JP2013182684A - 試料加工装置および試料加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェハ表面とラメラ加工面の両方を高分解能で観察することが可能な試料加工装置および試料加工方法を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、試料加工装置は、試料を設置するためのステージと、前記ステージ上の前記試料に、前記試料を加工するためのイオンビームを照射するイオンビーム照射部とを備える。さらに、前記装置は、前記ステージ上の前記試料に、前記試料を観察するための電子ビームを照射する電子ビーム照射部を備える。さらに、前記装置は、前記ステージの表面に垂直な方向に対し第１角度だけ傾斜した回転軸を中心に、前記電子ビーム照射部を回転させて、前記電子ビームの入射角を変化させる回転部を備える。さらに、前記回転部は、前記試料がウェハである場合には、前記入射角を、前記第１角度よりも小さい第２角度に設定し、前記試料がラメラである場合には、前記入射角を、前記第１角度よりも大きい第３角度に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、試料加工装置および試料加工方法に関する。

近年、ウェハ表面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）で観察しながら、ウェハをＦＩＢ（Focus Ion Beam）で加工するＳＥＭ機能付きＦＩＢ装置が登場してきている。この装置を使用すれば、ウェハ表面を観察しながらウェハからラメラを切り出すことや、ラメラ加工面を観察しながらラメラを薄膜化することが可能である。しかしながら、この装置では、ウェハ表面とラメラ加工面の両方を観察する必要から、ＳＥＭカラムがＦＩＢカラムに対し斜めに取り付けられている。よって、ＳＥＭからの電子ビームが、ウェハ表面やラメラ加工面に対し斜めに入射することになるため、ＳＥＭ本来の分解能を得ることができず、ＦＩＢ加工の精度が悪化してしまう。

特開２０１１−２１６４６５号公報

ウェハ表面とラメラ加工面の両方を高分解能で観察することが可能な試料加工装置および試料加工方法を提供する。

一の実施形態による試料加工装置は、試料を設置するためのステージと、前記ステージ上の前記試料に、前記試料を加工するためのイオンビームを照射するイオンビーム照射部とを備える。さらに、前記装置は、前記ステージ上の前記試料に、前記試料を観察するための電子ビームを照射する電子ビーム照射部を備える。さらに、前記装置は、前記ステージの表面に垂直な方向に対し第１角度だけ傾斜した回転軸を中心に、前記電子ビーム照射部を回転させて、前記電子ビームの入射角を変化させる回転部を備える。さらに、前記回転部は、前記試料がウェハである場合には、前記入射角を、前記第１角度よりも小さい第２角度に設定し、前記試料がラメラである場合には、前記入射角を、前記第１角度よりも大きい第３角度に設定する。

第１実施形態の試料加工装置の構成を示す概略図である。 第１実施形態の試料加工装置の詳細観察系の構成を示す概略図である。 第１実施形態の制御装置の構成を示すハードウェア構成図である。 第１実施形態の制御装置の機能構成を示すブロック図である。 第１実施形態の試料加工装置によるウェハ加工の様子を示した図である。 第１実施形態の試料加工装置によるラメラ加工の様子を示した図である。 第２〜第４実施形態の試料加工装置の構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の試料加工装置の構成を示す概略図である。図１の試料加工装置は、ＳＥＭ機能付きＦＩＢ装置である。

図１の試料加工装置は、処理装置１０と、制御装置２０とを備えている。処理装置１０は、ウェハ５０から観察対象であるラメラ（微小試料）を切り出し、切り出したラメラを５０ｎｍ程度の厚さに薄膜化し、薄膜化したラメラの断面を撮像する。ラメラの切り出しや薄膜化は、ウェハ表面やラメラ加工面をＳＥＭで観察しながら、ＦＩＢを使用して行われる。処理装置１０の動作は、制御装置２０が制御する。

処理装置１０は、搬送ロボット１０１と、ハッチ１０２と、載置台１０３と、搬送ロボット１０４と、ステージ１０５と、ＦＩＢユニット１０６と、ＳＥＭユニット１０７と、真空試料室１０８と、真空ポンプ１０９とを備えている。

