KR101094161B1 - Method of manufacturing slurry for chemical mechanical polishing - Google Patents
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Abstract
화학적 기계적 연마용 슬러리의 제조 방법이 개시된다. 화학적 기계적 연마용 슬러리의 제조 방법은 연마 입자를 준비하는 단계; 상기 연마 입자를 건식 밀링하는 단계; 상기 건식 밀링된 연마 입자를 분산매 및 분산제와 혼합하여 슬러리 제조용 혼합물을 준비하는 단계; 상기 슬러리 제조용 혼합물을 비드를 포함하는 습식 밀링기를 이용하여 습식 밀링하는 단계; 및 상기 습식 밀링된 슬러리 제조용 혼합물을 필터링하는 하는 단계를 포함한다.Disclosed is a method of preparing a slurry for chemical mechanical polishing. The method for preparing a chemical mechanical polishing slurry includes preparing abrasive particles; Dry milling the abrasive particles; Mixing the dry milled abrasive particles with a dispersion medium and a dispersant to prepare a mixture for preparing a slurry; Wet milling the mixture for slurry preparation using a wet mill including beads; And filtering the mixture for preparing the wet milled slurry.
Description
본 발명은 연마용 슬러리의 제조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초고집적 반도체 제조시 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing: CMP) 공정에 사용되는 화학적 기계적 연마용 슬러리의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the preparation of polishing slurries, and more particularly, to a method of manufacturing a chemical mechanical polishing slurry used in a chemical mechanical polishing (CMP) process in the manufacture of ultra-high density semiconductors.
화학적 기계적 연마는 초고집적 반도체 제조시 사용되는 실리콘 기판 상에 형성된 소정 막, 즉, 연마 대상체의 표면을 평탄화하는 기술로서, 상기 화학적 기계적 연마 공정시에는, 일반적으로, 실리카, 알루미나, 세리아 등과 같은 연마 입자를 포함하는 슬러리가 사용된다.Chemical mechanical polishing is a technique of planarizing a surface of a polishing film, i.e., a polishing object, formed on a silicon substrate used in manufacturing an ultra-high density semiconductor. In the chemical mechanical polishing process, generally, polishing such as silica, alumina, ceria, etc. Slurries containing particles are used.
상기 슬러리는, 구체적으로, 연마 대상체의 종류에 따라 산화물(oxide)용 슬러리, 금속용 슬러리, 폴리실리콘(poly silicon)용 슬러리로 구분된다. 그 중에서, 산화물용 슬러리는 층간절연막 및 STI(Shallow Trench Isolation) 공정에 사용되는 실리콘산화물층(SiO2 Layer)을 연마할 때 사용되는 슬러리로서, 연마 입자로 세리아를 사용하는 세리아 슬러리가 주로 사용된다. 이하에서는, 상기 세리아 슬러리를 예로 들어 설명한다.Specifically, the slurry is classified into a slurry for oxide, a slurry for metal, and a slurry for poly silicon according to the kind of polishing object. Among them, the slurry for oxide is a slurry used to polish a silicon oxide layer (SiO 2 Layer) used in an interlayer insulating film and a shallow trench isolation (STI) process, and a ceria slurry using ceria as the abrasive particles is mainly used. . Hereinafter, the ceria slurry will be described as an example.
