JP2017152445A - プラズマ処理方法、およびプラズマ処理装置 - Google Patents
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Abstract
Description
そこで、発光スペクトルの変化量が少ない場合であっても終点検出を行うことができるプラズマ処理方法、およびプラズマ処理装置の開発が望まれていた。
プラズマ処理方法は、ガスから生成された反応生成物により、前記処理物をエッチングする工程と、前記処理物をエッチングしている際に、プラズマ処理空間において発生した特定の波長の光の発光強度を求める工程と、前記求められた発光強度と、予め求められた前記特定の波長の光の発光強度とエッチングレートとの間における相関関係と、からエッチングレートを求める工程と、前記求められたエッチングレートに基づいて、前記エッチングの終点検出を行う工程と、を備えている。
第1の実施形態に係るプラズマ処理方法は、例えば、以下のようにして行うことができる。
まず、プラズマにより、フッ素原子を含むガスを励起、活性化させて反応生成物を生成する。
なお、プラズマ処理に使用するガスは、フッ素原子を含むガスと他の原子を含むガスとの混合ガスであってもよい。例えば、不活性ガスやヘリウム、アルゴンなどとの混合ガスであってもよい。
フッ素原子を含むガスは、例えば、CHF3、CF4、C4F8などとすることができる。
反応生成物は、ラジカル(中性活性種)、イオン、電子などである。ラジカルは、例えば、フッ素ラジカルなどである。
この場合、ラジカルは化学的なエッチング(等方性エッチング)に寄与し、イオンは物理的なエッチング(異方性エッチング)に寄与する。
処理物100の表面には、開口部を有し、エッチングされる際にマスクとなる膜が形成されており、マスクとなる膜の開口部から露出した処理物100の表面に対してエッチング処理が行われる。
処理物100は、単一の材料から形成されていたり、一つの層の厚みの途中でエッチングを停止されるものとすることができる。
また、処理物100は、酸化シリコン(SiO2)を主成分として含む。
処理物100は、例えば、石英ガラス基板などとすることができる。
処理物100は、例えば、インプリント法に用いられるテンプレートを製造する際や、レベンソン型位相シフトマスクを製造する際などに用いられる石英ガラス基板とすることができる。ただし、処理物100から形成されるものは、テンプレートやレベンソン型位相シフトマスクなどに限定されるわけではない。
あるいは、処理物100は、シリコン(Si)を主成分として含み、例えば、トレンチ孔が形成される半導体ウェーハとすることができる。
次に、終点検出を行いエッチング処理を終了させる。
なお、図1における発光強度は、エッチング開始から終了までの、プラズマ発光中のフッ素原子から発生する光のピーク波長における発光強度である。なお、ピーク波長とは、各原子の発光スペクトルにおいて最も強い発光強度を示す波長を指す。
図1から分かるように、任意の処理物100のエッチング処理中においては、発光強度の変化量は少ないものとなる。
なお、任意の処理物100のエッチング処理中においては、水素原子から発生する光のピーク波長における発光強度、酸素原子から発生する光のピーク波長における発光強度、およびフッ化珪素(SiF)から発生する光のピーク波長における発光強度も変化量が少ないものとなる。
これは、処理物100が単一の材料から形成されていたり、一つの層の厚みの途中でエッチング処理を終了させたりする場合にも同じ傾向が見られる。
そのため、処理物100が単一の材料から形成されていたり、一つの層の厚みの途中でエッチング処理を終了させたりする場合には、発光スペクトル(発光強度)の変化に基づく終点検出を行うことができない。
なお、「連続してエッチング処理を行う」とは、同じ処理容器内で複数の処理物に対して所定時間以内の時間間隔でエッチング処理を行うことを指す。所定時間とは、処理容器の内部温度が、連続処理を始める最初の処理物100を処理するときの温度まで変化する程度の時間であり、例えば2時間程度である。
図2から分かるように、連続処理した処理物100の数が多くなるにつれ、エッチング深さ、すなわちエッチング量が少なくなる。
このことは、エッチング工程において、エッチングレートが変動することを意味する。
例えば、処理の開始から間もない間は、処理容器2の内部温度が低い。なお、処理容器2の内部温度とは、処理容器2の内壁や処理容器2内に存在する、内壁をプラズマのダメージから保護するための遮蔽体や処理物を載置する載置台などの部材の温度である。
