JP5544789B2 - 無端状パターンの製造方法、樹脂パターン成形品の製造方法、無端状モールド、及び光学素子 - Google Patents
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Description
また、本発明の第二の課題は、前記SOG無端状モールドをナノインプリントの型として用いる樹脂パターン成形品の製造方法を提供することである。
更に、本発明の第三の課題は、これらの製造方法によって得られるSOG無端状モールド及び光学素子を提供することである。
前記SOGレジスト液膜を有するアルミニウム基板を加熱してSOGレジストを焼成する工程と、
前記焼成後、SOGレジストを有するアルミニウム基板を冷却する工程と、
前記冷却後、SOGレジストを有するアルミニウム基板を回転方向に回転させる工程と、
前記基板上のSOGレジストに電子ビーム又はイオンビームを照射する工程と、
前記照射により又は前記照射後の現像により、前記SOGレジストの一部を除去する工程と、
を有する無端状パターンの製造方法。
押し付けた前記無端状モールドと前記樹脂とを剥離する工程と、
を有する樹脂パターン成形品の製造方法。
本発明のSOG(Spin-On-Grass)の無端状パターンの製造方法は、少なくとも以下の工程を有する。
(1)円周方向において無端のアルミニウム基板上に、SOGレジスト液膜を付与する工程、
(2)SOGレジスト液膜を有するアルミニウム基板を加熱してSOGレジストを焼成する工程、
(3)焼成後、SOGレジストを有するアルミニウム基板を冷却する工程、
(4)冷却後、SOGレジストを有するアルミニウム基板を回転方向に回転させる工程、
(5)基板上のSOGレジストに電子ビーム又はイオンビームを照射する工程と、
(6)照射により又は前記照射後の現像により、前記SOGレジストの一部を除去する工程。
本発明において、基板は、円周方向において連続した無端の形状であれば、芯部を有する円柱状の基板、芯部を有さない円筒状の基板のいずれであってもよい。また、断面形状は、円、楕円、多角形などいずれであってもよく、形成されたパターン形成品の用途に応じて適宜選択できる。
以下、便宜上、本発明の基板を「円筒状基板」と称して説明する場合があるが、以降の「円筒状基板」は、「円柱状基板」、「断面が楕円形の基板」、及び「断面が多角形の基板」など適宜様々な形状の基板に読み替えられるものとする。
また、前記平滑加工の容易さの観点から、無端状の基板の断面形状は、真円度が高いことが好ましい。また、得られた無端状モールドをロール転写に用いる際においても、高い真円度を有する基板は、被転写体にムラなく接触させるのに好適である。よって、本発明における基板は、円筒状又は円柱状であることが好ましい。
前記円筒状基板上に、SOGレジストを付与する。
SOGとしては、従来一般的に知られているものが適用可能であり、例えば、シリケート(Silicate)、水素化シロキサン(Hydrogen Siloxane)、Ladder Hydrogen Silsesquioxane、水素化シルセスキオキサン(Hydrogen Silsesqioxane:HSQ)、水素化アルキルシルセスキオキサン(Hydrogen Alkylsilsesquioxane:HOSP)、メチルシロキサン(Methyl Siloxane)、Ladder Methyl Silsesquioxaneなどが挙げられる。
また、レジスト液膜形成工程と後述の焼成工程(PB)の操作を繰り返すことが、レジスト膜の膜厚のばらつきを抑える観点から望ましい。
形成されたレジスト液膜は、焼成又は半焼成(PB:Pre Bake)して、一定量の溶媒を除去し、レジストの密着性、感度、形状を安定化させることが好ましい。PBの加熱温度や加熱時間は、レジストや溶媒の種類によって好適な範囲が異なるので適宜決定する。一般には、加熱温度や加熱時間を変えてパターンを形成し、アスペクト比が高くなるようなPBの条件を決定する。
なお、レジストの膜厚の均一性の観点からは、昇温速度を20℃/分以下とすることが望ましく、15℃/分以下とすることがより望ましい。一方、厚いレジスト膜を形成する場合には、昇温速度を20℃/分より速く40℃/分以下とすることが望ましい。
