KR20080083856A - 임프린트용 스탬프 제조 방법 - Google Patents

임프린트용 스탬프 제조 방법 Download PDF

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손재민
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Abstract

본 발명은 임프린트용 스탬프 제조 방법에 관한 것으로 유리 기판 위에 상기 유리 기판보다 건식 식각률이 높은 실리콘 화합물 막을 형성하는 단계; 상기 형성된 실리콘 화합물 막의 상부면에 패턴이 정의된 마스크 층을 형성하는 단계; 상기 마스크 층을 사용하여 상기 실리콘 화합물 막을 건식 식각하여 상기 패턴을 상기 실리콘 화합물 막으로 전사하는 단계; 및 상기 마스크 층을 제거하는 단계를 포함하며, 이에 따라 고가의 쿼츠(quartz) 대신 저가의 유리를 기판으로 사용하여 스탬프의 제작 비용을 줄일 수 있다. 또한, 유리보다 식각률이 높은 실리콘 화합물 막에 원하는 패턴을 만들어 스탬프로 사용하므로 스탬프의 제조 공정 시간을 줄일 수 있으며 스탬프의 제작이 용이하다.

Description

임프린트용 스탬프 제조 방법 {Manufacturing method for imprint-stamp}
도 1a 내지 도 1e는 종래 스탬프 제조방법의 공정과정에 따른, 각 단계에서 형성되는 스탬프의 단면을 도시한 개략도이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 임프린트용 스탬프 제조과정의 공정순서에 따라, 각 단계에서 형성되는 스탬프의 단면을 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 다른 실시예에 따른 임프린트용 스탬프 제조과정의 공정순서에 따라, 각 단계에서 형성되는 스탬프의 단면을 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4g는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 임프린트용 스탬프 제조과정의 공정순서에 따라, 각 단계에서 형성되는 스탬프의 단면을 도시한 도면이다.
도 5a 내지 도 5h는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 임프린트용 스탬프 제조과정의 공정순서에 따라, 각 단계에서 형성되는 스탬프의 단면을 도시한 도면이다.
**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**
10 : 기판(substrate)
11 : 포토 레지스트(photo resist)
12 : 실리콘 화합물
13 : 접착제
본 발명은 임프린트(Imprint)용 스탬프(stamp) 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로/나노(micro/nano) 임프린트 공정에 사용되는 스탬프를 낮은 비용(low-cost)으로 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 소자 등의 집적도가 높아지는 추세이며, 그에 따라 미세 패턴을 제작하는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 지금까지 널리 사용되고 있는 미세 패턴 제작 기술(micro-fabrication)로는 포토 리소그래피(photo lithography)가 있다.
포토 리소그래피는 포토 마스크를 이용하여 빛을 선택적으로 포토 레지스트 상에 조사하여 미세 패턴을 형성하는 기술이다. 이 때 사용되는 빛의 종류에 따라 엑시머 레이저 리소그래피(eximer laser lithography), 극자외선 리소그래피(extreme ultraviolet lithography), 전자빔 리소그래피, X-선 리소그래피 등이 있다.
그런데, 이와 같은 포토 리소그래피 기술은 그에 사용되는 노광장비, 마스크(mask) 등의 가격이 고가여서 경제적인 측면에서 문제점이 있고, 직접 기록(Direct writing)방식으로서 많은 공정시간이 소요되어 생산성이 낮은 문제점도 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 기술로서 마이크로/나노 임프린트(micro/nano imprint) 기술이 주목받고 있다. 마이크로/나노 임프린트 기술은 표면에 필요로 하는 패턴이 미리 제작된 스탬프(stamp)를 상대적 강도가 약한 다른 물질과 접촉시켜 패턴을 전사하는 기술이다.
마이크로/나노 임프린트 기술이 상기한 포토 리소그래피 기술과 다른 점은, 마이크로/나노 임프린트 기술에서는 스탬프를 폴리머 필름 등에 직접적으로 접촉시켜 패턴을 전사한다는 것이다. 이러한 마이크로/나노 임프린트 기술은 스탬프를 재사용할 수 있고, 넓은 면적의 스탬프를 사용할 경우 마이크로/나노미터 크기의 구조물을 빠르게 대량으로 생산할 수 있는 장점이 있다.
상기한 마이크로/나노 임프린트 기술에서는 스탬프를 제작하는 것이 필수적이라 할 수 있는데, 이러한 스탬프의 종래의 제조방법을 살펴본다.
