JP4605146B2 - イオンビーム計測装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えばイオン注入装置等のイオンビームを用いる装置に用いられて、そのイオンビームのビーム電流を計測するイオンビーム計測装置に関する。

ファラデーカップと、ファラデーカップからの２次電子の逃げを防止するためにファラデーカップの入口近傍に配置されていて負のバイアス電圧が印加される抑制電極と、ファラデーカップからの２次電子の逃げを抑制するための磁界をファラデーカップ内に発生させる磁石とを有するイオンビーム計測装置が、特許文献１に記載されている。

特表２００４−５０９４３６号公報（段落００１１、００２６、００２７、図１）

上記従来のイオンビーム計測装置によれば、イオンビームが当たることによってファラデーカップから放出される２次電子の逃げを、負電圧が印加される抑制電極および磁界によって二重に抑制して、イオンビーム電流を正確に計測することができるはずであるが、上記イオンビーム計測装置に相当するイオンビーム計測装置によってイオンビーム電流を計測したところ、未だ比較的大きな計測誤差が生じることが分かった。

そこでこの発明は、イオンビーム電流の計測誤差を小さくして計測精度を高めることができるイオンビーム計測装置を提供することを主たる目的としている。

この発明に係るイオンビーム計測装置は、イオンビームのビーム電流を計測する装置であって、前記イオンビームを受け入れる入口を有するファラデーカップと、前記ファラデーカップの入口の直前に設けられていて接地電位を基準にして正のバイアス電圧が印加され、前記イオンビームが当たることによって前記ファラデーカップから放出される２次陽イオンが前記ファラデーカップ外へ逃げることを抑制すると共に、前記ファラデーカップの外部で発生した、前記イオンビームに比べて低エネルギーの陽イオンが前記ファラデーカップ内へ侵入することを抑制する抑制電極と、前記ファラデーカップの外側に設けられていて前記ファラデーカップ内に前記イオンビームの入射方向と交差する方向の磁界を作る磁石とを備えている。

従来のイオンビーム計測装置に相当するイオンビーム計測装置について詳細に検討したところ、イオンビーム電流の計測誤差の要因として次のものがあることを見出した。

（ａ）イオンビームが当たることによってファラデーカップから放出される２次陽イオンは、電子に比べて質量が遥かに大きくて磁界による閉じ込め作用が殆ど働かないだけでなく、負電圧が印加される抑制電極によってむしろ外部に引き出されてしまう。

（ｂ）ファラデーカップの外部で発生した、イオンビームに比べて低エネルギーの陽イオンは、負電圧が印加される抑制電極によってファラデーカップ内に引き込まれてしまう。

これに対してこの発明に係るイオンビーム計測装置によれば、次の作用の総合によって、イオンビーム電流の計測誤差を小さくして計測精度を高めることができる。

（ａ）イオンビームが当たることによってファラデーカップから放出される２次陽イオンは、ファラデーカップの入口の直前に設けられていて接地電位を基準にして正のバイアス電圧が印加される抑制電極によってファラデーカップ内へ押し戻されるので、外部への逃げを抑制することができる。

（ｂ）イオンビームが当たることによってファラデーカップから放出される２次電子は、ファラデーカップ内に作られる磁界に非常に小さなラーモア半径で捕捉（トラップ）されるので、外部への逃げを抑制することができる。

（ｃ）ファラデーカップの外部で発生した、イオンビームに比べて低エネルギーの陽イオンは、正のバイアス電圧が印加される前記抑制電極によって押し戻されるので、ファラデーカップ内への侵入を抑制することができる。

前記磁石は、前記ファラデーカップ内の実質的に全域に前記磁界を作るものが好ましい。

前記磁石は、前記抑制電極の上流側近傍にも前記方向の磁界を作るものであっても良い。

前記磁石は、前記イオンビームの入射方向に沿って配置されていて前記ファラデーカップを挟んで相対向している一対の磁極板と、前記ファラデーカップの下流側近傍に設けられていて前記一対の磁極板間に磁気的に結合されている永久磁石とを有していても良い。

