CN108376648A - 一种柔性金属衬底及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于制作柔性薄膜晶体管或柔性薄膜二极管的柔性金属衬底及其制备方法和应用，该柔性金属衬底附着在母体上，通过原子力显微镜在10×10μm的扫描范围下观察时，所述柔性金属衬底的均方根粗糙度<10nm。本发明采用金属作为衬底制备柔性薄膜晶体管或薄膜二极管，有效地解决了现有的有机柔性衬底不能承受高温处理的问题。结合高温热退火工艺，薄膜晶体管和二极管的电学性能和稳定性可以大幅提高。金属衬底的高热导率还可以将晶体管和二极管工作时散发的热量及时地传导出去，消除了热效应对器件的影响，进一步提高了其性能和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及柔性电子器件领域，尤其是一种柔性金属衬底及其制备方法和在薄膜晶体管和薄膜二极管中的应用。
背景技术
近年来，基于柔性衬底的柔性电子学材料和器件受到了广泛的关注，柔性显示、可穿戴设备、物联网、医疗电子设备以及国防装备等领域的相关研究均取得了飞速的发展。要实现柔性技术的实际应用，柔性的薄膜晶体管和薄膜二极管是两个不可或缺的关键电子器件。柔性薄膜晶体管是柔性电子器件的重要组成部分，其中以InGaZnO为代表的氧化锌基薄膜晶体管在柔性显示市场占据着越来越重要的地位；另一方面，中国专利No.201710718914.5公开了一种柔性场效应二极管，该二极管可耐受高压，具有高整流比，填补了柔性高压器件领域的空白。然而，目前二者在商业化进程中仍存在许多亟待解决的问题，其中以器件性能对高温处理的依赖以及器件自发热导致的性能退化最为关键。
以氧化锌为例，其制备方法主要有溶液法和真空沉积法两大类。溶液法主要包括溶胶凝胶法和喷雾热解法等，所制备的氧化锌薄膜需要高温后处理(通常高于300℃)来稠化和移除杂质。真空沉积法制备的氧化锌薄膜晶体管的性能对氧含量非常敏感，生长窗口非常狭窄，因此需要热退火来调控氧化锌中的氧含量。特别地，高温退火能显著提高氧化锌基薄膜晶体管的稳定性。然而，目前的柔性衬底以有机聚合物为主，如聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)。它们柔韧性好、可操作性强，但是对水和氧的气密性差，与无机材料间的粘着力小，影响了器件的性能和稳定性。最为关键的是，它们的玻璃化温度低，难以承受较高的温度，因而无法进行所需的高温后处理过程，难以获得优异的性能和良好的稳定性。
另一方面，薄膜晶体管、二极管在工作时会产生焦耳热和热载流子效应，在有源层附近会产生大量的热量。一般的有机柔性衬底热导率很小，如PI衬底的热导率为0.12W·m-1·K-1，难以及时地将工作时有源层所产生的热量传导出来，从而使得有源层附近的温度显著增加，器件的性能由于自发热而发生退化。
利用柔性金属作为器件的衬底可以有效解决上述问题。金属衬底能够很好地隔绝水和氧，可以承受高温处理。它的高热导率有助于实现快速散热，因而可以提高柔性电子器件的稳定性和使用寿命。但是，用于柔性电子器件的金属衬底一般表面非常粗糙，其均方根粗糙度在数百纳米以上。通过滚轧成型的金属箔还具有滚轧的痕迹。中国专利No.200910194558.7公开了一种不锈钢衬底的精密抛光方法，该方法使用化学机械抛光将不锈钢衬底的均方根粗糙度降至0.7nm。中国专利No.201110191555.5公开了一种用于柔性显示器件的基板及制备该基板的方法，该方法在金属基片上沉积无机材料层和有机材料层来实现表面平坦化。然而，精密抛光对于大尺寸的柔性电子器件而言过于昂贵。此外，使用有机聚合物作为平坦层来降低表面粗糙度也存在不能承受高温处理的问题，而无机材料作为平坦层需要较大的厚度，衬底弯曲时容易产生裂纹或剥离，会影响器件的柔性。
