JP6927098B2 - レンズ集積受光素子及びその検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、異なる波長を有する複数の光信号を電気信号に変換するためのレンズ集積受光素子およびレンズ集積受光素子の形成時に生じる位置ずれについての検査方法に関する。

高速な光信号を電気信号に変換する光受信器を実現するために、受光素子が形成された半導体基板と受光用レンズなどの光学部品が形成された光学基板とを接合して、レンズ集積受光素子を実現する構成が知られている（特許文献１）。

また、波長分割多重光信号を一括して電気信号に変換する光受信器において、波長分波器で空間的に分離した複数の光信号を電気信号に変換するために、複数の受光素子を形成した半導体基板と複数の受光用レンズを形成した光学基板とを接合する構成や、複数の受光用レンズと複数の受光素子を単一の半導体基板にモノリシック集積させる構成（以下、モノリシック集積型レンズ集積受光素子という）が知られている（特許文献２）。これらの構成において、1つの受光用レンズに対して1つの受光素子が割り当てられ、その受光用レンズから入射された光信号は、その対応する受光素子によって電気信号へと変換される。

図５は、従来のレンズ集積受光素子５００の構成例を示す図である。図５のレンズ集積受光素子５００の構成では、レンズ集積受光素子５００は、複数の受光素子５１０が形成されている半導体基板５５０と複数の受光用レンズ５２０が形成された光学基板５４０とを接合して作製される。ここで、受光素子５１０と受光用レンズ５２０との位置関係を説明するために、半導体基板５５０に受光素子５１０が形成されている面をレンズ集積受光素子５００の「表面」として定義した場合、光学基板５４０に形成される受光用レンズ５２０は、レンズ集積受光素子５００の「裏面」に配置される。

半導体基板５５０上に形成される受光素子５１０および光学基板５４０上に形成される受光用レンズ５２０は、半導体露光装置を用いて作製することができる。半導体露光装置は、受光素子５１０および受光用レンズ５２０の作製において、略平板である半導体基板５５０および光学基板５４０が延伸する方向、すなわち図５中に示す水平方向における位置決めについて、半導体露光装置内のウェハステージの位置決め精度の高さに従って、高い精度を有する。したがって、半導体露光装置により作製される、半導体基板５５０上の複数の受光素子５１０同士の水平方向における作製位置の精度は高く、同様に、光学基板５４０上の複数の受光用レンズ５２０同士の水平方向における作製位置の精度も高い。

特開２０１７−１０３４３５ 特開２０１７−９７０７２

一方、レンズ集積受光素子５００の、表面側に形成される複数の受光素子５１０のそれぞれと、それに対応する裏面側に形成される複数の受光用レンズ５２０のそれぞれとの間の水平方向における配置の精度（以下、素子−レンズ間配置精度という）は、半導体基板５５０と光学基板５４０との接合時に生じる、互いに接合された面内における回転ずれまたは水平方向の位置ずれの影響を受けやすい。

また、図５の構成と別の従来の構成であるモノリシック集積型レンズ集積受光素子の構成について、受光素子と受光用レンズとの位置関係を図５に示す方向を用いて説明すると、複数の受光素子は半導体基板の表面側に、複数の受光用レンズは半導体基板の裏面側に形成される。このモノリシック集積型レンズ集積受光素子を作製する場合にも半導体露光装置が用いられる。

半導体基板の表面側への受光素子の作製時および裏面側への受光用レンズの作製時において、作製された受光素子と受光用レンズとの素子−レンズ間配置精度は、各面に対する露光時に生じる回転ずれや位置ずれの影響を受けやすい。

すなわち、図５に示す従来の構成および従来のモノリシック集積型レンズ集積受光素子の構成を作製する場合、半導体基板上に形成される複数の受光素子同士および光学基板上に形成される複数の受光用レンズ同士の水平方向における作製位置は、高い精度を有するが、それらによってレンズ集積受光素子として構成した場合、素子−レンズ間配置精度は、低いものとなる。

