TW200423509A - Nitride semiconductor device and method for manufacturing same - Google Patents
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Description
200423509 玖、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於發光裝置等氮化物系半導體裝置及其製造 方法,更具體為關於平坦性佳並可以高良率製造之高品質 氮化物系半導體裝置及其製造方法。 【先前技術】 發光裝置等之製造中’將氮化物系單結晶作為基板進行 氣相磊晶膜成長時,以去除附著於該基板上之污物(有機物 '水分)或缺陷(傷痕、歪曲等)為目的而進行熱處理。該熱 處理因於上m晶膜成長前進行,故被稱為前處理、前 熱處理'清潔處理、清淨化處理、或單純稱為熱處理。 過去不限於氮化物系半導體,去除上述污物與缺陷時, 基板之加熱溫度將成為之後於基板上成長i晶膜之成膜工 序中基板之加熱溫度以上(專利文獻特開2__17侧號公 報特開2000-323752號公報等)。其係愈提高前處理中基板 之加熱溫度愈能進行清淨化之故,故重視清淨化,而繼承使 ’月潔處理之基板溫度成為矽系半導體裝置之製造方法中基 板之成膜溫以上之方法。與㈣相同,氮化㈣半導體裝 置之k中由使w處理卫序中基板之加熱溫度成為成膜 工序中基板之加熱溫度以上’亦可使基板表面清淨化。 氮化物系半導體因氣之蒸氣壓較高,將氮化物單結晶基 板以高溫熱處理時,使用包含氮或與氮相同之5B族之原子 之環境。作為該種環境’―般係使用由成膜工序所導入之 O:\91\9l38l.DOC4 200423509 %境氣體中’去除包含3B族元素之原料氣體之環境。其係 因氮容易脫離,3B族元素將於基板表面部過剩,於氮化物 系半導體基板表面容易產生凹凸之故。亦即成為不包含上 述3B族π素之環境,可抑制氮由基板脫離,不易於基板表 面上產生起因於上述3B族元素之過剩堆積之凹凸。 不論使用任何環境,如上述,於過去之前處理中,為提 高清潔效果而將基板加熱至成膜時之加熱溫度以上之高溫 。惟氮化物系半導體之情形下,將氮化物系半導體基板加 熱至成膜時之加熱溫度以上時,將激烈產生由該基板表面 之氮之脫離,或氨(NH3)之分解,欲將具有大量選項之氣體 供給條件調整至最佳化將需要極大的勞力。作為極端之例 ,以與成膜時相同之氣體供給條件進行前處理時,將損及 氮化物系半導體基板之平坦性,於上述成膜時形成之磊晶 膜將不平坦,容易產生3次元成長。因此,使用氮化物系半 導體基板成長同質蠢晶膜時,具有於上述之基板清潔處理 中必須以錯誤嘗試來尋試氣體供給條件之問題。 【發明内容】 本發明之目的係提供一種氮化物系半導體裝置及其製造 方法,其係可於氮化物系半導體基板上成膜平坦性與結晶 性佳之磊晶膜。 本發明之氮化物系半導體裝置之製造方法,其係形成於 包含和氮形成化合物之3B族元素與氮之化合物之半導體基 板之氮化物系半導體裝置之製造方法。該製造方法包含將 半導體基板加熱至成膜溫度,供給同時包含把族元素之原 O:\9I\9I381.DOC4 -7- 200423509 料氣體及氛之原料氣體之成膜氣體^於該半導體基板上蠢 晶成長包含3B族元素與氮之化合物之薄膜之工序。並具備 於該蠢晶成長工序前’將半導體基板加熱至未達成膜溫度 之前處理溫度^將半導體基板表面清淨化之工序。 依據該方法,與過去之常識相異,將基板加熱至較成膜 處理中基板加熱溫度為低之溫度而將基板表面清淨化。原 本氮化物系半導體之磊晶膜成長過程中因基板加熱溫度較 高,故上述清淨化工序中,可設定能充分確保清潔作用之 溫度。