发明内容
因此，本发明的目的在于解决上述问题，提供一种用于制作柔性薄膜晶体管和薄膜二极管的柔性金属衬底，该衬底具有低表面粗糙度。
本发明的另一个目的是提供一种制作柔性薄膜晶体管和薄膜二极管的方法，使用成本低廉的简单工艺制作表面粗糙度低的柔性金属衬底，在该衬底上制作薄膜晶体管和薄膜二极管可以承受高温处理，降低热效应的影响，从而能够制作出高性能的柔性薄膜晶体管和薄膜二极管。
本发明的又一个目的是提供一种基于金属衬底的柔性薄膜晶体管。
本发明的再一个目的是提供一种基于金属衬底的柔性薄膜二极管。
根据本发明的第一个方面，提供了一种用于制作柔性薄膜晶体管或薄膜二极管的柔性金属衬底，该柔性金属衬底附着在母体上，其特征在于，通过原子力显微镜在10×10μm的扫描范围下观察时，所述柔性金属衬底的均方根粗糙度<10nm。
在本发明的一些实施方案中，所述柔性金属衬底的均方根粗糙度为0.5～9.9nm。优选地，所述柔性金属衬底的厚度为5～125μm。
根据本发明提供的柔性金属衬底，其中，所述柔性金属衬底的材料可以为Ag、Al、Au、Co、Cr、Cu、Fe、Ir、Mo、Ni、Pb、Pd、Pt、Rh、Ru、Sn、Ta、Ti、V、W、Zr和不锈钢(SUS)中的一种或多种，优选为Al、Cu、Fe和SUS中的一种或多种。
根据本发明提供的柔性金属衬底，其中，所述母体可由玻璃材料或无机晶体材料制成，其中，所述玻璃材料可以包括硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、熔融二氧化硅玻璃和石英玻璃中的一种或多种；所述无机晶体材料可以包括蓝宝石、ZnO晶体、TiO2晶体、YSZ晶体、SiC晶体、SrTiO3晶体、Si晶体、MgO晶体、LiTaO3晶体、MgAl2O4晶体、LiAlO2晶体和GaN晶体中的一种或多种。优选地，所述母体的厚度可以为10μm至1mm。
根据本发明的第二方面，还提供了所述柔性金属衬底的制备方法，该制备方法包括：在母体上沉积金属形成所述柔性金属衬底，优选地，沉积的方法为电子束蒸发沉积法、热蒸发沉积法、溅射沉积法、化学气相沉积法或电镀法。
根据本发明提供的制备方法，优选地，通过电子束蒸发沉积法、热蒸发沉积法或化学气相沉积法在母体上形成所述柔性金属衬底。
根据本发明的第三方面，还提供了一种柔性薄膜晶体管，所述柔性薄膜晶体管包括：柔性金属衬底、缓冲保护层、沟道层、栅绝缘层、栅电极、源电极、漏电极和钝化层，其中所述柔性金属衬底为本发明提供的柔性金属衬底或者按本发明方法制得的柔性金属衬底。
根据本发明提供的柔性薄膜晶体管，其中，所述柔性金属衬底上覆盖了缓冲保护层，其作用是将金属衬底与栅电极、源电极和漏电极绝缘。
根据本发明的第四方面，还提供了一种柔性薄膜二极管，所述柔性薄膜二极管包括：柔性金属衬底、缓冲保护层、沟道层、绝缘层、第一电极、第二电极、连接电极和钝化层，其中所述柔性金属衬底为本发明提供的柔性金属衬底或者按本发明方法制得的柔性金属衬底。
根据本发明提供的柔性薄膜二极管，其中，所述柔性金属衬底上覆盖了缓冲保护层，其作用是将金属衬底与第一电极、第二电极和连接电极绝缘。
根据本发明提供的柔性薄膜晶体管或柔性薄膜二极管，其中，所述缓冲保护层可以为无机绝缘材料或有机聚合物绝缘材料。例如，所述缓冲保护层的材料可以为氧化铝(Al2O3)、氧化铪(HfO2)、氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、氧化钛(TiO2)、氧化钇(Y2O3)、聚酰亚胺和聚四氟乙烯中的一种或多种。在本发明的一种具体实施方案中，所述缓冲保护层的材料可以为聚酰亚胺与聚四氟乙烯的混合物。优选地，所述缓冲保护层的厚度可以为100nm至1μm。