搬送ロボット１０１は、カセット台３０上に置かれたカセット４０内に収容されているウェハ５０を、真空試料室１０８内の載置台１０３へと搬送する。ハッチ１０２は、搬送ロボット１０１が載置台１０３へとウェハ５０を搬送する際にオープンする。ウェハ５０が載置台１０３へ搬送され、搬送ロボット１０１が安全位置へ退避すると、ハッチ１０２がクローズする。

搬送ロボット１０４は、載置台１０３上のウェハ５０を搬送し、ステージ１０５上に設置する。ステージ１０５は、図示しないステップモータ等により高精度で前後左右へ移動する。ステージ１０５は、ウェハ５０上の指定箇所がＦＩＢユニット１０６の真下に来るよう移動する。

ＦＩＢユニット１０６は、ステージ１０５上の試料（ウェハ５０やラメラ）を加工するためのイオンビームを発生して、試料に照射するイオンビーム照射部１０６ａと、イオンビーム照射部１０６ａが取り付けられたＦＩＢカラム１０６ｂとを備えている。イオンビーム照射部１０６ａは、イオン源と、イオン源から放出されたイオンビームを集束、偏向するレンズおよび偏向器を有している。

ＳＥＭユニット１０７は、ステージ１０５上の試料を観察するための電子ビームを発生して、試料に照射する電子ビーム照射部１０７ａと、電子ビーム照射部１０７ａが取り付けられた第１のＳＥＭカラム１０７ｂと、第１のＳＥＭカラム１０７ｂが取り付けられた第２のＳＥＭカラム１０７ｃと、第２のＳＥＭカラム１０７ｃが取り付けられた回転部１０７ｄとを備えている。電子ビーム照射部１０７ａは、電子銃と、電子銃から放出された電子ビームを集束、偏向するレンズおよび偏向器を有している。

図１に示すように、ステージ１０５と、イオンビーム照射部１０６ａと、電子ビーム照射部１０７ａと、第１および第２のＳＥＭカラム１０７ｂ、１０７ｃは、真空試料室１０８内に収容されている。また、ＦＩＢカラム１０６ｂと回転部１０７ｄは、真空試料室１０８を貫通している。よって、回転部１０７ｄは、真空試料室１０８の内部に収容された部分と、真空試料室１０８の外部に露出した部分とを有している。真空試料室１０８の内部は、真空ポンプ１０９により真空引きされ、適切な圧力に維持される。

図１では、ＦＩＢユニット１０６が処理装置１０に固定されているのに対し、ＳＥＭユニット１０７は、電子ビーム照射部１０７ａとＳＥＭカラム１０７ｂ、１０７ｃを回転部１０７ｄにより回転させることができるように、処理装置１０に取り付けられている。ＳＥＭユニット１０７の回転動作の詳細については、後述する。なお、ＦＩＢユニット１０６とＳＥＭユニット１０７は、イオンビーム照射部１０６ａの中心軸と電子ビーム照射部１０７ａの中心軸がウェハ５０の表面付近のほぼ一点で交わるように、処理装置１０に取り付けられている。

図２は、第１実施形態の試料加工装置の詳細観察系の構成を示す概略図である。

図２に示すように、処理装置１０は、二次電子検出器１１０と、Ｘ線検出器１１１と、プローブ１１２と、ガス供給装置１１３と、プローブ制御装置１１４とを備えている。

二次電子検出器１１０は、ウェハ５０やラメラに電子ビームを照射した際に放出される二次電子を検出する。試料加工装置は、この二次電子や反射電子を利用して、ウェハ５０やラメラのＳＥＭ画像を生成する。

Ｘ線検出器１１１は、ラメラに電子ビームを照射した際に得られるＸ線を検出する。試料加工装置は、このＸ線を利用して、ラメラのＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）画像を生成する。

ガス供給装置１１３は、ウェハ５０から切り出したラメラを固定するための堆積性ガスを供給する。堆積性ガスの例としては、タングステンガスが挙げられる。プローブ制御装置１１４は、ステージ１０５付近に設置されたプローブ１１２の動作を制御する。

