KR100872289B1 - COMS image sensor with improved light focusing ability and method of fabricating thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시모스 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 페시베이션막을 렌즈로 사용하여 소자의 수광특성을 향상시킨 발명이다. 이를 위한 본 발명은 수광소자를 비롯한 관련소자가 형성된 기판; 상기 기판 상에 형성된 금속배선; 상기 금속배선 상에 형성되되, 상기 수광소자와 대응되는 영역은 볼목하고 그외의 영역은 오목한 요철을 갖도록 일정부분이 제거된 층간절연막; 상기 층간절연막 상에 형성된 페시베이션막; 상기 페시베이션막 상에 형성된 평탄화막; 및 상기 평탄화막 상에 형성된 칼라필터를 포함하여 이루어진다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same, and in particular, to improve light receiving characteristics of a device by using a passivation film as a lens. The present invention for this purpose is a substrate formed with a related element, including a light receiving element; A metal wiring formed on the substrate; An interlayer insulating layer formed on the metal line, wherein a portion of the interlayer insulating layer is removed so that the region corresponding to the light receiving element is convex and the other region is concave and convex; A passivation film formed on the interlayer insulating film; A planarization film formed on the passivation film; And a color filter formed on the planarization film.
이미지센서, 마이크로렌즈, 페시베이션막, 단위화소, 촛점거리Image sensor, micro lens, passivation film, unit pixel, focal length
Description
도1a은 종래기술에 따른 시모스 이미지센서의 단위화소를 도시한 회로도,1A is a circuit diagram showing a unit pixel of a CMOS image sensor according to the prior art;
도1b는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서의 단면을 도시한 단면도,Figure 1b is a cross-sectional view showing a cross section of the CMOS image sensor according to the prior art,
도2a 내지 도2b는 본 발명에 따른 시모스 이미지센서의 제조공정을 도시한 단면도.
2a to 2b are cross-sectional views showing the manufacturing process of the CMOS image sensor according to the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
10 : 기판10: substrate
11 : 필드산화막11: field oxide film
12 : 포토다이오드12: photodiode
13 : 층간절연막13: interlayer insulating film
14, 16, 18 : 단위화소 구성용 금속회로14, 16, 18: metal circuit for unit pixel
15, 17, 19 : 층간절연막15, 17, 19: interlayer insulating film
30 : 페시베이션막30: passivation film
31 : 칼라필터형성용 평탄화막 31: planarization film for color filter formation
32 : 칼라필터
32: color filter
본 발명은 시모스 이미지센서에 관한 것으로 특히, 소자의 수광특성을 향상시킨 시모스 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a CMOS image sensor, and more particularly, to a CMOS image sensor having improved light receiving characteristics of a device and a method of manufacturing the same.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중에서 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스(Complementary MOS) 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수 만큼의 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal. Among them, a charge coupled device (CCD) includes individual metal-oxide-silicon (MOS) capacitors. A device in which charge carriers are stored and transported in a capacitor while being in close proximity to each other. Complementary MOS image sensors use CMOS technology that uses a control circuit and a signal processing circuit as peripheral circuits. A device employing a switching scheme that creates MOS transistors as many as pixels and sequentially detects outputs using the MOS transistors.
CCD(charge coupled device)는 구동 방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 스텝 수가 많아서 공정이 복잡하고 시그날 프로세싱 회로를 CCD 칩 내에 구현 할 수 없어 원칩(One Chip)화가 곤란하다는 등의 여러 단점이 있는 바, 최근에 그러한 단점을 극복하기 위하여 서브-마이크론(sub-micron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지센서의 개발이 많이 연구되고 있다. CMOS 이미지센서는 단위화소(Pixel) 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 제조기술을 이용하므로 전력 소모도 적고 마스크 수도 20개 정도로 30∼40개의 마스크가 필요한 CCD 공정에 비해 공정이 매우 단순하며 여러 신호 처리 회로와 원칩화가 가능하여 차세대 이미지센서로 각광을 받고 있다. CCD (charge coupled device) has several disadvantages such as complicated driving method, high power consumption, high number of mask process steps, complicated process, and difficult to implement signal processing circuit in CCD chip. In order to overcome such drawbacks, the development of a CMOS image sensor using a sub-micron CMOS manufacturing technology has been studied in recent years. The CMOS image sensor forms an image by forming a photodiode and a MOS transistor in a unit pixel and sequentially detects signals in a switching method, and implements an image. The CMOS manufacturing technology uses less power and uses 20 to 30 masks with 20 masks. Compared to CCD process that requires two masks, the process is very simple, and it is possible to make various signal processing circuits and one chip, which is attracting attention as the next generation image sensor.