상기 세리아 슬러리의 연마는 다결정(poly-crystal) 형태의 세리아 입자가 단결정(single crystal) 형태로 부서지면서 웨이퍼 상에 증착된 산화물(oxide) 필름과 화학 반응을 이룬 후, 패드와의 기계적인 마찰력에 의하여 떨어져 나가며 연마를 하는 방식이다. 이때, 연마입자 중 거대 입자의 비율이 증가할수록 다결정이 단결정으로 부수어지는 과정 및 2차 입자(secondary particle)들이 더 작은 2차 혹은 1차 입자(secondary or primary particle)로 부수어지는 과정에서 수많은 마이크로 스크래치가 발생할 수 있다. 상기 마이크로 스크래치는 연마 표면의 품질에 악영향을 끼친다. 이 때문에, 연마 입자들 중에서 거대 입자를 효율적으로 제거하는 것이 매우 중요하다.Polishing of the ceria slurry is performed by chemical reaction with an oxide film deposited on a wafer while poly-crystal ceria particles are broken into a single crystal, and then subjected to mechanical friction with pads. It is a method of grinding away by grinding. At this time, as the proportion of the macroparticles in the abrasive grains increases, a large number of micro scratches occur in the process of breaking the polycrystal into single crystals and in the process of the secondary particles breaking into smaller secondary or primary particles. May occur. The micro scratches adversely affect the quality of the polishing surface. For this reason, it is very important to remove large particles efficiently among abrasive particles.
본 발명은 밀링 공정에서 공정 변수들의 제어를 통해 초고집적 반도체 제조시 마이크로 스크래치를 최소화할 수 있는 화학적 기계적 연마용 슬러리의 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing a slurry for chemical mechanical polishing that can minimize micro scratches in the manufacture of ultra-high density semiconductors through the control of process variables in the milling process.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Further objects to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description. Could be.
본 발명의 일 측면에 따른 화학적 기계적 연마용 슬러리의 제조 방법은 연마 입자를 준비하는 단계; 상기 연마 입자를 건식 밀링하는 단계; 상기 건식 밀링된 연마 입자를 분산매 및 분산제와 혼합하여 슬러리 제조용 혼합물을 준비하는 단계; 상기 슬러리 제조용 혼합물을 비드를 포함하는 습식 밀링기를 이용하여 하기 수학식을 만족하도록 습식 밀링하는 단계; 및 상기 습식 밀링된 슬러리 제조용 혼합물을 필터링하는 하는 단계를 포함한다.Method for producing a chemical mechanical polishing slurry according to an aspect of the present invention comprises the steps of preparing abrasive particles; Dry milling the abrasive particles; Mixing the dry milled abrasive particles with a dispersion medium and a dispersant to prepare a mixture for preparing a slurry; Wet milling the mixture for preparing the slurry to satisfy the following equation using a wet mill including a bead; And filtering the mixture for preparing the wet milled slurry.
상기 수학식 1에서,In the above equation (1)
y는 필터링된 화학적 기계적 연마용 슬러리의 연마 입자의 평균 입경으로서, 50 내지 400nm이고,y is the average particle diameter of the abrasive particles of the filtered chemical mechanical polishing slurry, 50 to 400 nm,
a는 습식 밀링기의 비드의 평균 입경을 나타내고,a represents the average particle diameter of the beads of the wet mill,
x는 습식 밀링 시간을 나타내고,x represents wet milling time,
b는 건식 밀링된 연마 입자의 평균 입경을 나타낸다.b shows the average particle diameter of dry milled abrasive particle.
