KR20110000861A - 플라즈마를 이용한 저압 화학 기상 증착 장비 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체, 디스플레이, 태양전지 등에 사용되는 웨이퍼 혹은 글래스와 같은 기판에 폴리실리콘막, 실리콘막 등의 절연막, 금속막, 반도체막 등을 저온에서 형성할 수 있는 플라즈마를 이용한 저압 화학 기상 증착 장치(Plasma aided low pressure chemical vapor deposition appratus)에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 플라즈마를 이용하여 공정소스 및 가스의 분해를 도와줌으로써 반응기내의 화학 반응 온도를 낮추어 글래스와 같은 변형온도가 낮은 기판에서도 균일한 막을 형성할 수 있도록 하고 기판의 열 이력을 경감시킬 수 있도록 하는 장치를 제공하는데 목적이 있다.
저압화학기상증착장치, 플라즈마

Description

플라즈마를 이용한 저압 화학 기상 증착 장비 {Plasma aided low pressure chemical vapor deposition appratus}
본 발명은 반도체, 디스플레이, 태양전지 등에 사용되는 웨이퍼 혹은 글래스와 같은 기판에 폴리실리콘막, 실리콘막 등의 절연막, 금속막, 반도체막 등을 저온에서 형성할 수 있는 플라즈마를 이용한 저압 화학 기상 증착 장치(Plasma aided low pressure chemical vapor deposition appratus)에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 플라즈마를 이용하여 공정소스 및 가스의 분해를 도와줌으로써 반응기내의 화학 반응 온도를 낮추어 글래스와 같은 변형온도가 낮은 기판에서도 막을 형성할 수 있도록 하고 기판의 열 이력을 경감시킬 수 있는 장치를 제공한다. 또한, 복수의 로드(rod)를 기판보트 일면에 장착하고 로드(rod)별로 주입되는 공정 소스 및 가스의 양을 조절함으로써 복수의 기판 전면에 균일하게 막이 증착되도록 한다. 또한, 기판보트를 회전테이블 상단에 위치시켜 공정 시 회전시킴으로써 로드(rod)및 진공배기부의 위치에 따른 발생할 수 있는 증착 막의 두께차이를 개선할 수 있도록 구성한 것이다.
일반적으로 화학기상증착(chemical vapor depostion)은 진공상태의 반응챔버 및 반응로(furnace)내에 처리하고자 하는 기판을 위치시키고 공정하고자 하는 목적에 따라 저압(low pressure), 상압(atmosphere pressure)의 압력조건, 저온(~400 ℃), 중온(~600 ℃), 고온(~1000 ℃)의 온도조건, 열(thermal), 플라즈마(plasma)와 같은 반응방식을 조정하여 반응로 내부에 적절한 공정환경을 조성한 후 반응챔버 및 반응로내에 소스(source)가스를 주입하여 소스가스가 이루는 반응입자들이 웨이퍼 및 글래스와 같은 기판에 증착되도록 하는 방법이다. 이와 같은 화학기상증착 장치는 웨이퍼 및 글래스와 같은 기판을 개별적으로 공정하는 개별CVD장치와, 복수개의 기판을 동일한 반응기내에서 동시에 처리하는 배치식(batch type) 화학기상증착 장치로 나눌 수 있으며, 배치식 화학기상증착 장치의 경우 반응로를 구성하는 방향에 따라 수평형(horizontal), 수직형(vertical)으로 나눌 수 있다. 특히, 저압 화학기상증착 장치의 경우 기존 반도체, 디스플레이, 태양전지 제조 공정에 있어 폴리실리콘막, 실리콘막 등의 절연막, 금속막, 반도체막을 증착하기 위하여 널리 사용되어 왔으며 그 중에서도 장치의 공간 활용성이 좋고 다수의 기판을 처리할 수 있는 배치식 수직형 저압화학기상증착장치가 널리 사용되고 있다.