そして、処理を開始すると、処理容器2内で発生するプラズマの輻射熱により、処理容器2の内部温度が上昇する。処理が終わった後も、処理容器2内の部材は、冷却媒体を接触させるなどの冷却を行うことが困難であり、自然冷却を待つことになる。そのため、処理が終わった後も、処理容器2の内部温度は、所定の時間高い温度のまま残った状態となる。
そしてこの状態のまま、次の処理物100の処理を開始すると、前の処理物100の処理の開始時よりも処理容器2の内部温度が高い状態で処理を開始することになる。
ここで、プラズマによって生成される反応生成物は、相対的に温度が低い部材に多く付着する。そのため、N+1番目の処理時は、常温状態のN+1番目の処理物が、N番目の処理時の内部温度が下降しきらない状態の処理容器2内に搬入されるため、N+1番目の処理物100の温度は、処理容器2の内部温度よりも相対的に温度が低い。すなわち、連続して処理した処理物100の数が多くなるにつれ、処理物100と、処理容器2の内部温度との熱較差が大きくなり、反応生成物が処理物100の表面に付着しやすくなる。
また、反応生成物が処理物100の表面に多く付着するほど、処理物100のエッチングは阻害され、処理物100のエッチングレートが低くなる。このため、連続して処理した処理物100の数が多くなるにつれ、エッチングレートが低下する。
この場合、例えば、フッ素原子を含むガスとしてCHF3を用いる場合には、CHF3が分解されて、フッ素ラジカル、水素ラジカルなどが生成される。
生成されたフッ素ラジカルと酸化シリコンが反応して、気体であるフッ化シリコンや酸素が生成される。そして、フッ化シリコンや酸素が処理物から脱離することでエッチングが進行する。
図3は、各処理物100毎の、フッ素のピーク波長(703.7nm)における発光強度と、エッチングレートとの関係を表したグラフ図である。
図4は、各処理物100毎の、水素のピーク波長(656.5nm)における発光強度と、エッチングレートとの関係を表したグラフ図である。
図5は、各処理物100毎の、酸素およびフッ化珪素のピーク波長における発光強度と、エッチングレートとの関係を表したグラフ図である。
なお、酸素のピーク波長は777.2nm、フッ化珪素のピーク波長は777.0nmであるため、酸素のピーク波長における発光強度と、フッ化珪素のピーク波長における発光強度とを区別することが難しい。そのため、図5における発光強度は、酸素およびフッ化珪素のピーク波長における発光強度としている。
なお、どの程度の相関関係があるかを示す近似式の決定係数であるR−2乗値は、図3の場合は0.9445、図4の場合は0.9021、図5の場合は0.9073であった。このように、フッ素のピーク波長(703.7nm)における発光強度とエッチングレートとの相関が最も強いため、検出波長としてフッ素を設定するようにしてもよい。
そのため、発光強度と、エッチングレートとの間における相関関係を予め求めておけば、任意の時点における発光強度からその時点におけるエッチングレートを求めることができる。
まず、処理物をエッチングしている際に、プラズマ処理空間において発生した特定の波長の光の発光強度を測定する。
例えば、プラズマ処理空間において発生した光をプリズムなどの分光器を用いて所望の波長毎に分け、光電変換素子などにより所望の波長毎に発光強度を測定することができる。
次に、求められたエッチングレートと、所望のエッチング量(エッチング深さ)とから、所望のエッチング量をエッチングするのにかかる時間となるエッチング時間を求める。
求められたエッチング時間を用いてエッチング処理の終点を検出する。
例えば、エッチング処理の経過時間が、求められたエッチング時間に達した時点をエッチング処理の終点とする。
なお、複数の処理物100に対して連続して処理を行うとき、複数の処理物100に対する処理毎に上記のエッチング処理の終点を検出する。
そのため、任意の時点における発光強度に対するエッチングレートを用いても終点検出を行うことができる。
そのため、所定の期間における発光強度の平均値を求め、求められた発光強度の平均値に対するエッチングレートを用いるようにすることが好ましい。
この場合、所定の期間内において、所定の時間間隔で発光強度を測定し、測定された発光強度の平均値を求めるようにすることができる。