前記磁石は電磁石であっても良い。

請求項１に記載の発明によれば、正のバイアス電圧が印加される抑制電極と磁石による磁界形成とを組み合わせたことによって、放出２次陽イオンおよび放出２次電子のファラデーカップ外への逃げの抑制をうまく両立させることができると共に、外部からの低エネルギー陽イオンのファラデーカップ内への侵入をも抑制することができるので、イオンビーム電流の計測誤差を小さくして計測精度を高めることができる。

請求項２に記載の発明によれば、ファラデーカップ内の様々な箇所から２次電子が放出されても、当該放出される２次電子をファラデーカップ内の実質的に全域において磁界によって捕捉することができるので、２次電子の外部への逃げをより効果的に抑制することができる、という更なる効果を奏する。

請求項３に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、ファラデーカップの外部で発生した電子についても、抑制電極の上流側近傍に作られる磁界によって捕捉することができるので、ファラデーカップ内への侵入を抑制することができる。従って、イオンビーム電流の計測誤差をより小さくして計測精度をより高めることができる。

請求項４に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、磁石が上記のような磁極板および永久磁石を有しているので、ファラデーカップを挟んで一対の永久磁石を設ける必要がなく、永久磁石の数を減らすことができる。また、磁極板は永久磁石に比べて薄いもので良いので、ファラデーカップを挟んで一対の永久磁石を設ける場合に比べて、イオンビーム計測装置全体の厚みを小さくすることができる。

請求項５に記載の発明によれば、磁石が電磁石であるので、磁界の強さの調整が容易である、という更なる効果を奏する。

図１は、この発明に係るイオンビーム計測装置の一実施形態を示す横断面図である。図２は、図１の線Ｇ−Ｇに沿う縦断面図である。

このイオンビーム計測装置２０は、一例として、イオンビーム２の進行方向をＺ方向とし、Ｚ方向と実質的に直交する面内において互いに実質的に直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とすると、Ｘ方向の走査を経て、またはＸ方向の走査を経ることなく、Ｘ方向の寸法がＹ方向の寸法よりも大きいリボン状（これはシート状または帯状とも呼ばれる）のイオンビーム２のビーム電流を計測するものである。但し、イオンビーム２の形状はこれに限られない。例えば、走査を経ることなく小さな断面形状（例えば丸または四角いスポット状）をしているものでも良い。なおこの明細書および図面では、イオンビーム２を構成するイオンは陽（正）イオンの場合を例に説明している。

このイオンビーム計測装置２０は、ファラデーカップ２２、抑制電極２６、磁石３０等を備えている。

ファラデーカップ２２は、イオンビーム２を受け入れる入口２４を有していて、入射したイオンビーム２を受け止めるものである。入口２４の反対側に後面２３を有している。ファラデーカップ２２は、この例では、Ｘ方向がＹ方向よりも長い有底四角筒状をしているが、これに限るものではない。例えば、有底円筒状をしていても良い。このファラデーカップ２２は、抑制電極２６、磁石３０および後述するケース４４とは、電流計５０を経由する以外は、電気的に絶縁されている。

ファラデーカップ２２は、例えば、それに流れるイオンビーム２のビーム電流Ｉ_B を計測する電流計５０を経由して電気的に接地（グラウンド）されている。

ファラデーカップ２２の材質は、例えば、カーボン（Ｃ）、シリコン（Ｓi ）、炭化シリコン（ＳiＣ）等が好ましい。これは、このイオンビーム計測装置２０を、シリコン基板にイオンビーム２を照射してイオン注入を行うイオン注入装置に用いる場合に、ファラデーカップ２２からのスパッタ粒子がシリコン基板に到達しても、コンタミネーション（不所望粒子による汚染）の問題が少ないからである。

抑制電極２６は、ファラデーカップ２２の入口２４の上流側近傍に設けられていて、例えば直流電源４８によって、接地電位を基準にして正のバイアス電圧Ｖ_B が印加される。この抑制電極２６は、磁石３０および後述するケース４４とは電気的に絶縁されている。

なおこの明細書において、上流側、下流側というのは、イオンビーム２の進行方向Ｚに関しての上流側、下流側の意味である。

抑制電極２６は、この実施形態では、ファラデーカップ２２の入口２４の形状に対応していて入口２４よりも若干大きい開口２７を有している。より具体的には、抑制電極２６はこの実施形態では、Ｘ方向がＹ方向よりも長い枠状をしている。但し抑制電極２６の形状は、このようなものに限られない。

