KR20110031582A - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서는, 단위픽셀을 포함하는 픽셀 영역 및 주변회로 영역이 형성된 반도체 기판; 상기 픽셀 영역 및 주변회로 영역과 각각 연결되도록 상기 반도체 기판 상에 형성된 하부배선을 포함하는 하부 절연층; 상기 하부 절연층 상에 상기 주변회로 영역의 하부배선과 연결되도록 형성된 상부배선을 포함하는 상부 절연층; 상기 픽셀 영역의 상기 상부 절연층에 형성된 제1 트랜치; 상기 단위픽셀에 해당하도록 상기 제1 트랜치 하부의 상기 하부절연층에 형성된 제2 트랜치; 상기 제2 트랜치에 내부에 형성된 컬러필터; 및 상기 컬러필터에 대응하도록 상기 제1 트랜치 내부에 형성된 마이크로 렌즈를 포함한다.
이미지센서, 마이크로렌즈
Description
실시예는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 전하결합소자(Charge Coupled Device: CCD) 이미지 센서와 씨모스(CMOS) 이미지 센서(Image sensor)(CIS)로 구분된다.
씨모스 이미지 센서는 단위화소 내에 포토다이오드와 트랜지스터들을 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
씨모스 이미지 센서는 단위화소를 포함하는 기판, 다층의 금속배선층, 컬러필터 어레이 및 마이크로 렌즈를 포함할 수 있다.
이러한 이미지 센서는 소형화되면서 포토다이오드에 집광되는 빛의 효율이 점점 감소되고, 픽셀 사이즈가 작아지면서 빛이 산란되므로 크로스 토크가 발생될 수 있다.
특히, 포토다이오드와 마이크로 렌즈 사이에는 금속배선층, 패시베이션층과 같은 여러 층들이 형성되어 있으므로, 빛의 산란 및 흡광이 발생되고, 이는 포토다이오드의 감도를 저하시키는 문제가 있다.
실시예는 픽셀 영역에서 포토다이오드와 마이크로 렌즈의 거리를 단축(shrink)시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 단위픽셀을 포함하는 픽셀 영역 및 주변회로 영역이 형성된 반도체 기판; 상기 픽셀 영역 및 주변회로 영역과 각각 연결되도록 상기 반도체 기판 상에 형성된 하부배선을 포함하는 하부 절연층; 상기 하부 절연층 상에 상기 주변회로 영역의 하부배선과 연결되도록 형성된 상부배선을 포함하는 상부 절연층; 상기 픽셀 영역의 상기 상부 절연층에 형성된 제1 트랜치; 상기 단위픽셀에 해당하도록 상기 제1 트랜치 하부의 상기 하부절연층에 형성된 제2 트랜치; 상기 제2 트랜치에 내부에 형성된 컬러필터; 및 상기 컬러필터에 대응하도록 상기 제1 트랜치 내부에 형성된 마이크로 렌즈를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은, 반도체 기판에 단위픽셀을 포함하는 픽셀 영역 및 주변회로 영역을 형성하는 단계; 상기 픽셀 영역 및 주변회로 영역과 각각 연결되도록 상기 반도체 기판 상에 하부배선을 포함하는 하부 절연층을 형성하는 단계; 상기 하부 절연층 상에 상기 주변회로 영역의 하부배선과 연결되도록 상부배선을 포함하는 상부 절연층을 형성하는 단계; 상기 픽셀 영역의 상기 상부 절연층에 제1 트랜치를 형성하는 단계; 상기 단위픽셀에 해당하도록 상기 제1 트랜치 하부의 상기 하부절연층에 제2 트랜치를 형성하는 단계; 상기 제2 트랜치에 내부에 컬러필터를 형성하는 단계; 및 상기 컬러필터에 대응하도록 상기 제1 트랜치 내부에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법에 의하면, 픽셀 영역에 해당하는 상부 절연층에 트랜치를 형성하고, 트랜치 내부에 마이크로 렌즈를 형성할 수 있다.
이에 따라, 상기 마이크로 렌즈와 포토다이오드와의 초점거리가 단축되어 광감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 마이크로 렌즈 하부에 해당하는 하부 절연층의 내부에 컬러필터가 형성된다. 즉, 상기 컬러필터가 상기 하부 절연층에 삽입된 구조로 형성되어, 상기 컬러필터 및 마이크로 렌즈의 초점거리를 단축시킬 수 있다.