根据本发明的第五方面，还提供了一种制作柔性薄膜晶体管或柔性薄膜二极管的方法，所述方法包括以下步骤：在母体上沉积金属形成柔性金属衬底；在所述柔性金属衬底上沉积缓冲保护层；在所述缓冲保护层上制备薄膜晶体管或薄膜二极管；将所述金属衬底及其上的薄膜晶体管或薄膜二极管从所述母体上剥离，形成基于金属衬底的柔性薄膜晶体管或柔性薄膜二极管。
本发明采用金属作为衬底制备柔性薄膜晶体管或薄膜二极管，有效地解决了现有的有机柔性衬底不能承受高温处理的问题。结合高温热退火工艺，薄膜晶体管和二极管的电学性能和稳定性可以大幅提高。金属衬底的高热导率还可以将晶体管和二极管工作时散发的热量及时地传导出去，消除了热效应对器件的影响，进一步提高了其性能和稳定性。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1是本发明在金属衬底上制备薄膜晶体管或薄膜二极管的流程图。
图2是本发明实施例1的仿真模型示意图和模拟结果图。
图3是实施例1制备的薄膜晶体管的俯视示意图和剖面示意图。
图4是实施例1制备的薄膜晶体管在300℃退火前后的转移特性曲线。
图5是实施例2制备的薄膜晶体管的俯视示意图和剖面示意图。
图6是实施例3制备的薄膜晶体管的俯视示意图和剖面示意图。
图7是实施例4制备的薄膜晶体管的俯视示意图和剖面示意图。
图8是实施例5制备的薄膜晶体管的俯视示意图和剖面示意图。
图9是实施例6制备的薄膜晶体管的俯视示意图和剖面示意图。
图10是实施例7制备的薄膜二极管的俯视示意图和剖面示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
图1是根据本发明的一种示例性实施方案，在金属衬底上制备薄膜晶体管或薄膜二极管的流程图。如图1所示，步骤一：在石英玻璃母体101上沉积Cu金属衬底102；步骤二：在Cu金属衬底102上使用原子层沉积技术(ALD)沉积150nm厚的Al2O3缓冲保护层103；步骤三：在Al2O3缓冲保护层103上制作薄膜晶体管104；步骤四：将Cu金属衬底102、Al2O3缓冲保护层103及其上的薄膜晶体管104从母体分离，获得基于柔性金属衬底的薄膜晶体管。
图2是根据本发明的一种示例性实施方案的薄膜晶体管的仿真模型示意图和模拟结果图。将薄膜晶体管的发热简化为热源Q＝5×108W/m2，衬底的侧边缘温度设定为293.15K，所有边界都与空气发生热对流，空气的初始温度也为293.15K。比较了相同条件下Cu衬底和Si衬底的温度分布，得出采用Cu衬底薄膜晶体管的最高温度为323.56K，尚在一般器件可以正常工作的范围以内；而采用Si衬底则为382.12K，远大于一般器件的温度承受范围。
实施例1
本实施例制备了一种采用金属衬底的薄膜晶体管的器件结构，其结构类型为底栅交叠型。
图3是本实施例制备的采用金属衬底的薄膜晶体管200的俯视示意图图和剖面示意图。如图3所示，薄膜晶体管200从下到上依次包括金属Cu衬底201、Al2O3缓冲保护层202、Cr栅电极203、HfO2栅绝缘层204、ZnO沟道层205、铟锡氧(ITO)源电极和漏电极206、SiO2钝化层207。
该薄膜晶体管的制备方法如下：