図５に示す従来のレンズ集積受光素子の構成を用いて、素子−レンズ間配置精度の検査をする方法を説明する。表面側に形成された受光素子５１０と裏面側に形成された受光用レンズ５２０との間の位置精度、すなわち素子−レンズ間配置精度の検査をするために、まず、設計される光受信器と等しい光学系を有する光入射装置、すなわち専用の検査装置を用意して、次に、レンズ集積受光素子５００の裏面側に形成された受光用レンズ５２０を介して表面側の受光素子５１０に光を入射させ、表面側に形成され受光素子５１０と電気的に接続されている電極５３０から光電流を検知しその値を測定して受光感度を評価する必要があった。そして、この受光感度を基準の指標として、レンズ集積受光素子の素子−レンズ間配置精度の高低の検査をしていた。

この従来のレンズ集積受光素子の素子−レンズ間配置精度の検査方法では、専用の検査装置の光学調芯作業や電極５１０のそれぞれからの通電作業が、複数の受光素子５２０のそれぞれに対して必要になるため、検査工程に時間を要するという課題がある。ひいては、上記の課題によって検査に要するコストが大きいという課題も生じる。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであって、本発明は、高速な波長分割多重光信号を電気信号に変換するためのレンズ集積受光素子における、受光用レンズと受光素子との位置ずれを簡便に検査することを目的とする。

本発明の一実施形態は、光信号を受信するための１または複数の受光用レンズと、受光用レンズの主軸上に位置して、光信号を電気信号に変換する１または複数の受光素子と、照明光を通過させるための１または複数の検査用ピンホールと、受光用レンズの主軸と平行な主軸を有して、前記検査用ピンホールを通過した前記照明光を集光させ、前記検査用ピンホールの像を生成させる、１または複数の検査用レンズと、を備えるレンズ集積受光素子を提供する。

また、本発明の一実施形態は、高速な波長分割多重光信号を電気信号に変換するためのレンズ集積受光素子の検査方法である。ここで、レンズ集積受光素子は、光信号を受信するための１または複数の受光用レンズと、受光用レンズの主軸上に位置して、光信号を電気信号に変換する１または複数の受光素子と、照明光を通過させるための１または複数の検査用ピンホールと、受光用レンズの主軸と平行な主軸を有して、検査用ピンホールを通過した照明光を集光させ、検査用ピンホールの像を生成させる、１または複数の検査用レンズと、を備える。まず、検査に用いる照明光を、１または複数の検査用ピンホールを通過させ、次いで、検査用ピンホールを通過した照明光を、１または複数の検査用レンズを透過させ結像させて、ピンホール像を生成させる。その次に、検査用レンズの主軸と直交する観察面において、観察面に投影されたピンホール像と観察面に投影された検査用レンズとを比較する。

ここで、観察面に投影されたピンホール像と観察面に投影された検査用レンズとの中心が一致するかどうかに基づいて、受光用レンズと受光素子との位置ずれの有無を判断する。

一方、観察面に投影された前記ピンホール像と観察面に投影された検査用レンズとの中心が一致しないときは、受光用レンズと受光素子との位置ずれがあると判断する。

本発明によれば、受光素子と受光用レンズとの間の配置精度に関する検査を、複数の受光用レンズとそれに対応する受光素子レンズ集積受光素子に対して同時に行うことが可能になり、従来の検査方法よりも、検査に要する時間を短縮することが可能である。

また、受光素子と受光用レンズとの間の配置精度に関する検査のために、設計する光受信器と等しい光学系を有する専用の検査装置を準備する必要がなくなり、検査に要するコストを低減させることが可能である。

本発明の一実施形態であるレンズ集積受光素子の構成を示す図である。 本発明の一実施形態であるレンズ集積受光素子の検査方法を示す図である。 本発明の一実施形態であるレンズ集積受光素子の検査方法における、ピンホール像の結像の様子を示す図である。 本発明の一実施形態であるレンズ集積受光素子を光受信器に適用した実施例を示す図である。 従来のレンズ集積受光素子の構成例を示す図である。

本発明の目的は、レンズ集積受光素子の構成における複数の受光素子と複数の受光用レンズとの間の位置精度、すなわち素子−レンズ間配置精度についての検査を、複数の受光用レンズおよびそれに対応する複数の受光素子を備えるレンズ集積受光素子に対して、一括して行うことを可能にすることである。

以下に、本発明のレンズ集積受光素子およびそれを用いたレンズ集積受光素子の検査方法の実施形態を説明する。なお、以下の本発明の実施形態は、例示であり、本発明を実施するための最良の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない限り、その他の構成とすることが可能である。

