記永久磁石が前記可動台に埋め込まれたものである。
請求項１０に記載の発明は、少なくとも３個づつ可動台に対向するように配置された浮上用電磁石を具備した固定台と、前記浮上用電磁石により非接触磁気浮上方式により支持される可動台と、前記可動台に具備された浮上制御用のギャップセンサと、前記可動台の中央に配置された２次元リニアセンサと、前記可動台を駆動するリニアモータとを備えたステージ装置の制御方法において、前記ギャップセンサが、低精度ギャップセンサとＺ軸光学式計測手段からなり、前記可動台と前記固定台間のギャップを計測し、前記可動台の浮上時に前記低精度ギャップセンサの信号を用いて浮上制御し、浮上後に前記Ｚ軸光学式計測手段の信号を用いて浮上制御するようにしたものである。
請求項１１に記載の発明は、前記固定台に備えた直動アクチュエータは、前記固定台に備えた回転検出ギャップセンサの検出信号に基づいて、回転補正し、回転補正後に前記可動台が浮上するようにしたものである。
請求項１２に記載の発明は、少なくとも３個づつ可動台に対向するように配置された浮上用電磁石を具備した固定台と、前記浮上用電磁石により非接触磁気浮上方式により支持される可動台と、前記可動台に具備された浮上制御用のギャップセンサと、前記可動台の中央に配置された２次元リニアセンサと、前記可動台を駆動するリニアモータとを備えたステージ装置の制御方法において、前記可動台が、前記２次元リニアセンサの信号をもとに駆動され、前記可動台の位置決め時には、センサ信号がＸ軸用光学式計測手段およびＹ軸光学式計測手段の信号が用いられるものである。
請求項１３に記載の発明は、前記ステージ装置であって、前記ステージ装置によって被搬送物を位置決めするものである。

請求項１から５に記載の発明によれば、光学式計測器の光路が通じる穴が固定台に具備されたことで、別途に光路が設けられることがないので、ステージ装置は小型化される。小型化されることにより、駆動用リニアモータの発熱量は低減され、熱膨張が抑制されることにより、走行性能や姿勢精度は向上する。
また、重心位置近傍を計測して位置決めするようにしたことで、浮上力や移動する際の推力が作用する点と可動台の重心位置が一定となることで制御性が向上し、走行性能や姿勢精度が向上する。
また、請求項６から９に記載の発明によれば、Ｙ軸リニアモータの電機子を固定台の内側壁に、Ｘ軸リニアモータの電機子を固定台の内上壁に配置し、各々のリニアモータの永久磁石を共通の取り付け部材を利用して可動台に配置する構成にしたことで、ステージ装置内部のスペースを有効活用することで、ステージ装置を小型化できる。このために、駆動用リニアモータの発熱量は低減され、熱膨張が抑制されることにより、走行性能や姿勢精度は向上する。
請求項１０および１１に記載の発明によれば、可動台に作用する浮上力の作用点と可動台の重心位置の相対関係および発生する浮上力が、可動台の移動位置に係わらず一定となるように浮上用電磁石および浮上用磁性片の形状が形成されたことにより、可動台の位置が変化しても可動台の浮上量は常に一定となることから制御性が向上する。また、浮上量に応じて、ギャップセンサを切り替えることで広範囲な領域で浮上制御ができるとともに、高精度な浮上制御が可能となる。
請求項１２に記載の発明によれば、可動台に作用する駆動力の作用点と可動台の重心位置の相対関係および発生する駆動力が、可動台の移動位置に係わらず一定となるように制御されることから制御性が向上する。また、位置決め時のリニアセンサを切り替えることで、広範囲な領域で移動量が制御できるとともに、高精度な位置決め制御が可能となる。
請求項１３に記載の発明によれば、可動台が非接触に支持されたステージ装置により、露光作業が可能である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

