JP6747727B1 - 気化器 - Google Patents

Abstract

【課題】液体原料の高温加熱実現のため、金属製インナーヒータブロックと耐熱ガラス製のインナーチューブとの密着性を向上させ、インナーヒータからの熱伝導を向上させた気化器を提供する。【解決手段】気化器Ａは、アトマイザ７、気化器本体Ａｈ、加熱部Ａｋとで構成される。加熱部Ａｋはインナーヒータブロック３、インナーヒータ９とで構成される。インナーチューブ２は耐熱ガラス製で中空の気化器本体Ａｈの内径より小さい外径を有する。インナーヒータブロック３は、その中心軸ＣＬに沿って分割された分割体３１〜３ｎと、弾発材８とで構成される。弾発材８は分割体３１〜３ｎの間に配設され、分割体３１〜３ｎを離間方向に押圧付勢してインナーチューブ２の内周面に押圧させるように働く。インナーヒータ９１〜９ｎは、前記分割体３１〜３ｎのそれぞれに埋設されている。【選択図】図１

Description

本発明は熱伝導に優れた、特に半導体製造用並びに光導波路形成用のガラス製気化器に関する。

ＳｉやＳｉＣなどの半導体材料の熱酸化手法の種類としてウエット酸化とドライ酸化がある。ウエット酸化では水を使う。Ｈ₂Ｏをガス（水蒸気）として炉の中に流して、水の中の酸素を酸化膜の成長に使う。この特徴は、酸化速度が速い。したがって厚い膜厚が必要な場合にはこの方法を使う。一方、ドライ酸化は酸化膜成長に酸素ガスを使う。これは、ウエット酸化の反対で、成長速度は遅い。近年、更に酸化膜の成長速度を上げるために、水（Ｈ₂Ｏ）の代わりに過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）が使用されるようになってきた。他方、半導体以外の用途として、光導波路の形成がある。（特許文献１を参照）。この場合、１０〜２５μｍの厚さの二酸化ケイ素(ＳｉＯ₂)の堆積には、Ｈ₂Ｏによる酸化法では、長時間の堆積時間を必要とする。Ｈ₂Ｏの代わりに過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）を利用すれば、大幅な時間短縮が可能となる。

そのためには大量の過酸化水素水を気化させて反応炉に送り込む必要がある。このような目的の装置として特許文献１に示すような装置が提案されている。

特開２００１−３３７２４０号公報 特許６２０３２０７号公報

特許文献１に記載された、過酸化水素水を気化させて酸化性ガスを発生させる気化器は、過酸化水素水の入ったフラスコに似た中空球状容器の気化器の下半分を外からヒータで覆うもので、中空球状容器は１００〜１３０℃に加熱される。気化した過酸化水素ガスを含有する水蒸気ガスが、ガス供給管を経て反応炉に流れ込むようになっている。この装置は過酸化水素水を単に加熱させ気化させているもので、気化器内での過酸化水素水の蒸発と共に、過酸化水素の濃度が変化することが欠点である。さらに、過酸化水素の流量を一定に保持できることも困難であるほか、どれだけ流れているかの流量が不明である。

そこで発明者らは特許文献２に記載の発明を提案した。この気化器は、液体原料を霧化して吹き出すアトマイザ、アトマイザの噴霧口が接続された中空のアウターチューブ、アウターチューブ内に収納されたインナーチューブ、該アウターチューブの外側に設けられたアウターヒータブロック、インナーチューブの内側に挿入されたインナーヒータブロック、アウターヒータブロックに埋設されたアウターヒータ、及びインナーヒータブロックに埋設されたインナーヒータとで構成されている。
この気化器は、両ヒータブロックと両ヒータ以外はコンタミネーション防止のため、石英ガラス製である。そして上記両ヒータブロックは、伝熱性の良いアルミニウム製である。

アウターチューブ内の、アトマイザの噴霧口に臨む空間が霧化空間であり、この霧化空間に繋がるアウターチューブとインナーチューブの間の隙間が気化用隙間で、この気化用隙間内を上記液体原料が流れて加熱されて気化される。