図１は、本発明の一実施形態である、複数の受光素子１０３が形成される半導体基板１０１と、複数の受光用レンズ１１２が形成される光学基板１１０とを接合させて作製されたレンズ集積受光素子１００の構成を示す図である。図５に示す従来のレンズ集積受光素子５００の構成と異なる点は、検査用レンズ１１１、検査用ピンホール形成部材１０５および検査用ピンホール形成部材１０５により形成される検査用ピンホール１０２を備えることである。

図１の構成では、レンズ集積受光素子１００は、４つの受光素子１０３およびそれに対応する４つの受光用レンズ１１２を備え、レンズ集積受光素子１００の水平方向両端側に、２つの検査用レンズ１１１とおよびそれに対応する２つの検査用ピンホール形成部材１０５を備えている。

検査用ピンホール形成部材１０５のそれぞれは、レンズ集積受光素子１００の表面側に、検査用レンズ１１１のそれぞれは、レンズ集積受光素子１００の裏面側に形成される。検査用ピンホール形成部材１０５は、レンズ集積受光素子１００の裏面側に配置される半導体基板１０１上に形成され、半導体基板１０１上から垂直方向に立設して半導体基板１０１と平行な面を貫通するように孔、すなわち検査用ピンホール１０２が設けられた金属部材である。

４つの受光レンズ１１２および２つの検査用ピンホール１０２は、レンズ集積受光素子１００の表面側に配置される半導体基板１０１の同一面上に作製される。４つの受光素子１０３と２つの検査用ピンホール１０２を、半導体露光装置を用いて作製した場合、水平方向における目標作製位置からのずれは非常に小さく、したがって、受光素子１０３のそれぞれおよび検査用ピンホール１０２のそれぞれの水平方向における作製位置の精度は高い。

また、４つの受光用レンズ１１２および２つの検査用レンズ１１１は、レンズ集積受光素子１００の裏面側に配置される光学基板１１０の同一面上に作製される。受光素子１０３および検査用ピンホール１０２を作製するときと同様に、半導体露光装置を用いて４つの受光用レンズ１１２および２つの検査用レンズ１１１を作製した場合、受光用レンズ１１２のそれぞれおよび検査用レンズ１１１のそれぞれの水平方向における作製位置の精度は高い。

ここで、検査用ピンホール形成部材１０５の材料として、受光素子の作製時に用いる金属材料と同一の金属材料を用いることにより、検査用ピンホール１０２を形成するために、従来の製造工程に特別な工程を追加する必要は無く、受光素子１０３の作製と同時に作製することが可能である。たとえば、好ましい金属材料の種類として金が挙げられる。電極１０４と同一の材料である金を採用することにより、受光素子１０３の作製と同時に検査用ピンホール形成部材１０５を作製することが可能であるのみならず、電極１０４の作製とも同時に検査用ピンホール形成部材１０５を作製することができる。したがって、製造工程の煩雑化および製造工程数の増加を防ぐことができる。

また、検査用レンズ１１１は、受光用レンズ１１２と同じく凸レンズであるため、検査用レンズ１１１を形成するために、特別な工程を追加する必要は無く、受光用レンズ１１２の作製と同時に作製することが可能である。

次に、本発明の検査方法についての一実施形態を説明する。

本発明の検査方法は、複数の受光素子を形成した半導体ウェハ基板と複数のレンズを形成した光学ウェハ基板とを接合した状態で、受光素子とそれに対応する受光用レンズとの間の配置精度である、素子−レンズ間配置精度を、複数の受光用レンズとそれらにそれぞれ対応する受光素子について同時に検査をすることを目的とする。

図２は、図１に示す本発明のレンズ集積受光素子１００についての、素子−レンズ間配置精度の検査方法を示す図である。この図２に示す検査方法は、光学基板２５０と半導体基板２４０とが接合されているウェハの製造工程において適用される。実際のウェハの製造工程では、レンズ集積受光素子は、単一のウェハ内に複数個作製されるが、説明を簡単にするために、図２では、４つの受光用レンズ２１１、２１２、２１３、２１４、それらのそれぞれに対応する４つの受光素子（図示せず）、および２つの検査用レンズ２１５、２１６を備えた４チャンネルのレンズ集積受光素子２１０を１チップとし、２チップの４チャンネルのレンズ集積受光素子２１０、２２０が、ウェハ２００上に形成された状態を示している。

