JP6334235B2 - レーザー加工装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体ウエーハ等の被加工物にレーザー加工を施すレーザー加工装置に関する。
半導体デバイス製造工程においては、略円板形状である半導体ウエーハの表面に格子状に配列された分割予定ラインによって複数の領域が区画され、この区画された領域にＩＣ、ＬＳＩ等のデバイスを形成する。そして、半導体ウエーハを分割予定ラインに沿って切断することによりデバイスが形成された領域を分割して個々の半導体デバイスを製造している。また、サファイヤ基板の表面にフォトダイオード等の受光素子やレーザーダイオード等の発光素子等が積層された光デバイスウエーハも分割予定ラインに沿って切断することにより個々のフォトダイオード、レーザーダイオード等の光デバイスに分割され、電気機器に広く利用されている。
上述した半導体ウエーハや光デバイスウエーハ等のウエーハを分割予定ラインに沿って分割する方法として、ウエーハに対して吸収性を有する波長のレーザー光線をウエーハに形成された分割予定ラインに沿って照射してアブレーション加工することによりレーザー加工溝を形成し、このレーザー加工溝に沿って破断する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１０−２７２６９７号公報
而して、被加工物であるシリコンやサファイヤ等のウエーハにアブレーション加工することによりレーザー加工溝を形成すると、シリコンやサファイヤ等が溶融して溶融物（デブリ）が生成され、溶融物の埋戻りによってレーザー光線をウエーハに形成された分割予定ラインに沿って照射しても所望する深さのレーザー加工溝を形成することができないという問題がある。
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術課題は、被加工物に集光器からレーザー光線が照射されることによって生成される溶融物（デブリ）を効果的に処理し所望する深さのレーザー加工溝を形成することができるレーザー加工装置を提供することである。
上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、半導体ウエーハ、又は光デバイスウエーハを保持するためのチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された半導体ウエーハ、又は光デバイスウエーハにレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段とを具備し、該レーザー光線照射手段はレーザー光線を発振するレーザー光線発振手段と、該レーザー光線発振手段から発振されたレーザー光線を集光する集光レンズを備えた集光器とを具備しているレーザー加工装置であって、
該集光器のレーザー光線照射方向下流側に配設されレーザー加工によって生成される溶融物を処理するための溶融物処理手段を備え、
該溶融物処理手段は、該集光器から照射されるレーザー光線の通過を許容する開口を有し該開口から半導体ウエーハ、又は光デバイスウエーハに向けて高速の空気を噴射するガス噴射部と、該ガス噴射部の該開口を囲繞して設けられ該開口から噴射される高速の空気によって飛散せしめられる溶融物を吸引する吸引口と、該吸引口を始端とし、該吸引口に連通する複数のガス吸引通路を備えた溶融物吸引部とを具備し、該ガス噴射部が高圧ガス供給手段に接続され、該溶融物吸引部の該複数のガス吸引通路がそれぞれ吸引作用を生じさせる溶融物吸引手段に接続されている、
ことを特徴とするレーザー加工装置が提供される。
上記高圧ガス供給手段は、該ガス噴射部の該開口から噴射する流量が３０〜２００リットル／分・mm2）となるように空気を供給する。
