JP3813367B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特にチップサイズパッケージとその製造方法に関する。チップサイズパッケージ（Chip Size Package）は、ＣＳＰとも呼ばれ、チップサイズと同等か、わずかに大きいパッケージの総称であり、高密度実装を目的としたパッケージである。本発明は、ＣＳＰに採用されるポリイミド膜の劣化防止、メタルポスト頭部の加工に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この分野では、一般にＢＧＡ（Ball Grid Array）と呼ばれ、面状に配列された複数のハンダボールを持つ構造、ファインピッチＢＧＡと呼ばれ、ＢＧＡのボールピッチをさらに狭ピッチにして外形がチップサイズに近くなった構造等が知られている。
【０００３】
また、最近では、「日経マイクロデバイス」１９９８年８月号 ４４頁〜７１頁に記載されたウエハーＣＳＰがある。このウエハーＣＳＰは、基本的には、チップのダイシング前に配線やアレイ状のパッドをウエハープロセス（前工程）で作り込むＣＳＰである。この技術によって、ウエハープロセスとパッケージ・プロセス（後工程）が一体化され、パッケージ・コストが大幅に低減できるようになることが期待されている。
【０００４】
ウエーハＣＳＰの種類には、封止樹脂型と再配線型がある。封止樹脂型は、従来のパッケージと同様に表面を封止樹脂で覆った構造であり、チップ表面の配線層上にメタルポストを形成し、その周囲を封止樹脂で固める構造である。
【０００５】
一般にパッケージをプリント基板に搭載すると、プリント基板との熱膨張差によって発生した応力がメタルポストに集中すると言われているが、樹脂封止型では、メタルポストが長くなるため、応力が分散されると考えられている。
【０００６】
一方、再配線型は、図１０に示すように、封止樹脂を使わず、再配線を形成した構造である。つまりチップ５１の表面にＡｌ電極５２、配線層５３、絶縁層５４が積層され、配線層５３上にはメタルポスト５５が形成され、その上に半田ボール５６が形成されている。配線層５３は、半田ボール５６をチップ上に所定のアレイ状に配置するための再配線として用いられる。
【０００７】
封止樹脂型は、メタルポストを１００μｍ程度と長くし、これを封止樹脂で補強することにより、高い信頼性が得られる。しかしながら、封止樹脂を形成するプロセスは、後工程において金型を用いて実施する必要があり、プロセスが複雑になる。
【０００８】
一方、再配線型では、プロセスは比較的単純であり、しかも殆どの工程をウエーハプロセスで実施できる利点がある。しかし、なんらかの方法で応力を緩和し信頼性を高めることが必要とされている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし図１０では、配線層５３はＣｕメッキで形成され、しかも絶縁層５４は、液状の硬化前のポリイミド樹脂を塗布し、これを温度３００〜４００°Ｃ程度でイミド化させて熱硬化させている。
【００１０】
しかしこのイミド化の時に、Ｃｕがイミド化前の樹脂と反応し、ポリイミド樹脂の膜質劣化を発生させる問題があった。
【００１１】
従って、ポリイミド樹脂と配線層との間の接着性、耐湿性が劣化する問題があった。
【００１２】
またメタルポスト５５を完全に覆うようにポリイミド樹脂を塗布し、その上面を研磨して、前記メタルポストの頭部を露出させていた。しかしこの研磨工程は、その制御が非常に難しく、またメタルポストの露出部が汚染され、半田ボール５６の信頼性が低下する問題もあった。
【００１３】
本発明は、前記問題点を解決するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題に鑑みてなされ、Ｃｕを主材料とする配線とこの上をカバーするポリイミド樹脂との界面に、Ｓｉ3Ｎ4膜を設けることで解決するものである。
【００１５】