以下では、図２の水平方向左側に位置する４チャンネルのレンズ集積受光素子２１０に着目して説明する。

まず、ウェハ２００を、半導体基板２４０が垂直方向下側となり、光学基板２５０が垂直方向上側となるように、水平方向に延伸しているウェハ保持板２３０上に載置させる。次に、垂直方向下側から照明２６０から射出される照明光２６１を、レンズ集積受光素子２１０に対して照射する。そこで、図１に示す検査用ピンホール１０２を通過した照明光２６１は、検査用レンズ２１５、２１６を透過して、結像面２０１上で結像する。このとき、結像面２０１と検査用カメラ２７０の焦点面２０２とを一致させ合焦させることにより、検査用カメラ２７０を用いて検査用ピンホール１０２により結像した像（以下、ピンホール像という）を観察することができる。このピンホール像を観察することにより、検査用ピンホールと検査用レンズ２１５、２１６との間の水平方向における位置精度を検査することが可能である。

ここで、照明光２６１は、半導体基板２４０および光学基板２５０を光学的に透過し、かつピンホール形成部材を光学的に透過しない単一波長または帯域波長である。本発明の検査方法の実施において採用される照明光２６１の波長は、単一波長の場合には波長分割多重信号光の平均波長（たとえば１３００ｎｍ）であり、帯域幅を有する場合には上記波長分割多重信号光の平均波長からその半分の波長（たとえば６５０ｎｍ〜１３００ｎｍ）であることが好ましい。

照明光２６１の波長が帯域幅を有する場合、上記の波長範囲に規定することにより、ピンホール像を可視光域において観察することが可能となり、ひいては、検査用カメラ２７０の構成が平易なものとなるメリットを生じる。

つまり、検査用ピンホールと検査用レンズとの間の水平方向における位置精度を検査することにより、検査用ピンホール形成部材と同時に作製される受光素子と検査用レンズ２１５、２１６と同時に製造される受光用レンズ２１１、２１２、２１３、２１４との水平方向における配置の精度、すなわち素子−レンズ間配置精度を間接的に検査することが可能である。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、図２に示す検査方法において取得されるピンホール像の結像の状態を示す図である。図３（ａ）は、受光素子とそれに対応する受光用レンズ３０２との間の水平方向における配置の精度が良い場合、すなわち素子−レンズ間配置精度が高い場合を示し、図３（ｂ）は、半導体基板と光学基板を接合するときの位置ずれによる回転ずれ、またはモノリシック集積型レンズ集積受光素子の作製時における表裏面での露光時の位置ずれによる回転ずれの影響により、素子−レンズ間配置精度が低い場合を示す。

まず、素子−レンズ間配置精度が高い場合について説明する。図３（ａ）に示すように、検査用ピンホール３０４を通過した照明光３０５が検査用レンズ３０３を透過して、その透過光３０６が結像面３０７上において結像してピンホール像３３０が得られる。このとき得られるピンホール像３３０は、垂直方向に略平行な法線を有する面と平行である裏面側から観察すると、円形であり、その円の中心をレンズ主軸３０８が垂直方向に通過するように、結像面３０７上で結像する。図３（ａ）に示されるように、結像面３０７において、検査用レンズ３０３の中心とピンホール像３３０の中心とが一致するように、ピンホール像３３０が観察される。

このピンホール像３３０の状態は、照明光３０５が通過する円柱状の検査用ピンホールの円柱中心軸が検査用レンズ３０３のレンズ主軸３０８と一致していることを意味し、すなわち素子−レンズ間配置精度が高いことを意味している。

次に、素子−レンズ間配置精度が低い場合について説明する。図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）と同様に、検査用ピンホール３０４を通過した照明光３０５が検査用レンズ３０３を透過して、その透過光３０６が結像面３０７上において結像してピンホール像３０４が得られる。このとき得られるピンホール像３３０は、垂直方向に略平行な法線を有する面と平行である裏面側から観察すると、円形である。このとき観察される円形のピンホール像の中心は、レンズ主軸３０８を通過せずに、結像面３０７上で結像する。