이로 인하여, 이미지 센서의 크로스 토크 및 노이즈 발생을 방지하여, 광감도를 향상시킬 수 있다.
이하, 실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
본 발명은 씨모스 이미지센서에 한정되는 것이 아니며, CCD 이미지센서 등 모든 이미지센서에 적용이 가능하다.
도 6은 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 단위픽셀(20)을 포함하는 픽셀 영역(P) 및 주변회로 영역(L)이 형성된 반도체 기판(10), 상기 픽셀 영역(P) 및 주변회로 영역(L)과 각각 연결되도록 상기 반도체 기판(10) 상에 형성된 하부배선을 포함하는 하부 절연층, 상기 하부 절연층 상에 상기 주변회로 영역(L)의 하부배선과 연결되도록 형성된 상부배선을 포함하는 상부 절연층, 상기 픽셀 영역(P)의 상기 상부 절연층에 형성된 제1 트랜치(51), 상기 단위픽셀(20)에 해당하도록 상기 제1 트랜치(51) 하부의 상기 하부절연층에 형성된 제2 트랜치(52), 상기 제2 트랜치(52)에 내부에 형성된 컬러필터(60), 상기 컬러필터(60)에 대응하도록 상기 제1 트랜치(51) 내부에 형성된 마이크로 렌즈(72)를 포함한다.
상기 하부 배선은 제1 배선(M1) 및 제2 배선(M2)이고, 상기 하부 절연층은 제1 절연층(31) 및 제2 절연층(32)일 수 있다. 상기 상부 배선은 제3 배선(M3)이고, 상기 상부 절연층은 제3 절연층(33)일 수 있다.
상기 컬러필터(60)와 마이크로 렌즈(72) 사이에는 평탄화 패턴(71)이 형성되어 있다. 상기 평탄화 패턴(71)과 마이크로 렌즈(72)는 단일 물질로 형성될 수 있다.
상기 제1 트랜치(51)는 제1 높이(H1)로 형성되고, 상기 마이크로 렌즈(72)는 상기 제1 높이(H1)보다 낮은 제3 높이(H3)로 형성되어, 상기 마이크로 렌즈(72)는 상기 단위픽셀(20)과의 초점거리가 단축될 수 있다.
또한, 상기 컬러필터(60)가 상기 제2 절연층(32)을 소정깊이로 식각하여 형성된 제2 트랜치(52) 내부에 형성되어 있으므로, 상기 단위픽셀(20)과의 거리를 단축시킬 수 있다. 이로 인하여, 이미지 센서의 크로스 토크 및 노이즈등을 방지할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 상세히 설명한다.
도 1을 참조하여, 반도체 기판(10)에 픽셀 영역(P) 및 주변회로 영역(L)이 형성된다.
상기 반도체 기판(10)은 단결정 또는 다결정의 기판이며, p형 불순물 또는 n형 불순물이 도핑된 기판일 수 있다.
도시되지는 않았지만, 상기 반도체 기판(10)에는 액티브 영역 및 필드 영역을 정의하는 소자분리막이 형성되어 있다.
상기 픽셀 영역(P)에는 복수개의 단위픽셀(20)이 형성된다. 상기 단위픽셀(20)은 빛을 수광하여 광 전하를 생성하는 포토다이오드(미도시) 및 상기 포토다이오드에 연결되어 수광된 광전하를 전기신호로 변환하는 트랜지스터 회로(미도시)를 포함한다.
상기 주변회로 영역(L)은 상기 픽셀 영역(P)에서 생성된 광전하를 순차적으로 검출하기 위한 것으로 트랜지스터 구조물(미도시)을 포함할 수 있다.
한편, 상기 픽셀 영역(P)의 가장자리 영역에 해당하는 단위픽셀(20)은 핫 픽셀 검출등을 위한 더미픽셀(21)일 수 있다.
상기 픽셀 영역(P) 및 주변회로 영역(L)을 포함하는 반도체 기판(10) 상에 제1 배선(M1)을 포함하는 제1 절연층(31), 제2 배선(M2)을 포함하는 제2 절연층(32) 및 제3 배선(M3)을 포함하는 제3 절연층(33)이 형성된다.
상기 제1 내지 제3 배선(M1,M2,M3)은 전원라인, 신호라인 및 단위픽셀들과 연결되어 전기신호를 전달할 수 있다.
