JPH0913169A - スパッタリング装置 - Google Patents
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Abstract
る、静止対向方式のスパッタリング装置の提供。 【構成】 ターゲット1a、1b、1cを平面内で互い
に電気的に絶縁された3つ以上の角型電極板上に分割し
て配置すると共に、各ターゲット1a、1b、1cに対
応させて各ターゲット1a、1b、1cの表面に所定の
磁力線5を発生させるマグネット2a、2b、2cを配
置したことを特徴とする。
Description
とくに、大面積の角型基板上に高速かつ均一性良く、薄
膜を形成させることのできるスパッタリング装置に関す
るものである。
ト材料で構成される薄膜を安定して成膜できる装置とし
て、半導体デバイス、光ディスク、液晶、電子部品製造
等に多用されている成膜装置である。スパッタリング装
置に要求される性能として、基板上全面に均一な膜を、
如何に速く、安定して低コストで成膜できるかがポイン
トになる。
膜方式として、ターゲツトに対して基板を移動させて成
膜する基板移動方式に加え、ターゲット上に基板を静止
対向させた状態で成膜する静止対向方式の利用が増加し
ている。この静止対向方式は、成膜速度向上やダスト低
減、装置コストにメリットがある。
らスパッタされる原子が、或る放射角度分布を有するた
め、静止対向方式の場合、成膜対象となる基板の形状お
よびサイズによって上記要求を満たすためのターゲット
形状、マグネット構造およびその大きさ等を最適化する
必要がある。
イス用の基板および光ディスク用の基板は、円形の基板
を使用するために、静止対向方式のスパッタリング装置
においては、円板状のターゲットを用いている。この場
合、基板上に成膜される薄膜を均一な膜厚にするため
に、円形ターゲット上にリング状のターゲット浸食部
(以下「エロージョン」と呼ぶ)を生じさせることによ
り、円形基板全面の膜厚均一性を確保している。
リフト運動によってプラズマが局所的に分布することに
より生じるため、このようなリング状のエロージョンを
実現するためには、リング状の磁場分布を有する固定マ
グネットをターゲット下部に配置することによって可能
となる。この場合の電子はリング内でドリフトしながら
トラップされるため、高密度プラズマが発生し、多くの
原子がスパッタリングされる結果、高速な成膜が実現さ
れている。
膜する場合、角型基板上の膜厚分布を確保するために、
角型のターゲット上に直線状のエロージョンを発生させ
る固定マグネットをターゲット下部に配置することで実
現されている。
を発生させるだけでは、電子のドリフトにより、プラズ
マを閉じ込めことができないため、高速成膜ができな
い。そこで一般的には、平行な2本の直線状エロージョ
ンの両端部を半円状のエロージョンでつなぐようなマグ
ネット構造にすることにより、リング状ターゲットと同
様に電子をトラップすることが可能となり、その結果、
高密度プラズマを発生させ、高速成膜を実現している。
より大面積の角型基板に成膜する場合には、ターゲット
に相対して移動可能な基板ホルダに大面積の角型基板を
取り付けたまま,基板ホルダーを移動しながら連続成膜
することが可能であり、これにより目的の成膜を行うこ
とができる。なお、この基板移動に関して、基板ホルダ
ーをターゲット面に対して平行移動させる方式はトレー
方式、ターゲット面の鉛直軸方向に半径を有して回転移
動させる方式はカールセル方式と呼ばれている。
膜は、基板ホルダー部にも同時に成膜されてしまうた
め、その膜の剥離によるダスト増加や真空中での機構要
素の増大による設備コストの増加等の欠点を有してい
る。
ターゲット上に静止対向させた状態で成膜する静止対向
方式による大面積基板への成膜が行なわれ始めている。
型基板への成膜方法について、図面を参照しながら説明
する。
角型基板へのスパッタリングによる成膜装置の基本構成
を示す斜視断面図である。
ターゲット11の裏面上でターゲット面に平行移動可能
なマグネット、13は大面積ガラス基板、14はターゲ
ットに電力を印加する直流電源、点線15はマグネット
12によってターゲット11上に発生する磁力線、16
