JP2015230846A - Method and apparatus for annealing treatment of transparent conductive film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ITO膜の如き透明導電膜の透明度の向上と低抵抗化を目的として透明導電膜をアニール処理する方法及びこの方法を実施するための装置に関するものである。 The present invention relates to a method for annealing a transparent conductive film for the purpose of improving the transparency and reducing the resistance of a transparent conductive film such as an ITO film, and an apparatus for carrying out this method.
アニール処理は、熱加工によって生じた材料のひずみを除去し、再結晶化や界面改質を行う目的で、アニール炉内に材料を搬入して行われ、この処理は、エンプラやガラス製品、半導体、電子部品等の製造に用いられている。 Annealing is performed by bringing the material into an annealing furnace for the purpose of removing the distortion of the material caused by thermal processing, recrystallization and interfacial modification, and this processing is used for engineering plastics, glass products, and semiconductors. It is used for manufacturing electronic parts.
一般的に、アニール処理とは、材料の結晶中の乱れや応力を減らす目的で一定時間高温(ほぼ700℃)に保たれているアニール炉内で材料に熱エネルギーを与えて材料を酸化させ、不純物を整列させ、結晶をエネルギー的により安定な状態にする処理を意味する。 In general, annealing is performed by oxidizing the material by applying thermal energy to the material in an annealing furnace maintained at a high temperature (approximately 700 ° C.) for a certain period of time in order to reduce disturbance and stress in the material crystal. It means a process of aligning impurities and making the crystal energetically more stable.
このアニール処理では、シーズヒータ、赤外線ヒーター、遠赤外線ヒーター等を加熱手段として用いられているが、これらの加熱手段には、高温アニール用、低温アニール用、真空アニール用、水素アニール用等がある。 In this annealing treatment, a sheathed heater, infrared heater, far-infrared heater or the like is used as a heating means, and these heating means include high temperature annealing, low temperature annealing, vacuum annealing, hydrogen annealing and the like. .
透明導電膜は、太陽電池、タッチパネル、有機EL等に使用されており、従って、高い透明度と低い比抵抗(シリーズ抵抗、接触抵抗)とが要求されている。従来技術において、透明導電膜の低抵抗化等の如き特性を向上するために、透明導電膜をアニール処理することが行われている(特許文献1参照)。 The transparent conductive film is used in solar cells, touch panels, organic ELs, and the like, and accordingly, high transparency and low specific resistance (series resistance, contact resistance) are required. In the prior art, the transparent conductive film is annealed in order to improve characteristics such as lowering the resistance of the transparent conductive film (see Patent Document 1).
従来技術の透明導電膜のアニール処理は、1つのアニール室内の温度、湿度を一定に保ちながら、所定時間行われるので、透明度の向上と低抵抗化との両方を達成することが難しかった。また、透明導電膜は、熱に弱いプラスチック基板に成膜するためには低温でプラスチック基板に接合することが要求されるが、従来技術のアニール処理では、この要求を満足することができなかった。 Since the annealing treatment of the transparent conductive film according to the prior art is performed for a predetermined time while keeping the temperature and humidity in one annealing chamber constant, it is difficult to achieve both improvement of transparency and reduction of resistance. In addition, the transparent conductive film is required to be bonded to the plastic substrate at a low temperature in order to form a film on a heat-sensitive plastic substrate, but the conventional annealing treatment cannot satisfy this requirement. .
本発明が解決しようとする第1の課題は、基板上に透明導電膜を塗布した後の透明度の向上とシリーズ抵抗や接触抵抗の低減化を実現することができる透明導電膜のアニール処理方法を提供することにある。 The first problem to be solved by the present invention is a method for annealing a transparent conductive film, which can realize improvement in transparency after applying a transparent conductive film on a substrate and reduction in series resistance and contact resistance. It is to provide.
本発明が解決しようとする第1の課題は、基板上に透明導電膜を塗布した後の透明度の向上とシリーズ抵抗や接触抵抗の低減化を実現することができる透明導電膜のアニール処理装置を提供することにある。 The first problem to be solved by the present invention is an apparatus for annealing a transparent conductive film, which can realize improvement in transparency after coating a transparent conductive film on a substrate and reduction in series resistance and contact resistance. It is to provide.