在蓝宝石衬底上采用电子束蒸发沉积法制备5μm厚的金属Cu衬底201，其均方根粗糙度为0.5nm；在5μm厚的金属Cu衬底201上采用ALD制备100nm厚的Al2O3缓冲保护层202；采用磁控溅射技术制备100nm厚的Cr栅电极203；采用ALD制备50nm厚的HfO2栅绝缘层204；采用磁控溅射技术制备50nm厚的ZnO沟道层205，然后经过光刻和盐酸刻蚀，对沟道层205进行图形化处理；采用磁控溅射技术制备50nm厚的ITO源电极和漏电极206；采用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)制备100nm厚的SiO2钝化层207。
图4是本实施例制备的金属衬底的薄膜晶体管在300℃退火前后的转移特性曲线图。其中将漏极电压设置为1V，同时从-10V至20V对栅极电压进行扫描。可以看出，退火后器件的性能有了大幅提升。
实施例2
本实施例制备了一种采用金属衬底的薄膜晶体管的器件结构，其结构类型为底栅共面型。
图5是本实施例制备的采用金属衬底的薄膜晶体管300的俯视示意图图和剖面示意图。如图5所示，薄膜晶体管300从下到上依次包括金属Al衬底301、SiO2缓冲保护层302、Al栅电极303、Al2O3栅绝缘层304、Au源电极和漏电极305、IGZO沟道层306、Si3N4钝化层307。
该薄膜晶体管的制备方法如下：
在石英玻璃衬底上采用热蒸发沉积法制备10μm厚的金属Al衬底301，其均方根粗糙度为1.0nm；在10μm厚的金属Al衬底301上采用PECVD制备1μm厚的SiO2缓冲保护层302；采用磁控溅射技术制备80nm厚的Al栅电极303；采用ALD制备60nm厚的Al2O3栅绝缘层304；采用热蒸发技术制备50nm厚的Au源电极和漏电极305；采用磁控溅射技术制备30nm厚的IGZO沟道层306，然后经过光刻和盐酸刻蚀，对沟道层306进行图形化处理；采用PECVD制备150nm厚的Si3N4钝化层307。
采用与实施例1相同的方法对器件进行测试，得到类似的结果，即退火后性能有了大幅提升。
实施例3
本实施例制备了一种采用金属衬底的薄膜晶体管的器件结构，其结构类型为顶栅交叠型。
图6本实施例制备的采用金属衬底的薄膜晶体管400的俯视示意图图和剖面示意图。如图6所示，薄膜晶体管400从下到上依次包括SUS衬底401、Si3N4缓冲保护层402、Al源电极和漏电极403、ZnO沟道层404、氧化锆(ZrO2)栅绝缘层405、Mo栅电极406。
该薄膜晶体管的制备方法如下：
在Si衬底上采用溅射沉积法制备40μm厚的金属SUS衬底401，其均方根粗糙度为2.0nm；在40μm厚的SUS衬底401上采用PECVD制备250nm厚的Si3N4缓冲保护层402；采用磁控溅射技术制备90nm厚的Al源电极和漏电极403；采用磁控溅射技术制备40nm厚的ZnO沟道层404，然后经过光刻和盐酸刻蚀，对沟道层404进行图形化处理；采用磁控溅射技术制备50nm厚的ZrO2栅绝缘层405；采用电子束蒸发技术制备100nm厚的Mo栅电极406。
采用与实施例1相同的方法对器件进行测试，得到类似的结果，即退火后性能有了大幅提升。
实施例4
本实施例制备了一种采用金属衬底的薄膜晶体管的器件结构，其结构类型为顶栅共面型。
图7本实施例制备的采用金属衬底的薄膜晶体管500的俯视示意图图和剖面示意图。如图7所示，薄膜晶体管500从下到上依次包括金属Ag衬底501、TiO2缓冲保护层502、镁锌氧(MZO)沟道层503、Cu源电极和漏电极504、氧化钇(Y2O3)栅绝缘层505、Ni栅电极506。
该薄膜晶体管的制备方法如下：