はターゲット11上からスパッタリングされたターゲッ
ト材料の原子を示している。
大面積角型基板へのスパッタリングによる成膜装置につ
いて、動作を説明する。
(図示せず)内にアルゴン等の不活性ガスを導入した状
態で、ターゲット11を含む電極部(カソード)に電源
14より電力を印加することにより、導入ガスをプラズ
マ化させて、ターゲット11のターゲット材料をガスイ
オンによりはじき出すことで、基板13上にターゲット
11の組成を有する薄膜を形成させる方法である。
1の裏面にマグネット(永久磁石)12を配置してター
ゲット材料11の表面上に点線15のような磁力線を発
生させることにより、プラズマの発生要因となる電子
(図示せず)を磁力線15で囲まれる部分に閉じ込めて
いる。この結果、磁力線15のターゲット11に平行な
成分がゼロとなる部分を中心としてプラズマを局所的に
発生させることができるため、多くのガスイオンにより
ターゲット11をスパッタリングする結果、スパッタ原
子16の量を増大させ、成膜速度を向上させている。こ
の結果、スパッタリングされたターゲット11上に局所
的な浸食部であるエロージョンが発生する。
ーゲット11の裏面で静止させた状態で、成膜したとき
の基板13上に形成される膜厚分布のシミュレーション
結果を図8に示す。
中心点からの基板面内の位置を示しており、Z軸はその
位置での相対的な膜厚を示している。
磁場分布を最適化することで、図8のY軸方向における
膜厚分布を均一化することができる。しかし、X軸方向
の膜厚分布については、マグネット12の中心部(X=
0)から離れるにしたがって、膜厚が急激に低下してい
る。
を得るためには、マグネット12のサイズを大きくして
X軸の均一領域を増大させる方法が考えられる。しか
し、マグネット12の保持力に限界があるため、N極と
S極の間隔を広げると、ターゲット11の表面に発生す
る磁力線15が弱くなり、プラズマの閉じ込め効果が無
くなってしまう傾向にある。
は、基板13に相対してマグネット12をX軸方向にス
ライドさせながら成膜している。この結果、図8に示し
たマグネット12を静止させたときの膜厚分布をX軸方
向に時間積分した膜厚分布で成膜することが可能とな
り、基板13上全面の膜厚分布を均一化させることがで
きる。
従来の方法では、基板13上のY軸方向の膜厚分布につ
いては、マグネット12の特性によって決定されるため
安定するが、X軸方向は、マグネット12をスライドさ
せる速度分布制御次第で大きく変動するため、安定成膜
することが困難であった。
ドさせた時のみに基板13上に成膜するようにすれば、
比較的安定した成膜が可能であるが、マグネット12の
X軸方向の幅の分だけ、基板13上の両端部にマグネッ
ト12が移動できるスペースが必要となり、ターゲット
11および真空チャンバー等の装置サイズを大きくしな
ければならないという欠点を有していた。
の基板13上の成膜速度に比べて、スライドすることで
成膜速度の低下を生じてしまうため、成膜速度向上のた
めに多くの電力を印加する必要が生じ、非常に大きなパ
ワーを発生させる電源14が必要となっていた。
は、直流電源14を使用することにより放電させ、プラ
ズマを発生させることが可能であるが、酸化物等の絶縁
性の材料の場合には、直流電源14では放電しない。こ
のような場合、一般的にはRF等の高周波電源を直流電
源14の代わりに使用し、インピーダンスのマッチング
をとるためのマッチャーを、電源14とターゲット11
との間に設置させれば、放電可能である。しかし、放電
中にマグネット12がスライド移動するため、ターゲッ
ト11の表面状態やエロージョン形状による変動が生じ
てしまうため、マッチング状態が安定せず、成膜速度が
変動してしまうという問題点を有していた。
現するためには、基板13の面積に比べて約3倍程度の
面積を有する一体物のターゲット11が必要となり、真
空チャンバーのサイズの大型化および成膜材料コストの
上昇やターゲット11の寿命時に行なわれるターゲット
交換時のメンテナンス作業が非常に大がかりになるとい
う問題点も有していた。
ので、大面積の角型基板上に高速且つ均一性良く薄膜を
形成させることができる電極およびターゲット構造を備