本発明の第1の課題解決手段は、加湿用の第1の圧力容器と前記第1の圧力容器から水蒸気を受け取って透明導電膜材料をアニールするアニール用の第2の圧力容器とを用意し、前記第2の圧力容器内で前記第1の圧力容器内の温度より高い温度で前記水蒸気を加熱して100℃以上の不飽和水蒸気を生成して湿度を調整し、前記透明導電膜材料を前記調整された湿度で所定時間アニール処理することを特徴とする透明導電膜のアニール処理する方法を提供することにある。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a first pressure vessel for humidification and a second pressure vessel for annealing for receiving water vapor from the first pressure vessel and annealing the transparent conductive film material. In the second pressure vessel, the water vapor is heated at a temperature higher than the temperature in the first pressure vessel to generate unsaturated water vapor of 100 ° C. or higher to adjust the humidity, and the transparent conductive film material An object of the present invention is to provide a method for annealing a transparent conductive film, characterized by annealing for a predetermined time at the adjusted humidity.
本発明の第2の課題解決手段は、加湿用の第1の圧力容器と前記第1の圧力容器から水蒸気を受け取って透明導電膜材料をアニールするアニール用の第2の圧力容器と、前記第1の圧力容器内の温度と前記第2の圧力容器内の温度を制御する温度制御手段とを備え、前記第1の圧力容器は、前記温度制御手段によって所定温度の飽和水蒸気を生成し、前記第2の圧力容器は、前記温度制御手段によって前記第1の圧力容器から受け取った水蒸気を前記第1の圧力容器内の温度より高い温度で加熱して100℃以上の不飽和水蒸気を生成し、前記透明導電膜材料を前記不飽和水蒸気によってアニール処理するようにしたことを特徴とする透明導電膜アニール処理装置を提供することにある。 The second problem-solving means of the present invention includes a first pressure vessel for humidification, a second pressure vessel for annealing that receives water vapor from the first pressure vessel and anneals the transparent conductive film material, and the first pressure vessel. Temperature control means for controlling the temperature in the first pressure vessel and the temperature in the second pressure vessel, the first pressure vessel generates saturated steam at a predetermined temperature by the temperature control means, The second pressure vessel heats the water vapor received from the first pressure vessel by the temperature control means at a temperature higher than the temperature in the first pressure vessel to produce unsaturated water vapor of 100 ° C. or higher, An object of the present invention is to provide an apparatus for annealing a transparent conductive film, wherein the transparent conductive film material is annealed with the unsaturated water vapor.
第2の課題解決手段において、第1の圧力容器は、内部に加湿水を有し、前記加湿水上の温度を測定する加湿空間温度センサーと、前記加湿水を加熱する第1の加熱ヒーターとを含み、前記加湿空間温度センサーは、前記温度制御手段に測定温度を入力し、前記第1の加熱ヒーターは、前記加湿水の測定温度に基づいて前記温度制御手段によって駆動される形態とすることができる。 In the second problem-solving means, the first pressure vessel includes humidified water therein, a humidified space temperature sensor that measures the temperature on the humidified water, and a first heater that heats the humidified water. The humidifying space temperature sensor inputs a measured temperature to the temperature control means, and the first heater is driven by the temperature control means based on the measured temperature of the humidified water. it can.
第2の課題解決手段において、第2の圧力容器は、前記第2の圧力容器内の水蒸気の温度を測定するアニール用温度センサーと、前記第2の圧力容器内の温度を前記水蒸気の温度よりも上昇するように加熱する第2の加熱ヒーターとを含み、前記アニール用温度センサーは、前記温度制御手段にその測定温度を入力し、前記第2の加熱ヒーターは、前記アニール用の測定温度に基づいて前記温度制御手段によって駆動される形態とすることができる。 In the second problem-solving means, the second pressure vessel includes an annealing temperature sensor for measuring the temperature of water vapor in the second pressure vessel, and the temperature in the second pressure vessel is determined from the temperature of the water vapor. The annealing temperature sensor inputs the measured temperature to the temperature control means, and the second heating heater sets the measured temperature for annealing. On the basis of this, it can be driven by the temperature control means.
