JP2010038699A - 測定電流値決定方法及び４探針抵抗率測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ４探針抵抗率測定において試料の測定に必要な電圧値を実現するために、試料に供給すべき電流の電流値を決定する方法を提供する。
【解決手段】 ４探針抵抗率測定において試料の電気抵抗を測定する際に、特定電圧値により測定するために試料に供給すべき電流値を決定する測定電流値決定方法であって、試料の測定結果である２組の電流値と電圧値を取得し、２組の電流値と電圧値の座標を結ぶ直線式、ｙ＝ａｘ＋ｂを求め、特定電圧値をこの直線式のｘに代入することで電流値ｙを計算し、計算で求めた電流値ｙを試料に供給して電圧値を測定し、測定された電圧値が特定電圧値の許容範囲に含まれるとき測定された電圧値に対応した電流値を試料の測定に使用する電流値と決定する測定電流値決定方法。
【選択図】図１

Description

この発明は、４探針抵抗率測定において試料の測定に使用する電流値の決定方法であり、特に非直線性をもつ試料に対する測定に使用する電流値の決定方法に関する。

近年、半導体の広い普及を背景に、半導体ウェハの測定装置についても多くの課題が要されており、これに対する技術が広く知られている。
特許文献１は、４探針抵抗率測定装置であり、ウェハを円盤状回転ステージに搭載して回転させ、４探針プローブまたは膜厚センサヘッドをウェハの半径方向に移動して配置することで、抵抗率測定や膜厚測定を行なうことができる技術が開示されている。

特開２００３−２９７８９０号公報。

一方、特許文献１の技術分野において、半導体ウェハ等の測定に用いられる４探針抵抗率測定装置で求められるＪＩＳ Ｈ ０６０２−１９９５「シリコン単結晶及びシリコンウェハの４探針法による抵抗率測定方法」の規格では、測定電圧が一定の電圧例えば１０ｍＶ付近となるように印加電流を調節して測定することが推奨されている。これは、本来はウェハ（試料）に１ｍＡを印加し１ｍＶの測定電圧を得て１Ωを算出するのも、１Ａを印加し１Ｖの測定電圧を得て１Ωを算出するのも同じはずであるが、電流印加時の発熱の問題などを踏まえてウェハ測定の実情に即して統一を図ろうとするものである。

しかしながら、特許文献１は、このように要望された測定電圧を実現するための印加電流決定シーケンスを開示してはいないという問題がある。
本発明は、４探針抵抗率測定において試料の測定に必要な電圧値を実現するために試料に供給すべき電流の電流値を決定する方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための一実施形態は、
４探針抵抗率測定により試料の電気抵抗を測定する際に、特定電圧値により測定するために前記試料に供給すべき電流値を決定する測定電流値決定方法であって、
前記試料の測定結果である２組の電流値と電圧値を取得し、
前記２組の電流値と電圧値の座標を結ぶ直線式、ｙ＝ａｘ＋ｂを求め、
前記特定電圧値をこの直線式のｘに代入することで前記電流値ｙを計算し、
前記計算で求めた電流値ｙを前記試料に供給して電圧値を測定し、
前記測定された電圧値が前記特定電圧値の許容範囲に含まれるとき、当該測定された電圧値に対応する電流値を前記試料の測定に使用する電流値と決定し、
前記測定した電圧値が前記特定電圧値の許容範囲に含まれないとき、前記計算した電流値ｙと前記測定した電圧値の座標とその前に測定した測定結果である電流値と電圧値の座標とを結ぶ直線式を求め、この直線式を用いた前記電流値ｙの計算処理及びこの計算した電流値を用いた測定処理を、前記測定処理による電圧値が前記特定電圧値の許容範囲に含まれるまで繰り返すことを特徴とする測定電流値決定方法である。

