JPH05164512A - 表面測定装置 - Google Patents
表面測定装置Info
- Publication number
- JPH05164512A JPH05164512A JP33069991A JP33069991A JPH05164512A JP H05164512 A JPH05164512 A JP H05164512A JP 33069991 A JP33069991 A JP 33069991A JP 33069991 A JP33069991 A JP 33069991A JP H05164512 A JPH05164512 A JP H05164512A
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- JP
- Japan
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- probe
- sample
- stm
- clean
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】本発明は、簡易な構成でSTM(走査型トンネ
ル顕微鏡)探針の清浄化および汚染度の評価を行いなが
ら固体の表面構造や表面電子状態を測定する表面測定装
置を提供することを目的とする。 【構成】本発明の表面測定装置は、走査型トンネル顕微
鏡(STM)本体と、このSTM本体に沿って移動可能
なSTM探針と、このSTM探針に対して相対的に移動
可能で、STM探針からのトンネル電流を通ずる箇所に
測定試料および、STM探針の清浄化と汚染度評価のた
めの標準試料を配置できる試料台手段と、前記標準試料
について清浄でかつ原子レベルで平滑な表面を形成する
ためのマニピュレータ手段もしくはヒータ手段を真空チ
ェンバ内に納めたものである。
ル顕微鏡)探針の清浄化および汚染度の評価を行いなが
ら固体の表面構造や表面電子状態を測定する表面測定装
置を提供することを目的とする。 【構成】本発明の表面測定装置は、走査型トンネル顕微
鏡(STM)本体と、このSTM本体に沿って移動可能
なSTM探針と、このSTM探針に対して相対的に移動
可能で、STM探針からのトンネル電流を通ずる箇所に
測定試料および、STM探針の清浄化と汚染度評価のた
めの標準試料を配置できる試料台手段と、前記標準試料
について清浄でかつ原子レベルで平滑な表面を形成する
ためのマニピュレータ手段もしくはヒータ手段を真空チ
ェンバ内に納めたものである。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、固体の表面構造や表面
電子状態を測定する走査型トンネル顕微鏡(STM;Sc
anning Tunneling Microscope )を用いた表面測定装置
に係り、特に簡易な構成でSTM探針の清浄化および汚
染度の評価を行うことができる表面測定装置に関する。
電子状態を測定する走査型トンネル顕微鏡(STM;Sc
anning Tunneling Microscope )を用いた表面測定装置
に係り、特に簡易な構成でSTM探針の清浄化および汚
染度の評価を行うことができる表面測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】固体表面の一つ一つの原子を測定する手
段として、走査型トンネル顕微鏡が開発されている(G
・ビニッヒ[G.Binnig]他,“サーフィスサイエン
ス”,第126巻,236頁)。
段として、走査型トンネル顕微鏡が開発されている(G
・ビニッヒ[G.Binnig]他,“サーフィスサイエン
ス”,第126巻,236頁)。
【0003】これは、電気伝導性の固体試料に対し、先
端が尖った電気伝導性の探針を、その表面から約1nm上