종래의 일반적인 배치식 수직형 저압화학기상증착장치의 경우 대부분 중온(~600 ℃)이상의 온도에서 공정이 이루어지는 반응의 에너지원으로써 열원을 사용하는 열(thermal)방식을 사용하므로 글래스와 같은 변형온도가 낮은 기판의 경우는 사용이 어려운 단점과 함께 고온에서의 장시간 공정으로 인한 소자의 성능저하를 가져오는 단점이 있었다. 또한, 증착되는 막의 균일도를 개선하기 위하여 공정소스 및 가스를 공급하는 로드(rod)의 길이를 조절하는 방법(KR 10-1995-0043924) 등 공정 소스 및 가스 공급 로드(rod)의 위치 및 수량, 진공배기부의 위치 조절하여도 국부적으로 발생하는 가스 플로우(flow)의 불균일에 의하여 복수의 기판에 증착되는 막을 균일하게 형성하는데 그 한계가 있었다. 그에 따라, 공정 온도를 낮추고, 기판의 열 이력 경감을 통한 소자의 성능향상을 위해 플라즈마를 이용한 배치식 수직형 저압화학기상증착장치 의 사용범위가 증가하고 있는 추세이다. 최근 패턴의 고집적, 고미세화 요구에 수반하여 플라즈마를 이용한 배치식 수직형 저압화학기상증착장치에 있어서도 개량이 이루어지는 것이 기대되고 있으며 그에 따라 다양한 장치의 개발이 이루어지고 있다.
종래의 일반적인 반응의 에너지원으로써 열원을 사용하는 열방식의 배치식 수직형 저압화학기상증착장치의 단면도를 도 1에 도시하였다. 도 1에 도시한 것과 같이 종래의 일반적인 열방식의 배치식 수직형 저압화학기상증착장치는 히터(102) 외부로 열차단을 위한 열차단용 커버(101), 반응기(103) 내부의 온도 조절을 위한 히터(102), 반응기(103), 복수의 기판(105)을 수납하기 위한 기판보트(108), 공정소스 및 가스 분사를 위한 로드(rod)(300), 로드(300)와 연결되는 공정소스 및 가스 주입구(200)와 진공배기부(500)의 연결을 위한 연결용 포트(port)를 가지고 반응기(103)와 하부플랜지(112) 사이에 위치하는 매니폴드(104), 반응로 내의 열이 하부로 전해지는 것을 방지하기 위한 열차단용플레이트(110), 냉각수 순환 포트(113)를 가지고 상하 이동용모터(116)에 의해 상하로 이동하는 하부플랜지(112), 반응기(103) 내부의 진공 형성을 위한 진공배기부(500)으로 구성된다. (복수의 기판을 기판보트(108)에 수납하기 위하여 로보트암(robot arm)으로 구성되는 기판 로딩시스템은 통상 사용되므로 생략하였다.)
상기 이동용모터(116)에 의해 하부플랜지(112)를 하부로 이동하여 기판보트(108)에 처리하고자 하는 기판(105)을 기판 로딩시스템을 이용하여 적재한 후 이동용모터(116)을 이용하여 상부로 이동시킨 후 진공배기부(500)에 구성되는 진공펌핑시스템을 이용하여 반응기(103)내부를 진공 상태로 형성한다. 히터(102)를 이용하여 반응기(103)내부를 공정 온도(400 ~ 1000 ℃)까지 증가 시킨 후 반응기(103) 내부를 공정소스 및 가스로 채운다. 반응기(103) 내부를 채운 공정소스 및 가스는 반응기(103) 내부의 온도(400~ 1000 ℃)에 의해 일련의 화학반응 단계를 거치게 된다. 그 결과로 기판(105)표면에는 일정한 두께의 막이 형성되며 막 증착에 참여하지 못한 잔류 가스는 다시 진공배기부(500)를 통하여 배출되게 된다. 하지만, 상기에 언급한 열방식의 배치식 수직형 저압화학기상증착장치를 이용하여 중온(~600 ℃)이상의 온도에서 공정을 진행하게 되면 글래스와 같은 변형온도가 낮은 기판의 경우는 사용 자체가 어려우며 웨이퍼와 같은 고온에서도 사용할 수 있는 기판이라 하더라도 고온에서의 장시간 공정으로 인하여 소자의 성능저하를 가져오는 단점이 있다. 