図３は、第１実施形態の制御装置２０の構成を示すハードウェア構成図である。

図３に示すように、制御装置２０は、本体部２１と、表示部２２と、入力部２３とを備えている。本体部２１、表示部２２、入力部２３は、例えばそれぞれ、ＰＣ（Personal Computer）等の情報処理装置、液晶ディスプレイ等の表示デバイス、キーボードやマウス等の入力デバイスである。

本体部２１は、種々の情報処理を実行するＣＰＵ２０１と、ＣＰＵ２０１の動作コード等が格納されたＲＯＭ２０２と、ＣＰＵ２０１の作業領域として使用されるＲＡＭ２０３と、ＣＰＵ２０１の動作プログラム等が格納されたＨＤＤ２０４と、入力部２３等を接続するためのユーザＩ／Ｆ２０５と、処理装置１０等と通信を行うための通信Ｉ／Ｆ２０６とを備えている。表示部２２は、上述のＳＥＭ画像やＴＥＭ画像を表示する。入力部２３は、表示部２２の画面上で種々の操作を行うために使用される。

図４は、第１実施形態の制御装置２０の機能構成を示すブロック図である。

図４に示すように、制御装置２０は、データを記憶する記憶部３０１と、種々の算出処理を行う算出部３０２と、種々の判定処理を行う判定部３０３と、処理装置１０や制御装置２０の動作を制御する制御部３０４と、データを受信する受信部３０５と、データを送信する送信部３０６とを備えている。制御部３０４は例えば、回転部１０７ｄの回転動作を制御する。

これらの機能ブロックは、ＣＰＵ２０１が、ＲＯＭ２０２内の動作コードやＨＤＤ２０４内の動作プログラムをＲＡＭ２０３にロードして実行することにより実現される。

（１）ＳＥＭユニット１０７の回転動作の詳細
次に、図５および図６を参照し、ＳＥＭユニット１０７の回転動作の詳細について説明する。

図５は、第１実施形態の試料加工装置によるウェハ加工の様子を示した図である。図５に示す符号Ｓ₁は、ステージ１０５上に設置されたウェハ５０の表面を示す。また、符号Ｐは、イオンビームと電子ビームが照射される点を示す。

符号Ｘは、イオンビーム照射部１０６ａとＦＩＢカラム１０６ｂの中心軸を示し、符号Ｙ₁は、電子ビーム照射部１０７ａと第１のＳＥＭカラム１０７ｂの中心軸を示す。さらに、符号Ｙ₂は、第２のＳＥＭカラム１０７ｃの中心軸を示し、符号Ｙ₃は、回転部１０７ｄの回転軸を示す。回転部１０７ｄは、この回転軸Ｙ₃を中心に回転する。なお、中心軸Ｘと、中心軸Ｙ₁と、回転軸Ｙ₃は、点Ｐで交差している。

本実施形態では、中心軸Ｘが、ステージ１０５の表面に対し垂直に固定されている。さらに、回転軸Ｙ₃が、ステージ１０５の表面に垂直な方向に対し角度θ₁（＞０）だけ傾斜して固定されている。よって、回転部１０７ｄが回転しても、中心軸Ｘと回転軸Ｙ₃との角度は、常にθ₁である。角度θ₁は、本開示の第１角度の例である。角度θ₁は例えば、４０度〜７０度である。角度θ₁の望ましい値の一例としては、５０度が挙げられる。

また、本実施形態では、中心軸Ｙ₁が、回転軸Ｙ₃に対し角度θ₂（＞０）だけ傾斜して固定されており、中心軸Ｙ₂が、中心軸Ｙ₁に対し角度θ₃（＞０）だけ傾斜して固定されている。そのため、回転部１０７ｄが回転すると、中心軸Ｘと中心軸Ｙ₁との角度θが変化する。角度θは、電子ビームの入射角に相当する。よって、本実施形態では、回転部１０７ｄを回転させることで、電子ビームの入射角θを変化させることができる。

そこで、本実施形態では、ウェハ５０からラメラを切り出す際と、切り出したラメラを薄膜化する際で、電子ビームの入射角θを異なる値に設定する。具体的には、前者の際には入射角θをθ₁−θ₂に設定し（図５）、後者の際には入射角θをθ₁＋θ₂に設定する（図６）。角度θ₁−θ₂と角度θ₁＋θ₂はそれぞれ、本開示の第２、第３角度の例である。角度θ₂は例えば、２５度〜５０度である。角度θ₂の望ましい値の一例としては、４０度が挙げられる。

