JP4761502B2 - 層間絶縁膜のドライエッチング方法 - Google Patents

Description

本発明は、層間絶縁膜をドライエッチングする方法及びエッチング装置に関し、特に、ＡｒＦフォトリソグラフィ法を用いて形成したレジストマスクによって覆われた層間絶縁膜をドライエッチングしてホール、トレンチを微細加工する層間絶縁膜のドライエッチング方法及びエッチング装置に関する。

近年、ＬＳＩの高集積化及び高速化に伴って、半導体素子の微細化と多層化とが進んでいる。この場合のフォトリソグラフィ法としては、ＡｒＦフォトリソグラフィ法に代表されるように、波長の短いレーザ（例えば、エキシマレーザー）を用いたものが利用され、微細なパターニングでもってレジストマスクが形成される。このようなレジストマスクで覆われた層間絶縁膜をドライエッチングして、配線用のホール、トレンチなどを微細加工する場合には、深さ方向に均一なエッチング形状を得るという高い加工精度が要求されている。この場合、異方性を高めるために、所定のエッチングガスをプラズマ雰囲気中で導入してエッチングを行うことが知られている（特許文献１）。

ところで、ＡｒＦフォトリソグラフィ法で用いられるレジスト材として、真空紫外光領域において感度をもたせるために、ベンゼン環を有さない化合物で構成したものを用いることが提案されている（非特許文献１）。この種のレジスト材の場合、波長の短いレーザを用いて微細なパターニングを行うと、それに伴ってレジストマスクが脆弱化すると共に、他のフォトリソグラフィ法で用いられるものと比較してプラズマ耐性が低い。

このため、プラズマ雰囲気中でエッチングを行うと、プラズマに曝されることでダメージを受けて、レジストマスクのうちパターニングされた領域のエッジ部にエッジ荒れが生じる（レジストマスクの形状が変形する）。このような状態でエッチングを継続すると、その形状が層間絶縁膜に形成しようとするホール、トレンチに転写されてストリエーション（Striation)が発生するという問題があった。この場合、高いエッチング加工精度の要求を満たすことができない。

このような問題を解決するために、フロロカーボンガスを含有する混合ガスを用い、この混合ガスを、低圧のプラズマ雰囲気中で導入して、ＡｒＦフォトリソグラフィ法を用いて形成したレジストマスクによって覆われた層間絶縁膜をドライエッチングすることが提案されている（特許文献２）。
特開平１１−３１６７８号公報（例えば、特許請求の範囲の記載参照） 特願２００４−５６９６２号（例えば、特許請求の範囲の記載参照） Koji Nozaki and Ei Yano, FUJITSU Sei.Tech. J., 38,1 P3-12(June 2002)

しかしながら、低圧で所定の混合ガスを導入してドライエッチングすればストリエーションの発生が抑制できて高いエッチング加工精度が得られるものの、所定圧力（例えば０．１３３Ｐａ）より低い圧力下で安定放電を得ることができるエッチング装置が限定され、汎用性に乏しい。

そこで、本発明の課題は、上記点に鑑み、ストリエーションの発生を抑制して高いエッチング加工精度が得られる層間絶縁膜のドライエッチング方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の層間絶縁膜のドライエッチング方法は、ＡｒＦフォトリソグラフィ法を用いて形成したレジストマスクによって覆われたＳｉＯ_２層間絶縁膜を、エッチングガスとして、Ｃ_３Ｆ_７Ｉガス、Ａｒ及び酸素を導入しつつ、エッチャントのＦ原子数密度の減少したプラズマ雰囲気中で、レジストマスクのパターニングされた領域のエッジ部の荒れを抑制してドライエッチングし、ストリエーションの発生を抑制しながらホール、トレンチを微細加工することを特徴とする。

本発明によれば、エッチングガスとして、安定な化合物を形成すると共にそれ自体Ｓｉに対するエッチャントとしての機能を有するＩ及びＢｒの少なくとも一方を含有するフッ化炭素化合物ガスを用いることで、エッチング時の作動圧力に依存することなく、プラズマ雰囲気中のＦ原子数密度を減少させて、レジストマスクにダメージを与えることを軽減して、ストリエーションの発生を抑制できる。この場合、Ｉ及びＢｒの少なくとも一方を、原子組成比でハロゲンの総量の２６％を超えて含有していると、エッチング速度の低下や所望の形状でのエッチングができない等の不具合がある。