도 1a 내지 도 1e은 종래 스탬프 제조방법의 공정과정에 따른, 각 단계에서 형성되는 스탬프의 단면을 도시한 개략도이다. 도 1a 내지 도 1e를 참조하면, 먼저, 스탬프로 사용될 기판(substrate)(10)을 준비한다(도 1a). 기판(10)이 준비되면, 기판(10) 위에 적당한 레지스트(resist)(11)를 도포한다(도 1b). 상기 도포된 레지스트(11)에 포토 리소그래피 기술 등을 이용하여 패턴을 전사하고, 현상과정을 거쳐 패턴을 형성한다(도 1c). 이렇게 패턴이 형성된 레지스트(11)를 마스크로 하여 기판(10)을 습식 식각(wet etching) 또는 건식 식각(dry etching)을 한다(도 1d). 그리고, 레지스트(11)를 제거함(strip)으로써 스탬프를 제작하였다(도 1e).
이러한 종래의 스탬프 제작방법에서 사용되는 기판(10)은 주로 쿼츠(quartz)를 재료로 하였다. 쿼츠는 화학성분이 이산화 규소(SiO2)만으로 된 물질이다. 쿼츠는 내충격성 및 내열성이 뛰어난 재료이지만, 가격이 비싸 경제적인 측면에서 문제가 있다.
이에 대한 대안으로, 기판(10)을 상대적으로 저가의 재료인 유리(glass)를 사용하여 만드는 방법이 있다. 여기서, 유리는 주 성분이 이산화규소(SiO2)이고, Na2O, Al2O3, CaO와 같은 금속 산화물(metal oxide)을 포함하고 있는 것을 의미한다. 그런데, 유리는 저가의 재료이기는 하지만, 건식식각 공정에서 식각률(etching rate)이 쿼츠에 비해 상대적으로 낮다. 특히, 유리 표면에 수 마이크로미터 깊이로 패턴을 제작하여야 할 경우 식각에 상당히 오랜 공정 시간이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 저가의 재료인 유리를 기판으로 사용하면서 유리 기판의 상부면에 유리 기판보다 상대적으로 식각률이 높은 실리콘 화합물 막을 형성하고, 이 실리콘 화합물 막에 패턴을 형성시켜 스탬프를 만드는 임프린트용 스탬프 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 임프린트용 스탬프 제조방법은 유리 기판 위에 상기 유리 기판보다 건식 식각률이 높은 실리콘 화합물 막을 형성하는 단계; 상기 형성된 실리콘 화합물 막의 상부면에 패턴이 정의된 마스크 층을 형성하는 단계; 상기 마스크 층을 사용하여 상기 실리콘 화합물 막을 건식 식각하여 상기 패턴을 상기 실리콘 화합물 막으로 전사하는 단계; 및 상기 마스크 층을 제거하는 단계를 포함한다.
상기 마스크 층을 형성하는 단계는 상기 실리콘 화합물 막의 상부면에 포토 레지스트 막을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 포토 레지스트 막을 포토 리소그래피 방법을 이용하여 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 임프린트용 스탬프 제조방법은 상기 실리콘 화합물 막을 형성하는 단계 전에 기판의 상부면을 거침도가 높게 표면처리 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 임프린트용 스탬프 제조방법은 상기 실리콘 화합물 막을 형성하는 단계 전에 상기 유리 기판의 상부면에 접착제를 화학증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 접착제는 PDMS(polydimethylsiloxane)일 수 있다. 상기 실리콘 화합물은 SiO2 일 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 설명하기로 한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 임프린트용 스탬프 제조과정의 공정순서에 따라, 각 단계에서 형성되는 스탬프의 단면을 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2f를 참조하면, 먼저 스탬프를 제조하기 위해 기판을 준비한다(도 2a). 여기서 기판(10)은 실리콘(Si), 쿼츠(quartz), 유리(Glass), 니켈(Ni), 플래티늄(Pt), 크롬(Cr), 고분자 물질 등이 사용될 수 있는데, 유리인 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 유리는 주 성분이 이산화규소(SiO2)이고, Na2O, Al2O3, CaO 등의 금속 산화물(metal oxide)을 포함하고 있는 것을 의미한다.
유리 기판이 준비되면, 유리 기판(10)의 상부면(Upside)에 유리 기판(10)보다 건식 식각률이 높은 실리콘 화합물(12) 막(film)을 형성시킨다(도 2b). 이 경우, 상기 실리콘 화합물(12)은 이산화 규소(SiO2)인 것이 바람직하다. 이산화 규소는 유리에 비해 건식 식각률(etching rate)이 높기 때문에 유리에 비해 단시간에 식각이 될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 유리는 저가의 재료라는 장점이 있지만, 금속산화물이 포함되어 있어 건식 식각 공정에서 식각률이 낮은 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 건식 식각률이 높은 실리콘 화합물을 유리 기판의 상부면에 형성시키는 것이다.