加湿用の第1の圧力容器とアニール用の第2の圧力容器とは、前記第1の圧力容器内で生成した水蒸気を前記第2の圧力容器に移動する第1の配管手段によって接続され、また第2の圧力容器内部で100℃以下になった水蒸気を第1の圧力容器内へ移動する第2の配管手段によって接続されている形態とすることができる。 The first pressure vessel for humidification and the second pressure vessel for annealing are connected by first piping means for moving water vapor generated in the first pressure vessel to the second pressure vessel, Moreover, it can be set as the form connected by the 2nd piping means which moves the water vapor | steam which became 100 degrees C or less inside the 2nd pressure vessel into the 1st pressure vessel.
本発明によれば、上記のように、第1の圧力容器内で生成されて第2の用圧力容器に移動した水蒸気は、第2の加熱ヒーターによって加熱され、更に温度を上昇させて100℃以上の不飽和水蒸気になり、透明導電膜塗布後の材料にアニールを施す温度に所定時間維持することによって、アニール用の第2の圧力容器内にある透明導電膜材料の透明度の向上と低抵抗化とを達成することができる。 According to the present invention, as described above, the water vapor generated in the first pressure vessel and moved to the second pressure vessel is heated by the second heater and further raised in temperature to 100 ° C. The above-described unsaturated water vapor is maintained, and the temperature after annealing the transparent conductive film is maintained for a predetermined time, thereby improving the transparency and low resistance of the transparent conductive film material in the second pressure vessel for annealing. Can be achieved.
本発明の方法によってITOの如き透明導電膜材料をアニール処理すると、高い透明度と低い抵抗との両方の特性を達成することができるので、タッチパネル、ソーラーパネル、LED等に好適に使用することができる上に、透明導電膜(特にITO)の厚みを薄くすることができるため、高価な材料の使用量を削減することができ、また、低温で処理することができるので、透明導電膜材料を塗布する基板材料としてプラスチックの如き耐熱性が150℃以下と低い材料を選択することができるため、製品のコストダウンを実現することができる。 When a transparent conductive film material such as ITO is annealed by the method of the present invention, both high transparency and low resistance can be achieved, and therefore it can be suitably used for touch panels, solar panels, LEDs, and the like. Furthermore, since the thickness of the transparent conductive film (especially ITO) can be reduced, the amount of expensive materials used can be reduced, and since it can be processed at low temperatures, a transparent conductive film material is applied. Since a material having a low heat resistance of 150 ° C. or less, such as plastic, can be selected as the substrate material to be manufactured, the cost of the product can be reduced.
本発明の1つの実施の形態による透明導電膜のアニール処理方法を図面を参照して詳細に述べると、図1は、本発明の方法を実施するのに好適な透明導電膜用アニール処理装置を系統的に示している。 The annealing method for a transparent conductive film according to one embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows an annealing apparatus for a transparent conductive film suitable for carrying out the method of the present invention. Shows systematically.
この透明導電膜用アニール処理装置は、内部に加湿水16を保持して水蒸気を生成する加湿用の第1の圧力容器11と、この第1の圧力容器11から水蒸気を受け取って透明導電膜材料をアニールするアニール用の第2の圧力容器12と、第1の圧力容器11内の温度と第2の圧力容器12内の温度を制御する温度制御手段18とを備えている。