前記フッ化炭素化合物ガスは、ヨウ素化フッ化炭素化合物ガス及び臭素化フッ化炭素化合物ガスのいずれか一方、またはこれらの混合ガスであることが好ましい。

この場合、前記ヨウ素化フッ化炭素化合物ガスは、ＣＦ_３Ｉ、Ｃ_２Ｆ_５Ｉ、Ｃ_３Ｆ_７Ｉ、Ｃ_３Ｆ_６Ｉ_２の中から選択された少なくとも一種、または前記ヨウ素化フッ化炭素化合物ガスとＨＩ若しくはＨＢｒとから選択された二種以上を含有する混合ガスとすればよい。

また、前記臭素化フッ化炭素化合物ガスは、ＣＦ_３Ｂｒ、Ｃ_２Ｆ_５Ｂｒ、Ｃ_３Ｆ_７Ｂｒ、Ｃ_３Ｆ_６Ｂｒ_２の中から選択された少なくとも一種、または前記臭素化フッ化炭素化合物ガスとＨＩ若しくはＨＢｒとから選択された二種以上を含有する混合ガスとすればよい。

尚、前記エッチングガスは、ＣＦ_４とＣ_２Ｆ_４Ｉ_２またはＣ_２Ｆ_４Ｂｒ_２との混合ガスとしてもよい。

前記エッチングガスは、ＨＩ及びＨＢｒの少なくとも一方と過フッ化炭素化合物との混合ガスとしてもよい。

前記エッチングガスは、ＣＦ_３Ｉと過フッ化炭素化合物との混合ガスとしてもよい。

前記エッチングガスは、ＣＦ_３Ｂｒと過フッ化炭素化合物との混合ガスとしてもよい。

ここで、エッチングによる反応生成物のデポジションの量を調節してエッチングしたホール、トレンチが埋まってしまうのを防止するために、前記エッチングガスに、このエッチングガスの総流量に対して３〜１５％の範囲で酸素を添加しておけばよい。この場合、３％未満では、上記効果を達成することができず、また、デポジションの量を調節することができなくなる。他方で、１５％を超えると、ＡｒＦレジストがダメージを受けてエッチングされてしまう。

以上に説明したように、本発明の層間絶縁膜のドライエッチング方法は、ストリエーションの発生を抑制して高いエッチング加工精度が得られるという効果を奏する。

図１を参照して説明すれば、１は、本発明の層間絶縁膜をドライエッチングして、配線用のホール、トレンチなどを微細加工するエッチング装置である。エッチング装置１は、磁場ゼロを含む領域に発生させた放電プラズマ（NLDプラズマ）を用いるものであり、ドライポンプまたはロータリーポンプやターボ分子ポンプなどの真空排気手段１２を設けたチャンバ１１を有する。

チャンバ１１は、石英のような誘電体製の円筒状側壁１３により形成されたその上部のプラズマ発生室１１ａと下部の基板処理室１１ｂから構成されている。円筒状側壁１３の外側には、三つの磁場コイル１４、１５、１６が所定の間隔を置いて設けられ、磁場発生手段を構成する。三つの磁場コイル１４、１５、１６は、その外側を上下から囲むように高透磁率材料製のヨーク部材１７に取付けられている。この場合、上側及び下側の各磁場コイル１４、１６には、同方向の電流を流し、中間のコイル１５には逆向きの電流を流すようにしている。これにより、中間のコイル１５のレベル付近に円筒状側壁１３の内側に連続した磁場ゼロの位置ができ、環状磁気中性線が形成される。

環状磁気中性線の大きさは、上側及び下側の各コイル１４、１６に流す電流と中間のコイル１５に流す電流との比を変えることで適宜設定でき、環状磁気中性線の上下方向の位置は、上側及び下側の各磁場コイル１４、１６に流す電流の比によって適宜設定できる。また、中間のコイル１５に流す電流を増していくと、環状磁気中性線の径は小さくなり、同時に磁場ゼロの位置での磁場の勾配も緩やかになってゆく。中間のコイル１５と円筒状側壁１３との間には、高周波電場発生用のアンテナ１８が設けられ、高周波電源１９に接続され、磁場発生手段を構成する。そして、三つの磁場コイル１４、１５、１６によって形成された環状磁気中性線に沿ってＮＬＤプラズマを発生させる。