４探針抵抗率測定において測定しようとする試料が整流効果や非直線性を示している場合でも、規格で要望される１０ｍＶ等の測定時の電圧を実現するために、試料に印加すべき電流の電流値を自動的に決定することができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
（構成）
初めに、本発明の一実施形態に係る半導体ウェハ測定装置の構成を以下に説明する。図１は、４探針抵抗率測定装置１０の構成の一例を示すブロック図である。４探針抵抗率測定装置１０は、各部に接続され全体の動作を制御して後述する電流値決定方法や試料の測定を行ない内部に記憶領域をもつ制御部１１と、半導体ウェハ等の試料Ｗを載置するステージ１５と、試料Ｗを測定するために試料に測定電流を供給して電圧を測定する４探針プローブ１４を有している。さらに４探針抵抗率測定装置１０は、制御部１１に接続され４探針プローブ１４に定電流を供給する定電流発生部１２と、制御部１１に接続され４探針プローブ１４から測定電圧を受ける電圧測定部１３と、ユーザの操作に応じて操作信号を制御部１１に供給する操作部１７と、制御部１１が測定した測定結果や操作情報を画面に表示する表示部１６を有している。
このような構成をもつ４探針抵抗率測定装置１０は、上述したように半導体ウェハ等の測定に用いられる４探針抵抗率測定装置で求められるＪＩＳ Ｈ ０６０２−１９９５「シリコン単結晶及びシリコンウェハの４探針法による抵抗率測定方法」の規格等において、測定電圧が一定の電圧例えば１０ｍＶ付近となるように印加電流を調節して測定することが推奨されている。このような測定電圧を実現するための電流値決定方法を以下にフローチャートを用いて説明する。

（第１の電流値決定方法）
初めに、第１の電流値決定方法を図２のフローチャートを用いて説明する。図２は、４探針抵抗率測定装置１０の第１の電流値決定方法の一例を示すフローチャート、図３は、第１の電流値決定方法による成功した測定結果の一例を示す説明図である。なお、以下の図２及び図７のフローチャートの各ステップは、回路ブロックに置き換えることができ、従って、各フローチャートのステップは、全て回路ブロックに定義しなおすことが可能である。

（１）第１の測定結果
初めに、図２に示すフローチャートを用いて、図３で示した第１の測定結果を説明する。図３の（ａ）は４探針抵抗率測定装置１０でウェハを電圧１０ｍＶ付近で測定するための決定電流値、その電流を印加して得られた測定電圧値を示す表であり、（ｂ）は電流値、その電流を印加して得られた測定電圧値を示すグラフである。図４の（ａ）は４探針抵抗率測定装置１０でウェハを電圧１０ｍＶ付近で測定するための決定電流値、測定電圧値、電流計算式を示す表であり、（ｂ）は電流値と電圧値の関係を示すグラフである。

４探針抵抗率測定装置１０の制御部１１は、初めに、制御部１１の制御により記憶領域に格納された初期電流値である０．００１ｍＡ（固定）を読み出し、これを電流決定シーケンスの測定回１において、定電流発生部１２から試料Ｗに印加し電圧測定部１３は電圧値を測定する（ステップＳ１１）。電圧測定部１３は、測定電圧２．１７７ｍＶを得ている。次に、制御部１１は、測定した電圧値が目標の電圧値の許容範囲（一例として１０ｍＶ±２％以内）に含まれるかどうかを判断する（ステップＳ１２）。

測定した電圧値が許容範囲でなければステップＳ１３に進み、制御部１１は、測定回が所定回数（例えば１０回）に達しているかどうか判断する（ステップＳ１３）。制御部１１は、測定回が所定回数（例えば１０回）に達していない判断すれば、測定に使用した電流値と、測定結果である電圧値とに基づいて、目標電圧ｘに対して比例計算を行ない、最適な電流値を計算する。具体的には、電流決定の計算は、ひとつ前の測定回の（電圧値，電流値）の座標点とグラフの原点を結ぶ直線の式、ｙ＝ａｘを求め、この式のｘに目標とする測定電圧１０ｍＶを代入して行われる（ステップＳ１４）。すなわち、測定回２において、測定回１の電流０．００１ｍＡおよび電圧２．１７７ｍＶの組合せから比例計算により電圧１０．００ｍＶのときの電流０．００４５９ｍＡを算出する。

次に、制御部１１、定電流発生部１２、電圧測定部１３は、計算で求めた電流値０．００４５９ｍＡを試料に印加して、電圧値を測定する（ステップＳ１５）。ここでは、測定電圧３．０７０ｍＶを得ている。制御部１１は、ステップＳ１２に進み、測定した電圧値が目標の電圧値の許容範囲（一例として１０ｍＶ±２％以内）かどうかを判断して許容範囲でなければステップＳ１３に進んで測定回数を判断し（ステップＳ１３）、以降、先に説明したステップＳ１３，１４の測定を繰り返す。