Ｓｉ3Ｎ4膜は、ＳｉＯ２膜よりもバリア材として優れ、しかもプラズマＣＶＤ法は、ステップカバレージも優れている。従ってＣｕから成る配線をＳｉ3Ｎ4膜でカバーすれば、イミド化時の高温反応でイミド樹脂がＣｕと反応することがない。
【００１６】
特に、絶縁層をホトリソグラフィで開口してメタルポストの頭部が露出されているので、半田ボールまたは半田バンプが固着されるメタルポストの領域を除いて、絶縁層と配線層の界面にＳｉ3Ｎ4膜を設ければ、Ｃｕから成るメタルポストとイミド樹脂の反応も防止できる。
【００１７】
第２に、半田ボールまたは半田バンプが固着されるメタルポストの領域に対応する絶縁層をドライエッチングして露出領域が設けられると、メタルポストの頭部がクリーンな状態で形成でき、半田ボールの固着性が改善される。
【００１８】
第３に、第１の絶縁層、前記配線層および前記メタルポストを含むチップ表面にプラズマＣＶＤ法でＳｉ3Ｎ4膜を被覆し、
前記メタルポストの頭部を覆う様にチップ表面に、熱硬化型のポリイミド膜を被覆し、
前記メタルポストの頭部に対応する前記ポリイミド膜および前記Ｓｉ3Ｎ4膜をエッチングして、半田ボールを固着する固着部を開口し、
前記半田ボールを固着する開口部を介して前記メタルポスト上に前記半田ボールを形成すれば、
前述したようにＣｕから成る配線層、Ｃｕから成るメタルポストとイミド層の反応を防止しつつ、Ｓｉ3Ｎ4膜で保護されたメタルポストを例えばエッチング等で露出できるため、半田ボールとの接合面をクリーンにでき、半田ボールの信頼性を向上させることができる。
【００１９】
第４に、ドライエッチングにより開口されれば、スパッタ性も付加されるため、更にメタルポストの露出部をクリーンにできる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について説明する。
【００２１】
図９に於いて、図番１は、通常のワイヤボンディングタイプのＩＣチップに於いて、最上層のメタル（ボンディングパッドとしても機能する部分）の部分であり、このＡｌ電極１のコンタクトホールＣが形成される層間絶縁膜を図番２で示す。
【００２２】
またこのコンタクトホールＣの下層には、メタルが複数層で形成され、例えばトランジスタ（ＭＯＳ型のトランジスタまたはＢＩＰ型のトランジスタ）、拡散領域、ポリＳｉゲートまたはポリＳｉ等とコンタクトしている。
【００２３】
ここで、本実施例は、ＭＯＳ型で説明しているが、ＢＩＰでも良い事は言うまでもない。
【００２４】
また本構造は、一般には一層メタル、２層メタル…と呼ばれるＩＣである。
【００２５】
更には、パッシベーション膜を図番３で示す。ここでパッシベーション膜３は、Ｓｉ窒化膜、エポキシ樹脂またはポリイミド等でなり、更にこの上には、絶縁樹脂層ｒが被覆されている。この絶縁樹脂層ｒは、後述するようにフラット性を実現し、半田ボールの高さを一定にしている。
【００２６】
またＡｌ電極１上には、窒化Ｔｉ膜５が形成されている。
【００２７】
このパッシベーション膜３と絶縁樹脂層ｒは、窒化Ｔｉ膜５を露出する開口部Ｋが形成され、ここには、配線層のメッキ電極（シード層）としてＣｕの薄膜層６が形成される。そしてこの上には、Ｃｕメッキによる配線層７が形成される。ここで、配線層７を含むチップ全面に本発明のポイントであるＳｉ3Ｎ4膜ＳＮが被覆され、ポリイミド樹脂から成る樹脂層Ｒが形成される。
【００２８】
ポリイミド樹脂Ｒは、液状のイミド樹脂で用意され、ウェハ全面にスピンオンされ、厚さ２０〜６０μｍ程度で形成される。その後、このイミド樹脂は、熱硬化反応により重合される。温度は、３００〜４００°Ｃ程度である。しかし熱硬化前のイミド樹脂は、非常に活性でありＣｕと反応し、その界面を悪化させる問題がある。しかし、配線層の表面にはＳｉ3Ｎ4膜ＳＮが被覆されているため、このＣｕとの反応を防止することができる。ここでＳｉ3Ｎ4膜の膜厚は、１０００〜３０００Å程度である。
【００２９】