本発明の実施例は特許文献２についての改良発明であるので、特許文献２で説明した従来技術と符号が同じものについては構成説明を省略する。図１（ａ）は、本発明のステージ装置の上面図であり、図１（ｂ）は、同じくＹ軸方向から見た側面図である。
ステージ１は、浮上用電磁石４と、Ｙ軸リニアモータ５と、Ｘ軸リニアモータ６と、２次元リニアセンサ８等を具備した固定台２と、Ｙ軸リニアモータ５およびＸ軸リニアモータ６から位置決めされる可動台３から構成されている。
固定台２は、Ｙ軸方向の両端が開口するとともに、下面にＹ軸方向に伸びる溝状の開口を備えた略矩形の形状をしている。
また、可動台３のＹ方向には、搬送物の面に反射ミラー５５が備えられ、Ｙ軸光学式計測器５３からの光を反射してＹ軸方向の位置を計測している。また、可動台３のＸ方向には、搬送物の面に反射ミラー５４が備えられ、Ｘ軸光学式計測器５２からの光を反射してＸ軸方向の位置を計測している。さらに、Ｚ軸方向からは、Ｚ軸光学式計測器５１からの光を搬送物１５の中央部に照射し、反射光からＺ軸方向の位置を計測している。
また固定台２は、互いに平行に配置された２組のＹ軸リニアモータ５と１組のＸ軸リニアモータ６を備えている。また、固定台２の天板には浮上用電磁石４が配置され、浮上用電磁石４は、４分割して図１（ａ）に示すように互いに間隔を開けて配置されている。
ここで用いられている光学式計測器には、レーザ測長器のような波長の短いものが用いられている。
Ｙ軸方向へ可動台３を駆動するＹ軸リニアモータ５は、固定台２の内上壁に電機子５８が取り付けられ、電機子５８を挟み込むように永久磁石５９が両面に配置されている。永久磁石５８は、取り付け部材６０に取り付けられて取り付け部材６０が可動台３に締結される構造となっている。
また、Ｘ軸方向へ可動台を駆動するＸ軸リニアモータ６は、固定台２の内側壁に電機子６１が取り付けられ、電機子６１を挟み込むように永久磁石６２が両面に配置されている。永久磁石６２は、取り付け部材６３に取り付けられて取り付け部材６３が可動台３に締結される構造となっている。

次に動作について説明する。回転検出ギャップセンサ１４は可動台３のＸ方向位置を計測し、２つのセンサ１４信号の差分値から、固定台２に対する可動台３の傾きが求められる。可動台３の傾きが、図２（ａ）に示すように可動台３が２次元リニアセンサ８の許容相対角度以上の傾きを持っていた場合には、図２（ｂ）に示すように固定台２に距離を設けて２個配置したボールねじ機構などからなる直動のアクチュエータ１８で可動台３を押し、固定台２の反対方向に設けた２個の位置決めブロック１９に押し付けることによって、可動台３を固定台２と平行にする。
次に可動台３は、低精度ギャップセンサ１２の検出信号をもとに着地位置からＺ軸用光学式計測器５１の計測範囲まで浮上される。次に可動台３は、Ｚ軸用光学式計測器５１の検出信号に基づいて浮上制御される。
次に可動台３は、２次元リニアセンサ８の位置信号に基づいてＸ軸リニアモータ６とＹ軸リニアモータ５によって駆動され、Ｘ軸用光学式計測器５２およびＹ軸光学式計測器５３の計測範囲に入った時点で、図示しない制御装置へのセンサ信号が切り替えられ、被搬送物１５は目標位置に位置決めされる。

本発明が特許文献１および２と異なる部分は、固定台および可動台のＹ軸方向への移動方向に平行な一辺に開口部を備え、光学式計測器の光軸が可動台の重心位置近傍に導入された点である。また、Ｙ軸リニアモータの電機子を固定台の内上壁に、Ｘ軸リニアモータの電機子を固定台の内側壁に配置し、各々の電機子を挟み込むように永久磁石を配置した点である。このような構成にすることで、ステージ装置が小型化されることにより、発熱量が低減され、熱膨張が抑制されることにより、走行性能や姿勢精度が向上する。
また、可動台の重心位置近傍をＸ、Ｙ、Ｚの３軸ともに計測することで制御性が向上し、走行性能や姿勢精度が向上する。