環状磁気中性線の作る面と対向させて基板処理室１１ｂ内には、処理基板Ｓが載置される基板載置部である断面円形の基板電極２０が絶縁体２０ａを介して設けられている。この基板電極２０は、コンデンサー２１を介して第２高周波電源２２に接続され、電位的に浮遊電極となって負のバイアス電位となる。

また、プラズマ発生室１１ａを区画する天板２３は、円筒状側壁の上部に密封固着され、電位的に浮遊状態とし対向電極を形成する。この天板の内面には、チャンバ１１内にエッチングガスを導入するガス導入手段２４が設けられ、このガス導入手段２４が、ガス流量制御手段（図示せず）を介してガス源に接続されている。

上記エッチング装置１を用いて、配線用のホール、トレンチが微細加工される層間絶縁膜としては、ＳｉＯ_２などの酸化物膜、ＨＳＱやＭＳＱのようにスピンコートによって形成されたＳｉＯＣＨ系材料、或いはＣＶＤによって形成されるＳｉＯＣ系材料で比誘電率１．５〜３．０のＬｏｗ−ｋ材料であり、多孔質材料を含む。

ＳｉＯＣＨ系材料としては、例えば、商品名NCS／触媒化成工業社製、商品名ＬＫＤ５１０９ｒ５／ＪＳＲ社製、商品名HSG−７０００／日立化成社製、商品名HOSP／Honeywell Electric Materials社製、商品名Nanoglass／Honeywell Electric Materials社製、商品名OCD T−１２／東京応化社製、商品名OCD T−３２／東京応化社製、商品名IPS２．４／触媒化成工業社製、商品名IPS２．２／触媒化成工業社製、商品名ALCAP−S５１００／旭化成社製、商品名ＩＳＭ／ＵＬＶＡＣ社製等がある。

ＳｉＯＣ系材料としては、例えば、商品名Aurola２．７／日本ＡＳＭ社製、商品名Aurola２．４／日本ＡＳＭ社製、商品名Orion２．７／TRIKON社製、商品名Coral／Novellf社製、商品名Black Diamond／AMAT社製等がある。また、商品名SiLK／Dow Chemical社製、商品名Porous-SiLK／Dow Chemical社製、商品名FLARE／Honeywell Electric Materials社製、商品名 Porous FLARE／Honeywell Electric Materials社製、商品名 GX‐3P／Honeywell Electric Materials社製等などの有機系の低誘電率層間絶縁膜であってもよい。

層間絶縁膜上には、この層間絶縁膜に配線用のホール、トレンチを微細加工するために、フォトリソグラフィ法を用いて、所定のパターニングでもってレジストマスクが形成される。フォトリソグラフィ法としては、ＬＳＩの高集積化及び高速化に伴う半導体素子の微細化と多層化とに対応すべく、ＡｒＦフォトリソグラフィ法が用いられる。ＡｒＦフォトリソグラフィ法用のレジスト材としては、例えば、真空紫外光用ＵＶ−６／Ｓｈｉｐｌｅｙ社製がある。

ところで、ＡｒＦフォトリソグラフィ法で用いられるレジスト材としては、真空紫外光領域において感度をもたせるために、ベンゼン環を有さない化合物で構成する場合がある。この種のレジスト材は、波長の短いレーザを用いて微細なパターニングを行うと、それに伴ってレジストマスクが脆弱化すると共に、他のフォトリソグラフィ法で用いられるものと比較してプラズマ耐性が低い。

ここで、従来の層間絶縁膜のドライエッチング方法、即ち、例えば誘導結合方式（ＩＣＰプラズマ）のエッチング装置（図示せず）を用い、１〜３Ｐａの作動圧力下で、フロロカーボンガス（ＣｘＦｙ）を含有するエッチングガスをプラズマ雰囲気中で導入してエッチングを行うと（この場合のＡｒプラズマ密度は〜１×１０^１１ｃｍ^−３である。）、図２に示すように、プラズマに曝されることでダメージを受けて、レジストマスク３１のうちパターニングされた領域のエッジ部３２にエッジ荒れ３３が生じる（レジストマスク３１の形状が変形する）。このような状態でエッチングを継続すると、その形状が層間絶縁膜３４に形成しようとするホール、トレンチ３５に転写されてストリエーション３６が発生し、高いエッチング加工精度の要求を満たすことができない。

