JP4137257B2 - サーマルインクジェットプリントヘッド及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般にサーマルインクジェットプリントに関し、更に詳細には、プリントヘッド上に形成されるトランジスタ能動回路をより密集して実装(packing) したサーマルインクジェットプリントヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術のプリントヘッドに伴う１つの問題点は、アンダーグレーズ層が、電気的にアドレスされたヒータからインクが蒸気泡を形成する場所のインクにほとんどのエネルギーを転送するために必要な程度まで、シリコン基体と抵抗ヒータとの間の断熱を与えるのに十分な厚さでなければならないことである。エネルギーがシリコン基体中に与えられると、補償を必要とする温度のばらつきをもたらしうる。アンダーグレーズ層は、更にドライバ内のトランジスタと論理回路との間に電気的絶縁を与える、チップの電気的能動構成部品内のフィールド酸化物層としての役割もする。米国特許第４，９４７，１９２号及び第５，０３０，９７１号は、複数のヒータ抵抗に電気的に接続された抵抗ヒータ基体上に能動ドライブマトリクスを形成するインクジェットプリントヘッドを開示している。この目的のために、フィールド酸化物層は、通常断熱に必要とされる厚さの２分の１以下でなければならない。より薄いフィールド酸化物層により、チップ上のトランジスタ能動領域のより密集した実装を可能とする。
【０００３】
トランジスタ絶縁用の１層の酸化物層と、ヒータ断熱用の別の酸化物層とを成長させることにより、このような２つの必要条件（断熱及び電気的絶縁）を切り離すことが可能であるが、必要とする特別なマスクレベル及び高温処理工程は、プリントヘッドダイに余分のコストを加える。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
プリントヘッドチップ上のトランジスタ能動領域の実装密度を上げること、及びトランジスタ能動領域の電気的絶縁のために最適化されたフィールド酸化物層を備えることが望ましい。
【０００５】
更に、抵抗ヒータが形成されているシリコン基体と抵抗性材料層との間の断熱の効率を向上させることも望ましい。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フィールド酸化物層をシリコン基体上に形成することに関し、このフィールド酸化物層は、トランジスタ能動領域の電気的絶縁を最適化する厚さに成長し、これは従来技術のアンダーグレーズ層の約２分の１の厚さである。好ましい実施の形態において、抵抗ヒータは、電気導電性化合物である二ホウ化ジルコニウム（Ｚr Ｂ2 ）をスパッタリングによってフィールド酸化物層上に形成される。スパッタリング工程は抵抗ヒータ層の形成の初期に制御された速度での酸素の導入を含む。酸素の導入により、シリコン基体上に熱によって成長したフィールド酸化物層の上に酸素をドープした断熱二ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ2 Ｏx ）の薄膜が形成される。酸化された二ホウ化ジルコニウムの薄膜が最適な断熱に十分な厚さにひとたび到達すると、スパッタリング工程は、導電性ヒータ抵抗体が効率的な熱エネルギーの生成に必要とされる厚さに成長するまで酸素なしで続けられる。フィールド酸化物層とＺｒＢ2 Ｏx 層の組み合わせの厚さにより、導電性層のシリコン基体からの必要とされる断熱が可能となる。相対的に薄く、熱によって成長した酸化物層は、トランジスタドライブ回路のより密集した実装を可能にする。
【０００７】
更に詳細には、本発明は、
シリコン基体と、
シリコン基体の表面上に形成された熱によって成長したフィールド酸化物層と、