또한, 상기 실리콘 화합물(12)은 화학증착법(Chemical Vapor Deposition)에 의해 형성시킬 수 있다. 여기서, 화학증착법이란 원료가 되는 실리콘 화합물 가스(예를 들면 SiO2 가스)를 공급하여 플라즈마 및 열에너지를 이용한 화학적 반응을 통해 박막을 형성시키는 방법을 의미한다.
상기와 같이 기판(10)에 실리콘 화합물(12) 막을 형성시킨 후(도 2c), 실리콘 화합물(12) 막의 상부면에 패턴이 정의된 마스크 층을 형성시킨다(도 2d). 상기 패턴이 정의된 마스크 층은 예를 들어, 포토 레지스트(Photo Resist; PR)를 이용할 수 있다.
포토 레지스트는 특정한 파장의 빛을 받으면 반응을 하는 일종의 감광 고분자 화합물(photosensitive polymer)이다. 포토 레지스트에는 노광된 부분의 폴리머(polymer) 결합 사슬이 끊어지는 positive PR과, 노광된 부분의 폴리머 결합 사슬이 더 강하게 결합하는 negative PR이 있다. 이러한 포토 레지스트를 실리콘 화합물 막 위에 막 형태로 형성시킨 후, 포토 리소그래피(Photo lithography) 방법을 이용하여 패터닝(patterning)을 한다.
여기서, 포토 리소그래피 방법이란 포토 레지스트가 빛을 받으면 화학반응을 일으켜서 성질이 변화하는 원리를 이용하여, 얻고자 하는 패턴의 마스크(mask)를 사용하여 빛을 선택적으로 포토 레지스트에 조사함으로써 상기 마스크의 패턴과 동일한 패턴을 형성시키는 방법을 말한다.
상기 포토 리소그래피 방법은 코팅(coating)공정, 노광(photo exposure)공정 및 현상(develop)공정으로 구성될 수 있다. 코팅 공정은 포토 레지스트를 기판에 균일하게 코팅하는 공정이고, 노광 공정은 얻고자 하는 패턴의 마스크(mask)를 사용하여 EUV(Extreme UltraViolet), e-beam, X-ray, 이온빔(Ion beam) 등의 다양한 광선중 하나를 선택적으로 포토 레지스트에 조사하는 공정이다. 또한, 현상 공정은포토 레지스트를 선택적으로 제거하여 패턴을 형성시키는 공정이다.
예를 들어, 포토 레지스트(11)가 양성(positive)인 경우, 원하는 패턴이 그려져 있는 마스크를 통해 EUV 등의 빛을 포토 레지스트(11)에 비춘다. 그러면, 빛을 받은 포토 레지스트(11)는 경화된다. 경화된 포토 레지스트(11)를 선택적으로 제거하는 용액에 의해 제거함으로써, 포토 레지스트(11) 막에 패턴을 형성할 수 있다.
포토 레지스트(11) 막에 패턴이 형성되면, 이 포토 레지스트(11) 막을 마스크로 사용하여 실리콘 화합물(12) 막을 건식 식각(Dry Etching)하여 상기 패턴을 상기 실리콘 화합물 막으로 전사한다(도 2e).
여기서, 건식 식각은 기체상태의 화학물질이 제거하고자 하는 대상 물질과 반응하여 식각이 일어나게 하는 것이다. 건식 식각에는 CF4, C2F6, C3F8, 등과 같은 식각 가스를 사용할 수 있다. 상기 CF4, C2F6, C3F8, 등의 식각 가스는 실리콘 화합물 막을 구성하는 성분인 이산화 규소(SiO2 )와 반응하여 부산물을 생성할 수 있고, 이러한 부산물이 증발 또는 기화됨으로써 실리콘 화합물 막에 소정의 깊이의 패턴이 형성될 수 있다. 식각 가스는 포토 레지스트가 제거된 부분에서만 침투되어 실리콘 화합물 막과 부딪히게 되므로, 포토 레지스트 막에 형성된 패턴과 동일한 패 턴으로 실리콘 화합물 막에 패턴이 형성된다.