この加熱作業において、インナーヒータブロックが石英に比べると熱膨張率が著しく大きいアルミニウム製であるため、高温度に設定した時、アルミニウム製インナーヒータブロックの熱膨張によって、石英製インナーチューブが破損しないように、石英の内径に比べてインナーヒータブロックの外径を小さくし、熱膨張の影響を受けない程度の余裕をもって大きく取られている。処がその隙間は断熱性の高い空気層であるため、インナーヒータブロックからのインナーチューブへのインナーヒータの熱が伝わりにくく、気化性能が著しく阻害される。

それを改善するために実際の製品には、インナーヒータブロックと石英製インナーチューブとの間の隙間を埋めるため伝熱ペーストが塗布されている。しかし、気化すべき液体原料の流量を増やしていくと、より高温度が必要となり、高温度に設定すると、伝熱ペーストの成分である溶剤が蒸発し、固形成分だけが残る。そうなると、溶剤が蒸発した隙間に断熱性の高い空気が満たされて伝熱効率が著しく低下し、気化性能が低下し、目標とする気化すべき液体原料の流量が得られないという問題が生じた。

本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とする処は、液体原料の高温加熱を実現するために、伝熱ペーストの使用を極力少なくして、金属製（アルミニウム製）のインナーヒータブロックと耐熱ガラス（石英）製のインナーチューブとの密着性を向上させ、インナーヒータにより加熱されたインナーヒータブロックからの熱伝導を向上させた気化器を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、熱伝導性に優れた気化器Ａに関し、
気化器Ａは、
液体原料Ｌを霧化して吹き出すアトマイザ７と、
一端に前記アトマイザ７の噴霧口７３が接続され、他端に気化ガスＧ２の出口である出口ノズル１１を有する中空の気化器本体Ａｈと、
前記気化器本体Ａｈ内に収納された加熱部Ａｋとで構成され、
前記加熱部Ａｋは、
前記気化器本体Ａｈの内径より小さい外径を有し、挿入端である先端頭部２ａが閉塞された耐熱ガラス製のインナーチューブ２と、
前記インナーチューブ２に挿入されたインナーヒータブロック３と、
前記インナーヒータブロック３に埋設されたインナーヒータ９とで構成され、
前記出口ノズル１１は、気化器本体Ａｈの内周面とインナーチューブ２の外周面の間に形成された気化用隙間Ｒに連通するように設置され、
前記インナーヒータブロック３は、前記インナーヒータブロック３の中心軸ＣＬに沿って複数個に分割された分割体３１〜３ｎと、弾発材８とで構成され、
前記弾発材８は、前記分割体３１〜３ｎの間に配設され、前記分割体３１〜３ｎを離間方向に押圧付勢して前記分割体３１〜３ｎの外周面を前記インナーチューブ２の内周面に押圧させるように働き、
前記インナーヒータ９１〜９ｎは、前記分割体３１〜３ｎのそれぞれに埋設されていることを特徴とする。

請求項２は、請求項１に記載の気化器Ａにおいて、耐熱ガラスは、石英ガラスであることを特徴とする。

本発明にかかる気化器Ａは上記構成を有するので、昇温時、分割体３１〜３ｎが熱膨張したとしてもその熱膨張分は弾発材８が収縮してこれを吸収しつつこの弾発材８が分割体３１〜３ｎの外周面をインナーチューブ２の内周面に押圧させているので、耐熱ガラス製のインナーチューブ２を破損させることなく、インナーチューブ２とインナーヒータブロック３を構成する分割体３１〜３ｎとの密着状態を維持することが出来る。

本発明の一実施例の一部を断面した正面図である。 図１の第１実施例のＸ−Ｘ断面矢視図である。 図１の第２実施例の断面矢視図である。 本発明の気化器を使用した半導体製造装置の構成図である。