The annealing apparatus for transparent conductive film includes a
加湿用の第1の圧力容器11は、加湿水16の上方空間の温度(圧力容器11内の温度)を測定する加湿空間温度センサー19と、加湿水16を加熱する第1の加熱ヒーター17とを含み、加湿空間温度センサー19は、温度制御手段18に測定温度を入力し、第1の加熱ヒーター17は、圧力容器11内の測定温度に基づいて温度制御手段18によって駆動されて加湿水16を加熱して100℃以上の水蒸気を発生する。
The
第2の圧力容器12は、この第2の圧力容器12内のアニール温度を測定するアニール温度センサー22と、この第2の圧力容器内のアニール温度を水蒸気の温度よりも上昇するように加熱する第2の加熱ヒーター21とを含み、アニール温度センサー22は、温度制御手段18にその測定温度を入力し、第2の加熱ヒーター21は、測定されたアニール温度に基づいて温度制御手段18によって駆動されて第2の圧力容器12内の温度を加湿空間温度よりも上昇して第2の圧力容器12内を不飽和水蒸気の雰囲気とする。
The
加湿用の第1の圧力容器11とアニール用の第2の圧力容器12とは、第1の圧力容器11内で生成した水蒸気を第2の圧力容器12に移動する第1の配管手段20によって接続され、また第2の圧力容器12の内部で100℃以下になった水蒸気を第1の圧力容器11内へ移動する第2の配管手段23によって接続されている。
The
アニール用の第2の圧力容器12は、最初の段階でその内部の空気等を排気し、その後閉じる排気弁13と、第2の圧力容器12の内部が異常圧力になった場合に自動的に働く安全弁14と、第2の圧力容器12の内部圧力を測定する圧力計15とを備えている。
The
加湿用の第1の圧力容器11は、図示しないプログラム制御装置からのアニール処理開始の指令を受けて加湿水16が給水され、それとともに、加湿水用の第1の加熱ヒーター17に温度調節手段18から給電されて加湿水16の加熱が開始される。
The
温度調節手段18は、加湿水の上方空間の温度を測定する加湿空間温度センサー19が目標の加湿空間温度になるまで、加湿水用の第1の加熱ヒーター17を加熱制御する。加湿用の第1の圧力容器11の内部の加湿水16の温度が上昇し、気化して生成された水蒸気は、加湿用の第1の圧力容器11から第1の配管20を経てアニール用の第2の圧力容器内へ移動する。
The temperature adjusting means 18 controls the heating of the first heater 17 for humidified water until the humidified
温度調節手段18は、アニール用の第2の圧力容器12内の温度を測定する第2の温度センサー22により、目標のアニール温度になるまで、第2の加熱ヒーター21を加熱制御する。従って、アニール用の第2の圧力容器12内へ移動した水蒸気は、この第2の圧力容器12内で第2の加熱ヒーター21により更に加熱されて、湿度調整された高温の不飽和水蒸気になる。
The temperature adjusting means 18 controls the heating of the
湿度調整された高温の不飽和水蒸気は、アニール用の第2の圧力容器12内でアニール処理している間に低温化して液化し、第2の配管23を経てアニール用の第2の圧力容器12から加湿用も第1の圧力容器11に戻る。
The humidity-adjusted high-temperature unsaturated water vapor is cooled and liquefied during the annealing process in the
このように、第1の圧力容器11内で生成された水蒸気が第2の圧力容器内に移動し、更なる加熱で不飽和水蒸気となった後、液化して第1の圧力容器11に戻るサイクルを繰り返しながら、第1の圧力容器11内の加湿空間温度と第2の圧力容器12内のアニール温度とは、設定目標値に向けて上昇する。
Thus, after the water vapor | steam produced | generated in the
このようなアニール処理環境は、図示しないプログラム制御装置のプログラム処理によって形成される。即ち、プログラム制御装置からの指令によって、アニール処理開始の指示、第1と第2の加熱ヒーター17、21の常温からの加熱、温度上昇、第2の圧力容器12内の排気、水蒸気の循環によるアニール処理に必要な目標値への加湿空間温度とアニール温度の上昇が行われ、所定時間、所定温度及び所定湿度のアニール状態を保持することができる。第2の圧力容器12内の湿度調整された高温の不飽和水蒸気により、自然対流が発生して、アニール用の第2の圧力容器12内に置台24上に搬入された透明導電膜材料25がアニーリングされる。
Such an annealing process environment is formed by a program process of a program control device (not shown). That is, according to an instruction from the program control device, an instruction to start the annealing process, heating of the first and
図2は、本発明の透明導電膜のアニール処理のために設定されたアニール温度と湿度の推移を示しており、アニール開始の指示を受けて第2の圧力容器12内で常温から温度を上昇しつつ、湿度及び圧力を上昇させ、時点(2−1)でアニール設定条件に到達させる。好ましいアニール設定条件としては、例えば、サファイヤ基板に電子ビーム(EB)蒸着法によりITOを50nmの厚みで塗布して形成された透明導電膜の試験材料25に対しては、140℃の所定温度と85%の所定湿度と約0.3MPaの所定圧力が適切であり、この材料のアニール処理は、この条件を5時間保持して行われる。時点(2−2)でアニール終了し、その後、第1、第2の加熱ヒーター17、21の給電を停止して、温度を常温に戻し、圧力及湿度を下降させる。
