JP4773347B2 - 成膜装置及びその成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、物理蒸着法及び化学蒸着法により薄膜、特に金属化合物膜を形成する成膜装置及びこれを用いた成膜方法に関する。

従来、スパッタリング法によって金属化合物膜を形成する方法として、スパッタ雰囲気中に反応ガス（例えば酸素、窒素、フッ素ガス等）を導入する反応性スパッタ法が知られている。この方法によって、バルクと同じ組成を有する金属化合物膜を形成する場合、反応性に富む反応ガスの分圧を高くする必要があるが、未反応の反応ガスがターゲット表面と反応して化合物を形成し、成膜速度が著しく低下するという問題がある。

この問題を解決するため、基板に対してスパッタリング処理を行って薄膜を形成するスパッタ手段と、そのスパッタ手段によって形成された薄膜に反応ガスを照射して化合物膜を形成する照射手段とを仕切り板を挟んで隣接させて設け、スパッタ手段による薄膜形成工程と照射手段による反応工程とを繰り返し行うスパッタリング成膜装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、真空チャンバ内に、基板を外周に保持して回転する円筒状の回転ドラムと、この回転ドラムの回転位置がスパッタリング位置にあるときに回転ドラムに保持されている基板に対してスパッタリング処理を行うスパッタ手段と、回転ドラムの回転位置が反応位置にあるときに基板に対して反応ガスを照射する照射手段とを設けたスパッタリング成膜装置も提案されている（例えば、特許文献２及び特許文献３参照。）。
これらの装置では、基板に対して反応ガスを照射する照射手段にイオンガン及びＤＣプラズマを使用している。
特公平３−５７１８５号（特許第１６９４０８４号）公報 特公平８−１９５１８号（特許２１１６３２２号）公報 特許２６９５５１４号公報

しかし、上記スパッタ手段と照射手段とを隣接させて設けた装置では、反応ガスの流量が大きいと、照射手段による反応領域側の反応ガスが容易に仕切り板を越えてスパッタ手段による成膜領域に回り込んでしまい、スパッタ手段のターゲット表面と反応して成膜速度が低下してしまう。一方、反応ガスの流速が小さいと、基板上の薄膜と反応ガスとの反応速度が遅くなり、やはり実用上十分な成膜速度を確保することが困難である。

また、上記真空チャンバ内に回転ドラム、スパッタ手段及び照射手段を設けた装置では、スパッタ手段と照射手段との物理的距離を確保できるが、反応ガスの分圧を高くするためには、スパッタ手段による成膜領域と照射手段による反応領域とを仕切るコンダクタンス部材を設けたり、排気系を追加したりする等、雰囲気分離を積極的に実施する必要がある。そのため、装置の製造コストが高くなるといった問題がある。

また、これらの装置では、基板に対して反応ガスを照射する照射手段にイオンガン及びＤＣプラズマを使用しているが、これらのものは、構造が複雑でメンテナンス性に劣ると共に、照射面積の大面積化が困難であり、また、電極材料のコンタミネーションや異常放電が生じやすいといった問題がある。
さらに、これらの装置で基板上の薄膜を効率よく反応させるためには、放電のプラズマ密度を向上させることが必要になるが、プラズマ密度を向上させるために放電圧力を上げると、反応ガスが成膜領域に拡散してしまい、ターゲット表面と反応して化合物を形成し、成膜速度が著しく低下するという問題がある。

そこで本発明は、このような問題点に鑑み、良好な特性を有する金属化合物膜をより速い成膜速度で形成でき、且つ簡単に低コストで構成できる成膜装置を提供すること、及び、その成膜装置によって良好な特性を有する金属化合物膜をより速い成膜速度で形成する成膜方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、真空チャンバと、前記真空チャンバ内に設置され、基板を外周に保持して回転する円筒状の回転ドラムと、前記回転ドラムの外周面に対向して設置され、対向する位置の前記基板に薄膜を形成する成膜手段と、前記回転ドラムの外周面に対向して設置され、対向する位置の前記基板に反応ガスをプラズマ化して照射するプラズマ照射手段とを備え、前記プラズマ照射手段は、前記真空チャンバの壁面が外側に突出して構成される直方体形状の反応領域に設置され、前記成膜手段が設置された薄膜形成領域と、前記反応領域の雰囲気が分離され、前記反応領域の前記真空チャンバの内面が誘電体板で覆われ、前記プラズマ照射手段が、マイクロ波によって反応ガスをプラズマ化する構成を有している。

