KR100237604B1 - 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법 - Google Patents

박막형 광로 조절 장치의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 투사형 화상 표시장치에 이용되는 박막형 광로 조절 장치에 관한 것으로서, 희생층의 제거 속도를 높이기 위한 것으로서, 종래의 대기압 화학 기상증착 공정이나, 저합 화학 기상 증착 공정으로 형성하던 희생층을 플라즈마 화학 기상 증착 공정으로 형성함으로써, 희생층의 식각 속도를 4배 이상 줄일 수 있고, 그에 따라 액츄에이터의 복수개의 층이 식각액에 어택받는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 식각 속도의 증가에 따라 그 생산 속도를 높일 수 있다.

Description

박막형 광로 조절 장치의 제조 방법
본 발명은 투사형 화상 표시 장치로 사용되는 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 희생층의 제거 시간을 감소시킬 수 있는 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 화상 표시 장치는 표시 방법에 따라, 직시형 화상 표시 장치와 투사형 화상 표시 장치로 구분된다.
직시형 화상 표시 장치는 CRT(Cathode Ray Tube; 이하, ‘CRT’라고 칭함.) 등이 있는데, 이러한 CRT 화상 표시 장치는 화질은 좋으나 화면이 커짐에 따라 중량 및 두께의 증대와, 가격이 비싸지는 등의 문제점이 있어 대화면을 구비하는 데 한계가 있다.
투사형 화상 표시 장치는 대화면 액정 표시장치(Liquid Crystal Display : 이하 LCD라 칭함) 등이 있는데, 이러한 대화면 LCD의 박형화가 가능하여 중량을 작게 할 수 있다.
그러나, 이러한 LCD는 편광판에 의한 광의 손실이 크고 LCD를 구동하기 위한 박막 트랜지스터가 화소마다 형성되어 있어 개구율(광의 투과 면적)을 높이는데 한계가 있으므로 광의 효율이 매우 낮다.
따라서, 액츄에이티드 미러 어레이(Actuated Mirror Arrays : 이하 ‘AMA’라 칭함)를 이용한 투사형 화상 표시 장치가 개발되었다.
AMA를 이용한 투사형 화상 표시 장치는 광원에서 발광된 백색광을 적색, 녹색 및 청색의 광으로 분리한 후, 이 광을 액츄에이터들로 이루어진 광로 조절 장치의 구동에 의한 광로를 변경시킨다.
즉, 액츄에이터들에 실장되어 이 액츄에이터들이 개별적으로 구동되는 것에 의해 기울어지는 거울들에 각각 반사시켜 광로(Light Path)를 변경시키는 것에 의해 광의 양을 조절하여 화면으로 투사시킨다. 그러므로, 화면에 화상이 나타나게 된다.
상기에서, 액츄에이터는 압전 또는 전왜 세라믹으로 이루어진 변형부가 인가되는 전압에 의해 전계가 발생되어 변형되는 것을 이용하여 거울을 기울게 한다.
AMA는 구동방식에 따라 1차원 AMA와 2차원 AMA로 구별된다. 1차원 AMA는 거울들이 M×1 어레이로 배열되고, 2차원 AMA는 거울들이 M×N 어레이로 배열되고 있다. 따라서, 1차원 AMA를 이용한 투사형 화상 표시 장치는 주사거울을 이용하여 M×1개 광속들을 선주사시키고, 2차원 AMA를 이용하는 투사형 화상 표시 장치는 M×N개의 광속들을 투사시켜 화상을 나타내게 된다.
또한, 액츄에이터는 변형부의 형태에 따라 벌크형(Bulk Type)과 박막형(Thin Film Type)으로 구분된다. 상기 벌크형은 다층 세라믹을 얇게 잘라 내부에 금속 전극이 형성된 세라믹 웨이퍼(Ceramic Wafer)를 구동 기판에 실장한 후 쏘잉(Sawing) 등으로 가공하고 거울을 실장한다. 그러나, 벌크형 액츄에이터는 액츄에이터들을 쏘잉에 의해 분리하여야 하므로 긴 공정시간이 필요하며, 또한, 변형부의 응답 속도가 느린 문제점이 있었다. 따라서, 반도체 공정을 이용하여 제조할 수 있는 박막형의 액츄에이터가 개발되었다.