以下、本発明を図面に従って説明する。気化器Ａは、アトマイザ７、気化器本体Ａｈ及び加熱部Ａｋとで構成されている。
上記気化器本体Ａｈは、中空円筒状のアウターチューブ１、分割されたアウターヒータブロック５、アウターヒータ４及び出口ノズル１１とで構成されている。更に、気化器本体Ａｈには後述するように必要に応じて温度センサ１２が設置される。
上記加熱部Ａｋは、インナーチューブ２、インナーヒータブロック３、インナーヒータ９並びに温度センサ１０とで構成される。
気化器Ａが適用される液体原料Ｌは気化して使用されるもの（半導体製造に供される例えば各種の液体原料）であればどのようなものでもよいが、ここでは過酸化水素水とする。気化器Ａが、過酸化水素水の気化用で、且つ、半導体製造装置のように極めて高純度な過酸化水素含有水蒸気ガス（気化ガスＧ２）が必要な場合、高温環境において、過酸化水素含有水蒸気ガス（気化ガスＧ２）に侵されないようなガラス（例えば「石英ガラス」）で、過酸化水素含有水蒸気ガス（気化ガスＧ２）に接触する部分、ここではアトマイザ７、アウターチューブ１、インナーチューブ２及び出口ノズル１１が作られる。
そうでない分野では、パイレックス（登録商標）ガラスのような耐熱性ガラスの使用も可能である。

気化器本体Ａｈのアウターヒータブロック５は金属（本実施例では、アルミニウム）製の円筒状部材を中心軸に沿ってｎ分割したもので、内部に必要に応じて設けられるアウターヒータ４と温度センサ１２とが内蔵されている。アウターヒータ４もアウターヒータブロック５に合わせてｎ分割され、温度センサ１２も各アウターヒータブロック５の分割体にそれぞれ挿入されている。
図２及び図３では、アウターヒータブロック５が左右に２分割されており、アウターヒータ４もこれに合わせて左右に２分割されてアウターヒータブロック５の分割体５１・５２に収納されている。アウターヒータ４の分割体を符号４１・４２で表す。
なお、これらアウターヒータブロック５の分割体５１・５２の外周に、締付力を有する固定バンド８０が数箇所にわたって嵌められており、該分割体の内周面全面をアウターチューブ１の外周面に押圧してこれに接触させるようになっている。
このようにしてアウターヒータブロック５の内周面全面が耐熱性ガラス（例えば、石英ガラス）製のアウターチューブ１の外周面に接触するように取り付けられている。
温度センサ１２は、アウターヒータブロック５の分割体５１・５２にのそれぞれ設置してもよい。

アウターチューブ１は上記のように円筒状の中空管で一端が閉塞され、この閉塞端１ａに後述するアトマイザ７の噴霧ガス管７ａが接続されており、噴霧口７３が開口している。そしてアウターチューブ１の閉塞端１ａと反対側の外周面には後述する気化用隙間Ｒに連通する出口ノズル１１が接続されている。

アトマイザ７は、アウターチューブ１の端部に接続される噴霧ガス管７ａと、噴霧ガス管７ａに対して直角又はこれに近い角度或いは図示していないが、霧化ガスの通流方向に傾斜させた液体原料導入管７ｂとで構成され、噴霧ガス管７ａには霧化ガスＧ１が通過する主供給孔７ｃが穿設されており、液体原料導入管７ｂには主供給孔７ｃに連通する副供給孔７ｄが穿設されている。主供給孔７ｃの内径は副供給孔７ｄの内径より大で、出口は細く絞られ、上記噴霧口７３となっている。このアトマイザ７の噴霧ガス管７ａの出口部分がアウターチューブ１に接続されている。
なお、液体原料導入管７ｂは、後述する液体流量制御器Ｅに接続されている。

インナーチューブ２は挿入端側である先端頭部２ａが閉塞され、半球状に形成されている。図の実施例では先端頭部２ａの形状は半球状であるが、勿論、これに限られず、回転楕円体面、回転放物面或いは円錐状であってもよい。

インナーチューブ２の他端は開放しており、この開口端からインナーヒータブロック３が挿入されている。
このインナーヒータブロック３は、その軸方向（中心軸ＣＬ）に沿って複数個に分割されている。図２は２分割の例であり、図３は３分割の例である。各分割体３１〜３ｎは均等に分割され、図２の場合は断面が半円、図３の場合は扇形である。なお、分割数は限定されない。２分割の場合、分割体を３１・３２で示し、３分割の場合は３１〜３３で示す。ｎ分割の場合は図示しないが、３１〜３ｎ（ｎは２以上の整数）となる。インナーヒータブロック３の分割体３１〜３ｎの材質は、本実施例ではアルミニウムとしているが、これは、密度が小さいこと、熱伝導率が高いこと、安価であること、機械加工がしやすいこと、ある程度耐食性があることなどの利点が多いことによる。勿論、アルミニウム以外の材料も使用可能である。銅、真鍮、鉄、ステンレス鋼など、熱伝導率が高い金属が使用できる。この点は上記アウターヒータブロック５にも適用される。

