JP7494386B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線装置に係り、特に高信頼な荷電粒子線発生装置を有する荷電粒子線装置に関する。

一般的に、電子顕微鏡用の電子ビーム発生装置では電子銃から発生した電子ビームを試料に照射するものと、電子銃から発生した電子ビームを加速管によりさらに加速して試料に照射するものに大別できる。前者は主に大きな電子エネルギーを必要としない走査型電子顕微鏡、後者は主に大きな電子エネルギーを必要とする透過型電子顕微鏡に適用されることが多い。
透過型電子顕微鏡では１００ｋＶ以上の高電圧を用いるため、絶縁破壊を起こさない高信頼な絶縁構造が必要である。

加速管を用いた電子ビーム発生装置の一例として、特許文献１に記載される電子銃がある。特許文献１では、絶縁ガス空間内にシールドを有する高信頼な絶縁構造に、絶縁ガスを循環させて電子銃の冷却を実現している。
構造上、電子銃には突起があり、その突起先端は高電界となるため、放電による絶縁破壊を起こす可能性がある。しかしながら、上述のように高電位のシールドにより電子銃を包囲すると、突起先端の電界を緩和でき、放電による絶縁破壊を抑制できる。
電子銃の各電極或いは加速電極はそれぞれ別の電位とする必要があり、特許文献１では、ケーブルヘッドと呼ぶ多芯のブッシングにより大気中から絶縁ガス中に電流が導入され、絶縁ガス内の配線によりそれぞれに電圧が印加される。

特開昭５２－７９７５８号公報

しかしながら、特許文献1に開示される構成では、高電位の配線が、配線相互間或いは接地電位である絶縁ガス容器との間で放電し、絶縁破壊を起こす可能性を有することが危惧される。
そこで、本発明は、高信頼な絶縁構造を実現可能な荷電粒子線装置を提供する。

上記課題を解決するため、本発明に係る荷電粒子線装置は、荷電粒子線発生装置から試料に対し荷電粒子線を照射し、試料から発生する荷電粒子を検出し試料画像を生成又は試料を加工する荷電粒子線装置であって、前記荷電粒子線発生装置は、絶縁ガスが満たされた金属製ハウジングの内部に配される荷電粒子源及びシールドと、前記荷電粒子源の下部に配される加速電極と、を備え、前記シールドは前記加速電極と電気的に接続されており、前記シールドを介して前記加速電極に給電することを特徴とする。
また、本発明に係る荷電粒子線装置は、荷電粒子線発生装置から試料に対し荷電粒子線を照射し、試料から発生する荷電粒子を検出し試料画像を生成又は試料を加工する荷電粒子線装置であって、前記荷電粒子線発生装置は、絶縁ガスが満たされた金属製ハウジングの内部に配される荷電粒子源及びシールドと、前記荷電粒子源の下部に配される加速電極と、を備え、前記シールドの電位を前記荷電粒子源のいずれかの箇所と同電位とし、前記シールドと前記加速電極は異なる電位であり、前記シールドの内側に配される加速管給電用配線により前記加速電極に給電することを特徴とする。

本発明によれば、高信頼な絶縁構造を実現可能な荷電粒子線装置を提供することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例に係る実施例１の電子ビーム発生装置の縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る荷電粒子線装置の全体構成図である。 本発明の他の実施例に係る実施例２の電子ビーム発生装置の縦断面図である。 本発明の他の実施例に係る実施例３の電子ビーム発生装置の縦断面図である。 本発明の他の実施例に係る実施例４の電子ビーム発生装置の縦断面図である。 本発明の他の実施例に係る実施例５の電子ビーム発生装置の縦断面図である。

以下では、本発明の荷電粒子線装置として、試料上に一次電子線を照射し二次元走査することで試料から発生する二次電子を検出し画像形成する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を例に説明する。なお、本発明の荷電粒子線装置は、走査電子顕微鏡に限られず、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）又は収束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）加工装置等も含まれる。