FIG. 2 shows the transition of the annealing temperature and humidity set for the annealing treatment of the transparent conductive film of the present invention. In response to the instruction to start annealing, the temperature is raised from the normal temperature in the
図3は、上記の透明導電膜の試験材料25をアニール用の第2の圧力容器12に搬入してアニール処理した際の材料25の透過率の湿度依存性を示し、この湿度依存性は、140℃の温度条件を維持したまま、アニール湿度を3%から85%まで変えた際の透過率の測定結果である。この測定結果から、湿度が上昇するに従って、透過率が上昇していることが解る。これは、湿度が上昇するにつれてITO材料の内部の酸化欠損が減少し、キャリアが減ったために透過率が上昇したことによる。
FIG. 3 shows the humidity dependency of the transmittance of the material 25 when the transparent conductive
図4は、同じ試験材料を使用して、その試験材料をアニール用の第2の圧力容器12に搬入してアニール処理した際の材料25の透過率の時間依存性を示し、この時間依存性は、140℃のアニール温度と85%のアニール湿度とを維持しつつ、試験時間を0から10時間まで変えた際の透過率の測定結果である。この測定結果から、5時間になると、透過率が最大値となることが解る。これは、ITO材料内部の酸化反応が活性化するまで、5時間が必要であることを意味する。
FIG. 4 shows the time dependency of the transmittance of the material 25 when the same test material is used and the test material is carried into the
図5は、同じ試験材料を使用して、その試験材料をアニール用の第2の圧力容器12に搬入してアニール処理した際の透過率の温度依存性を示し、この温度依存性は、5時間のアニール時間と85%のアニール湿度とを維持しつつ、アニール温度を100℃から130℃まで変えた際の透過率の測定結果である。この測定結果から、アニール温度が120℃から130℃になると、透過率が上昇していることが解る。これは、ITO材料内部の酸化反応の発生に130℃以上の温度が必要であることを意味する。
FIG. 5 shows the temperature dependence of the transmittance when the same test material is used and the test material is carried into the
本発明の装置を用いてアニール処理を行うにあたって、酸化反応だけを行ったり、酸化反応と結晶化反応とを組み合わせたりして種々の工程で試験的に行う場合の試験温度(アニール温度)、試験湿度(アニール湿度)、試験時間(アニール処理時間)の如き工程条件が図6に示されている。工程Aは、酸化反応工程だけを行い、工程Bは、酸化反応工程後に、結晶化工程を行い、工程Cは、結晶化工程後に、酸化反応工程、最後に結晶化工程を行い、工程Dは、結晶化工程後に、酸化反応工程を行っている。結晶化工程における試験温度(アニール温度)は、140℃で、試験湿度(アニール湿度)は、3%以下とほぼゼロに近く、また、酸化反応工程での試験温度(アニール温度)は、140℃で、試験湿度(アニール湿度)は85%、圧力は0.3MPaである。 When performing annealing using the apparatus of the present invention, the test temperature (annealing temperature) and test when performing only the oxidation reaction, or performing the test in various steps by combining the oxidation reaction and the crystallization reaction. Process conditions such as humidity (annealing humidity) and test time (annealing time) are shown in FIG. Process A performs only the oxidation reaction process, Process B performs the crystallization process after the oxidation reaction process, Process C performs the oxidation reaction process after the crystallization process, and finally the crystallization process, and Process D includes The oxidation reaction step is performed after the crystallization step. The test temperature (annealing temperature) in the crystallization process is 140 ° C., the test humidity (annealing humidity) is 3% or less, which is almost zero, and the test temperature (annealing temperature) in the oxidation reaction process is 140 ° C. The test humidity (annealing humidity) is 85% and the pressure is 0.3 MPa.
