JP2010087023A - Ｔｍｒ素子評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＴＭＲ素子について、本来の耐電圧を有するＴＭＲ素子を判別する判別手法を提供する。
【解決手段】ストレス電圧をＴＭＲ素子に印加した直後にＴＭＲ素子の抵抗値Ｒ１を測定する（Ｓ１）。ストレス電圧の所定の印加時間が経過すると、ストレス電圧印加により低下したＴＭＲ素子の抵抗値が元の抵抗値近くに戻ることができる時間、ＴＭＲ素子を放置する（Ｓ３）。その後、ストレス電圧をＴＭＲ素子に再度印加した直後にＴＭＲ素子の抵抗値Ｒ２を測定する（Ｓ４）。抵抗値Ｒ１、Ｒ２に基づいて、ＴＭＲ素子の抵抗値の戻り率を算出する（Ｓ５）。戻り率が１００％に近いと、良品と判定する（Ｓ６）。
【選択図】図７

Description

本発明は、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子を用いた再生磁気ヘッドを評価する装置に関する。

磁気ディスク用再生ヘッドとしてＴＭＲ（Tunneling Magnetic Resistance）膜を用いた再生磁気ヘッドが実用化している。

ＴＭＲ素子は、外部磁場の影響により磁化の方向が変化するフリー層と、外部磁場の影響を受けても磁化の方向が変化しないピン層と、フリー層とピン層とを隔てる非磁性絶縁層であるバリア層とが積層して形成される磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）構造を利用する。ピン層とフリー層の磁化方向が同一であれば、トンネル接合抵抗は低い。これに対して、ピン層とフリー層の磁化方向が逆向きであれば、トンネル接合抵抗は高い。
例えばＴＭＲ素子を用いたＴＭＲヘッドは、フリー層とバリア層とピン層に直交するようにセンス電流を流し、磁気ディスクからの漏洩磁場によりフリー層の磁化方向が変化することによる抵抗変化を検出する。

ＴＭＲ素子の主要な膜構造は、下地層と、ピン層の磁化方向を固定する反強磁性層と、ピン層と、絶縁体で形成されるバリア層と、フリー層と、キャップ層とで形成される。高面記録密度の磁気ディスクを再生するためには、高速すなわち高周波数のデータ転送に対応する必要がある。したがって、今よりもＴＭＲ素子の抵抗率を低くする必要がある。
抵抗率を低くするためには、バリア層の抵抗を小さくすることと、電流が流れる素子の面積（＝コア幅×ＭＲハイト）を小さくすることが考えられる。しかし、素子面積を小さくすれば、抵抗が高くなるので、素子面積と抵抗の積である抵抗率を下げることにはならない。したがって、ＴＭＲ素子の低抵抗率化するためには、絶縁体であるバリア層の厚さを薄くしなければならない。

しかし、バリア層の厚さが薄くなると耐電圧が低下すると同時にバリア層中にピンホールが存在する確率が増え、本来の耐電圧に達する前に絶縁破壊を起こす素子すなわち低電圧破壊素子の割合が増える。

図８は、抵抗率が高いＴＭＲ素子の本来の耐電圧（High state）と低下した耐電圧（Low state）を示す図である。

図８に示すように、抵抗率が４〜５Ωμｍ^２である、抵抗率の高い複数のＴＭＲ素子の耐電圧評価を行うと、約０．８Ｖ〜１．０Ｖの耐電圧（High state）を示すものと、約０．４Ｖの耐電圧（Low state）を示すものに分かれる。高耐電圧は、本質的な耐電圧すなわち本来の耐電圧であり、低耐電圧は、本質的でない耐電圧すなわち本来のものではない耐電圧である。本来のものではない耐電圧は、絶縁体であるバリア層の金属不純物からなるピンホールに起因して低下した耐電圧である。図８では、本来の高耐電圧と本来のものではない低耐電圧とに明確な差が見られる。したがって、本来の耐電圧ではない低耐電圧を有する素子を特定することが容易にできる。したがって、低い耐電圧をもつ素子の割合を減らすように開発あるいは製造することができる。