つまり、図３（ｂ）に示されるように、結像面３０７において、検査用レンズ３０２の中心とピンホール像３３０の中心とが一致しないように、ピンホール像が観察される。

このピンホール像３３０の状態は、照明光３０５が通過する円柱状の検査用ピンホール３０４の円柱中心軸と検査用レンズ３０３のレンズ主軸３０８とが、水平方向において位置がずれていることを意味し、すなわち、図３（ａ）の場合と比較した場合、素子−レンズ間配置精度が低いことを意味している。

したがって、照明光３０５を検査用ピンホール形成部材３０１により形成された検査用ピンホール３０４を通過させ、通過した光が検査用レンズ３０３を透過した透過光３０６により結像面３０７上に結像されるピンホール像３３０の結像の状態を観察することにより、素子−レンズ間配置精度の高低を定性的に検査することもできる。

さらに、図３（ｂ）に示すように、半導体基板３１０と光学基板３０９の接合時に、垂直方向に略平行な法線を有する面内方向において回転ずれが生じた場合について詳細に説明する。まず、レンズ集積受光素子の裏面側から観察し、複数の円形状の検査用レンズ３０３の中央を横貫する線分３１１と複数の円形状の検査用レンズ３０３の中央を縦貫する線分３２１とを基準線として取得する。次に、結像面３０７で結像する複数の円形のピンホール像３３０の中心を横貫する線分３１２と複数の円形のピンホール像３３０の中心を縦貫する線分３２２とを検査線として取得する。

ここで、基準線３１１と検査線３１２とのなす角度、および基準線３２１と検査線３２２とがなす角度とを計測することにより、半導体基板３１０と光学基板３０９との接合時に生じた回転ずれの度合いを定量的に検査することができる。

具体的には、凸レンズである検査用レンズ３０３の曲率、照明光３０５の波長、検査用ピンホール３０４の口径、検査用ピンホール形成部材３０１の検査用ピンホール３０４近傍における照明光３０５の反射、または複数の検査用レンズ３０３の中心位置同士の距離などの条件により、検査された回転ずれの精度は影響を受けるが、この検査された定量的な回転ずれは、図３（ａ）および図３（ｂ）より、幾何光学の見地から、定量的に導出可能なことは明らかである。

図４は、波長分割多重光信号を入力したときに、複数の波長に多重化された信号について同時に電気信号に変換する光受信器に、図１に示す構成と同じ構成であるレンズ集積受光素子４４０を適用した一実施形態を示す。波長分波器に備えられる光導波路基板４００上に形成した複数の光導波路４０１によって、空間的に分離した複数の信号光４０３は、光導波路４０１の射出面４０２から垂直方向に射出される。射出された複数の信号光４０３は、光学基板４１０上に形成された複数の受光用レンズ４２０により集光され、それぞれの受光用レンズ４２０に対応する受光素子４１２に入力され、電気信号に変換される。

このとき、本発明の特徴である、検査用ピンホール形成部材４２１、検査用ピンホール４２２および検査用レンズ４２０は、レンズ集積受光素子４４０の水平方向両端側に設けられるため、複数の受光用レンズ４１１とそれに対応する複数の受光素子４１２と距離が離れている。したがって、検査用ピンホール形成部材４２１、検査用ピンホール４２２および検査用レンズ４２０は、受光用レンズ４１１に入射される信号光４０３を遮蔽せず、光受信器であるレンズ集積受光素子４４０が有する光電変換の機能に何ら影響を与えないことは明らかである。

また、図２および図３に示す検査方法において、照明光２６１、３０５の透過光２５２、３０６は、検査用レンズ２１５、２１６、３０３を透過して結像面２０１、３０７において結像するのに対し、図４に示すレンズ集積受光素子４４０において、信号光４０３は、受光用レンズ４１１で受光され集光される。

つまり、光学基板上に作製する検査用レンズの形状と受光用レンズの形状とを同一にした場合、図２および図３におけるピンホール像の結像面２０１、３０７と凸レンズである検査用レンズの頂点との距離は、図４における光導波路４０１の出射面４０２と凸レンズである受光用レンズの頂点との距離と一致する。