図6の工程別に、抵抗値と透明度との各工程での結果が図7に示されている。工程Aは、酸化反応工程だけを実施した場合で、これは、透明導電膜材料の内部で酸素原子が不足している箇所に不飽和水蒸気の水分子がイオン化され、酸素原子が結合される現象が発生している状態であり、透明度はほぼ80%程度であるが、抵抗値は1Ωより少し低い程度である。次に、工程Bは、酸化反応工程後に、結晶化工程を追加した場合で、これは、透明導電膜材料の内部で熱エネルギーによる原子の位置が隙間が小さく規則正しい状態になり、透明度が若干低下するが、抵抗値が更に低下していることが解る。工程Cは、工程Bの前段階に、結晶化工程を追加した場合で、工程Bより、1桁以上抵抗値が低下していることが解る。これは、結晶化工程が酸化反応工程の前段階にあった方が、低抵抗化には、有効な手段である。最後に、工程Dは、工程Cの後の結晶化工程を削除した場合で、後の結晶化工程は、低抵抗化には不必要なことを示している。 FIG. 7 shows the results of the resistance value and the transparency in each process for each process in FIG. Process A is a case where only the oxidation reaction process is performed, and this is a phenomenon in which water molecules of unsaturated water vapor are ionized and bonded to oxygen atoms at a location where oxygen atoms are deficient inside the transparent conductive film material. The transparency is about 80%, but the resistance is a little lower than 1Ω. Next, Step B is a case where a crystallization step is added after the oxidation reaction step. This is because the positions of atoms due to thermal energy are in a regular state with small gaps inside the transparent conductive film material, and the transparency is slightly lowered. However, it can be seen that the resistance value further decreases. Process C is a case where the crystallization process is added to the previous stage of Process B, and it can be seen that the resistance value is reduced by one digit or more from Process B. This is an effective means for reducing the resistance when the crystallization process is in the previous stage of the oxidation reaction process. Finally, the process D is a case where the crystallization process after the process C is deleted, and the subsequent crystallization process is unnecessary for reducing the resistance.
上記の結果から、本発明の透明導電膜用アニール装置を用いて、アニール(試験)温度、アニール(試験)湿度、アニール(試験)時間を順序よく制御することにより、低い温度(ほぼ140℃)で、ITOの透明度の向上とシリーズ抵抗と接触抵抗の低抵抗化とを実現することができる。これは、圧力容器12で発生する不飽和水蒸気は、極めて強力な酸化作用があり、その酸化作用が、酸素の不足状態にあるITOを低温度で酸化させることに基づいている。なお、上記説明では、ITOの透明導電膜について試験した結果を述べたが、ITO以外に、ZnO、InGaZnO,GaZnOなどの他の透明導電膜でも同様の結果を得ることができることが確認されている。また、上記説明では、透明導電膜を蒸着で成膜した場合を述べたが、スパッタリングの如き蒸着以外の方法で成膜した透明導電膜にも本発明を同様に適用することができる。
From the above results, by using the annealing apparatus for transparent conductive film of the present invention, the annealing (test) temperature, the annealing (test) humidity, and the annealing (test) time are controlled in order, so that the temperature is low (approximately 140 ° C.). In addition, it is possible to improve the transparency of ITO and to reduce the series resistance and contact resistance. This is based on the fact that unsaturated water vapor generated in the
本発明の方法によれば、従来の製造方法と同等の透明度を実現しつつシリーズ抵抗と接触抵抗を低減することができ、従って高価な透明導電膜材料を薄膜にしてその使用量を低減することができるので、製品のコストダウンを実現でき、産業上有利に利用することができる。 According to the method of the present invention, it is possible to reduce the series resistance and the contact resistance while realizing the same transparency as that of the conventional manufacturing method. Therefore, the cost of the product can be reduced and it can be used industrially advantageously.
11 加湿用の第1の圧力容器
12 アニール用の第2の圧力容器
13 排気弁
14 安全弁
15 圧力計
16 加湿水
17 加湿水加熱用の第1の加熱ヒーター
18 温度制御手段
19 第1の温度センサー
20 第1の配管
21 水蒸気加熱用の第2の加熱ヒーター
22 第2の温度センサー
23 第2の配管
24 材料の置台
25 透明導電膜材料
DESCRIPTION OF
Claims (5)
5. The transparent conductive film annealing apparatus according to claim 2, wherein the first pressure vessel for humidification and the second pressure vessel for annealing are in the first pressure vessel. The water vapor generated in step (b) is connected by the first piping means that moves the water vapor to the second pressure vessel, and the water vapor that has become 100 ° C. or less inside the second pressure vessel is moved into the first pressure vessel. A transparent conductive film annealing apparatus characterized by being connected by a second piping means.
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