上記焼成後、SOGレジストを有するアルミニウム基板を冷却する。冷却速度は、−1℃/分以上−100℃/分以下であることが望ましく、−2℃/分以上−50℃/分以下であることがより望ましい。
本発明においては、(4A)前記基板を回転方向に回転させながら、前記SOGレジストに電子ビーム又はイオンビームを照射する方法であっても(以下「連続照射方法」と称する場合がある)、或いは(4B)電子ビーム又はイオンビームの照射時に前記基板を回転させず、特定面のビーム照射を終えた後に基板を回転させ、パターンが連続するように更に別の面をビーム照射する方法(以下「継ぎ照射方法」と称する場合がある)であってもよい。パターンの継ぎ目を生じさせないようにするには、前記(4A)の連続照射方法が好適である。
本発明においてパターンの描画に用いられるビームは、電子ビーム及びイオンビームである。
イオンビームには、ガリウム、アルゴン、ヘリウム、シリコンなどのイオンを用いることができる。
電子ビーム及びイオンビームは、集束したビーム、シャワー状のビームを制限アパーチュアーで局所的に照射できるように加工したビーム、マルチビーム源によるもの等いずれであってもよい。
ビーム径は、1nm以上1000nm以下であることが微細加工の点から望ましく、1nm以上200nm以下であることがより望ましい。
図1では、前記(4A)の連続照射方法における電子ビーム又はイオンビームの照射方法を説明する。図1は、円筒状基板を斜視的に観察した模式図である。
本発明では、X軸を円筒状基板100の軸方向とし、Y軸を円筒状基板100の半径方向と定義する。円筒状基板100をR方向に回転させながら、ビームBをX軸(1軸)方向に走査して照射すれば、円筒状基板全面に描画が可能となる。
また、照射したビームの二次電子を利用して見かけの感度を向上させる観点からは、+側の照射角度で照射することが好ましい。更に、後方散乱を利用して見かけの感度を向上させる観点からは、−30°以上0°未満、又は0°より大きく+30°以下であることがより好適である。
加速電圧が低い場合、レジストに入射した電子はすぐに広がるが、加速電圧が高い場合は、固体中に深く進入してから広がる。この電子線が入射方向に広がるのを、前方散乱と呼び、散乱を繰り返した結果、入射方向に対して横方向に広がったり入射方向に戻ったりする散乱を、後方散乱と呼ぶ。後方散乱は、入射した電子の反射や、入射した電子がレジストを構成する分子に衝突してイオン化して二次電子を発生させ、この二次電子の散乱によって生じる。
図5に示すように、連続照射方法では三次元的な加工も可能である。
まず、図7(a)に示すように、電子ビーム又はイオンビームの照射時に基板を回転させず、特定面のビーム照射を行なう。特定面とは、基板を回転させずにビーム走査により照射できる基板円周面の領域をいう。次に、照射を止めて、照射位置に未照射の基板表面が配置するよう基板を回転させる(図7(b))。この状態でビーム照射を行なう(図7(c))。その後、図7(d)(e)のように、ビーム照射と基板の回転の操作を繰り返して、基板の円周面全面を照射する。
なお、継ぎ照射方法においては、特定面の照射で描画されたパターンと、次に照射されて描画されたパターンとが繋がるように、パターンの継ぎ目部分では重複照射することが望ましい。
照射されたレジスト膜は、前記ビーム照射によって或いは現像液によってその一部が除去される。ネガ型のレジスト膜は、ビーム照射部分が残存し、未照射部分は除去される。ポジ型のレジスト膜は、ビーム照射部分が除去され、未照射部分は残存する。
現像の後に、適宜リンス、乾燥などの工程を行うことができる。
現像後、レジストをマスクとして、円筒状基板をエッチングして無端状モールドを形成してもよい。エッチングの方法には、浸漬法によるウエットエッチングや、プラズマなどのドライエッチングがある。形状が無端状であるため、ドライエッチングも回転させながら行うことも可能である。
また、エッチング後にレジスト膜を除去し、その後、リンス、乾燥、離型処理、補強コーティングなどの工程を施す場合もある。