分割体３１〜３ｎが集合したインナーヒータブロック３の外面形状は、インナーチューブ２の内面形状に一致しており、後述する弾発材８によって径方向に広げられ、分割体３１〜３ｎの外面はインナーチューブ２の内面にそれぞれ押圧されるようになっている。この場合、一定温度（液体原料Ｌの気化温度）に加熱した時の各分割体３１〜３ｎの外周面の曲率をインナーチューブ２の内面の曲率に一致するように形成しておけば、使用に必要な温度（液体原料Ｌの気化温度）の時に、インナーヒータブロック３を構成する分割体３１〜３ｎの外周面全面がインナーチューブ２の内面に接触することになる。

上記のようにインナーヒータブロック３は複数に分割可能であるが、ここでは、３分割されたインナーヒータブロック３を中心に説明する。３分割されたインナーヒータブロック３の分割体３１〜３３には、インナーヒータ９１〜９３と温度センサ１０１〜１０３がそれぞれ挿入されている。
そして、横断面扇形の分割体３１〜３３の対向面３１ｍ〜３３ｍの間には隙間Ｃが設けられ、且つ上記対向面３１ｍ〜３３ｍには互いに対向する位置にバネ収納穴３５が設けられている。このバネ収納穴３５はインナーヒータブロック３の先端部分と基端部分に対として設けられ、３つの隙間Ｃにおいて１対ずつ３セットが設けられている。

分割体３１〜３３のバネ収納穴３５の内部には弾発材８が収納されている。弾発材８は、分割体３１〜３３の対向面３１ｍ〜３３ｍの間の隙間Ｃを押し広げる方向に押圧付勢するもので、ここでは耐熱性に優れた素材で形成されたコイルばねが使用されている。コイルばね以外の弾発材８としては、波型座金、板バネなども使用できる。
なお、弾発材８の弾性力は、インナーチューブ２が破損しない程度の強度を選択する。そして、伝熱効率を高めるために、分割体３１〜３３の対向面３１ｍ〜３３ｍ間の隙間Ｃに、伝熱性の良好な伝熱ペーストを充填塗布することも可能である。

インナーチューブ２の外周面には同一円周上で少なくとも３点の微小な突起６が先端部分と基端部分にて前後２列環上に設けられており、インナーチューブ２をアウターチューブ１に挿入した時にこの微小な突起６がアウターチューブ１の内周面に接触してインナーチューブ２とアウターチューブ１との間に全周に亘って均一な且つ十分に狭い気化用隙間Ｒを形成する。この気化用隙間Ｒはアウターチューブ１の基端側で前述のように出口ノズル１１に繋がっている。この出口ノズル１１は例えばシリコン基板酸化用の反応炉Ｈに接続されている。

気化用隙間Ｒの幅Ｗは、特段限定されるものではないが、該幅Ｗは気化効率の面から高い熱伝達率を有する温度境界層が形成される範囲であることが好ましい。即ち、インナーチューブ２の外周面又はアウターチューブ１の内周面の温度を壁面温度とすると、これら壁面から離れるに従って流体温度が次第に下がり、或る温度で一定の温度（一様流温度）になる。壁面から一定の温度になる範囲が温度境界層である。気化用隙間Ｒの幅Ｗをこの範囲にすることが好ましい。そうすれば、気化用隙間Ｒを流れる通流流体Ｑの温度は、壁面温度に近い温度に保たれることになる。

インナーチューブ２とアウターチューブ１のヒータ挿入側の開口端は全周に亘って融着され、前記気化用隙間Ｒのヒータ挿入側の開口側端部は全周に亘って閉塞される。アウターチューブ１に収納されたインナーチューブ２の先端頭部２ａは噴霧口７３方向に向いており、噴霧口７３が設けられている閉塞端１ａと先端頭部２ａとの間に霧化空間Ｍが設けられている。そしてこの霧化空間Ｍに気化用隙間Ｒが全周に亘って連通している。