しかし、データ転送の高速化に見合ったＴＭＲ素子の低抵抗率化に伴い本来の高耐電圧とピンホール起因の低耐電圧とに明確な差が見られなくなってきている。図９は、抵抗率の低い、例えば２．５Ωμm²以下のＴＭＲ素子について、本来の耐電圧（High state）と本来の耐電圧より低下した耐電圧（Low state）を示す図である。図９では、本来の耐電圧は０．６V前後にあり、低下した耐電圧は０．５V程度である。図８と比較すると、本来の耐電圧と低下した耐電圧との差が小さくなっているのが分る。

つまり、低抵抗率のＴＭＲ素子の耐電圧の分布は、本来の耐電圧とピンホール起因の耐電圧とが明確に区別できない形で混在しているといえる。したがって、ピンホール起因の耐電圧を有する素子を明確に選別することが困難である。また、素子の稼働中のピンホールの状態によっては、ピンホール起因の耐電圧が稼働中に印加される電圧より高い場合でも寿命に影響することが判明している。さらに、現状では実際に高電圧を印加してＴＭＲ素子を破壊してみないと、当該ＴＭＲ素子が本来の耐電圧を持つ素子であるのか否かがわからない。

なお、これまでに非破壊で素子の良品、不良品を判別する手法がいくつか提案されている。提案された手法の１つでは、酸化アルミニウムをバリア層として用いたTMR素子に対して、数分間の定電圧印加の前後の抵抗Ｒ１、Ｒ２を比較する。そして、Ｒ２／Ｒ１＜１００％であれば良品とし、そうでなければ不良品とする。

また、他の判別手法では、まずＴＭＲ素子に低電圧を印加して抵抗値Ｒ１を測定し、次に高電圧を印加して抵抗値Ｒ２を測定する。そして[（Ｒ２−Ｒ１）／Ｒ１]×１００の値が所定値より小さければ不良品とし、大きければ良品とする。この所定値には、−０．９％、あるいは−０．７％という値が示されている。（特許文献１、２、非特許文献１参照）。

特開２００５−３１１６７号公報 特開２００６−２６９９０７号公報 IEEE. Trans. Magn., vol.42, No.2, 232(2006).

上述のように、ＴＭＲ素子の良不良を非破壊選別する判別手法が提案されているが、酸化マグネシウムをバリア層として用いたＴＭＲ素子について、非破壊選別する判別手法はしられていない。本発明は、酸化マグネシウムをバリア層として用いたＴＭＲ素子について本来の耐電圧を有する素子を非破壊で判別するための評価方法を提供することを目的とする。

本評価方法は、酸化マグネシウムで形成されたバリア層を有するＴＭＲ素子を非破壊で評価するＴＭＲ素子評価方法であって、ストレス電圧を前記ＴＭＲ素子に印加した直後に前記ＴＭＲ素子の第１の抵抗値を測定するステップと、
予め定められた前記ストレス電圧の印加時間が経過後、前記ＴＭＲ素子が良品であれば前記ストレス電圧印加により低下した前記ＴＭＲ素子の抵抗値が元の抵抗値近くに戻ることができる時間以上の時間前記ＴＭＲ素子を放置するステップと、前記放置ステップ終了後、前記ストレス電圧を前記ＴＭＲ素子に再度印加した直後に前記ＴＭＲ素子の第２の抵抗値を測定するステップと、前記ＴＭＲ素子の第１の抵抗値と第２の抵抗値に基づいて前記ＴＭＲ素子の抵抗値の戻り率を算出して、前記ＴＭＲ素子の抵抗値が元の抵抗値近くまで戻っているか否かを判定するステップと、を有する。

酸化マグネシウムで形成されたバリア層を有するＴＭＲ素子を非破壊で評価することができ、ＴＭＲ素子の良品不良品を選別することができる。

図１は、本実施形態による評価対象である酸化マグネシウムをバリア層に用いたＴＭＲ素子の積層膜を概略的に示す図である。本実施形態のＴＭＲ素子は、反強磁性層Ｌ１、フェリピン層Ｌ２、バリア層Ｌ３、フリー層Ｌ４、キャップ層Ｌ５を備える。具体的には、反強磁性層Ｌ１は、厚さ７ｎｍのＩｒＭｎで形成されている。フェリピン層Ｌ２は、厚さ１．７ｎｍのＣｏＦｅと、厚さ０．６８ｎｍのＲｕと、厚さ２ｎｍのＣｏＦｅＢとで形成されている。バリア層Ｌ３は、厚さ０．９６ｎｍのＭｇＯで形成される。フリー層Ｌ４は、厚さ２ｎｍのＣｏＦｅＢと、厚さ０．２５ｎｍのＴａと、厚さ４ｎｍのＮｉＦｅとで形成されている。キャップ層Ｌ５は、厚さ５ｎｍのＴａで形成されている。これらの膜は通常のマグネトロンスパッタリング法により製膜される。抵抗率ＲＡの値は、３．９Ωμｍ２である。