도1a은 통상의 CMOS 이미지센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS 트랜지스터로 구성된 단위화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도로서, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드와, 포토다이오드(Photo Diode)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(FD) 으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와, 원하는 값으로 플로팅확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅확산영역(FD)를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터 (Rx)와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(Dx), 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(Sx)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터가 형성되어 있다.FIG. 1A is a circuit diagram showing a unit pixel composed of one photodiode (PD) and four MOS transistors in a conventional CMOS image sensor, and includes a photodiode for generating photocharges by receiving light and a photodiode ( A transfer transistor (Tx) for transporting the photocharge collected from the photo diodes to the floating diffusion region (FD), and for resetting the floating diffusion region (FD) by setting the potential of the floating diffusion region to a desired value and discharging electric charges. A reset transistor Rx, a drive transistor Dx serving as a source follower buffer amplifier, and a select transistor Sx capable of addressing by switching. . Outside the unit pixel, a load transistor is formed to read an output signal.
도1b는 이와같은 단위화소을 포함하여 구성된 시모스 이미지센서의 단면을 도시한 단면도로서 이를 참조하여 종래의 이미지센서의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.Figure 1b is a cross-sectional view showing a cross-sectional view of the CMOS image sensor including such a unit pixel with reference to this description of the manufacturing method of a conventional image sensor as follows.
먼저, 반도체 기판(10) 상에 소자간의 전기적인 절연을 위한 필드산화막 (11)을 형성한 후, 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패턴 닝함으로써 게이트 전극을 형성한다.(게이트전극은 도1b에 도시되어 있지않다.)First, after forming the
이후, 적절한 이온주입 공정을 진행함으로써 포토다이오드(12)를 형성하고 트랜지스터의 소오스/드레인 및 센싱노드를 형성하기 위한 이온주입을 실시한다.Thereafter, an appropriate ion implantation process is performed to form the
다음으로 포토다이오드(12)와 필드산화막(11)을 포함하는 전체 구조상에 층간절연막(13)을 형성하고 평탄화 공정을 수행한다.Next, an
이후에 상기 층간절연막(13) 상에 단위화소를 구성하는 금속회로(14, 16, 18)를 형성한다. 이때 형성되는 금속회로(14, 16, 18)는 포토다이오드(12)로 입사하는 빛을 막지 않도록 배치되어 형성된다. Thereafter,
이미지센서의 단위화소는 포토다이오드를 비롯하여 신호처리를 위한 여러개의 트랜지스터가 복합적으로 구성되어 있다. 도1b에 도시된 도면부호 14, 16 및 18은 이러한 단위화소 구성용 금속회로를 보인 것이다.The unit pixel of an image sensor is composed of a plurality of transistors for signal processing including a photodiode.
각층의 단위화소 구성용 금속회로들 사이사이에는 전기적인 절연을 위한 층간절연막들(15, 17, 19)이 형성되어 있으며, 최종 층간절연막(19) 상부에는 습기나 스크랫치(scratch)로부터 소자를 보호할 목적으로 산화막 또는 질화막으로 구성된 페시베이션막(20)이 형성됨으로써 일반적인 시모스 공정이 마무리된다.
다음으로 페시베이션막(20) 상에 칼라 이미지 구현을 위한 세가지 종류의 칼라필터(21)를 형성하는데, 칼라필터로는 보통 염색된 포토레지스트를 사용한다.Next, three kinds of
이와같이 칼라필터를 형성한 이후에 칼라필터(21) 상에 오버코팅레이어(22)를 증착하고 이를 평탄화시켜 마이크로렌즈(23)가 평탄화된 오버코팅레이어(22) 상에 형성될 수 있도록 한다.