上記方法により作製したSOG無端状モールドは、そのまま素子として適用することも可能である。例えば、上記方法により金属膜を螺旋状のパターンに形成すればコイルとして適用することができる。また、L&Sパターンを有する無端状モールドは回折格子として用いることができ、図5に示すような三次元形状の無端状モールドは曲面レンズ(f−θレンズ、レンチキュラーレンズ)等へ適用可能である。その他、無端状モールドは、フレネルゾーンプレート、バイナリ−光学素子、ホログラム光学素子、反射防止膜、CDやDVDなどのメディア等へ適用可能である。
本発明の樹脂パターン成形品の製造方法は、上記無端状パターンの製造方法によって得られたSOG無端状モールドを成形用の型として用いる。微細加工物に樹脂を押し付ける際、樹脂のガラス転移温度よりも高い温度に設定して樹脂を軟らかくした上で、樹脂に型を押し付けた後、樹脂を硬化し、その後、型と樹脂とを剥離する。
上記方法により凹凸が形成されたレジスト層20を基板10上に有する無端状モールドと、ガラス40との間に樹脂30を挟みこみ(図8(1))、圧力を一定に保ったまま(図8(2))、樹脂30を硬化する(図8(3))。その後、型を引き離すと、ガラス40上に樹脂30の樹脂パターン成形品が形成される(図8(4))。
熱可塑樹脂としては、PMMA等のアクリル系樹脂、ポリカーボネート、ポリイミド等を挙げることができ、PMMA等のアクリル系樹脂が好ましい。
光硬化樹脂としては、紫外線等で硬化する樹脂が好ましく、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、及びこれらの混合物を挙げることができる。
まず、図9(A)に示すように、PETフィルムなどの成形基体40上に、紫外線硬化性樹脂30を付与する。次に、図9(B)に示すように、成形基体40上の紫外線硬化性樹脂30に、上記の方法で作製したSOG無端状モールド50を押圧し(矢印A)、樹脂30にSOG無端状モールド50のパターンを転写する。ここに、成形基体40を介して紫外線Cを照射し、紫外線硬化性樹脂30を硬化させる。無端状モールド50を周方向(例えば矢印B方向)に回転させると、無端状モールド50のパターンを連続的に樹脂30に転写することができる。
なお、無端状モールド50のパターンを樹脂30に転写しながら、紫外線硬化性樹脂30に紫外線を照射して硬化させてもよいし、無端状モールド60のパターンを樹脂30に転写し終わった後に、紫外線を全面的に照射して硬化させてもよい。
上記方法によって得られた本発明の樹脂パターン成形品は、大面積の継ぎ目の無いパターンを有する。また、線幅1μm以下の加工部を有することができる。上記製造方法によって当然に、線幅1μmよりも広い加工部を形成することもできる。
得られた微細パターン成形品や3次元モールドは、その形状と材質から、光学素子に用いることができる。例えば、フレネルゾーンプレート、回折格子、バイナリ−光学素子、ホログラム光学素子、反射防止膜、CDやDVDなどのメディア等を挙げることができる。
−無端状モールドの作製−
<照射装置の準備>
電子ビーム照射には、走査型電子顕微鏡(SEM、エリオニクス社 ESA-2000)を用いた。この電子顕微鏡内部には、円筒状基板を取り付けつけるための冶具と、円筒状基板を回転方向に回転させる機構を有する回転装置(三井電機社製)を取り付けた。図10に使用した回転装置の概略を示し、図11に走査型電子顕微鏡の概略を示す。
基板として、鏡面加工を施した円柱状のアルミニウムを用いた。円柱状基板の直径は1cmで、長さは3cmであった。この基板を、アセトン及びエタノールで超音波洗浄した。
その後、高温炉により、レジストを塗布した基板を40分かけて425℃まで昇温し、60分間425℃に保ち、その後100分かけて室温(25℃)に戻して、レジストを焼成(PB)した。この焼成温度の制御の様子を図12に示す。
このレジストの浸漬−引き上げ塗布と焼成の操作を3回繰り返した。
レジストを付与した円柱状基板をSEM内に装着し、該基板を回転させながら電子ビームを照射した。回転及び照射の条件は以下の通りである。
・加速電圧: 3,4,5kV
・ビーム電流: 4.0nA
・ビーム径: 100nm(ナイフエッジ法により測定)
・ドーズ量: 750,1000μC/cm2
・回転数: 50rpm
・パターン: ライン&スペース(L&S)パターン
:パターンの設計値: 200nmのラインと10μmのスペース(孤立パターン)