すなわち、本発明のレンズ集積受光素子は、従来の受光用レンズに加えて検査用レンズを製造する際に、新たなレンズの設計および新たな製造工程の追加を必要としない。そのため、低コストで、検査用レンズを備えることができ、さらにそれを用いた検査も従来よりも容易な方法である。

１００、４４０、５００ レンズ集積受光素子
１０１、２４０、３１０、４３０、５５０ 半導体基板
１０２、３０４、４２２ 検査用ピンホール
１０３、４１２、５１０ 受光素子
１０４、５３０ 電極
１０５、３０１、４２１ 検査用ピンホール形成部材
１１０、２５０、３０９、４１０、５４０ 光学基板
１１１、２１５、２１６、３０３、４２０ 検査用レンズ
１１２、２１１、２１２、２１３、２１４、３０２、４１１、５２０ 受光用レンズ
２００ ウェハ
２０１、３０７ 結像面
２０２ 焦点面
２１０、２２０ ４チャンネルのレンズ集積受光素子
２３０ ウェハ保持板
２５２、３０６ 透過光
２６０ 照明
２６１、３０５ 照明光
２７０ 検査用カメラ
３０８ レンズ主軸
３１１、３２１ 基準線
３１２、３２２ 検査線
３３０ ピンホール像
４００ 光導波路基板
４０１ 光導波路
４０２ 光導波路４０１の射出面
４０３ 信号光

Claims (7)

1. 異なる波長を有する複数の光信号を電気信号に変換するためのレンズ集積受光素子であって、
   前記光信号を受信するための１または複数の受光用レンズと、
   前記受光用レンズの主軸上に位置して、前記光信号を電気信号に変換する１または複数の受光素子と、
   照明光を通過させるための１または複数の検査用ピンホールと、
   前記受光用レンズの主軸と平行な主軸を有して、前記検査用ピンホールを通過した前記照明光を集光させ、前記検査用ピンホールの像を生成させる、１または複数の検査用レンズと、
   を備えるレンズ集積受光素子。
2. 前記受光用レンズおよび前記検査用レンズは、前記受光用レンズの主軸と直交する第１の平面上に配列され、
   前記受光素子とおよび前記検査用ピンホールは、前記受光用レンズの主軸と直交する第２の平面上に配列される、
   請求項１に記載のレンズ集積受光素子。
3. 前記受光用レンズおよび前記検査用レンズは、凸レンズである、請求項２に記載のレンズ集積受光素子。
4. 前記受光用レンズおよび前記検査用レンズは、同一の透光性基板上に形成され、
   前記受光素子および前記検査用ピンホールは、同一の半導体基板上に形成される、
   請求項１乃至３のいずれかに記載のレンズ集積受光素子。
5. 前記検査用ピンホールは、前記半導体基板上から垂直方向に立設する検査用ピンホール形成部材の前記半導体基板と平行な面を貫通する孔である、
   請求項４に記載のレンズ集積受光素子。
6. 前記検査用ピンホール形成部材は、金属を含み、当該金属は前記受光素子に含まれる金属と同一である、請求項５に記載のレンズ集積受光素子。
7. 異なる波長を有する複数の光信号を電気信号に変換するためのレンズ集積受光素子の検査方法であって、
   前記レンズ集積受光素子は、
   前記光信号を受信するための１または複数の受光用レンズと、
   前記受光用レンズの主軸上に位置して、前記光信号を電気信号に変換する１または複数の受光素子と、
   照明光を通過させるための１または複数の検査用ピンホールと、
   前記受光用レンズの主軸と平行な主軸を有して、前記検査用ピンホールを通過した前記照明光を集光させ、前記検査用ピンホールの像を生成させる、１または複数の検査用レンズと、
   を備え、
   検査に用いる照明光を、前記１または複数の検査用ピンホールを通過させ、
   前記検査用ピンホールを通過した照明光を、１または複数の検査用レンズを透過させ結像させて、ピンホール像を生成させ、
   前記検査用レンズの主軸と直交をなす観察面において、前記観察面に投影された前記ピンホール像と前記観察面に投影された前記検査用レンズとを比較して、
   前記観察面に投影された前記ピンホール像と前記観察面に投影された前記検査用レンズとの中心が一致するかどうかに基づいて、受光用レンズと受光素子との位置ずれの有無を判断する、
   レンズ集積受光素子の検査方法。

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