JP2016045440A - Fabrication method of optical waveguide - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、SiN,SiON,SiOxのいずれかから構成されたコアを備える光導波路の作製方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an optical waveguide having a core composed of any one of SiN, SiON, and SiO x .
クラウド・モバイル環境の急速な普及により、情報流通量の増大が続いており、現在、光ネットワークの大容量化、高速化、低消費電力化が強く求められている。この実現に向けては、波長分割多重(Wavelength-division multiplexing;WDM)デバイスの小型・低コスト・低消費電力化が重要となる。 Due to the rapid spread of cloud and mobile environments, the volume of information circulation continues to increase, and there is a strong demand for increasing the capacity, speed, and power consumption of optical networks. To achieve this, it is important to reduce the size, cost and power consumption of wavelength-division multiplexing (WDM) devices.
このような背景の中、近年、デバイスの小型化が可能であり、経済性,省エネルギー性に優れ、また電気デバイスとの融合性に優れるSiコアによる光導波路をベースとした光デバイス、光回路の研究開発が活発になされている。しかしながら,Siは屈折率が約3.48と高いため、光の閉じ込めが強く小型化に有利である反面、デバイス特性が加工誤差に敏感であるという問題がある。また、多波長化に伴い生じる高パワー伝送で誘起されるSiの光非線形性に根ざす問題もあり、偏波無依存化や高いダイナミックレンジが必要とされる通信ネットワーク応用においては、Siコアによる光導波路だけで要求性能を満たすのは容易ではないことが明らかになってきている。 Against this background, in recent years, optical devices and optical circuits based on optical waveguides based on Si cores, which can be miniaturized, are excellent in economy and energy saving, and are excellent in fusion with electrical devices. Research and development is actively underway. However, since Si has a high refractive index of about 3.48, it has a problem that the device characteristics are sensitive to processing errors, while light confinement is strong and advantageous for miniaturization. In addition, there is a problem rooted in the optical nonlinearity of Si induced by high power transmission that occurs with the increase in wavelength. In communication network applications that require polarization independence and a high dynamic range, optical cores with Si cores are used. It has become clear that it is not easy to meet the required performance with only the waveguide.
一方、通信ネットワーク、特に高密度波長多重方式(DWDM)への適用を目指す集積化フォトニクスに関する研究は、コアとクラッドとの比屈折率差が低い光導波路である石英系光導波路が先行している。このため、現在も、石英系光導波路を、コアとクラッドとの比屈折率差がより高い光導波路とする方向での研究開発が行われている。しかし、石英系は、電気チップへ集積可能な小型光デバイスの製作は困難という課題がある。このため、Siと石英の中間の屈折率を持ち、屈折率自由度があり電気デバイスと集積可能な光導波路システムが求められている。このような光導波路の1つとして、SiN,SiON,SiOxよりコアを構成した光導波路に期待が集まっている。 On the other hand, research on integrated photonics aiming at application to communication networks, especially Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM), is preceded by silica-based optical waveguides, which are optical waveguides with a low relative refractive index difference between the core and the cladding. . For this reason, research and development are now being conducted in the direction of making the silica-based optical waveguide an optical waveguide having a higher relative refractive index difference between the core and the clad. However, the quartz system has a problem that it is difficult to manufacture a small optical device that can be integrated into an electric chip. Therefore, an optical waveguide system having an intermediate refractive index between Si and quartz and having a refractive index freedom and capable of being integrated with an electric device is desired. As one of such optical waveguides, there is an expectation for an optical waveguide having a core composed of SiN, SiON, and SiO x .
SiN,SiON,SiOxよりコアを構成した光導波路は、石英系よりコアとクラッドとの屈折率の高い光導波路系として昔から知られており、通信ネットワーク応用向けにも研究されている。これら材料によるコアを用いた単体光導波路については、低損失な光導波路を実現できる作製方法が確立はされている。 An optical waveguide having a core composed of SiN, SiON, and SiO x has long been known as an optical waveguide system having a higher refractive index between the core and the clad than the quartz system, and has been studied for communication network applications. For a single optical waveguide using a core made of these materials, a manufacturing method capable of realizing a low-loss optical waveguide has been established.