また、発光強度の平均値を求めるための期間は、エッチング処理の開始から実験などにより求められた予想される終点までの間の期間の半分以上の長さとすることが好ましい。
また、エッチング処理の開始直後におけるエッチングレートの変動が大きい場合には、発光強度の平均値を求めるための期間から、エッチング処理の開始から所定の間の期間を除外するようにすることが好ましい。
この様にすれば、求められた終点の時期に誤差が生じるのを抑制することができる。
まず、所定の時点における発光強度を測定する。
次に、測定された発光強度と、予め求められた発光強度とエッチングレートとの間における相関関係と、からその時点におけるエッチングレートを求める。
次に、求められたエッチングレートと、エッチング開始から所定の時点までの時間とからエッチング量(エッチング深さ)を求める。
求められたエッチング量(エッチング深さ)が、所望のエッチング量(エッチング深さ)に達した場合には、エッチング処理を終了させる。
すなわち、求められたエッチング量(エッチング深さ)が、所望のエッチング量(エッチング深さ)に達した時期を終点とする。
フッ素原子を含むガスから生成された反応生成物により、処理物100をエッチングする工程。
処理物100をエッチングしている際に、プラズマ処理空間において発生した特定の波長の光の発光強度を求める工程。
求められた発光強度と、予め求められた特定の波長の光の発光強度とエッチングレートとの間における相関関係と、からエッチングレートを求める工程。
求められたエッチングレートに基づいて、終点検出を行う工程。
次に、エッチングレートを求める工程において、求められた複数の時点における発光強度の平均値と、前述した相関関係と、からエッチングレートを求めるようにすることができる。
そして、処理物100をエッチングする工程におけるエッチング処理の経過時間が、求められたエッチング時間に達した時点をエッチング処理の終点とすることができる。
次に、エッチングレートを求める工程において、求められた発光強度と、前述した相関関係と、からエッチングレートを求める。
次に、終点検出を行う工程において、求められたエッチングレートと、所定の時点までの時間と、からエッチング量を求める。
エッチング量が、所望のエッチング量に達した場合には、前述した所定の時点をエッチング処理の終点とする。
エッチング量が、所望のエッチング量に達しない場合には、前述した所定の時点から所定の時間経過後に、特定の波長の光の発光強度を求める工程により再度求められた発光強度に基づいて、エッチング量を再度求める。
またさらに、酸化シリコンを主成分として含む処理物100をエッチング処理するため、エッチングレートが変動する場合であっても、正確な終点検出を行うことができる。
その結果、発光スペクトルの変化量が少ない場合や、酸化シリコンを主成分として含む処理物100をエッチング処理する場合であっても、エッチング深さの精度を格段に高めることができる。
また、アイドリング時間を少なくしても、正確な終点検出を行うことが可能となるので、生産性の向上を図ることもできる。
次に、第2の実施形態に係るプラズマ処理装置1について説明する。
図6は、第2の実施形態に係るプラズマ処理装置1を例示するための模式断面図である。
図6に示すように、プラズマ処理装置1には、処理容器2、載置部3、電源部4、電源部5、減圧部6、ガス供給部7、検出部8および制御部9が設けられている。
本体部20は、略円筒形状を呈している。
本体部20は、例えば、アルミニウム合金などの金属から形成することができる。
また、本体部20は、接地されている。
窓部21は、電磁場を透過させることができ、エッチング処理を行った際にエッチングされにくい材料から形成されている。
窓部21は、例えば、石英などの誘電体材料から形成することができる。
処理容器2は、大気圧よりも減圧された雰囲気を維持可能な気密構造となっている。
処理容器2の内部には、処理物100をエッチング処理するための空間であるプラズマ処理空間22が設けられている。
本体部20には、処理物100を搬入搬出するための搬入搬出口20aが設けられている。
搬入搬出口20aは、ゲートバルブ20bにより気密に閉鎖できるようになっている。 ゲートバルブ20bは、扉20b1およびシール部材20b2を有する。
シール部材20b2は、例えば、O(オー)リングなどとすることができる。
扉20b1は、図示しないゲート開閉機構により開閉される。
扉20b1が閉まった時には、シール部材20b2が搬入搬出口20aの近傍にある壁面に押しつけられ、搬入搬出口20aが気密に閉鎖されるようになっている。