また膜ＳＮは、バリア性が優れた絶縁膜で良いが、ＳｉＯ２膜は、バリア性に劣る。しかしＳｉＯ２膜を採用する場合は、Ｓｉ3Ｎ4膜よりもその膜厚を厚くする必要があり。またＳｉ3Ｎ4膜は、プラズマＣＶＤ法で形成できるので、そのステップカバレージも優れ、好ましい。
【００３０】
更には、後述する製造方法から明らかとなるが、メタルポスト８を形成した後、樹脂層Ｒを被覆するので、Ｃｕから成る配線層７とイミド層の反応を防止するばかりでなく、Ｃｕから成るメタルポスト８とイミド層の反応も防止できる。
【００３１】
続いて、配線層７の端部に開口部９が形成され、この開口部９には、メタルポスト８の頭部が顔を出し、メタルポスト８の頭部には、下層からＮｉ１０、Ａｕ１１が形成されているため、実際はＡｕが開口部９から露出している。
【００３２】
Ｃｕから成るメタルポスト８の上に直接半田ボールが形成されると、酸化されたＣｕが原因で半田ボールとの接続強度が劣化する。また酸化防止のためにＡｕを直接形成すると、Ａｕが拡散されるため、間にＮｉが挿入されている。ＮｉはＣｕの酸化防止をし、またＡｕはＮｉの酸化防止をしている。従って半田ボールの劣化および強度の劣化は抑制される。
【００３３】
ここでＮｉ、Ａｕは、電解メッキで形成されるが無電解メッキでも良い。またＡｕの代わりにＰｔ，Ｐｄが用いられても良い。
【００３４】
更には、Ａｕの薄膜層１１の上には、半田ボール１２が形成される。
【００３５】
ここで半田ボールと半田バンプの違いについて説明する。半田ボールは、予めボール状の半田が別途用意され、メタルポスト８に固着されるものであり、半田バンプは、配線層７、メタルポスト８を介して電解メッキで形成されるものである。半田バンプは、最初は厚みを有した膜として形成され、後熱処理により球状に形成されるものである。
【００３６】
続いて図９の構造について図１より簡単にその製造方法について説明する。
【００３７】
まず、Ａｌ電極１を有するＬＳＩが形成された半導体基板（ウエーハ）を準備する。ここでは、前述したように１層メタル、２層メタル・・のＩＣで、例えばトランジスタのソース電極、ドレイン電極が一層目のメタルとして形成され、ドレイン電極とコンタクトしたＡｌ電極１が２層目のメタルとして形成されている。
【００３８】
ここではドレイン電極が露出する層間絶縁膜２の開口部Ｃを形成した後、ウェハ全面にＡｌを主材料とする電極材料、窒化Ｔｉ膜５を形成し、ホトレジストをマスクとして、Ａｌ電極１と窒化Ｔｉ膜５を所定の形状にドライエッチングしている。
【００３９】
ここでは、パシベーション膜３を形成し、この後開口した開口部Ｃにバリアメタルを形成するのと違い、バリアメタルとしての窒化Ｔｉ膜も含めてホトレジストで一度に形成でき、工程数の簡略が可能となる。
【００４０】
また窒化Ｔｉ膜５は、後に形成するＣｕの薄膜層６のバリアメタルとして機能させている。しかも窒化Ｔｉ膜は、反射防止膜として有効であることにも着目している。つまりパターニングの際に使用されるレジストのハレーション防止としても有効である。ハレーション防止として最低１２００Å〜１３００Å程度必要であり、またこれにバリアメタルの機能を兼ね備えるためには、２０００Å〜３０００Å程度が好ましい。これ以上厚く形成されると、今度は窒化Ｔｉ膜が原因で発生するストレスが発生する。
【００４１】
またＡｌ電極１と窒化Ｔｉ膜５がパターニングされた後、全面にパッシベーション膜３が被覆される。パッシベーション膜として、ここではＳｉ3Ｎ4膜が採用されているが、ポリイミド等も可能である。（以上図１参照）
続いて、パッシベーション膜３の表面に絶縁樹脂層ｒが被覆される。この絶縁樹脂層は、ここでは、ポジ型の感光性ポリイミド膜が採用されている。
【００４２】
この感光性ポリイミド膜を採用することで、図２の開口部Ｋのパターニングに於いて、別途ホトレジストを形成して開口部Ｋを形成する必要が無くなり、工程の簡略化が実現できる。しかもこのポリイミド膜は、平坦化の目的でも採用されている。つまり半田ボールの高さが全ての領域において均一である為には、配線層７もフラットに精度良く形成される必要があり、その為にポリイミド樹脂を塗布してその表面をフラットにしている。