본 발명에 따르면, 습식 밀링시의 공정 변수, 즉, 습식 밀링기의 비드의 평균 입경, 습식 밀링 시간 및 습식 밀링시 투입되는 건식 밀링된 연마 입자의 평균 입경을 상관성을 규명할 수 있으므로, 상기 공정 변수들의 최적화를 통해 초고집적 반도체 제조시 마이크로 스크래치를 최소화할 수 있다.According to the present invention, the process variable during wet milling, that is, the average particle diameter of the beads of the wet mill, the wet milling time and the average particle diameter of the dry milled abrasive particles introduced during wet milling can be correlated, so that the process variable Optimization of these components can minimize micro-scratches in the manufacture of ultra-high density semiconductors.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마용 슬러리의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for preparing a chemical mechanical polishing slurry according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마용 슬러리의 제조 공정을 개략적으로 설명하기 위한 공정 순서도이다.1 is a process flowchart for schematically illustrating a manufacturing process of a slurry for chemical mechanical polishing according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마용 슬러리의 제조 방법은 연마 입자를 준비하는 단계(S100), 상기 연마 입자를 건식 밀링하는 단계(S110), 상기 건식 밀링된 연마 입자를 분산매 및 분산제와 혼합하여 슬러리 제조용 혼합물을 준비하는 단계(S120), 상기 슬러리 제조용 혼합물을 습식 밀링하는 단계(S130), 및 상기 습식 밀링된 슬러리 제조용 혼합물을 필터링하는 하는 단계(S140)를 포함한다. 이하에서는 각 단계별로 구체적으로 설명한다.Referring to Figure 1, the method for producing a chemical mechanical polishing slurry according to an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing abrasive particles (S100), dry milling the abrasive particles (S110), the dry milled polishing Mixing the particles with a dispersion medium and a dispersant to prepare a mixture for preparing a slurry (S120), wet milling the slurry for preparing a slurry (S130), and filtering the wet milled slurry for preparing a mixture (S140). do. Hereinafter, each step will be described in detail.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마용 슬러리의 제조 방법은 연 마 입자를 준비하는 단계로부터 시작된다. 상기 연마 입자로는 특별히 한정되지는 않으나, 예를 들어, 실리카, 알루미나, 세리아 입자 등을 사용할 수 있다.The method for preparing a chemical mechanical polishing slurry according to an embodiment of the present invention starts with preparing the abrasive particles. Although it does not specifically limit as said abrasive particle, For example, silica, alumina, ceria particle, etc. can be used.
다음으로, 상기 연마 입자의 건식 밀링을 수행한다. 상기 건식 밀링의 회수는 특별히 한정되지는 않으나, 예를 들어, 보다 더 작은 평균 입경을 갖는 연마 입자를 포함하는 화학적 기계적 연마용 슬러리를 제조하기 위해 적어도 2회 수행될 수 있다. 일 예로, 상기 건식 밀링은 상기 준비된 연마 입자의 평균 입경이 5 내지 10㎛가 되도록 상기 연마 입자를 1차 건식 밀링하는 단계, 및 상기 1차 건식 밀링된 상기 연마 입자의 평균 입경이 550 내지 900nm가 되도록 상기 연마 입자를 2차 건식 밀링하는 단계를 포함할 수 있으나, 본 발명은 이에 국한되지 않는다.Next, dry milling of the abrasive particles is performed. Recovery of the dry milling is not particularly limited, but may be performed at least twice, for example, to prepare a slurry for chemical mechanical polishing comprising abrasive particles having a smaller average particle diameter. For example, the dry milling may include performing primary dry milling of the abrasive particles such that the average particle diameter of the prepared abrasive particles is 5 to 10 μm, and the average particle diameter of the primary dry milled abrasive particles is 550 to 900 nm. Secondary dry milling of the abrasive particles as much as possible, but the present invention is not limited thereto.