えるとともに、絶縁物を含む種々の材料の薄膜を、安定
して低コストで成膜できる静止対向方式のスパッタリン
グ装置を提供することを目的とする。
に、本発明は、静止対向方式の大面積角型基板へのスパ
ッタリングを行うスパッタリング装置において、ターゲ
ットを平面内で互いに電気的に絶縁された3個以上の角
型電極板上に分割して配置すると共に、各ターゲットに
対応させて各ターゲットの表面に所定の磁力線を発生さ
せるマグネットを配置したことを特徴としている。さら
に、各々のターゲット裏面に配置したマグネットによ
り、直線状および円弧状の組み合わせで構成される閉じ
た環状エロージョンを有するように構成するとともに、
そのエロージョンの直線状部分間の間隔および各角型電
極間のピッチが基板とターゲット表面との距離の90%
から110%の範囲内であることを特徴とする。また、
各々のターゲット裏面ではなく、各角型電極およびター
ゲットの両サイドに直線状のマグネットを配置させ、タ
ーゲット面上に局所的な電子密度分布を形成させないこ
とを特徴としている。
電気的に絶縁された角型分割したターゲットを配置させ
たカソード構造とし、各ターゲットに対応させて各ター
ゲットの表面に所定の磁力線を発生させるマグネットを
配置することで、マグネットをスライドさせることな
く、大面積の基板上に全面均一な膜厚で成膜することが
可能となる。その結果、X軸方向の膜厚分布の安定性を
向上させるとともに、同時に多数のエロージョン部から
スパッタリングすることが可能となり、成膜速度の低下
を少なくすることができる。また、高周波電源による放
電時においても、各ターゲット毎に独立してインピーダ
ンスを安定させてマッチングすることが可能となるの
で、絶縁性のターゲット材料での安定成膜も可能とな
る。
たマグネットにより直線状および円弧状の組み合わせで
構成される閉環状エロージョンを有することにより、各
ターゲット上で電子をトラップすることによるプラズマ
密度の向上が可能であり、成膜速度の向上が可能とな
る。そして、このエロージョンの直線状間の間隔および
各角型ターゲット電極間のピッチを、基板とターゲット
表面との距離の90%から110%の範囲にすることに
より、基板面積に対する分割電極全体の面積を最小にす
ることが可能となり、チャンバーサイズの小型化が可能
となる。
分割されたターゲットを多数用いることで均一成膜が可
能となるため、ターゲット交換時のターゲット重量低減
のため、メンテナンス性を向上することが可能であり、
ターゲット作成コストの低減にも対応できる。
トおよび電極の両サイドに直線状のマグネットを配置さ
せた電極構造により、ターゲット面上に局所的な電子密
度分布を形成させない最適なマグネット構造が可能とな
り、ターゲット上のエロージョン領域を拡大させること
が可能となる。この結果、ターゲット利用効率および寿
命の向上を実現でき、成膜コストの低減が可能となる。
面積基板へのスパッタリングによる成膜装置の基本構成
の斜視断面図であり、図2は図1の成膜装置によって基
板上に形成される成膜の膜厚分布シミュレーション結果
である。
割された長方形のターゲット、2a、2b 2cは、各
ターゲット1a、1b、1cの裏面に設置された固定マ
グネット、3は長方形の大面積基板、4a、4b、4c
は、各ターゲット1a、1b、1cを含む電極に電力を
印加する可変電源、点線5はマグネット2aによってタ
ーゲット1a上に発生する磁力線であり、マグネット2
b,2cによっても同様な磁力線か発生する。6はター
ゲット1a、1b,1c上からスパッタリングされたタ
ーゲット材料の原子を示している。
置について、以下その動作について説明する。
ず)内にアルゴンガスを導入する。反応性スパッタリン
グの場合には、アルゴンに加えて反応用のガスを混入し
て用いる。排気能力およびガス流量をコントロールして
ガス圧力を一定にした状態で、ターゲット1a、1b,
1cを含む各電極部に電源4a、4b、4cにより電力
を印加させると、導入ガス分子がプラズマ化される。
詳細断面図である。このときに発生するプラズマ7は、
マグネット2aの磁力線5による電子のトラップによっ
て、ターゲット1a上の磁力線5で囲まれる部分に局所
