JP4410134B2 - パターン露光方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明はレーザを露光しようとする基板に集光走査させてパターンを描画するパターン露光方法及びパターン露光装置に係り、特に複数のレーザから出力された複数本のレーザ光を基板に照射して複数の箇所を同時に露光するようにしたパターン露光方法及び装置に関する。

プリント基板、液晶ディスプレイのＴＦＴ基板、カラーフィルタ基板或いはプラズマディスプレイ等の基板（以下、「基板」という。）にパターンを露光するため、従来は、パターンの原版となるマスクを製作し、このマスクを用いるマスク露光装置により基板を露光していた。

しかし、基板の寸法は近年ますます大きくなってくると共に、基板の設計、製作に要求される時間はますます短くなっている。しかも、基板を設計する際、設計ミスを０にすることは非常に困難で、設計見直しにより再度マスクを製作しなければならない場合が多かった。また、基板の種類によっては多品種少量生産の場合も多く、多くの品種に対し、その都度マスクを製作することはコストの上昇、納期の遅延を招いていた。このため、マスクを必要としないマスクレス露光の要求が強くなっている。

マスクレス露光を行う第１の方法として、液晶やＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）等の２次元空間変調器を用いて２次元パターンを発生させ、これを投影レンズで基板上に露光する方法がある（特許文献１）。この方法によれば、比較的微細なパターンの描画を行うことができた。

また、第2の方法として、出力の大きなレーザとポリゴンミラーを用いてレーザ光を走査させながらレーザ光をＥＯ変調器やＡＯ変調器を用いて基板に描画露光する方法がある。この方法によれば、ラフなパターンを広い領域に描画するのに向いており、かつ、構成がシンプルで比較的安価な装置にすることができた。
特開平１１−３２０９６８号公報

しかし、上記第１の方法は、装置が高価になり、ランニングコストが高くなった。
また、上記第２の方法は、大きな面積を高精細に描画することが難しい。また、スループットを短くしようすると大出力のレーザが必要になり、装置が高価になってランニングコストが高くなった。

ところで、従来のマスクを用いる露光装置では光源として水銀ランプを用いていた。水銀ランプの場合、３６５ｎｍ（近紫外線のｉ線）、４０５ｎｍ（紫のｈ線）、４３６ｎｍ（ｇ線）に強い波長スペクトル分布を持っている。そこで、パターンニングに用いるフォトレジストもこれらの波長で露光したときに良好なパターンニングができるように作られており、特に波長が３６５ｎｍまたは４０５ｎｍの光に反応するものが多い。

マスクレス露光を行う場合、光源として水銀ランプを用いることは不可能ではない。しかし、水銀ランプから効率よく指向性の高い露光照明光を得ることは困難である。

また、プリント基板の場合、ソルダレジストを露光する工程があるが、ソルダレジストの感度は一般に低く、露光のスループットが低かった。

本発明の目的は、指向性の高い照明光により効率よくマスクレス露光を行うことができるマスクレス露光方法およびマスクレス露光装置を提供すると共に、ソルダレジストの露光効率を向上させることができるマスクレス露光方法およびマスクレス露光装置を提供するにある。

上記課題を解決するため、本発明の第1の手段は、光源から出射された出射光とワークとを相対的に移動させ、前記出射光により前記ワークの所望の位置を露光するパターン露光方法において、出射光の波長が異なる複数の光源を用意しておき、前記光源をオンオフすることにより波長が異なる複数の光を前記ワークの同一点に照射することを特徴とする。

また、本発明の第２の手段は、パターン露光装置を、波長が異なる光を出射する少なくとも２色の光源と、前記光源から出射した出射光をそれぞれワーク上に投影する光学系と、前記光源をオンオフする開閉手段と、投影スポットと前記ワークを相対的に移動する移動手段と、当該相対的移動と前記光源のオンオフを同期させて制御する制御手段と、で構成することを特徴とする。

指向性の高い照明光により、効率よくマスクレス露光を行うことができる。また、ソルダレジストの露光効率を向上させることができる。

以下、本発明を図示の実施形態に基づいて詳細に説明する。

図1は、本発明の第１の実施形態に係るマスクレス露光装置の構成図である。
光源光学系１Ａは、波長が４０５ｎｍのレーザを出力する複数（ここでは１２８個）の青紫半導体レーザ１２Ａ等から構成され、１２８本のレーザ光１ａを出力する。なお、青紫半導体レーザ１２Ａから出力されるレーザ光１ａの波長は４０５ｎｍ±７ｎｍの範囲にばらつく。