【００４３】
ここでＡｌ電極１はＬＳＩの外部接続用のパッドも兼ね、半田ボール半田バンプから成るチップサイズパッケージとして形成しない時は、ワイヤボンディングパッドとして機能する部分である。（以上図２参照）
続いて全面にＣｕの薄膜層６を形成する。このＣｕの薄膜層６は、後に配線層７のメッキ電極となり、約１０００〜２０００Å程度である。
【００４４】
続いて、全面に例えばホトレジスト層ＰＲ１を塗布し、配線層７に対応するホトレジストＰＲ１を取り除く。（以上図３参照）
更に、このホトレジストＰＲ１の開口部に露出するＣｕの薄膜層６をメッキ電極とし、配線層７を形成する。この配線層７は機械的強度を確保するために２〜５μｍ程度に厚く形成する必要がある。ここでは、メッキ法を用いて形成したが、蒸着やスパッタリング等で形成しても良い。
【００４５】
この後、ホトレジスト層ＰＲ２を除去する。（以上図４参照）
続いて、メタルポスト８が形成される領域に対応する配線層７を露出したホトレジストＰＲ２が形成され、この露出部に電解メッキでＣｕのメタルポスト８が形成される。これもＣｕの薄膜層６がメッキ電極として活用される。
このメタルポストは、３０〜４０μｍ程度の高さに形成され、更にＮｉ１０が電解メッキで約１μｍ、Ａｕ１１が電解メッキで約５０００Åで形成される。
【００４６】
Ｃｕ８、Ｎｉ１０、Ａｕ１１が連続されて形成されるため、長時間放置されないので、Ｃｕの酸化防止、Ｎｉの酸化防止が実現できる。（以上図５参照）
続いて、ホトレジストＰＲ２を除去し、配線層７をマスクとしてＣｕの薄膜層６を除去する。
【００４７】
次に示す工程は、本発明のポイントとなる工程であり、配線層７、メタルポスト８も含めて全表面にプラズマＣＶＤ法でＳｉ3Ｎ4膜ＳＮを被着する。
【００４８】
これは、後の工程で形成されるイミド樹脂が活性であり、Ｃｕと反応する。従って配線層７、メタルポスト８は、全てこのＳｉ3Ｎ4膜ＳＮでカバーする必要がある。
【００４９】
ここでは、Ｎｉ１０、Ａｕ１１も含めたメタルポスト８を形成した後に、Ｓｉ3Ｎ4膜ＳＮを形成しているので、配線層７、メタルポスト８も含めてカバーすることができる。またパターニングされて露出している側面Ｍも一緒に保護する必要があるが、ここでは、両者をパターニングした後にＳｉ3Ｎ4膜を被覆しているので、側面Ｍも一緒に保護される。
【００５０】
続いてＳｉ3Ｎ4膜ＳＮで保護された状態で、イミド樹脂Ｒを全面に塗布する。
【００５１】
この樹脂も感光性樹脂で、熱硬化反応で硬化される。
【００５２】
この感光性樹脂により、図８に示す工程の簡略化、表面のフラット性が実現できる。
【００５３】
また絶縁樹脂層Ｒ、ｒは、次のメリットもある。
一般に粘性のある樹脂をディスペンサで塗布すると、脱泡してあっても中に気泡を取り込んでしまう問題がある。気泡を取り込んだまま焼結すると、これからの工程やユーザー側での高温雰囲気使用で気泡が破裂する問題がある。
【００５４】
本工程では、スピンオンで塗布し、一回のスピンで２０〜３０μｍ程度の膜厚に形成できるように調整してある。この結果、この膜厚よりも大きな気泡は、膜の厚みが薄い故に弾けて消える。またこの膜厚よりも小さい気泡は、スピンオンの遠心力で外部へ飛ばされる樹脂と一緒に外に飛ばされ、気泡無しの膜が形成できる。
【００５５】
また絶縁樹脂層Ｒは、膜厚として５０μｍ程度を必要とし、この場合、前述した原理を採用し、スピンオンで複数回に分けて塗布し、気泡を取り除きながら形成する。（以上図７参照）
続いて、例えばメタルマスクＭＳを採用し、メタルマスクの開口部がメタルポスト８の頭部に位置するように調整され、露光・現像により、メタルポスト頭部のポリイミド層Ｒに開口部２０を形成する。開口部の開口径は、５０μｍ程度がよい。図に示されるように、メタルマスクＭＳと絶縁樹脂層Ｒとの距離により、露光部の周辺は、その光がぼける。つまり周辺の光強度が主とする領域よりも弱くなり、その結果開口部２０の側壁は、垂直に開口されず傾斜を有するようになる。
【００５６】