또한, 상기 공정소스 및 가스 주입부(200)에 의해 일정한 양의 공정소스 및 가스가 단일 로드(rod)(300)를 통해 반응기(103)내부로 주입되게 되면 상대적으로 하부 일측면에 위치한 진공배기부(500)를 따라 상부에서 하부 일측면으로 공정소스 및 가스의 플로우(flow)가 형성되게 되어 기판(104) 전면에 걸쳐 공정소스 및 가스의 공급이 이루어지지 않아 기판내에서와 기판과 기판사이에 증착되는 막의 두께가 균일하지 않게 되는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치는 상술한 문제점을 해결하기 위하여 플라즈마를 이용하여 공정소스 및 가스의 분해를 도와줌으로써 반응기 내의 화학 반응 온도를 낮추어 글래스와 같은 변형온도가 낮은 기판에서도 막을 형성할 수 있도록 하고 기판의 열 이력을 경감시킬 수 있도록 하는 장치를 제공한다. 또한, 복수의 로드(rod)를 기판보트 일면에 장착하고 로드(rod)별로 주입되 는 공정 소스 및 가스의 양을 조절함으로써 복수의 기판 전면에 균일하게 막이 증착되도록 한다. 또한, 기판보트를 회전테이블 상단에 위치시켜 공정 시 회전시킴으로써 로드(rod)및 진공배기부의 위치에 따른 발생할 수 있는 증착 막의 두께차이를 개선할 수 있도록 한다.
바람직하게, 상기에서 언급한 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치는 복수의 기판을 처리하는 배치식으로 구성되는 것이 바람직하고 사용자의 목적에 따라 기판의 수량 변경이 가능하다.
바람직하게, 상기에서 언급한 플라즈마 발생을 위한 전극 구성은 복수의 기판 개별로 전면에 대응될 수 있도록 구성해야 하나 크기나 위치는 사용자의 의도에 따라서 변경이 가능하다.
바람직하게, 상기에서 언급한 플라즈마 발생을 위하여 인가하는 고주파 전력원의 주파수는 13.56 ㎒가 적합하나 공정 목적 및 방법에 따라 300 ㎑ ~ 30 ㎒ 까지 변경하거나 13.56 ㎒와 300 ㎑ ~ 30 ㎒를 중복사용 혹은 교번 사용도 가능하다.
바람직하게, 상기에서 언급한 반응기는 석영재질의 종형으로 구성되나 반응기의 크기나 소재는 사용자의 의도에 따라서 변경이 가능하다
바람직하게, 상기에서 언급한 로드(rod)는 석영재질의 튜브형태로 기판보트의 일면에서 각각의 기판에 일대일 대응이 되도록 구성하는 것이 적합하나, 사용자의 의도에 따라서 로드(rod)의 크기나 수량 및 위치는 좌,우,상,하 영역에 걸쳐 복수로 구성되는 등 변경이 가능하다.
바람직하게, 상기에서 언급한 로드(rod)는 석영재질의 튜브형태로 기판보트 일면에서 각각의 기판에 일대일 대응이 되도록 구성하는 것이 적합하나, 사용자의 의도에 따라서 공정소스 및 가스가 분사되는 부분을 링(ring)형태로 하여 개별기판을 전면에 대응할 수 있는 형태로 제작하는 등 형상의 변경이 가능하다.
바람직하게, 상기에서 언급한 로드(rod)는 석영재질인 것이 적합하나 목적에따라 SiO2, Alumina, ZrO2 등의 세라믹 소재 혹은 metal, metal alloy 등의 소재로 변경이 가능하다.
바람직하게, 상기에서 언급한 로드(rod)는 공정 소스 및 가스의 종류별로 별도로 구성하는 것이 적합하나, 사용자의 의도에 따라서 변경이 가능하다.
바람직하게, 상기에서 언급한 기판보트 회전을 위한 회전테이블의 회전축은 반응기내를 진공 유지를 위해 오링(O-ring)으로 밀봉(sealing)하는 것이 적합하나, 자성유체 등 사용자의 의도에 따라 변경이 가능하다.