因此,於基板表面可確保良好之平坦性。其結果, 形成於該基板表面之磊晶膜亦成為平坦性佳者。 此外,基板加熱溫度因與薄膜形成裝置所具備之溫度檢測 器或溫度計之位置或該等安裝狀態有關而相異,故使用相同 成膜裝置内之溫度指標,使清淨化時之加熱溫度較成膜時之 基板加熱溫度降低即可,溫度之絕對數值將不成為問題。 上述之半導體基板之清淨化工序中,例如可供給3B族元 素之原料氣體比例較蠢晶成長工序之成膜氣體減少之前處 理用氣體。 依據該方法,藉由上述清淨化工序時基板溫度之低溫化 ,可使起因於氮之蒸氣壓較高之氮的優先脫離,或3B族元 素之過剩堆積較難產生,避免表面平坦性之劣化。 作為上述之1例,使前處理用氣體不包含前述3B族元素之 原料氣體亦可。作為該種前處理用氣體,可使用由成膜工 序中導入之環境氣體去除包含3B族元素之原料氣體的氣體 。其結果,不需以錯誤嘗試尋找清淨化處理時之氣體供給 O:\91\91381.DOC4 200423509 條件,可有效設定清淨化工序之條件。 3B族元素為A1(鋁)、Ga(鎵)、In(銦)等,可將以該等氮化 物之半導體為主之半導體裝置,良率高地製造平坦性較過 去為佳之層疊構造之半導體裝置。 本發明之氮化物系半導體裝置,其包含··半導體基板, 其係由包含和氮形成化合物之3B族元素與氮之化合物形成 者;及磊晶半導體膜,其係形成於該半導體基板上,包含 3B族元素與氮。並且半導體基板之表面粗度以均方根粗度 (RMS)表示為15 nm以下。 藉由使上述均方根粗度成為15 nm以下,可使形成於該氮 化物糸半導體基板表面之蠢晶膜之平坦性成為較佳者使 上述粗度超過15 nm時,將磊晶膜以厚度約2 μιη形成時,將 產生6角丘狀之突起,且不僅該磊晶膜,形成於其上之磊晶 膜亦將成為結晶性較差之膜,品質將劣化。此外,基板表 面之上述粗度超過15 nm時,將磊晶膜以厚度〇· 5 μηι形成時 ’因基板表面之凹凸而無法成為連續膜。 此外’上述之粗度為將氮化物半導體基板前處理之後, 不於其上成膜磊晶膜,表面之粗度係基於藉由原子力顯微 鏡(AFM)測定之結果。 此外’使上述半導體基板之均方根粗度成為5 nm以下亦 可。藉由該構成’可提供平坦性更佳之半導體基板,可使 得於其上形成之磊晶膜之平坦性及結晶性良好。 使上述之蠢晶膜之十點平均粗度(Rz)成為15 nm以下亦可 O:\9l\9l381.DOC4 200423509 ,,由該構成’不僅可使㈣晶膜本身之結晶性與平坦性良好 '、可確保形成於該蟲晶膜上之蟲晶膜之結晶性及平坦性。 上述之粗度係基於在上述_上不進一步層叠薄膜時 广膜之粗度而設定。如為於半導體裝置組裝後,可測 膜粗度之方法時,則使㈣種方法,以可測定 述μ晶膜粗度之任何方法測定均可。 A 卜㈣一般之參考文獻,揭示「十點平均粗度(Rz) -隨機選取部分之平均線往縱倍率之方向所測定 之由取同山頂至第5高之山頂,及最低谷底至第5低谷底 之個別標高(與平均線之距離)之絕對值平均,將該值以_ 者」本发明中,因上述標高係以微小者為對象,故將 上述絕對值平均以nm表示。作為上述之參考文獻,例如可舉 •大西清·· ns標準機械設計製圖便覽(第職)(理工學7 章57頁。 此外’使上述蟲晶膜 < 十點平均粗度(Rz)成為7·5·以下 亦可。其結果’可確保更佳之平均性與結晶性,高良率地 製造高品質之半導體裝置。 此外’上述蠢晶膜之表面部不具有以⑽师〜15〇 _之 間距產生之高度5〇nm〜15〇nm之凹凸亦可。 &成半導體基板之平坦性不佳之蟲晶膜之6角丘狀突起 形f時,觀察該6角丘狀突起時,為1〇〇μιη〜ΐ5()μιη之間距 之高度50 nm〜150 nm之凹凸。