・電子ビーム走査方式: ラスタスキャン
・設計図:図14
図14の設計図に示すように、実施例1では、加速電圧を変えて加工深さが異なる孤立線のパターンを形成した。
照射後、現像液により現像した。現像液は20℃の2.4%フッ酸緩衝液(50%HF25cm3/Lと40%NH4F30cm3/Lの混合液)を使用し、1分間浸した。その後、純水で洗浄した。
得られたL&SパターンのSEM写真を、図15及び16に示す。
図15は、照射量750μC/cm2、図16は照射量1000μC/cm2で得られたパターンのSEM写真であり、それぞれ円柱状基板の円周方向の数点での写真を掲載する。
電子ビームによってSOGレジストのパターンを形成する場合、前述のように前方散乱及び後方散乱を考慮する必要があり、更に円柱状の基板では基板からの反射なども考慮する必要がある。しかし、実施例1に示すように、円柱状のアルミニウム基板上のSOGレジストに対して電子ビームを描画することでパターンが形成できることがわかった。
−転写樹脂パターンの成形−
<モールドの前処理>
実施例1の照射量750,100μC/cm2で得られたモールド(図15、図16)を、離型剤としてのフッ素系樹脂コーティング剤(オプツール(登録商標)DSX、ダイキン工業株式会社製、0.1質量%)に1分間浸漬し、その後、100℃3分間加熱して乾燥し、モールド表面に離型剤をコーティングした。
他方、PETフィルム上に、光硬化性樹脂(PAK−02、東洋合成工業株式会社製)をバーコートにより塗布し、転写基板を作製した。
転写基板の光硬化性樹脂が付与された面に、上記モールドを押し付けてモールドのパターンを転写した。このときの押付け圧力は0.83MPaであり、加圧維持時間は60秒であった。
パターンが転写された光硬化性樹脂に、PETフィルム側から紫外光を照射して樹脂を硬化させた。このときの紫外線照射量は4J/cm2であった。
図17は、照射量750μC/cm2で得られたモールドによる転写パターンのAFM像である。図18は、照射量1000μC/cm2で得られたモールドによる転写パターンのAFM像である。
また、加速電圧に応じて転写後の加工線高さが高くなっていることが分かる。
−基板材質の影響−
<基板及びレジストの種類>
基板:円柱状試料(真鍮、直径30mm)
レジスト:Accuglass-512B(Honeyewell社製)
<塗布条件>
塗布引き上げ速度0.1mm/秒(一定)で、SOGレジストを塗布した。
<PB>
塗布後、実施例1と同様に、図12に示す焼成温度で、40分かけて425℃まで昇温し、60分間425℃に保ち、その後100分かけて室温(25℃)に戻して、レジストを焼成(PB)した。
得られたレジスト膜の膜厚を実施例1と同様に、基板の周方向に4点測定し平均値を求め、更に基板の軸方向に10点の膜厚を測定した。膜厚の測定結果を図19のグラフに示す。レジスト膜の平均膜厚は7.47nmであり、殆どレジスト膜が形成されていなかった。
−塗布引き上げ速度の影響−
<レジストの成膜>
実施例1と同様に、基板として鏡面加工を施した円柱状のアルミニウムを用いた。円柱状基板の直径は1cmで、長さは3cmであった。この基板を、アセトン及びエタノールで超音波洗浄した。
その後、実施例1と同様に、図12に示す焼成温度制御により、レジストを塗布した基板を高温炉で40分かけて425℃まで昇温し、60分間425℃に保ち、その後100分かけて室温(25℃)に戻して、レジストを焼成(PB)した。
塗布引き上げ速度0.1mm/秒(一定)では、レジストの平均膜厚が376nmであり、0.5mm/秒(一定)では、レジストの平均膜厚が360nmであり、0.05mm/秒(一定)では、レジストの平均膜厚が326nmであった。
図21の上段は、レジスト膜と基板との境界部分の光学顕微鏡写真であり、下段はそのレジスト表面の光学顕微鏡写真である。
いずれの塗布引き上げ速度であっても、レジスト膜にひび割れなどは見られず、略均一な厚さの膜が得られた。
−焼成温度の影響−
<レジストの成膜>
実施例3と同様にして、但し、図22に示す焼成温度の制御条件で焼成してレジスト膜を作製した。具体的には、レジストを塗布した基板を高温炉で40分かけて300℃まで昇温し、60分間300℃に保ち、その後100分かけて室温(25℃)に戻して、レジストを焼成(PB)した。