的に分布する。ターゲット1bおよび1c上でも、図3
と同様にプラズマが局所的に分布する。
ット1a〜1cの表面はマイナス電位になっているた
め、プラズマ中の正の電荷を有するアルゴンイオンは、
大きなエネルギーでターゲット1a〜1cに直進して衝
突し、ターゲッ原子6を弾き出す。したがって、多くの
アルゴンイオンが存在し局所的にプラズマ密度が高い所
程、ターゲット原子6が多くスパッタリングされる結
果、図3に示すように、ターゲット1a〜1c上に、局
所的に材料が浸食されたエロージョン8が発生する。エ
ロージョン部8よりスパッタされたスパッタリング原子
6はターゲット1a〜1cを含む平面に対向した位置に
設置された平面基板3上に付着し、薄膜を形成する。
〜1cで囲まれる部分(以下「磁場トンネル」と呼ぶ)
は、マグネット2a、2b、2cがターゲット1a、1
b、1cの形状である長方形と同じ外形形状であるた
め、ターゲット1a、1b、1c上に、長辺部である長
手方向(以下X方向と呼ぶ)に2本の直線状の磁場トン
ネルおよび両端部の短手方向(以下Y方向と呼ぶ)に円
弧状と直線とからなるU字状の磁場トンネルを発生させ
ている。
マグネット2a、2b、2cを配する構造により、両端
部で連続的につながり、環状の閉じた磁場トンネルを構
成している。このような磁力線分布にトラップされた電
子には、ターゲット1a、1b、1cからの電場との相
互作用によるローレンツ力が働き、電子は磁場トンネル
に沿ってドリフト運動する。この磁場トンネルは終端を
有しないため、トラツプされた電子は長時間にわたりド
リフト運動を続けることになり、さらなるプラズマを発
生させるため、磁場トンネルに沿って高密度のプラズマ
を発生することができる。図4に、図1におけるターゲ
ット1a表面に形成されるエロージョン領域8の模式平
面図を示す。
よって、磁場トンネル内の形状である直線状およびU字
状の組み合わせによる環状の閉じたエロージョン8が各
ターゲット1a、1b、1c上に発生するため、同時に
多数のスパッタ原子6を基板3上に成膜させることが可
能となり、高速成膜を実現させている。
1b、1c表面に形成されるエロージョン配置を示す。
ーゲット1a、1b、1c上に発生するエロージョン領
域8の中心線であり、半径rの円弧および直線のエロー
ジョンの組み合わせで構成されている。
ト1a、1b、1c上に発生する2本の直線状のエロー
ジョン間の距離A(以下ピッチAと呼ぶ)および各ター
ゲット1a、1b、1c間のピッチB(以下ピッチBと
呼ぶ)は、大面積基板3と各ターゲット1a、1b、1
c表面との距離(以下TS距離と呼ぶ)の90%から1
10%の範囲とすることが好ましい。
リングされたスパッタ原子6は、ターゲット1a、1
b、1c表面に対して、垂直な方向からcosθの角度
分布を有する放射分布で基板3に向かって飛んでいくた
め、TS距離により基板3上の膜厚分布は大きく変化す
る。本実施例のように多数本の直線状のエロージョンか
ら放射されるスパッタ原子6は、エロージョンの直線方
向内(Y軸内)では、磁力線5の磁場強度を一定にする
ことで均一な量のスパッタ原子6を放射できるため、こ
のY軸方向の基板上の膜厚分布として±10%以下程度
の均一性にすることが可能である。しかし、X軸方向の
スパッタ原子6の放射分布は、図1に示すように、多数
本のエロージョンから放射されるスパッタ原子6が重ね
合わされて基板3上に到達するため、図5におけるエロ
ージョンのピッチAおよびピッチBの配置により、基板
3上の膜厚分布が大きく変化する。
TS距離を基板3のサイズおよび必要な膜厚精度に応じ
て最適化させており、X軸方向の基板サイズがTS距離
の3倍以下で±10%以下程度の均一性を実現すること
が可能である。
場合には、ターゲットの分割数(以下nと呼ぶ)を増加
させることで、TS距離の(2n−3)倍程度のX軸方
向の基板サイズで±10%以下程度の膜厚均一性を容易
に実現できる。
%未満のエロージョン配置で成膜すると、基板3上の成
膜均一領域が狭くなってしまうため、大面積基板への均
一成膜は困難となる。またピッチAおよびピッチBがT
S距離の110%を超える場合は、ピッチ間でのスパッ