本発明によるレーザー加工装置においては、集光器のレーザー光線照射方向下流側に配設されレーザー加工によって生成される溶融物を処理するための溶融物処理手段は、集光器から照射されるレーザー光線の通過を許容する開口を有し該開口から被加工物に向けて高速の空気を噴射するガス噴射部と、該ガス噴射部の開口を囲繞して設けられ開口から噴射される高速のガスによって飛散せしめられる溶融物を吸引する吸引口と、を始端とし、該吸引口に連通する複数のガス吸引通路を備えた溶融物吸引部とを具備し、該ガス噴射部が高圧ガス供給手段に接続され、溶融物吸引部の該複数のガス吸引通路がそれぞれ吸引作用を生じさせる溶融物吸引手段に接続されているので、半導体ウエーハ、又は光デバイスウエーハにレーザー光線を照射することによって発生した溶融物は、ガス噴射部の開口から噴射される高速の空気によってレーザー加工溝から飛散して除去される。従って、連続的に照射されるパルスレーザー光線によってレーザー加工が進行し所望深さのレーザー加工溝を形成することができる。また、ガス噴射部の開口から噴射される高速の空気によってレーザー加工溝から飛散せしめられた溶融物は、ガス噴射部の開口を囲繞して配設された溶融物吸引部の吸引口から複数のガス吸引通路を通して溶融物吸引手段に吸引される。従って、ガス噴射部の開口から噴射される高速の空気によってレーザー加工溝から飛散せしめられた溶融物は被加工物の表面に付着することはない。
本発明に従って構成されたレーザー加工装置の斜視図。 図１に示すレーザー加工装置に装備されるレーザー光線照射手段の構成を簡略に示すブロック図。 図１に示すレーザー加工装置に装備される集光器および溶融物処理手段の断面図。 被加工物としての半導体ウエーハが環状のフレームに装着されたダイシングテープの表面に貼着された状態の斜視図。 図１に示すレーザー加工装置によって実施するレーザー加工溝形成工程の説明図。 図５に示すレーザー加工溝形成工程を実施している状態における溶融物処理手段の断面図。
以下、本発明に従って構成されたレーザー加工装置の好適な実施形態について、添付図面を参照して、更に詳細に説明する。
図１には、本発明に従って構成されたレーザー加工装置の斜視図が示されている。図１に示すレーザー加工装置は、静止基台２と、該静止基台２に矢印Ｘで示す加工送り方向に移動可能に配設され被加工物を保持するチャックテーブル機構３と、静止基台２に上記矢印Ｘで示す方向と直交する矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動可能に配設されたレーザー光線照射ユニット支持機構４と、該レーザー光線ユニット支持機構４に矢印Ｚで示す方向に移動可能に配設されたレーザー光線照射ユニット５とを具備している。
上記チャックテーブル機構３は、静止基台２上に矢印Ｘで示す加工送り方向に沿って平行に配設された一対の案内レール３１、３１と、該案内レール３１、３１上に矢印Ｘで示す加工送り方向に移動可能に配設された第１の滑動ブロック３２と、該第１の滑動ブロック３２上に矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動可能に配設された第２の滑動ブロック３３と、該第２の滑動ブロック３３上に円筒部材３４によって支持された支持テーブル３５と、被加工物保持手段としてのチャックテーブル３６を具備している。このチャックテーブル３６は多孔性材料から形成された吸着チャック３６１を具備しており、吸着チャック３６１上に被加工物である例えば円盤状の半導体ウエーハを図示しない吸引手段によって保持するようになっている。このように構成されたチャックテーブル３６は、円筒部材３４内に配設された図示しないパルスモータによって回転せしめられる。以上のように構成されたチャックテーブル３６には、後述する環状のフレームを固定するためのクランプ３６２が配設されている。
上記第１の滑動ブロック３２は、その下面に上記一対の案内レール３１、３１と嵌合する一対の被案内溝３２１、３２１が設けられているとともに、その上面に矢印Ｙで示す割り出し送り方向に沿って平行に形成された一対の案内レール３２２、３２２が設けられている。このように構成された第１の滑動ブロック３２は、被案内溝３２１、３２１が一対の案内レール３１、３１に嵌合することにより、一対の案内レール３１、３１に沿って矢印Ｘで示す加工送り方向に移動可能に構成される。図示の実施形態におけるチャックテーブル機構３は、第１の滑動ブロック３２を一対の案内レール３１、３１に沿って矢印Ｘで示す加工送り方向に移動させるための加工送り手段３７を具備している。加工送り手段３７は、上記一対の案内レール３１と３１の間に平行に配設された雄ネジロッド３７１と、該雄ネジロッド３７１を回転駆動するためのパルスモータ３７２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド３７１は、その一端が上記静止基台２に固定された軸受ブロック３７３に回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ３７２の出力軸に伝動連結されている。なお、雄ネジロッド３７１は、第１の滑動ブロック３２の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された貫通雌ネジ穴に螺合されている。従って、パルスモータ３７２によって雄ネジロッド３７１を正転および逆転駆動することにより、第１の滑動ブロック３２は案内レール３１、３１に沿って矢印Ｘで示す加工送り方向に移動せしめられる。