다음으로, 상기 건식 밀링된 연마 입자를 분산매 및 분산제와 혼합하여 슬러리 제조용 혼합물을 준비할 수 있다. 상기 연마 입자로 세리아 입자를 사용하는 경우, 상기 세리아 입자는 분산매, 예를 들어, 초순수와 혼합시 약산성의 특성을 갖는다. 상기 세리아 입자가 혼합된 초순수에 분산제, 예를 들어, 음이온계 고분자 분산제가 첨가되면 상기 초순수 및 상기 분산제의 pH의 차이에 의해 상기 세리아 입자가 응집되거나 침전 현상이 가속화될 수 있다. 따라서, 먼저 초순수 및 음이온계 고분자 분산제를 혼합하여 용매 안정화한 후, 세리아 입자를 혼합 및 습식시키는 것이 바람직하다. 즉, 고전단 혼합기에 초순수와 음이온계 고분자 분산제를 소정 시간동안 혼합한 후, 세리아 입자를 원하는 만큼 투입하여 혼합 및 습식시킴으로써 상기 슬러리 제조용 혼합물을 준비할 수 있으나, 본 발명은 이에 국한되지 않는다. 여기서, 상기 분산제로 사용되는 음이온계 고분자 화합물은, 예를 들어, 폴 리메타크릴산, 폴리아크릴산, 암모늄 폴리메타크릴레이트, 암모늄 폴리카르복실네이트, 카르복실 아크릴 폴리머 등을 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다.Next, the dry milled abrasive particles may be mixed with a dispersion medium and a dispersant to prepare a mixture for preparing a slurry. When ceria particles are used as the abrasive particles, the ceria particles have a weakly acidic property when mixed with a dispersion medium, for example, ultrapure water. When a dispersant, for example, an anionic polymer dispersant is added to the ultrapure water mixed with the ceria particles, the ceria particles may be aggregated or precipitated may be accelerated due to a difference in pH of the ultrapure water and the dispersant. Therefore, it is preferable to first mix the ultrapure water and the anionic polymer dispersant to stabilize the solvent, and then to mix and wet the ceria particles. That is, after mixing the ultrapure water and the anionic polymer dispersant in a high shear mixer for a predetermined time, the mixture for preparing the slurry can be prepared by mixing and wetting ceria particles as desired, but the present invention is not limited thereto. Here, the anionic polymer compound used as the dispersant is, for example, polymethacrylic acid, polyacrylic acid, ammonium polymethacrylate, ammonium polycarboxylate, carboxyl acrylic polymer, or the like alone or two or more. It can be used in combination.
다음으로, 상기와 같이 준비된 슬러리 제조용 혼합물을 고에너지 밀링기(High Energy Milling Machine)로 밀링하여 연마 입자의 크기를 감소시킬 수 있다. 상기 밀링기는 습식 또는 건식 밀링기를 사용할 수 있다. 그 중에서, 건식 밀링기는 입도 분쇄의 효율 측면에서 습식 밀링기에 비하여 낮기 때문에, 비드를 포함하는 습식 밀링기를 사용하여 밀링하는 것이 바람직하다. 상기 습식 밀링의 경우에는, 연마 입자의 응집으로 인한 침전 및 밀링 효율의 감소, 대형 입자 발생, 대면적 크기 분포 등이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 지르코니아 비드(beads)의 크기와 충진율, 연마 입자의 농도 조절, pH 및 전도성 조절, 분산제를 이용한 분산 안정도 강화 등을 수행할 수 있다. 상기 밀링 공정의 시간 및 회수 등을 변경하여 연마 입자의 크기를 조절할 수 있다.Next, the mixture for preparing the slurry prepared as described above may be milled with a high energy milling machine to reduce the size of the abrasive particles. The mill can be a wet or dry mill. Among them, the dry mill is low in comparison with the wet mill in terms of the efficiency of the particle size grinding, it is preferable to mill using a wet mill including a bead. In the case of the wet milling, precipitation and reduction of milling efficiency due to agglomeration of abrasive particles, large particle generation, large area size distribution, and the like may occur. In order to prevent this, the size and filling rate of the zirconia beads (adad), adjusting the concentration of the abrasive particles, pH and conductivity control, strengthening dispersion stability using a dispersant may be performed. The size of the abrasive particles may be adjusted by changing the time and the number of times of the milling process.
상기 슬러리 제조용 혼합물을 습식 밀링하는 경우, 그 회수는 특별히 한정되지는 않으나, 예를 들어, 적어도 2회 반복 수행될 수 있다. 아울러, 상기 습식 밀링은 하기 수학식 1을 만족하도록 수행할 수 있다.When wet milling the mixture for preparing the slurry, the recovery thereof is not particularly limited, but may be repeated, for example, at least twice. In addition, the wet milling may be performed to satisfy the following Equation 1.