で走査してトンネル電流を測定することにより、試料表
面の構造(原子の配列やクラック等)と電子状態(電子
の分布等)を原子レベルで検知するものである。
端が尖った電気伝導性の探針を、その表面から約1nm上
で走査してトンネル電流を測定することにより、試料表
面の構造(原子の配列やクラック等)と電子状態(電子
の分布等)を原子レベルで検知するものである。
【0004】ところで、このSTMにおいては、探針の
先端に絶縁性の吸着物や酸化膜などのコンタミーネーシ
ョン(汚染)が存在すると、測定時にこれらの絶縁物が
試料表面と機械的に接触し、試料表面に変形を起こした
り(H・J・マーミン[H.J.Mamin]他,“フィジカル・
レビュー”,B34巻,9015頁)、トンネルバリア
に予期しない構造を与える(R・ベルテ[R.Berthe],
“フィジカル・レビュー”,B43巻,6880頁)な
どして、正確な測定には不都合な問題を生ずる。
先端に絶縁性の吸着物や酸化膜などのコンタミーネーシ
ョン(汚染)が存在すると、測定時にこれらの絶縁物が
試料表面と機械的に接触し、試料表面に変形を起こした
り(H・J・マーミン[H.J.Mamin]他,“フィジカル・
レビュー”,B34巻,9015頁)、トンネルバリア
に予期しない構造を与える(R・ベルテ[R.Berthe],
“フィジカル・レビュー”,B43巻,6880頁)な
どして、正確な測定には不都合な問題を生ずる。
【0005】しかし、市販のSTM探針の多くは不純物
を付着しており、さらに代表的なタングステン探針は大
気中で表面に酸化膜を形成する。また電気化学的な方法
で研磨(電解研磨)した探針は、エッチング液が残留し
ている可能性がある。したがって、精度のよい測定を行
うためには、これらの探針を測定前に清浄にする必要が
ある。
を付着しており、さらに代表的なタングステン探針は大
気中で表面に酸化膜を形成する。また電気化学的な方法
で研磨(電解研磨)した探針は、エッチング液が残留し
ている可能性がある。したがって、精度のよい測定を行
うためには、これらの探針を測定前に清浄にする必要が
ある。
【0006】探針の先端を清浄に処理し、かつ探針の汚
染度も評価する手段に、電界イオン顕微鏡を用いる方法
がある(Y・クック(Y.Kuk)他,“アプライド・フィジ
ックス・レターズ”,第48巻,1597頁)。電界イ
オン顕微鏡は、不活性ガス中の探針の先端に強い電界を
かけ、コンタミーネーションをイオン化して気化させる
(飛ばす)ともに、この飛ばしたイオンをスクリーンに
集めて探針の像を形成し、その形状から汚染度を評価す
るものである。
染度も評価する手段に、電界イオン顕微鏡を用いる方法
がある(Y・クック(Y.Kuk)他,“アプライド・フィジ
ックス・レターズ”,第48巻,1597頁)。電界イ
オン顕微鏡は、不活性ガス中の探針の先端に強い電界を
かけ、コンタミーネーションをイオン化して気化させる
(飛ばす)ともに、この飛ばしたイオンをスクリーンに
集めて探針の像を形成し、その形状から汚染度を評価す
るものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところが、この電界イ
オン顕微鏡は、設備が非常に大掛かりで、かつ高価でも
ある。そこで本発明は、簡易な構成によりSTM探針の
清浄化および汚染度の評価を行うことができる表面測定
装置を提供することを目的とする。
オン顕微鏡は、設備が非常に大掛かりで、かつ高価でも
ある。そこで本発明は、簡易な構成によりSTM探針の
清浄化および汚染度の評価を行うことができる表面測定
装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、表面測定用の探針と、前記探針と測定試料
表面との間の距離を調整するための粗動機構と、前記探
針を前記測定試料表面上で走査する圧電素子を用いた走