載置部3は、酸化シリコンを主成分として含む処理物100を載置する。
載置部3は、電極30、台座31、および絶縁リング32を有する。
電極30は、プラズマ処理空間22の下方に設けられている。電極30の上面は処理物100を載置するための載置面となっている。
電極30は、金属などの導電性材料から形成することができる。
台座31は、電極30と、本体部20の間を絶縁するために設けられている。
台座31は、例えば、石英などの誘電体材料から形成することができる。
絶縁リング32は、例えば、石英などの誘電体材料から形成することができる。
電源部4は、いわゆるバイアス制御用の高周波電源である。すなわち、電源部4は、載置部3に載置された処理物100に引き込むイオンのエネルギーを制御するために設けられている。
電極30と電源40は、整合器41を介して電気的に接続されている。
整合器41は、電極30と電源40の間に設けられている。整合器41は、電源40側のインピーダンスと、プラズマP側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合回路などを備えている。
電源部5は、プラズマPを発生させるための高周波電源である。すなわち、電源部5は、プラズマ処理空間22において高周波放電を生じさせてプラズマPを発生させるために設けられている。
本実施の形態においては、電源部5が、処理容器2の内部にプラズマPを発生させるプラズマ発生部となる。
電極50、電源51、および整合器52は、配線により電気的に接続されている。
電極50は、電磁場を発生させる複数の導体部と複数の容量部(コンデンサ)とを有したものとすることができる。
また、電源51は、出力する高周波電力の周波数を変化させるものとすることもできる。
ただし、プラズマの発生方法は例示をしたものに限定されるわけではない。
プラズマ処理装置1は、例えば、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)を用いたプラズマ処理装置や、容量結合プラズマ(CCP:Capacitively Coupled Plasma)を用いたプラズマ処理装置などであってもよい。
減圧部6は、処理容器2の内部が所定の圧力となるように減圧する。
ポンプ60は、例えば、ターボ分子ポンプ(TMP:Turbo Molecular Pump)などとすることができる。
ポンプ60と圧力制御部61は、配管を介して接続されている。
圧力制御部61は、例えば、APC(Auto Pressure Controller)などとすることができる。
圧力制御部61は、配管を介して、本体部20に設けられた排気口20eに接続されている。
ガス供給部7は、ガス収納部70、ガス制御部71、および開閉弁72を有する。
ガス収納部70は、ガスG1を収納し、収納したガスG1を処理容器2の内部に供給する。
ガス収納部70は、例えば、ガスG1を収納した高圧ボンベなどとすることができる。 ガス収納部70とガス制御部71は、配管を介して接続されている。
ガス制御部71は、例えば、MFC(Mass Flow Controller)などとすることができる。
ガス制御部71と開閉弁72は、配管を介して接続されている。
開閉弁72は、配管を介して、処理容器2に設けられたガス供給口20cに接続されている。
開閉弁72は、ガスG1の供給と停止を制御する。
開閉弁72は、例えば、2ポート電磁弁などとすることができる。
なお、開閉弁72の機能をガス制御部71に持たせることもできる。
ガスG1は、フッ素原子を含むガスとすることができる。ガスG1は、例えば、CHF3、CF4、C4F8などとすることができる。
検出部8は、例えば、処理容器2の内部において発生した光を所望の波長毎に分け、所望の波長毎に発光強度を測定する。
検出部8は、分光器80および変換部81を有するものとすることができる。
分光器80は、処理容器2の内部において発生した光から特定の波長の光を分離する。分光器80は、例えば、プリズムなどを備えたものとすることができる。分離される波長は、例えば、フッ素のピーク波長に対応する703.7nm、水素のピーク波長のピーク波長に対応する656.5nm、酸素のピーク波長に対応する777.2nm、フッ化珪素のピーク波長に対応する777.0nmなどとすることができる。
制御部9は、記憶部に格納されている制御プログラムに基づいて、プラズマ処理装置1に設けられた各要素の動作を制御する。なお、各要素の動作を制御する制御プログラムには既知の技術を適用することができるので、詳細な説明は省略する。