以下、引き続き図５を参照し、ウェハ５０からラメラを切り出す際の電子ビームの入射角θについて説明する。

本実施形態の試料加工装置では、ラメラの切り出しを、ウェハ５０の表面Ｓ₁を観察しながら実施する。この際、ウェハ５０の表面Ｓ₁を鮮明に観察するためには、電子ビームをウェハ５０の表面Ｓ₁にできるだけ垂直に入射させることが望ましい。

そこで、本実施形態では、ラメラの切り出しの際、電子ビームの入射角θを、角度θ₁よりも小さい角度θ₁−θ₂に設定する。そして、この状態でウェハ５０にイオンビームと電子ビームを照射することで、ウェハ５０を観察しながら加工する。これにより、本実施形態では、ラメラの切り出しの際のＳＥＭ分解能を向上させることが可能となる。

角度θ₁−θ₂は、ＳＥＭユニット１０７がＦＩＢユニット１０６にぶつからない範囲内で、できるだけ小さい値に設定することが望ましい。ラメラの切り出しの際、入射角θが４５度を超えると分解能が極端に低下するため、角度θ₁−θ₂は、４５度以下、例えば、０度〜３０度に設定することが望ましい。

なお、ウェハ５０の加工時には、ラメラの切り出しのほか、保護膜の蒸着などの作業も行われる。これらの作業の際にも、入射角θはできるだけ小さく方が望ましいため、本実施形態では、これらの作業の際の入射角θも角度θ₁−θ₂に設定する。

次に、図６を参照し、切り出したラメラを薄膜化する際の電子ビームの入射角θについて説明する。

図６は、第１実施形態の試料加工装置によるラメラ加工の様子を示した図である。図６に示す符号Ｓ₂は、ステージ１０５上に設置されたラメラ６０の加工面を示す。作図の便宜上、図６ではラメラ６０が拡大して図示されている。

本実施形態の試料加工装置では、ラメラ６０の薄膜化を、ラメラ６０の加工面Ｓ₂を観察しながら実施する。この際、ラメラ６０の加工面Ｓ₂を鮮明に観察するためには、電子ビームをラメラ６０の加工面Ｓ₂にできるだけ垂直に入射させることが望ましい。

そこで、本実施形態では、ラメラ６０の薄膜化の際、電子ビームの入射角θを、角度θ₁よりも大きい角度θ₁＋θ₂に設定する。そして、この状態でラメラ６０にイオンビームと電子ビームを照射することで、ラメラ６０を観察しながら加工する。これにより、本実施形態では、ラメラ６０の薄膜化の際のＳＥＭ分解能を向上させることが可能となる。

角度θ₁＋θ₂は、できるだけ９０度に近い値に設定することが望ましい。ラメラ６０の薄膜化の際、入射角θが４５度未満になると分解能が極端に低下するため、角度θ₁＋θ₂は、４５度以上、例えば、６０度〜９０度に設定することが望ましい。

なお、ラメラ６０の加工時には、入射角θを、９０度を超える値に設定してもよい。これは、ラメラ６０に対し電子ビームを斜め上向きに照射することを意味する。この場合、入射角θが１３５度を超えると分解能が極端に低下するため、角度θ₁＋θ₂は、１３５度未満、例えば、９０度〜１２０度に設定することが望ましい。

（２）第１実施形態の効果
最後に、第１実施形態の効果について説明する。

以上のように、本実施形態のＳＥＭユニット１０７は、第１角度θ₁だけ傾斜した回転軸Ｙ₃を中心に電子ビーム照射部１０７ａを回転させて、電子ビームの入射角θを変化させる回転部１０７ｄを備える。さらに、本実施形態では、試料がウェハ５０である場合には、入射角θを、第１角度θ₁よりも小さい第２角度θ₁−θ₂に設定し、試料がラメラ６０である場合には、入射角θを、第１角度θ₁よりも大きい第３角度θ₁＋θ₂に設定する。