査手段探針の清浄化と汚染度評価のための標準試料を配
置できる試料台手段と、前記標準試料について清浄でか
つ原子レベルで平滑な表面を形成するためのマニピュレ
ータ手段もしくはヒータ手段を真空チェンバ内に納めた
表面測定装置を提供する。
するために、表面測定用の探針と、前記探針と測定試料
表面との間の距離を調整するための粗動機構と、前記探
針を前記測定試料表面上で走査する圧電素子を用いた走
査手段探針の清浄化と汚染度評価のための標準試料を配
置できる試料台手段と、前記標準試料について清浄でか
つ原子レベルで平滑な表面を形成するためのマニピュレ
ータ手段もしくはヒータ手段を真空チェンバ内に納めた
表面測定装置を提供する。
【0009】
【作用】本発明の表面測定装置は、測定試料の他に、清
浄でかつ原子レベルで平滑な表面を有し、STM探針の
清浄化と汚染度評価に使用できる標準試料をも備え、測
定試料の測定前に、この標準試料をSTM探針からのト
ンネル電流を受ける位置に配置して、トンネル電流によ
るSTM探針コンタミネーションの清浄化(気化・飛
散)と汚染度評価を行なう。そして、十分な清浄が確認
された後に、測定試料を試料台ごと移動させて本来の表
面測定を行なう。
浄でかつ原子レベルで平滑な表面を有し、STM探針の
清浄化と汚染度評価に使用できる標準試料をも備え、測
定試料の測定前に、この標準試料をSTM探針からのト
ンネル電流を受ける位置に配置して、トンネル電流によ
るSTM探針コンタミネーションの清浄化(気化・飛
散)と汚染度評価を行なう。そして、十分な清浄が確認
された後に、測定試料を試料台ごと移動させて本来の表
面測定を行なう。
【0010】
【実施例】以下添付の図面を参照して本発明の実施例を
説明する。
説明する。
【0011】図1は、本発明の第1実施例に係る表面測
定装置1の側面図である。この表面測定装置1は、まず
図示しない真空チェンバ中にSTM本体2を具備する。
そしてSTM本体2は、図示しないモータに連結棒3を
介して接続されるスライド可能な試料台4を装備し、試
料台4には、測定試料5(複数個でもよい)が載置され
る他に、常に探針の汚染度評価のための標準試料(ここ
ではグラファイト)6が備えられる。
定装置1の側面図である。この表面測定装置1は、まず
図示しない真空チェンバ中にSTM本体2を具備する。
そしてSTM本体2は、図示しないモータに連結棒3を
介して接続されるスライド可能な試料台4を装備し、試
料台4には、測定試料5(複数個でもよい)が載置され
る他に、常に探針の汚染度評価のための標準試料(ここ
ではグラファイト)6が備えられる。
【0012】また、STM探針7(白金製)はこれを走
査(上下に微動)させるスキャナ8に取り付けられ、ス
キャナ8は、STM探針7を粗動させるためインチワー
ム9を介して、STM本体2に接続する。その他、スキ
ャナ本体2には、標準試料としてのグラファイト6を劈
開させるためのマニピュレータ10も備え付けられる。
なお、真空チェンバ内は、10-9Torr以上の超高真空に
保たれる。
査(上下に微動)させるスキャナ8に取り付けられ、ス
キャナ8は、STM探針7を粗動させるためインチワー
ム9を介して、STM本体2に接続する。その他、スキ
ャナ本体2には、標準試料としてのグラファイト6を劈
開させるためのマニピュレータ10も備え付けられる。
なお、真空チェンバ内は、10-9Torr以上の超高真空に
保たれる。
【0013】さて、測定に際しては、まず試料台4上の
標準試料グラファイト6をマニピュレータ10の下に移
動させ、ついで前述の超高真空中でマニピュレータ10
を作動させてグラファイト6を劈開し、標準試料として
清浄でかつ原子のレベルで平坦な表面(劈開面)を得
る。もともとグラファイトは不活性な物質であるが、1
0-9torr以上では完全にコンタミネーションのない状態