藉由使半導體基板之rms 如上述成為15 nm以下,可防止該6角丘狀突起之產生。因 此平坦14佳,並可提升於其上形成之層疊膜之結晶性。 O:\9l\9l38l.DOC4 -10. 200423509 【實施方式】 其次使用圖式說明關於本發明實施形態。圖1為表示本發 明實施形態之半導體裝置之發光裝置之圖。圖1中,於GaN 基板1背面設置形成n型電極之丁丨/乂層9。於GaN基板1表面 ’將由包含摻質Si之GaN膜構成之n型緩衝層2磊晶成膜。於 該η型緩衝層2上形成由包含以之磊晶膜AlGG7GaN膜構成之 η型接地層3。 藉由該η型接地層3與ρ型接地層5所夾持,配置發光部之 活性層4。活性層4係以InG^GaN/GaN之多重量子井 (Multi-Quantum Well)構造形成。此外,活性層4上之p型接 也層5係以包§ Mg作為摻質之Al0 〇7GaN膜形成。該等為確 保任一者之良好結晶性,而以磊晶膜形成。 於P型接地層5上,設置由包含Mg2GaN膜構成之?型接觸 層6’並進一步於其上設置由Nl/Aui金屬膜構成之ρ型電極 7。於其上形成接點電極8。 於P型電極與n型電極之間施加電位,於活性層注入電流 ’於傳導帶與價電子帶之間藉由產生電子與正孔之再結合 而發光。 上述之發光裝置中,GaN基板!表面於清淨化工序中,加 熱至較成膜工序時之基板溫度為低之基板溫度,進行清淨 化處理。因此,可抑制GaN基板!表面之凹凸,均方根:度 (彻)為15_以下。並進一步亦可成為5職以下。 如士述,抑制半導體基板表面之凹凸,於其 膜’藉此可使該磊晶膜之結晶性成為較佳者。其結二 O:\9l\9138l.DOC4 -11 - 200423509 提升發光效率並使發光之光之寬度變窄等,可提高發光特 性之品質。 此外,提高GaN基板上之η型緩衝層2之平坦性,使發光 裝置之製造容易化,藉此可提升良率。η型緩衝層之表面部 為不具有1 〇〇 μπι〜1 5 0 μιη間距之凹凸,亦即不產生6角丘狀 突起為佳。其係如上述,可藉由使半導體基板之RMS成為15 nm以下而實現。此外,可使磊晶膜表面之十點平均粗度Rz 成為15 nm以下。進一步可使上述Rz成為7.5 nm以下。該等 粗度之抑制為通過結晶性之提升、平坦性之提升,可提供半 導體裝置之品質提升及製造良率之提升,應不需多加說明。 圖2為說明製造上述半導體裝置之方法之圖。首先於清潔 工序中,令基板加熱溫度為T1,該溫度T1係較其次之成膜 工序之基板加熱溫度T2為低。令氮之原料氣體之流量為N1 ,令Ga原料氣體,例如TMG之流量為G1。G1為零亦可。此 外包含氫氣與其他原料氣體亦可。 成膜工序中,令基板加熱溫度為T2,令氮原料氣體之流 量為N2,令Ga原料氣體之流量為G2。本發明中,要求基板 加熱溫度為丁2>T1,Ga原料氣體之流量G2〉G1^0之條件。 此外,原料氣體(環境)為使清潔工序中之Ga原料氣體流量 僅較成膜工序中之其為小,不進行其他原料氣體之追加與 刪減。 過去於使用藍寶石等異種基板之異質磊晶膜形成時,藉 由氫環境之前處理去除藍寶石基板表面之污染,將有利於 其後之異質磊晶膜之核形成而作用。惟於GaN基板上形成 O:\91\9l381.DOC4 -12- 200423509 5貝郝日日膜日守,氫之前處理將促使n由基板表面脫離,使表 面粗糙。其理由更為詳細說明時將如下。 ◊於基板上成膜同質磊晶膜之際,以下之3項事項將彼此競 f。亦即’(gl)Ga、Ni脫離;(g2#Ga原料氣體之^之供 給;及(g3)由N原料氣體之供給之3項事項。於同質磊晶 =成膜時,上述事項之進行速度具有適當關係,將形成 同質蠢晶膜。而此時之原料氣體供給條件稱為成膜原料氣 體供給條件。 