上記第２の滑動ブロック３３は、その下面に上記第１の滑動ブロック３２の上面に設けられた一対の案内レール３２２、３２２と嵌合する一対の被案内溝３３１、３３１が設けられており、この被案内溝３３１、３３１を一対の案内レール３２２、３２２に嵌合することにより、矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動可能に構成される。図示の実施形態におけるチャックテーブル機構３は、第２の滑動ブロック３３を第１の滑動ブロック３２に設けられた一対の案内レール３２２、３２２に沿って矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動させるための第１の割り出し送り手段３８を具備している。第１の割り出し送り手段３８は、上記一対の案内レール３２２と３２２の間に平行に配設された雄ネジロッド３８１と、該雄ネジロッド３８１を回転駆動するためのパルスモータ３８２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド３８１は、その一端が上記第１の滑動ブロック３２の上面に固定された軸受ブロック３８３に回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ３８２の出力軸に伝動連結されている。なお、雄ネジロッド３８１は、第２の滑動ブロック３３の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された貫通雌ネジ穴に螺合されている。従って、パルスモータ３８２によって雄ネジロッド３８１を正転および逆転駆動することにより、第２の滑動ブロック３３は案内レール３２２、３２２に沿って矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動せしめられる。
上記レーザー光線照射ユニット支持機構４は、静止基台２上に矢印Ｙで示す割り出し送り方向に沿って平行に配設された一対の案内レール４１、４１と、該案内レール４１、４１上に矢印Ｙで示す方向に移動可能に配設された可動支持基台４２を具備している。この可動支持基台４２は、案内レール４１、４１上に移動可能に配設された移動支持部４２１と、該移動支持部４２１に取り付けられた装着部４２２とからなっている。装着部４２２は、一側面に矢印Ｚで示す方向に延びる一対の案内レール４２３、４２３が平行に設けられている。図示の実施形態におけるレーザー光線照射ユニット支持機構４は、可動支持基台４２を一対の案内レール４１、４１に沿って矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動させるための第２の割り出し送り手段４３を具備している。第２の割り出し送り手段４３は、上記一対の案内レール４１、４１の間に平行に配設された雄ネジロッド４３１と、該雄ネジロッド４３１を回転駆動するためのパルスモータ４３２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド４３１は、その一端が上記静止基台２に固定された図示しない軸受ブロックに回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ４３２の出力軸に伝動連結されている。なお、雄ネジロッド４３１は、可動支持基台４２を構成する移動支持部４２１の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された雌ネジ穴に螺合されている。このため、パルスモータ４３２によって雄ネジロッド４３１を正転および逆転駆動することにより、可動支持基台４２は案内レール４１、４１に沿って矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動せしめられる。