このようなSiN,SiON,SiOxよりコアを構成した光導波路の作製では、コア膜、クラッド膜を1200℃以上の高温加熱化で処理をして膜特性を安定化させることで、光導波路特性を向上させるようにしている(特許文献1,2参照)。
In the production of such an optical waveguide having a core composed of SiN, SiON, and SiO x , the core film and the clad film are processed by heating at a high temperature of 1200 ° C. or higher to stabilize the film characteristics. (See
以下、SiN,SiON,SiOxよりコアを構成した光導波路の作製について、図4A〜図4Fを用いて説明する。まず、図4Aに示すように、シリコン基板201の上に、SiO2からなる厚さ15μmの下部クラッド層202を形成する。例えば、火炎堆積法(FHD)法を用い、SiO2微粒子をシリコン基板201の上に堆積した後、1400℃の高温において焼結すればよい。これにより透明なSiO2膜である下部クラッド層202が形成される。
Hereinafter, fabrication of an optical waveguide having a core composed of SiN, SiON, and SiO x will be described with reference to FIGS. 4A to 4F. First, as shown in FIG. 4A, a
次に、図4Bに示すように、下部クラッド層202上に、SiONからなり所定の屈折率および厚さとしたSiON層203を、スパッタ法により形成する。引き続き、SiON層203を1200℃の高温で加熱処理することで、図4Cに示すように、膜特性が安定化したコア形成層204とする。次に、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングなどのLSI加工技術を用いてコア形成層204を加工し、図4Dに示すように、下部クラッド層202の上に、断面が矩形のコア205を形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, a
次に、図4Eに示すように、下部クラッド層202の上にコア205を覆って上部クラッド層206を形成する。例えば、よく知られた熱CVD(Chemical Vapor Deposition)法によりSiO2を堆積することで、上部クラッド層206を形成すればよい。この後、上部クラッド層206に対して1000℃の高温加熱処理を実施し、図4Fに示すように、下部クラッド層202と同じ屈折率1.44の上部クラッド層206aとする。
Next, as shown in FIG. 4E, an
上述した作製方法では、堆積した層を1000℃以上の高温で加熱処理することで、クラッド層、コア形成層(コア)の屈折率などの膜特性を安定化させ、コアとクラッド界面の荒れを低減して散乱を抑え、低損失の伝搬特性を示す光導波路を実現している。 In the above-described manufacturing method, the deposited layer is heat-treated at a high temperature of 1000 ° C. or higher to stabilize the film properties such as the refractive index of the cladding layer and the core forming layer (core), and the roughness of the core and cladding interface This reduces the scattering and realizes an optical waveguide exhibiting low-loss propagation characteristics.
しかしながら、高機能性、省エネルギー性、経済性が同時に求められる今日の通信ネットワークデバイスにおいては、異なる機能を持つ異種材料光デバイスや電気デバイスと光導波路をワンチップ上に融合集積することが不可欠になっている。高温での加熱処理を必要とする上述した導波路作製方法では、前工程で作られた異種材料光デバイスや電気デバイスが、高温の熱処理中に破壊してしまい、融合集積できないという問題がある。このため、他のデバイスを破壊することのない低い温度においても低損失で良好な特性を持つ光導波路の作製方法の開発が求められている。 However, in today's communication network devices, which require high functionality, energy savings, and economy at the same time, it is indispensable to integrate optical devices and electrical devices with different functions and optical waveguides on a single chip. ing. In the above-described waveguide fabrication method that requires heat treatment at high temperature, there is a problem in that the dissimilar material optical device and electrical device made in the previous process are destroyed during high-temperature heat treatment and cannot be integrated. For this reason, development of a method for producing an optical waveguide having good characteristics with low loss even at a low temperature without destroying other devices is demanded.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、SiN,SiON,SiOxをコアの材料として用い、伝搬損失が小さい良好な光学特性の光導波路を、融合集積されている他のデバイスを破壊することのない低温で作製できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and uses SiN, SiON, SiO x as a core material, and integrates and integrates optical waveguides having good optical characteristics with low propagation loss. It is an object of the present invention to be able to manufacture at a low temperature without destroying other devices.