図２は、本発明の一実施形態に係る荷電粒子線装置の全体構成図である。本実施例における荷電粒子線装置としての走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）１は、図示しない真空排気系により真空状態に維持された筐体２内に、一次電子を放出する電子ビーム発生装置２１、電子ビーム発生装置２１より放出された一次電子を試料保持部２６上の試料２５表面上に集束する集束レンズ２２、集束された一次電子線２８を試料２５上で二次元走査可能に偏向する偏向器２３、対物レンズ２４、一次電子線２８の照射により試料２５より発生する二次電子２７を検出する二次電子検出器６を備えている。

また、集束レンズ２２への印加電圧を制御する集束レンズ制御部３、制御装置７から指令値として供給される一次電子線２８の偏向量に基づき偏向器２３を制御する偏向制御部４、二次電子検出器６からの信号に基づき画像データを生成する検出信号処理部５を備えている。ここで、二次電子検出器６は、試料２５から発生する二次電子２７が衝突することにより発光する蛍光体、光信号を電気信号に変換し増幅する光電子増倍管から構成される。なお、二次電子検出器６として、半導体検出器等を用いても良い。また、検出信号処理部５は、図示しない光電子増倍管からの電気信号を増幅するアンプ、増幅後の電気信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、Ａ／Ｄ変換器からのディジタル信号及び偏向制御部４から偏向器２３へ出力される偏向量及び走査タイミングに基づいて各画素における輝度を算出し画像データを生成する画像形成部を有している。

更に、走査電子顕微鏡１は、バス１１を介して、集束レンズ制御部３、偏向制御部４、検出信号処理部５及び外部記憶媒体９と接続される制御装置７及び表示装置８を備えている。外部記憶媒体９には、検出信号処理部５により生成された画像データあるいはパターン形状情報（ＣＡＤデータ等）を格納可能となっている。

以下では、荷電粒子線装置の一例として、電子顕微鏡を構成する荷電粒子線発生装置としての電子ビーム発生装置の詳細について図面を用いて、実施例を説明する。
なお、電子銃を荷電粒子源の一例として、電子銃シールドを荷電粒子源シールドの一例として説明する。また、電子銃制御装置を荷電粒子源制御装置の一例として説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る実施例１の電子ビーム発生装置の縦断面図である。
図１に示すように、電子ビーム発生装置２１は、絶縁ガス１０２が満たされた金属製ハウジング１０１、金属製ハウジング１０１の内部に配される電子銃１０３とシールド１１０、電子銃１０３の下部に配されるｎ個の加速電極１１１－１～ｎ，それらの間を絶縁する絶縁材１１２－１～ｎ，各加速電極間を電気的に接続する抵抗器１１３～ｎ、多芯ケーブル１０９及びブッシング１０８にて構成される。

金属製ハウジング１０１は、一部に非金属製の部材を使用しても良いが、内面は金属或いは導電性の材質であることが望ましい。
絶縁ガス１０２は、六フッ化硫黄，窒素，二酸化炭素，空気，或いは炭素とフッ素を含む各種化合物が挙げられる。

電子ビーム発生装置２１を構成する電子銃１０３には、電子源１０４、サプレッサ電極１０５、及び引き出し電極１０６が真空１０７中に配置されている。電子銃１０３の下部には、ｎ個の加速電極１１１－１～ｎ，それらの間を絶縁する絶縁材１１２－１～ｎ，各加速電極間を電気的に接続する抵抗器１１３～ｎがある。