よって、本実施形態によれば、ウェハ加工時の入射角θと、ラメラ加工時の入射角θのそれぞれを、最適な角度に設定することが可能となる。よって、本実施形態によれば、ウェハ加工時とラメラ加工時において、それぞれウェハ表面Ｓ₁とラメラ加工面Ｓ₂を高分解能で観察することが可能となる。その結果、ＦＩＢ加工精度の向上や、作業者の負担軽減を実現することが可能となる。

なお、本実施形態では、角度θ₁を固定し、軸Ｙ₃を回転軸とすることで、角度θを可変としているが、角度θ₁を可変とすることで角度θを可変とする例も考えられる。しかしながら、この場合には、重量の重いＳＥＭユニット１０７の移動距離が長くなるため、エネルギー効率が悪いという問題がある。さらには、ＳＥＭユニット１０７が移動する部分の真空試料室１０８に開口部を設ける必要がある関係上、移動距離が長いと開口部が大きくなり、真空を確保することが難しいという問題がある。一方、本実施形態によれば、これらの問題を軽減することができるため、この例よりも優れていると言える。

なお、回転部１０７ｄを回転軸Ｙ₃に垂直に切断した場合の断面形状は、円形であることが望ましい。理由は、真空試料室１０８の開口部と回転部１０７ｄとの間の隙間を小さくし、真空を確保しやすくするためである。この場合、回転部１０７ｄ全体の断面形状を円形とする必要はなく、回転部１０７ｄが真空試料室１０８を貫通する部分における回転部１０７ｄの断面形状が円形であれば十分である。

また、本実施形態の回転部１０７ｄは、３６０度回転可能なように構成してもよいし、３６０度分は回転できないように構成してもよい。すなわち、回転部１０７ｄの可動範囲は、３６０度でもよいし、３６０度未満でもよい。例えば、回転部１０７ｄは、１８０度分だけ回転可能なように構成してもよい。このような構成には、回転部１０７ｄの回転動作を、図５の状態や図６の状態で停止させやすくなり、入射角θを精度よく設定しやすくなるという利点がある。

また、電子ビームの照射時に選択可能な回転部１０７ｄの回転角度は、角度の設定ミスなどを防止する観点から、３種類以上とするよりも、２種類のみとする方が望ましい。例えば、選択可能な回転角度を、０度、１０度、２０度、…、および３６０度のいずれかとするよりも、０度と１８０度のみとする方が望ましい。

（第２〜第４実施形態）
図７は、第２〜第４実施形態の試料加工装置の構成を示す概略図である。図７(ａ)〜(ｃ)はそれぞれ、第２〜第４実施形態のＳＥＭユニット１０７の構成を示す。

図７(ａ)では、ＳＥＭユニット１０７が、３本のＳＥＭカラム１０７ｅ₁、１０７ｅ₂、１０７ｅ₃を備えている。このように、ＳＥＭユニット１０７は、３本以上のＳＥＭカラムを備えていてもよい。

図７(ｂ)では、電子ビーム照射部１０７ａと回転部１０７ｄが、曲線状の形状のＳＥＭカラム１０７ｆにより連結されている。また、図７(ｃ)では、電子ビーム照射部１０７ａと回転部１０７ｄが、曲線状の形状のＳＥＭカラム１０７ｇ₁と、直線状の形状のＳＥＭカラム１０７ｇ₂により連結されている。このように、ＳＥＭユニット１０７のＳＥＭカラムは、曲線状の形状のＳＥＭカラムを含んでいてもよい。

以上のように、第２〜第４実施形態によれば、様々な形状のＳＥＭユニット１０７を提供することが可能となる。ＳＥＭユニット１０７の形状は、ＳＥＭユニット１０７の製造のしやすさや、試料加工装置の性能向上などの観点から決定することが可能である。例えば、図７(ｃ)に示す形状には、図１に示す形状に比べて、ＳＥＭユニット１０７の慣性モーメントを小さくし、ＳＥＭユニット１０７の回転に要するエネルギーを削減することができるという利点がある。

以上、第１から第４実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施することができる。また、これらの実施形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことにより、様々な変形例を得ることもできる。これらの形態や変形例は、発明の範囲や要旨に含まれており、特許請求の範囲及びこれに均等な範囲には、これらの形態や変形例が含まれる。