在硅酸盐玻璃衬底上采用电镀法制备125μm厚的金属Ag衬底501，其均方根粗糙度为9.9nm；在125μm厚的Ag衬底501上采用磁控溅射技术制备200nm厚的TiO2缓冲保护层502；采用磁控溅射技术制备50nm厚的MZO沟道层503，然后经过光刻和盐酸刻蚀，对沟道层503进行图形化处理；采用热蒸发技术制备50nm厚的Cu源电极和漏电极504；采用磁控溅射技术制备50nm厚的Y2O3栅绝缘层505；采用磁控溅射技术制备100nm厚的Ni栅电极506。
采用与实施例1相同的方法对器件进行测试，得到类似的结果，即退火后性能有了大幅提升。
实施例5
本实施例制备了一种采用金属衬底的薄膜晶体管的器件结构，该器件结构与实施例1所述器件结构相似，其区别在于采用了圆形电极形状。
图8是本实施例制备的采用金属衬底的薄膜晶体管600的俯视示意图图和剖面示意图。如图8所示，薄膜晶体管600从下到上依次包括金属Pt衬底601、聚酰亚胺缓冲保护层602、Ti栅电极603、Al2O3栅绝缘层604、IGZO沟道层605、Pd源电极606和Pd漏电极607、SiO2钝化层608。
该薄膜晶体管的制备方法如下：
在MgO晶体衬底上采用溅射沉积法制备30μm厚的金属Pt衬底601，其均方根粗糙度为1.5nm；在30μm厚的金属Pt衬底601上采用旋涂方法制备700nm厚的聚酰亚胺缓冲保护层602；采用磁控溅射技术制备100nm厚的Ti栅电极603；采用ALD制备70nm厚的Al2O3栅绝缘层604；采用磁控溅射技术制备50nm厚的IGZO沟道层605，然后经过光刻和盐酸刻蚀，对沟道层605进行图形化处理；采用磁控溅射技术制备70nm厚的Pd源电极606和Pd漏电极607；采用PECVD制备100nm厚的SiO2钝化层608。
采用与实施例1相同的方法对器件进行测试，得到类似的结果，即退火后性能有了大幅提升。
实施例6
本实施例制备了一种采用金属衬底的薄膜晶体管的器件结构，该器件结构与实施例1所述器件结构相似，其区别在于栅电极与源电极和漏电极之间存在错排区域。
图9是本实施例制备的采用金属衬底的薄膜晶体管700的俯视示意图图和剖面示意图。如图9所示，薄膜晶体管700从下到上依次包括金属Au衬底701、Al2O3缓冲保护层702、Ag栅电极703、HfO2栅绝缘层704、ZnO沟道层705、Mo源电极和漏电极706、Si3N4钝化层707。
该薄膜晶体管的制备方法如下：
在SrTiO3晶体衬底上采用热蒸发沉积法制备20μm厚的金属Au衬底701，其均方根粗糙度为1.2nm；在20μm厚的金属Au衬底701上采用ALD制备250nm厚的Al2O3缓冲保护层702；采用热蒸发技术制备50nm厚的Ag栅电极703；采用ALD制备80nm厚的HfO2栅绝缘层704；采用磁控溅射技术制备40nm厚的ZnO沟道层705，然后经过光刻和盐酸刻蚀，对沟道层705进行图形化处理；采用磁控溅射技术制备50nm厚的Mo源电极和漏电极706；采用PECVD制备150nm厚的Si3N4钝化层707。
采用与实施例1相同的方法对器件进行测试，得到类似的结果，即退火后性能有了大幅提升。
实施例7
本实施例制备了一种采用金属衬底的薄膜二极管的器件结构，其器件结构属于场效应二极管的结构。
图10是本实施例制备的采用金属衬底的薄膜二极管800的结构俯视图和剖视图。如图10所示，薄膜二极管800从下到上依次包括金属Cu衬底801、Si3N4缓冲保护层802、Cr第一电极803、Al2O3绝缘层804、IGZO沟道层805、Au连接电极806、Au第二电极807、SiO2钝化层808。
该薄膜二极管的制备方法如下：