本発明に係る光導波路の作製方法は、200℃以下の温度条件で、シリコン基板の上にSiO2からなる下部クラッド層を形成する第1工程と、下部クラッド層上にECRプラズマCVD法によって、SiN,SiON,SiOxのいずれかからなるコア形成層を形成する第2工程と、コア形成層の上に有機樹脂からなるレジスト層を形成する第3工程と、200℃以下の温度条件でレジスト層の上に酸化シリコン層を形成する第4工程と、酸化シリコン層の上にマスクパターンを形成する第5工程と、フッ素を含む化合物からなるエッチングガスを用いた反応性イオンエッチングにより、マスクパターンをマスクとして酸化シリコン層をエッチングして酸化シリコンマスクパターンを形成する第6工程と、酸素ガスによる反応性イオンエッチングにより、酸化シリコンマスクパターンをマスクとしてレジスト層をエッチングしてレジストパターンを形成する第7工程と、レジストパターンをマスクとしてコア形成層をエッチングしてコアを形成する第8工程と、200℃以下の温度条件で、コアの上にSiO2からなる上部クラッド層を形成する第9工程とを備える。 An optical waveguide manufacturing method according to the present invention includes a first step of forming a lower cladding layer made of SiO 2 on a silicon substrate under a temperature condition of 200 ° C. or lower, and an ECR plasma CVD method on the lower cladding layer, A second step of forming a core forming layer made of SiN, SiON, or SiO x , a third step of forming a resist layer made of an organic resin on the core forming layer, and a resist under a temperature condition of 200 ° C. or lower. A mask pattern is formed by a fourth step of forming a silicon oxide layer on the layer, a fifth step of forming a mask pattern on the silicon oxide layer, and reactive ion etching using an etching gas made of a compound containing fluorine. A silicon oxide mask pattern by etching the silicon oxide layer using as a mask, and a reactive ion etch using oxygen gas A seventh step of etching the resist layer using the silicon oxide mask pattern as a mask to form a resist pattern, an eighth step of etching the core forming layer using the resist pattern as a mask to form a core, and 200 ° C. or lower. And a ninth step of forming an upper clad layer made of SiO 2 on the core under the above temperature conditions.
上記光導波路の作製方法において、第2工程では、SiH4,SiD4,SiF4,SiCl4のいずかれ1つのガスと、N2,O2の少なくとも1つのガスとの混合ガスを用いたECRプラズマCVD法で、SiN,SiON,SiOxのいずれかを堆積してコア形成層を形成すればよい。 In the optical waveguide manufacturing method, in the second step, a mixed gas of one gas of SiH 4 , SiD 4 , SiF 4 , and SiCl 4 and at least one gas of N 2 and O 2 was used. A core forming layer may be formed by depositing any one of SiN, SiON, and SiO x by ECR plasma CVD.
以上説明したことにより、本発明によれば、SiN,SiON,SiOxをコアの材料として用い、伝搬損失が小さい良好な光学特性の光導波路を、融合集積されている他のデバイスを破壊することのない低温で作製できるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, SiN, SiON, SiO x is used as a core material, and an optical waveguide having a good optical characteristic with a small propagation loss is used to destroy other integrated devices. The excellent effect that it can be produced at a low temperature without any problem is obtained.
以下、本発明の実施の形態について図1A〜図1Jを参照して説明する。図1A〜図1Jは、本発明の実施の形態における光導波路の作製方法の途中工程の状態を示す断面図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1A to 1J. 1A to 1J are cross-sectional views showing the state of an intermediate step of a method for manufacturing an optical waveguide in an embodiment of the present invention.