바람직하게, 상기에 언급한 회전테이블이 반응기 내의 열에 의하여 손상을 받지 않도록 냉각수 순환포트를 가지는 것이 적합하나, 공정온도 및 목적에 따라 변경이 가능하다.
바람직하게, 상기에서 언급한 기판보트는 회전테이블로의 열전도를 막기 위하여 석영소재의 열차단용플레이트 위에 위치시키는 것이 바람직하나, 공정온도 및 의도에 따라 재질 및 크기는 변경이 가능하다.
본 발명의 플라즈마를 이용한 저압화학기상장치는 플라즈마를 이용하여 공정 소스 및 가스의 분해를 도와줌으로써 반응기 내의 화학 반응 온도를 낮추어 글래스와 같은 변형온도가 낮은 기판에서도 막을 형성할 수 있도록 하고 기판의 열 이력을 경감시킬 수 있다. 또한, 복수개의 로드(rod)를 기판보트 일면에 장착하고 로드(rod)별로 주입되는 공정 소스 및 가스의 양을 조절하고, 기판보트를 회전함으로써 복수개의 기판 전면에 균일하게 막이 증착될 수 있도록 한다.
이하 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 저압화학기상증착장치의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 플라즈마를 이용한 저압화학기상증착 장치의 단면도이다. 도 2에 도시한 것 같이 본 발명의 일 실시 예에 의한 플라즈마를 이용한 저압화학기상증착장치는 반응기(103), 반응기(103) 내부의 온도 조절을 위한 히터(102), 기판(105), 기판(105) 각각의 일측면에 위치하여 공정소스 및 가스가 분사되는 제1로드(rod)(301), 제2로드(rod)(302), 제3로드(rod)(303), 제4로드(rod)(304)를 포함하여 복수의 로드(rod)로 구성된 로드(rod)구성부(30), 로드(rod)구성부(30)각각에 공정가스 및 가스 공급을 위한 공정소스 및 가스 주입부(20), 진공배기부(500)의 연결을 위한 연결용 포트(port)를 가지고 반응기(103)와 하부플랜지(112) 사이에 위치하는 매니폴드(104), 반응로 내의 열이 하부로 전해지는 것을 방지하기 위한 열차단용플레이트(110), 냉각수 순환 포트(113)를 가지고 상하 이동용모터(116)에 의해 상하로 이동하는 하부플랜지(112), 반응기(103) 내부의 진공 형성을 위한 진공배기부(500)으로 구성된다. (복수의 기판을 수납하기 위하여 로보트암(robot arm)으로 구성되는 기판 로딩 시스템은 통상 사용되므로 생략하였다.)
또한, 플라즈마 발생을 위하여 상부전극(106)은 복수의 기판(105) 각각의 상부면에 위치하여 정합기(401), 고주파 전력원(402)와 차례로 연결되며,하부전극(107)은 복수개의 기판(105) 각각의 하부면에 위치하여 그라운드(ground)와 연결된다. 또한 절연부재(117)은 상부전극(106)과 하부전극(107) 사이에는 전기적으로 절연이 되도록 한다.
또한, 상기 플라즈마 발생을 위한 상부전극(106), 하부전극(107)과 절연부재(117) 및 열차단용플레이트(110)는 회전테이블(111)상측면에 차례로 배치되어 공정시간 동안 회전축을 기준으로 하여 지속적으로 회전하게 된다. 아울러, 회전테이블(111)의 회전축은 O-ring으로 구성된 회전축밀봉부(115)에 의해 밀봉(sealing)되어 회전중에도 반응기(103) 내의 진공상태가 유지되도록 구성한다. 또한, 상기 하부플랜지(112)는 공정소스 및 가스가 하부플랜지(112)와 회전테이블(111) 사이의 공극을 따라 들어오지 못하도록 비활성가스 등을 주입할 수 있는 공정가스차단용 가스 주입부(114)를 가진다.