が数時間保たれる。
標準試料グラファイト6をマニピュレータ10の下に移
動させ、ついで前述の超高真空中でマニピュレータ10
を作動させてグラファイト6を劈開し、標準試料として
清浄でかつ原子のレベルで平坦な表面(劈開面)を得
る。もともとグラファイトは不活性な物質であるが、1
0-9torr以上では完全にコンタミネーションのない状態
が数時間保たれる。
【0014】こうして、つぎにSTM探針7の清浄化処
理と汚染度の評価を行う。すなわち、今度は標準試料6
がSTM探針7の真下に来るように試料台4をスライド
させ、そして最初にインチワーム9による粗動、ついで
スキャナ8による微動によって、STM探針7とグラフ
ァイト6の間のトンネル抵抗が107 Ω程度になるよう
に、STM探針7−グラファイト6間の距離を調節す
る。
理と汚染度の評価を行う。すなわち、今度は標準試料6
がSTM探針7の真下に来るように試料台4をスライド
させ、そして最初にインチワーム9による粗動、ついで
スキャナ8による微動によって、STM探針7とグラフ
ァイト6の間のトンネル抵抗が107 Ω程度になるよう
に、STM探針7−グラファイト6間の距離を調節す
る。
【0015】この後、−5Vのサンプルバイアス電圧を
0.1秒間パルス状に印加する。すると、STM探針7
の先端には約10V/nmの電界が発生し、コンタミネー
ションはイオン化により飛散・除去される。このような
探針−試料間への電圧印加による探針先端の清浄化処理
は従来経験的に行われており、その有効性も知られてい
る(例えばR・エミック[R.Emich]他,“ジャーナル・
オブ・アプライド・フィジックス”,第65巻,79頁
その他)。ただ、従来の方式は測定試料との間で電圧を
印加するため、測定試料に損傷を与える危険を伴うが、
本実施例においては、標準試料との間で行なうため、測
定試料を測定前に損傷してしまうおそれはない。
0.1秒間パルス状に印加する。すると、STM探針7
の先端には約10V/nmの電界が発生し、コンタミネー
ションはイオン化により飛散・除去される。このような
探針−試料間への電圧印加による探針先端の清浄化処理
は従来経験的に行われており、その有効性も知られてい
る(例えばR・エミック[R.Emich]他,“ジャーナル・
オブ・アプライド・フィジックス”,第65巻,79頁
その他)。ただ、従来の方式は測定試料との間で電圧を
印加するため、測定試料に損傷を与える危険を伴うが、
本実施例においては、標準試料との間で行なうため、測
定試料を測定前に損傷してしまうおそれはない。
【0016】さて今度はこの清浄化処理を行なったST
M探針7先端の汚染度を評価する。まず、STM探針7
をトンネル抵抗が約106 Ωになるところまで標準試料
6に近づける。そして、その位置から、今度は+0.1
〜−0.1nmの範囲でSTM探針7をスキャナ8で上下
動させ、STM探針7の変位(実際にはスキャナ8の試
料方向における変位)s´[nm]とこの変位に伴うトン
ネル電流It [nA]の変化をそれぞれ測定する。
M探針7先端の汚染度を評価する。まず、STM探針7
をトンネル抵抗が約106 Ωになるところまで標準試料
6に近づける。そして、その位置から、今度は+0.1
〜−0.1nmの範囲でSTM探針7をスキャナ8で上下
動させ、STM探針7の変位(実際にはスキャナ8の試
料方向における変位)s´[nm]とこの変位に伴うトン
ネル電流It [nA]の変化をそれぞれ測定する。
【0017】ところで、トンネルバリアをφ[eV]と
すると、φおよび、電子がトンネル効果を生ずるトンネ
ルバリアの幅s[nm]とIt の間には、
すると、φおよび、電子がトンネル効果を生ずるトンネ
ルバリアの幅s[nm]とIt の間には、
【数1】 なる関係があることが知られている(G・ビニッヒ[G.