また、請求項２に記載の発明は、プラズマ照射手段が、真空チャンバ外のマイクロ波発生源と、真空チャンバに設けられたホーン及びアンテナのいずれかを有し、マイクロ波発生源で発生させたマイクロ波をホーン及びアンテナのいずれかを介して真空チャンバ内に導入し、そのマイクロ波によって反応ガスをプラズマ化することを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、プラズマ照射手段が、真空チャンバ外のマイクロ波発生源と、真空チャンバに設けられた誘電体の真空窓とを有し、マイクロ波発生源で発生させたマイクロ波を真空窓を介して真空チャンバ内に導入し、そのマイクロ波によって反応ガスをプラズマ化することを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の発明は、プラズマ照射手段のプラズマを発生する領域に磁界を形成する磁界形成手段を備え、その磁界形成手段は、強度が８７．５ｍＴである磁界をシート状及びカスプ状のいずれかに形成し、その磁界によって電子サイクロトロン共鳴プラズマを発生させることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、成膜手段が、スパッタリング手段、蒸着手段及び化学蒸着手段のいずれかである構成を有している。

また、本発明の成膜方法のうち請求項６に記載の発明は、真空チャンバ内で、基板を保持した回転ドラムを回転させ、この保持された基板が成膜手段と対向する位置にて前記基板に薄膜を形成する薄膜形成工程と、前記真空チャンバの対応する内面が誘電体板で覆われた反応領域と前記基板とが対向する位置にてプラズマ化された反応ガスを照射して前記基板上の薄膜と反応させる反応工程とを備え、前記反応領域は前記真空チャンバの壁面が外側に突出して構成される直方体形状に形成され前記反応領域では、マイクロ波によって反応ガスをプラズマ化し、前記薄膜形成工程が行われる薄膜形成領域と、前記反応領域の雰囲気が分離され、前記薄膜形成工程と前記反応工程とを繰り返し行う構成を有している。

また、請求項７に記載の発明は、上記構成に加え、反応工程が、プラズマ照射手段よって反応ガスがプラズマ化される領域に、強度が８７．５ｍＴである磁界をシート状及びカスプ状のいずれかに形成し、その磁界よって電子サイクロトロン共鳴プラズマを発生させる工程を含むことを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、真空チャンバに誘電体の真空窓が設けられており、反応工程が、真空窓からマイクロ波を導入して、表面波プラズマを発生させる工程を含むことを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、プラズマ照射手段が、反応ガスをプラズマ化してイオン及びラジカルのいずれか、或いは両方を発生させることを特徴とする。
請求項１０記載の発明は、成膜手段がスパッタリング手段、蒸着手段及び化学蒸着手段のいずれかである構成を有している。

本発明の成膜装置によれば、プラズマ照射手段によって反応ガスがプラズマ化される領域に面する真空チャンバの内面が誘電体で覆われているので、プラズマ化した反応ガスの失活が大幅に低減され、また、拡散するプラズマと真空チャンバの内面との電気的な相互作用も低減されるという効果を有する。
そのため、真空チャンバの内面に何の処理も施さない場合と比して、低い圧力での安定した放電を維持することができ、スパッタ手段による成膜領域と照射手段による反応領域とを雰囲気分離することができる。
したがって、簡単に低コストで装置を構成することができると共に、良好な特性を有する金属化合物膜をより速い成膜速度で形成できる。

また、プラズマ照射手段が、マイクロ波によって反応ガスをプラズマ化するようにすれば、従来のイオンガンやＤＣプラズマを用いた装置と比して、低圧で高密度のプラズマを生成することが可能となる。そのため、スパッタ手段による成膜領域と照射手段による反応領域とを雰囲気分離することができ、簡単に低コストで装置を構成することができると共に、良好な特性を有する金属化合物膜をより速い成膜速度で形成できる。
この場合、プラズマ照射手段は、真空チャンバ外のマイクロ波発生源と、真空チャンバに設けられたホーンまたはアンテナとを有し、マイクロ波発生源で発生させたマイクロ波をホーンまたはアンテナを介して真空チャンバ内に導入し、そのマイクロ波によって反応ガスをプラズマ化するようにしても良い。

