JP3684106B2 - Deposition equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子デバイスなどの薄膜成長技術、特に半導体やセラミック薄膜の成長表面のその場観察及び薄膜形成装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
分子線エピタキシー(MBE:Molecular beam epitaxy)装置は、超格子を利用する半導体デバイスのように原子層単位で厚さが制御される素子の形成に広く利用されている。分子線を発生させる分子線源は、成長させようとする物質に応じて複数の元素を用意し、必要な分子線源を選択使用して所望の物質層を成長させる。
【0003】
図3に従来の分子線エピタキシー装置の概念図を示す。高真空に排気された真空チャンバー内にセル2、ヒーター3、シャッター4からなる蒸発源を複数個環状に配置し、セル2の中に収納されたGaやAs等の金属材料をヒーター3によって加熱し、セル2から分子線の形で飛び出させ、この分子線を真空チャンバー内に設置され加熱ヒーター5を内包した基板ホルダー6で加熱された被成長基板7上に衝突させ、それぞれの材料の付着係数の違いを利用して化学量論的組成比を保ってエピタキシャル成長させるようになっている。また、SiやGeのような単一元素から構成されるエピタキシャル成長も行われている。シャッター4は蒸発源から被成長基板7に向かう分子線を機械的に遮り、成長を中断させることができるようにしたもので、各蒸発源毎に独立して取り付けられている。
【0004】
通常、薄膜成長表面の評価法として反射高速電子線回折法(RHEED:Reflection High Energy Electron Diffraction)が用いられている。RHEEDは電子銃8より出た電子線を被成長基板面に対し1〜2°の浅い角度で被成長基板7に入射させ、その反射電子線による回折パターンを蛍光板9上に写し出す方法で、表面の原子配列に関する情報が得られるのみならず、薄膜成長中にRHEEDパターンの回折点の強度変化を測定すると成長速度に対応した振動が見られ、これを利用して成長速度をモニタすることができる。この方法は“分子線結晶成長装置”として特許登録第2643328号に開示されている。近年では、走査型μ−RHEED顕微鏡を使用して走査RHEED像を観察する方法もある。
【0005】
上記以外の薄膜成長表面の評価法としては、成長結晶表面に入射したレーザー光の反射光の強度変化を検知することで薄膜結晶の表面状態を検出する方法(特公平7−115990号公報に開示)や、透過電子顕微鏡の試料台上の基板に直接成膜できるような構成とし成膜過程を透過電子顕微鏡で観察する方法(特公平7−8755号公報に開示)、成長結晶表面への電子線照射により発したルミネッセンス光を分光測定することで薄膜表面を評価する方法(特公平6−280014号公報に開示)などがある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
薄膜成長表面を評価するためにはリアルタイムで形態や状態を観察できる必要がある。特に表面の全体的な状態ではなく、表面の状態分布像や形態像などの特定物理量の二次元分布像をリアルタイムで得られることが最も望ましい。
【0007】
従来の薄膜成長表面を評価する方法のうち、RHEEDを使用する方法(特許登録第2643328号)やレーザー光を使用する方法(特公平7−115990号公報に開示)、ルミネッセンス光を使用する方法(特公平6−280014号公報に開示)は、リアルタイムで評価できるものの表面の全体的な状態を測定しているにすぎない。また、走査型μ−RHEED顕微鏡や走査型電子顕微鏡を使用する方法では、表面の状態分布像を得られるが走査型であるためにリアルタイムの評価は難しい。唯一、透過電子顕微鏡で観察する方法(特公平7−8755号公報に開示)が成膜過程を像としてリアルタイムに観察できるが、かかる方法を分子線エピタキシー装置に応用しようとすると、被成長基板やその大きさ、厚さ、蒸発源の数など分子線エピタキシー装置としての性能に制限が生じてしまう。
【0008】
そこで本発明では、成膜装置、特には分子線エピタキシー装置の性能に制限を与えることなく、薄膜成長表面をリアルタイムに観察/評価できる機構を備えた成膜装置を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