Binnig]他、“アプライド・フィジックス・レター
ズ”,第40巻,176頁その他)。
Binnig]他、“アプライド・フィジックス・レター
ズ”,第40巻,176頁その他)。
【0018】したがって、もしSTM探針7と標準試料
6の間が真空であれば、つまりSTM探針7にコンタミ
ネーションがなければ、sの変位量はs´の変位量に等
しくなるため、実測できるs´をsの代わりに用いて、
式(1)により真空に対応するトンネルバリアφを正し
く求めることができる。
6の間が真空であれば、つまりSTM探針7にコンタミ
ネーションがなければ、sの変位量はs´の変位量に等
しくなるため、実測できるs´をsの代わりに用いて、
式(1)により真空に対応するトンネルバリアφを正し
く求めることができる。
【0019】すなわち、トンネルバリアφはSTM探針
7(白金)の固有の仕事関数と標準試料6(グラファイ
ト)の固有の仕事関数の平均値にほぼ等しくなる。これ
は、グラファイト6の劈開面およびSTM探針7の先端
ともコンタミネーションがなく清浄で、どちらも固有の
仕事関数値をもつためである。ここで白金、グラファイ
トとも4.5〜5.5eVの仕事関数値を有するため、
トンネルバリアφもほぼ同等の値を示すことになる。
7(白金)の固有の仕事関数と標準試料6(グラファイ
ト)の固有の仕事関数の平均値にほぼ等しくなる。これ
は、グラファイト6の劈開面およびSTM探針7の先端
ともコンタミネーションがなく清浄で、どちらも固有の
仕事関数値をもつためである。ここで白金、グラファイ
トとも4.5〜5.5eVの仕事関数値を有するため、
トンネルバリアφもほぼ同等の値を示すことになる。
【0020】一方、STM探針7先端にコンタミネーシ
ョンが存在する場合は、先のトンネル抵抗が106 Ω程
度になるように接近させたとき、コンタミネーションを
介して標準試料6に機械的に接触する。このときは標準
試料6がへこむため、STM探針7は標準試料6側に変
位させることできるものの、その変位量s´はsよりも
小さくなる(H・J・マーミン[H.J.Mamin]他,“フィ
ジカル・レビュー”,B34巻,9015頁)。したが
って、sを用いて計算されるφの値も小さくなり、つま
り白金とグラファイトそれぞれの仕事関数値の平均より
も小さくなり、汚染の程度を評価できる。
ョンが存在する場合は、先のトンネル抵抗が106 Ω程
度になるように接近させたとき、コンタミネーションを
介して標準試料6に機械的に接触する。このときは標準
試料6がへこむため、STM探針7は標準試料6側に変
位させることできるものの、その変位量s´はsよりも
小さくなる(H・J・マーミン[H.J.Mamin]他,“フィ
ジカル・レビュー”,B34巻,9015頁)。したが
って、sを用いて計算されるφの値も小さくなり、つま
り白金とグラファイトそれぞれの仕事関数値の平均より
も小さくなり、汚染の程度を評価できる。
【0021】そして、もしSTM探針7が未だ清浄でな
いことが判明したときは、スキャナ8によってSTM探
針7と標準試料6との距離を調節し、かつ必要に応じて
試料台4をスライドさせて標準試料6表面の損傷してい
ない箇所との間で再度前述の清浄化処理を行なう。
いことが判明したときは、スキャナ8によってSTM探
針7と標準試料6との距離を調節し、かつ必要に応じて
試料台4をスライドさせて標準試料6表面の損傷してい
ない箇所との間で再度前述の清浄化処理を行なう。
【0022】こうして、STM探針7の先端が清浄なこ
とが確認されたら、インチワーム9によりSTM探針7
を標準試料6から遠ざける。そして試料台4をスライド
させ、測定試料5をSTM探針7の下にもってくる。こ
の後、インチワーム9とスキャナ8により再びSTM探
針7を測定に必要な距離まで近づけ、清浄なSTM探針
7によるSTM観察を行なうことができる。
とが確認されたら、インチワーム9によりSTM探針7
を標準試料6から遠ざける。そして試料台4をスライド
させ、測定試料5をSTM探針7の下にもってくる。こ
の後、インチワーム9とスキャナ8により再びSTM探
針7を測定に必要な距離まで近づけ、清浄なSTM探針
7によるSTM観察を行なうことができる。
【0023】すなわち、本実施例によれば、電界イオン
顕微鏡のような大掛かりで高価な装置を用いなくても、
STM探針7の清浄化および汚染度評価を行なうことが
できる。
顕微鏡のような大掛かりで高価な装置を用いなくても、
STM探針7の清浄化および汚染度評価を行なうことが
できる。
【0024】図2は、本発明の第2実施例に係る表面測
定装置21の側面図である。図1に対応する箇所には同
一の符号を付して詳しい説明は省略する。
定装置21の側面図である。図1に対応する箇所には同
一の符号を付して詳しい説明は省略する。
【0025】本実施例の表面測定装置21は、予め適当
な手段で劈開させた標準試料グラファイト6を試料台4
に埋め込まれたヒータ22上に配備した後、真空チェン
バ内に納める。そして前実施例と同様の超高真空中でヒ
ータ22により標準試料6を加熱(450℃で5時間)
する。このような加熱を施すと、グラファイト6につい
て清浄でかつ原子レベルで平坦な表面が確保される(J
・J・メトイス[J.J.Metois]他、“シン・ソリッド・
フィルムズ[Thin Solid Films]”,第51巻,105
頁)。
な手段で劈開させた標準試料グラファイト6を試料台4
に埋め込まれたヒータ22上に配備した後、真空チェン
