TWI601616B - 用於電漿處理設備之脆性元件的靭性模式鑽孔方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於電漿處理設備的加工元件,且更具體而言,係關於一種在電漿處理設備之元件中以靭性模式鑽孔的方法。
在半導體材料處理的領域中,例如,包括真空處理腔室的半導體材料處理設備係用於執行各種處理,例如在基板上之各種材料的沉積與蝕刻、及抗蝕劑剝除。隨著半導體技術的發展,電晶體尺寸的微縮在晶圓製程與處理設備中需要極高的精確度、可重複性、及潔淨度。存在用於半導體處理的各種類型的設備,其包括包含電漿之使用的應用,電漿之使用例如為電漿蝕刻、反應離子蝕刻、電漿輔助化學氣相沉積(plasma-enhanced chemical vapor deposition,PECVD)、及抗蝕劑剝除。這些製程所需之設備的類型包含設置於電漿腔室內且必須在該環境中運作的元件。在電漿腔室內的環境可包括對電漿之曝露、對蝕刻劑氣體之曝露、以及熱循環。用於此種元件的材料必須適應於承受此腔室中的環境條件,而對於多晶圓的處理亦然,多晶圓的處理可包括每晶圓多處理步驟。為了成本效益考量,此種元件常須承受數百或數千次晶圓循環,同時保持其功能與潔淨度。即使在微粒不多且並未大於幾十奈米時,通常對於會產生這些微粒之元件的容忍度仍極低。對於被選擇用在電漿處理腔室內的元件而言,以最具成本效益的方式滿足這些要求亦屬必要。
為了此目的,會使脆性元件(其例如形成噴淋頭電極)受到例如鑽孔作業的機械加工作業,以形成由此穿過的製程氣體輸送
孔洞。然而,在脆性元件中之孔洞的鑽孔作業可能會導致在脆性元件之表面中的微小、幾乎不可見的微裂縫。這些微裂縫或次表面損傷會導致由於脆性材料之破裂所造成的微粒污染。
本文中所揭露者係一種藉由切削工具在電漿處理設備之元件中以靭性模式鑽孔的方法,其中,此元件係由非金屬硬且脆材料所製成。該方法包含以下步驟:在碎屑形成期間,藉由在鑽孔時控制切削深度從而使此非金屬硬且脆材料之一部分經受高壓相變化並形成非金屬硬且脆材料之非結晶部分而於此元件中鑽出各孔洞。接著,將此非金屬硬且脆材料之非結晶部分由各孔洞移除,俾使形成於此元件中的各孔洞之孔壁具有約0.2至0.8μm的初鑽孔(as drilled)表面粗糙度(Ra)。
10‧‧‧(電漿)處理腔室
12‧‧‧基板支撐物
14‧‧‧支撐面
16‧‧‧基板
18‧‧‧真空泵
20‧‧‧排氣口
22‧‧‧氣體來源
24‧‧‧氣體分配構件
26‧‧‧平面天線
31‧‧‧高密度電漿
32‧‧‧介電質窗
40‧‧‧圓柱本體
42‧‧‧平行平面表面
43‧‧‧凸緣
44‧‧‧側表面
45‧‧‧中央孔
46‧‧‧貫穿通道
47‧‧‧(氣體通行)孔洞
48、51‧‧‧O型環槽
50‧‧‧氣體注入器
100‧‧‧噴淋頭(電極)組件
101‧‧‧熱控板
102‧‧‧(碳化矽)背襯構件
103‧‧‧(矽)頂部電極
104‧‧‧氣體通行孔洞
105‧‧‧內電極(構件)
107‧‧‧外電極(構件)
111‧‧‧頂板
112‧‧‧熱扼流器
113‧‧‧氣體通行孔洞
160‧‧‧基板支撐物
162‧‧‧半導體基板
200‧‧‧元件
201‧‧‧主體層
202‧‧‧彈性變形層
203‧‧‧差排
204‧‧‧堆積缺陷
205‧‧‧微裂縫
206‧‧‧上表面
圖1係顯示半導體電漿處理設備之噴淋頭電極組件的一實施例。
圖2係顯示半導體電漿處理設備的一替代實施例。
圖3A、3B係顯示可包含依據本文中所揭露之靭性模式鑽孔方法所形成之孔洞的介電質窗及氣體注入器。