次に、図2を参照しながら、光源光学系１Ａついてさらに詳しく説明する。
図2は、光源光学系１Ａの構成図であり、（ａ）はレーザ光１ａの進む方向から見た図、（ｂ）はレーザ光１ａの進む方向が紙面と平行になる方向から見た図である。

光源光学系１Ａは、２方向に整列させて配置された１２８個の青紫半導体レーザ１２Ａおよび非球面レンズ１３から構成されている。青紫半導体レーザ１２Ａは半導体レーザホルダ基板９０に保持されている。

青紫半導体レーザ１２Ａは波長４０５ｎｍ、出力６０ｍＷのレーザ光１ａを出射する。出射されたレーザ光１ａは発散光（ｘ方向発散角の半値全幅は約２２度、y方向の半値全幅は約８度。なお、同図（ａ）の上下方向がｘ、左右方向がｙである。）であるため、焦点距離の短い非球面レンズ１３により収束させて平行ビームにする。

１２８個の青紫半導体レーザ１２Ａから出射されるレーザ光１ａをそれぞれ平行ビームにすると共に互いに平行にする必要があるため、非球面レンズ１３は、図示を省略する微調整機構によりｘｙｚ方向に微動調整される。そして、非球面レンズ１３を光軸方向に移動させて各ビームを平行ビームにすると共に、光軸に対して直角２方向に移動させることにより各ビームを互いに平行にする。

しかし、非球面レンズ１３の微調整機構だけでは、１２８本のレーザ光１ａを平行ビームに調整しきれない。そこで、各青紫半導体レーザ１２Ａの光軸上に楔状のウェッジガラス２を設け、光軸を平行に調整しきれないものについては、ウェッジガラス２により微小にレーザ光１ａの光軸を傾け、総てのレーザ光１ａを数十秒以内の平行度に納める。

互いに平行になったレーザ光１ａはビーム径不変ビームピッチ縮小手段１４に垂直に入射する。

ビーム径不変ビームピッチ縮小手段１４は断面が平行四辺形のプリズム１４１を複数重ね、半導体レーザホルダ基板９０の中心に関して左右対称に配置したものである。なお、中心部は、いわゆる入れ子（それぞれを櫛歯状にして組み合わせた形状）に形成され、レーザ光１ａはプリズム１４１の内部だけを通るように構成されている。

以上の構成であるから、同図（ｂ）の一番下のレーザ光１ａに着目すると、レーザ光１ａはプリズム１４１のＡ１面で反射されて上に進みプリズム１４１ｃの左端Ｂ面で反射されて右方に向かう。下から２番目のレーザ光１ａは下から２番目のプリズム１４１で反射されて上に進み、プリズム１４１ｃの左端Ｂ面で反射されて右方に向かう。

この結果、青紫半導体レーザ１２Ａが半導体レーザホルダ基板９０上に、例えばｘｙ方向とも１２ｍｍピッチで並べられている場合、非球面レンズ１３でコリメートされたレーザ光１ａ（ｘ方向の径約４ｍｍ、ｙ方向の径約１．５ｍｍの楕円状強度分布を有している。）は、ｘｙ方向とも１２ｍｍピッチで並んだ状態でビーム径不変ビームピッチ縮小手段５４に入射し、ビーム径不変ビームピッチ縮小手段５４を通過後することによりビーム形状は変わらずにｘ方向に１ｍｍピッチで並ぶことになる。すなわち、同図（ａ）に示されているように、青紫半導体レーザ１２Ａの間隔が１２ｍｍであるのに対し、ビーム径不変ビームピッチ縮小手段５４を通過したレーザ光１ａのｘ方向の間隔は１ｍｍになる。

光源光学系１Ａから出力されたレーザ光１ａの光軸上には、波長選択ビームスプリッタ１１０、ミラー１００、長焦点レンズ３、ミラー４、ポリゴンミラー５、ｆθレンズ６、ミラー６２およびシリンドリカルレンズ６１が配置されている。