平坦な表面からの電子放出像を観察する方法として、光電子顕微鏡に代表されるエミッション顕微鏡法が知られている(W.Engel,M.E.Kordesch H.H.Rotermund,S.Kubala and A.vonOertzen Ultramicroscopy,36(1991)148−153.)。エミッション顕微鏡法は平面状の試料表面から放出される電子(熱電子、光電子等)を加速し、電子レンズで結像して表面を観察する方法であり、その空間分解能は走査型電子顕微鏡等には及ばないものの、リアルタイムで像を観察できるので、放出強度の空間分布のみならず、時間変化も高い時間分解能で観測できることが大きな特徴である(M.mundschau,M.E.Kordesch,B.Rausenberger,W.Engel,A.M.Bradshaw and E.Zeitler,Surface Science,227(1990)246−260.)。特に、単色化されていない光を固体表面に照射した場合、表面の仕事関数の場所的変化によって、光電子放出が変わるため、表面状態の差をコントラストとした拡大像をリアルタイムで得ることができる。
【0010】
本発明は、成膜装置、特には分子線エピタキシー装置に上記エミッション顕微鏡の原理を応用し、薄膜成長表面をリアルタイムに観察/評価できるようにしたものである。
【0011】
すなわち、本発明の成膜装置は、蒸発源からの材料線を基板上に照射して膜を形成する成膜手段と、該基板上に形成された成膜面に光を照射するための光源と、該光源から照射された光により、該成膜面から放出された光電子を検出する電子検出手段とを備えた成膜装置であって、前記電子検出手段は、前記成膜面から放出された光電子を結像面に結像するためのレンズ鏡筒と、前記結像面での電子強度分布を表示および、または記録する手段と、前記材料線の照射時と光電子検出時で前記レンズ鏡筒と成膜面との距離を変化させる手段とを有することを特徴とする。
【0012】
上記本発明の成膜装置は、さらなる特徴として、
「前記成膜手段は、前記蒸発源が前記レンズ鏡筒の周囲に配置されている」こと、
「前記蒸発源が複数配置され、該複数の蒸発源が、前記レンズ鏡筒を中心とする円周上に配置される」こと、
「前記蒸発源は、前記蒸発源から前記成膜面に向かう分子線を遮るためのシャッターを有する」こと、
「前記成膜装置は、さらに、前記成膜面に対し、電子線を照射する電子線照射手段と、該電子線照射手段から照射された電子が前記成膜面において反射された電子を検出する反射電子検出手段とを有する」こと、
「前記反射電子検出手段は、前記反射電子の回折パターンを可視化する可視化手段を有する」こと、
「前記可視化手段は、蛍光体を有する基板である」こと、
「前記成膜装置が、分子線エピタキシー装置である」こと、
を含むものである。
【0013】
本発明の成膜装置によれば、成膜装置としての性能を損なうことなく、薄膜成長表面を成膜の各段階で試料(被成長基板)を移動させることなくリアルタイムに観察/評価できる。特に、薄膜成長表面の原子配列の周期構造と同時に、薄膜成長表面の二次元像をも観察することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下では、成膜手段として、分子線エピタキシー装置を用いた場合を例に説明する。
【0015】
分子線エピタキシー装置における被成長基板の成膜面に光を照射する手段は、エミッション顕微鏡の原理により被成長基板上の薄膜成長表面を観察するためのものである。かかる光としては単色化されておらずエネルギーの低い水銀ランプや重水素ランプの紫外線を使用するのが好ましい。HeやNeの共鳴線などの単色化した紫外線を使用すると、エネルギーが高いため、拡大像の空間分解能が低下してしまう。一方、単色化されていない紫外線の照射では、表面の仕事関数の場所的変化によって、光電子放出が変わるため、表面状態の差をコントラストとした拡大像を得ることができる。また水銀ランプを使用する場合には、真空外に紫外線照射装置を設置できるため、シャッターなどの機構をつければ簡単に紫外線照射のオンオフが可能になる。
【0016】
分子線エピタキシー装置においては、成膜時には各蒸発源と被成長基板の間に適当な間隔が存在した方が均一に成膜できる。一方、薄膜成長表面の観察/評価時には、レンズ鏡筒と被成長基板の間隔を狭め高電圧を印加した方が、拡大率と解像度の高い像を得ることができる。
【0017】
このため、本発明の成膜手段として分子線エピタキシー装置を用いた場合では、レンズ鏡筒と被成長基板の相対位置を成膜面の法線方向に変化させる機構を有することが好ましい。これにより、成膜時には各蒸発源と被成長基板との距離を大きくして均一に成膜をできると共に、観察/評価時にはかかる距離を小さくして電圧を印加することにより拡大率と解像度の高い像を得ることができる。
【0018】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0019】
(参考例)
参考例を図1を用いて説明する。
【0020】
1は高真空チャンバーであり排気部22から真空ポンプにより排気して、セル2、ヒーター3、シャッター4の組み合わせからなる複数個の蒸発源、基板ホルダー6、被成長基板7、電子銃8、蛍光板9、レンズ鏡筒10を1.3×10-7〜1.3×10-9Paの真空度に保っており、四重極質量分析器21により高真空チャンバー1内のガス成分の分析ができるようになっている。
【0021】