タ原子6の放射分布の重なりが低下し、膜厚が減少する
ため、膜厚均一性が低下してしまう。
よびターゲット1a、1b、1cのサイズ、マグネット
2a 2b 2cの構造を最適化し、図5の各エロージ
ョンのピッチAおよびピッチBをTS距離の90%から
110%の範囲にした場合において、ターゲット1bの
中心点位置に中心を有する基板3を静止させた状態で成
膜したときの、基板3上の膜厚分布のシミュレーション
結果を図2に示す。
からの基板面内の位置を示しており、Z軸はその位置で
の相対的な膜厚を示している。図2に示すように、基板
上のY軸方向のみならず、X軸方向の膜厚分布について
も大面積基板3全体にわたって、±5%程度の膜厚均一
性を実現している。このときのターゲット1a、1b、
1cのサイズおよびピッチBからなる分割電極全体の面
積は、基板面積の2倍以下程度で実現されている。
cは、互いに電気的に絶縁されており、各ターゲット1
a、1b、1cを独立に、可変電源4a、4b、4cに
より電力制御することができる。これによって、可変電
源4a、4b、4cを制御することにより、X軸方向に
おいて、基板中心部に比べて基板端部に膜厚低下が生じ
ることを抑制することができ、大面積基板3全体にわた
って±3%程度の膜厚均一性を実現することも可能であ
る。このときの電源4bの印加電力を100%とする
と、電源4aおよび4cの各印加電力を110%程度に
増加させることにより、上記の膜厚均一性を実現でき
る。
として、アルミ等の金属だけでなく、絶縁材料を利用し
た成膜も、電源4a、4b、4cとしてRF電源(高周
波電源)を使用することで、安定した均一成膜が可能で
あった。この場合は、各ターゲット1a、1b、1cを
有する電極毎にマッチャーを取り付け、各電極を独立制
御してマッチングさせることが可能であり、さらにRF
電源4a、4b、4cとマッチャーとの間に位相シフタ
等の制御ユニットを設置することで成膜速度を制御する
ことも可能である。
について、図面を参照しながら説明する。
面積基板へのスパッタリングによる成膜装置の基本構成
の斜視断面図である。
されたターゲット、2d、2e、2f、2gは、各ター
ゲット1a、1b、1cの両サイドにセットされた直線
状の固定マグネット、3は大面積基板、点線5はマグネ
ット2dおよび2eによってターゲット1a上に発生す
る磁力線であり、マグネット2eおよび2f間、マグネ
ット2fおよび2g間でも同様な磁力線が発生する。6
はターゲット1a〜1c上からスパッタリングされた各
ターゲット材料の原子を示している。
る。
ず)内にアルゴンガス(反応性スパッタリングの場合
は、アルゴンガスに加えて反応用のガスを混合する)を
導入し、排気能力およびガス流量をコントロールしてガ
ス圧力を一定にした状態で、ターゲット1a、1b、1
cを含む各電極部に図1の場合と同様に、各電源(図示
せず)により電力を印加させると、導入ガス分子がプラ
ズマ化される。このときに発生するプラズマ中の電子は
ターゲット1a、1b、1c上でマグネット2d〜2g
による各ターゲット面に平行な磁力線5とターゲット1
a、1b、1cからの電場との相互作用によるローレン
ツ力のため、磁力線5および電場に対して垂直方向にド
リフト運動する。
〜2gのN、Sの極性を反転させることにより、ドリフ
ト方向を反転させることが可能であるので、固定マグネ
ット2d〜2gの内部を分割マグネットにより構成し、
最適な極性分布を持たせることにより、ターゲット1
a、1b、1c上で局所的な電子密度の増大の発生を阻
止できる。
a、1b、1c上で均一化させることにより、均一化さ
れたプラズマ密度分布を実現できる。
て、各ターゲット1a、1b、1cの表面はマイナス電
位になっているため、プラズマ中の正の電荷を有するア
ルゴンイオンは、大きな運動エネルギーでターゲット1
a、1b、1cに直進して衝突し、ターゲット原子6を
はじき出す。その結果、アルゴンイオンが存在するプラ
ズマ密度は均一化されているため、各ターゲット1a〜
1c上に局所的に材料が浸食されることなく、広い領域
にエロージョンが発生する。エロージョン部よりスパッ
タリングされたスパッタ原子6は、各ターゲット1a、
1b、1cを含む平面に対向した位置に設置された平面