１０：処理装置、２０：制御装置、２１：本体部、２２：表示部、２３：入力部、
３０：カセット台、４０：カセット、５０：ウェハ、６０：ラメラ、
１０１：搬送ロボット、１０２：ハッチ、１０３：載置台、１０４：搬送ロボット、
１０５：ステージ、１０６：ＦＩＢユニット、１０７：ＳＥＭユニット、
１０８：真空試料室、１０９：真空ポンプ、
１１０：二次電子検出器、１１１：Ｘ線検出器、１１２：プローブ、
１１３：ガス供給装置、１１４：プローブ制御装置、
２０１：ＣＰＵ、２０２：ＲＯＭ、２０３：ＲＡＭ、２０４：ＨＤＤ、
２０５：ユーザＩ／Ｆ、２０６：通信Ｉ／Ｆ、
３０１：記憶部、３０２：算出部、３０３：判定部、３０４：制御部、
３０５：受信部、３０６：送信部

Claims (7)

1. 試料を設置するためのステージと、
   前記ステージ上の前記試料に、前記試料を加工するためのイオンビームを照射するイオンビーム照射部と、
   前記ステージ上の前記試料に、前記試料を観察するための電子ビームを照射する電子ビーム照射部と、
   前記ステージの表面に垂直な方向に対し第１角度だけ傾斜した回転軸を中心に、前記電子ビーム照射部を回転させて、前記電子ビームの入射角を変化させる回転部と、
   前記ステージ、前記イオンビーム照射部、および前記電子ビーム照射部を収容する真空試料室とを備え、
   前記回転部は、
   前記試料がウェハである場合には、前記入射角を、前記第１角度よりも小さい第２角度に設定し、
   前記試料がラメラである場合には、前記入射角を、前記第１角度よりも大きい第３角度に設定し、
   前記第２角度は０度〜４５度であり、
   前記第３角度は４５度〜１３５度であり、
   前記回転部は、前記真空試料室を貫通しており、
   前記回転部が前記真空試料室を貫通する部分における前記回転部の断面形状は、円形である、
   試料加工装置。
2. 試料を設置するためのステージと、
   前記ステージ上の前記試料に、前記試料を加工するためのイオンビームを照射するイオンビーム照射部と、
   前記ステージ上の前記試料に、前記試料を観察するための電子ビームを照射する電子ビーム照射部と、
   前記ステージの表面に垂直な方向に対し第１角度だけ傾斜した回転軸を中心に、前記電子ビーム照射部を回転させて、前記電子ビームの入射角を変化させる回転部とを備え、
   前記回転部は、
   前記試料がウェハである場合には、前記入射角を、前記第１角度よりも小さい第２角度に設定し、
   前記試料がラメラである場合には、前記入射角を、前記第１角度よりも大きい第３角度に設定する、
   試料加工装置。
3. 前記第２角度は０度〜４５度である、請求項２に記載の試料加工装置。
4. 前記第３角度は４５度〜１３５度である、請求項２または３に記載の試料加工装置。
5. さらに、前記ステージ、前記イオンビーム照射部、および前記電子ビーム照射部を収容する真空試料室を備える、請求項２から４のいずれか１項に記載の試料加工装置。
6. 前記回転部は、前記真空試料室を貫通しており、
   前記回転部が前記真空試料室を貫通する部分における前記回転部の断面形状は、円形である、請求項５に記載の試料加工装置。
7. 試料をステージ上に設置し、
   前記ステージ上の前記試料に電子ビームを照射する電子ビーム照射部を、前記ステージの表面に垂直な方向に対し第１角度だけ傾斜した回転軸を中心に回転させて、前記電子ビームの入射角を変化させ、
   前記試料がウェハである場合に、前記電子ビームの前記入射角を前記第１角度よりも小さい第２角度に設定した状態で、前記ウェハにイオンビームと前記電子ビームを照射することで、前記ウェハを観察しつつ加工し、
   前記試料がラメラである場合に、前記電子ビームの前記入射角を前記第１角度よりも大きい第３角度に設定した状態で、前記ラメラに前記イオンビームと前記電子ビームを照射することで、前記ラメラを観察しつつ加工する、
   試料加工方法。

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