또한, 상기 식각 가스는 O2 가스와 적당한 혼합비로 섞어 사용할 수 있다. O2 가스를 함께 쓰는 이유는 이산화 규소가 식각이 되면서 불소(F)를 포함하는 불소계 유기물이 형성되는데, 이 불소계 유기물과 O2 플라즈마가 반응하여 식각 후의 잔류물(residue)을 제거해 주기 때문이다.
상기와 같은 식각 공정에 의해 실리콘 화합물(12) 막 위에 패턴이 형성되면 포토 레지스트(11) 막을 제거한다(도 2f). 여기서, 패턴 형성 후의 잔여 포토 레지스트를 제거하는 것을 애싱(ashing)이라 한다. 애싱 공정은 다양한 방법이 적용될 수 있으며 예를 들면, 산소 플라스마 방전을 이용하는 방법 또는 오존을 이용하는 방법에 의할 수 있다.
산소 플라스마 방전을 이용하는 방법은 산소 플라스마의 부산물인 산소 라디컬(radical)과 유기물인 포토 레지스트가 반응하여 이산화탄소로 변하고, 이 이산화탄소가 진공펌프를 통해 배출되면서 포토 레지스트를 제거하는 방법이다.
상기 오존( O3 )을 이용하는 방법은 오존의 강력한 산화작용을 이용한다. 오존은 자연계에서 불소 다음가는 강력한 산화력을 가지며 염소에 비해 7배나 되는 산화력을 가지고 있는 물질이다. 이러한 오존은 열을 가하면 산소분자와 산소원자로 분해되고, 분해된 산소원자가 포토 레지스트와 반응하여 이산화탄소나 물과 같은 휘발성 있는 물질로 변하여 포토 레지스트를 제거하는 방법이다. 오존을 이용하는 방법은 산소 플라스마 방전을 이용하는 방법과 달리 상압중의 반응이기 때문에, 진공을 필요로 하지 않기 때문에 경제적인 측면에서 우수한 방법이다.
이상과 같은 과정에 의해 임프린트용 스탬프를 제작할 수 있다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 다른 실시예에 따른 임프린트용 스탬프 제조과정의 공정순서에 따라, 각 단계에서 형성되는 스탬프의 단면을 도시한 도면이다. 후술할 실시예에서 실리콘 화합물(12) 막의 상부면에 포토 레지스트(11) 막을 형성하는 단계(3-d)부터는 앞서 설명한 것과 동일하다.
도 3a 내지 도 3h를 참조하면, 먼저 스탬프를 제조하기 위해 유리 기판(10)을 준비한다(도 3a). 준비된 유리 기판(10)의 상부면을 거침도(Roughness)가 높게 표면처리 한다(도 3b). 유리의 상부면이 평면인 것보다 요철이 있어 거침도가 높아지면, 유리의 상부면과 유리의 상부면에 형성되는 실리콘 화합물(12) 막 간의 접착력이 증가하는 효과가 있다.
이러한 상부면을 거침도가 높게 처리한 유리를 기판으로 사용하여, 유리의 상부면에 상기 유리(10)보다 건식 식각률이 높은 실리콘 화합물(12) 막을 형성한다(도 3c). 그리고, 상기 형성된 실리콘 화합물(12) 막의 상부면에 포토 레지스트(11) 막을 형성하고(도 3d), 상기 포토 레지스트(11) 막에 패턴이 정의된 마스크 층을 형성한다(도 3e). 그리고, 상기 마스크 층을 사용하여 상기 실리콘 화합물(12) 막을 건식 식각하여 상기 패턴을 상기 실리콘 화합물(12) 막으로 전사한다(도3f). 그 후, 상기 마스크 층을 제거한다(도 3g).
도 4a 내지 도 4g는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 임프린트용 스탬프 제조과정의 공정순서에 따라, 각 단계에서 형성되는 스탬프의 단면을 도시한 도면이 다.
도 4a 내지 도 4g를 참조하면, 먼저 유리 기판(10)을 준비하고(도 4a), 유리 기판의 상부면에 접착제(13)를 화학 증착(Chemical Vapor Deposition) 한다(도 4b). 상기 접착제(13)는 임프린트 공정과정에서 스탬프의 기판(10)에서 실리콘 화합물(12) 막이 분리되는 것을 방지한다. 상기 접착제(13)의 재료로는 예를 들면, PDMS ( Polydimethylsiloxane ) 일 수 있다. PDMS는 표면을 플라스마 처리를 하게 되면, 그 표면이 산화되어 친수성으로 표면 특성이 변화됨과 동시에 유리나 다른 PDMS 재질과 접합력이 발생하는 특성이 있다.