−焼成時の昇温・冷却速度の影響−
<レジストの成膜>
実施例1と同様に、基板として鏡面加工を施した円柱状のアルミニウムを用いた。円柱状基板の直径は1cmで、長さは3cmであった。この基板を、アセトン及びエタノールで超音波洗浄した。
その後、図24に示す焼成温度制御により、高温炉でレジストを塗布した基板を20分で425℃まで昇温し、60分間425℃に保ち、その後10分で室温(25℃)に戻して、レジストを焼成(PB)した。
−レジスト層の積層−
<レジストの成膜>
実施例1と同様に、基板として鏡面加工を施した円柱状のアルミニウムを用いた。円柱状基板の直径は1cmで、長さは3cmであった。この基板を、アセトン及びエタノールで超音波洗浄した。
一層塗布の平均膜厚は404nm、二層塗布の平均膜厚は453nm、三層塗布の平均膜厚は466nmであり、重ね塗りしても膜厚にあまり変化がなかった。但し、一層塗布に比べて二層塗布及び三層塗布では、膜厚のばらつきが小さくなっていた。したがって、一層塗布で形成したレジスト層よりも、複数回レジスト成膜の工程を繰り返して得たレジスト膜のほうが、均一なパターンが得られると考えられる。
−レジスト層の積層−
<レジストの成膜>
実施例1と同様に、基板として鏡面加工を施した円柱状のアルミニウムを用いた。円柱状基板の直径は1cmで、長さは3cmであった。この基板を、アセトン及びエタノールで超音波洗浄した。
このレジストの浸漬−引き上げ塗布と焼成の操作を3回繰り返し、3層を積層したレジスト膜を形成した。
一層塗布の平均膜厚は309nm、二層塗布の平均膜厚は549nm、三層塗布の平均膜厚は510nmであり、第一層、第二層及び第三層の膜厚の差は、焼成温度425℃の時と比べて大きくなったが、焼成温度425℃の時と比べて膜厚のばらつきが大きくなった。
−照射量の影響−
実施例3の塗布引き上げ速度0.1mm/秒(一定)で得られたレジスト膜(平均膜厚376nm)を有する下記円柱状基板をSEM内に装着し、該基板を回転させながら電子ビームを照射した。回転及び照射の条件は以下の通りである。
・基板:円柱状試料(アルミニウム、直径10mm、長さ30mm)
・レジスト:Accuglass-512B(Honeyewell社製)
・塗布引き上げ速度:0.1mm/秒
・PB:425℃
<照射条件>
・加速電圧: 10kV
・ビーム電流: 4.0nA
・ビーム径: 100nm(ナイフエッジ法により測定)
・ドーズ量: 1000,1500,2000,3000μC/cm2
・回転数: 50rpm
・入射角度:−60°、−45°、−30°、0°、30°、45°、60°
・パターン: ライン&スペース(L&S)パターン
・パターンの設計値: 1μmのラインと2μmのスペース
・電子ビーム走査方式: ラスタスキャン
・設計図:図28
図2(b)において、電子ビームの照射位置(±Y)を変えることで角度(θ)を変化させた。電子ビーム入射角度と移動距離の関係は下記式で求められ、それぞれの関係を下記表1に示した。
式 Y[mm]=5.0×sinθ
実施例1と同様の方法で現像を行なった。
具体的には、現像液は20℃の2.4%フッ酸緩衝液(50%HF25cm3/Lと40%NH4F30cm3/Lの混合液)を使用し、照射後のレジストが付された基板を1分間浸し、その後、純水で洗浄した。
電子ビームの入射角度が0°で得られたL&Sパターンの光学顕微鏡写真を、図29〜図31に示す。
図29は、照射量1000μC/cm2、図30は照射量1500μC/cm2、図31は照射量2000μC/cm2、で得られたパターンの光学顕微鏡写真である。
図32は、照射量1000μC/cm2における電子ビームの入射角度−60°、−30°、0°、+30°で得られたパターンのSEM写真、図33は、照射量2000μC/cm2における電子ビームの入射角度−60°、−30°、0°、+30°で得られたパターンのSEM写真、図34は照射量3000μC/cm2における電子ビームの入射角度−60°、−30°、0°、+30°で得られたパターンのSEM写真である。
照射量2000μC/cm2及び3000では、L&Sのパターンも形成されていた。
−照射量及び焼成温度の影響−