熱によって成長したこのフィールド酸化物層を覆って形成された加熱抵抗のアレイであって、その加熱抵抗は、一般式（Ａ）Ｂ2 （ここで、Ａはジルコニウム、タンタル、タングステン、ニオブ、モリブデン、チタン、バナジウム、及びハフニウムを含有する群から選ばれた金属であり、また、Ｂはホウ素である）の電気抵抗性化合物の導電性層と、前記熱によって成長したフィールド酸化物層の上を覆い前記導電性層の下に形成された第２の蒸着された酸化物層とを含み、これにより、この熱によって成長したフィールド酸化物層と蒸着された酸化物層がシリコン基体と導電性層との間の断熱を与えることによって特徴づけられる加熱抵抗のアレイとを含む、
サーマルインクジェットプリントヘッドに関する。
【０００８】
本発明は、更に、インクジェットプリンタに用いるための改良されたプリントヘッドを製造するための方法に関し、そのプリントヘッドは加熱された抵抗体の少なくとも一部と熱的に連通するインクを充填した複数のチャネルを含み、この方法は、
（ａ）シリコン基体を形成する工程と、
（ｂ）シリコン基体表面上に熱フィールド酸化物層を成長させる工程と、
（ｃ）フィールド酸化物層の表面上に一般式（Ａ）Ｂ2 （ここで、Ａはジルコニウム、タンタル、タングステン、ニオブ、モリブデン、チタン、バナジウム、及びハフニウムを含有する群から選ばれた金属であり、また、Ｂはホウ素である）の抵抗性材料の層を酸素が存在する状況下でスパッタリングし、相対的に高いシート抵抗の酸化物層を形成する工程と、
（ｄ）工程（ｃ）の抵抗性材料のスパッタリングを酸素なしで継続し、電気導電性の抵抗層を形成する工程と、
（ｅ）前記抵抗層への連結部としての電気接点及びドライブ回路を形成する工程と、
（ｆ）前記抵抗層と熱的に連通する、インクを充填した複数のインクチャネルを形成する工程、
とを有する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、例えば、その内容が本明細書に参照として取り入れられる米国再発行特許第３２，５７２号、米国特許第４，７７４，５３０号及び第４，９５１，０６３号に開示されるタイプのプリントヘッドに用いることが可能な改良された抵抗ヒータの第１の実施形態の断面図である。本発明の改良されたヒータ構造は、抵抗エレメントを加熱して、隣接層内のインクを核形成する他のタイプのサーマルインクジェットプリントヘッドに用いることができることが理解される。
【００１０】
図１を参照して、インクジェットプリントヘッド８のヒータ基体部分は、前面に形成されるノズル１２から射出されるチャネル１０内のインクと共に図示されている。プリントヘッド８は、上記に参照した米国再発行特許第３２，５７２号及び米国特許第４，９５１，０６３号に開示されるようにチャネルとヒータプレートとを接合することによる従来の方法（ヒータ抵抗の構成を除く）によって製造される。シリコン基体１６はその表面上に形成され、熱によって成長したフィールド酸化物層１８を含むアンダーグレーズ層を有する。ヒータ抵抗２０は層１８の表面上に形成され、蒸着された酸化物層２０Ａと電気抵抗性化合物の導電性層２０Ｂとから成る。好ましい実施形態において、スパッタリングチャンバに酸素を加えながら、層１８の表面上に二ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ2 ）がスパッタリングされ、酸化層２０Ａが生成される。層２０Ａは、7000Ω／squareを越えるシート抵抗値を有する。層２０Ａがひとたび所定の厚さになると、酸素の流れを停止して、スパッタリング工程を継続して能動ヒータ抵抗体素子として導電性層２０Ｂを形成する。層２０Ｂは、約１０Ω／squareのシート抵抗を有し、高導電性である。従って、層２０Ａ及び２０Ｂは、パターン化及びエッチングされると同時に更なるマスキング工程を省くことができる。
【００１１】