한편, 제1도는 상기 박막형의 액츄에이터를 구비하는 일반적인 박막형 광로 조절 장치의 한 단위 픽셀의 단면을 도시한 단면도로서, 동도면을 참조하여 상기 박막형 광로 조절 장치는 실리콘 기판(110), 패시베이션층(120), 식각 스톱층(130), 매탈 패드(105)로 구성된 구동 기판(100)과 플러그(205), 멤브레인(210), 하부 전극(220), 변형부(230), 상부 전극(240)으로 구성된 액츄에이터(200)를 구비하고 있다.
이하, 제1도에 도시된 바와같은, 일반적인 박막형 광로 조절 장치는 매트릭스 형상의 능동 소자를 구비한 구동 기판(100) 상에 희생층을 형성하고, 상기 희생층의 상부에 복수개의 층으로 이루어진 소정 형상의 액츄에이터(200)를 형성한 후, 상기 희생층을 제거시킴으로써 제조되며, 상기와 같은 제조된 박막형 광로 조절 장치는 외부의 제어 시스템으로부터 구동 기판(100)에 내장되어 있는 능동 소자를 통하여 상기 액츄에이터(200)의 상부 전극(240)에 전기적 신호가 인가되면 상기 하부 전극(220)과 상기 상부 전극(240) 사이에 소정 크기의 전위차가 발생되고 이러한 전위차 발생에 의해 상기 변형부(230)는 압전 변형을 나타내며 이에 의하여복수개의 액츄에이터(200)가 개별적으로 구동하게 된다.
즉, 반사면으로 작용하는 상기 상부 전극(240)의 표면으로 입사된 광원의 백색광은 상기 액츄에이터(200)의 구동에 의하여 변경된 광로를 따라 반사되어서 도시되어 있지 않은 스크린상에 화상을 표시하게 된다.
한편, 종래에 있어서 상기 희생층은 인이 함유된 실리콘 산화물(PSG)을 대기압 화학 기상 증착 공정(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition; 이후, ‘APCVD’라 칭함)에 의하여 형성되었다.
그러나, 액츄에이터를 형성한 후 캔틸레버(Cantilever) 구조를 형성하기 위하여 상기 희생층을 HF 증기로 제거할 때, 상기와 같이 대기압 화학 기상 증착 공정(APCVD)으로 형성된 종래의 희생층은 캔틸레버 안쪽의 PSG까지 완벽히 제거하기 위한 식각 시간이 1시간 이상으로 장시간이 소요되므로, 액츄에이터의 복수개의 층이 어택(Attack) 받는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 상기 희생층의 제거 시간을 단축하여 희생층의 식각제로부터 액츄에이터가 손상되는 것을 방지할 수 있는 박막형 광로조절 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 다수개의 트랜지스터가 매트릭스 형태로 형성된 구동 기판의 상부에 희생층을 형성한 후 패터닝하고, 상기 패터닝된 희생층의 상부에 상기 트랜지스터 각각과 일대일로 대응하는 다수개의 액츄에이터를 형성한 다음, 상기 희생층을 제거하여 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법에 있어서, 상기 구동 기판의 상부에 플라즈마 화학 기상 증착 기법으로 절연 물질을 적층하여 상기 희생층을 형성하는 것을 특징으로 하는 박마형 광로 조절 장치의 제조 방법을 제공한다.
제1도는 일반적인 박막형 광로 조절 장치의 단위 픽셀을 도시한 단면도.
제2(a)도 내지 제2(j)도는 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법을 순차적으로 도시한 공정도.