外部の高電圧発生装置（図示せず）と接続した多芯ケーブル１０９及びブッシング１０８を介して、高電圧が金属製ハウジング１０１内に導入され、絶縁ガス１０２内の配線を介して電子銃１０３の電子源１０４、サプレッサ電極１０５、引き出し電極１０６、及びシールド１１０に給電される。ここでシールド１１０は、導電性部材、例えば、金属材料からなる。
シールド１１０は、加速電極１１１－１と電気的に接続されており、加速電極１１１－１はシールド１１０を介して給電される。
上述の構成において、各部の電位を、電子源１０４＜引き出し電極１０６＜加速電極１１１－１・・・加速電極１１１－ｎ、とすることにより電子ビーム１１４を発生することができる。

シールド１１０及び／又は金属製ハウジング１０１の内面に絶縁性塗料を塗布してもよい。絶縁性塗料は体積抵抗率１０^１２Ωｃｍ以上が望ましい。
また、塗料の中に、異物付着時の電界緩和効果により絶縁信頼性を高めることが可能な酸化亜鉛，炭化ケイ素，チタン酸バリウム等の抵抗率の電界依存性を有する非線形抵抗材料を添加することも望ましい。
上記構成の電子ビーム発生装置２１を用いて電子顕微鏡を構成する。
上記構成により、ブッシング１０８から加速電極１１１－１への給電にシールド１１０を用いることにより、専用の高電位の配線を必要とせず、配線の電界集中による絶縁信頼性の低下を生じない。
さらに絶縁性塗料の効果により絶縁信頼性が向上し、絶縁破壊を起こさない高信頼な絶縁構造を実現可能である。

以上の通り本実施例によれば、高信頼な絶縁構造を実現可能な荷電粒子線装置を提供することが可能となる。
また、本実施例によれば、電子銃とハウジングの間の絶縁ガス空間内に加速電極と同電位のシールドを有し、ブッシングから加速電極への給電にシールドを用いることにより、専用の高電位の配線を必要とせず、配線の電界集中による絶縁信頼性の低下を生じないため，絶縁破壊を起こさない高信頼な絶縁構造を実現可能である。

図３は、本発明の他の実施例に係る実施例２の電子ビーム発生装置の縦断面図である。本実施例に係る電子ビーム発生装置２１ａは、上述の実施例１の構成に加えて、シールド１１０と電子銃１０３の間に、電子銃シールド１１５を備える点に特徴を有する。その他の構成は上述の実施例１と同様であり、実施例１と同様の構成要素に同一符号を付し、以下では実施例１と重複する説明を省略する。

図３に示される電子銃シールド１１５は、電子銃１０３のいずれかの箇所と電気的に接続し同電位となる。図３では電子源１０４と同電位とする構成を示すが、これに限られるものではない。例えば、電子銃シールド１１５が、サプレッサ電極１０５、引き出し電極１０６、或いは電子銃に備えたその他の電極と電気的に接続し同電位とする構成でも良い。

上述の実施例１と同様に、シールド１１０、金属製ハウジング１０１及び／又は電子銃シールド１１５の内面に絶縁性塗料を塗布しても良い。上述の実施例１で示した絶縁性塗料を塗布しても良い。

上記構成の電子ビーム発生装置２１ａを用いて電子顕微鏡を構成する。
上記構成により、加速電極１１１-１と同電位のシールド１１０と電子銃１０３の間に、電子銃１０３のいずれかの箇所と同電位の電子銃シールド１１５を有することにより、配線や端子の電界集中による絶縁信頼性の低下を生じないため、電子銃と加速電極と同電位のシールドの間に絶縁破壊を起こさない高信頼な絶縁構造を実現可能である。

本実施例によれば、実施例１の効果に加え、加速電極と同電位のシールドと電子銃の間に、電子銃のいずれかの箇所と同電位のシールドを有することにより、配線や端子の電界集中による絶縁信頼性の低下を生じないため，電子銃と加速電極と同電位のシールドの間に絶縁破壊を起こさない高信頼な絶縁構造を実現可能な荷電粒子線装置を提供することが可能となる。