まず、図1Aに示すように、シリコン基板101の上にSiO2からなる下部クラッド層102を形成する(第1工程)。下部クラッド層102は、層厚3μm以上に形成すればよい。例えば、電子サイクロトロン共鳴(Electron Cyclotron Resonance;ECR)プラズマCVD法により酸化シリコン(SiO2)を堆積すればよい。ECRプラズマCVD法に限るものではないが、下部クラッド層102は、200℃程度の低温で形成することが重要となる。例えば、下部クラッド層102は、スパッタ法により形成してもよい。また、SOI(Silicon on Insulator)基板を用いれば、この基板部をシリコン基板101とし、埋め込み酸化層を下部クラッド層102とすることができ、上述した堆積のプロセスは省略することができる。
First, as shown in FIG. 1A, a lower
次に、図1Bに示すように、下部クラッド層102上にECRプラズマCVD法によって、窒化シリコン(SiN),酸窒化シリコン(SiON),シリコン酸化物(SiOx)のいずれかからなるコア形成層103を形成する(第2工程)。ECRプラズマCVD法によれば、200℃以下の低温で上述したいずれかのコア材料が堆積できる。コア形成層103は、層厚1〜3μmに形成すればよい。ここで、コア形成層103は、所望とする屈折率のコアを形成するために、SiON,SiOxにおいては、屈折率が変更できることが重要となる。このため、広い範囲で屈折率を制御でき、低温で膜形成可能な、ECRプラズマCVD法を用いてコア形成層103を形成する。
Next, as shown in FIG. 1B, a core forming layer made of silicon nitride (SiN), silicon oxynitride (SiON), or silicon oxide (SiO x ) is formed on the
次に、図1Cに示すように、コア形成層103の上に有機樹脂からなるレジスト層104を形成する(第3工程)。例えば、コア形成層103の上に、レジスト材料を塗布して層厚2〜4μmにレジスト層104を形成すればよい。また、塗布した後、200℃程度の温度条件で、レジスト層104を加熱処理し、レジスト層104を熱硬化する。
Next, as shown in FIG. 1C, a resist
次に、図1Dに示すように、レジスト層104の上に酸化シリコン層105を形成する(第4工程)。例えば、層厚0.1〜0.2μmに酸化シリコン層105を形成すればよい。ここでは、レジスト層104が変質しない範囲の温度条件で酸化シリコン層105を形成することが重要である。この形成工程において、処理温度がレジスト層104形成時の温度(200℃)以上になると、レジスト層104が変質してしまう。このため、酸化シリコン層105の形成では、200℃以下の低温で酸化シリコンを堆積することが必要となる。このため、ECRプラズマCVD法,スパッタ法などの、200℃以下の温度で酸化シリコンが堆積できる成膜方法で酸化シリコン層105を形成すればよい。
Next, as shown in FIG. 1D, a
次に、図1Eに示すように、酸化シリコン層105の上に、フォトレジスト層106を形成する。次いで、フォトレジスト層106を、公知路フォトリソグラフィー技術によりパターニングすることで、図1Fに示すように、酸化シリコン層105の上にマスクパターン107を形成する(第5工程)。
Next, as illustrated in FIG. 1E, a
次に、フッ素を含む化合物からなるエッチングガスを用いた反応性イオンエッチングにより、マスクパターン107をマスクとして酸化シリコン層105をエッチングし、図1Gに示すように、酸化シリコンマスクパターン108を形成する(第6工程)。例えば、四フッ化炭素(CF4)や六フッ化硫黄(SF6)などのフッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、酸化シリコン層105をエッチング加工する。
Next, the
このようなフッ素を含む化合物からなるエッチングガスを用いれば、フッ素ガスの効果を強め、マスクパターン107に対する酸化シリコン層105のエッチング選択比を下げる条件選ぶことができる。このような条件によれば、マスクパターン107のエッジラフネスが、酸化シリコンマスクパターン108に転写されるのが抑制できる。この結果、酸化シリコンマスクパターン108における側壁荒れ発生を緩和することができる。
By using an etching gas made of such a fluorine-containing compound, the effect of the fluorine gas can be strengthened and conditions for lowering the etching selectivity of the
次に、マスクパターン107を除去した後、図1Hに示すように、レジストパターン109を形成する(第7工程)。ここでは、酸素ガスによる反応性イオンエッチングによりレジスト層104をエッチング加工し、レジストパターン109を形成する。このエッチング加工により、結果として、エッジラフネスの小さい状態にレジストパターン109が形成できる。
Next, after removing the