被成長基板7は基板ホルダー6に保持されており、基板ホルダー6内には保持された被成長基板7を所定温度に加熱するためのヒーター5が備えられている。また、基板ホルダー6はマニピュレータ(不図示)により3軸方向の粗動および微動と連続回転動作、傾斜動作ができるようになっている。基板ホルダー6の周囲は液体窒素シュラウド(不図示)で覆われており、基板を不純物から保護している。
【0022】
基板ホルダー6上の被成長基板7保持面に対向してレンズ鏡筒10が設置され、レンズ鏡筒10先端の鏡筒を中心とする円周上には蒸発源が複数配置されている。各蒸発源にはセル2を設定温度に加熱するヒーター3が設けられており、また、蒸発口には蒸発口を開閉して蒸発分子の放出を制御するためのシャッター4が設けられている。ヒーター3とシャッター4は真空外に接続された不図示の制御装置により制御されている。各蒸発源はヒーターによって高温度に加熱されることによりセル周囲から生じる放出ガスを抑えるために液体窒素シュラウド(不図示)で覆われている。
【0023】
高真空チャンバー1の所定の対角位置には、基板ホルダー6上の被成長基板7面に対し所定の微小角度をなしてRHEED用の電子銃8と蛍光板9が設けられており、電子銃8から放射された10keV程度の高エネルギー電子線が基板ホルダー6上の被成長基板7の表面に当たり、表面にて反射された電子線が蛍光板9に当たって回折パターンが得られる。回折パターンはビューポート18を介して観察/記録される。通常、回折パターンの回折点の強度を測定すると成長速度に対応した振動が見られ、これを利用して成長速度をモニタすることができる。
【0024】
基板ホルダー6上の被成長基板7保持面に対向して設置されたレンズ鏡筒10内には、対物レンズ11、中間レンズ12、投影レンズ13、対物絞り14、マルチチャンネルプレート15、蛍光板16が設けられている。また、被成長基板7表面に紫外線を照射するための紫外線照射装置20が被成長基板7を望む位置に設置されている。
【0025】
被成長基板7上の薄膜成長表面を観察する際には、単色化されておらずエネルギーの低い水銀ランプや重水素ランプの紫外線を使用する。
【0026】
紫外線照射により被成長基板7上の薄膜成長表面より放出された光電子は、被成長基板7とレンズ鏡筒10の間に印加される加速電圧により数keVから数十keVに加速され、対物レンズ11の後焦点面に配置された対物絞り14を通過した電子が中間レンズ12、投影レンズ13によって拡大され、マルチチャンネルプレート15に結像する。この時、対物レンズ11は主としてフォーカス調整用として、中間レンズ12は主として倍率設定用として機能する。マルチチャンネルプレート15で増幅された電子は蛍光板16に像を表示し、この像はビューポート17を介して観察/記録される。
【0027】
次に上記の様に構成した本参考例の分子線エピタキシー装置において、実際のエピタキシャル膜の成長を説明する。
【0028】
基板ホルダー6に被成長基板7としてGaAs基板を取り付け、蒸着源セル2の一つにGaを、他のセルにAsを封入しておく。チャンバー1内が排気系により高真空状態に維持されていることを確認後、基板ホルダー6および各セル2を所定の設定温度(例えば、基板ホルダー6を590℃、Ga蒸発源セルを970℃、As蒸発源セルを290℃)に加熱する。最初にAs蒸発源セルのシャッターを開放し、続いてGa蒸発源セルのシャッターを開放することで、Ga分子とAs分子がGaAs基板表面に向けて放出され、GaAs基板表面にGaAsエピタキシャル膜が成膜される。この時、RHEED回折パターンの振動(回折点の強度変化)を測定すると、振幅の減衰が観察された。また、重水素ランプによる紫外線をGaAsエピタキシャル膜に照射し、レンズ鏡筒に5kVの電圧を印加して光電子像を観察することもできた。
【0029】
(実施例)
本実施例では図2に示すように、蒸発源を含むレンズ鏡筒10と被成長基板7の距離を成膜面の法線方向に変化させる機能を具備したことを特徴とする構成について説明する。
【0030】
成膜時には各蒸発源と被成長基板の間に適当な間隔が存在した方が、均一に成膜できる。従って成膜時には図2(a)に示す通り、レンズ鏡筒10と被成長基板7の距離を離しておく。また、成膜時の各蒸発源と被成長基板の間には成膜用の各分子が存在し、この状態でレンズ鏡筒と被成長基板の間に高電圧を印加すると、放電の危険性がある。そこで成膜のモニタとしてはRHEED振動を使用する。
【0031】
一方、観察時には、レンズ鏡筒と被成長基板の間隔を狭め高電圧を印加した方が、拡大率と解像度の高い像を得ることができる。従って成膜の各段階で表面を観察する際には図2(b)に示す通り、レンズ鏡筒10と被成長基板7の距離を近づけ、レンズ鏡筒に15kV以上の電圧を印加して観察する。
【0032】
本実施例の図2(b)では、蒸発源を含むレンズ鏡筒10を被成長基板7に近づけているが、被成長基板7をレンズ鏡筒10に近づける構成としてもよい。
【0033】
【発明の効果】