熱源としては電気ヒータが使用され、図の実施例ではインナーヒータ９とアウターヒータ４とが使用されている。勿論、加熱が十分であれば、インナーヒータ９だけでも構わない。インナーヒータ９は上記のように分割体３１〜３３の内側にそれぞれ挿入されている。それぞれ挿入されているインナーヒータを符号９１〜９３で表す。
なお、従来では低熱膨張率のインナーチューブ２の内径に対してインナーヒータブロック３の外径を、インナーヒータブロック３の熱膨張を考慮した外径としていたため、両者の間には大きな空隙が発生し、大量の接着用の伝熱ペーストの使用を余儀なくされたが、本発明では、インナーヒータブロック３の分割体３１〜３３の外周面全面がインナーチューブ２の内周面に押圧して接触することになり、原則的には伝熱ペーストを使用する必要がなくなった。ただし、インナーヒータブロック３の分割体３１〜３３は金属材料の機械加工品であるため、その外形形状は正確に仕上がるが、インナーチューブ２は耐熱ガラス（石英ガラス）であるため、その加工精度は機械加工に劣る。それ故、熱によって該伝熱ペーストが変質しても全体の熱伝導性を損なわない程度の極少量の伝熱ペーストの使用は容認される。

温度センサ１０に付いては、各インナーヒータ９１〜９３に対しては温度センサ１０１〜１０３がそれぞれ装備されており、インナーヒータ９１〜９３の温度を個別に制御している。アウターヒータ４はいずれかのインナーヒータ９１〜９３の温度センサ１０１〜１０３に連動するように制御してもよいし、或いは三つの温度センサ１０１〜１０３の平均値を算出しこれに連動するように制御してもよい。勿論、アウターヒータ４に対しては独自に温度センサ１２を用意してもよい。ここでは独自に温度センサ１２を設置した場合を示す。なお、アウターヒータ４はアウターヒータブロック５に合わせて分割されているので、温度センサ１２も個別に用意されることになる。

次に、本発明の気化器Ａの作用について説明する。図４は本発明の気化器Ａを使用した半導体製造装置の装置構成の一例で、液体原料Ｌ（本実施例では過酸化水素水）が貯蔵された、加圧ガスＧ０により液体原料Ｌが送り出される原料タンクＴ、前記原料タンクＴに接続され、供給された液体原料Ｌを一定流量だけ送り出す液体流量制御器Ｅ、窒素ガスや酸素ガスなどの霧化ガス供給源に接続され、これら霧化ガスＧ１を質量流量だけ送り出す質量流量制御器Ｓ、前記液体流量制御器Ｅから送り出された液体原料Ｌを受け取る液体原料導入管７ｂと質量流量制御器Ｓからの霧化ガスＧ１を受け取る噴霧ガス管７ａとで構成されたアトマイザ７、該アトマイザ７がその入口部分に装備され、例えばシリコン基板酸化用の反応炉Ｈに気化ガスＧ２（本実施例では過酸化水素含有水蒸気ガス）を一定量安定的に供給する気化器Ａとで構成されている。

この装置Ａにおいて、ヒータ４（９）が通電されるとこれらが発熱し、インナーチューブ２内ではインナーヒータブロック３が加熱され、アウターチューブ１ではアウターヒータブロック５が加熱される。
耐熱ガラスで構成されたインナーチューブ２内では、昇温と共にインナーヒータブロック３の分割体３１〜３３が次第に熱膨張する。一方、インナーチューブ２は殆ど熱膨張せず内径がほぼ一定に保たれている。分割体３１〜３３の外周面はインナーチューブ２の内周面に押圧されており、熱膨張した分割体３１〜３３は対向面３１ｍ〜３３ｍ間の隙間Ｃを狭くする方向に膨張して弾発材８を押し縮める。なお、弾発材８の弾性力は、既述のようにインナーチューブ２を破損しない範囲の十分に弱いものが選定される。
そして加熱されたアウターヒータブロック５及びインナーヒータブロック３がアウターチューブ１及びインナーチューブ２を所定温度まで加熱すると、液体原料Ｌ（本実施例では過酸化水素水）がアトマイザ７の副供給孔７ｄに供給され、同時に主供給孔７ｃに霧化ガスＧ１が圧入される。これによって噴霧口７３から液体原料Ｌが霧状流体Ｋとなって霧化空間Ｍ内に吹き込まれる。