上述したストリエーション３６の発生は、一般に、プラズマ雰囲気中でのエッチング時のイオンによるダメージであると認識されていた。このような認識に基づくと、低圧高密度プラズマである上記ＮＬＤプラズマのエッチング装置１で層間絶縁膜のエッチングを行った場合にも、以下の理由からストリエーションが発生すると考えられる。

即ち、ＮＬＤプラズマのエッチング装置１では、通常、エッチング条件が０．３〜０．７Ｐａの作動圧力下で、アンテナ１８に接続された高周波電源１９の出力が１〜１．５ＫＷ、第２高周波電源２２の出力（バイアスパワー）が０．２〜０．６ＫＷに設定され、このときのＡｒプラズマ密度が〜１×１０^１１ｃｍ^−３である。この場合、作動圧力を従来法より低く設定しているため、プラズマ密度は低下するが、エッチング装置１では、効率の良い環状磁気中性線放電プラズマになるため、プラズマ密度の低下量は少ない。

このため、エッチング装置１におけるイオン電流密度は、ストリエーションの発生を抑制できないＩＣＰプラズマのエッチング装置のものと殆ど同一であり、また、第２高周波電源２２の出力を０．３ＫＷに設定した場合のイオンエネルギーは、〜１ＫｅＶになっており、レジストマスク３１への高エネルギーイオンの衝突は起こっている。従って、ＮＬＤプラズマのエッチング装置１で層間絶縁膜のエッチングを行った場合、ストリエーションが発生すると考えられる。

ところで、ＩＣＰプラズマのエッチング装置を用いる場合であっても、作動圧力を所定値まで低く設定することで、ストリエーションの発生が抑制できる現象が見出されている。これは、作動圧力を低く設定することで、中性分解種（原子、分子、ラジカル）の物理量が減少したことに起因する。この場合、ＣｘＦｙガスを分解して発生する分解種にはＦ、ＣＦ、ＣＦ_２、ＣＦ_３等があるが、この中で分子ラジカルは主に重合前駆体としての働きはあるものの、レジストマスク３１に対するエッチング物質としての働きは低い。このことから、有機物質との反応性が高いＦ原子がレジストマスク３１のＣ＝Ｏ基や他の官能基と反応し、レジストマスク３１をより脆弱化させる。従って、ラジカル反応によって起こるレジストマスク３１の脆弱化が起こる。

他方、多孔質Ｌｏｗ−ｋ膜のドライエッチングにおいて、エッチングガスとしてＣ_３Ｆ_７Ｉを用い、低圧かつ高密度プラズマのエッチング条件の下では、レジストマスクのエッチング速度が低下して対レジスト選択比が向上する現象が見出されている。レジストマスクのエッチング速度が減少するのは、レジストマスクのエッチャントであるＦラジカルが気相中においてＩと反応し、ＩＦ_３、ＩＦ_５、ＩＦ_７等を形成するためである。

以上に説明したことを考慮すると、ＩＣＰプラズマのエッチング装置を用い、作動圧力を低く設定することでレジストマスクのストリエーションの発生が抑制できるのは、ラジカル種の中でもレジストのエッチャントであるＦ原子密度の減少のためである。そして、ヨウ素原子を含むガスを用いると、Ｆ原子のスキャベンジが起こってレジストのエッチング速度が低下する。これらのことから、ストリエーションの発生を抑制するには、Ｆ原子数密度をＩやその他の方法によって捕捉し安定な化合物にして減少させることが重要である。

上記点に鑑み、Ｆ原子との反応により安定して化合物を形成し、かつ、エッチング機構そのものに大きな影響を与えない化合物として、Ｈ、Ｂｒ、Ｉ、Ｘｅを含有するものをエッチングガスとして利用すればよい。ここで、Ｈは、Ｆと高速反応しＨＦを形成すると共に、有機化合物とも反応することから制御が困難である。また、Ｘｅは、Ｆとエキサイテッドタイマーを形成し、その結合力が弱く、また、高価であるため実用性に乏しい。それに対して、ＢｒやＩは、ＩＦ_３、ＩＦ_５、ＩＦ_７Ｂ、ＢｒＦ_３、ＢｒＦ_５等の安定な化合物を形成する上に、それ自体Ｓｉに対するエッチャントとしての機能を有し、エッチング反応をそのものを阻害する働きもない。