제3도는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 식각 비율과 종래의 기술에 따른 식각 비율을 비교 도시한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 구동 기판 110 : 실리콘 기판
120 : 패시베이션층 130 : 식각 스톱층
105 : 컨택트 메탈 200 : 액츄에이터
205 : 플러그 메탈 210 : 멤브레인
220 : 하부 전극 230 : 변형부
240 : 상부 전극 250 : 희생층
260 : 식각 보호층
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하면 다음과 같으며, 제1도에 도시된 일반적인 박막형 광로 조절 장치와 동일한 구성은 동일 도면 부호를 사용한다.
제1도는 일반적인 박막형 광로 조절 장치의 단위 픽셀을 도시한 단면도이고, 제2(a)도 내지 제2(j)도는 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법을 순차적으로 도시한 공정도이다.
먼저, 반도체 집적 회로 제조 공정에 의하여 실리콘 기판(110)상에는 MOS와 같은 트랜지스터로 이루어진 복수개의 능동 소자(도시 생략된)가 매트릭스 구조로 형성되어 있으며, 이 후에 수행되는 증착 공정의 고온 분위기하에서 상기 복수개의 능동 소자가 외부로부터 화학적 또는 물리적 손상을 받는 것을 방지시키기 위하여, 증착 공정에 의하여 절연 물질을 상기 실리콘 기판(110)상에 소정 두께로 도포시킴으로서 상기 능동 소자를 보호하기 위한 패시베이션층(120)을 형성시킨다.
여기에서, 상기 절연 물질은 상기 실리콘 기판(110)상에 형성된 보굿개의 능동 소자(도시 생략된)가 상호간에 전기적으로 도통되는 것을 방지시키기 위한 절연 특성을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라 상기 능동 소자의 표면 보호(passivation) 특성을 나타내는 것이 바람직하며 이러한 특성 요구를 만족시키기 위하여 사용되는 절연 물질은 고온에서 양호한 유동 특성을 나타내는 인이 함유된 실리콘 산화물(PSG; PhosphoSilicate Glass) 또는 BPSG(BoroPhosphoSilicate Glass)로 구성되고 이러한 절연 물질을 증착시키기 위한 증착 공정은 화학 기상 증착 공정(CVD)으로 이루어진다.
한편, 액츄에이터(200)를 구성하는 복수개의 층들을 패터닝시킴으로서 단위 픽셀 형상으로 형성된 액츄에이터(200)를 캔틸레버 구조로 형성시키기 위한 식각 공정에 의하여 상기 패시베이션층(120)이 식각 용액 예를들면 불산(HF) 용액에 노출되어 화학적 손상을 입는 것을 방지시킬 수 있도록 상기 패시베이션층(120)상에 불산(HF) 용액에 대한 내식성이 양호한 절연 물질을 증착 공정에 의하여 소정 두께로 적층시킴으로서 식각 스톱층(130)을 형성시킨다.
여기에서, 상기 식각 스톱층(130)을 구성하는 절연 물질은 절연 특성이 양호할 뿐만 아니라 상기된 바와 같이 식각 용액 특히 불산(HF) 용액에 대한 내식성이 우수한 실리콘 질화물(Si3N4) 조성으로 이루어지며 상기 증착 공정은 화학 기상 증착 공정(CVD) 특히 저압 화학 기상 증착 공정(LPCVD) 또는 플라즈마 화학 기상 증착 공정(PECVD)에 의하여 수행된다.
이후, 상기 식각 스톱층(130)의 상부에 인이 함유된 실리콘 산화물(PSG)을 프라즈마 화학 기상 증착 공정(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; 이하, ‘PECVD’라 칭함)에 의하여 소정 두께로 적층시킴으로써, 제2(a)도에 도시된 바와같이 희생층(sacrificial layer)(250)을 형성시킨 후 미세 패턴 형성 공정에 의하여 상기 희생층(250)을 제2(b)도에 도시된 바와같이 소정 선폭 크기의 패턴을 구비한 소정 형상으로 형성시키며 그 결과 상기 희생층(250)의 패턴을 통하여 노출되는 사익 구동 기판(100)의 일부는 액츄에이터(200)의 지지부 및 브리지를 형성시키기 위한 장소로 제공된다. 이때, 플라즈마 화학 기상 증착 공정에 의한 상기 희생층(250)은 100∼5000Å/min의 속도로 증착된다.