図２は、図１に示すＴＭＲ素子の耐電圧を評価した結果の一例である。図２に示すように、７００ｍＶ程度で絶縁破壊される素子と、４００ｍＶ付近で絶縁破壊される素子があることを示している。耐電圧が約７００ｍＶの素子は、本来の耐電圧を有する素子であり、耐電圧が４００ｍＶ付近まで低下している素子は、本来の耐電圧を有さない素子である。本来の耐電圧を有さず、低下した耐電圧を有する素子の寿命は、ストレス電圧を加える加速測定を行った結果、本来の耐電圧を有する素子に比較して短くなることが分っている。

本実施形態による評価方法は、以下に詳しく説明するように、ＴＭＲ素子に低いストレス電圧を印加して、所定時間の経過後の抵抗値の可逆、非可逆性を指標として採用する。そして、この指標に基づき、本来の耐電圧を有する良品の素子と、本来の耐電圧より低い耐電圧を有する不良品の素子を選別しようとするものである。

図３は、本実施形態のＴＭＲ素子の１つについて、本来のものではない耐電圧である４００ｍＶよりも低い３５０ｍＶのストレス電圧をこの素子に加え、抵抗の時間変化を調べた結果を示す図である。

図３の実線で示したグラフは１回目に測定した結果で、ストレス電圧印加直後から１分間の抵抗変化が示されている。ストレス電圧印加初期、具体的には０．２分程度を過ぎると約２％以内の抵抗低下が見られた後、一定の値を維持している。

その後10分以内の時間だけストレス電圧を印加した後にストレス電圧の印加を止めて、約30分以上放置する。３０分以上の放置の後、再び同じ３５０ｍＶのストレス電圧を加えて２回目の抵抗変化を測定する。図４の破線で示したグラフは、２回目の測定結果である。

２回目のストレス電圧の印加直後の抵抗の値Ｒ２を見ると、素子の抵抗値はほぼ１００％元の値まで戻っている。なお、注意することは、１回目のストレス電圧を印加した後放置することなくすぐに２回目の測定を行うと、素子の抵抗値は元の値には戻っていないことである。

２回目の測定結果から、図３のストレス電圧印加後の約２%以内の抵抗値の低下は、回復不能の素子の劣化を示す現象ではないことが分る。図３で示された抵抗値の低下の減少の理由はいまだ解明されていないが、磁性膜中のボロン等の不純物元素に関連した現象であると考えられている。

図４は、本実施形態のＴＭＲ素子である３つの素子について、図３と同様の条件で、同様の測定を行った結果を示す図である。

図４の実線で示したグラフｐ１、ｑ１、ｒ１は１回目に測定した結果で、３５０ｍＶのストレス電圧印加直後から１分間の抵抗変化が示されている。３つの素子の抵抗値は、測定された１分間の間低下し続けている。グラフｒ１では、ストレス電圧の印加から約０．３分に達するまでに、正規化抵抗が０．９７以下に低下している。

その後10分以内の時間だけストレス電圧を印加した後にストレス電圧の印加を止めて、約30分以上放置する。３０分以上の放置の後、再び同じ３５０ｍＶのストレス電圧を加えて２回目の抵抗変化を測定する。図４の破線で示したグラフｐ２とｑ２は、グラフｐ１とｑ１に対応する２回目の測定結果である。グラフｐ２、ｑ２から分るように、２回目のストレス電圧を印加直後の抵抗値Ｒ２は、正規化抵抗で０．９９を下回っており、元の抵抗値に復帰していない。なお、１回目の測定結果のグラフｒ１に対応する２回目の測定結果は、２回目のストレス電圧印加直後の抵抗値は、正規化抵抗で０．９７を下回っており、図４には現れていない。