[수학식 1][Equation 1]
y = -a*Ln(x) + by = -a * Ln (x) + b
상기 수학식 1에서,In the above equation (1)
y는 필터링된 화학적 기계적 연마용 슬러리의 연마 입자의 평균 입경으로서, 50 내지 400nm이고,y is the average particle diameter of the abrasive particles of the filtered chemical mechanical polishing slurry, 50 to 400 nm,
a는 습식 밀링기의 비드의 평균 입경을 나타내고,a represents the average particle diameter of the beads of the wet mill,
x는 습식 밀링 시간 또는 밀링 공정에서의 패스(pass) 회수를 나타내고,x represents the wet milling time or number of passes in the milling process,
b는 건식 밀링된 연마 입자의 평균 입경을 나타낸다.b shows the average particle diameter of dry milled abrasive particle.
상기 수학식 1에서, 습식 밀링기의 비드의 평균 입경, 습식 밀링 시간, 건식 밀링된 연마 입자의 평균 입경은 모두 습식 밀링 공정에서의 공정 변수에 해당한다. 그 중에서, 습식 밀링기의 비드의 평균 입경을 나타내는 a는 150 내지 350㎛일 수 있다. 또한, 습식 밀링 시간 또는 밀링 공정에서의 패스(pass) 회수를 나타내는 x는 2 내지 200시간일 수 있다. 또한, 건식 밀링된 연마 입자의 평균 입경을 나타내는 b는 550 내지 900nm일 수 있다. 상기와 같은 공정 변수들은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조되는 화학적 기계적 연마용 슬러리의 사양에 따라 상기한 범위 내에서 특정 값을 가질 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 공정 변수들 간의 상관성을 분석하여 이들을 최적화할 수 있으며, 이를 통해 초고집적 반도체 제조시 마이크로 스크래치를 최소화할 수 있다.In Equation 1 above, the average particle diameter of the beads of the wet mill, the wet milling time, and the average particle diameter of the dry milled abrasive particles all correspond to process variables in the wet milling process. Among them, a representing the average particle diameter of the beads of the wet mill may be 150 to 350 μm. In addition, x representing wet milling time or number of passes in the milling process can be from 2 to 200 hours. In addition, b representing the average particle diameter of the dry milled abrasive particles may be 550 to 900 nm. The above process variables may have a specific value within the above range according to the specification of the slurry for chemical mechanical polishing prepared according to one embodiment of the present invention. As such, in an embodiment of the present invention, the correlation between the process variables may be analyzed to optimize them, thereby minimizing micro scratches in the manufacture of ultra-high density semiconductors.
다음으로, 상기 습식 밀링된 슬러리 제조용 혼합물을 필터를 이용하여 상기 혼합물 내의 거대 입자를 필터링하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마용 슬러리를 제조할 수 있다. 상기 필터링은 필요에 따라 적어도 2회 반복 수행될 수 있다.Next, the wet milled slurry mixture may be prepared using a filter to filter large particles in the mixture to prepare a slurry for chemical mechanical polishing according to an embodiment of the present invention. The filtering may be repeated at least twice as necessary.