本発明の成膜装置によれば、成膜装置としての性能を損なうことなく、薄膜成長表面をリアルタイムに観察/評価できる。特に、薄膜成長表面の原子配列の周期構造と同時に、薄膜成長表面の二次元像をも観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 参考例を説明する分子線エピタキシー装置の概略図である。
【図2】 本発明における実施例を説明する分子線エピタキシー装置の概略図である。
【図3】 従来の分子線エピタキシー装置の概略図である。
【符号の説明】
1 高真空チャンバー
2 セル
3 ヒーター
4 シャッター
5 加熱ヒーター
6 基板ホルダー
7 被成長基板
8 電子銃
9 蛍光板
10 レンズ鏡筒
11 対物レンズ
12 中間レンズ
13 投影レンズ
14 対物絞り
15 マルチチャンネルプレート
16 蛍光板
17、18、19 ビューポート
20 紫外線照射装置
21 四重極質量分析器
22 排気系[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin film growth technique such as an electronic device, and particularly to an in-situ observation of a growth surface of a semiconductor or ceramic thin film and a thin film forming apparatus.
[0002]
[Prior art]
A molecular beam epitaxy (MBE) apparatus is widely used for forming an element whose thickness is controlled in units of atomic layers such as a semiconductor device using a superlattice. As a molecular beam source for generating a molecular beam, a plurality of elements are prepared according to a substance to be grown, and a desired material layer is grown by selecting and using a necessary molecular beam source.
[0003]
FIG. 3 shows a conceptual diagram of a conventional molecular beam epitaxy apparatus. A plurality of evaporation sources consisting of a
[0004]
Usually, a reflection high energy electron diffraction (RHEED) method is used as a method for evaluating a thin film growth surface. The RHEED is a method in which an electron beam emitted from an
[0005]
As a method for evaluating the thin film growth surface other than the above, a method of detecting the surface state of the thin film crystal by detecting the intensity change of the reflected light of the laser light incident on the growth crystal surface (disclosed in Japanese Patent Publication No. 7-115990). ), And a method of observing the film formation process with a transmission electron microscope so that the film can be formed directly on the substrate on the sample stage of the transmission electron microscope (disclosed in Japanese Patent Publication No. 7-8755). There is a method of evaluating the surface of a thin film by spectroscopic measurement of luminescence light emitted by beam irradiation (disclosed in Japanese Patent Publication No. 6-280014).