図４の結果は、バリア層中に存在する金属成分からなるピンホール等にストレス電圧が影響し、ピンホール等が拡張した結果、バリア層の抵抗が下がったためであると考えられる。したがって、図４の抵抗値の低下は不可逆のものである。

このような評価を多くのＴＭＲ素子に対して行った結果、抵抗値が１００%近く復帰するものとそうでないものとがあることがわかった。そして、その後素子の耐電圧を求める非破壊試験を行ったところ、抵抗値がほぼ１００％まで戻る素子は、本来の耐電圧を有する素子であり、抵抗値が回復しない素子は、本来の耐電圧より低い耐電圧を有する素子であることが判明した。

すなわち、ＭｇＯをバリア層とするＴＭＲ素子に対して、絶縁破壊を起こさない程度の低いストレス電圧を印加して測定される抵抗値の可逆性、非可逆性を指標として、素子の良不良を判定することができる。

抵抗値が元に戻る割合である戻り率Ｐは、１回目の測定値Ｒ１、２回目の測定値Ｒ２を用いて、Ｐ＝（Ｒ２／Ｒ１）×１００と表すことができる。戻り率Ｐ＞９９．５であれば、本来の耐電圧を有する素子と判定することができる。また、戻り率Ｐ≦９９．５であれば、本来の耐電圧を有さない素子と判定することができる。

図３、４におけるＭｇＯをバリア層とするＴＭＲ素子の実験は、本来の耐電圧（High state）を有する素子と本来の耐電圧より低下した耐電圧（Low state）を有する素子を明確に選別するために、抵抗率３．９Ωμｍ２のＴＭＲ素子で行った。しかし、ＭｇＯ膜厚を０．８２ｎｍ〜０．９２ｎｍにした抵抗率ＲＡ＝１．５〜２．０Ωμｍ２の素子に対しても、戻り率Ｐが９９．５％で、本来の耐電圧を有する素子と本来の耐電圧を有さない素子を判別することができた。

また、ストレス電圧印加時間は、図３に見られるように、１分以内程度でも２％の抵抗変化が明確に見られる。したがって、通常は、ストレス電圧印加時間は１分以内でよい。さらには、図３の抵抗値の変化率の飽和特性を考慮すると、ストレス電圧印加時間を１分未満の１０秒〜３０秒程度にすることもできる。ストレス電圧印加時間が短ければ、良判定のＴＭＲ素子に対して必要以上のダメージを与えることを回避させることが出来る。
ストレス電圧の印加方向は、フリー層側からピン層側でもその逆でもどちらでもよい。

図５は、１２個のＴＭＲ素子について、戻り率のヒストグラムを示す図である。ＴＭＲ素子５の戻り率Ｐは、９８．４であり、ＴＭＲ素子７の戻り率Ｐは、９９であり、ＴＭＲ素子１０の戻り率Ｐは、９８．７である。ＴＭＲ素子５、７、１０は、戻り率Ｐが９９．５％以下であるから、本来の耐電圧を有さない素子であると判定することができる。ＴＭＲ素子５、７、１０を除くと、その他のＴＭＲ素子は、戻り率Ｐが９９．５以上であり、本来の耐電圧を有する素子と判定することができる。なお、戻り率Ｐが１００％を超えている素子がある。戻り率Ｐが１００％を超える理由は明らかではないが、本来の耐電圧を有する素子であると判定するのに問題はない。

図６は、本実施形態の評価方法が実施される評価装置の一例を示す図である。
評価装置１０は、ＴＭＲ素子に直流電源を供給し、ＴＭＲ素子の電圧、電流を測定するソースメータ１と、ソースメータ１を制御する例えばパーソナルコンピュータでもよい制御部２とを備える。ソースメータ１は、測定対象であるＴＭＲ素子の端子パッド３１に電気的に接続可能なプローブ１３を備えている。ソースメータ１は、端子部３１に接続されたプローブ１３を介して、ＴＭＲ素子３に所定の電圧を与えることができ、かつＴＭＲ素子に印加される電圧および流れる電流を測定するこができる。電圧印加および電圧・電流の測定は、制御部２の制御により行われる。ＴＭＲ素子３の測定された電圧値および電流値は、例えば制御部の記憶装置（図示せず）に保存され、保存された電圧値および電流値に基づいて、抵抗値が算出され保存される。