また、プラズマ照射手段によって反応ガスがプラズマ化される領域に磁界を形成する磁界形成手段を設け、その磁界形成手段が、強度が８７．５ｍＴである磁界をシート状またはカスプ状に形成し、その磁界によって電子サイクロトロン共鳴プラズマを発生させるようにしても良い。

また、プラズマ照射手段は、真空チャンバ外のマイクロ波発生源と、真空チャンバに設けられた誘電体の真空窓とを有し、マイクロ波発生源で発生させたマイクロ波を真空窓を介して真空チャンバ内に導入し、そのマイクロ波によって反応ガスをプラズマ化するようにしても良い。

また本発明の成膜方法では、基板上に薄膜形成後、マイクロ波により反応ガスをプラズマ化して活性化後、その活性種の失活を大幅に低減されたプラズマを照射して基板上の薄膜と反応させるので、良好な特性を有する例えば金属化合物膜をより速い成膜速度で形成することができるという効果を有する。

［図１］本発明の実施形態に係る成膜装置の（ａ）概略平面図、及び（ｂ）概略側面図
［図２］本発明の他の実施形態に係る成膜装置の（ａ）概略平面図、及び（ｂ）概略側面図
［図３］比較例の成膜装置の（ａ）概略平面図、及び（ｂ）概略側面図

符号の説明

２ 真空チャンバ
３ 基板
５ 回転ドラム
６ スパッタカソード
７ スパッタリングターゲット
９ 成膜領域
１１ 反応領域
１２ アンテナ
１４ 酸化領域
１５ 誘電体板
１６ 磁気回路
１７ 反応ガス導入管
１８ 真空排気口

本発明の成膜装置は、真空チャンバと、真空チャンバ内に設置され、基板を外周に保持して回転する円筒状の回転ドラムと、回転ドラムの外周面に対向して設置され、対向する位置の基板に薄膜を形成する成膜手段と、回転ドラムの外周面に対向して設置され、対向する位置の基板に反応ガスをプラズマ化して照射するプラズマ照射手段とを備え、プラズマ照射手段がプラズマを発生する領域の上記真空チャンバの内面、誘電体で覆われているものである。
成膜手段は、物理蒸着法及び化学蒸着法によるものが適用可能である。物理蒸着としては、真空蒸着、スパッタリング及びイオンプレーティングが適用可能である。
プラズマ照射手段は、マイクロ波、特にＥＣＲにより発生するプラズマを照射するのが好ましい。

以下、スパッタリング装置を例に挙げ本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
図１（ａ）、（ｂ）を参照して、１は、本発明に係るカルーセル式スパッタリング成膜装置を示す。
このスパッタリング成膜装置１は、真空チャンバ２を備えており、その真空チャンバ２内の略中央部に、基板３を外周に保持した状態で回転軸４を中心に回転する円筒状の回転ドラム５が設けられている。

真空チャンバ１の内周面には、スパッタカソード（スパッタ手段）６が２箇所、回転軸４に関して対称な位置にそれぞれ設けられており、これらスパッタカソード６は、図示しない外部交流電源に接続されている。また、スパッタカソード６上にはスパッタリングターゲット７がセットされている。
真空チャンバ１内周面の、スパッタカソード６が設けられている部分の近傍には、回転ドラム５の外周近傍まで延びる防着板８が設けられている。この防着板８によって、真空チャンバ１内の空間が分割され、スパッタ手段による成膜領域９が構成される。
この成膜領域９は、真空チャンバ１を貫通して設けられているスパッタガス導入管１０によって真空チャンバ１外と連通しており、このスパッタガス導入管１０を介して、外部の図示しないスパッタガス源から成膜領域９にスパッタガスが供給される。このスパッタガス導入管１０とガス源との間にはガスの流量調整が可能なコンダクタンスバルブが設けられている。