특히, 상기 픽셀 영역(P)에 형성되는 배선(M1,M2)은 상기 주변회로 영역에 형성되는 배선(M1,M2,M3)보다 적게 형성될 수 있다.
즉, 상기 픽셀 영역(P)에는 제1 배선(M1) 및 제2 배선(M2)이 적층되어 형성될 수 있다. 상기 주변회로 영역(L)에는 제1 배선(M1), 제2 배선(M2) 및 제3 배선(M3)이 적층되어 형성될 수 있다. 상기 픽셀 영역(P)의 제1 배선(M1) 및 제2 배선(M2)은 상기 단위픽셀(20)로 입사되는 빛을 가리지 않도록 의도적으로 레이아웃 될 수 있다.
다시 도 1을 참조하여, 상기 제3 절연층(33)에 제1 트랜치(51)가 형성된다. 상기 제1 트랜치(51)의 바닥면은 상기 픽셀 영역(P)에 해당하는 상기 제2 절연층(32)의 표면을 노출시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 트랜치(51)의 측벽은 1.10~1.2㎛에 해당하는 제1 높이(H1)를 가지도록 형성될 수 있다.
상기 픽셀 영역(P)에 제1 트랜치(51)가 형성되어 상기 제3 절연층(33)의 두께만큼 상기 픽셀 영역(P)에서 소자의 전체 두께가 감소될 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 단위픽셀(20)에 각각 대응하도록 상기 제1 트랜 치(51)의 바닥면에 제2 트랜치(52)가 형성된다. 상기 제2 트랜치(52)는 상기 제2 절연층(32)을 선택적으로 식각하여 형성될 수 있다.
상기 제2 트랜치(52)를 형성하기 위해서는 상기 제1 트랜치(51)를 포함하는 상기 제3 절연층(33) 상에 포토레지스트막(미도시)을 스핀코팅 등에 의하여 도포한다. 상기 단위픽셀(20)에 대응하는 상기 제2 절연층(32)이 선택적으로 노출되도록 노광 및 현상공정을 진행하여 포토레지스트 패턴(100)을 형성한다. 이후, 상기 포토레지스트 패턴(100)을 식각마스크로 사용하여 상기 제1 트랜치(51)의 바닥면인 상기 제2 절연층(32)을 식각하여 제2 트랜치(52)를 형성할 수 있다.
즉, 상기 제2 트랜치(52)는 상기 단위픽셀(20)에 각각 대응하도록 상기 제2 절연층(32)을 일정깊이로 식각하여 형성될 수 있다. 특히, 상기 제2 트랜치(52)는 상기 제2 배선(M2)의 사이에 해당하는 상기 제2 절연층(32)을 식각하여 형성될 수 있다.
도시되지는 않았지만, 상기 제2 절연층(32)에는 질화막과 같은 식각정지막이 형성되어 상기 제2 트랜치(52)의 식각종료점으로 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 트랜치(52)는 제1 높이(H1)보다 작은 0.7~1.0㎛의 제2 높이(H2)로 형성될 수 있다.
한편, 실시예에서는 상기 제2 트랜치(52)가 상기 제2 배선(M2)의 깊이에 대응하는 깊이를 가지는 것으로 설명하였지만, 상기 제2 트랜치(52)는 다양한 깊이를 가지도록 형성될 수도 있다.
이후, 상기 포토레지스트 패턴(100)은 일반적인 스트립 공정에 의하여 제거 될 수 있다.
도 3을 참조하여, 상기 제2 트랜치(52)에 컬러필터(60)가 형성된다. 상기 컬러필터(60)는 단위픽셀에 대응하는 상기 제2 트랜치(52) 각각에 형성되어 입사하는 빛으로 색을 분리해낼 수 있다. 상기 컬러필터(60)는 각각 다른 색상을 나타내는 것으로 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 색으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 컬러필터(60) 형성공정은 상기 제2 트랜치(52)를 포함하는 제1 트랜치(51)에 레드 컬러필터 감광막을 형성하고, 상기 레드 컬러필터 감광막을 선택적으로 노광 및 현상하여 해당하는 단위픽셀의 제2 트랜치(52)의 내부에만 선택적으로 레드 컬러필터를 형성할 수 있다. 이후, 상기 레드 컬러필터가 형성된 상기 제1 트랜치(51) 상에 블루 컬러필터 감광막을 형성한 다음 상기 블루 컬러필터 감광막을 선택적으로 노광 및 현상하여 해당하는 단위픽셀의 제2 트랜치(52)의 내부에만 선택적으로 블루 컬러필터를 형성할 수 있다. 상기 적색 및 청색 컬러필터가 형성된 상기 제1 트랜치(51)에 동일한 방법을 사용하여 제2 트랜치(52)의 내부에 그린 컬러필터를 형성할 수 있다. 상기 컬러필터(60)의 형성 순서는 여러가지로 조합, 변형될 수 있다.