於清,處理(前處理)時,供給為形成環境之氣體,亦將 〃 %為别處理氣體供給條件。前處理氣體供給條件一般係 由上述之成膜原料氣體供給條件去除以原料氣體(III族原 料氣體)之條件而成。於該前處理氣體供給條件下,使⑽ 基板之溫度與成料之基板溫度相同,成為超過此之溫度 時因不供給Ga,對於由N之脫離而產生之以原子或Ga液體 粒子,N原料氣體之顺3將過剩而存在。因此,Ga於移動至 p皆差與刮痕部分前將形成新的GaN。其結果,於前處理後 ,在GaN基板表面將產生細微凹凸。於具有該種凹凸之以n 基板成膜以料,將3次元成長,例如於厚度左右 之上述GaN膜之成膜階段中將無法形成連續膜。 此外’ GaN基板因多於異種基板上利用助(蟲晶橫向成 長)技術製造,相互之結晶方位僅稍錯位之部分可合體。於 該種GaN基板上3次元成長蟲晶膜時,因繼承底層結晶方位 之磊晶膜將於某階段合體,故容易產生6角丘狀突起。因此 ,完成之半導體裝置中各磊晶膜之結晶性將劣化,不僅品 O:\91\91381.DOC4 -13- 200423509 質降低,製造時之良率亦降低。 藉由使前處理溫度較成膜、、设疮& γ 珉犋/皿度為低,即使使用由成膜原 料氣體去除Ga原料氣體之前處理氣體,可消除㈣基板表 面中蟲晶膜構成原子之堆積及脫離之不均衡。其結果,可 得到適合蠢晶膜成長之平坦且結晶性佳之基板表面。基板 溫度之最佳化相較於前處理氣體供給條件之最佳化,因只 有-個參數,故較容易。此外,氮化物系半導體之成膜溫 度因元本較高,故即使使前處理溫度較成膜溫度為低,亦 不損及清潔效果。 上述之前處理氣體供給條件中,除以等出族元素原料氣 體之外,使其他原料氣體之供給之氣體流量與成膜時之氣 體流量相同為佳。前處理溫度因較成膜溫度為低,故不產 生上述之不均衡。因此如上述’僅由成膜氣體供給條件去 除Ga原料氣體’不需進行具有多數條件之前處理氣體供給 條件之最佳化。 貫施例 使用GaN基板,於該GaN基板施行清潔處理(前處理)後, 成膜同質磊晶膜。前處理條件及成膜條件如下。 (如處理條件): 氮:20 slm 氫·· 15 slm 氣·· 5 slm (基板溫度):l〇25°C (本發明例)、115(TC (比較例) (處理時間):1〇分鐘 O:\91\9138 l.IX)C4 -14- 200423509 (成膜條件):
氮:20 slm 氫:15 slm 氨:5 slm TMG ·· 1 9 seem (基板溫度):1150°C 作為GaN基板,使用以Si〇2作為掩模於GaAs基板厚膜成 長後,藉由去除GaAs基板所製作者(參照國際公開編號WO 99/23693號公報)。前處理為除Ga原料氣體TMG之外,僅使 氮原料氣體之氨及載體氣體之氮與氫藉由與上述成膜條件 相同之條件流入。使用原子力顯微鏡(AFM),評價進行前 處理後之均方根粗度(RMS)。 圖3為使用原子力顯微鏡,表示GaN基板表面之10 μιηχ 1 0 μιη之均方根粗度之圖。圖3Α為未進行前處理之GaN基 板(素基板:比較例);圖3B為以1025°C進行前處理之GaN 基板(本發明例);圖3C為與過去相同,以與成膜溫度相同 之基板溫度進行前處理之GaN基板(比較例)之結果圖。此外 ,於表1表示上述試料中2 μιηχ2 μιη及10 μιηχΙΟ μιη之範圍 之 RMS 〇 表1 RMS(均方根粗度) 條件 掃描範圍 無前處理 1150°C 10 分鐘 1025°C 10 分鐘 2 μιηχ2 μιη 1.3 nm 25.6 nm 0.6 nm 1 0 μπιχ 1 0 μιη 2.0 nm 23.6 nm 1.5 nm O:\9l\91381.DOC4 -15- 200423509 依據圖3及表1,以與成膜溫度之1150°C相同之基板溫度 進行雨·處理之試料,RMS成為2〇 nm以上,相較於未進行前 處理之素基板,表面粗度將大幅變大而劣化。