圖4係顯示非金屬硬且脆材料之元件的次表面損傷模型。
圖5係顯示將切削深度與在單晶矽噴淋頭電極中經靭性模式鑽出的孔洞之孔壁的損傷深度相比較的圖。
本文中所揭露者係一種在電漿處理設備之元件中以靭性模式鑽孔的方法,其中,此元件係由非金屬硬且脆材料所製成,且此元件包含例如為氣體注入孔的孔洞。如本文中所使用,硬且脆材料係指適合用作半導體處理腔室中之元件的陶瓷、含矽(含單或多晶
矽)、或石英材料,且更具體而言,係指包含石英、矽、碳化矽、氮化矽、氧化鋁、氮化鋁、碳化硼、氧化釔、氧化鋯、金剛石、或類似物的材料。在正常條件下,半導體及陶瓷材料係硬且脆,且不容易發生塑性變形。適合用於電漿處理設備中的元件係由像是矽及碳化矽、及石英材料的陶瓷材料所形成,並可以包括噴淋頭電極、氣體分配構件、及氣體注入器。
為了實現這些硬且脆材料的塑性變形(即,靭性模式),此元件之表面的一部分較佳係受到高壓相變化。靭性模式鑽孔能夠藉由控制切削深度、進給速率、鑿距離、鑽孔速度、及施加於此元件之一部分的壓力來利用小尺寸規模的靭性塑性反應,俾使此元件之硬且脆材料的一部分經受高壓相變化;使此非金屬硬且脆材料之非結晶部分形成,俾使此非金屬硬且脆材料的經塑性變形(非結晶)部分可被移除。非金屬硬且脆材料之經塑性變形部分的移除會在此元件中形成各孔洞,其中,此元件較佳係包含用於將製程氣體輸送至電漿處理設備之處理區域中的多個孔洞。
較佳地,此元件的各孔洞之孔壁的初鑽孔(as drilled)表面粗糙度為約0.2至0.8μm的粗糙度,且更佳地,各孔洞之孔壁的初鑽孔表面粗糙度係介於約0.4至0.6μm之間。如本文中所使用,術語「約(about”)」係指±10%。如本文中所使用,術語「表面粗糙度(“surface roughness”)」係以表面粗糙度量測的算術平均值(Ra)來表示。較佳地,在電漿處理設備之元件中以靭性模式鑽孔的方法的實施例將使次表面損傷最小化,亦即,在鑽孔後,形式為微裂縫的次表面損傷應會減少,且延伸至脆性元件中的微裂縫較佳應小於約20μm,更佳係小於約10μm,而最佳係小於約5μm。理想的情況是,在鑽孔後此表面幾乎完全沒有破裂。
圖1係顯示平行板電容耦合式電漿腔室(真空腔室)之噴淋頭組件100的一半,其包含頂部電極103、以及固定於頂部電極103的可選的背襯構件102、熱控板101、及頂板111,頂部電極103由非金屬硬且脆材料所形成且包含用以輸送製程氣體的氣體通行孔洞104於其中。此可選的背襯構件102可以由非金屬硬且脆材料所形成,其中,
此可選的背襯構件102具有與頂部電極中的孔洞104對齊的氣體通行孔洞113,其用於經此輸送製程氣體。熱扼流器112可設置在熱控板101的上表面上。頂部電極103係位於支撐半導體基板162(例如,半導體基板)的基板支撐物160上方。
頂板111可形成電漿處理設備(例如電漿蝕刻腔室)的可卸除頂壁。如圖所示,頂部電極103可包含內電極構件105,及可選的外電極構件107。內電極構件105一般係由單晶矽所製成。若有需要,內電極及外電極105、107可由單一塊材料所製成,此單一塊材料例如為CVD碳化矽、單晶矽、或其它適合的材料。
單晶矽為用於內電極構件105及外電極構件107之電漿曝露表面的較佳材料。高純度、單晶矽可使電漿處理期間基板的污染減到最低,因其僅會引入極小量的不想要的元素到反應腔室中,且在電漿處理期間亦保持平滑,藉此使微粒減到最少。
噴淋頭電極組件100包含用於在其中輸送製程氣體的孔洞,且可以被調整大小以供處理大型基板,此大型基板例如為具有300mm之直徑的半導體晶圓。對於300mm的晶圓,頂部電極103的直徑至少為300mm。然而,可調整此噴淋頭電極組件的大小以處理其他晶圓尺寸或具有非圓形構造的基板。