好ましい実施形態において、層１８は7500Å、層２０Ａは7500Åである。２つの層を合わせた厚さは１．５μで、これはシリコン基体１６上に成長した従来の一層の酸化物層の厚さであり、例えば、層２０Ａは従来技術の層１８の一部を置き換える。従って、１８と２０Ａを結合した層はシリコン基体１６と層２０Ｂとの間の断熱をもたらすと共に、従来技術の層よりも大幅に薄い層１８はトランジスタドライブ回路間の電気絶縁を可能とする。トランジスタの間隔は酸化物層１８の厚さの関数であるため、より薄い層１８により、例えば上記に参照された米国特許第４，９４７，１９２号及び第５，０３０，９７１号に示されるタイプのトランジスタ能動領域のより密集した実装が可能となる。これらの特許に開示されるように、フィールド酸化物は通常ＬＯＣＯＳ工程又はそのバリエーションによってシリコン基体上に成長する。トランジスタの能動領域は窒化物マスキング工程によって作り出される。フィールド酸化物が成長する際、若干の酸化物がマスクのエッジの下に侵入し、当工業において“バーズビーク(bird's beak) ”として知られる薄いフィールド酸化物の次第に薄くなった領域(thinned-out region)を生ずる結果となる。２つの能動トランジスタ領域間の最低距離は、フィールド酸化物の厚さに比例して変化するこのバーズビークの大きさによって決まる。２つのトランジスタはバーズビークの大きさの２倍よりも近くに配置することができない。従って、フィールド酸化物の厚さが半分に減らすことができれば、トランジスタ間の最低距離も半減することができ、実装密度が上げられてチップのコストを低下させることができる。
【００１２】
この説明に引き続き、層２０Ｂはマスキング及びエッチングされてヒータ能動領域を定める。ガラス層３４が蒸着され、接触ホールがガラス層内にエッチングされ、抵抗の端部に通路２３、２４を、また、抵抗の中心部にヒータ開口部２０を形成する。誘電層３０が層２０Ｂを覆って形成され、ヒータ抵抗をインクから電気絶縁し、また、タンタル層３１が蒸着され、ヒータをインクによる腐蝕から保護する。層３０と３１は共に、ヒータ開口部２０上にのみ保護層を残すようにエッチングされる。アルミニウム層が蒸着及びエッチングされ、アドレス電極２５及びアルミニウム対向リターン電極２６を形成する。電極の不動態化のため、ガラスフィルム３４が蒸着され、次に、第２のガラス及び／又は窒化物不動態化層３５及び厚いフィルム絶縁層３６が蒸着される。層３６は、好ましい実施形態ではポリイミドである。フィルム３４及び３６は上記に参照としてあげた特許第４，９５１，０６３号に記述されるように形成される。
【００１３】
図２を参照すると、ＺｒＢ2 Ｏx 層２０ＡがＺｒＢ2 層２０Ｂの下になるように図示されている。層２０Ｂに好適な他の材料は、ジルコニウム、タンタル、タングステン、ニオブ、モリブデン、チタン、バナジウム、及びハフニウムからなる群から選ばれた二ホウ化金属である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の改良されたヒータ抵抗の第１の実施形態の断面図である。
【図２】図１の抵抗の更に拡大された断面図である。
【符号の説明】
８ インクジェットプリントヘッド
１０ チャネル
１２ ノズル
１６ シリコン基体
１８ 熱によって成長したフィールド酸化物層
２０ ヒータ抵抗（ヒータ開口部）
２０Ａ 蒸着された酸化物層
２０Ｂ 導電性層
２３ 通路
２４ 通路
２５ 処理電極
２６ アルミニウム対向リターン電極
３４ ガラス薄膜
３５ 窒化物不動態化層
３６ 厚いフィルム絶縁層
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般にサーマルインクジェットプリントに関し、更に詳細には、プリントヘッド上に形成されるトランジスタ能動回路をより密集して実装(packing) したサーマルインクジェットプリントヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術のプリントヘッドに伴う１つの問題点は、アンダーグレーズ層が、電気的にアドレスされたヒータからインクが蒸気泡を形成する場所のインクにほとんどのエネルギーを転送するために必要な程度まで、シリコン基体と抵抗ヒータとの間の断熱を与えるのに十分な厚さでなければならないことである。エネルギーがシリコン基体中に与えられると、補償を必要とする温度のばらつきをもたらしうる。アンダーグレーズ層は、更にドライバ内のトランジスタと論理回路との間に電気的絶縁を与える、チップの電気的能動構成部品内のフィールド酸化物層としての役割もする。米国特許第４，９４７，１９２号及び第５，０３０，９７１号は、複数のヒータ抵抗に電気的に接続された抵抗ヒータ基体上に能動ドライブマトリクスを形成するインクジェットプリントヘッドを開示している。この目的のために、フィールド酸化物層は、通常断熱に必要とされる厚さの２分の１以下でなければならない。より薄いフィールド酸化物層により、チップ上のトランジスタ能動領域のより密集した実装を可能とする。