図４は、本発明の他の実施例に係る実施例３の電子ビーム発生装置の縦断面図である。本実施例に係る電子ビーム発生装置２１ｂでは、ブッシング１０８と多芯ケーブル１０９を複数備える点が実施例１と異なる。その他の構成は上述の実施例１と同様であり、実施例１と同様の構成要素に同一符号を付し、以下では実施例１と重複する説明を省略する。

図４に示すように、電子ビーム発生装置２１ｂは、上述の実施例１の電子ビーム発生装置２１おいて、ブッシング１０８－１と多芯ケーブル１０９－１、及びブッシング１０８－２と多芯ケーブル１０９－２を備えている。
図４では、ブッシング１０８－１と多芯ケーブル１０９－１、及びブッシング１０８－２と多芯ケーブル１０９－２を、中心軸に対して反対側に配置している。換言すれば、ブッシング１０８－１と多芯ケーブル１０９－１、及びブッシング１０８－２と多芯ケーブル１０９－２を、相互に対向するよう配置している。なお、ブッシング１０８－１と多芯ケーブル１０９－１、及びブッシング１０８－２と多芯ケーブル１０９－２の配置は、これに限られるものではない。例えば、ブッシング１０８－１と多芯ケーブル１０９－１、及びブッシング１０８－２と多芯ケーブル１０９－２を、金属製ハウジング１０１の上部に配置しても良い。

なお、図４では、実施例１の電子ビーム発生装置２１おいて、ブッシング１０８－１と多芯ケーブル１０９－１、及びブッシング１０８－２と多芯ケーブル１０９－２を備える構成を説明したがこれに限らず、実施例２の電子ビーム発生装置２１ａにおいて、ブッシング１０８－１と多芯ケーブル１０９－１、及びブッシング１０８－２と多芯ケーブル１０９－２を備える構成としても良い。

上記構成の電子ビーム発生装置２１ｂを用いて電子顕微鏡を構成する。
上記構成により、実施例１及び実施例２と同様に高信頼な絶縁構造を実現可能であるとともに、芯数の少ない多芯ケーブル１０９及びブッシング１０８を使用でき、高電位の配線を十分な距離を持って配置することが可能となり、さらに高信頼な絶縁構造を実現可能である。

本実施例によれば、実施例１及び実施例２の効果に加え、芯数の少ない多芯ケーブル及びブッシングを使用でき、高電位の配線を十分な距離を持って配置することが可能となり、さらに高信頼な絶縁構造を実現可能な荷電粒子線装置を提供することが可能となる。

図５は、本発明の他の実施例に係る実施例４の電子ビーム発生装置の縦断面図である。本実施例に係る電子ビーム発生装置２１ｃでは、制御用配線１１７、電流導入端子１１６、及び電子銃制御装置１１８を備える点が実施例１と異なる。その他の構成は上述の実施例１と同様であり、実施例１と同様の構成要素に同一符号を付し、以下では実施例１と重複する説明を省略する。

図５に示すように、電子ビーム発生装置２１ｃは、上述の実施例１の電子ビーム発生装置２１おいて、更に制御用配線１１７、電流導入端子１１６、及び電子銃制御装置１１８を備える。なお、制御用配線１１７及び電流導入端子１１６は一つ以上備えることが好ましい。制御用配線１１７は電線でも良く、光ケーブルでも構わない。

制御用配線１１７はシールド１１０に設けられた開口を介して、電子銃制御装置１１８に接続されており、電子銃１０３の電圧及び／又は電流のＯＮ／ＯＦＦなどを制御する信号を伝送する。

なお、図４では、実施例１の電子ビーム発生装置２１おいて、更に制御用配線１１７、電流導入端子１１６、及び電子銃制御装置１１８を備える構成としたがこれに限られるものではない。例えば、実施例２の電子ビーム発生装置２１ａ又は実施例３の電子ビーム発生装置２１ｂにおいて、更に制御用配線１１７、電流導入端子１１６、及び電子銃制御装置１１８を備える構成としても良い。