상기된 바와같이 구동 기판(100)상에 소정 패턴의 선폭 크기를 갖는 소정 형상의 희생층(250) 및 상기 희생층(250)의 패터닝을 통하여 노출된 상기 구동 기판(100)의 식각 스톱층(130)상에 절연 특성이 양호할 뿐만 아니라 불산(HF) 용액과 같은 식각 용액에 대한 내성이 양호한 절연 물질을 화학 기상 증착 공정(CVD)에 의하여 소정 두께로 증착시켜서 제2(c)도에 도시된 바와같이 멤브레인(210)을 형성시킨 후 상기 멤브레인(210)상에는 콘택홀 형성 공정에 의하여 상기 구동 기판(100)에 내장된 능동 소자(도시 생략된)에 전기적으로 연결된 매탈 패드(105)를 노출시키기 위한 비아홀을 제2(d)도 도시된 바와 같이 형성한다.
이러한 멤브레인(210)을 구성하는 절연 물질은 캔틸레버 구조를 갖는 액츄에이터(200)의 구동부가 반복적으로 틸팅될 때 피로 응력에 의한 취성을 견딜 수 있도록 내성이 우수한 금속 또는 실리콘 질화물(SiNx)로 이루어진다.
여기에서, 상기 희생층(250)의 패턴을 통하여 노출된 상기 구동 기판(100)의 식각 스톱층(130)상에 형성된 상기 멤브레인(210)의 일부는 상기된 바와같이 캔틸레버 구조로 형성되는 액츄에이터(200)의 지지부 및 이러한 지지부를 연결시키기 위한 브리지를 형성하기 위한 지저부로 작용하는 반면에 상기 희생층(250)상에 형성된 상기 멤브레인(210)의 일부는 상기 액츄에이터(200)가 소정의 각도로 상하 변위를 나타내는 구동부를 형성하기 위한 기저부로 작용한다.
이후, 상기 멤브레인(210)에서부터 매탈 패드(105)까지 관통된 비아홀에 도전성을 갖는 백금(Pt), 티타튬(Ti) 또는 탄탈륨(Ta)과 갖은 금속을 리프트 오프(Lift-Off) 등과 같은 공정으로 장착하여 이후 공정에 의해 형성될 하부 전극(220)과 전기적으로 도통될 수 있는 플러그 메탈(205)을 제2(e)도에 도시된 바와같이 형성한다.
또한, 상기 플러그 메탈(205)을 포함한 멤브레인(210) 상에 백금(Pt) 또는 탄탈륨(Ta)과 같이 양호한 도전 특성을 나타내는 도전성 금속을 스퍼터링 증착 공정과 같은 진공 증착 공정에 의하여 소정 두께로 적층시켜서 하부 전극(220)을 형성시키며 이러한 하부 전극(220)은 상기된 바와같이 멤브레인(210)으로부터 상기 구동기판(100)의 매탈 패드(105)까지 연결된 플러그 메탈(205)에 의하여 구동 기판(100) 내부에 내장된 복수개의 능동 소자와 전기적으로 연결되어 있으며 이러한 하부 전극(220)은 이 후의 식각 공정에 의하여 소정 형상으로 형성되고 신호 전극으로 작동하는 하부 전극(220)을 구성한다.
이때, 상기 하부 전극(220)의 일부 특히 소정 형상으로 형성되는 액츄에이터(200)의 브리지(도시 생략된)를 구성하는 상기 하부 전극(220)의 일부를 반응성 이온 식각 공정(R.I.E.)과 같이 이방성 에칭 특성이 양호한 건식 식각 공정에 의하여 제거하여서 상기 복수개의 능동 소자를 통하여 하부 전극(220)에 유입되는 전기적 신호를 화소 단위로 분리시키기 위한 이소 컷팅부(I.C.)를 형성시킨다.