圖2係電漿處理腔室10之替代實施例的橫剖面圖,其中,此電漿處理腔室10係被感應耦合。感應耦合式電漿(inductively coupled plasma,ICP)電漿處理腔室的一範例為由在Fremont,California的Lam Research公司所製造的TCP®蝕刻或沉積系統。此ICP電漿處理腔室亦被描述,例如,在共同受讓的美國專利第6,805,952號中,其藉由參照其整體內容而併入於此。處理腔室10包含具有支撐面14的基板支撐物12。此支撐面14適合支撐基板16。真空泵18係連接於排氣口20,以使處理腔室10的內部維持於一低壓(例如,介於約1mTorr至約50mTorr之間)。氣體來源22經由製程氣體孔洞將製程氣體供應至處理腔室10的內部,此製程氣體孔洞係包含於氣體分配構件、噴淋頭配列、或氣體注入器中,其中,氣體分配構件、噴淋頭配列、或氣體注入器係由非金屬硬且脆材料所形成。舉例來說,可以經由氣體分配構件24
中的孔洞(圖未示)將製程氣體導入至相鄰於基板16的區域。
介電質窗32位於平面天線26下方,並形成電漿處理腔室10的頂壁。氣體分配構件24係設置於介電質窗32下方。高密度電漿31係在氣體分配構件24與基板16之間的區域中產生,並用於基板16的蝕刻或沉積其中一者。較佳地,介電質窗32係由諸如石英、氧化鋁、氮化鋁、或氮化矽的硬且脆材料所形成。在一替代實施例中,介電質窗32具有穿過其而延伸的貫穿通道,其中,可插入氣體注入器並供應製程氣體至相鄰於基板16的區域。
圖3A顯示了範例性的介電質窗32,其包括被配置來支撐氣體注入器50的平行平面表面42、側表面44、及貫穿通道46。介電質窗可以由石英所製成,其中,此石英可經過最終加工處理。介電質窗的示例性最終加工處理可以在共同受讓的美國專利第7,250,114號中找到,其在此係藉由參照其整體內容而併入於本文中。或者,此介電質窗可由陶瓷材料所形成。較佳地,氣體注入器50延伸穿過貫穿通道46。如圖3B之橫剖面圖中所示,氣體注入器50包含:在其上端具有凸緣43的圓柱本體40、延伸穿過上軸端的中央孔45、在該孔與下軸端之外表面之間延伸的多個氣體孔洞47、及O型環槽48、51。氣體注入器可以由諸如陶瓷或石英材料的介電質材料所製成,其中,氣體注入器50包括用於經此輸送製程氣體的孔洞47。氣體注入器的範例係揭露於美國專利第8,025,731號及第7,785,417號中,其藉由參照方式併入於本文中。
在電漿處理設備中的硬且脆元件較佳應包含氣體通行孔洞於其中,此硬且脆元件例如為噴淋頭組件100(參見圖1)中的碳化矽背襯構件102及矽頂部電極103、設置於介電質窗32下方的氣體分配構件24(參見圖2)、及介電質窗32的氣體注入器50(參見圖3A及圖3B)。在頂部電極103中的氣體通行孔洞104、在碳化矽背襯構件102中的氣體通行孔洞113、以及在氣體注入器50中的氣體通行孔洞47可以依據本文中所揭露的靭性模式鑽孔之方法來形成。此外,在氣體分配構件24(參照圖2)中的氣體通行孔洞(圖未示)可依據本文中所揭露的靭性模式鑽孔之方法來形成。較佳地,在此元件中的孔洞具有約0.2至15mm的直徑,且更佳地,係具有約0.2至0.7mm的直徑,例如約0.64
mm、約0.5mm、或約0.43mm的直徑。