抑制電極２６に印加する正のバイアス電圧Ｖ_B の大きさは、例えば、５０Ｖ〜１００Ｖ程度である。そのようにすると、開口２７内の電位は概ね２０Ｖ以上１００Ｖ未満となる。従って、イオンビーム２のエネルギーを、例えば、１００ｅＶ〜１００ｋｅＶとすると、イオンビーム２は、開口２７内の上記電位にあまり影響を受けずに、あるいは殆ど影響を受けずに、抑制電極２６を通過してファラデーカップ２２内に入射することができる。しかも、イオンビーム２が入射することによってファラデーカップ２２から放出される２次陽イオン４（図４参照）のエネルギーは、例えば、数ｅＶ〜２０ｅＶ程度であるので、当該２次陽イオン４を抑制電極２６の電界によって押し戻すことができる。

磁石３０は、ファラデーカップ２２の外側に設けられていて、ファラデーカップ２２内にイオンビーム２の入射方向（換言すればイオンビーム２の進行方向Ｚ）と交差する方向の磁界Ｂを作る（発生する）。即ちこの実施形態では、Ｙ方向に沿う方向の磁界Ｂを作る。この磁界Ｂの向きは、この実施形態では図２中の上から下向きであるが、これと逆向きでも良い。

磁石３０は、この実施形態では、ファラデーカップ２２内の実質的に全域に磁界Ｂを作る。

ファラデーカップ２２内に作る磁界Ｂの強さ（磁束密度）は、例えば、０．００５Ｔ〜０．０１５Ｔ程度である。この程度であれば、２次電子６（図５参照）の流出を十分に抑制することができる。しかも、イオンビーム２の軌道に与える影響も小さい。

磁石３０は、この実施形態では、イオンビーム２の入射方向に沿って（換言すればＸＺ平面に沿って）配置されていてファラデーカップ２２をＹ方向において挟んで相対向している一対の磁極板３４、３６と、ファラデーカップ２２の下流側（後方）近傍に設けられていて一対の磁極板３４、３６間に磁気的に結合されている板状の永久磁石３２とを有している。この実施形態では、この永久磁石３２のＹ方向における上側がＮ極、下側がＳ極であるが、磁界Ｂの向きを逆にするならば、これと逆の極性にしても良い。この実施形態では、磁極板３４、３６の後方端を永久磁石３２の磁極に当接させている。

磁極板３４、３６は、板状の強磁性体から成る。例えば鉄板である。磁石３０以外のものは、磁石３０がファラデーカップ２２内に作る磁界Ｂを乱さないようにするために、非磁性体で形成するのが好ましく、この実施形態ではそのようにしている。

磁石３０は、より具体的にはその磁極板３４、３６は、この実施形態では、平面的に見て、ファラデーカップ２２の全体をカバーしている。これによって、ファラデーカップ２２内の全域に磁界Ｂを作ることができる。なお、図面では図示を簡略化するために、磁界Ｂの一部のみを図示している。

更にこの実施形態では、磁石３０は、より具体的にはその磁極板３４、３６は、抑制電極２６の上流側近傍まで伸びていて抑制電極２６の上流側近傍までカバーしている。これによって、磁石３０は、抑制電極２６の上流側近傍にも上記方向の磁界Ｂを作ることができる。

上記ファラデーカップ２２、抑制電極２６および磁石３０は、この実施形態のように、導電性のケース４４内に収納しておくのが好ましい。ケース４４の前面４５は、イオンビーム２を通す入口４６を有しており、通過するイオンビーム２を整形するマスクを兼ねている。この入口４６は、ファラデーカップ２２の入口２４の形状に対応していてそれよりも若干小さい形状をしている。ケース４４は電気的に接地されている。このケース４４によって、その入口４６以外から荷電粒子がファラデーカップ２２等に入るのを防止することができる。

次に、上記イオンビーム計測装置２０の作用のシミュレーション結果を説明する。以下のシミュレーションでは、抑制電極２６に印加する正のバイアス電圧Ｖ_B を１００Ｖ、ファラデーカップ２２内の中央付近の磁界Ｂの強さを０．０１２Ｔ〜０．０１４Ｔ（これは場所によって若干の差があるからである）とした。