図示の実施形態のおけるレーザー光線照射ユニット５は、ユニットホルダ５１と、該ユニットホルダ５１に取り付けられたレーザー光線照射手段５２を具備している。ユニットホルダ５１は、上記装着部４２２に設けられた一対の案内レール４２３、４２３に摺動可能に嵌合する一対の被案内溝５１１、５１１が設けられており、この被案内溝５１１、５１１を上記案内レール４２３、４２３に嵌合することにより、矢印Ｚで示す集光点位置調整方向に移動可能に支持される。
図示のレーザー光線照射手段５２は、上記ユニットホルダ５１に固定され実質上水平に延出する円筒形状のケーシング５２１を具備している。また、レーザー光線照射手段５２は、図２に示すようにケーシング５２１内に配設されたパルスレーザー光線を発振するパルスレーザー光線発振手段５２２および該パルスレーザー光線発振手段５２２によって発振されたパルスレーザー光線の出力を調整する出力調整手段５２３と、ケーシング５２１の先端に配設されパルスレーザー光線発振手段５２２によって発振されたパルスレーザー光線を上記チャックテーブル３６に保持された被加工物に照射する集光器５３を具備している。上記パルスレーザー光線発振手段５２２は、ＹＡＧレーザー発振器或いはＹＶＯ４レーザー発振器からなるパルスレーザー光線発振器５２２ａと、これに付設された繰り返し周波数設定手段５２２ｂとから構成されている。集光器５３は、図１に示すようにケーシング５２１の先端に装着されている。この集光器５３については、後で詳細に説明する。
図１を参照して説明を続けると、レーザー光線照射手段５２を構成するケーシング５２１の前端部には、上記レーザー光線照射手段５２によってレーザー加工すべき加工領域を撮像する撮像手段６が配設されている。この撮像手段６は、撮像素子（ＣＣＤ）等で構成されており、撮像した画像信号を図示しない制御手段に送る。なお、集光器５３の下端部には、被加工物に集光器５３からレーザー光線が照射されることによって生成される溶融物を処理するための溶融物処理手段７が配設されている。この溶融物処理手段７については、後で詳細に説明する。
図示の実施形態におけるレーザー光線照射ユニット５は、ユニットホルダ５１を一対の案内レール４２３、４２３に沿って矢印Ｚで示す方向に移動させるための移動手段５４を具備している。移動手段５４は、一対の案内レール４２３、４２３の間に配設された雄ネジロッド（図示せず）と、該雄ネジロッドを回転駆動するためのパルスモータ５４２等の駆動源を含んでおり、パルスモータ５４２によって図示しない雄ネジロッドを正転および逆転駆動することにより、ユニットホルダ５１およびレーザー光線照射手段５２を案内レール４２３、４２３に沿って矢印Ｚで示す方向に移動せしめる。なお、図示の実施形態においてはパルスモータ５４２を正転駆動することによりレーザー光線照射手段５２を上方に移動し、パルスモータ５４２を逆転駆動することによりレーザー光線照射手段５２を下方に移動するようになっている。
次に、上記集光器５３および溶融物処理手段７について、図３を参照して説明する。
図示の実施形態における集光器５３は、上端が閉塞された筒状の集光器ハウジング５３１を具備しており、この集光器ハウジング５３１の上部には、上記レーザー光線照射手段５２を構成するケーシング５２１の先端部が挿入する開口５３１aが設けられている。集光器ハウジング５３１内には、上記パルスレーザー光線発振手段５２２から発振されたパルスレーザー光線を下方に向けて方向変換する方向変換ミラー５３２と、該方向変換ミラー５３２によって下方に向けて方向変換されたパルスレーザー光線を集光してチャックテーブル３６に保持された被加工物Wに照射する集光レンズ５３３が配設されている。
上述した集光器５３を構成する集光器ハウジング５３１の下側即ちレーザー光線照射方向下流側には、チャックテーブル３６に保持された被加工物Wにレーザー光線が照射されることによって生成される溶融物を処理するための溶融物処理手段７が配設されている。この溶融物処理手段７は、集光器５３の集光レンズ５３３を通して照射されるレーザー光線の通過を許容する開口７１１を有し該開口７１１からチャックテーブル３６に保持された被加工物Wに向けて高速のガスを噴射するガス噴射部７１と、該ガス噴射部７１の該開口７１１を囲繞して設けられた吸引口７２１を備えた溶融物吸引部７２を具備している。