次に、本発明の実施例について、図３を用いて説明する。実施例１と同符号の部分については説明を省略する。
第２の実施例が第１の実施例と異なる部分は、Ｙ軸リニアモータの永久磁石を可動台に埋め込んだ部分である。このような構成にすることでＹ軸方向の推力発生部分が可動台の重心位置線上に発生するために、走行精度が向上するものである。
Ｙ軸方向へ可動台３を駆動するＹ軸リニアモータ５は、可動台３と空隙を介して配置された固定台３の内上壁に電機子５８が取り付けられ、電機子５８を挟み込むように永久磁石５９が両面に配置されている。永久磁石５８は、取り付け部材６０に取り付けられて取り付け部材６０が可動台３に埋め込まれる構造となっている。

図４は、本発明のステージ装置を備えた露光装置の図である。３１は露光装置であり、３２は露光装置３１を収納する真空チャンバーである。３３は光源であり、波長０．１〜４００ｎｍのＥＵＶ光を発する。３４はステージ装置であり、前記第１から３の実施例で説明したいずれかの２軸位置決め装置である。ステージ装置３４の下面にはマスク３５が取り付けられている。マスク３５にはウェハ３６に形成される回路のパターンが描かれている。ウェハ３６はウェハステージ３７に載置されている。
光源３３を発したＥＵＶ光は集光ミラー３８で集光され、マスク３５で反射され、凹面ミラー３９、凹面ミラー４０、４１、凹面ミラー３７の順に反射を繰り返して、ウェハ３６に達する。また、ステージ装置３４およびウェハステージ３７は、ウェハ３６の表面にマスク３５上に描かれた回路パターンの縮小像をウェハ３６上に形成するように、相対的に位相を合せて移動する。

本発明は、半導体製造等の分野で、対象物を平面内で自在に位置決めするステージ装置として有用である。

本発明の実施例を示すステージ装置の上面図と側断面図 可動台回転角度調整機構の動作を示す上面図 本発明の第２の実施例を示すステージ装置の上面図と側断面図 本発明のステージ装置を備えた露光装置の図 従来の第１の発明を示すステージ装置の斜視図である。 従来の第２の発明を示すステージ装置の上面図と側断面図である。 従来の第２の発明の浮上用電磁石および浮上用磁性片の構造を示す断面図

符号の説明

１ ステージ装置
２ 固定台
３ 可動台
４ 浮上用電磁石
５ Ｙ軸リニアモータ
６ Ｘ軸リニアモータ
７ ２次元リニアスケール
８ ２次元リニアセンサ
９ 光軸用穴
１０ 高精度ギャップセンサ
１１ ターゲット
１２ 低精度ギャップセンサ
１３ ターゲット
１４ 回転検出ギャップセンサ
１５ 被搬送物
１６ 光軸用穴
１７ 浮上用磁性片
１８ 直動アクチュエータ
１９ 位置決めブロック
２０ 非磁性材料
２１ ピエゾアクチュエータ
２２ ロッド
２３ 支持点
２４ ピエゾアクチュエータ
２５ ロッド
２６ 昇降機構
２７ 昇降機構
２８ ローラ
２９ ローラサポート
３０ 支持台
３１ 露光装置
３２ 真空チャンバー
３３ 光源
３４ ステージ装置
３５ マスク
３６ ウェハ
３７ ウェハステージ
３８ 集光ミラー
３９ 凹面ミラー
４０ 凸面ミラー
４１ 凸面ミラー
４２ 凹面ミラー
１００ ステージ装置
１０１ 固定フレーム
１０２ スライダ
１０３ サポートプラットフォーム
１０４ サポートプラットフォーム
１０５ Ｘリニアモータ
１０６ Ｙリニアモータ

Claims (13)