同様に、図４に示すように、電流決定の測定回３から７までの過程を次に示す。
測定回１ ０．００１００ｍＡ印加 →２．１７７ｍＶを測定した
測定回２ （１０ｍＶ／２．１７７ｍＶ）×０．００１００ｍＡ
＝０．００４５９ｍＡ印加 →３．００７ｍＶを測定した
測定回３ （１０ｍＶ／３．００７ｍＶ）×０．００４５９ｍＡ
＝０．０１５２６ｍＡ印加 →５．４９５ｍＶを測定した
測定回４ （１０ｍＶ／５．４９５ｍＶ）×０．０１５２６ｍＡ
＝０．０２７７７ｍＡ印加 →６．５３６ｍＶを測定した
測定回５ （１０ｍＶ／６．５３６ｍＶ）×０．０２７７７ｍＡ
＝０．０４２４９ｍＡ印加 →９．９８１２ｍＶを測定した
測定回６ （１０ｍＶ／９．９８１２ｍＶ）×０．０４２４９ｍＡ
＝０．０４２５７ｍＡ印加 →１０．００１８ｍＶを測定した
測定回７ （１０ｍＶ／１０．００１８ｍＶ）×０．０４２５７ｍＡ
＝０．０４２５６ｍＡ印加 →９．９８７７１ｍＶを測定した。

上記の値では、測定回５において、許容範囲（一例として１０ｍＶ±２％以内）内の電圧値を得ている（成功）。従って、制御部１１の制御により上述したステップＳ１２の働きによりそれ以降の処理を中止することができるが、例えば予定している１０回を全て行なうことも好適である。予定した電圧値を実現する電流値が得られれば、制御部１１は、合格した電流値によって試料Ｗの測定を実行する（ステップＳ１６）。また、制御部１１は、許容範囲内の電圧値を得ることができなくとも、予定した１０回に達すると、例えば、測定を中止する、または、測定に用いた電流値の中から最も好成績な電流値により、試料を測定することが好適である（ステップＳ１７）。

以上、説明した第１の電流値決定方法によれば、試料に一定の比例性があれば、要望された測定電圧による測定が可能となる電流値を自動的に決定し、この値により、規格で定められた測定電圧値により試料の測定処理を行なうことができる。
（２）第２の測定結果
次に、第１の電流値決定方法による異なった試料を対象とした第２の測定結果を説明する。すなわち、図５の（ａ）は４探針抵抗率測定装置１０でウェハを電圧１０ｍＶ付近で測定するための決定電流値、その電流を印加して得られた測定電圧値を示す表であり、（ｂ）は電流値、その電流を印加して得られた測定電圧値を示すグラフである。また、図６の（ａ）は４探針抵抗率測定装置１０でウェハを電圧１０ｍＶ付近で測定するための決定電流値、測定電圧値、電流計算式を示す表であり、（ｂ）は電流値と電圧値の関係を示すグラフである。