이후, 상기 이소 컷팅부(도시 생략된)를 통하여 노출되는 상기 멤브레인(210)의 일부 및 상기 하부 전극(220)상에 압전 특성을 나타내는 세라믹 재료를 증착 공정에 의하여 소정 두께로 적층시켜서 변형부(230)를 형성시키며 이러한 변형부(230)를 구성하는 세라믹 재료는 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3, (Pb,La)(Zr,Ti)O3조성의 압전 세라믹 또는 Pb(Mg,Nb)O3조성의 전왜 세라믹으로 이루어져 있고 상기 증착 공정은 스퍼터링 증착 공정 또는 화학 기상 증착 공정 또는 졸-겔 공정에 의하여 형성된다.
상기된 바와같이, 소정 두께로 적층되어 형성된 상기 변형부(230)는 고온 열처리 공정 특히 급가열 공정(Rapid Thermal Annealing System)에 의하여 열처리되며, 그 결과 상기 변형부(230)를 구성하고 있는 세라믹 조성물의 결정 구조를 페로브스카이트(Perovskite) 결정 구조로 형성시킴으로써 상기 변형부(230)는 압전 특성을 양호하게 나타낸다.
이후, 상기 변형부(230)의 상부에 물리 기상 증착 공정(PVD) 또는 화학 기상 증착(CVD)에 의하여 전기 전도도 특성이 양호할 뿐만 아니라 반사 특성이 양호한 알루미늄(Al) 또는 백금(Pt) 및 티타늄(Ti)과 같은 금속을 소정 두께로 증착시켜서 상부 전극(240)을 형성시키며, 상기 상부 전극(240)은 소정 형상으로 형성된 액츄에이터(200)의 구동부를 틸팅시키기 위한 공통 전극으로 작용할 뿐만 아니라 반사 특성을 갖는 반사면으로 작용한다.
상기된 바와 같은 다단계의 공정에 의해 제2(f)도에 도시된 바와같이, 구동 기판(100)상에는 순차적으로 적층되어 있는 복수개의 층들로 이루어진 액츄에이터(200)가 형성되고 이러한 액츄에이터(200)를 구성하는 복수개의 층들은 이 후에 수행되는 식각 공정에 의하여 제2(g)도에 도시된 바와같이 패터닝됨으로써 소정 형상의 액츄에이터(200)를 형성시키며, 그 결과 상기 희생층(250)의 일부가 노출된다.
상기된 바와같이, 구동 기판(100)상에 적층된 복수개의 층들의 일부를 상기 액츄에이터(200)를 구성하는 소정 형상으로 형성시키기 위한 식각 공정은 이방성 식각 특성이 양호한 건식 식각 공정 예를들면 반응성 이온 식각(RIE) 공정에 의하여 수행되며 이러한 반응성 이온 식각(RIE) 공정은 산소 플라즈마하에서 CF4또는 CHF3으로 구성된 에천트(Etchant)의 에칭 작용에 의하여 수행된다.
한편, 상기된 바와같이 소정 형상으로 형성된 상기 액츄에이터(200)를 캔틸레버 구조로 형성시키기 위하여 상기 구동 기판(100)상에 소정 형상으로 잔존하는 상기 희생층(250)을 식각 공정에 의하여 제거할 때 상기 액츄에이터(200)의 측면이 상기 식각 용액에 노출되어서 액츄에이터를 구성하는 복수개의 층들이 박리되는 것을 방지시키기 위하여 제2(h)도에 도시된 바와같이 상기 액츄에이터(200)의 외부 표면상에 식각 보호막(260)을 형성시킨다.
이때, 상기 식각 보호막(260)은 상기 멤브레인(210)상에 형성된 노출 부위를 완전히 외부로부터 차단시킬 수 있도록 상기 액츄에이터(200)의 외부 표면상에 절연 물질을 소정 두께로 도포시킴으로서 형성되며 이러한 식각 보호막(260)을 구성하는 절연 물질은 식각 공정에 사용되는 식각액 특히 불산(HF)에 대한 내식성이 양호한 폴리머(Polymer)로 이루어진다.