実施例4の塗布引き上げ速度0.1mm/秒(一定)で得られたレジスト膜(平均膜厚531nm)を有する下記円柱状基板をSEM内に装着し、該基板を回転させながら電子ビームを照射した。回転及び照射の条件は以下の通りである。
・基板:円柱状試料(アルミニウム、直径10mm、長さ30mm)
・レジスト:Accuglass-512B(Honeyewell社製)
・塗布引き上げ速度:0.1mm/秒
・PB:300℃
<照射条件>
・加速電圧: 10kV
・ビーム電流: 4.0nA
・ビーム径: 100nm(ナイフエッジ法により測定)
・ドーズ量: 3000,4000、5000μC/cm2
・回転数: 50rpm
・入射角度:0°
・パターン: ライン&スペース(L&S)パターン
・パターンの設計値: 1μmのラインと2μmのスペース
・電子ビーム走査方式: ラスタスキャン
・設計図:図28
得られたL&SパターンのSEM写真を、図35〜図37に示す。図35は、照射量3000μC/cm2、図36は照射量4000μC/cm2、図37は照射量5000μC/cm2、で得られたパターンのSEM写真である。
照射量3000,4000、5000μC/cm2のいずれにおいても、L&Sのパターンが形成されていた。
なお、焼成温度が425℃のレジスト膜を用いた実施例8に比べて、焼成温度が300℃のレジスト膜を用いた実施例9は、パターンの形状がはっきりと確認できた。
−照射パターンの変更−
実施例9と同様にして、但し、照射パターンの設計図を図38に変えて、孤立線のパターンを形成した。得られた孤立線パターンのSEM写真を、図39〜図41に示す。
図39は、照射量3000μC/cm2、図40は照射量4000μC/cm2、図41は照射量5000μC/cm2、で得られたパターンのSEM写真である。
照射量3000,4000、5000μC/cm2のいずれにおいても、孤立線パターンが形成されていた。
円筒状基板上へのSOGレジストの形成は、有機レジストを用いた場合に比べて塗布条件や焼成条件による影響が大きいことが明らかとなった。具体的には、アルミニウム基板ではレジスト層が形成されたが、真鍮基板では形成されなかった。
20 レジスト層
30 樹脂(紫外線硬化性樹脂)
40 ガラス(成形基体)
50 SOG無端状モールド
100 円筒状基板
Claims (6)
- 円周方向において無端のアルミニウム基板上に、SOG(Spin-On-Grass)レジスト液膜を付与する工程と、
前記SOGレジスト液膜を有するアルミニウム基板を加熱してSOGレジストを焼成する工程と、
前記焼成後、SOGレジストを有するアルミニウム基板を冷却する工程と、
前記冷却後、SOGレジストを有するアルミニウム基板を回転方向に回転させる工程と、
前記基板上のSOGレジストに電子ビーム又はイオンビームを照射する工程と、
前記照射により又は前記照射後の現像により、前記SOGレジストの一部を除去する工程と、
を有する無端状パターンの製造方法。 - 前記基板を回転方向に回転させながら、前記電子ビーム又はイオンビームを前記SOGレジストに照射する請求項1に記載の無端状パターンの製造方法。
- 前記電子ビーム又はイオンビームの前記基板に対する入射角を、基板の回転方向でプラス、逆回転方向でマイナスとしたとき、前記入射角が、−60°以上+60°以下である請求項1又は請求項2に記載の無端状パターンの製造方法。
- 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の製造方法により形成された無端状モールド。
- 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の製造方法により得られた無端状モールドを成形用の型として用い、該無端状モールドに樹脂を押し付けて型を転写する工程と、
押し付けた前記無端状モールドと前記樹脂とを剥離する工程と、
を有する樹脂パターン成形品の製造方法。 - 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の製造方法により得られた無端状モールドを有する光学素子。
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