JP2003021794A - 光変調素子、glvデバイス、及びレーザディスプレイ - Google Patents
光変調素子、glvデバイス、及びレーザディスプレイInfo
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Abstract
ンブレン側電極を備えた光変調素子を提供する。 【解決手段】 本光変調素子30は、GLVデバイスを
構成する光変調素子として構成され、メンブレン32の
光反射膜兼メンブレン側電極34の構造が異なることを
除いて、従来の光変調素子と同じ構成を備えている。光
反射膜兼メンブレン側電極は、下層に膜厚が10nmか
ら70nmのTiN膜36と、その上に設けられた膜厚
が50nmから150nmのAl膜38との2層金属膜
で構成されている。光反射膜兼メンブレン側電極は、A
l膜38が平滑な反射面を有して高い光反射率を示すの
で、光変調素子の光利用効率が高い。
Description
Vデバイス、及びレーザディスプレイに関し、更に詳細
には、反射率の高い光反射膜兼メンブレン側電極を備え
た光変調素子、光変調素子を有するGLVデバイス、及
びそのようなGLVデバイスを有するレーザディスプレ
イに関するものである。
ロマシン(MEMS:Micro Electro-Mechanical Syste
m、超小型電気的・機械的複合体)素子、及びMEMS
素子を組み込んだ小型機器が、注目されている。MEM
S素子は、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に微細
構造体として形成され、機械的駆動力を出力する駆動体
と、駆動体を制御する半導体集積回路等とを電気的に、
更には機械的に結合させた素子である。MEMS素子の
基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動
体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動
体の駆動は、電極間のクーロン引力などを応用して電気
的に行われる。
ーザーディスプレイ用光強度変換素子、つまり光変調器
として開発したGLV(Grating Light Valve)デバイ
スに設けられている光変調素子を例に挙げて、光変調素
子の構成を説明する。先ず、図5を参照して、光変調素
子によって構成されるGLVデバイスの構造を説明す
る。図5はGLVデバイスの構成を示す斜視図である。
GLVデバイス10は、図5に示すように、複数個の光
変調素子12を相互に並列で密に配置させたデバイスで
ある。GLVデバイスを構成する光変調素子12は、上
面に光反射膜14を有する静電駆動型メンブレン16を
備えた、MOEMS(Micro Optical Electric Mechani
cal System)と呼ばれる光変調素子であって、メンブレ
ン16が、静電引力、或いは静電反発力によって機械的
に動いて、光反射膜14の高さを交互に変化させ、光の
回折によって、光反射膜14で反射する反射光の光強度
を変調させる機能を有する。
構成を説明する。図6は光変調素子の構成を示す斜視図
である。光変調素子12は、図6に示すように、ガラス
基板等の絶縁性基板18と、Cr薄膜等で絶縁性基板1
8上に形成されている基板側電極20と、基板側電極2
0に交差してブリッジ状に跨ぐ静電駆動型メンブレン1
6とを備えている。静電駆動型メンブレン16と基板側
電極20とは、その間の空隙部22によって電気的に絶
縁されている。
20をブリッジ状に跨いで基板18上に立脚する電極支
持部材として設けられたSiN膜からなるブリッジ部材
24と、基板側電極20に対向して相互に平行にブリッ
ジ部材24上に設けられた、膜厚100nm程度のAl
膜からなる光反射膜兼メンブレン側電極14とから構成
されている。ブリッジ部材24は、空隙部22を確保す
るように、基板側電極20に対向して所定間隔だけ離間
し、かつ基板側電極20に対して相互に平行に光反射膜
兼メンブレン側電極14を支持するために設けられてい
る。GLVデバイス10では、絶縁性基板18及びその
上の基板側電極20は、図5に示すように、各光変調素
子12の共通基板及び共通電極となっている。
光反射膜兼メンブレン側電極14とからなる静電駆動型
メンブレン16は、リボンと通称されている部位であ
る。ブリッジ部材24は、基板側電極20に対して平行
に延在する梁部の両端を2本の柱部で支持する、図6に
示したブリッジ状のものに代えて、柱部が1本で、梁部
の一方の端部のみを支持する片持ち梁式、即ちカンチレ
バー式のものもある。
用したアルミニウム膜(Al膜)は、(1)比較的容易
に成膜で出来る金属膜であること、(2)可視光領域で
の反射率の波長分散が小さいこと、(3)Al膜表面に