また、現像後は２００℃〜３５０°Ｃ程度の温度下でポリイミド層をベーキングするとよい。
【００５７】
更には、開口部２０には、Ｓｉ3Ｎ4膜ＳＮが露出しているので、ポリイミド層Ｒの開口部２０をマスクとしてＳｉ3Ｎ4膜ＳＮが取り除かれる。
【００５８】
ここで絶縁樹脂層Ｒの開口部は、等方的にエッチングされる。形状が球状になるので、半田ボール１２を載置する上で有利である。
【００５９】
またＳｉ3Ｎ4膜は、ドライエッチングで開口されるので、半田ボール１２との接合部は、スパッタ性も有るためクリーンな状態となる。
【００６０】
ここでは、前記開口部の形成に於いて、エッチングの代わりに研磨法を用いても良い。（以上図８参照）
最後に、用意した半田ボール１２を前記開口部２０に搭載し、リフローする。そして、半導体基板をダイシング工程により、スクライブラインに沿ってチップに分割し、チップサイズ・パッケージとして完成する。
【００６１】
ここで半田を溶融するタイミングは、ダイシングの前である。
図８で図示してあるように、開口部２０を形成した後、ウェハ全面に保護シートを貼り付け、表面を保護しながらバックグラインドをする。
【００６２】
半田ボールを形成した後に保護シートを貼ると、半田ボールと保護シートとで形成される隙間にバックグラインド時に流れる水が入り保護シールが剥がれてしまう問題があった。また高温度雰囲気にさらされると、バックグラインド時の熱歪みが原因で、傷を介して割れる恐れがある。そのため、開口部２０のドライエッチングで高熱になるため、このドライエッチング後に保護シートを貼り合わせてバックグラインドすれば、水の侵入もなく、更には熱歪みによるクラック等の防止も実現できる。
【００６３】
以上、本発明は、再配線型で説明してきたが、樹脂封止型でも実施できることは言うまでもない。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、配線層とポリイミド樹脂層Ｒとの界面に、Ｓｉ3Ｎ4膜が設けられてあるので、硬化前のイミド樹脂とＣｕとの反応を防止することができる。またメタルポスト、Ｃｕの薄膜層の側面もＳｉ3Ｎ4膜でカバーされ、前記反応を防止することができる。
【００６５】
従って、Ｃｕの配線層、Ｃｕの薄膜層とポリイミド樹脂との界面は、反応もなく安定した状態で形成されるため、耐湿性、膨れ等を防止することができ、歩留まりの向上を実現できる。
【００６６】
また半田ボールまたは半田バンプが固着されるメタルポストの領域に対応する絶縁層をドライエッチングして露出領域が設けられので、メタルポストの頭部がクリーンな状態で形成でき、半田ボールの固着性が改善される。
【００６７】
また、第１の絶縁層、前記配線層および前記メタルポストを含むチップ表面にプラズマＣＶＤ法でＳｉ3Ｎ4膜を被覆し、
前記メタルポストの頭部を覆う様にチップ表面に、熱硬化型のポリイミド膜を被覆し、
前記メタルポストの頭部に対応する前記ポリイミド膜および前記Ｓｉ3Ｎ4膜をエッチングして、半田ボールを固着する固着部を開口し、
前記半田ボールを固着する開口部を介して前記メタルポスト上に前記半田ボールを形成するので、
前述したようにＣｕから成る配線層、Ｃｕから成るメタルポストとイミド層の反応を防止しつつ、Ｓｉ3Ｎ4膜で保護されたメタルポストを例えばエッチング等で露出できるため、半田ボールとの接合面をクリーンにでき、半田ボールの信頼性を向上させることができる。
【００６８】