상기 컬러필터(60)가 상기 제2 트랜치(52) 내부에 각각 형성되어 소자의 전체적인 두께가 감소될 수 있다.
즉, 상기 컬러필터(60)는 상기 제2 트랜치(52)에 의하여 상기 제2 절연층(32) 내부에 삽입된 구조를 가지게 된다. 이에 따라, 상기 컬러필터(60)와 상기 단위픽셀(20)의 포토다이오드의 거리가 단축될 수 있다.
도 4를 참조하여, 상기 컬러필터(60)를 포함하는 상기 제1 트랜치(51) 내부에 평탄화층(70)이 형성된다. 상기 평탄화층(70)은 포토레지스트 물질로 형성될 수 있다.
상기 평탄화층(70)은 상기 제1 트랜치(51)를 갭필하도록 형성될 수 있다. 상기 평탄화층(70)은 표면은 상기 제3 절연층(33)과 동일한 표면과 동일한 높이로 형성될 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기 평탄화층(70) 상에 더미 렌즈(80)가 형성된다.
상기 더미 렌즈(80)는 상기 컬러필터(60)에 각각 대응하도록 상기 평탄화층(70) 상에 각각 형성될 수 있다.
상기 더미 렌즈(80)는 상기 평탄화층(70) 상에 단위픽셀 별로 패터닝된 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한 후 리플로우 공정을 통하여 반구 형태로 형성될 수 있다.
상기 더미 렌즈(80)는 이웃하는 더미 렌즈(80)와 상호 이격되도록 약 150~250nm의 갭(G)이 형성될 수 있다.
상기 갭(G)은 상기 더미 렌즈(80)의 리플로우 공정 시 렌즈와 렌즈가 서로 붙게 되어 브리지(bridge) 및 머지(merge)를 방지하기 위하여 의도적으로 형성된 것이다.
도 6을 참조하여, 상기 제1 트랜치(51)의 내부에 마이크로 렌즈(72) 및 평탄화 패턴(71)이 형성된다.
상기 마이크로 렌즈(72)는 상기 더미 렌즈(80)를 사용한 전사 식각공정을 통 해 상기 단위픽셀(20)과의 초점거리를 단축시킬 수 있다.
상기 마이크로 렌즈(72)는 이웃하는 마이크로 렌즈와 갭 리스의 형태로 형성될 수 있다. 즉, 상기 마이크로 렌즈(72)는 이웃하는 마이크로 렌즈(72)와 연속적인 형태로 접하게 된다. 이로 인해 상기 마이크로 렌즈(72) 사이의 간극을 제로갭(zero gab) 수준으로 줄임으로써 이미지 센서의 품질을 향상시킬 수 있다.
구체적으로 상기 마이크로 렌즈(72)는 상기 더미 렌즈(80)를 식각마스크로 사용하여 상기 평탄화층(70)에 대한 식각 공정을 진행하여 상기 제1 트랜치(51) 내부에 반구형태의 마이크로 렌즈(72) 및 평탄화 패턴(71)을 형성할 수 있다. 특히, 상기 전사 식각 공정 시 상기 평탄화층(70)이 상기 더미 렌즈(80)보다 과식각되도록 제어함으로써 갭리스의 마이크로 렌즈(72)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 더미 렌즈(80)와 상기 평탄화층(70)의 식각비는 1:1.05~1.3일 수 있다.
상기 평탄화층(70)에 대한 식각 공정을 통해 상기 마이크로 렌즈(72)는 상기 제1 트랜치(51) 내부에 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 마이크로 렌즈(72)는 제1 높이(H1) 보다 작은 제3 높이(H3)로 형성될 수 있다.