한편, 상기 액츄에이터(200)의 패턴을 통하여 노출된 상기 희생층(250)은 등방성 식각 특성이 양호하게 나타나는 식각 공정에 의하여 제2(i)도에 도시된 바와같이 제거되지만 상기 식각 스톱층(130)은 손방받지 않은 상태로 유지되어 있으므로 상기 패시베이셔층(120)은 상기 능동 소자를 양호하게 보호하게 되며 상기 식각 공정에 사용되는 식각 용액은 상기 희생층을 구성하는 인이 함유된 실리콘 산화물(PSG)에 대한 식각 특성이 양호한 불산(HF) 용액으로 이루어져 있다.
한편, 인의 농도 변화에 따라 플라즈마 화학 기상 증착 공정(PECVD)으로 형성된 희생층과 대기업 화학 기상 증착 공정(APCVD)으로 형성된 희생층의 식각 비율을 도시한 제3도를 참조하면, 본 발명에 따라 플라즈마 화학 기상 증착 공정(PECVD)으로 형성된 상기 희생층은 종래의 대기압 화학 기상 증착 공정(APCVD)에 의해 형성된 희생층 보다 4배 이상 식각이 빨리되고, 또한 인의 농도가 클수록 그 식각 속도의 차이는 커짐을 알 수 있다.
이 후에, 이온 밀링 공정과 같은 건식 식각 공정에 의하여 상기 액츄에이터(200)의 상부 전극(240)상에 소정 두께로 잔존하는 상기 식각 보호막(260)을 제2(j)도에 도시된 바와같이 제거하여서 상기 상부 전극(240)을 노출시켜 미러 어레이의 반사면으로 작동할 수 있게 한다.
상기와 같은 다단계의 공정을 거쳐 제2(j)도에 도시된 바와같이 제조된 박막형 광로 조절 장치는 외부의 제어 시스템으로부터 구동 기판(100)에 내장되어 있는 능동 소자를 통하여 상기 액츄에이터(200)의 상부 전극(240)에 전기적 신호가 인가되면 상기 하부 전극(220)과 상기 상부 전극(240) 사이에 소정 크기의 전위차가 발생되고 이러한 전위차 발생에 의해 상기 변형부(230)는 압전 변형을 나타내며 이에 의하여 복수개의 액츄에이터(200)가 개별적으로 구동하게 된다.
즉, 반사면으로 작용하는 상기 상부 전극(240)의 표면으로 입사된 광원의 백색광은 상기 액츄에이터(200)의 구동에 의하여 변경된 광로를 반사되어서 도시되어 있지 않은 스크린상에 화상을 표시하게 된다.
이상, 상기 내용은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시에를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 청구 범위에 기재된 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다.
본 발명에 따라 희생층을 플라즈마 화학 기상 증착(PECVD) 공정에 의해 형성하면, 희생층을 빠르게 제거할 수 있어, 식각액에 의한 액츄에이터의 손상에 따른 박마형 광로 조절 장치의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 박막형 광로 조절 장치의 생산 시간을 단축하여 양산성을 높일 수 있다.

Claims (1)

  1. 다수개의 트랜지스터가 매트릭스 형태로 형성된 구동 기판의 상부에 희생층을 형성한 후 패터닝하고, 상기 패터닝된 희생층의 상부에 상기 트랜지스터 각각과 일대일로 대응하는 다수개의 액츄에이터를 형성한 다음, 상기 희생층을 제거하여 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법에 있어서, 상기 구동 기판의 상부에 플라즈마 화학 기상 증착 기법으로 절연 물질을 적층하여 상기 희생층을 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH0574958A (ja) * 1991-09-13 1993-03-26 Nec Corp 半導体装置およびその製造方法
KR960001845A (ko) * 1994-06-30 1996-01-25 배순훈 광로조절장치의 제조방법

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