次に、レジストパターン109をマスクとしてコア形成層103をエッチングし、図1Iに示すように、コア110を形成する(第8工程)。このように、単層のマスクパターンによる加工ではなく、コア110の形成前に、酸化シリコンマスクパターン108の形成およびレジストパターン109の形成の、2回のエッチング工程を経ることで、フォトリソグラフィーで発生するマスクパターンのエッジラフネスを緩和し、側壁が滑らかなレジストパターン109が形成できる。このような側壁が滑らかなレジストパターン109を用いてコア形成層103をエッチング加工すれば、1000℃以上での高温処理を実施することなく、滑らかな側壁を持ったコア110が形成できる。なお、上述したコア形成層103のエッチング加工では、酸化シリコンがエッチングされるため、酸化シリコンマスクパターン108は除去される。
Next, the
次に、レジストパターン109を溶剤などに溶解することで、レジストパターン109を除去した後、図1Jに示すように、コア110の上にSiO2からなる上部クラッド層111を形成する(第9工程)。下部クラッド層102の上にコア110を覆って上部クラッド層111を形成する。上部クラッド層111においても、下部クラッド層102の形成と同様に、200℃程度の低温で形成する。例えば、ECRプラズマCVD法やスパッタ法によりSiO2を堆積して上部クラッド層111とすればよい。
Next, after the resist
以上の方法で作製した、SiONからコア110を構成した光導波路の伝搬損失を測定した結果を図2に示す。図2に示すように、損失値0.8dB/cmという低い値が得られており、従来1000℃以上の高温で処理せず200℃程度以下の温度内の作製でも低損失な光導波路が実現できた。 FIG. 2 shows the result of measuring the propagation loss of the optical waveguide made of SiON and having the core 110 made by the above method. As shown in FIG. 2, a low loss value of 0.8 dB / cm has been obtained, and a low-loss optical waveguide is realized even in fabrication within a temperature of about 200 ° C. or lower without processing at a high temperature of 1000 ° C. or higher. did it.
ところで、SiONは、酸素と窒素の組成比を変化させることで、屈折率を変化させることができる。図3は、SiH4ガス、O2ガス、N2ガスを用いてECRプラズマCVD法で堆積したSiOxNy膜の屈折率変化を示した特性図である。ECRプラズマCVD法によれば、O2ガスとN2ガスの供給割合を変えることで、SiOxNyのx,yが変化し、1.47〜2.0の範囲で屈折率が制御できる。なお、シリコン原料ガスは、SiH4に限るものではなく、SiD4,SiCl4を用いても、ECRプラズマCVD法では同様に、屈折率を制御してSiOxNy膜が形成できる。また、SiOx膜の場合は、シリコン原料ガスと酸素ガスを用いて膜を堆積するが、ガス供給比を制御してシリコンと酸素の組成比を変化させることで、屈折率を1.47〜1.70の範囲で制御できる。 By the way, SiON can change a refractive index by changing the composition ratio of oxygen and nitrogen. FIG. 3 is a characteristic diagram showing changes in the refractive index of a SiO x N y film deposited by ECR plasma CVD using SiH 4 gas, O 2 gas, and N 2 gas. According to the ECR plasma CVD method, by changing the supply ratio of O 2 gas and N 2 gas, x and y of SiO x N y change, and the refractive index can be controlled in the range of 1.47 to 2.0. . Note that the silicon source gas is not limited to SiH 4 , and even if SiD 4 or SiCl 4 is used, the SiO x N y film can be formed by controlling the refractive index in the ECR plasma CVD method. In the case of a SiO x film, the film is deposited using a silicon source gas and an oxygen gas. By changing the composition ratio of silicon and oxygen by controlling the gas supply ratio, the refractive index is 1.47 to It can be controlled in the range of 1.70.