本文中所揭露之靭性模式鑽孔的方法可用於在電漿處理設備之任一元件上形成孔洞或孔隙,其中,此元件係由非金屬硬且脆材料所製成。此方法包含:藉由控制切削深度從而在切屑成形(chip formation)期間,使此非金屬硬且脆材料的一部分經受高壓相變化並形成非金屬硬且脆材料的非結晶部分,而在此元件中鑽出孔洞。此方法更包含將非金屬硬且脆材料之經塑性變形部分移除,俾使孔洞形成於此元件中。較佳地,各孔洞之孔壁的初鑽孔表面粗糙度為約0.2至0.8μm的表面粗糙度,且更佳地,各孔洞之孔壁的初鑽孔表面粗糙度係介於約0.4至0.6μm之間。較佳地,當非金屬硬且脆材料之元件的經靭性模式鑽出之孔洞形成時,應具有小於約20μm的延伸至此元件之表面中的次表面損傷,且更佳係延伸小於約10μm,且最佳係延伸小於約5μm。
較佳地,在靭性模式鑽孔處理的期間,非金屬硬且脆材料在鑽孔過程中係經受高壓相變化,俾以在鑽孔過程中減少此材料的脆性破裂。在極高壓力的情況下,如發生在介於鑽頭與元件材料間之接觸介面者,半導體、石英、及陶瓷材料係由共價鍵及/或離子鍵結合結構轉變為經高壓相變化的金屬結構。舉例來說,吾人發現到,相較於在正常或低壓力條件下的矽的結構,本文中所揭露之靭性模式鑽孔方法中所發現的高壓相變化會將矽轉變為β-Sn晶體結構。被提供來形成經高壓相變化之材料的壓力必須夠大以克服材料之硬度。較佳地,此靭性模式鑽孔係以例如為金剛石鑽頭的切削工具來執行。
圖4顯示了非金屬硬且脆材料(例如矽)之元件200的次表面損傷模型。如圖所示,元件200係已經過高壓相變化,其中,彈性變形層202係形成於主體層201之上。在彈性變形層202上方者係包含次表面損傷的元件之一部分。次表面損傷可以包括:差排203,其中結晶缺陷或不規則部分可形成於所述元件200中;及堆積缺陷204,其中結晶材料的堆積缺陷序列被中斷。微裂縫205可能會形成,並可能由元件200之上表面206延伸至彈性變形層202,且有可能由此穿過。較佳地,位於彈性變形層202上方的次表面損傷延伸小於約10μm,且更佳係小於約5μm。
較佳係執行靭性模式鑽孔,俾以在非金屬硬且脆材料中形成具有約0.2至15mm(例如約0.64mm、約0.5mm、或約0.43mm)之直徑的孔洞。舉例來說,為了減少具有約0.4至0.8mm之直徑的孔洞的次表面損傷之深度,靭性模式鑽孔較佳係以每分鐘約20,000至60,000轉的鑽孔速度來進行,更佳係在每分鐘約35,000至55,000轉的情況下來進行,且最佳係在每分鐘約40,000至50,000轉的情況下來進行。靭性模式鑽孔較佳係具有每分鐘約0.5至1.5英吋的進給速率,及約0.001至0.004英吋的鑿深度,其中,切削深度係小於每轉約450奈米。切削深度大於每轉450奈米可能會導致在脆性模式下的鑽孔,其中,次表面損傷發生的可能性更大。更佳地,切削深度係每轉約200至400奈米。此外,在靭性模式鑽孔的期間,可供應去離子水至鑽頭部位以降低污染。
較佳地,在此元件的孔洞已被鑽出後,可以酸性溶液清潔此元件,此酸性溶液例如為混合酸蝕刻溶液(mixed acid etch solution,MAE)。舉例來說,用於蝕刻矽的酸混合物可以由氫氟酸(HF)及硝酸(HNO3)所組成,其係以醋酸(CH3COOH或HC2H3O2)、水、或其他添加劑加以稀釋。如由B.Schwartz與H.Robbins在J.Electrochem.Soc.,Vol.123,No.12(1976年12月),第1903-1909頁所發表的「Chemical Etching of Silicon」一文(參見其中之圖8及圖9)中所得知,酸混合物的成分會決定蝕刻速率,且亦會決定經蝕刻表面的拓撲結構或輪廓的圖案,其乃若蝕刻係為在具有遮罩的情況下進行時所產生。此外,用於清潔矽電極(例如噴淋頭電極)的酸性溶液及方法之示例性實施例亦能夠在共同受讓的美國專利第7,507,670號中找到,其在此係藉由參照其整體內容而併入於本文中。