図７は、本実施形態による評価方法のフローを示す図である。
測定対象のＴＭＲ素子を評価装置に接続し、測定を開始する。ステップＳ１では、本来の耐電圧より低下した耐電圧よりさらに低い所定の直流電圧をストレス電圧として、評価装置からＴＭＲ素子に印加する。ストレス電圧を印加した直後から評価装置によってＴＭＲ素子の抵抗を計測する。具体的には、ＴＭＲ素子に印加された電圧と、ＴＭＲ素子に流れる電流を測定して、抵抗を求める。そして、印加直後の抵抗値を抵抗値R1として保存する。

ステップＳ２では、ＴＭＲ素子に対してストレス電圧を所定時間たとえば２〜３分の間印加する。なお、ストレス電圧の印加方向は限定されない。

ステップＳ３では、ストレス電圧の印加終了後、評価対象のＴＭＲ素子が本来の耐電圧を有する場合、ストレス電圧の印加により低下した抵抗値が元の値近くまで戻るのに要する時間以上の時間放置する。本フローでは３０分以上放置する。放置時間を少なくとも３０分としたのは経験によるものである。したがって、必ずしも３０分以上待たねばならないというものではない。

また、放置時間の間、ＴＭＲ素子を測定装置上に置いておく必要はない。他の加工、検査工程を進めた後再び本装置で測定すればよい。したがって、本フローのステップＳ３が終了するまでに要する実質的な時間は、ごく短いものである。

放置時間が過ぎると、再び計測装置に測定対象のＴＭＲ素子を接続し、ステップＳ４で、２回目の抵抗値の測定を行う。２回目の測定は、ステップＳ１で印加した電圧と同じ電圧を印加して、その直後すなわち数秒以内にＴＭＲ素子に印加される電圧と流れる電流を検出する。検出された電圧と電流から算出された抵抗値をＲ２として保存する。

ステップＳ５では、保存した抵抗値Ｒ１と抵抗値Ｒ２を読み出して、抵抗の戻り率Ｐ＝（Ｒ２／Ｒ１）×１００を算出する。

戻り率Ｐ＞９９．５％であれば、ステップＳ６で、ＴＭＲ素子は良品と判断される。戻り率Ｐ≦９９．５％であれば、ステップＳ７で、ＴＭＲ素子は不良品と判断される。以上のように、本実施形態による判別方法により、ＴＭＲ素子を良品と不良品とに選別することができる。

なお、３０分以上の放置時間の間に他の加工、検査工程を経る処理を行うと、ステップＳ４の後の２回目の測定により、放置時間に行われた他の処理によってダメージを与えられたＴＭＲ素子を見つけ出すメリットもある。

本実施形態では、低抵抗率のＭｇＯバリア層を有するＴＭＲ素子に対して、ストレス電圧を印加後時間を置いて抵抗値を測定し、抵抗値の戻り率を指標にしてＴＭＲ素子を評価する。抵抗値の戻り率を指標にすることにより、本来の耐電圧を有する素子を非破壊で見つけ出すことができる。したがって、本実施形態によれば、素子の寿命を短くする可能性のある低い耐電圧を有するＴＭＲ素子を市場に出さないようにすることができる。また、本実施形態では、判別のために高低２つの印加電圧を使用することがないという利点も備えている。
以上説明した実施形態に関し、以下の付記を記載する。
（付記１）
ＴＭＲ素子を非破壊で評価するＴＭＲ素子評価方法であって、
ストレス電圧を前記ＴＭＲ素子に印加した直後に前記ＴＭＲ素子の第１の抵抗値を測定するステップと、
予め定められた前記ストレス電圧の印加時間が経過後、前記ＴＭＲ素子が良品であれば前記ストレス電圧印加により低下した前記ＴＭＲ素子の抵抗値が元の抵抗値近くに戻ることができる時間以上の時間前記ＴＭＲ素子を放置するステップと、
前記放置ステップ終了後、前記ストレス電圧を前記ＴＭＲ素子に再度印加した直後に前記ＴＭＲ素子の第２の抵抗値を測定するステップと、
前記ＴＭＲ素子の第１の抵抗値と第２の抵抗値に基づいて前記ＴＭＲ素子の抵抗値の戻り率を算出して、前記ＴＭＲ素子の抵抗値が元の抵抗値近くまで戻っているか否かを判定するステップと、
を有するＴＭＲ素子評価方法。
（付記２）
前記ＴＭＲ素子の抵抗値が元の抵抗値近くまで戻っているか否かを判定するステップは、前記第１の抵抗値をＲ１、前記第２の抵抗値をＲ２として、（Ｒ２／Ｒ１）×１００＞９９．５であれば、前記ＴＭＲ素子の抵抗値が元の抵抗値近くまで戻っていると判定する付記１に記載のＴＭＲ素子評価方法。
（付記３）
前記ストレス電圧印加時間は１分以内である付記１又は２に記載のＴＭＲ素子評価方法。
（付記４）
前記放置ステップにおいて、他の加工工程あるいは検査工程を行う付記１〜３のいずれか１項に記載のＴＭＲ素子評価方法。