在熔融二氧化硅玻璃衬底上采用化学气相沉积法制备25μm厚的金属Cu衬底801，其均方根粗糙度为2.5nm；在25μm厚的金属Cu衬底801上采用PECVD制备500nm厚的Si3N4缓冲保护层802；采用磁控溅射技术制备80nm厚的Cr第一电极803；采用ALD制备70nm厚的Al2O3绝缘层804；采用磁控溅射技术制备30nm厚的IGZO沟道层805；采用热蒸发技术制备100nm厚的Au连接电极806和第二电极807；采用PECVD制备100nm厚的SiO2钝化层808。
将第二电极电压设置为0V，从-20V至20V对第一电极电压进行扫描，得出二极管的整流特性曲线。类似地，退火后性能有了大幅提升。
Claims (10)
1.一种用于制作柔性薄膜晶体管或柔性薄膜二极管的柔性金属衬底，该柔性金属衬底附着在母体上，其特征在于，通过原子力显微镜在10×10μm的扫描范围下观察时，所述柔性金属衬底的均方根粗糙度<10nm。
2.根据权利要求1所述的柔性金属衬底，其中，所述柔性金属衬底的均方根粗糙度为0.5～9.9nm，优选地，所述柔性金属衬底的厚度为5～125μm。
3.根据权利要求1或2所述的柔性金属衬底，其中，所述柔性金属衬底的材料为Ag、Al、Au、Co、Cr、Cu、Fe、Ir、Mo、Ni、Pb、Pd、Pt、Rh、Ru、Sn、Ta、Ti、V、W、Zr和不锈钢(SUS)中的一种或多种，优选为Al、Cu、Fe和SUS中的一种或多种。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的柔性金属衬底，其中，所述母体为玻璃材料或无机晶体材料，优选地，所述玻璃材料为硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、熔融二氧化硅玻璃和石英玻璃中的一种或多种；所述无机晶体材料为蓝宝石、ZnO晶体、TiO2晶体、YSZ晶体、SiC晶体、SrTiO3晶体、Si晶体、MgO晶体、LiTaO3晶体、MgAl2O4晶体、LiAlO2晶体和GaN晶体中的一种或多种。
5.根据权利要求1至4中任一项所述柔性金属衬底的制备方法，该制备方法包括：在母体上沉积金属形成所述柔性金属衬底。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，沉积的方法为电子束蒸发沉积法、热蒸发沉积法、溅射沉积法、化学气相沉积法或电镀法，优选为电子束蒸发沉积法、热蒸发沉积法或化学气相沉积法。
7.一种柔性薄膜晶体管，所述柔性薄膜晶体管包括：柔性金属衬底、缓冲保护层、沟道层、栅绝缘层、栅电极、源电极、漏电极和钝化层，其中，所述柔性金属衬底为权利要求1至4中任一项所述的柔性金属衬底或者权利要求5或6所述方法制得的柔性金属衬底。
8.一种柔性薄膜二极管，所述柔性薄膜二极管包括：柔性金属衬底、缓冲保护层、沟道层、绝缘层、第一电极、第二电极、连接电极和钝化层，其中，所述柔性金属衬底为权利要求1至4中任一项所述的柔性金属衬底或者权利要求5或6所述方法制得的柔性金属衬底。
9.根据权利要求7所述的柔性薄膜晶体管或者权利要求8所述的柔性薄膜二极管，其中，所述缓冲保护层的材料为氧化铝、氧化铪、氧化硅、氮化硅、氧化钛、氧化钇、聚酰亚胺和聚四氟乙烯中的一种或多种；优选地，所述缓冲保护层的材料为聚酰亚胺与聚四氟乙烯的混合物；优选地，所述缓冲保护层的厚度为100nm至1μm。
10.一种制作柔性薄膜晶体管或柔性薄膜二极管的方法，所述方法包括以下步骤：在母体上沉积金属形成柔性金属衬底；在所述柔性金属衬底上沉积缓冲保护层；在所述缓冲保护层上制备薄膜晶体管或薄膜二极管；将所述金属衬底及其上的薄膜晶体管或薄膜二极管从所述母体上剥离，形成基于金属衬底的柔性薄膜晶体管或柔性薄膜二极管。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20180807 |