この霧状流体Ｋはインナーチューブ２の球状の先端頭部２ａに衝突し、インナーチューブ２の周囲を旋回しながら出口ノズル１１に向かって気化用隙間Ｒ内を進む。即ち、気化用隙間Ｒ内で旋回流を発生させる。これにより加熱時間を十分に確保することが出来る。この間、気化用隙間Ｒ全体が温度境界層となっている場合には、前記旋回流は壁面温度に近い温度に熱せられて急速に気化し、気化ガスＧ２となって出口ノズル１１から排出され、反応炉Ｈに供給される。

上記インナーヒータブロック３の分割体３１〜３３の外周面全面がインナーチューブ２の内周面に隙間なく接触しているので（或いは、極少量の伝熱ペーストを介して接触しているので）、分割体３１〜３３からの熱が効率よく、インナーチューブ（石英ガラス管）２に伝達される。この場合、従来のような伝熱ペーストをこの部分に使用していないので（仮に、極少量の伝熱ペーストを使用していたとしても、その劣化が熱伝導性を阻害しない量なので）、従来より高温にすることができる。その結果、液体原料Ｌの気化効率が著しく向上し、従来に比べて、液体原料Ｌの気化可能流量が飛躍的に増大する。（なお、極少量の伝熱ペーストを使用した場合には、インナーチューブ２の昇温を伝熱ペーストの耐熱温度までとするのが好ましい。）
なお、上記気化器Ａのアトマイザ７、アウターチューブ１及びインナーチューブ２が「石英ガラス」で形成されている場合には、液体原料Ｌが過酸化水素水であったとしても、侵されないので、シリコン基板の表面酸化に適用することが出来る。

Ａ：気化器、Ａｈ：気化器本体、Ａｋ：加熱部、Ｃ：隙間、ＣＬ：中心軸、Ｅ：液体流量制御器、Ｇ０：加圧ガス、Ｇ１：霧化ガス、Ｇ２：気化ガス、Ｈ：反応炉、Ｋ：霧状流体、Ｌ：液体原料、Ｍ：霧化空間、Ｑ：通流流体、Ｒ：気化用隙間、Ｓ：質量流量制御器、Ｔ：原料タンク、Ｗ：気化用隙間の幅、１：アウターチューブ、１ａ：閉塞端、２：インナーチューブ、２ａ：先端頭部、３：インナーヒータブロック、４：アウターヒータ、５：アウターヒータブロック、６：突起、７：アトマイザ、７ａ：噴霧ガス管、７ｂ：液体原料導入管、７ｃ：主供給孔、７ｄ：副供給孔、８：弾発材、９（９１〜９３）：インナーヒータ、１０（１０１〜１０３）：温度センサ、１１：出口ノズル、１２：温度センサ、３１〜３ｎ：分割体、３１ｍ〜３３ｍ：対向面、３５：バネ収納穴、４１・４２：アウターヒータの分割体、５１・５２：アウターヒータブロックの分割体、７３：噴霧口、８０：固定バンド、１０１〜１０３：温度センサ

Claims (2)

1. 液体原料を霧化して吹き出すアトマイザと、一端に前記アトマイザの噴霧口が接続され、他端に気化ガスの出口である出口ノズルを有する中空の気化器本体と、前記気化器本体内に収納された加熱部とで構成された気化器において、
   前記加熱部は、前記気化器本体の内径より小さい外径を有し、挿入端である先端頭部が閉塞された耐熱ガラス製のインナーチューブと、前記インナーチューブに挿入されたインナーヒータブロックと、前記インナーヒータブロックに埋設されたインナーヒータとで構成され、
   前記出口ノズルは、気化器本体の内周面とインナーチューブの外周面の間に形成された気化用隙間に連通するように設置され、
   前記インナーヒータブロックは、前記インナーヒータブロックの中心軸に沿って複数個に分割された分割体と、弾発材とで構成され、
   前記弾発材は、前記分割体の間に配設され、前記分割体を離間方向に押圧付勢して前記分割体の外周面を前記インナーチューブの内周面に押圧させるように働き、
   前記インナーヒータは、前記分割体のそれぞれに埋設されていることを特徴とする気化器。
2. 耐熱ガラスは、石英ガラスであることを特徴とする請求項１に記載の気化器。

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