図3は、波長選択ビームスプリッタ１１０の光透過特性を示す特性図であり、横軸が波長、縦軸が透過率である。同図に示されているように、波長選択ビームスプリッタ１１０は、波長が４００ｎｍ以上の光はほぼ１００％透過させるが、波長が３９０ｎｍ未満の光はほぼ反射する。

長焦点レンズ３の焦点距離ｆは２０ｍであり、４群のレンズで構成されている。すなわち、球面系は第１群３１、第２群３２及び第３群３３からなり、第４群３４はシリンドリカルレンズから構成されている。なお、図では各群のレンズを1個のみ示しているが、色収差の補正並びに球面収差等の収差補正を行うため、実際には４枚以上の硝材の異なるレンズ玉から構成されている。

以上の構成であるから、光源光学系１Ａから出力された波長４０５ｎｍのレーザ光１ａは損失がほとんど無い状態で波長選択ビームスプリッタ１１０を透過し、ミラー１００を介して長焦点レンズ３に入射する。長焦点レンズ３から出射したレーザ光１ａはミラー４およびポリゴンミラー５を介してｆθレンズ６に入射する。ｆθレンズ６から出射したレーザ光１ａはミラー６２およびシリンドリカルレンズ６１を介して基板８上に入射（照射）する。

光源光学系１Ｂの構成は光源光学系１Ａと実質的に同じであるが、青紫半導体レーザ１２Ａの代わりに、波長が３７５ｎｍのレーザ光１ｂを出力する紫外線（ＵＶ）半導体レーザ１２Ｂが配置されている。そして、光源光学系１Ｂからはｘ方向の間隔が１ｍｍで互いに平行である１２８本のレーザ光１ｂが出力される。なお、紫外線半導体レーザ１２Ｂから出力されるレーザ光１ｂの波長は３７５ｎｍ±７ｎｍの範囲にばらつく。

光源光学系１Ｂは、出力されるレーザ光１ｂのそれぞれの光軸が波長選択ビームスプリッタ１１０を透過したレーザ光１ａの光軸と一致するように位置決めされている。

この結果、損失がほとんど無い状態で波長選択ビームスプリッタ１１０により反射されるレーザ光１ｂのそれぞれの光軸は波長選択ビームスプリッタ１１０を透過したレーザ光１ａの光軸と一致し、以下、レーザ光１ａと同じ経路を通り、基板８上に入射する。

制御装置９は、青紫半導体レーザ１２Ａおよび紫外線半導体レーザ１２Ｂのオンオフ、ポリゴンミラー５および基板８の図示を省略する移動手段を制御する。

ここで、それぞれのレーザ光の大きさ（スポット径）について説明する。
長焦点レンズ３を透過した１２８本のレーザ光１ａとレーザ光１ｂはｙ方向（走査方向）に約１０ｍｍの広がりを持つ平行光になっているが、これらを出射した青紫半導体レーザ１２Ａまたは紫外線半導体レーザ１２Ｂの半導体レーザホルダ基板９０上の位置に応じて、スポット配列の中心（長焦点レンズ３の光軸と同軸である）に対してΔθの角度がついている（なお、Δθは微小角度である。）。

また、ｘ方向（副走査方向）には図１の凸シリンドリカルレンズ３４の集光作用により、ミラー４で反射後ポリゴンミラー５上で集光し、集光位置は波長分離ビームスプリッタ１１０上のｘ方向のスポット位置に比例する。

波長分離ビームスプリッタ１１０上のスポット配列の中心から各スポットまでのｙ方向の距離をＬとすると、長焦点レンズ３の焦点距離ｆを用いて、上記のΔθは式１で表すことができる。

Δθ＝Ｌ／ｆ ・・・（式１）

ポリゴンミラー５上において走査方向（ｙ方向）に平行であるレーザ光１ａ、１ｂは、ｆθレンズ６により基板８上に集光される。

また、ｆθレンズ６とシリンドリカルレンズ６１を介してポリゴンミラー５の反射面と基板表面とが結像関係にある。したがって、ポリゴンミラー５上において副走査方向（ｘ方向）に集光するレーザ光１ａ、１ｂは、ポリゴンミラー５で反射後、色収差補正特性を備えるｆθレンズ６を透過し、ｘ方向に凸レンズ作用を備えるシリンドリカルレンズ６１の集光作用により、基板８上に集光される。