上記構成の電子ビーム発生装置２１ｃを用いて電子顕微鏡を構成する。
上記構成により、実施例１、実施例２、及び実施例３と同様に高信頼な絶縁構造を実現可能であると共に、電子銃１０３の電圧及び／又は電流のＯＮ／ＯＦＦなどの制御を実現可能である。

図６は、本発明の他の実施例に係る実施例５の電子ビーム発生装置の縦断面図である。本実施例に係る電子ビーム発生装置２１ｄでは、シールド１１０の電位が加速電極１１１－１と同電位ではなく、シールド１１０の電位を電子銃１１３のいずれかの電位と同電位とした点が実施例１と異なる。その他の構成は上述の実施例１と同様であり、実施例１と同様の構成要素に同一符号を付し、以下では実施例１と重複する説明を省略する。

図６に示すように、本実施例に係る電子ビーム発生装置２１ｄでは、シールド１１０の電位が加速電極１１１－１と同電位ではなく、電子銃１１３のいずれかの電位とするため、シールド１１０は加速電極１１１－１と電気的に接続されておらず、代わりに電子銃１１３のいずれかと電気的に接続されている。
多芯ケーブル１０９及びブッシング１０８を介して、シールド１１０の内側に配置した加速管給電用配線１１９により、加速電極１１１－１に給電される。
加速管給電用配線１１９は、シールド１１０から十分に距離をとるか、絶縁材を配置するかにより、絶縁される。加速管給電用配線１１９は真空１０７内部を介しても良い。

なお、図６に示す、シールド１１０の電位が加速電極１１１－１と同電位ではなく、電子銃１１３のいずれかの電位とするため、シールド１１０は加速電極１１１－１と電気的に接続されておらず、代わりに電子銃１１３のいずれかと電気的に接続する構成、及び加速管給電用配線１１９により、加速電極１１１－１に給電する構成は、上述の実施例２の電子ビーム発生装置２１ａ、実施例３の電子ビーム発生装置２１ｂ、及び実施例４の電子ビーム発生装置２１ｃに適用することも可能である。

上記構成の電子ビーム発生装置２１ｄを用いて電子顕微鏡を構成する。
上記構成により、実施例２、実施例３又は実施例４と同様に高信頼な絶縁構造を実現可能である。
本実施例によれば、上述の実施例２乃至実施例４と同様に高信頼な絶縁構造を実現可能な荷電粒子線装置を提供することが可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。

１…荷電粒子線装置、２…筐体、３…集束レンズ制御部、４…偏向制御部、５…検出信号処理部、６…二次電子検出器、７…制御装置、８…表示装置、９…外部記憶媒体、１０…レシピ作成部、１２…画像メモリ、２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…電子ビーム発生装置、２２…集束レンズ、２３…偏向器、２４…対物レンズ、２５…試料、２６…試料保持部、３１…書き込みアドレス制御部、３２…読み出しアドレス制御部、３３…表示制御部、１０１…金属製ハウジング、１０２…絶縁ガス、１０３…電子銃、１０４…電子源、１０５…サプレッサ電極、１０６…引き出し電極、１０７…真空、１０８…ブッシング、１０９…多芯ケーブル、１１０…シールド、１１１…加速電極、１１２…絶縁体、１１３…抵抗器、１１４…電子ビーム 、１１５…電子銃シールド、１１６…電流導入端子、１１７…制御用配線、１１８…電子銃制御装置、１１９…加速管給電用配線

Claims (14)