【０００３】
トランジスタ絶縁用の１層の酸化物層と、ヒータ断熱用の別の酸化物層とを成長させることにより、このような２つの必要条件（断熱及び電気的絶縁）を切り離すことが可能であるが、必要とする特別なマスクレベル及び高温処理工程は、プリントヘッドダイに余分のコストを加える。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
プリントヘッドチップ上のトランジスタ能動領域の実装密度を上げること、及びトランジスタ能動領域の電気的絶縁のために最適化されたフィールド酸化物層を備えることが望ましい。
【０００５】
更に、抵抗ヒータが形成されているシリコン基体と抵抗性材料層との間の断熱の効率を向上させることも望ましい。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フィールド酸化物層をシリコン基体上に形成することに関し、このフィールド酸化物層は、トランジスタ能動領域の電気的絶縁を最適化する厚さに成長し、これは従来技術のアンダーグレーズ層の約２分の１の厚さである。好ましい実施の形態において、抵抗ヒータは、電気導電性化合物である二ホウ化ジルコニウム（Ｚr Ｂ2 ）をスパッタリングによってフィールド酸化物層上に形成される。スパッタリング工程は抵抗ヒータ層の形成の初期に制御された速度での酸素の導入を含む。酸素の導入により、シリコン基体上に熱によって成長したフィールド酸化物層の上に酸素をドープした断熱二ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ2 Ｏx ）の薄膜が形成される。酸化された二ホウ化ジルコニウムの薄膜が最適な断熱に十分な厚さにひとたび到達すると、スパッタリング工程は、導電性ヒータ抵抗体が効率的な熱エネルギーの生成に必要とされる厚さに成長するまで酸素なしで続けられる。フィールド酸化物層とＺｒＢ2 Ｏx 層の組み合わせの厚さにより、導電性層のシリコン基体からの必要とされる断熱が可能となる。相対的に薄く、熱によって成長した酸化物層は、トランジスタドライブ回路のより密集した実装を可能にする。
【０００７】
更に詳細には、本発明は、
シリコン基体と、
シリコン基体の表面上に形成された熱によって成長したフィールド酸化物層と、
熱によって成長したこのフィールド酸化物層を覆って形成された加熱抵抗のアレイであって、その加熱抵抗は、一般式（Ａ）Ｂ2 （ここで、Ａはジルコニウム、タンタル、タングステン、ニオブ、モリブデン、チタン、バナジウム、及びハフニウムを含有する群から選ばれた金属であり、また、Ｂはホウ素である）の電気抵抗性化合物の導電性層と、前記熱によって成長したフィールド酸化物層の上を覆い前記導電性層の下に形成された第２の蒸着された酸化物層とを含み、これにより、この熱によって成長したフィールド酸化物層と蒸着された酸化物層がシリコン基体と導電性層との間の断熱を与えることによって特徴づけられる加熱抵抗のアレイとを含む、
サーマルインクジェットプリントヘッドに関する。
【０００８】
本発明は、更に、インクジェットプリンタに用いるための改良されたプリントヘッドを製造するための方法に関し、そのプリントヘッドは加熱された抵抗体の少なくとも一部と熱的に連通するインクを充填した複数のチャネルを含み、この方法は、
（ａ）シリコン基体を形成する工程と、
（ｂ）シリコン基体表面上に熱フィールド酸化物層を成長させる工程と、
（ｃ）フィールド酸化物層の表面上に一般式（Ａ）Ｂ2 （ここで、Ａはジルコニウム、タンタル、タングステン、ニオブ、モリブデン、チタン、バナジウム、及びハフニウムを含有する群から選ばれた金属であり、また、Ｂはホウ素である）の抵抗性材料の層を酸素が存在する状況下でスパッタリングし、相対的に高いシート抵抗の酸化物層を形成する工程と、