After the color filter is formed in this way, the overcoating
마이크로렌즈(23)는 마이크로렌즈 형성용 포토레지스트를 도포한 후, 이를 패터닝하여 사각형 형태로 만든다. 이후, 열공정을 통해 상기 사각형의 포토레지스트를 플로우(flow)시켜 돔(dome) 형태의 마이크로렌즈로 만든다.The
전술한 바와같이, 통상적인 이미지센서의 단위화소 내부에는 포토다이오드뿐만 아니라 단위화소 내부의 신호처리를 위한 회로가 복합적으로 구성되기 때문에, 포토다이오드의 면적에 제한이 따르게 된다. As described above, since not only the photodiode but also a circuit for signal processing inside the unit pixel are configured in the unit pixel of the conventional image sensor, the area of the photodiode is limited.
따라서, 단위화소 상부에 마이크로렌즈를 형성하여 단위화소로 입사하는 빛 중에서 포토다이오드영역 이외의 지역으로 입사하는 빛을 포토다이오드로 모아줌으로서 소자의 수광특성을 향상시켜 준다.Accordingly, the light receiving characteristics of the device may be improved by forming a microlens on the unit pixel to collect light incident to a region other than the photodiode region among the light incident on the unit pixel.
하지만, 단위화소의 크기가 작아짐에 따라, 포토다이오드의 크기에 비해 포토다이오드 상부에 형성된 층간절연막(15, 17, 19) 및 금속배선(14, 16, 18) 등으로 인해 상부구조물의 높이가 높아지게 된다.However, as the size of the unit pixel decreases, the height of the upper structure is increased due to the
따라서, 종래와 같이 단위화소 상부에 칼라필터를 형성하고, 그 상부에 마이크로렌즈를 형성하는 방법을 사용하는 경우에는, 공정진행상 마미크로렌즈를 구현하기 위하여 일정두께의 평탄화층이 필요하여, 그로인해 공정이 복잡해지며 높이의 증가또한 적지않았다.Therefore, in the case of using a method of forming a color filter on the unit pixel and forming a microlens on the upper part as in the related art, a planarization layer having a predetermined thickness is required to implement the microlens during the process. The process was complicated and the increase in height was not significant.
또한, 포토다이오드의 중심에서 마이크로렌즈의 중심까지의 거리가 포토다이오드의 한변의 길이의 수배에 이르기 때문에, 포토다이오드에 촛점을 맞출 수 있는 마이크로렌즈도 쉽지가 않았다. In addition, since the distance from the center of the photodiode to the center of the microlens is several times the length of one side of the photodiode, the microlens that can focus on the photodiode is not easy.
그리고 렌즈의 촛점거리에 비해 포토다이오드로부터 마이크로렌즈까지의 거 리가 멀기 때문에, 마이크로렌즈에 의해 굴절된 빛(AA)이 포토다이오드에 이르기 못하고 손실되는 경우가 많이 발생하였다.
In addition, since the distance from the photodiode to the microlens is far from the focal length of the lens, the light (AA) refracted by the microlens is lost to the photodiode.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 페시베이션막을 렌즈로 사용함으로써 수광특성을 향상시킨 시모스 이미지센서 및 그 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a CMOS image sensor and a method of manufacturing the same, which have improved light receiving characteristics by using a passivation film as a lens.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광소자를 비롯한 관련소자가 형성된 기판과, 상기 기판 상에 형성된 금속배선과, 상기 금속배선 상에 형성되되, 상기 수광소자와 대응되는 영역은 볼록하고 그외의 영역은 오목한 요철을 갖도록 일정부분이 제거된 층간절연막과, 상기 층간절연막의 단차를 따라 상기 층간절연막보다 굴절률이 큰 물질로 형성된 페시베이션막과, 상기 페시베이션막 상에 형성된 평탄화막과, 상기 평탄화막 상에 형성된 칼라필터를 포함하는 시모스 이미지센서를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a substrate on which a related element including a light receiving element is formed, a metal wiring formed on the substrate, and a region formed on the metal wiring, the region corresponding to the light receiving element being convex and other. The region of is an interlayer insulating film having a predetermined portion removed to have concave and convex irregularities, a passivation film formed of a material having a refractive index greater than that of the interlayer insulating film along the step of the interlayer insulating film, a planarization film formed on the passivation film, and It provides a CMOS image sensor including a color filter formed on the planarization film.