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In order to evaluate the thin film growth surface, it is necessary to observe the form and state in real time. In particular, it is most desirable to obtain a two-dimensional distribution image of a specific physical quantity such as a surface state distribution image or a morphological image in real time, not the overall surface state.
[0007]
Among conventional methods for evaluating a thin film growth surface, a method using RHEED (Japanese Patent No. 2643328), a method using laser light (disclosed in Japanese Patent Publication No. 7-115990), and a method using luminescence light ( Japanese Patent Publication No. 6-280014 discloses only the overall state of the surface although it can be evaluated in real time. Further, in the method using a scanning μ-RHEED microscope or a scanning electron microscope, a surface state distribution image can be obtained, but since it is a scanning type, real-time evaluation is difficult. The only observation method using a transmission electron microscope (disclosed in Japanese Patent Publication No. 7-8755) is to observe the film formation process in real time as an image. However, if this method is applied to a molecular beam epitaxy apparatus, The performance as a molecular beam epitaxy apparatus, such as its size, thickness, and number of evaporation sources, is limited.
[0008]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a film forming apparatus having a mechanism capable of observing / evaluating a thin film growth surface in real time without limiting the performance of the film forming apparatus, particularly a molecular beam epitaxy apparatus.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
As a method for observing an electron emission image from a flat surface, an emission microscope represented by a photoelectron microscope is known (W. Engel, M. E. Kordesch H. H. Rotermund, S. Kubala and A. et al. von Oertzen Ultramicroscopy, 36 (1991) 148-153.). Emission microscopy is a method of accelerating electrons emitted from a flat sample surface (thermoelectrons, photoelectrons, etc.), forming an image with an electron lens, and observing the surface. Its spatial resolution is the same as that of a scanning electron microscope. However, since the image can be observed in real time, not only the spatial distribution of the emission intensity but also the temporal change can be observed with high temporal resolution (M. mundschau, M.E. Kordesh, B. Rausenberger). , W. Engel, AM Bradshaw and E. Zeitler, Surface Science, 227 (1990) 246-260.). In particular, when the solid surface is irradiated with light that has not been monochromatized, photoelectron emission changes due to a local change in the work function of the surface, so that an enlarged image with a difference in surface state as a contrast can be obtained in real time.
[0010]
In the present invention, the principle of the emission microscope is applied to a film forming apparatus, in particular, a molecular beam epitaxy apparatus, so that a thin film growth surface can be observed / evaluated in real time.
[0011]
That is, the film forming apparatus of the present invention includes a film forming means for forming a film by irradiating a material beam from an evaporation source onto a substrate, and a light source for irradiating light on a film forming surface formed on the substrate. And an electron detection means for detecting photoelectrons emitted from the film formation surface by light emitted from the light source, wherein the electron detection means is emitted from the film formation surface. A lens barrel for imaging the photoelectrons on the imaging plane; means for displaying and recording the electron intensity distribution on the imaging plane; and the lens mirror at the time of irradiation of the material beam and at the time of photoelectron detection. And a means for changing the distance between the tube and the film formation surface .
[0012]
The film forming apparatus of the present invention has the following additional features:
"In the film forming means , the evaporation source is arranged around the lens barrel",
"A plurality of the evaporation sources are arranged, and the plurality of evaporation sources are arranged on a circumference around the lens barrel",
"The evaporation source has a shutter for blocking a molecular beam from the evaporation source toward the film formation surface",
“The film forming apparatus further detects an electron beam irradiating means for irradiating the film forming surface with an electron beam, and electrons irradiated from the electron beam irradiating means reflected on the film forming surface. Having backscattered electron detection means,
"The reflected electron detection means has a visualization means for visualizing a diffraction pattern of the reflected electrons",
“The visualization means is a substrate having a phosphor”;
"The film forming apparatus is a molecular beam epitaxy apparatus"
Is included.