２つのスパッタカソード６が設けられている箇所の中間位置には、真空チャンバ１の壁面が外側に突出して構成される直方体形状の反応領域１１が設けられている。
この反応領域１１を囲う真空チャンバ１にはマイクロ波アンテナ（プラズマ照射手段）１２が設けられており、このマイクロ波アンテナ１２は、真空チャンバ１外の導入窓１３及び導波管１４を介して図示しないマイクロ波発生源と接続されている。
これにより、マイクロ波発生源で発生したマイクロ波は、導波管１４から導入窓１３を介して伝播され、マイクロ波アンテナ１２によって反応領域１１内に導入される。この反応領域１１を囲う真空チャンバ１の内面は、誘電体板１５で被覆されている。

また、反応領域１１を囲う真空チャンバ１の外周面には電子サイクロトロン共鳴（以下、ＥＣＲという。）プラズマ発生用の磁気回路（磁界形成手段）１６が付設されており、この磁気回路１６によって、マイクロ波放電用の静磁場を発生させる。具体的には、磁気回路１６は、強度が８７．５ｍＴの磁界が磁気回路１６表面から３０ｍｍの高さに平面状に発生し、基板と平行な磁界が形成されるように調節される。

なお、上記マイクロ波アンテナ１２は、図１（ａ）において左右の磁気回路１６に挟まれた領域と干渉しない位置に設置されている。
また、この反応領域１１は、真空チャンバ１を貫通して設けられている反応ガス導入管１７によって真空チャンバ１外と連通しており、この反応ガス導入管１７を介して、外部の図示しない反応ガス源から反応領域１１に反応ガスが供給される。この反応ガス導入管１７とガス源との間にはガスの流量調整が可能なコンダクタンスバルブが設けられている。
真空チャンバ１の回転軸４を挟んで反応領域１１と対向する位置には、図示しない真空排気系に接続される真空排気口１８が設けられている。これにより、真空チャンバ１内の排気を行う。

このような構成の本実施形態では、スパッタリングにより基板上に金属薄膜を形成し、回転ドラムの回転により基板をプラズマを発生させる反応領域に搬送し、反応領域で反応ガスをプラズマ化して活性化するが、その反応ガスがプラズマ化される反応領域に面する真空チャンバの内面が誘電体で覆われているので、プラズマ化した反応ガスの失活を大幅に低減することができる。
したがって、活性種の失活を大幅に低減されたプラズマを基板上に形成された薄膜に照射するので、良好な特性を有する金属化合物をより速い成膜速度で得ることができる。

次に、上述した構成からなる本実施形態を用いた成膜方法について説明する。
本実施形態に係る成膜方法は、真空チャンバ内で、基板を保持した回転ドラムを回転させて基板を順次搬送し、基板が成膜手段と対向する位置にて基板に薄膜を形成する薄膜形成工程と、真空チャンバの内面が誘電体で覆われたプラズマ照射領域と基板とが対向する位置にてプラズマ化された反応ガスを照射して基板上の薄膜を反応させる反応工程とを備え、成膜工程と反応工程を順次繰り返し行うことができるものである。
ここで成膜手段はスパッタリングであるが、これに限らず、例えば真空蒸着及びイオンプレーティングなどの物理蒸着手段、さらにプラズマＣＶＤなどの化学蒸着手段も適用可能である。

図１（ａ）を参照して、先ず、このスパッタリング成膜装置１で成膜処理を行う場合、基板３を回転ドラム５の外周上に保持させると共に、所定のスパッタリングターゲット７をスパッタカソード６上にセットする。
次に、真空排気口１８を介して真空排気系によって真空チャンバ１内を排気すると共に、スパッタガス導入管１０からスパッタガスを、反応ガス導入管１７から反応ガスを、それぞれ真空チャンバ１内に導入する。これにより、真空チャンバ１内が所定の圧力状態とされる。
次いで、装置１内の２つのスパッタカソード６のうち、一方のスパッタカソード６にのみ電圧を印加する。また、磁気回路１６により磁場発生を行うと共に、マイクロ波アンテナ１２からマイクロ波を導入し、反応ガス導入管１７から導入される反応ガスをプラズマ化して反応領域１１をプラズマ雰囲気にする。