この結果、図４及び図５に示すように、基板８上には、直径が数十μｍ以下でほぼ円形のマルチスポットが図示の配列で結像される。

ここで、青紫半導体レーザ１２Ａと紫外線半導体レーザ１２Ｂとの配置方法について説明する。

図６は、青紫半導体レーザ１２Ａと紫外線半導体レーザ１２Ｂの配置説明図である。
上記図1の場合、同図（ａ）に示すように、波長選択ビームスプリッタ１１０を通過するレーザ光１ａと波長選択ビームスプリッタ１１０により反射されるレーザ光１ｂの光軸は同軸である。

したがって、青紫半導体レーザ１２Ａと紫外線半導体レーザ１２Ｂの総てがオンである場合（すなわち、青紫半導体レーザ１２Ａと紫外線半導体レーザ１２Ｂを同一の信号でオンオフする場合）、レーザ光１ａとレーザ光１ｂはそれぞれ基板８上の同一箇所に入射する。

なお、図中のｘ方向は副走査方向（基板８が移動する方向）であり、レーザ光１ａの配列ピッチＰｘは分解能Δに等しい。また、図中のｙ方向は走査方向（ポリゴンミラー５による走査方向であり、配列ピッチＰｙは描画パターンの分解能Δの整数倍である。

また、同図（ｂ）は、レーザ光１ａとレーザ光１ｂが波長選択ビームスプリッタ１１０上でｘ方向に距離ｋだけずらして配置されている。ここで、距離ｋはポリゴンミラーが１走査する間に基板８がｘ方向に移動する量に等しい。この場合も、レーザ光１ａとレーザ光１ｂは同一の箇所に照射されるが、ポリゴンミラーの１走査周期分ずれて露光されることになる。

このように時間をずらして露光すると、以下に示す効果がある。すなわち、波長の短い露光光では感光剤に吸光される割合が高い。したがって、例えば感光剤の厚さが厚い場合、波長の短い露光光は感光剤に吸光されてしまい底部まで届かない場合がある。このような場合、先に波長の長い露光光で露光することにより感光剤の底まで露光し、その後波長の短い露光光で感光剤の表面を露光すると、感光剤を表面から底まで満遍なく露光することが可能になる。

また、同図（ｃ）に示すように、同図（ｂ）に示す距離ｋを、ポリゴンミラーの１走査周期分の基板８がｘ方向に移動する量のｎ倍（ただし、ｎ≧２）に拡げても良い。

このように波長の異なる２つ以上の露光波長を用いて、感光剤に最適なタイミングで露光することができる。

なお、上記のように２波長のレーザ光の配列位置を一致させたりずらせたりするには例えば光源光学系１Ａ全体の位置を上下させても良いし、波長分離ビームスプリッタ１１０の間に２個のミラーを配置し、ミラーの角度や間隔を調整することによって望みのずれ量にしてもよい。

また複数波長のそれぞれの強度比が感光剤にとって最適になるように青紫半導体レーザ１２Ａおよび紫外線半導体レーザ１２Ｂの強度を波長毎に調整（消灯を含む）することにより、最適な分光強度比で露光するようにしてもよい。

図７は、本発明の第２の実施形態に係るマスクレス露光装置の構成図、図8は、光源光学系１Ｃの構成図であり、（ａ）はレーザ光の進む方向から見た図、（ｂ）はレーザ光の進む方向が紙面と平行になる方向から見た図であり、図1、2と同じもの又は同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。

上記実施例1では、1個の半導体レーザホルダ基板９０に青紫半導体レーザ１２Ａまたは紫外線半導体レーザ１２Ｂだけを保持させたが、この実施例では、1個の半導体レーザホルダ基板９０に８０個の青紫半導体レーザ１２Ａ（図中の白丸）と４８個の紫外線半導体レーザ１２Ｂ（図中の斜線付き丸）を混在させて保持させたものである。

このようにすると、波長分離ビームスプリッタ１１０を必要としないので、装置構成を簡単にすることができる。

この実施例の場合、ｙ方向に走査されながら、各青紫半導体レーザ１２Ａ又は紫外線半導体レーザ１２Ｂが点滅する。この結果、基板の任意の場所では５本のレーザ光１ａと３本のレーザ光１ｂで露光されることになる。