또한, 본 발명은 기판 상에 수광소자를 비롯한 관련소자를 형성하는 단계와, 상기 기판 상에 금속배선을 형성하는 단계와, 상기 금속배선 상에 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 수광소자와 대응되는 영역은 볼록하고 그외의 영역은 오목한 요철을 갖도록 상기 층간절연막의 일정부분을 제거하는 단계와, 상기 층간절연막 상에 상기 층간절연막의 단차를 따라 상기 층간절연막보다 굴절률이 큰 물질로 페시베이션막을 형성하는 단계와, 상기 페시베이션막 상에 평탄화막을 형성하는 단계와, 상기 평탄화막 상에 칼라필터를 형성하는 단계를 포함하는 시모스 이미지센서의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method of forming a related device including a light receiving element on a substrate, forming a metal wiring on the substrate, forming an interlayer insulating film on the metal wiring, and responding to the light receiving element. Removing a portion of the interlayer dielectric layer so that the convex region is convex and other regions are concave and convex, and forming a passivation layer on the interlayer dielectric layer with a material having a higher refractive index than the interlayer dielectric layer along the step of the interlayer dielectric layer. And forming a planarization film on the passivation film, and forming a color filter on the planarization film.
본 발명은 최종층간절연막의 일정부분을 식각하여 요철을 형성하고 그 상부에 최종층간절연막의 단차를 따라 굴절률이 큰 페시베이션막을 형성함으로써 페시베이션막이 렌즈역할을 수행하도록 한 발명이다.
According to an aspect of the present invention, a passivation film performs a lens function by etching irregular portions of a final interlayer insulating film and forming a passivation film having a large refractive index along the step of the final interlayer insulating film.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the technical idea of the present invention.
도2a 내지 도2b는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조공정을 도시한 단면도로써 이를 참조하여 설명한다.2A to 2B are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention and will be described with reference to the same.
먼저 도2a를 참조하면, 반도체 기판(10) 상에 소자간의 전기적인 절연을 위한 필드산화막 (11)을 형성한 후, 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패턴닝함으로써 게이트 전극을 형성한다.(게이트전극은 도2a에 도시되어 있지않다.)First, referring to FIG. 2A, after forming a
여기서 필드산화막(11)은 LOCOS(Local Oxidation of Silicon) 방법으로 형성될 수도 있고, 또는 트렌치 구조를 갖을 수도 있다.The
이후, 적절한 이온주입 공정을 진행함으로써 포토다이오드(12)를 형성하고 트랜지스터의 소오스/드레인 및 센싱노드를 형성하기 위한 이온주입을 실시한다.Thereafter, an appropriate ion implantation process is performed to form the
다음으로, 포토다이오드(12)와 필드산화막(11)을 포함하는 전체 구조상에 층 간절연막(13)을 형성하고 평탄화 공정을 수행한다.Next, an
이후에, 상기 층간절연막(13) 상에 단위화소를 구성하는 금속회로(14, 16, 18)를 형성한다. 이때 형성되는 금속회로(14, 16, 18)는 포토다이오드(12)로 입사하는 빛을 막지 않도록 배치되어 형성된다. Subsequently,
이미지센서의 단위화소는 포토다이오드를 비롯하여 신호처리를 위한 여러개의 트랜지스터가 복합적으로 구성되어 있다. 도1b에 도시된 도면부호 14, 16 및 18은 이러한 단위화소 구성용 금속회로를 보인 것이며, 각층의 단위화소 구성용 금속회로들 사이사이에는 전기적인 절연을 위한 층간절연막들(15, 17, 19)이 형성되어 있다.The unit pixel of an image sensor is composed of a plurality of transistors for signal processing including a photodiode.
본 발명의 일실시예에서 최종금속배선(18) 상부에 최종층간절연막(19)을 형성하기까지의 공정은 종래와 동일하다. 하지만 그 이후의 공정은 종래기술과 상이하다. 이하 이를 설명하면 다음과 같다.In one embodiment of the present invention, the process up to forming the final
최종층간절연막(19)을 형성한 이후에, 마스크 공정을 진행하여 상기 최종층간절연막(19)의 일정부분 식각하여 도2a에 도시된 바와 같은 요철(19a)을 형성한다.After the final
여기서 최종층간절연막(19) 상에 형성되는 요철(19a)의 형태는 포토다이오드(12)와 대응되는 영역에서는 볼록하고 금속배선(14, 16, 18) 등과 대응되는 영역에서는 오목하도록 형성한다. The
그리고, 상기 요철(19a)의 높이는 입사광이 포토다이오드(12)로 집광될 수 있도록 실험을 통해 조절할 수 있다.