（ｄ）工程（ｃ）の抵抗性材料のスパッタリングを酸素なしで継続し、電気導電性の抵抗層を形成する工程と、
（ｅ）前記抵抗層への連結部としての電気接点及びドライブ回路を形成する工程と、
（ｆ）前記抵抗層と熱的に連通する、インクを充填した複数のインクチャネルを形成する工程、
とを有する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、例えば、その内容が本明細書に参照として取り入れられる米国再発行特許第３２，５７２号、米国特許第４，７７４，５３０号及び第４，９５１，０６３号に開示されるタイプのプリントヘッドに用いることが可能な改良された抵抗ヒータの第１の実施形態の断面図である。本発明の改良されたヒータ構造は、抵抗エレメントを加熱して、隣接層内のインクを核形成する他のタイプのサーマルインクジェットプリントヘッドに用いることができることが理解される。
【００１０】
図１を参照して、インクジェットプリントヘッド８のヒータ基体部分は、前面に形成されるノズル１２から射出されるチャネル１０内のインクと共に図示されている。プリントヘッド８は、上記に参照した米国再発行特許第３２，５７２号及び米国特許第４，９５１，０６３号に開示されるようにチャネルとヒータプレートとを接合することによる従来の方法（ヒータ抵抗の構成を除く）によって製造される。シリコン基体１６はその表面上に形成され、熱によって成長したフィールド酸化物層１８を含むアンダーグレーズ層を有する。ヒータ抵抗２０は層１８の表面上に形成され、蒸着された酸化物層２０Ａと電気抵抗性化合物の導電性層２０Ｂとから成る。好ましい実施形態において、スパッタリングチャンバに酸素を加えながら、層１８の表面上に二ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ2 ）がスパッタリングされ、酸化層２０Ａが生成される。層２０Ａは、7000Ω／squareを越えるシート抵抗値を有する。層２０Ａがひとたび所定の厚さになると、酸素の流れを停止して、スパッタリング工程を継続して能動ヒータ抵抗体素子として導電性層２０Ｂを形成する。層２０Ｂは、約１０Ω／squareのシート抵抗を有し、高導電性である。従って、層２０Ａ及び２０Ｂは、パターン化及びエッチングされると同時に更なるマスキング工程を省くことができる。
【００１１】
好ましい実施形態において、層１８は7500Å、層２０Ａは7500Åである。２つの層を合わせた厚さは１．５μで、これはシリコン基体１６上に成長した従来の一層の酸化物層の厚さであり、例えば、層２０Ａは従来技術の層１８の一部を置き換える。従って、１８と２０Ａを結合した層はシリコン基体１６と層２０Ｂとの間の断熱をもたらすと共に、従来技術の層よりも大幅に薄い層１８はトランジスタドライブ回路間の電気絶縁を可能とする。トランジスタの間隔は酸化物層１８の厚さの関数であるため、より薄い層１８により、例えば上記に参照された米国特許第４，９４７，１９２号及び第５，０３０，９７１号に示されるタイプのトランジスタ能動領域のより密集した実装が可能となる。これらの特許に開示されるように、フィールド酸化物は通常ＬＯＣＯＳ工程又はそのバリエーションによってシリコン基体上に成長する。トランジスタの能動領域は窒化物マスキング工程によって作り出される。フィールド酸化物が成長する際、若干の酸化物がマスクのエッジの下に侵入し、当工業において“バーズビーク(bird's beak) ”として知られる薄いフィールド酸化物の次第に薄くなった領域(thinned-out region)を生ずる結果となる。２つの能動トランジスタ領域間の最低距離は、フィールド酸化物の厚さに比例して変化するこのバーズビークの大きさによって決まる。２つのトランジスタはバーズビークの大きさの２倍よりも近くに配置することができない。従って、フィールド酸化物の厚さが半分に減らすことができれば、トランジスタ間の最低距離も半減することができ、実装密度が上げられてチップのコストを低下させることができる。
【００１２】