更に、ドライエッチングにより開口されれば、スパッタ性も付加されるため、更にメタルポストの露出部をクリーンにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図２】 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図３】 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図４】 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図５】 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図６】 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図７】 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図８】 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図９】 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図１０】 従来のチップサイズパッケージを説明する図である。
【図１１】 従来のチップサイズパッケージを説明する図である。

Claims (6)

1. 金属材料から成る金属電極パッドに接続され、チップ表面に延在するＣｕを主材料とする配線層と、
   この配線層を含むチップ表面を被覆する熱硬化型の樹脂から成るポリイミド層と、
   前記配線層上の前記絶縁層に形成された開口部と、
   この開口部に形成され、Ｃｕを主材料とするメタルポストと、
   このメタルポストに固着された半田ボールまたは半田バンプとを具備する半導体装置に於いて、
   前記半田ボールまたは半田バンプが固着される前記メタルポストの領域を除いて、前記配線層の側面および上面と前記メタルポストの側面は連続してＳｉ３Ｎ４膜で被覆される事を特徴とする半導体装置。
2. 金属材料から成る金属電極パッドに接続され、チップ表面に延在するＣｕを主材料とする配線層と、
   この配線層を含むチップ表面を被覆する熱硬化型の樹脂から成るポリイミド層と、
   前記配線層上の前記絶縁層に形成された開口部と、
   この開口部に形成され、Ｃｕを主材料とするメタルポストと、
   このメタルポストに固着された半田ボールまたは半田バンプとを具備する半導体装置に於いて、
   前記配線層の側面および上面と前記メタルポストの側面は連続してＳｉ３Ｎ４膜で被覆され、
   前記半田ボールが固着される前記メタルポストの領域は、前記絶縁層がドライエッチングされて形成される露出領域が設けられ、この露出領域に半田ボールが固着される事を特徴とする半導体装置。
3. 金属材料を被着し、パターニングすることにより金属電極パッドを形成し、
   前記金属電極パッドの一部を露出する開口部を有する絶縁層を形成し、
   前記開口部から露出する前記金属電極パッド上に、チップ表面に延在するＣｕより成る配線層を形成し、
   前記配線層上にＣｕから成るメタルポストを形成し、
   プラズマＣＶＤ法で前記配線層側面および上面と、前記メタルポストの側面を連続して被覆するＳｉ３Ｎ４膜を形成し、
   前記メタルポストの頭部を覆う様にチップ表面に、ポリイミド膜を被覆し、
   前記メタルポストの頭部に対応する前記ポリイミド膜および前記Ｓｉ3Ｎ4膜をエッチングして、半田ボールを固着する固着部を開口し、
   前記半田ボールを固着する開口部を介して前記メタルポスト上に前記半田ボールを形成する事を特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 前記半田ボールを固着する固着部は、ドライエッチングにより開口される請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記ポリイミド膜は、熱硬化性または感光性である請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記メタルポストの頭部に対応する前記ポリイミド膜および前記Ｓｉ 3 Ｎ 4 膜をエッチングして、半田ボールを固着する固着部を開口する工程に於いて、
   エッチングの代わりに研磨を行い開口する請求項３に記載の半導体装置の製造方法。

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