圖冗之2軸之 1格大小因為圖3A、圖38之1〇倍,雖稍難看出如上述之極 大差異,但差異係極為明顯。 另一方面,以較成膜溫度為低之基板溫度進行前處理之 試料(本發明例)中,2 μιηχ2 μηΐ2ΚΜ8成為〇·6 ,較素基 板之1·3 nm大大為佳。1〇 μηιχ1〇 μπι之RMSg丨5nm,較素 基板之2·0 nm為佳,較比較例之RMS223 6 nm為十分之一 以下之值。 如上述,藉由於較成膜溫度115{rc為低之基板溫度進行 前處理,可不損及GaN基板之平坦性而進行清潔。如上述 ,於以基板溫度1025°C進行前處理之GaN基板形成磊晶膜 時,可得到RMS為0.5 nm以下之原子階差狀表面。 圖4為表示使用微分干涉顯微鏡依階段觀察本發明例之 試料表面之結果圖。圖4A為以微分干涉顯微鏡觀察對應上 述圖3B之前處理後之GaN基板之照片;圖化為藉由上述成 膜條件於其上蠢晶成長厚度0.5 μχη之GaN膜時之照片;圖 4C為蠢晶成長厚度2 μιη之GaN膜後之照片。此外,圖5為表 不同樣使用微分干涉顯微鏡依階段觀察對應圖3C之比較例 之試料表面之結果圖。圖5A為以微分干涉顯微鏡觀察對應 上述圖3C之前處理後之GaN基板之照片;圖5B為藉由上述 成膜條件於其上磊晶成長厚度〇· 5 μιη之GaN膜時之照片;圖 5C為磊晶成長厚度2 μχη之GaN膜後之照片。 O:\91\91381.D0C4 -16- 200423509 比車乂圖4與圖5可得知,依據微分干涉顯微鏡可明確發現 處理彳交之GaN基板表面粗度之差異,表示本發明例之圖 4A之表面較表示比較例之圖5A之表面,其粗度較小。 此外,比較於前處理後之GaN基板上GaN膜成膜〇·5 μηα之 恰點,本發明例之圖4Β中雖形成連續之GaN膜,但比較例 之圖5B中未形成連續之膜,而成為3次元成長之膜。 進一步,比較於前處理後之GaN基板上GaN膜成膜2·〇 μχη 之日守點,本發明例之圖4C中雖形成平坦之GaN膜,但比較 例之圖5C中得知產生上述3次元成長之不連續膜合體而成 之6角丘狀突起。亦即,比較例中,形成平坦性及結晶性均 較差之GaN膜。 圖6及圖7為表示將對應圖4C及圖5C之以厚度2 μιη成膜 之GaN膜之表面凹凸,使用觸針式表面形狀測定器測定之 結果圖。於比較例之圖7之凹凸資料中,以10〇 μηι〜15〇 μιη 之間距’發現有高度50 nm〜1 50 nm之凹凸。其係相當於微 分干涉顯微鏡照片之圖5C所發現之6角丘狀突起之凹凸。於 本發明例之圖6中,因在以l〇25°C進行前處理後進行成膜處 理,未發現有大的凹凸。 關於發明之實施形態及實施例之其他 1 ·實施形態及實施例中,雖僅說明關於GaN基板與於其上 形成之GaN膜之例,惟本發明之範圍最廣並非限定於GaN 系半導體元件。即使為其他氮化物系半導體裝置亦可。 2·本發明之半導體裝置中之半導體基板等凹凸之範圍, 亦包含實施形態之說明,以即使於其上形成其他薄膜時該 O:\9l\91381.DOC4 -17- 200423509 凹凸亦無較大變化為前提’係基於在其上形成薄膜前之凹 凸。惟製作半導體裝置後,實際之上述表面之凹凸範圍, 係與測疋方法’特別為藉由蝕刻使上述表面之凹凸露出時 ’與姓刻方法大大相關。此外,亦與上述凹凸之測定裝置 之:度有關。關於本發明之半導體裝置中各部分表面:凹 凸軌圍之決定’應以最佳之測定方法及最佳之測定裝置所 決定。 上述中雖進行關於本發明實施形態之說明,惟上述所揭 丁之本毛明只轭形悲僅為例示,本發明之範圍並非限定於 β寺發明之實施形態。