圖5顯示了切削深度的影響,其對於控制在矽噴淋頭電極中的經靭性模式鑽出之氣體通行孔洞的損傷深度係一額外要素。較佳地,切削深度係每轉約200至450奈米,以使次表面損傷減到最小。大於每轉450奈米的切削深度可能會導致在脆性模式下的鑽孔,其中,次表面損傷發生的可能性更大。更佳地,切削深度係每轉約200至400奈米,以使次表面損傷減到最小。小於每轉約200奈米的切削深度可能會導致零星的次表面損傷,而產生缺乏可重複性的結果。
在非金屬硬且脆材料之元件中的孔洞之靭性模式鑽孔期間,碎屑可能會積聚在切削工具(鑽頭)上,而導致較大的轉矩、減少的工具壽命,及降低的製程一致性。因此,當以此鑽頭鑽多於一個孔洞時,可能需要藉由在鑽孔作業之間間歇地將切削工具浸入超音波流體中來使此工具接受週期性的超音波清潔。較佳地,係在一定數量的孔洞被鑽出後使此切削工具接受超音波清潔,且更佳地,係在鑽出每一孔洞後使切削工具接受超音波清潔。儘管不欲為理論所束縛,但當此切削工具接觸到超音波清潔流體的瞬間,高達99%的積聚在此切削工具上的碎屑可被移除。此外,在以靭性模式鑽出預定數量之元件中的孔洞後,可對此切削工具進行全面清潔。較佳地,係在以靭性模式鑽出每一元件中的孔洞後,使此切削工具接受全面清潔。全面清潔處理包括下列步驟:移除鑽頭、以苛性鹼皂清潔鑽頭、及置回鑽頭。
本文中所進一步揭露者係包含更換電漿處理設備之元件的方法。此方法包含下列步驟:當使用過元件被腐蝕時,將此使用過元件(例如噴淋頭電極)由電漿處理設備移除;及以依據本文中所揭露之方法形成的元件來替換此使用過元件。
此外,本文中所揭露者係在電漿處理設備中蝕刻半導體基板的方法。此方法包含下列步驟:在電漿處理設備之電漿腔室中安裝依據本文中所揭露之方法之實施例所形成的元件;及在電漿腔室中對至少一半導體基板進行電漿蝕刻。
那些在本技術領域中具有通常知識者應當理解到,本發明可在不脫離本發明之精神或基本特徵的情況下,以其他具體形式加以實施。因此,當前所揭露之實施例在各方面均被認為係說明性而非限制性者。本發明之範圍由係由所附之申請專利範圍所限定,而非由上述說明所限制,且落入申請專利範圍之涵義及均等範圍內的所有變化均應包含於本發明中。
100‧‧‧噴淋頭(電極)組件
101‧‧‧熱控板
102‧‧‧(碳化矽)背襯構件
103‧‧‧(矽)頂部電極
104‧‧‧氣體通行孔洞
105‧‧‧內電極構件
107‧‧‧外電極構件
111‧‧‧頂板
112‧‧‧熱扼流器
113‧‧‧氣體通行孔洞
160‧‧‧基板支撐物
162‧‧‧半導體基板
Claims (19)
- 一種藉由切削工具在電漿處理設備之元件中以靭性模式鑽孔的方法,其中該元件係由一非金屬硬且脆材料所製成,該方法包含下列步驟:藉由在鑽孔時控制切削深度,從而在切屑成形期間使該非金屬硬且脆材料之一部分經受高壓相變化並形成該非金屬硬且脆材料之非結晶部分,以在該元件中鑽出各孔洞;及將該非金屬硬且脆材料之非結晶部分由各孔洞移除,俾使形成於該元件中的各孔洞之孔壁具有約0.2至0.8μm的初鑽孔(as drilled)表面粗糙度(Ra),其中,該元件為矽或碳化矽噴淋頭電極。
- 如申請專利範圍第1項所述之藉由切削工具在電漿處理設備之元件中以靭性模式鑽孔的方法,更包含以下步驟:在對該非金屬硬且脆材料之元件進行靭性模式鑽孔時,於該元件中鑽新孔之前,使該切削工具接受間歇式超音波清潔。