この説明に引き続き、層２０Ｂはマスキング及びエッチングされてヒータ能動領域を定める。ガラス層３４が蒸着され、接触ホールがガラス層内にエッチングされ、抵抗の端部に通路２３、２４を、また、抵抗の中心部にヒータ開口部２０を形成する。誘電層３０が層２０Ｂを覆って形成され、ヒータ抵抗をインクから電気絶縁し、また、タンタル層３１が蒸着され、ヒータをインクによる腐蝕から保護する。層３０と３１は共に、ヒータ開口部２０上にのみ保護層を残すようにエッチングされる。アルミニウム層が蒸着及びエッチングされ、アドレス電極２５及びアルミニウム対向リターン電極２６を形成する。電極の不動態化のため、ガラスフィルム３４が蒸着され、次に、第２のガラス及び／又は窒化物不動態化層３５及び厚いフィルム絶縁層３６が蒸着される。層３６は、好ましい実施形態ではポリイミドである。フィルム３４及び３６は上記に参照としてあげた特許第４，９５１，０６３号に記述されるように形成される。
【００１３】
図２を参照すると、ＺｒＢ2 Ｏx 層２０ＡがＺｒＢ2 層２０Ｂの下になるように図示されている。層２０Ｂに好適な他の材料は、ジルコニウム、タンタル、タングステン、ニオブ、モリブデン、チタン、バナジウム、及びハフニウムからなる群から選ばれた二ホウ化金属である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の改良されたヒータ抵抗の第１の実施形態の断面図である。
【図２】図１の抵抗の更に拡大された断面図である。
【符号の説明】
８ インクジェットプリントヘッド
１０ チャネル
１２ ノズル
１６ シリコン基体
１８ 熱によって成長したフィールド酸化物層
２０ ヒータ抵抗（ヒータ開口部）
２０Ａ 蒸着された酸化物層
２０Ｂ 導電性層
２３ 通路
２４ 通路
２５ 処理電極
２６ アルミニウム対向リターン電極
３４ ガラス薄膜
３５ 窒化物不動態化層
３６ 厚いフィルム絶縁層
Claims (2)
- サーマルインクジェットプリントヘッドであって、前記サーマルインクジェットプリントヘッドが、
シリコン基体と、
シリコン基体の表面上に形成された熱によって成長したフィールド酸化物層と、
熱によって成長したフィールド酸化物層を覆って形成された加熱抵抗のアレイであって、
前記加熱抵抗は、一般式（Ａ）Ｂ２（ここで、Ａはジルコニウム、タンタル、タングステン、ニオブ、モリブデン、チタン、バナジウム、及びハフニウムを含有する群から選ばれた金属であり、また、Ｂはホウ素である）の電気抵抗性化合物の導電性層と、前記熱によって成長したフィールド酸化物層の上を覆い前記導電性層の下に、スパッタリングチャンバに酸素を加えながら前記電気抵抗性化合物がスパッタリングされることで形成された酸化物層とを含み、
前記導電性層は、前記スパッタリングチャンバに酸素を供給せずに前記酸化物層を形成するスパッタリング工程を継続することで形成され、
熱によって成長したフィールド酸化物層と蒸着された酸化物層がシリコン基体と導電性層との間の断熱を与えることによって特徴づけられる加熱抵抗のアレイとを含む、サーマルインクジェットプリントヘッド。 - インクジェットプリンタに用いるための改良されたプリントヘッドを製造するための方法であって、前記プリントヘッドが、加熱された抵抗体の少なくとも一部と熱的に連通するインクを充填した複数のチャネルを含み、前記方法が、
（ａ）シリコン基体を形成する工程と、
（ｂ）シリコン基体表面上に熱フィールド酸化物層を成長させる工程と、
（ｃ）フィールド酸化物層の表面上に一般式（Ａ）Ｂ２（ここで、Ａはジルコニウム、タンタル、タングステン、ニオブ、モリブデン、チタン、バナジウム、及びハフニウムを含有する群からの選ばれた金属であり、また、Ｂはホウ素である）の抵抗性材料の層を酸素が存在する状況下でスパッタリングし、前記抵抗性材料の層よりも相対的に高いシート抵抗性の酸化物層を形成する工程と、
（ｄ）工程（ｃ）の抵抗性材料のスパッタリングを酸素なしで継続し、電気導電性の抵抗層を形成する工程と、
（ｅ）前記抵抗層への連結部としての電気接点及びドライブ回路を形成する工程と、
（ｆ）前記抵抗層と熱的に連通する、インクを充填し複数のインクチャネルを形成する工程とを含む、
プリントヘッド製造方法。
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