バ内に納める。そして前実施例と同様の超高真空中でヒ
ータ22により標準試料6を加熱(450℃で5時間)
する。このような加熱を施すと、グラファイト6につい
て清浄でかつ原子レベルで平坦な表面が確保される(J
・J・メトイス[J.J.Metois]他、“シン・ソリッド・
フィルムズ[Thin Solid Films]”,第51巻,105
頁)。
【0026】以下は前実施例とまったく同様な方法で、
STM探針7の清浄化処理、汚染度評価、そして測定試
料5の実際の表面測定を行なう。
STM探針7の清浄化処理、汚染度評価、そして測定試
料5の実際の表面測定を行なう。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の表面測定
装置によれば、従来の電界イオン顕微鏡のような大掛か
りで高価な装置を用いなくても、また測定試料を損傷す
ることなく、簡易な構成および簡単な手順でSTM探針
の清浄化と汚染度評価を行なうことができ、十分な清浄
化が確認されたSTM探針で測定試料の正確な表面測定
を行なうことができる。
装置によれば、従来の電界イオン顕微鏡のような大掛か
りで高価な装置を用いなくても、また測定試料を損傷す
ることなく、簡易な構成および簡単な手順でSTM探針
の清浄化と汚染度評価を行なうことができ、十分な清浄
化が確認されたSTM探針で測定試料の正確な表面測定
を行なうことができる。
【図1】図1は、本発明の第1実施例に係る表面測定装
置の側面図。
置の側面図。
【図2】図2は、本発明の第2実施例に係る表面測定装
置の側面図。
置の側面図。
2 STM本体 4 試料台 5 測定試料 6 標準試料 7 STM探針 8 スキャナ 10 マニピュレータ 14 ヒータ
Claims (1)
- 【請求項1】 表面測定用の探針と、前記探針と測定試
料表面との間の距離を調整するための粗動機構と、前記
探針を前記測定試料表面上で走査する圧電素子を用いた
走査手段探針の清浄化と汚染度評価のための標準試料を
配置できる試料台手段と、前記標準試料について清浄で
かつ原子レベルで平滑な表面を形成するためのマニピュ
レータ手段もしくはヒータ手段を真空チェンバ内に納め
た表面測定装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP33069991A JPH05164512A (ja) | 1991-12-13 | 1991-12-13 | 表面測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP33069991A JPH05164512A (ja) | 1991-12-13 | 1991-12-13 | 表面測定装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05164512A true JPH05164512A (ja) | 1993-06-29 |
Family
ID=18235578
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP33069991A Pending JPH05164512A (ja) | 1991-12-13 | 1991-12-13 | 表面測定装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH05164512A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0736746A1 (en) * | 1995-04-04 | 1996-10-09 | Ryoden Semiconductor System Engineering Corporation | Method of using scanning probe microscope permitting cleaning of probe microscope or of probe tip in ambient atmosphere |
JP2017207755A (ja) * | 2016-05-20 | 2017-11-24 | レイヴ リミテッド ライアビリティ カンパニー | 高アスペクト構造からのデブリ除去 |
US11040379B2 (en) | 2007-09-17 | 2021-06-22 | Bruker Nano, Inc. | Debris removal in high aspect structures |
US11391664B2 (en) | 2007-09-17 | 2022-07-19 | Bruker Nano, Inc. | Debris removal from high aspect structures |
-
1991
- 1991-12-13 JP JP33069991A patent/JPH05164512A/ja active Pending
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US11040379B2 (en) | 2007-09-17 | 2021-06-22 | Bruker Nano, Inc. | Debris removal in high aspect structures |
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