그리고, 상기 접착제(13)의 상부면에 상기 기판(10)보다 건식 식각률이 높은 실리콘 화합물(12) 막을 형성한다(도 4c). 그러면, 상기 접착제(13)는 기판(10)의 상부면과 실리콘 화합물(12) 사이에 위치하며, 기판(10)의 상부면과 실리콘 화합물 (12)간의 접착력을 강화시킨다.
그리고, 상기 형성된 실리콘 화합물(12) 막의 상부면에 포토 레지스트(11) 막을 형성하고(도 4d), 상기 포토 레지스트(11) 막에 패턴이 정의된 마스크 층을 형성한다(도 4e). 그리고, 상기 마스크 층을 사용하여 상기 실리콘 화합물(12) 막을 건식 식각하여 상기 패턴을 상기 실리콘 화합물(12) 막으로 전사한다(도 4f). 그 후, 상기 마스크 층을 제거한다(도 4g).
도 5a 내지 도 5h는 본 발명의 다른 실시예에 따른 임프린트용 스탬프 제조과정의 공정순서에 따라, 각 단계에서 형성되는 스탬프의 단면을 도시한 도면이다.
도 5a 내지 도 5h를 참조하면, 먼저 유리 기판(10)을 준비하고(도 5a), 유리 기판(10)의 상부면을 가공하여 거침도(Roughness)가 높게 한다(도 5b). 이것은 상기 기판(10)의 상부면과 이후에 형성될 접착제(13)와의 접착력을 강화하기 위한 것이다. 이러한 상부면을 거침도가 높게 처리한 기판(10)의 상부면에 접착제(13)를 화학 증착(Chemical Vapor Deposition) 한다(도 5c). 그리고, 상기 접착제(13)의 상부면에 상기 기판(10)보다 건식 식각률이 높은 실리콘 화합물(12) 막을 형성한다(도 5d). 그리고, 상기 형성된 실리콘 화합물(12) 막의 상부면에 포토 레지스트(11) 막을 형성하고(도 5e), 상기 포토 레지스트(11) 막에 패턴이 정의된 마스크 층을 형성한다(도 5f). 그리고, 상기 마스크 층을 사용하여 상기 실리콘 화합물(12) 막을 건식 식각하여 상기 패턴을 상기 실리콘 화합물(12) 막으로 전사한다(도 5g). 그 후, 상기 마스크 층을 제거한다(도 5h).
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형, 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 임프린트용 스탬프 제조 방법에 의하면, 고가의 쿼츠(quartz) 대신 저가의 유리를 기판으로 사용하여 스탬프의 제작 비용을 줄일 수 있다. 또한, 유리보다 식각률이 높은 실리콘 화합물 막에 원하 는 패턴을 만들어 스탬프로 사용하므로 스탬프의 제조 공정 시간을 줄일 수 있으며스탬프의 제작이 용이하다.

Claims (6)

  1. 유리 기판 위에 상기 유리 기판보다 식각률이 높은 재질의 막을 형성하는 단계;
    상기 식각률이 높은 재질의 막의 상부면에 패턴을 가진 마스크 층을 형성하는 단계;
    상기 마스크 층을 사용하여 상기 실리콘 화합물 막을 식각하여 상기 패턴을 상기 식각률이 높은 재질의 막으로 전사하는 단계; 및
    상기 마스크 층을 제거하는 단계를 포함하는 임프린트용 스탬프 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 마스크 층을 형성하는 단계는
    상기 식각률이 높은 재질의 막 상부면에 포토 레지스트 막을 형성하는 단계; 및
    상기 형성된 포토 레지스트 막을 포토 리소그래피 방법을 이용하여 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 임프린트용 스탬프 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 식각률이 높은 재질의 막은 실리콘 화합물 막을 포함함, 상기 실리콘 화합물 막을 형성하기 전에 상기 유리 기판의 상부면을 거침도가 높게 표면처리 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 임프린트용 스탬프 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 식각률이 높은 재질의 막을 형성하는 단계 전에 상기 유리 기판의 상부면에 접착제를 화학증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 임프린트용 스탬프 제조 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 접착제는 PDMS(polydimethylsiloxane)인 것을 특징으로 하는 임프린트용 스탬프 제조 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 식각률이 높은 재질의 막은 SiO2 인 것을 특징으로 하는 임프린트용 스탬프 제조 방법.
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KR20160108890A (ko) * 2015-03-09 2016-09-21 한국과학기술원 나노 구조물 제조 방법 및 나노 구조물 제조용 스탬프 제조 방법

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