상기 필터로는 상기 거대 입자를 필터링할 수 있으면 되므로, 특별히 한정되지는 않으나, 예를 들어, 멤브레인 필터, 뎁스 필터(depth filter), 또는 플리티드 필터(pleated filter) 등을 사용할 수 있다. 상기 멤브레인 필터는 다공질 필름 형상을 가지며, 섬유가 서로 맞물려 형성된 필터 등의 여재(濾材)와는 달리 원형에 가까운 구멍이 서로 이어져 있는 공(孔)구조를 가지고 있다. 상기 뎁스 필터는 여층(濾層)을 두껍게 한 구조를 가지며, 아울러 여재가 밀도 구배(즉, 내층일수록 촘촘한 구조를 갖고, 외층일수록 성긴 구조를 가짐)를 가짐으로써 액체 속의 입자를 입자경마다 단계적으로 포착할 수 있는 필터이다. 상기 플리티드 필터는 연속적으로 이어져 있는 주름(pleated) 구조를 갖는 필터로서, 최대 여과 면적을 유지하여 낮은 차압으로도 여과 성능을 향상시킬 수 있다.Since the macroparticles can be filtered as the filter, the filter is not particularly limited. For example, a membrane filter, a depth filter, or a pleated filter may be used. The membrane filter has a porous film shape, and unlike a filter medium formed by interlocking fibers with each other, the membrane filter has a ball structure in which holes close to a circle are connected to each other. The depth filter has a structure having a thick filter layer, and the filter has a density gradient (that is, a denser structure in the inner layer and a coarse structure in the outer layer) to gradually capture particles in the liquid step by step. This is a filter that can be done. The pleated filter is a filter having a continuous pleated structure, and can maintain maximal filtration area to improve filtration performance even at a low differential pressure.
상기 필터에는 포어(pore)가 형성되어 있는데, 상기 포어의 크기는 필터링하고자 하는 거대 입자 크기 또는 필터링된 슬러리 제조용 혼합물 내에 잔존하는 연마 입자의 평균 입경에 따라 달라질 수 있다. 일 예로, 필터링된 슬러리 제조용 혼합물 내에 잔존하는 연마 입자의 평균 입경을 80 내지 150nm로 하고자 하는 경우, 상기 포어의 크기는 0.1 내지 0.8㎛일 수 있다. 다른 예로, 필터링된 슬러리 제조용 혼합물 내에 잔존하는 연마 입자의 평균 입경을 150 초과 270nm 이하로 하고자 하는 경우, 상기 포어의 크기는 0.8 초과 1.2㎛ 이하일 수 있다. 또 다른 예로, 필터링된 슬러리 제조용 혼합물 내에 잔존하는 연마 입자의 평균 입경을 270 초과 400nm 이하로 하고자 하는 경우, 상기 포어의 크기는 1.2 초과 4㎛ 이하일 수 있다. 그러나, 상기 필터링된 슬러리 제조용 혼합물 내에 잔존하는 연마 입자의 평균 입경 및 그에 대응하는 포어의 크기는 상기 필터의 종류, 구조 및 크기, 및 필터링 속도, 시간 및 회수 등에 따라 달라질 수 있으므로, 본 발명은 이에 국한되지 않는 다.Pores are formed in the filter, and the pore size may vary depending on the size of the large particles to be filtered or the average particle size of the abrasive particles remaining in the filtered slurry preparation. For example, when the average particle diameter of the abrasive particles remaining in the filtered slurry preparation mixture is to be 80 to 150 nm, the pore size may be 0.1 to 0.8 μm. As another example, when the average particle diameter of the abrasive particles remaining in the filtered slurry preparation is to be greater than 150 and less than or equal to 270 nm, the pore size may be greater than 0.8 and 1.2 µm or less. As another example, when the average particle diameter of the abrasive particles remaining in the filtered slurry preparation is to be greater than 270 and less than 400 nm, the pore size may be greater than 1.2 and less than 4 μm. However, since the average particle diameter of the abrasive particles remaining in the filtered slurry preparation and the corresponding pore size may vary depending on the type, structure, and size of the filter, and the filtering speed, time and recovery, and the like. It is not limited.
이상 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.While the embodiments of the present invention have been described above, it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Therefore, it should be understood that the above-described embodiments are provided so that those skilled in the art can fully understand the scope of the present invention. Therefore, it should be understood that the embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive, The invention is only defined by the scope of the claims.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마용 슬러리의 제조 공정을 개략적으로 설명하기 위한 공정 순서도이다.1 is a process flowchart for schematically illustrating a manufacturing process of a slurry for chemical mechanical polishing according to an embodiment of the present invention.
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