本実施形態の評価対象である酸化マグネシウムをバリア層に用いたＴＭＲ素子の積層膜を概略的に示す図である。 本実施形態の評価対象であるＴＭＲ素子の本来の耐電圧と、本来のものではない耐電圧を示す図である。 本実施形態の評価対象であるＴＭＲ素子について、ストレス電圧印加終了後所定の時間経過すると、元の抵抗値の近くまで抵抗値が戻る一例を示す図である。 本実施形態の評価対象であるＴＭＲ素子について、ストレス電圧印加終了後所定の時間経過しても、元の抵抗値の近くまで抵抗値が戻らない複数の例を示す図である。 本実施形態の評価対象である１２個のＴＭＲ素子について、ストレス電圧印加終了後所定の時間経過したときの抵抗値の戻り率を示す図である。 本実施形態を実施する評価装置の概要を示す図である。 本実施形態の評価方法のフローを示す図である。 抵抗率が高いＴＭＲ素子の本来の耐電圧（High state）と本来のものではない耐電圧（Low state）との関係を示す図である。 抵抗率が低いＴＭＲ素子の本来の耐電圧（High state）と本来のものではない耐電圧（Low state）との関係を示す図である。

符号の説明

Ｌ１ 反強磁性層
Ｌ２ フェリピン層
Ｌ３ バリア層
Ｌ４ フリー層
Ｌ５ キャップ層
１０ 評価装置
１ ソースメータ
１１ プローブ
２ 制御部
３ ＴＭＲ素子
３１ ＴＭＲ素子の端子

Claims (4)

1. ＴＭＲ素子を非破壊で評価するＴＭＲ素子評価方法であって、
   ストレス電圧を前記ＴＭＲ素子に印加した直後に前記ＴＭＲ素子の第１の抵抗値を測定するステップと、
   予め定められた前記ストレス電圧の印加時間が経過後、前記ＴＭＲ素子が良品であれば前記ストレス電圧印加により低下した前記ＴＭＲ素子の抵抗値が元の抵抗値近くに戻ることができる時間以上の時間前記ＴＭＲ素子を放置するステップと、
   前記放置ステップ終了後、前記ストレス電圧を前記ＴＭＲ素子に再度印加した直後に前記ＴＭＲ素子の第２の抵抗値を測定するステップと、
   前記ＴＭＲ素子の第１の抵抗値と第２の抵抗値に基づいて前記ＴＭＲ素子の抵抗値の戻り率を算出して、前記ＴＭＲ素子の抵抗値が元の抵抗値近くまで戻っているか否かを判定するステップと、
   を有するＴＭＲ素子評価方法。
2. 前記ＴＭＲ素子の抵抗値が元の抵抗値近くまで戻っているか否かを判定するステップは、前記第１の抵抗値をＲ１、前記第２の抵抗値をＲ２として、（Ｒ２／Ｒ１）×１００＞９９．５であれば、前記ＴＭＲ素子の抵抗値が元の抵抗値近くまで戻っていると判定する請求項１に記載のＴＭＲ素子評価方法。
3. 前記ストレス電圧印加時間は１分以内である請求項１または２に記載のＴＭＲ素子評価方法。
4. 前記放置ステップにおいて、他の加工工程あるいは検査工程を行う請求項１〜３のいずれか１項に記載のＴＭＲ素子評価方法。

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