In addition, the height of the
다음으로 도2b에 도시된 바와 같이, 굴곡진 최종층간절연막(19) 상부에 최종층간절연막(19)의 단차를 따라 페시베이션막(30)을 증착한다. 페시베이션막(30)은 하부의 단차를 따라 형성되기 때문에, 도2b에 도시된 것처럼 요철(19a)의 끝 단에서는 마치 게이트 스페이서의 형태를 갖도록 형성된다.Next, as shown in FIG. 2B, the
이와 같은 페시베이션막(30)의 형태는 페시베이션막(30)이 렌즈역할을 수행할 수 있게 하며, 페시베이션막(30)으로는 실리콘질화막이 사용될 수 있으며, 또는 하부의 층간절연막보다 굴절률이 큰 물질을 사용하여 형성된다.Such a
이와 같이 실험적으로 요철(19a)의 높이를 조절하고, 굴절률이 큰 물질을 사용하여 페시베이션막을 형성하게 되면, 입사광을 포토다이오드로 집광할 수 있는 렌즈를 얻을 수 있다. 도2b에는 입사광이 본 발명의 일실시예에 따른 렌즈에 의해 포토다이오드로 집광되는 것을 보이고 있다.As described above, when the height of the
이와 같이 굴곡진 페시베이션막(30)을 형성한 다음에, 그 상부에 평탄화막(31)을 도포한다. 평탄화막(31)은 후속 칼라필터(32)가 평탄화된 표면에서 형성되는 것을 가능하게 해주며, 평탄화막(31)으로는 감광막 계열의 물질인 오버코팅레이어가 사용될 수 있다.The
다음으로, 평탄화막(31) 상에 염색된 포토레지스트를 이용하여 칼라필터(32)를 형성하면, 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서 제조공정이 마무리된다.Next, when the
본 발명의 일실시예에서는 칼라필터 상부에 마이크로렌즈를 형성하지 않고 대신에, 페시베이션막을 이용하여 렌즈를 형성하였다. 따라서, 종래에 비해 입사광 이 굴절되는 위치가 포토다이오드로부터 가까운 장점이 있으며, 이와 같은 장점은 렌즈의 촛점거리가 정확하지 않은 경우에도, 렌즈에 의해 굴절된 빛이 손실되는 양을 줄여줄 수 있게 된다.In an embodiment of the present invention, the lens is formed using a passivation film instead of forming a microlens on the color filter. Therefore, the position where the incident light is refracted is close to that of the photodiode, and this advantage can reduce the amount of light lost by the lens even when the focal length of the lens is not accurate. .
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서 제조공정에서는 종래의 마이크로렌즈를 형성하기 위한 일련의 마스크 공정 및 플로우 공정이 생략되기 때문에 공정이 단순화되는 장점도 있다.
In addition, the CMOS image sensor manufacturing process according to an embodiment of the present invention has the advantage that the process is simplified because a series of mask processes and flow processes for forming a conventional microlens is omitted.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.
As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and the present invention may be variously substituted, modified, and changed without departing from the spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art.
본 발명을 적용하게 되면, 빛이 굴절되는 위치가 포토다이오드로부터 가깝기 때문에 촛점거리가 정확하지 않은 경우에도 굴절에 의해 잃게 되는 빛의 양도 줄일 수 있는효과가 있다. 또한 요철의 두께를 조절함으로써 요철 끝단에서 굴절되는 빛의 촛점거리도 실험적으로 조절할 수 있는 장점이 있다.When the present invention is applied, since the location where the light is refracted is close to the photodiode, the amount of light lost by refraction can be reduced even when the focal length is not accurate. In addition, by controlling the thickness of the irregularities, there is an advantage that the focal length of the light refracted at the uneven end can also be adjusted experimentally.
또한 종래의 마이크로렌즈을 형성하기 위한 일련의 마스크공정을 생략할 수 있기 때문에 공정단순화의 효과도 얻을 수 있다.In addition, since a series of mask processes for forming a conventional microlens can be omitted, the effect of process simplification can also be obtained.
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