制御部9は、例えば、電源40および整合器41を制御して、電源40および整合器41に電極30に対する高周波電力の印加を行わせる。
制御部9は、例えば、電源51および整合器52を制御して、電源51および整合器52に電極50に対する高周波電力の印加を行わせる。
制御部9は、例えば、処理容器2の内圧を検出する図示しない真空計などの出力に基づいて、圧力制御部61に処理容器2の内部が所定の圧力となるように減圧させる。
制御部9は、例えば、ガス制御部71を制御して、プラズマ処理空間22に供給するガスG1の流量や圧力などを制御させる。
制御部9は、例えば、開閉弁72を制御して、開閉弁72にガスG1の供給と供給の停止を行わせる。
例えば、まず、プラズマPを用いたエッチング処理中に、検出部8に設けられた分光器80が、処理容器2の内部において発生した光から特定の波長の光を分離する。
次に、検出部8に設けられた変換部81が、分光器80により分離された特定の波長の光の発光強度を電気信号に変換する。
制御部9は、検出された複数の時点における発光強度の平均値と、前述した相関関係と、からエッチングレートを演算することができる。
そして、制御部9は、演算されたエッチングレートと、所望のエッチング量と、からエッチング時間を演算し、エッチング処理の経過時間が、演算されたエッチング時間に達した時点をエッチング処理の終点とすることができる。
エッチング処理の経過時間が、エッチング処理の終点に達したら、制御部9は、電源41、電源51を制御して電極30、電極50に対する高周波電力の印加を停止させ、ガス供給部7を制御してガスG1の導入を停止し、エッチング処理を終了させる。
制御部9は、検出された発光強度と、前述した相関関係と、からエッチングレートを演算し、演算されたエッチングレートと、所定の時点までの時間と、からエッチング量を演算する。
そして、制御部9は、演算されたエッチング量が、所望のエッチング量に達した場合には、前述した所定の時点をエッチング処理の終点とする。
また、制御部9は、演算されたエッチング量が、所望のエッチング量に達しない場合には、前述した所定の時点から所定の時間経過後に、検出部8により再度検出された発光強度に基づいて、エッチング量を再度演算する。以降、演算されたエッチング量が、所望のエッチング量に達するまで演算が繰り返される。
なお、エッチング処理の終点検出は、前述したものと同様とすることができるので詳細な説明は省略する。
ゲートバルブ20bの扉20b1を、図示しないゲート開閉機構により開く。
図示しない搬送部により、搬入搬出口20aから処理物100を処理容器2内に搬入する。搬入された処理物100は載置部3上に載置される。
処理物100のエッチング処理が施される側の面には、酸化シリコンを主成分として含む領域が露出している。
図示しないゲート開閉機構によりゲートバルブ20bの扉20b1を閉じる。
減圧部6により処理容器2内が所定の圧力となるように減圧される。この際、処理容器2の内圧を検出する図示しない真空計などの出力に基づいて、処理容器2の内圧が所定の圧力となるように圧力制御部61により制御される。
この場合、ガスGは、フッ素原子を含むガスとすることができる。そのため、生成される反応生成物には、フッ素ラジカルが含まれている。フッ素原子を含むガスは、例えば、CHF3、CF4、C4F8などとすることができる。
次に、検出部8に設けられた変換部81が、分光器80により分離された特定の波長の光の発光強度を電気信号に変換する。
次に、制御部9は、演算されたエッチング処理の終点に基づいて、エッチング処理を終了させる。すなわち、終点を検出したら、制御部が電源41、電源51を制御して電極30、電極50に対する高周波電力の印加を停止させ、ガス供給部7を制御してガスG1の導入を停止させて、エッチング処理を終了させる。
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
例えば、プラズマ処理装置1が備える各要素の形状、寸法、材質、配置、数などは、例示をしたものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
Claims (11)
- 処理物をエッチングするプラズマ処理方法であって、
ガスから生成された反応生成物により、前記処理物をエッチングする工程と、