상기 마이크로 렌즈(72)는 평탄화층(70)에 대한 식각 공정을 통해 형성되어 이웃하는 마이크로 렌즈와의 갭을 최소화화면서 브리지 및 머지현상은 방지되어 이미지 센서의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 마이크로 렌즈(72)가 상기 제2 절연층(32) 상에 형성되어 상기 단위픽셀(20)과의 초점거리를 단축시켜, 포토다이오드의 집광율 및 광감도를 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 이미지 센서 및 제조방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사항 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 단면도이다.
Claims (10)
- 단위픽셀을 포함하는 픽셀 영역 및 주변회로 영역이 형성된 반도체 기판;상기 픽셀 영역 및 주변회로 영역과 각각 연결되도록 상기 반도체 기판 상에 형성된 하부배선을 포함하는 하부 절연층;상기 하부 절연층 상에 상기 주변회로 영역의 하부배선과 연결되도록 형성된 상부배선을 포함하는 상부 절연층;상기 픽셀 영역의 상기 상부 절연층에 형성된 제1 트랜치;상기 단위픽셀에 해당하도록 상기 제1 트랜치 하부의 상기 하부절연층에 형성된 제2 트랜치;상기 제2 트랜치에 내부에 형성된 컬러필터; 및상기 컬러필터에 대응하도록 상기 제1 트랜치 내부에 형성된 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 컬러필터와 마이크로 렌즈 사이에 개재된 평탄화층을 포함하고,상기 평탄화층과 마이크로 렌즈는 단일층인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 제1 트랜치는 제1 높이로 형성되고, 상기 마이크로 렌즈는 상기 제1 높이보다 낮은 제2 높이로 형성된 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 픽셀 영역의 가장자리에 형성된 단위픽셀에 형성된 더미 포토다이오드를 포함하는 이미지 센서.
- 반도체 기판에 단위픽셀을 포함하는 픽셀 영역 및 주변회로 영역을 형성하는 단계;상기 픽셀 영역 및 주변회로 영역과 각각 연결되도록 상기 반도체 기판 상에 하부배선을 포함하는 하부 절연층을 형성하는 단계;상기 하부 절연층 상에 상기 주변회로 영역의 하부배선과 연결되도록 상부배선을 포함하는 상부 절연층을 형성하는 단계;상기 픽셀 영역의 상기 상부 절연층에 제1 트랜치를 형성하는 단계;상기 단위픽셀에 해당하도록 상기 제1 트랜치 하부의 상기 하부절연층에 제2 트랜치를 형성하는 단계;상기 제2 트랜치에 내부에 컬러필터를 형성하는 단계; 및상기 컬러필터에 대응하도록 상기 제1 트랜치 내부에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 컬러필터를 형성한 다음 상기 컬러필터 상부 영역이 평탄화되도록 평탄화층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 마이크로 렌즈를 형성하는 단계는,상기 제1 트랜치 내부가 갭필되도록 상기 상부 절연층과 동일한 높이를 가지는 평탄화층을 형성하는 단계;상기 단위픽셀에 대응하고, 상기 평탄화층 상에 상호 이격되도록 반구형태의 더미 렌즈를 형성하는 단계; 및상기 더미 렌즈를 식각마스크로 사용하여 상기 평탄화층을 식각하여 갭리스의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 더미 렌즈와 상기 평탄화층의 식각비는 1:1.05~1.3인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 평탄화층과 상기 더미 렌즈는 동일한 물질로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 제1 트랜치는 제1 높이로 형성되고, 상기 마이크로 렌즈는 상기 제1 높이보다 낮은 제2 높이로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020090088898A KR20110031582A (ko) | 2009-09-21 | 2009-09-21 | 이미지 센서 및 그 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR20110031582A true KR20110031582A (ko) | 2011-03-29 |
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ID=43936549
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| Country | Link |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100032782A1 (en) * | 2008-08-06 | 2010-02-11 | Young Je Yun | Image sensor and method for manufacturing the same |
| KR101382422B1 (ko) * | 2012-11-05 | 2014-04-08 | 주식회사 동부하이텍 | 이미지 센서 및 그 제조 방법 |
| KR20180089130A (ko) | 2017-01-31 | 2018-08-08 | 광주대학교산학협력단 | Cmos 이미지 센서(cis) 및 cis의 컬러필터 결합체 제조 방법 |
-
2009
- 2009-09-21 KR KR1020090088898A patent/KR20110031582A/ko not_active Application Discontinuation
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