1. 荷電粒子線発生装置から試料に対し荷電粒子線を照射し、試料から発生する荷電粒子を検出し試料画像を生成又は試料を加工する荷電粒子線装置であって、
   前記荷電粒子線発生装置は、
   絶縁ガスが満たされた金属製ハウジングの内部に配される荷電粒子源及びシールドと、
   前記荷電粒子源の下部に配される加速電極と、を備え、
   前記シールドは前記加速電極と電気的に接続されており、前記シールドを介して前記加速電極に給電することを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   複数ある加速電極のうちの電子源側に配される加速電極に給電することを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   前記シールドと前記荷電粒子源の間の絶縁ガス空間内に、前記荷電粒子源のいずれかの箇所と同電位の荷電粒子源シールドを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   第1の多芯ケーブル及び第１のブッシングと、
   第２の多芯ケーブル及び第２のブッシングと、を備え、
   前記第1の多芯ケーブル及び第１のブッシングと、前記第２の多芯ケーブル及び第２のブッシングとは相互に異なる位置に配され、前記第1の多芯ケーブル及び第１のブッシングを介して前記加速電極に給電し、前記第２の多芯ケーブル及び第２のブッシングを介して前記荷電粒子源のいずれかの箇所と電気的に接続されることを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   一つ以上の制御用配線及び電流導入端子と、
   前記シールドに設けられた開口を介して前記制御用配線と接続される荷電粒子源制御装置と、を備え、
   前記荷電粒子源制御装置は、前記荷電粒子源の電圧及び／又は電流のＯＮ／ＯＦＦの制御を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   前記シールド及び／又は前記金属製ハウジングの内面に絶縁性を有する塗装がされていることを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項３に記載の荷電粒子線装置において、
   少なくとも、前記シールド及び前記金属製ハウジング並びに前記荷電粒子源シールドの内面に絶縁性を有する塗装がされていることを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
   前記シールド及び／又は前記金属製ハウジングの内面に絶縁性を有する塗装がされていることを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項５に記載の荷電粒子線装置において、
   前記シールド及び／又は前記金属製ハウジングの内面に絶縁性を有する塗装がされていることを特徴とする荷電粒子線装置。
10. 請求項３に記載の荷電粒子線装置において、
    第1の多芯ケーブル及び第１のブッシングと、
    第２の多芯ケーブル及び第２のブッシングと、を備え、
    前記第1の多芯ケーブル及び第１のブッシングと、前記第２の多芯ケーブル及び第２のブッシングとは相互に異なる位置に配され、前記第1の多芯ケーブル及び第１のブッシングを介して前記加速電極に給電し、前記第２の多芯ケーブル及び第２のブッシングを介して前記荷電粒子源のいずれかの箇所と電気的に接続されることを特徴とする荷電粒子線装置。
11. 請求項３に記載の荷電粒子線装置において、
    一つ以上の制御用配線及び電流導入端子と、
    前記シールドに設けられた開口を介して前記制御用配線と接続される荷電粒子源制御装置と、を備え、
    前記荷電粒子源制御装置は、前記荷電粒子源の電圧及び／又は電流のＯＮ／ＯＦＦの制御を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
12. 請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
    一つ以上の制御用配線及び電流導入端子と、
    前記シールドに設けられた開口を介して前記制御用配線と接続される荷電粒子源制御装置と、を備え、
    前記荷電粒子源制御装置は、前記荷電粒子源の電圧及び／又は電流のＯＮ／ＯＦＦの制御を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
13. 荷電粒子線発生装置から試料に対し荷電粒子線を照射し、試料から発生する荷電粒子を検出し試料画像を生成又は試料を加工する荷電粒子線装置であって、
    前記荷電粒子線発生装置は、
    絶縁ガスが満たされた金属製ハウジングの内部に配される荷電粒子源及びシールドと、
    前記荷電粒子源の下部に配される加速電極と、を備え、
    前記シールドの電位を前記荷電粒子源のいずれかの箇所と同電位とし、
    前記シールドと前記加速電極は異なる電位であり、前記シールドの内側に配される加速管給電用配線により前記加速電極に給電することを特徴とする荷電粒子線装置。
14. 請求項１３に記載の荷電粒子線装置において、
    前記シールドは前記加速電極と電気的に接続されていないことを特徴とする荷電粒子線装置。

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