そこで、本実施の形態では、エッチングガスとして、ハロゲン系ガス（ハロゲンは、Ｆ、Ｉ、Ｂｒ）であって、Ｉ及びＢｒの少なくとも一方が、原子組成比でハロゲンの総量の２６％以下で、残りがＦであるフッ化炭素化合物ガス、特に、ヨウ素化フッ化炭素化合物ガス及び臭素化フッ化炭素化合物ガスのいずれか一方、またはこれらの混合ガスを用いることとした。

ヨウ素化フッ化炭素化合物ガス及び臭素化フッ化炭素化合物ガスは、Ｃ_ｎ（Ｈａｌ）_２ｎ＋２（式中、ｎ＝１〜３）のガス、好ましくは、ＣＦ_３Ｉ、ＣＦ_３Ｂｒ、Ｃ_２Ｆ_５Ｉ、Ｃ_２Ｆ_５Ｂｒ、Ｃ_３Ｆ_７Ｉ、Ｃ_３Ｆ_７Ｂｒ、Ｃ_３Ｆ_６Ｉ_２、Ｃ_３Ｆ_６Ｂｒ_２の中から選択された少なくとも１種、またはこれらのフッ化炭素化合物ガスとＨＩ若しくはＢｒとから選択された二種以上を含有する混合ガスであることが好ましい。尚、ｎの数が３を超えると、エッチングの際にチャンバー１１が汚染される等の不具合が生じ、実用的でない。

また、Ｃ_２Ｆ_４Ｉ_２などのヨウ素化フッ化炭素化合物ガスやＣ_２Ｆ_４Ｂｒ_２などの臭素化フッ化炭素化合物ガスも用いることができ、この場合、原子組成比でハロゲンの総量の２６％以下になるように、ＣＦ_４ガスなどを添加して利用される。

また、エッチングガスは、ＨＩ及びＨＢｒの少なくとも一方と、テトラフルオロエチレンのような過フッ化炭素化合物（Ｃ_ｎ（Ｈａｌ）_２ｎ（式中、ｎ＝１〜３））ガスとの混合ガスであってもよく、エッチングガスとして、ＣＦ_３Ｉと過フッ化炭素化合物との混合ガス、ＣＦ_３Ｂｒと過フッ化炭素化合物との混合ガスを用いてもよい。

これにより、チャンバ１１のエッチング時の圧力に依存することなく、プラズマ雰囲気中のＦ原子数密度を減少させて、レジストマスクにダメージを与えることを軽減して、ストリエーションの発生が抑制できる。この場合、Ｉ及びＢｒの少なくとも一方を、原子組成比でハロゲンの総量の２６％を超えて含有していると、エッチング速度の低下や所望の形状でのエッチングができない等の不具合がある。

また、上記フッ化炭素化合物ガスには、エッチングによる反応生成物のデポジションの量を調節してエッチングしたホール、トレンチが埋まってしまうのを防止するために、少量の酸素を添加することが好ましい。

この場合、酸素の添加量は、チャンバ１１に導入するガスの総流量の３〜１５％、好ましくは３〜１０％、より好ましくは４〜７％の範囲に設定される。３％未満では、上記効果を達成することができず、また、デポジションの量を調節することができなくなる。他方で、１５％を超えると、ＡｒＦレジストがダメージを受けてエッチングされてしまう。
［参考例１］

本参考例１では、層間絶縁膜としてＳｉＯ_２を用い、スピンコータを使用して処理基板上に、１０００ｎｍの膜厚で形成した。そして、この層間絶縁膜上に、スピンコータによりレジスト材を塗布し、ＡｒＦフォトリソグラフ法で所定のパターンニングを行ってレジストマスクを形成した。この場合、レジスト材としては、真空紫外光用ＵＶ−６を用い、厚さを５００ｎｍとした。