前記処理物をエッチングしている際に、プラズマ処理空間において発生した特定の波長の光の発光強度を求める工程と、
前記求められた発光強度と、予め求められた前記特定の波長の光の発光強度とエッチングレートとの間における相関関係と、からエッチングレートを求める工程と、
前記求められたエッチングレートに基づいて、前記エッチングの終点検出を行う工程と、
を備えたプラズマ処理方法。 - 前記処理物は、酸化シリコンを主成分として含み、
前記ガスは、フッ素原子を含む請求項1記載のプラズマ処理方法。 - 前記特定の波長は、フッ素のピーク波長、水素のピーク波長、酸素のピーク波長、およびフッ化珪素のピーク波長のいずれかである請求項2記載のプラズマ処理方法。
- 前記特定の波長の光の発光強度を求める工程において、複数の時点における前記発光強度を求め、
前記エッチングレートを求める工程において、前記求められた複数の時点における発光強度の平均値と、前記相関関係と、から前記エッチングレートを求める請求項1〜3のいずれか1つに記載のプラズマ処理方法。 - 前記終点検出を行う工程において、
前記求められたエッチングレートと、所望のエッチング量と、からエッチング時間を求め、
前記処理物をエッチングする工程におけるエッチング処理の経過時間が、前記求められたエッチング時間に達した時点を前記エッチング処理の終点とする請求項1〜4のいずれか1つに記載のプラズマ処理方法。 - 前記特定の波長の光の発光強度を求める工程において、所定の時点における前記発光強度を求め、
前記エッチングレートを求める工程において、前記求められた発光強度と、前記相関関係と、からエッチングレートを求め、
前記終点検出を行う工程において、
前記求められたエッチングレートと、前記所定の時点までの時間と、からエッチング量を求め、
前記エッチング量が、所望のエッチング量に達した場合には、前記所定の時点をエッチング処理の終点とし、
前記エッチング量が、前記所望のエッチング量に達しない場合には、前記所定の時点から所定の時間経過後に、前記特定の波長の光の発光強度を求める工程により再度求められた前記発光強度に基づいて、前記エッチング量を再度求める請求項1〜3のいずれか1つに記載のプラズマ処理方法。 - 処理容器と、
前記処理容器の内部に設けられ、酸化シリコンを主成分として含む処理物を載置する載置部と、
前記処理容器の内部を減圧する減圧部と、
前記処理容器の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生部と、
前記処理容器の内部に、フッ素原子を含むガスを供給するガス供給部と、
前記処理物をエッチングしている際に、前記処理容器の内部において発生した特定の波長の光の発光強度を検出する検出部と、
前記検出された発光強度と、予め求められた前記特定の波長の光の発光強度とエッチングレートとの間における相関関係と、からエッチングレートを演算し、前記演算されたエッチングレートに基づいて、前記エッチングの終点の時期を演算する制御部と、
を備えたプラズマ処理装置。 - 前記特定の波長は、フッ素のピーク波長、水素のピーク波長、酸素のピーク波長、およびフッ化珪素のピーク波長のいずれかである請求項7記載のプラズマ処理装置。
- 前記検出部は、複数の時点における前記発光強度を検出し、
前記制御部は、前記検出された複数の時点における発光強度の平均値と、前記相関関係と、から前記エッチングレートを演算する請求項7または8に記載のプラズマ処理装置。 - 前記制御部は、前記演算されたエッチングレートと、所望のエッチング量と、からエッチング時間を演算し、エッチング処理の経過時間が、前記演算されたエッチング時間に達した時点を前記エッチング処理の終点とする請求項7〜9のいずれか1つに記載のプラズマ処理装置。
- 前記検出部は、所定の時点における前記発光強度を検出し、
前記制御部は、
前記検出された発光強度と、前記相関関係と、からエッチングレートを演算し、
前記演算されたエッチングレートと、前記所定の時点までの時間と、からエッチング量を演算し、
前記エッチング量が、所望のエッチング量に達した場合には、前記所定の時点をエッチング処理の終点とし、
前記エッチング量が、前記所望のエッチング量に達しない場合には、前記所定の時点から所定の時間経過後に、前記検出部により再度検出された前記発光強度に基づいて、前記エッチング量を再度演算する請求項7または8に記載のプラズマ処理装置。
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