図３は、１０ｋｅＶのエネルギーを有するイオンビーム２を上記イオンビーム計測装置２０に入射させたときのシミュレーション結果である。イオンビーム２はファラデーカップ２２の後面２３に入射している。イオンビーム２の軌道は、磁界Ｂによってわずかに曲げられているが、特に支障はない。

図４は、ファラデーカップ２２の後面２３から２０ｅＶのエネルギーを有する２次陽イオン４を放出させたときのシミュレーション結果である。これは、イオンビーム２が後面２３に当たることによって放出される２次陽イオンを模擬したものである。この２次陽イオン４は、正のバイアス電圧Ｖ_B が印加される抑制電極２６によってファラデーカップ２２内へ押し戻されていることが分かる。従って、２次陽イオン４がファラデーカップ２２外へ逃げるのを抑制することができる。

図５は、ファラデーカップ２２の後面２３から２０ｅＶのエネルギーを有する２次電子６を放出させたときのシミュレーション結果である。これは、イオンビーム２が後面２３に当たることによって放出される２次電子を模擬したものである。この２次電子６は、ファラデーカップ２２内に作られる磁界Ｂに非常に小さなラーモア半径で巻き付いて捕捉されていることが分かる。即ち、後面２３から発生した２次電子６は非常に小さな半径で円軌道を描くので、すぐに後面２３に衝突する。仮に後面２３や他の壁面に衝突しないとしても、磁界Ｂに捕捉される。従って、２次電子６がファラデーカップ２２外へ逃げるのを抑制することができる。

磁界Ｂ中の荷電粒子のラーモア半径は、その質量に比例し、磁界Ｂの強さに反比例する。２次電子６の質量は非常に小さいので、そのラーモア半径も非常に小さくなる。

図６は、ファラデーカップ２２の外部で発生した、イオンビーム２に比べて低エネルギーの陽イオンの一例として、２０ｅＶのエネルギーを有する陽イオン８がイオンビーム計測装置２０内に向かったときのシミュレーション結果である。この陽イオン８は、正のバイアス電圧Ｖ_B が印加される抑制電極２６によって押し戻されていることが分かる。従って、陽イオン８がファラデーカップ２２内へ侵入するのを抑制することができる。

なお、イオンビーム２の周りには、通常、イオンビーム２と残留ガスとの衝突等によって電子や陽イオンが生成されて、プラズマが存在している。このプラズマはビームプラズマと呼ばれる。上記低エネルギーの陽イオン８は、例えば、このビームプラズマ中のものである。下記の電子１０も、例えば、このビームプラズマ中のものである。

図７は、ファラデーカップ２２の外部で発生した電子の一例として、２０ｅＶのエネルギーを有する電子１０がイオンビーム計測装置２０内に向かったときのシミュレーション結果である。この電子１０は、抑制電極２６の上流側近傍に作られる磁界Ｂに非常に小さなラーモア半径で巻き付いて捕捉されていることが分かる。即ち、上記電子１０は非常に小さな円軌道を描くだけであり、従って、電子１０がファラデーカップ２２内へ侵入するのを抑制することができる。

次に、比較例として、抑制電極２６に負のバイアス電圧Ｖ_B （−１００Ｖ）を印加し、それ以外は上記実施形態のイオンビーム計測装置２０と同条件にしたときのシミュレーション結果を説明する。但し以下においては、上記実施形態のイオンビーム計測装置２０と大きな違いがあるもののみを説明する。この比較例は、抑制電極２６の上流側近傍にも上記磁界Ｂを作っていることを除けば、上記特許文献１に記載されている技術に相当する。

図８は、図４に対応するものであるが、ファラデーカップ２２内で発生した２０ｅＶの２次陽イオン４は、抑制電極２６を通過してファラデーカップ２２外に流出していることが分かる。これは、２次陽イオン４は電子に比べて質量が遥かに大きいのでそのラーモア半径も電子の場合に比べて遥かに大きくて、磁界Ｂによる閉じ込め作用が殆ど働かないだけでなく、負電圧が印加される抑制電極２６によってむしろ外部に引き出されてしまうからである。これによって、イオンビーム電流の計測に誤差が生じる。