溶融物処理手段７を構成するガス噴射部７１は、集光器ハウジング５３１の下面と開口７１１との間にガス室７１２が設けられており、このガス室７１２が複数のガス導入口７１３を介して高圧ガス供給手段７３に接続されている。なお、ガス噴射部７１を構成する開口７１１の直径(d1)は、φ０.５〜３mmに設定されることが望ましく図示の実施形態においてはφ１mmに設定されている。また、高圧ガス供給手段７３は、図示の実施形態においてはエアー供給手段からなっており、開口７１１から噴射されるエアーが３０〜２００リットル／（分・mm2）になるように設定されている。
溶融物処理手段７を構成する溶融物吸引部７２は、上記吸引口７２１に連通する複数のガス吸引通路７２２が設けられており、この複数のガス吸引通路７２２が溶融物吸引手段７４に接続されている。なお、溶融物吸引部７２を構成する吸引口７２１の直径(d2)は、φ５〜５０mmに設定されることが望ましく図示の実施形態においてはφ５mmに設定されている。また、溶融物吸引手段７４は、図示の実施形態においてはエアー供給手段からなっており、吸引口７２１から吸引されるエアーが３０〜２００リットル／（分・mm2）になるように設定されている。
図示の実施形態における溶融物処理手段７は以上のように構成されており、レーザー光線照射手段５２を作動してチャックテーブル３６に保持された被加工物Wにレーザー加工を施す際には、上記開口７１１および吸引口７２１の下端から被加工物Wの上面までの間隔(S)が０.５〜３mmの範囲で実施されるようになっている。
図示の実施形態におけるレーザー加工装置は以上のように構成されており、以下その作用について説明する。
図４には、上述したレーザー加工装置によって加工される被加工物としての半導体ウエーハ１０が環状のフレームFに装着されたダイシングテープTの表面に貼着された状態の斜視図が示されている。半導体ウエーハ１０は、表面１０aに格子状の分割予定ライン１０１が形成され、格子状の分割予定ライン１０１によって区画された複数の領域にIC、LSI等のデバイス１０２が形成されている。このように構成された半導体ウエーハ１０に分割予定ライン１０１に沿ってレーザー加工溝を形成するには、図１に示すレーザー加工装置のチャックテーブル３６上に半導体ウエーハ１０のダイシングテープT側を載置する。そして、図示しない吸引手段を作動することにより、半導体ウエーハ１０はダイシングテープTを介してチャックテーブル３６上に吸引保持する（ウエーハ保持工程）。なお、半導体ウエーハ１０をダイシングテープTを介して環状のフレームFは、チャックテーブル３６に配設されたクランプ３６２によって固定される。
上述したウエーハ保持工程を実施したならば、加工送り手段３７を作動して半導体ウエーハ１０を吸引保持したチャックテーブル３６を撮像手段６の直下に位置付ける。チャックテーブル３６が撮像手段６の直下に位置付けられると、撮像手段６および図示しない制御手段によって半導体ウエーハ１０のレーザー加工すべき加工領域を検出するアライメント作業を実行する。即ち、撮像手段６および図示しない制御手段は、半導体ウエーハ１０の所定方向に形成されている分割予定ライン１０１に沿ってレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段５２の集光器５３との位置合わせを行うためのパターンマッチング等の画像処理を実行し、レーザー光線照射位置のアライメントを遂行する。また、半導体ウエーハ１０に形成されている所定方向と直交する方向に形成されている分割予定ライン１０１に対しても、同様にレーザー光線照射位置のアライメントが遂行される。
以上のようにしてチャックテーブル３６上に保持された半導体ウエーハ１０に形成されている分割予定ラインを検出し、レーザー光線照射位置のアライメントが行われたならば、図５の（a）で示すようにチャックテーブル３６をレーザー光線照射手段５２の集光器５３が位置するレーザー光線照射領域に移動し、所定の分割予定ラインの一端(図６の（ａ）において左端)を集光器５３の直下に位置付ける。そして、集光器５３から照射されるパルスレーザー光線の集光点Ｐを半導体ウエーハ１０の表面（上面）付近に合わせる。次に、レーザー光線照射手段５２の集光器５３から半導体ウエーハに対して吸収性を有する波長のパルスレーザー光線を照射しつつチャックテーブル３６を図５の（ａ）において矢印Ｘ１で示す方向に所定の加工送り速度で移動せしめる。そして、分割予定ライン１０１の他端（図５の（ｂ）において右端）が集光器５３の直下位置に達したら、パルスレーザー光線の照射を停止するとともにチャックテーブル３６の移動を停止する。この結果、図５の（ｂ）および図５の（c）に示すように半導体ウエーハ１０には、分割予定ライン１０１に沿ってレーザー加工溝１１０が形成される（レーザー加工溝形成工程）。