상기 이동용모터(116)에 의해 하부플랜지(112)를 하부로 이동하여 기판(105)을 기판 로딩시스템을 이용하여 적재한 후 이동용모터(116)을 이용하여 상부로 이동시킨 후 진공배기부(500)에 구성되는 진공펌핑시스템을 이용하여 반응기(103)내부를 진공 상태로 형성한다. 히터(102)를 이용하여 반응기(103)내부의 온도를 증 가 시킨 후 반응기(103) 내부를 공정소스 및 가스로 채운다. (이때, 반응기(103)내의 온도는 주입되는 공정소스 및 가스가 분해되는 종래의 일반적인 저압화학기상증착장치의 온도보다 낮으므로 주입된 공정소스 및 가스는 기판(105)과 화학적 반응을 하지 않는다.) 상부전극(106)에 300 ㎑ ~ 30 ㎒의 고주파전력을 인가하면 반응기(103) 내부를 채운 공정소스 및 가스는 분해되어 플라즈마 상태가 되고, 분해된 공정소스 및 가스의 라디칼(radical)은 반응기(103) 내부의 온도에 의해 일련의 화학반응 단계를 거치게 된다. 그 결과로 기판(105)표면에는 일정한 두께의 막이 형성되며 막 증착에 참여하지 못한 잔류 가스는 다시 진공배기부(500)를 통하여 배출되게 된다. 이때, 기판의 일측면에 설치되는 로드(rod)구성부(30)는 진공배기부(500)의 위치와 대응하여 기판(105)상에 균일한 공정소스 및 가스의 플로우가 발생할 수 있도록 공정소스 및 가스별로 기판(105)각각의 일측면에 배치하고 각각의 로드(rod)에 개별로 공정소스 및 가스가 주입되는 양을 제어될 수 있도록 공정소스 및 가스 주입부(20)를 구성하였다. 또한 로드(rod)구성부(30) 및 진공배기부(500)의 위치에 따라 기판(105)상에 공정소스 및 가스의 플로우의 불균일이 발생하더라도 회전테이블(111)을 이용하여 복수의 기판(105)을 포함하는 기판보트를 회전시켜줌으로써 기판(105) 전체에 균일한 막을 형성할 수 있게 된다. 도 2에는 제 1 공정소스 및 가스 주입을 위한 로드(rod)구성부(30) 및 공정 소스 및 가스 주입구(20)의 제1로드(rod)(301), 제2로드(rod)(302), 제3로드(rod)(303),제4로드(rod)(304), 제1로드(rod)와 연결되는 제1공정 소스 및 가스 주입구(201), 제2로드(rod)와 연결되는 제1공정 소스 및 가스 주입구(202), 제3로드(rod)와 연결되 는 제1공정 소스 및 가스 주입구(203), 제4로드(rod)와 연결되는 제1공정 소스 및 가스 주입구(204)만을 도시하였으나 기판의 수량, 공정소스 및 가스의 추가에 따라 로드(rod) 및 공정 소스 및 가스 주입구는 추가할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예로 도2 와 같은 플라즈마를 이용한 저압화학기상증착장치를 구성함에 있어 기판(105) 각각의 일측면에 위치하여 공정소스 및 가스가 분사되는 복수의 로드(rod)로 구성된 로드(rod)구성부(30)를 도 3에 도시한 것과 같이 다수의 공정소스 및 가스가 분사구(311)를 가지는 링(ring)타입의 로드(rod)(310)로 구성하여 개별기판 전면에 공정소스 및 가스의 플로우를 균일하게 할 수 있다.
이상 바람직한 실시 예 및 변형 예에 대해 설명하였으나, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 저압화학기상증착 장치의 구성은 상술한 예들에 한정한 것은 아니며, 그 예들의 변형이나 조합에 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 구성이 구체화될 수 있다.