本發明之範圍為依中請專利範圍之 =載所示’進-步包含於與中請專利範圍之記載所均等之 意義及範圍内之全部變更。 產業上之利用可能性 藉由使用本發明之氮化物系半導體裝置及其製造方法, 可得到包含平坦性與結晶性佳之磊晶膜之氮化物系半導體 裝置。 【圖式簡單說明】 圖1為表示本發明實施形態之氮化物半導體裝置之藍色 LED之剖面圖。 圖2為表示本發明實施形態之氮化物半導體裝置之製造 方法之圖。 圖3為表示GaN基板表面之10 μιηχΙΟ μιη之表面形狀之圖 為未進行剷處理之素基板;Β為以1 〇 2 5。(3進行前處理之 GaN基板;C為以1150°C進行前處理之GaN基板之表面形狀 O:\91\9l381.DOC4 -18- 200423509 表示圖。 圖4為表示以微分干涉顯微鏡觀察本發明例之半導體裝 置之各製造階段表面之圖;A為以1〇25t進行前處理之後,· B為於A上成膜厚度〇·5 pm2GaN膜時;c為於a上成膜厚度 2μπι之GaN膜時之照片。 圖5為表不以微分干涉顯微鏡觀察比較例之半導體裝置
之各製造階段表面之圖;A為以U5(rc進行前處理之後;B 為於A上成臈厚度μπι之GaN膜時;C為於A上成膜厚度2 μπι之GaN膜時之照片。 圖6為表示將對應圖化之以厚度2 μιη成膜之膜之表 面凹凸、’使用觸針式表面形狀測定器測定之結果圖。 圖7為表示將對應圖5C之以厚度2 μιη成膜之GaN膜之表 凹凸使用觸針式表面形狀測定器測定之結果圖。 【圖式代表符號說明】 1 GaN基板 2 η型緩衝層 3 η型接地層 4 活性層 5 Ρ型接地層 6 Ρ型接觸層 7 Ρ型電極 8 从 接點電極 9 ΛΙ _ η型電極 O:\91\9I381.1 -19-
Claims (1)
- 200423509 拾、申請專利範圍: 1. 一種氮化物系半導體裝置之製造方法,其係形成於包含 和氮形成化合物之3B族元素與氮之化合物之半導體基板 者,且包含以下工序: 將前述半導體基板加熱至成膜溫度,供給同時包含前 述3B族元素之原料氣體及氮之原料氣體之成膜氣體,於 該半導體基板上磊晶成長包含前述3B族元素與氮之化合 物之薄膜之工序;及 於前述磊晶成長工序前,將前述半導體基板加熱至小 於前述成膜溫度之前處理溫度,將前述半導體基板表面 清淨化之工序。 2·如申請專利範圍第1項之氮化物系半導體裝置之製造方 法,其中前述半導體基板之清淨化工序中,供給較前述 磊晶成長工序之成膜氣體減少前述3B族元素之原料氣體 比例之前處理用氣體。 3. 如申請專利範圍第2項之氮化物系半導體裝置之製造方 法,其中前述前處理用氣體不包含前述3B族元素之原料 氣體。 4. 一種半導體裝置,其包含: 半導體基板,其係由包含和氮形成化合物之3B族元素 與氮之化合物形成者;及 磊晶半導體膜,其係形成於前述半導體基板上,包含 前述3B族元素與氮;並且 前述半導體基板之表面粗度以均方根粗度(RMS)表示 O:\91\91381 DOC5 為15 nm以下。 I =::專利範圍第4項之半導體裝置,其中前述半導體基 之句方根粗度為5 nm以下。 +申月專利乾圍第4或5項之半導體裝置,其中前述蠢晶 膜之十點平均粗度(Rz)為15 nm以下。 7·如申請專利範圍第6項之半導體裝置,其中匕為7.5讀以 下。 8·如申請專利範圍第4或5項之半導體裝置,其中前述磊晶 膜之表面部不具有以1〇〇 pm〜150 μιη之間距產生之高度 50 nm〜150 nm之凹凸。 0\91\91381.DOC5
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