[0013]
According to the film forming apparatus of the present invention, it is possible to observe / evaluate the thin film growth surface in real time without moving the sample (substrate to be grown) at each stage of film forming without impairing the performance as the film forming apparatus. In particular, a two-dimensional image of the thin film growth surface can be observed simultaneously with the periodic structure of the atomic arrangement on the thin film growth surface.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a case where a molecular beam epitaxy apparatus is used as a film forming unit will be described as an example.
[0015]
The means for irradiating the film-forming surface of the growth substrate in the molecular beam epitaxy apparatus is for observing the thin film growth surface on the growth substrate by the principle of an emission microscope. As such light, it is preferable to use ultraviolet rays of a mercury lamp or deuterium lamp which is not monochromatic and has low energy. If monochromatic ultraviolet rays such as resonance lines of He and Ne are used, the energy is high and the spatial resolution of the enlarged image is lowered. On the other hand, in the irradiation with ultraviolet rays that are not monochromatic, the photoelectron emission changes due to the local change in the work function of the surface, so that an enlarged image with the difference in surface state as a contrast can be obtained. When a mercury lamp is used, an ultraviolet irradiation device can be installed outside the vacuum. Therefore, if a mechanism such as a shutter is provided, ultraviolet irradiation can be easily turned on and off.
[0016]
In the molecular beam epitaxy apparatus, it is possible to form a film more uniformly when a suitable gap exists between each evaporation source and the substrate to be grown. On the other hand, at the time of observation / evaluation of the thin film growth surface, an image with a high magnification and resolution can be obtained by narrowing the distance between the lens barrel and the growth substrate and applying a high voltage.
[0017]
Therefore, when a molecular beam epitaxy apparatus is used as the film forming means of the present invention, it is preferable to have a mechanism for changing the relative position of the lens barrel and the growth substrate in the normal direction of the film forming surface. As a result, the distance between each evaporation source and the substrate to be grown can be increased uniformly during film formation, and the magnification and resolution can be increased by applying a voltage while reducing the distance during observation / evaluation. An image can be obtained.
[0018]
【Example】
Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.
[0019]
( Reference example )
A reference example will be described with reference to FIG.
[0020]
Reference numeral 1 denotes a high-vacuum chamber, which is evacuated by a vacuum pump from an exhaust unit 22 and has a plurality of evaporation sources including a combination of a
[0021]
The
[0022]
A
[0023]
An
[0024]
An objective lens 11, an
[0025]
When observing the growth surface of the thin film on the
[0026]
The photoelectrons emitted from the thin film growth surface on the
[0027]
Next, the actual growth of the epitaxial film in the molecular beam epitaxy apparatus of this reference example configured as described above will be described.
[0028]
A GaAs substrate is attached to the
[0029]
( Example)
In this embodiment, as shown in FIG. 2, a structure having a function of changing the distance between the
[0030]
When a film is formed, it is possible to form a film uniformly if there is an appropriate space between each evaporation source and the substrate to be grown. Therefore, as shown in FIG. 2A, the distance between the
[0031]
On the other hand, at the time of observation, an image with a high magnification and resolution can be obtained by applying a high voltage while narrowing the distance between the lens barrel and the substrate to be grown. Accordingly, when observing the surface at each stage of film formation, as shown in FIG. 2B, the distance between the
[0032]
In FIG. 2B of the present embodiment, the
[0033]
【The invention's effect】
According to the film forming apparatus of the present invention, the thin film growth surface can be observed / evaluated in real time without impairing the performance as the film forming apparatus. In particular, a two-dimensional image of the thin film growth surface can be observed simultaneously with the periodic structure of the atomic arrangement on the thin film growth surface.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a molecular beam epitaxy apparatus for explaining a reference example .
FIG. 2 is a schematic view of a molecular beam epitaxy apparatus for explaining an embodiment in the present invention.
FIG. 3 is a schematic view of a conventional molecular beam epitaxy apparatus.
[Explanation of symbols]
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1999
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