この状態で回転ドラム５を回転させると、回転ドラム５の回転位置がスパッタリング位置、すなわち、回転ドラム５に保持されている基板３が電源が印加されているスパッタカソード６側の成膜領域９内に存在する位置にくる。
このとき、スパッタガス導入管１０からのスパッタガスによってスパッタカソード６上のスパッタリングターゲット７がスパッタされ、回転ドラム５に保持されている基板３に薄膜が形成される（薄膜形成工程）。
さらに回転ドラム５を回転させると、回転ドラム５の回転位置がスパッタリング位置を離脱して反応位置、すなわち、回転ドラム５に保持されている基板３が反応領域１１内に存在する位置にくる。
このとき、マイクロ波アンテナ１２からのマイクロ波でプラズマ化された反応ガスが、薄膜形成工程で基板３に形成された薄膜と反応し、化合物膜が形成される（反応工程）。
このとき、反応領域１１に面する真空チャンバ１の内面が誘電体板１５で覆われているので、プラズマ化した反応ガスの失活が大幅に低減され、また、拡散するプラズマと真空チャンバ１の内面との電気的な相互作用も低減される。

そのため、真空チャンバ１の内面に何の処理も施さない場合と比して、低い圧力で安定した放電を維持することができ、成膜領域９と反応領域１１との雰囲気分離を容易に行うことができる。
そして、回転ドラム５を回転させ続けることにより、薄膜形成工程と反応工程とを交互に複数回繰り返し、所望の化合物膜を得る。
このように本実施形態の成膜方法では、基板上に薄膜形成後、マイクロ波により反応ガスをプラズマ化して活性化後、その活性種の失活を大幅に低減されたプラズマを照射して基板上の薄膜と反応させるので、良好な特性を有する例えば金属化合物膜をより速い成膜速度で形成することができる。

なお、本実施形態では、マイクロ波アンテナ１２を介してマイクロ波を真空チャンバ１内に導入しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、マイクロ波アンテナ１２に代えてホーンを用いてマイクロ波を真空チャンバ１内に導入しても良い。あるいは、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、真空チャンバ１に誘電体で形成された、表面波プラズマ発生用の真空窓２０を設け、この真空窓２０を介して図示しないマイクロ波発生源で発生させたマイクロ波を真空チャンバ内に導入しても良い。
また、本実施形態のスパッタリング装置は、種々の化合物膜、例えば、酸化膜や窒化膜、フッ化膜等に適用可能であり、この場合、所望の化合物膜に応じて反応ガスを選択する。
なお、本発明は上記実施形態のものに限定されるものではなく、必要に応じて種々変更することが可能である。

図１に示す成膜装置において、基板３としてガラス基板３を回転ドラム５にセットすると共に、スパッタリングターゲット７としてＴａターゲット７をセットし、図示しない真空排気系によって真空排気口１８から排気を行い、真空チャンバ１内の圧力を５×１０^−５Ｐａに到達させた。そして、この状態でスパッタガス導入管１０から流量３０ｓｃｃｍでアルゴンガスを導入すると共に、反応ガス導入管１７から流量１００ｓｃｃｍで酸素ガスを導入し、真空チャンバ１内の圧力状態を０．３Ｐａとした。

さらに、回転ドラム５を２００ｒｐｍで回転させると共に、マイクロ波アンテナ１２を介して１ｋＷのマイクロ波を導入した。
そして、２箇所のスパッタカソード６のうち一方のスパッタカソード６に対して、外部交流電源により４０ｋＨｚ、５ｋＷの交流電力を印加した。
この状態で、成膜を６０分間連続して行った。これにより得られた膜を分析したところ、ＴａとＯの化学量論比が２：５であり、アモルファス構造である事がわかった。また、膜中に不純物は検出されず、可視光領域における膜の光学特性を測定したところ、屈折率が２．１４、消衰計数が２×１０^−５と、良好な光学薄膜を得ることができた。