第２の測定結果は、第１の測定結果とは異なった試料を対象としており、試料の電気的特定として比例性が低かったり、試料に整流効果をもっているため、単純な比例計算では電流を決定することができなかった例である。すなわち、図２のフローチャートによる第１の電流値決定方法を行なって、
測定回１ ０．００１００ｍＡ印加 →０．３４８６ｍＶを測定した
測定回２ （１０ｍＶ／０．３４８６ｍＶ）×０．００１００ｍＡ
＝０．０２８６８ｍＡ印加 →０．８１６８ｍＶを測定した
測定回３ （１０ｍＶ／０．８１６８ｍＶ）×０．０２８６８ｍＡ
＝０．３５１１２ｍＡ印加 →４３．５２１ｍＶを測定した
測定回４ （１０ｍＶ／４３．５２１ｍＶ）×０．３５１１２ｍＡ
＝０．０８０６８ｍＡ印加 →２２．１７１ｍＶを測定した
測定回５ （１０ｍＶ／２２．１７１ｍＶ）×０．０８０６８ｍＡ
＝０．０３６３９ｍＡ印加 →３．５９６６ｍＶを測定した
測定回６ （１０ｍＶ／３．５９６６ｍＶ）×０．０３６３９ｍＡ
＝０．１０１２ｍＡ印加 →２７．０６５ｍＶを測定した
測定回７ （１０ｍＶ／２７．０６５ｍＶ）×０．１０１２ｍＡ
＝０．０３７３９ｍＡ印加 →３．９３１３ｍＶを測定した
測定回８ （１０ｍＶ／３．９３１３ｍＶ）×０．０３７３９ｍＡ
＝０．０９５１１ｍＡ印加 →２４．６０７ｍＶを測定した
測定回９ （１０ｍＶ／２４．６０７ｍＶ）×０．０９５１１ｍＡ
＝０．０３８６５ｍＡ印加 →４．２７９３ｍＶを測定した
測定回１０ （１０ｍＶ／４．２７９３ｍＶ）×０．０３８６５ｍＡ
＝０．０９０３２ｍＡ印加 →２２．７９２ｍＶを測定した
測定回１１ （１０ｍＶ／２２．７９２ｍＶ）×０．０９０３２ｍＡ
＝０．０３９６３ｍＡ印加 →４．５９８０ｍＶを測定した
この例では、図５及び図６に示すように、電流決定シーケンスの最大の測定回である測定回１１を実行しても、測定した電圧値が目標電圧の許容範囲（例えば１０ｍＶ±２％以内）内に入らないため、エラーと判定して処理が終了する。エラーとなる原因としては、試料の性質により、図５の（ｂ）に示すように、直線近似した電圧・電流特性曲線がＸＹ座標軸の原点を通らず、電圧・電流値が目標値の上下を往復するばかりで収束していかないためである。

（第２の電流値決定方法）
次に、第２の電流値決定方法を、上述した図５及び図６のエラーとなった試料に関して算出を行なった場合を図７のフローチャートを用いて説明する。図８は４探針抵抗率測定装置の第２の電流値決定方法による測定結果の一例を示す説明図であり、（ａ）は決定電流値、測定電圧値であり、（ｂ）は４探針抵抗率測定装置１０でウェハを電圧１０ｍＶ付近で測定するための電流計算式であり、（ｃ）は電流値と電圧値の関係を示すグラフである。

４探針抵抗率測定装置１０の制御部１１は、初めに、制御部１１の制御により記憶領域に格納された初期電流値である０．００１ｍＡ（固定）を読み出し、これを電流決定シーケンスの測定回１において定電流発生部１２から試料Ｗに印加し、電圧測定部１３は電圧値を測定する（ステップＳ２１）。電圧測定部１３は、測定電圧０．３４８６Ｖを得ている。次に、制御部１１は、測定した電圧値が目標の電圧値の許容範囲（一例として１０ｍＶ±２％以内）かどうかを判断する（ステップＳ２２）。

測定した電圧値が許容範囲でなければステップＳ２３に進み、制御部１１は、（電流値、電圧値）の測定結果が２組以上あるかどうかを判断する（ステップＳ２３）。制御部１１は測定結果が２組以上は存在しないと判断すると、上述した第１の電流値測定方法を用いて、測定に使用した電流値と測定結果である電圧値とに基づいて、目標電圧ｘに対して比例計算を行ない、最適な電流値を計算する（ステップＳ２４）。そして、制御部１１及び定電流発生部１２は、計算で求めた電流値の電流を試料に印加し、電圧測定部１３は電圧値を測定を行なう（ステップＳ２５）。

すなわち、第２の電流値決定方法では、測定回１と測定回２は、一例として、上述した第１の電流値決定方法で行なうものである。この結果、以下の２組の（電圧値、電流値）の座標が得られる。
（０．３４８６ｍＶ，０．００１０ｍＡ）（０．８１６８ｍＶ，０．０２８６８ｍＡ）
次に、４探針抵抗率測定装置１０の制御部１１は、これらの２組の電圧値が目標の電圧値の許容範囲（一例として１０ｍＶ±２％以内）に含まれず（ステップＳ２２）、２組以上の測定結果が存在するので（ステップＳ２３）、２組の電流値と電圧値の座標を結ぶ直線式ｙ＝ａｘ＋ｂを求める。ここで、ｙ＝ａｘ＋ｂは、図８の（ｂ）に示すように次式で表される。