次に、図１に示すＮＬＤプラズマのエッチング装置１を用いて、Ａｒと、エッチングガスであるＣ_３Ｆ_７Ｉを用い、これを２．６７Ｐａの作動圧力下で真空チャンバ１１内に導入して上記層間絶縁膜をエッチングしてホールを形成した。この場合、Ａｒの流量を２３０sccm、Ｃ_３Ｆ_７Ｉの流量を５０sccm、酸素の流量を２０sccmに設定した。また、プラズマ発生用高周波アンテナコイル１８に接続した高周波電源１９の出力を１ＫＷ、基板電極２１に接続した高周波電源２２の出力を０．３ＫＷ、基板設定温度１０℃に設定した。
（比較例１）

本比較例１では、上記参考例１と同じ条件で層間絶縁膜およびレジストマスクを形成すると共に、図１に示すＮＬＤエッチング装置１を用いて、上記参考例１と同じ条件で層間絶縁膜をエッチングした。この場合、エッチングガスとして、Ｃ_３Ｆ_７Ｉに代えてＣ_３Ｆ_８を用いた。

図３及び図４は、参考例１及び比較例１の条件で層間絶縁膜をエッチングしたときのＳＥＭ写真である。これによれば、比較例１のものでは、エッチングによってレジストマスクのうちパターニングされた領域のエッジ部にエッジ荒れが生じ、ホールにストリエーションが発生していることが確認された（図４（ｂ）及び（ｃ）。それに対して、参考例１では、エッジ部でのエッジ荒れが抑制され、ストリエーションの発生が抑制されていることが判る（（図３（ｂ）及び（ｃ）参照）。

尚、上記参考例１と同じ条件で層間絶縁膜及びレジストマスクを形成すると共に、図１に示すエッチング装置１を用いて、上記参考例１と同じ条件で層間絶縁膜をエッチングしたが、チャンバ１１の圧力は０．６７Ｐａに設定した。この場合、エッチング速度が若干速くなり、ストリエーションの発生が抑制できた。また、Ｉの代わりに、Ｂｒを用いても同じ結果が得られた。

ところで、ＮＬＤエッチング装置では、弱い磁場が印加でき、１Ｐａ以下で効率の良いＮＬＤプラズマを形成することができるものの、１Ｐａ以上では電子の平均自由工程が短くなり、ＮＬＤプラズマにはならず、ＩＣＰプラズマが形成されるようになる。従って、上記参考例１は、ＮＬＤエッチング装置１を用いたものであるが、１Ｐａ以上なので磁場の効果が無くなって磁場ゼロと同じプラズマが形成される。このため、ＩＣＰプラズマを形成したものと同じになり、本発明の効果はエッチング装置構造に依存するものではなく、プラズマ密度とガス組成に依存する。その結果、プラズマ密度として１０^１０〜１０^１１ｃｍ^−３のプラズマが形成され、ＡｒＦレジストマスクにより覆われた層間絶縁膜であれば、同様な効果が得られることは原理的に明らかである。

本発明の層間絶縁膜のエッチング方法を実施するエッチング装置を概略的に示す図。 ストリエーションの発生を概略的に説明する図。 （ａ）乃至（ｃ）は、参考例１により層間絶縁膜をエッチングしたときのＳＥＭ写真。 （ａ）乃至（ｃ）は、比較例１により層間絶縁膜をエッチングしたときのＳＥＭ写真。

符号の説明

１ エッチング装置
１１ チャンバ
１１ａ プラズマ発生室
１１ｂ 基板電極室
３１ レジストマスク
３２ エッジ部
３３ エッジ荒れ
３４ 層間絶縁膜
３５ ホール、トレンチ
３６ ストリエーション
Ｓ 処理基板

Claims (2)

1. ＡｒＦフォトリソグラフィ法を用いて形成したレジストマスクによって覆われたＳｉＯ_２層間絶縁膜を、エッチングガスとして、Ｃ_３Ｆ_７Ｉガス、Ａｒ及び酸素を導入しつつ、エッチャントのＦ原子数密度の減少したプラズマ雰囲気中で、レジストマスクのパターニングされた領域のエッジ部の荒れを抑制してドライエッチングし、ストリエーションの発生を抑制しながらホール、トレンチを微細加工することを特徴とする層間絶縁膜のドライエッチング方法。
2. 前記酸素が、エッチングガスの総流量に対して３〜１５％の範囲の量で添加されることを特徴とする請求項１に記載の層間絶縁膜のドライエッチング方法。

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