なお、上記レーザー加工溝形成工程は、例えば以下の加工条件で行われる。
〈加工条件：１〉
レーザー光線の光源 ：ＹＶＯ４レーザーまたはＹＡＧレーザー
波長 ：３５５ｎｍ
繰り返し周波数 ：８００ｋＨｚ
平均出力 ：８W
集光スポット径 ：φ１０μｍ
加工送り速度 ：４００ｍｍ／秒

〈加工条件：２〉
レーザー光線の光源 ：CO2レーザー
繰り返し周波数 ：２０ｋＨｚ
平均出力 ：２０W
集光スポット径 ：φ１００μｍ
加工送り速度 ：６００ｍｍ／秒
上述したレーザー加工溝形成工程においては、半導体ウエーハ１０の表面に集光器５３からパルスレーザー光線を照射することにより、半導体ウエーハが溶融されデブリ等の溶融物が発生する。しかるに、図示の実施形態においては上述した溶融物処理手段７を備えているので、図６に示すように半導体ウエーハ１０にパルスレーザー光線を照射することによって発生した溶融物１２０は、ガス噴射部７１の開口７１１から噴射される高速のガス（空気）によってレーザー加工溝１１０から飛散して除去されるので、連続的に照射されるパルスレーザー光線によってレーザー加工溝１１０が進行し所望深さのレーザー加工溝１１０を形成することができる。なお、ガス噴射部７１の開口７１１から噴射される高速のガス（空気）によってレーザー加工溝１１０から飛散せしめられた溶融物１２０は、ガス噴射部７１の開口７１１を囲繞して配設された溶融物吸引部７２の吸引口７２１から複数のガス吸引通路７２２を通して溶融物吸引手段７４に吸引される。従って、ガス噴射部７１の開口７１１から噴射される高速のガス（空気）によってレーザー加工溝１１０から飛散せしめられた溶融物１２０は半導体ウエーハ１０の表面に付着することはない。
２：静止基台
３：チャックテーブル機構
３６：チャックテーブル
３７：加工送り手段
３８：第１の割り出し送り手段
４：レーザー光線照射ユニット支持機構
４２：可動支持基台
４３：第２の割り出し送り手段
５：レーザー光線照射ユニット
５１：ユニットホルダ
５２：レーザー光線照射手段
５３：集光器
５３１：集光器ハウジング
５３２：方向変換ミラー
５３３：集光レンズ
６：撮像手段
７：溶融物処理手段
７１：ガス噴射部
７１１：開口
７２：溶融物吸引部
７２１：吸引口
７３：高圧ガス供給手段
７４：溶融物吸引手段
１０：半導体ウエーハ

Claims (2)

  1. 半導体ウエーハ、又は光デバイスウエーハを保持するためのチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された半導体ウエーハ、又は光デバイスウエーハにレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段とを具備し、該レーザー光線照射手段はレーザー光線を発振するレーザー光線発振手段と、該レーザー光線発振手段から発振されたレーザー光線を集光する集光レンズを備えた集光器とを具備しているレーザー加工装置であって、
    該集光器のレーザー光線照射方向下流側に配設されレーザー加工によって生成される溶融物を処理するための溶融物処理手段を備え、
    該溶融物処理手段は、該集光器から照射されるレーザー光線の通過を許容する開口を有し該開口から半導体ウエーハ、又は光デバイスウエーハに向けて高速の空気を噴射するガス噴射部と、該ガス噴射部の該開口を囲繞して設けられ該開口から噴射される高速の空気によって飛散せしめられる溶融物を吸引する吸引口と、該吸引口を始端とし、該吸引口に連通する複数のガス吸引通路を備えた溶融物吸引部とを具備し、該ガス噴射部が高圧ガス供給手段に接続され、該溶融物吸引部の該複数のガス吸引通路がそれぞれ吸引作用を生じさせる溶融物吸引手段に接続されている、
    ことを特徴とするレーザー加工装置。
  2. 該高圧ガス供給手段は、該ガス噴射部の該開口から噴射する流量が３０〜２００リットル／分・mm2）となるように空気を供給する、請求項１記載のレーザー加工装置。
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