なお、1個の半導体レーザホルダ基板９０に保持させる青紫半導体レーザ１２Ａと紫外線半導体レーザ１２Ｂの比率は感光しようとする部材にとって最適になるように定めればよい。

また、感光剤の分光感度特性と露光パターンの幅、感光剤の厚さなどの条件から、レーザ光１ａとレーザ光１ｂの露光強度比がある範囲で決まる。このような場合には、使用する条件から最適露光強度比で露光することが望まれる。このため、使用する条件の範囲を最適に満たすようにあらかじめ青紫半導体レーザ１２Ａと紫外線半導体レーザ１２Ｂの数を決めるとともに、青紫半導体レーザ１２Ａと紫外線半導体レーザ１２Ｂの強度を変えることにより露光強度比を最適なものに定めると、さらに有効である。

図９は、本発明の第３の実施形態に係るマスクレス露光装置の構成図であり、図1、2と同じもの又は同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。

赤外光源７の内部には高出力の半導体赤外レーザが実装されている。赤外光源７には複数のファイバー束からなる光ファイバー７１の一方が接続されている。光ファイバー７１の他方の端部７２は、複数のファイバーが横方向に長く並ぶように（例えば横一列）構成され、ポリゴンミラー５で走査される範囲に対向する位置に位置決めされている。

以上の構成であるから、赤外光源７内部の半導体レーザから出射した赤外光は光ファイバー７１に入射し、出射端面７２から出射してポリゴンミラー５で走査される範囲を照明する。

このような構成にしておくことにより、パターン形成の露光光と同時あるいは前後して赤外光を照射することができるので、赤外光の働きにより、感度の高い露光を実現することができる。

また、出射端面７２位置を調整することにより、露光後０．数秒から数秒あとに照射するように構成することもできる。

図１０は、本発明の第４の実施形態に係るマスクレス露光装置の構成図であり、図1、2と同じもの又は同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。

光源光学系１Ａは、実施例１の場合と同様に、２方向に整列させて配置された複数の青紫半導体レーザ１２Ａと、図示を省略する後述のシリンドリカルレンズと、から構成されている。しかし、半導体レーザホルダ基板９０に保持される青紫半導体レーザ１２Ａの配列方向は実施例１の場合と異なり、碁盤目状に配列されている。

光源光学系１Ｂは、実施例１の場合と同様に、２方向に整列させて配置された複数の紫外線半導体レーザ１２Ｂが配置されている。しかし、半導体レーザホルダ基板９０に保持される紫外線半導体レーザ１２Ｂの配列方向は実施例１の場合と異なり、碁盤目状に配列されている。

青紫半導体レーザ１２Ａから出力されるレーザ光１ａの光軸上には、光学系１０１Ａ、集光レンズ１２０Ａ、波長選択ビームスプリッタ１１０、インテグレータ１３０、集光レンズ１４０、ミラー３０１、ＤＭＤ２００および投影レンズ３０１が配置されている。

また、紫外線半導体レーザ１２Ｂから出力されるレーザ光１ｂの光軸上には、光学系１０１、集光レンズ１２０Ｂが配置されている。

光源光学系１０１Ａ及び１０１Ｂは短焦点のシリンドリカルレンズアレイと長焦点のシリンドリカルレンズアレイを格子状に配置したものであり、青紫半導体レーザ１２Ａおよび紫外線半導体レーザ１２Ｂの光軸はそれぞれのシリンドリカルレンズアレイの稜線に直角に交差するように配置されている。

次に、この実施形態の動作を説明する。
青紫半導体レーザ１２Ａから出力されたレーザ光１ａは、光源光学系１０１Ａによりそれぞれの光軸が互いに平行なビームになりレンズ１２０Ａに入射する。そして、レンズ１２０Ａにより、レーザ光１ａそれぞれの光軸はインテグレータ１３０の入り口端部に集光するするように曲げられ、波長選択ビームスプリッタ１１０を透過する。