基板3の上に付着し、薄膜を形成する。
a〜1cによる電子のドリフト方向について、各ターゲ
ット1a、1b、1cの長手方向の両端部で電子が各タ
ーゲット領域より外側に流れ出ないようにするため、電
子が各ターゲットセンター方向にドリフト運動するよう
に、直線状の固定マグネット2d〜2gの両端部分の極
性を決定している。この結果、プラズマ密度を向上させ
てターゲット全面から同時に多数のスパッタ原子6を基
板3上に成膜させることが可能となり、高速成膜を実現
させている。
は、各々の両サイドにある各ターゲット上(1a、1b
および1b、1c)に発生する磁場の方向を反転させる
ことにより、NS1対の極性を有する直線状の固定マグ
ネットのみで、磁力線5を両サイドのターゲット上に発
生させることも可能である。
を用いれば、実施例1に比べて大面積基板3と各ターゲ
ット1a、1b、1c表面との距離(TS距離)を小さ
くさせても基板3上に均一な膜厚を確保し易くなるた
め、基板3以外に付着するスパッタリング原子6の量を
低減させて高速成膜することができる。さらに、ターゲ
ット1a、1b、1cの各ターゲット利用効率や寿命を
向上することも可能である。
の角型基板への安定成膜を実現でき、ターゲットおよび
真空チャンバーの小型化が可能であるので、装置コス
ト、成膜材料コストの低減や、またメンテナンス作業の
効率化による稼働率の向上が可能である。
マグネットにより、直線状および円弧状の組み合わせで
構成される閉じた環状エロージョンを有することで、各
ターゲットから同時にスパッタリングすることが可能と
なり、低パワーの電源により高速な成膜が実現でき、生
産性を向上させることができる。そして、DC放電以外
に安定したRFマグネトロン放電にも対応できるため、
金属ターゲットのみならず、絶縁材料ターゲットによる
成膜も可能である。
び各角型電極間のピッチが基板とターゲット表面との距
離の90%から110%の範囲となるようにすれば、大
面積の角型基板のサイズに応じた最適なターゲットサイ
ズおよび分割数での成膜によって膜厚均一性にすぐれた
成膜が実現でき、生産歩留りの向上が期待できる。
ーゲットおよび電極の両サイドに直線状のマグネットを
配置させ、ターゲット面上に局所的な電子密度分布を形
成させないことにより、ターゲット利用効率や寿命を向
上することも可能であり、生産時のランニングコストの
低減およびメンテナンス頻度を低下させることが実現で
きる。
の基本構成の斜視断面図。
に成膜される膜厚分布のシミュレーション結果を示す
図。
細断面図。
エロージョン領域の模式平面図。
るエロージョンの配置図。
の基本構成の斜視断面図。
面図。
トを基板中心上の位置で静止させた時に基板上に成膜さ
れる膜厚分布のシミュレーション結果を示す図。
Claims (4)
- 【請求項1】 ガス供給および排気機能を有する真空容
器内に、基板支持部に設置された平板状の角型基板と、
基板に対向した平面内に電源と接続された電極に設置さ
れた平面状のターゲットを有し、基板をターゲットに対
して静止した状態で成膜するスパッタリング装置におい
て、前記ターゲットを平面内で互いに電気的に絶縁され
た3つ以上の角型電極板上に分割して配置すると共に、
各ターゲットに対応させて各ターゲットの表面に所定の
磁力線を発生させるマグネットを配置したことを特徴と
するスパッタリング装置。 - 【請求項2】 ターゲット面上に直線状および円弧状の
組み合わせで構成される環状の閉じた電子のドリフト運
動を形成させるためのマグネットを、各ターゲットの裏
面の夫々に配置した請求項1記載のスパッタリング装
置。 - 【請求項3】 ターゲット面上の電子のドリフト運動に
よって生じるターゲット上の浸食部分の形状において、
ターゲット上の直線状間の間隔および各角型電極板間の
ピッチが基板とターゲット表面との距離の90%から1
10%の範囲内である請求項2記載のスパッタリング装
置。 - 【請求項4】 各角型電極およびターゲットの両サイド
に直線状のマグネットを配置した請求項1記載のスパッ
タリング装置。
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