なお、ｎは、測定回を示している。
式（１）に上記２組の電流値と電圧値を代入すると、
ｙ３＝０．０５９１２ｘ−０．０１９６１
次に、目標となる特定電圧値（１０．００）をこの直線式のｘに代入することで、電流値ｙが得られる（ステップＳ２６）。
ｙ３＝０．０５９１２×１０．０−０．０１９６１
＝０５７１５９ｍＡ
そして、この電流値ｙを用いて、制御部１１、定電流発生部１２、電圧測定部１３は、試料の電圧値を測定する（ステップＳ２７）。

測定回４以降も測定回３と同様な一次式を解く方法で印加電流制御値を算出する。
測定回４は、
（０．８１６８ｍＶ，０．０２８６８ｍＡ）（７０．８４６ｍＶ，０．５７１５９ｍＡ）
に基づき、
ｙ４＝０．００７７５２６ｘ＋０．０２２１
ｙ４＝０．００７７５２６×１０．０＋０．０２２１
＝０．０９９６３ｍＡ
測定回５は、
（７０．８４６ｍＶ，０．５７１５９ｍＡ）（２６．５７ｍＶ，０．０９９６３ｍＡ）
に基づき、
ｙ５＝０．０１０６６ｘ−０．１８３６
ｙ５＝０．０１０６６×１０．０−０．１８３６
＝−０．０７７ｍＡ
ここで算出した負の印加電流は有り得ないので、この場合のみ上述した第１の電流値決定方法を用いる。測定回５（再計算）
（２６．５７ｍＶ，０．０９９６３ｍＡ）に基づき、
ｙ６＝（１０ｍＶ／２６．５７ｍＶ）×０．０９９６３ｍＡ
＝０．０３７５０ｍＡ
以降、再度一次式を解く方法で１０ｍＶまで導く。
測定回６は、
（２６．５７ｍＶ，０．０９９６３ｍＡ）（４．０１５０ｍＶ，０．０３７５０ｍＡ）
に基づき、
ｙ６＝０．００２７５４５ｘ＋０．０２６４４
ｙ６＝０．００２７５４５×１０．０＋０．０２６４４
＝０．０５３９８５ｍＡ
測定回７は、
（４．０１５０ｍＶ，０．０３７５０ｍＡ）（９．９９９３ｍＶ，０．０５３９８５ｍＡ）
に基づき、
ｙ７＝０．００２７５４７ｘ＋０．０２６４４
ｙ７＝０．００２７５４７×１０．０＋０．０２６４４
＝０．０５３９８７ｍＡ
その結果、電流値ｙ７＝０．０５３９８７ｍＡによる電圧値の測定結果は、１０．００ｍＶが得られる。制御部１１の制御により上述したステップＳ２２の働きによりそれ以降の処理を中止することができるが、例えば予定している１０回を全て行なうことも好適である。予定した電圧値が得られれば、制御部１１は、合格した電流値によって試料Ｗの測定を実行する（ステップＳ２８）。また、制御部１１は、許容範囲内の電圧値を得ることができなくとも、予定した１０回に達すると（ステップＳ２９）、例えば、測定を中止する、または、測定に用いた電流値の中から最も好成績な電流値により、試料を測定することが好適である（ステップＳ３０）。

以上、第２の電流値決定方法によれば、第１の電流値決定方法による単純なオームの法則を利用した比例計算を行なうのではなく、測定済みの２組の（電圧値，電流値）座標を結ぶ直線の式を作成し、この式に目標とする電圧値を代入して印加電流値を求めるものである。このような電流値決定方法によれば、測定しようとする試料が整流効果や非直線性を示している場合でも、規格で要望される１０ｍＶ等の測定時の測定電圧を実現するために、試料に印加すべき電流の電流値を自動的に決定することができる。

なお、上記実施例においては測定電圧目標値を１０ｍＶとしたが、測定電圧が３ｍＶ、２０ｍＶ、５０ｍＶなどほかの値であっても適用できることは明白である。
以上記載した様々な実施形態により、当業者は本発明を実現することができるが、更にこれらの実施形態の様々な変形例を思いつくことが当業者によって容易であり、発明的な能力をもたなくとも様々な実施形態へと適用することが可能である。従って、本発明は、開示された原理と新規な特徴に矛盾しない広範な範囲に及ぶものであり、上述した実施形態に限定されるものではない。