より具体例を数字を挙げて説明すると、ファラデーカップ２２に入射するイオンビーム２を構成するイオンの個数を１とすると、放出２次陽イオン４の個数は通常は０．０１〜０．１程度になる。比較例ではこの２次陽イオン４の大まかに約１００％が流出するので、計測誤差は大きめに見ると約１０％になる。ここで、計測誤差は、２次陽イオン４の発生率に流出率を掛けたものである。この計測誤差を、上記実施形態のイオンビーム計測装置２０では約０％にすることができる。

図９は、図６に対応するものであるが、外部からの２０ｅＶの陽イオン８は、抑制電極２６を通過してファラデーカップ２２内に流入していることが分かる。これは、当該陽イオン８は、負電圧が印加される抑制電極２６によってファラデーカップ２２内に引き込まれてしまうからである。これによっても、イオンビーム電流の計測に誤差が生じるので、計測誤差は更に大きくなる。この計測誤差をも、上記実施形態のイオンビーム計測装置２０では約０％にすることができる。

上記比較例から分かるように、ファラデーカップ２２内に磁界Ｂを形成しても、抑制電極２６に負のバイアス電圧Ｖ_B を印加したのでは、陽イオン（放出２次陽イオン４および外部からの陽イオン８）によって、イオンビーム電流の計測に誤差が生じる。

これに対して、上記実施形態のイオンビーム計測装置２０によれば、正のバイアス電圧Ｖ_B が印加される抑制電極２６と磁石３０による磁界Ｂの形成とを組み合わせたことによって、放出２次陽イオン４および放出２次電子６のファラデーカップ２２外への逃げの抑制をうまく両立させることができると共に、外部からの低エネルギー陽イオン８のファラデーカップ２２内への侵入をも抑制することができるので、イオンビーム電流の計測誤差を小さくして計測精度を高めることができる。

磁界Ｂの有無およびバイアス電圧Ｖ_B の極性を変えたときの作用効果の相違を表１にまとめて示す。

ケースＡは上記比較例に相当し、ケースＢは上記実施形態のイオンビーム計測装置２０に相当し、ケースＣは周知技術に相当する。ケースＢ、即ち上記実施形態のイオンビーム計測装置２０のみが、２次陽イオン４の流入抑制、２次電子６の流出抑制、低速（低エネルギー）陽イオン８の流入抑制および外部で発生した電子１０の流入抑制の全てを行うことができる。従って、最も、イオンビーム電流の計測誤差を小さくして計測精度を高めることができる。

また、上記実施形態のイオンビーム計測装置２０のように、ファラデーカップ２２内の実質的に全域に磁界Ｂを作るようにすると、ファラデーカップ２２内の様々な箇所から２次電子６が放出されても、当該放出される２次電子６をファラデーカップ２２内の実質的に全域において磁界Ｂによって捕捉することができるので、２次電子６の外部への逃げをより効果的に抑制することができる。

また、上記実施形態のイオンビーム計測装置２０のように、抑制電極２６の上流側近傍にも磁界Ｂを作るようにすると、ファラデーカップ２２の外部で発生した電子１０についても、抑制電極２６の上流側近傍に作られる磁界Ｂによって捕捉することができるので、ファラデーカップ２２内への侵入を抑制することができる。従って、イオンビーム電流の計測誤差をより小さくして計測精度をより高めることができる。

磁石３０の構成は、上記実施形態のものに限らない。例えば、磁石３０を、ファラデーカップ２２を挟んで相対向する一対の永久磁石で構成しても良い。しかし上記実施形態のように、磁石３０が上記のような磁極板３４、３６および永久磁石３２を有していると、ファラデーカップ２２を挟んで一対の永久磁石を設ける必要がないので、永久磁石の数を減らすことができる。また、磁極板３４、３６は永久磁石に比べて薄いもので良いので、ファラデーカップ２２を挟んで一対の永久磁石を設ける場合に比べて、イオンビーム計測装置２０全体の厚みを小さくすることができる。

なお、一つの磁石３０等に対して複数のファラデーカップ２２を設けても良い。その場合は、例えば、各ファラデーカップ２２の上流側近傍に抑制電極２６の開口２７およびケース４４の入口４６をそれぞれ設ければ良い。後述する他の実施形態においても同様である。