以上に説明したように、本発明によれば、酸化シリコンマスクパターンの形成およびレジストパターンの形成の2回のエッチング工程を経て、レジストパターンを用いたエッチング加工によりコアを形成するようにした。この方法によれば、200℃程度以下の低温で、コアの側壁が滑らかな状態の光導波路構造が形成できるため、低温においても伝搬損失が小さい光導波路が作製できる。また、基板にSiやGeなど別の材料の光デバイスやSiの電子デバイスが作りこまれて状態であっても、200℃程度以下の温度条件で光導波路構造が作製できるので、基板上に融合集積されているデバイスを破壊することはない。このように、本発明によれば、損失の小さい光導波路とデバイスとの融合集積が可能になり、より高機能なデバイスが作製できる。 As described above, according to the present invention, the core is formed by etching using the resist pattern after two etching steps of forming the silicon oxide mask pattern and forming the resist pattern. According to this method, an optical waveguide structure in which the side wall of the core is smooth can be formed at a low temperature of about 200 ° C. or lower, and an optical waveguide with a small propagation loss can be manufactured even at a low temperature. Also, even if optical devices of different materials such as Si and Ge or Si electronic devices are built in the substrate, the optical waveguide structure can be fabricated under a temperature condition of about 200 ° C. or less, so it is integrated on the substrate. It does not destroy the integrated device. As described above, according to the present invention, it is possible to integrate and integrate an optical waveguide with a small loss and a device, and a more functional device can be manufactured.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.
101…シリコン基板、102…下部クラッド層、103…コア形成層、104…レジスト層、105…酸化シリコン層、106…フォトレジスト層、107…マスクパターン、108…酸化シリコンマスクパターン、109…レジストパターン、110…コア、111…上部クラッド層。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記下部クラッド層上にECRプラズマCVD法によって、SiN,SiON,SiOxのいずれかからなるコア形成層を形成する第2工程と、
前記コア形成層の上に有機樹脂からなるレジスト層を形成する第3工程と、
200℃以下の温度条件で前記レジスト層の上に酸化シリコン層を形成する第4工程と、
前記酸化シリコン層の上にマスクパターンを形成する第5工程と、
フッ素を含む化合物からなるエッチングガスを用いた反応性イオンエッチングにより、前記マスクパターンをマスクとして前記酸化シリコン層をエッチングして酸化シリコンマスクパターンを形成する第6工程と、
酸素ガスによる反応性イオンエッチングにより、前記酸化シリコンマスクパターンをマスクとして前記レジスト層をエッチングしてレジストパターンを形成する第7工程と、
前記レジストパターンをマスクとして前記コア形成層をエッチングしてコアを形成する第8工程と、
200℃以下の温度条件で、前記コアの上にSiO2からなる上部クラッド層を形成する第9工程と
を備えることを特徴とする光導波路の作製方法。 A first step of forming a lower cladding layer made of SiO 2 on a silicon substrate under a temperature condition of 200 ° C. or lower;
A second step of forming a core forming layer made of any one of SiN, SiON, and SiO x on the lower cladding layer by ECR plasma CVD;
A third step of forming a resist layer made of an organic resin on the core forming layer;
A fourth step of forming a silicon oxide layer on the resist layer under a temperature condition of 200 ° C. or lower;
A fifth step of forming a mask pattern on the silicon oxide layer;
A sixth step of forming the silicon oxide mask pattern by etching the silicon oxide layer using the mask pattern as a mask by reactive ion etching using an etching gas made of a fluorine-containing compound;
A seventh step of forming a resist pattern by etching the resist layer using the silicon oxide mask pattern as a mask by reactive ion etching with oxygen gas;
An eighth step of forming the core by etching the core forming layer using the resist pattern as a mask;
And a ninth step of forming an upper clad layer made of SiO 2 on the core under a temperature condition of 200 ° C. or lower.
前記第2工程では、SiH4,SiD4,SiF4,SiCl4のいずかれ1つのガスと、N2,O2の少なくとも1つのガスとの混合ガスを用たECRプラズマCVD法で、SiN,SiON,SiOxのいずれかを堆積して前記コア形成層を形成する
ことを特徴とする光導波路の作製方法。 In the manufacturing method of the optical waveguide of Claim 1,
In the second step, SiN 4 , SiD 4 , SiF 4 , and SiCl 4 are mixed with one gas and at least one gas of N 2 and O 2 by an ECR plasma CVD method. The core forming layer is formed by depositing any one of SiO, SiON, and SiO x .
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