1. 少なくとも３個づつ可動台に対向するように配置された浮上用電磁石を具備した固定台と、前記浮上用電磁石により非接触磁気浮上方式により支持される可動台と、前記可動台に具備された浮上制御用のギャップセンサと、前記可動台の中央に配置された２次元リニアセンサと、前記可動台を駆動するリニアモータとを備えたステージ装置において、
   前記可動台の重心位置近傍の位置を検出する光学式計測手段を備えたことを特徴とするステージ装置。
2. 前記可動台のＸ軸方向の変位を計測するために、前記可動台のＹ軸方向の移動方向に平行な前記固定台および前記可動台の一面に開口部を備えたことを特徴とする請求項１記載のステージ装置。
3. 前記可動台の開口部は、前記固定台の開口部よりも前記可動台のＹ軸方向の移動方向について大きく形成されたことを特徴とする請求項２記載のステージ装置。
4. 前記可動台の開口部は、前記可動部の重心位置に対して対称構造に形成されたことを特徴とする請求項２記載のステージ装置。
5. 前記可動台の重心位置近傍に、前記光学式計測手段の反射ミラーが備えられたことを特徴とする請求項１記載のステージ装置。
6. 前記リニアモータは、Ｙ軸方向に前記可動台を移動させるＹ軸リニアモータと、Ｘ軸方向に前記可動台を移動させるＸ軸リニアモータとを備え、前記Ｙ軸リニアモータの電機子は、前記固定台の内上壁に取り付けられ、前記Ｘ軸リニアモータの電機子は、前記固定台の内側壁に取り付けられたことを特徴とする請求項１記載のステージ装置。
7. 前記Ｙ軸リニアモータは、前記電機子が前記固定台の内上壁に取り付けられ、前記電機子を上下方向から挟み込むように配置された永久磁石からなることを特徴とする請求項６記載のステージ装置。
8. 前記Ｘ軸リニアモータは、前記電機子が前記固定台の内側壁に取り付けられ、前記電機子を上下方向から挟み込むように配置された永久磁石からなることを特徴とする請求項６記載のステージ装置。
9. 前記Ｙ軸リニアモータは、前記電機子が前記固定台の内上壁に取り付けられ、前記電機子を上下方向から挟み込むように配置された永久磁石からなり、前記永久磁石が前記可動台に埋め込まれたことを特徴とする請求項６記載のステージ装置。
10. 少なくとも３個づつ可動台に対向するように配置された浮上用電磁石を具備した固定台と、前記浮上用電磁石により非接触磁気浮上方式により支持される可動台と、前記可動台に具備された浮上制御用のギャップセンサと、前記可動台の中央に配置された２次元リニアセンサと、前記可動台を駆動するリニアモータとを備えたステージ装置の制御方法において、
    前記ギャップセンサが、低精度ギャップセンサとＺ軸光学式計測手段からなり、前記可動台と前記固定台間のギャップを計測し、前記可動台の浮上時に前記低精度ギャップセンサの信号を用いて浮上制御し、浮上後に前記Ｚ軸光学式計測手段の信号を用いて浮上制御するようにしたことを特徴とするステージ装置の制御方法。
11. 前記固定台に備えた直動アクチュエータは、前記固定台に備えた回転検出ギャップセンサの検出信号に基づいて、回転補正し、回転補正後に前記可動台が浮上するようにしたことを特徴とする請求項１０記載のステージ装置の制御方法。
12. 少なくとも３個づつ可動台に対向するように配置された浮上用電磁石を具備した固定台と、前記浮上用電磁石により非接触磁気浮上方式により支持される可動台と、前記可動台に具備された浮上制御用のギャップセンサと、前記可動台の中央に配置された２次元リニアセンサと、前記可動台を駆動するリニアモータとを備えたステージ装置の制御方法において、
    前記可動台は、前記２次元リニアセンサの信号をもとに駆動され、前記可動台の位置決め時には、センサ信号がＸ軸用光学式計測手段およびＹ軸光学式計測手段の信号が用いられることを特徴とするステージ装置の制御方法。
13. 請求項１に記載の前記ステージ装置であって、前記ステージ装置によって被搬送物を位置決めすることを特徴とする露光装置。

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