本発明の一実施形態に係る４探針抵抗率測定装置の構成の一例を示すブロック図。 本発明の一実施形態に係る４探針抵抗率測定装置の第１の電流値決定方法の一例を示すフローチャート。 本発明の一実施形態に係る４探針抵抗率測定装置の第１の電流値決定方法による成功した測定結果の一例を示す説明図。 本発明の一実施形態に係る４探針抵抗率測定装置の第１の電流値決定方法による成功した測定結果の一例を示す説明図。 本発明の一実施形態に係る４探針抵抗率測定装置の第１の電流値決定方法による失敗した測定結果の一例を示す説明図。 本発明の一実施形態に係る４探針抵抗率測定装置の第１の電流値決定方法による失敗した測定結果の一例を示す説明図。 本発明の一実施形態に係る４探針抵抗率測定装置の第２の電流値決定方法の他の一例を示すフローチャート。 本発明の一実施形態に係る４探針抵抗率測定装置の第２の電流値決定方法による測定結果の一例を示す説明図。

符号の説明

Ｗ…ウェハ、１０…ウェハ測定装置、１１…制御部、１２…定電流発生部、１３…電圧測定部、１４…４探針プローブ、１５…ステージ、１６…表示部、１７…操作部。

Claims (3)

1. ４探針抵抗率測定により試料の電気抵抗を測定する際に、特定電圧値により測定するために前記試料に供給すべき電流値を決定する測定電流値決定方法であって、
   前記試料の測定結果である２組の電流値と電圧値を取得し、
   前記２組の電流値と電圧値の座標を結ぶ直線式、ｙ＝ａｘ＋ｂを求め、
   前記特定電圧値をこの直線式のｘに代入することで前記電流値ｙを計算し、
   前記計算で求めた電流値ｙを前記試料に供給して電圧値を測定し、
   前記測定された電圧値が前記特定電圧値の許容範囲に含まれるとき、当該測定された電圧値に対応する電流値を前記試料の測定に使用する電流値と決定し、
   前記測定した電圧値が前記特定電圧値の許容範囲に含まれないとき、前記計算した電流値ｙと前記測定した電圧値の座標とその前に測定した測定結果である電流値と電圧値の座標とを結ぶ直線式を求め、この直線式を用いた前記電流値ｙの計算処理及びこの計算した電流値を用いた測定処理を、前記測定処理による電圧値が前記特定電圧値の許容範囲に含まれるまで繰り返すことを特徴とする測定電流値決定方法。
2. 電流を発生して試料に供給する電流発生部と、
   前記電流発生部からの電流が供給された試料の電圧値を測定する電圧測定部と、
   前記電流発生部と前記電圧測定部を用いて前記試料の測定結果である２組の電流値と電圧値を取得し、
   前記２組の電流値と電圧値の座標を結ぶ直線式、ｙ＝ａｘ＋ｂを求め、
   前記特定電圧値をこの直線式のｘに代入することで前記電流値ｙを計算し、
   前記電流発生部と前記電圧測定部を用いて、前記計算で求めた電流値ｙを前記試料に供給して電圧値を測定し、
   前記測定された電圧値が前記特定電圧値の許容範囲に含まれるとき、当該測定された電圧値に対応する電流値を前記試料の測定に使用する電流値と決定し、
   前記測定した電圧値が前記特定電圧値の許容範囲に含まれないとき、前記計算した電流値ｙと前記測定した電圧値の座標とその前に測定した測定結果である電流値と電圧値の座標とを結ぶ直線式を求め、この直線式を用いた前記電流値ｙの計算処理及びこの計算した電流値を用いた測定処理を、前記測定処理による電圧値が前記特定電圧値の許容範囲に含まれるまで繰り返す制御部と、を具備することを特徴とする４探針抵抗率測定装置。
3. 電流を発生して試料に供給する電流発生部と、
   前記電流発生部からの電流が供給された試料の電圧値を測定する電圧測定部と、
   前記電流発生部と前記電圧測定部を用いて前記試料の測定を行い、測定結果である２組の電流値と電圧値に基づいて前記試料に供給すべき電流値を決定する制御部を具備することを特徴とする４探針抵抗率測定装置。

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