一方、紫外線半導体レーザ１２Ｂから出力されるレーザ光１ｂは、光源光学系１０１Ｂによりそれぞれの光軸が互いに平行なビームになりレンズ１２０Ｂに入射する。そして、レンズ１２０Ｂにより、レーザ光１ｂそれぞれの光軸はインテグレータ１３０の入り口端部に集光するするように曲げられ、波長選択ビームスプリッタ１１０により反射する。

以下、レーザ光１ａとレーザ光１ｂは同軸になり、インテグレータ１３０に入射する。インテグレータ１３０を出射したレーザ光１ａとレーザ光１ｂはレンズ１４０を透過し、ミラー３０１で反射された後、ＤＭＤ２００を一様な強度分布で照明する。ＤＭＤで反射した光は露光光に対して色補正された投影レンズ３０１により基板８上の領域１５１にＤＭＤに表示されたパターンを投影露光する。

この実施形態でも。上記の実施例と同様に、感光剤を用いて所望のパターンを両波長の光のバランスを最適化して良好なパターン形成が可能になる。

そして、この実施形態の場合も、光ファイバー７１の他方の端部７２から赤外線を出射させることにより、露光感度を実質的に向上させることができ、スループットの向上を図ることができる。

なお、端部７２から出射させる赤外線の照射領域は露光領域１５１よりやや広い領域１５２にするとよい。

また、上記実施例３，４において採用した赤外光は、感光剤を感光させない波長の光であれば、他の波長の光に代えてもよい。

また、上記各実施例では、レーザの波長を2種類としたが、さらに増しても良い。

また、レーザの波長を他の波長としてもよい。

本発明の第１の実施形態に係るマスクレス露光装置の構成図である。 本発明に係る光源光学系の構成図である。 波長選択ビームスプリッタの光透過特性を示す特性図である。 基板上に結像されるスポットの平面図である。 基板上に結像されるスポットの平面図である。 青紫半導体レーザと紫外線半導体レーザの配置説明図である。 本発明の第２の実施形態に係るマスクレス露光装置の構成図である。 本発明に係る光源光学系の構成図である。 本発明の第３の実施形態に係るマスクレス露光装置の構成図である。 本発明の第４の実施形態に係るマスクレス露光装置の構成図である。

符号の説明

１ａ レーザ光
１ｂ レーザ光
８ 基板
１２Ａ 青紫半導体レーザ
１２Ｂ 紫外線半導体レーザ

Claims (5)

1. 光源から出射された出射光とワークとを相対的に移動させ、前記出射光により前記ワークの所望の位置を露光するパターン露光方法において、
   波長が３６５nmまたは４０５nmの光に反応するレジストを用いて、
   出射光の波長が３７５±７nmの複数の半導体レーザと４０５±７nmの複数の半導体レーザからなる光源を用意しておき、
   前記光源をオンオフすることにより波長が異なる複数の光を前記ワークの同一点に照射する
   ことを特徴とするパターン露光方法。
2. 前記ワークの同一点を４個以上の異なる半導体レーザにより露光する
   ことを特徴とする請求項１に記載のパターン露光方法。
3. 前記出射光が照射する点に、前記ワークが露光されない波長の光を、前記出射光が照射される時点の前後数秒以内に照射する
   ことを特徴とする請求項１に記載のパターン露光方法。
4. 出射光の波長が３７５±７nmの複数の半導体レーザを２方向に配列したものと４０５±７nmの複数の半導体レーザを２方向に配列したものからなる光源と、
   各半導体レーザから出射した出射光のそれぞれを収束させて平行ビームにする焦点距離の短い複数の非球面レンズと、
   各平行ビームを互いに平行にするために各非球面レンズをＸ、Ｙ、Ｚ方向に微動調整する複数の微動調整機構と、
   断面が平行四辺形のプリズムを複数重ねたビーム径不変ビームピッチ縮小手段と、
   長焦点レンズと、
   ポリゴンミラーと、
   ｆθレンズと、
   前記光源をオンオフする開閉手段と、
   投影スポットと前記ワークを相対的に移動する移動手段と、
   当該相対的移動と前記光源のオンオフを同期させて制御する制御手段と、からなる
   ことを特徴とするパターン露光装置。
5. 前記ワークが露光されない波長の光を出射する光源を備える
   ことを特徴とする請求項４に記載のパターン露光装置。

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