図２に示す成膜装置に置いて、実施例１と同じ成膜条件で成膜を行った膜を分析したところ、実施例１と同等の良好な光学薄膜を得ることができた。
［比較例］
図３に示すスパッタリング成膜装置３０は、図１に示したスパッタリング成膜装置１の構成から、誘電体板１５を除いたものである。このスパッタリング成膜装置３０で、実施例１と同じ成膜条件で成膜を行った。これにより得られた膜を分析したところ、消衰計数が９×１０^−５と、実施例１で得られた光学薄膜よりも著しく光学特性が劣る膜であった。

本発明の成膜装置及びその成膜方法は、発生させたブラズマの活性種の失活を大幅に低減することができるので、プラズマを発生させて成膜に利用する成膜装置及びその成膜方法に有用である。

Claims (10)

1. 真空チャンバと、
   前記真空チャンバ内に設置され、基板を外周に保持して回転する円筒状の回転ドラムと、
   前記回転ドラムの外周面に対向して設置され、対向する位置の前記基板に薄膜を形成する成膜手段と、
   前記回転ドラムの外周面に対向して設置され、対向する位置の前記基板に反応ガスをプラズマ化して照射するプラズマ照射手段とを備え、
   前記プラズマ照射手段は、前記真空チャンバの壁面が外側に突出して構成される直方体形状の反応領域に設置され、
   前記成膜手段が設置された薄膜形成領域と、前記反応領域の雰囲気が分離され、
   前記反応領域の前記真空チャンバの内面が誘電体板で覆われ、
   前記プラズマ照射手段が、マイクロ波によって反応ガスをプラズマ化する成膜装置。
2. 前記プラズマ照射手段が、前記真空チャンバ外のマイクロ波発生源と、前記真空チャンバに設けられたホーン及びアンテナのいずれかを有し、前記マイクロ波発生源で発生させたマイクロ波をホーン及びアンテナのいずれかを介して前記真空チャンバ内に導入し、そのマイクロ波によって反応ガスをプラズマ化することを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記プラズマ照射手段が、真空チャンバ外のマイクロ波発生源と、真空チャンバに設けられた誘電体の真空窓とを有し、マイクロ波発生源で発生させたマイクロ波を真空窓を介して真空チャンバ内に導入し、そのマイクロ波によって反応ガスをプラズマ化することを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
4. 前記プラズマ照射手段の前記プラズマを発生する領域に磁界を形成する磁界形成手段を備え、その磁界形成手段は、強度が８７．５ｍＴである磁界をシート状及びカスプ状のいずれかに形成し、その磁界によって電子サイクロトロン共鳴プラズマを発生させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の成膜装置。
5. 前記成膜手段が、スパッタリング手段、蒸着手段及び化学蒸着手段のいずれかである請求項１〜４の何れか１項に記載の成膜装置。
6. 真空チャンバ内で、基板を保持した回転ドラムを回転させ、この保持された基板が成膜手段と対向する位置にて前記基板に薄膜を形成する薄膜形成工程と、
   前記真空チャンバの対応する内面が誘電体板で覆われた反応領域と、前記基板とが対向する位置にてプラズマ化された反応ガスを照射して前記基板上の薄膜と反応させる反応工程とを備え、
   前記反応領域は前記真空チャンバの壁面が外側に突出して構成される直方体形状に形成され前記反応領域では、マイクロ波によって反応ガスをプラズマ化し、
   前記薄膜形成工程が行われる薄膜形成領域と、前記反応領域の雰囲気が分離され、
   前記薄膜形成工程と前記反応工程とを繰り返し行う成膜方法。
7. 前記反応工程は、前記反応領域に、強度が８７．５ｍＴである磁界をシート状及びカスプ状のいずれかに形成し、その磁界によって電子サイクロトロン共鳴プラズマを発生させる工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の成膜方法。
8. 前記真空チャンバには誘電体の真空窓が設けられており、前記反応工程が、その真空窓からマイクロ波を導入して、表面波プラズマを発生させる工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の成膜方法。
9. 前記反応領域において、反応ガスをプラズマ化してイオン及びラジカルのいずれか、或いは両方を発生させることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の成膜方法。
10. 前記成膜手段が、スパッタリング手段、蒸着手段及び化学蒸着手段のいずれかである請求項６〜９のいずれか１項に記載の成膜方法。

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