도 1은 종래의 일반적인 열방식의 배치식 수직형 저압화학기상증착장치의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 플라즈마를 이용한 저압화학기상증착 장치의 단면도
(1) : 저압화학기상증착장치 (101) : 열차단용 커버 (102) : 히터 (103) : 반응기 (104) : 매니폴드 (105) : 기판
(106) : 상부전극 (107) : 하부전극 (108) : 기판 보트(boat)
(109) : 밀봉 부재 (110) : 열차단용 플레이트
(111) : 회전테이블 (112) : 하부플랜지
(113) : 냉각수 순환 포트 (114) : 공정가스 차단용 가스 주입부
(115) : 회전축 밀봉부 (116) : 상하 이동용 모터
(117) : 절연부재 (20) : 공정소스 및 가스 주입부
(200) : 공정소스 및 가스 주입구
(201) : 제1로드(rod)와 연결되는 제1공정소스 및 가스 주입구
(202) : 제2로드(rod)와 연결되는 제1공정소스 및 가스 주입구
(203) : 제3로드(rod)와 연결되는 제1공정소스 및 가스 주입구
(204) : 제4로드(rod)와 연결되는 제1공정소스 및 가스 주입구
(30) : 로드(rod) 구성부 (300) : 로드(rod) (301) : 제1로드(rod) (302) : 제2로드(rod) (303) : 제3로드(rod) (304) : 제4로드(rod)
(310) : 링(ring)타입의 로드(rod)
(311) : 공정소스 및 가스 분사구
(401) : 정합기 (402) : 고주파 전력원 (500) : 진공배기부

Claims (8)

  1. 반도체, 디스플레이, 태양전지 등에 사용되는 웨이퍼 혹은 글래스와 같은 기판에 폴리실리콘막, 실리콘막 등의 절연막, 금속막, 반도체막 등을 형성하는 저압화학기상증착장치에서 있어서 저온에서 균일하게 막을 형성할 수 있도록 하기 위하여,
    반응기, 반응기 내부의 온도 조절을 위한 히터, 진공배기부의 연결을 위한 연결용 포트(port)를 가지고 반응기와 하부플랜지 사이에 위치하는 매니폴드, 반응로 내의 열이 하부로 전해지는 것을 방지하기 위한 열차단용플레이트, 냉각수 순환 포트를 가지고 상하 이동용모터에 의해 상하로 이동하는 하부플랜지, 반응기 내부의 진공 형성을 위한 진공배기부와 함께,
    복수의 기판 처리를 위하여 기판 각각의 전면에 대응되도록 구성되는 전극 및 플라즈마 발생을 위하여 전극에 인가되는 고주파 전력원 및 정합기, 기판상에 공정소스 및 가스의 플로우가 균일하게 될 수 있도록 복수로 구성되는 로드(rod) 및 공정소스 및 가스 주입부와 회전테이블을 가지는 것을 특징으로 하는 저압화학기상증착 장치
  2. 제 1항에 있어서, 플라즈마 발생을 위한 전극에 인가되는 고주파 전력의 주파수가 300 ㎑ ~ 30 ㎒ 것을 특징으로 하는 고주파 전력원.
  3. 제 1항에 있어서, 플라즈마 발생을 위한 전극에 인가되는 고주파 전력의 주파수를 13.56 ㎒와 300 ㎑ ~ 30 ㎒를 중복사용 혹은 교번 사용하는 것을 특징으로 하는 고주파 전력원
  4. 제 1항에 있어서, 로드(rod)는 석영, SiO2, Alumina, ZrO2 등의 세라믹 소재혹은 metal, metal alloy 등의 소재를 사용하는 튜브형태로 기판보트의 일면에서 각각의 기판에 일대일 대응이 되도록 구성하는 것을 특징으로 한다.
  5. 제 1항에 있어서, 로드(rod)의 공정소스 및 가스가 분사되는 부분을 링(ring)형태로 하여 개별기판을 전면에 대응할 수 있는 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.
  6. 제 1항에 있어서, 로드(rod)와 연결되는 공정 소스 및 가스 주입부는 개별 로드(rod)별로 주입량을 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.
  7. 제 1항에 있어서, 회전테이블은 반응기 내의 열에 의하여 손상을 받지 않도록 냉각수 순환포트를 가지고, 회전축은 회전축밀봉부에 의해 밀봉(sealing)되어 공정중에 진공이 파기되지 않는 것을 특징으로 한다.
  8. 제 1항에 있어서, 하부플랜지는 열차단을 위한 냉각수 순환포트와 함께 공정소스 및 가스가 하부플랜지와 회전테이블 사이의 공극을 따라 들어오지 못하도록 비활성가스 등을 주입할 수 있는 공정가스차단용 가스 주입부를 가지는 것을 특징으로 한다.
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