磁石３０は、上記実施形態のように永久磁石を用いて構成する代わりに、電磁石にしても良い。電磁石にした場合の実施形態を図１０、図１１に示す。以下においては、永久磁石を用いて構成した上記実施形態との相違点を主体に説明する。

このイオンビーム計測装置２０における磁石３０は、上記磁極板３４、３６に相当する位置付近に設けられた環状のコイル３８、４０を有している。即ち空心の電磁石である。両コイル３８、４０は、例えば、互いに直列接続されていて共通の直流電源４２によって励磁されて、前記と同様の磁界Ｂを作る。即ち、ファラデーカップ２２内および抑制電極２６の上流側近傍に、イオンビーム２の入射方向と交差する方向の磁界Ｂを作る。従って、図１および図２に示したイオンビーム計測装置２０と同様の作用効果を奏することができる。また、磁界Ｂの強さの調整が容易である。

両コイル３８、４０を互いに別の直流電源で励磁しても良い。また、二つのコイル３８、４０を設けるのが好ましいけれども、一つのコイルによって上記と同様の磁界Ｂを作るようにしても良い。また、磁石３０を、コイルおよび鉄心を有する電磁石にしても良い。

この発明に係るイオンビーム計測装置の一実施形態を示す横断面図である。 図１中の線Ｇ−Ｇに沿う縦断面図である。 図１に示すイオンビーム計測装置に入射するイオンビームの軌道をシミュレーションした結果の一例を示す図である。 図１に示すイオンビーム計測装置のファラデーカップから放出された２次陽イオンの軌道をシミュレーションした結果の一例を示す図である。 図１に示すイオンビーム計測装置のファラデーカップから放出された２次電子の軌道をシミュレーションした結果の一例を示す図である。 図１に示すイオンビーム計測装置に外部から入ろうとする低エネルギーの陽イオンの軌道をシミュレーションした結果の一例を示す図である。 図１に示すイオンビーム計測装置に外部から入ろうとする電子の軌道をシミュレーションした結果の一例を示す図である。 比較例として、抑制電極に負のバイアス電圧を印加している場合の、ファラデーカップから放出された２次陽イオンの軌道をシミュレーションした結果の一例を示す図である。 比較例として、抑制電極に負のバイアス電圧を印加している場合の、外部からの低エネルギーの陽イオンの軌道をシミュレーションした結果の一例を示す図である。 この発明に係るイオンビーム計測装置の他の実施形態を示す横断面図である。 図１０中の線Ｈ−Ｈに沿う縦断面図である。

符号の説明

２ イオンビーム
４ ２次陽イオン
６ ２次電子
８ 陽イオン
１０ 電子
２０ イオンビーム計測装置
２２ ファラデーカップ
２４ 入口
２６ 抑制電極
３０ 磁石
３２ 永久磁石
３４、３６ 磁極板
３８、４０ コイル
Ｂ 磁界

Claims (5)

1. イオンビームのビーム電流を計測する装置であって、
   前記イオンビームを受け入れる入口を有するファラデーカップと、
   前記ファラデーカップの入口の直前に設けられていて接地電位を基準にして正のバイアス電圧が印加され、前記イオンビームが当たることによって前記ファラデーカップから放出される２次陽イオンが前記ファラデーカップ外へ逃げることを抑制すると共に、前記ファラデーカップの外部で発生した、前記イオンビームに比べて低エネルギーの陽イオンが前記ファラデーカップ内へ侵入することを抑制する抑制電極と、
   前記ファラデーカップの外側に設けられていて前記ファラデーカップ内に前記イオンビームの入射方向と交差する方向の磁界を作る磁石とを備えているイオンビーム計測装置。
2. 前記磁石は、前記ファラデーカップ内の実質的に全域に前記磁界を作るものである請求項１記載のイオンビーム計測装置。
3. 前記磁石は、前記抑制電極の上流側近傍にも前記方向の磁界を作るものである請求項１または２記載のイオンビーム計測装置。
4. 前記磁石は、前記イオンビームの入射方向に沿って配置されていて前記ファラデーカップを挟んで相対向している一対の磁極板と、前記ファラデーカップの下流側近傍に設けられていて前記一対の磁極板間に磁気的に結合されている永久磁石とを有している請求項１、２または３記載のイオンビーム計測装置。
5. 前記磁石は電磁石である請求項１、２または３記載のイオンビーム計測装置。

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