- 如申請專利範圍第1項所述之藉由切削工具在電漿處理設備之元件中以靭性模式鑽孔的方法,其中,該非金屬硬且脆材料為矽。
- 如申請專利範圍第1項所述之藉由切削工具在電漿處理設備之元件中以靭性模式鑽孔的方法,其中,該靭性模式鑽孔係以下列條件來進行:每分鐘約20,000至60,000轉的鑽孔速度、每分鐘約0.5至1.5英吋的進給速率、約0.001至0.004英吋的鑿深度、及小於每轉約450奈米的切削深度。
- 如申請專利範圍第4項所述之藉由切削工具在電漿處理設備之元件中以靭性模式鑽孔的方法,其中,該切削深度為每轉約200至400奈米。
- 如申請專利範圍第4項所述之藉由切削工具在電漿處理設備之元件中以靭性模式鑽孔的方法,其中,該靭性模式鑽孔係以每分鐘約35,000至55,000轉的鑽孔速度來進行。
- 如申請專利範圍第1項所述之藉由切削工具在電漿處理設備之元件中以靭性模式鑽孔的方法,更包含以下步驟:以一酸性溶液清潔 具有以靭性模式鑽出之孔洞的元件。
- 如申請專利範圍第2項所述之藉由切削工具在電漿處理設備之元件中以靭性模式鑽孔的方法,其中,該切削工具係在鑽出每一孔洞後接受超音波清潔。
- 如申請專利範圍第2項所述之藉由切削工具在電漿處理設備之元件中以靭性模式鑽孔的方法,其中,該切削工具係在對每一元件進行靭性模式鑽孔後,接受一全面清潔處理,該全面清潔處理包括下列步驟:移除該切削工具、以一苛性鹼皂清潔該切削工具、及置回該切削工具。
- 如申請專利範圍第1項所述之藉由切削工具在電漿處理設備之元件中以靭性模式鑽孔的方法,其中(a)各孔洞具有約0.2至15mm的直徑;或(b)各孔洞具有約0.2至0.7mm的直徑。
- 如申請專利範圍第1項所述之藉由切削工具在電漿處理設備之元件中以靭性模式鑽孔的方法,其中,各孔洞具有約5至15mm的深度。
- 如申請專利範圍第1項所述之藉由切削工具在電漿處理設備之元件中以靭性模式鑽孔的方法,其中,該元件為一電漿蝕刻腔室之噴淋頭電極。
- 如申請專利範圍第1項所述之藉由切削工具在電漿處理設備之元件中以靭性模式鑽孔的方法,其中,該切削工具為金剛石鑽頭。
- 如申請專利範圍第1項所述之藉由切削工具在電漿處理設備之元件中以靭性模式鑽孔的方法,其中(a)各孔洞之次表面損傷延伸至該孔洞之孔壁中的長度係小於約20μm;(b)各孔洞之次表面損傷延伸至該孔洞之孔壁中的長度係小於約10μm;(c)各孔洞之次表面損傷延伸至該孔洞之孔壁中的長度係小於約5μm。
- 如申請專利範圍第1項所述之藉由切削工具在電漿處理設備之元件中以靭性模式鑽孔的方法,其中,各孔洞之孔壁的初鑽孔表面粗糙度係介於約0.4至0.6μm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之藉由切削工具在電漿處理設備之元件中以靭性模式鑽孔的方法,其中,在靭性模式鑽孔期間將去離 子水供應至該孔洞。
- 一種更換電漿處理設備之噴淋頭電極的方法,包含下列步驟:當一使用過之噴淋頭電極被腐蝕時,將該使用過之噴淋頭電極由該電漿處理設備移除;及以由申請專利範圍第1項之方法所製成的噴淋頭電極來替換該使用過之噴淋頭電極。
- 一種在電漿蝕刻腔室中安裝噴淋頭電極的方法,包含以下步驟:在電漿蝕刻腔室中安裝由申請專利範圍第1項之方法所製成的噴淋頭電極。
- 一種在電漿處理設備中蝕刻半導體基板的方法,包含下列步驟:在電漿處理設備的電漿腔室中安裝依據申請專利範圍第1項之方法所製成的噴淋頭電極;及在該電漿腔室中對至少一半導體基板進行電漿蝕刻。
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