生成したアルミナ自然酸化膜が保護膜となって反射面を
保護すること等の理由から、光学部品材料として好まし
い金属膜である。また、ブリッジ部材24を構成するS
iN膜(窒化シリコン膜)は、減圧CVD法によって成
膜されたSiN膜であって、その強度、弾性定数などの
物性値が、ブリッジ部材24の機械的駆動に対して適切
であるとして選定されている。
する光反射膜兼メンブレン側電極14との間に微小電圧
を印加すると、静電現象によって静電駆動型メンブレン
16が基板側電極20に向かって接近し、また、電圧の
印加を停止すると、離間して元の状態に戻る。GLVデ
バイス10を構成する光変調素子12は、基板側電極2
0に対する静電駆動型メンブレン16の接近、離間の動
作により、光反射膜14の高さを交互に変化させ、光の
回折によって、光反射膜14で反射する光の強度を変調
する。静電引力及び静電反発力を利用して駆動するメン
ブレンの力学的特性は、CVD法等で成膜されるSiN
膜の物性によってほぼ決定され、Al膜は反射ミラーと
しての役割が主である。
素子には、Al膜で光反射膜兼メンブレン側電極を形成
しているために、以下のような問題があった。つまり、
Al膜は、前述したような利点を有するものの、融点が
比較的低く、また柔らかい材料であるために、膜厚10
0nm程度の薄膜にすると、アルミニウムの凝集現象に
よりAl膜の膜厚差が発生し、また高低差が400nm
以上に大きい場合には、1μmにも達する凹凸面がAl
膜に生じて、Al膜の光反射率が低下する。例えば、バ
ルクのAl膜は、波長600nmの光に対して約92%
の光反射率を有するが、従来の光変調素子10の光反射
率は波長600nmに対して約86.5%位であって、
約5%低下している。また、Al膜に生じた膜厚差が極
端な場合には、Al膜が断線して、電気的に不導通にな
ることがある。これでは、メンブレンが駆動せず、光変
調素子が機能しない。
膜厚が均一で、光反射率の高い光反射膜兼メンブレン側
電極を備えた光変調素子を提供することである。
減圧CVD法により成膜されたアモルファス状のSiN
膜上に形成されているために、アルミニウムのマイグレ
ーションが助長され、Al膜の膜厚に厚薄が生じること
を見い出した。しかし、SiN膜に代わる適切なメンブ
レン膜を見いだすことは難しく、また、Al膜を上層に
設けてAl膜の良好な光反射性を利用することが光反射
性の点から好ましい。そこで、本発明者は、柱状の細か
いグレイン構造の結晶を形成する高融点金属膜、例えば
チタン膜等をSiN膜とAl膜との間に介在させ、高融
点金属膜の良好な表面状態によってアルミニウムのマイ
グレーションを抑制することを着想し、実験により効果
を確認して、本発明を発明するに到った。
光変調素子は、絶縁性基板上に形成された基板側電極
と、基板側電極に交差して基板側電極上に離間延在し、
少なくとも上層がSiN膜で形成されたブリッジ部材、
及び基板側電極に対向してブリッジ部材のSiN膜上に
設けられた金属膜からなる光反射膜兼メンブレン側電極
を有し、メンブレン側電極と基板側電極との間に働く静
電引力又は静電反発力により光反射膜を駆動するメンブ
レンとを備える光変調素子において、アルミニウム(A
l)を主成分とするAl膜と、Al膜下に設けられた、
高融点金属膜、高融点金属窒化膜、及び高融点金属炭化
膜の少なくともいずれかを有する多層金属膜が、光反射
膜兼メンブレン側電極として形成されていることを特徴
としている。
がSiN膜で形成されている光変調素子に適用できる。
ブリッジ部材は、全層がSiN膜で形成されていても、
また、SiN膜からなる上層と、SiN膜以外の膜、例
えばSiO2 膜からなる下層との2層構造でも、更には
3層構造でも良い。Al膜は、Al−Si合金膜でも、
Al−Cu合金膜でも、Al−Cu−Si合金膜でも、
その他の不純物を含んだAl膜でも良い。
晶性の良好な高融点金属膜、高融点金属窒化膜、及び高
融点金属炭化膜のいずれか上に成膜されているので、A
l膜の結晶構造が良好になり、凝集現象が生じ難い。よ
って、Al膜の膜厚に厚薄が生じないので、Al膜が平
滑な反射面を備えて、光反射率が高くなり、光変調素子
の光利用効率が向上する。
メンブレン側電極として設けられた多層金属膜が、ブリ
ッジ部材のSiN膜上に設けられた高融点金属膜と、高
融点金属膜上に設けられた高融点金属窒化膜又は高融点
金属炭化膜とを有する。高融点金属膜は、高融点金属窒
化膜又は高融点金属炭化膜とSiN膜との密着性を高め
る効果を有する。本発明の更に好適な実施態様では、高
融点金属膜が、チタン(Ti)膜、タングステン(W)
膜、モリブデン(Mo)膜、及びタンタル(Ta)膜の
いずれかであり、高融点金属窒化膜又は高融点金属炭化
膜が当該いずれかの窒化膜又は炭化膜である。
された複数個の光変調素子を備えるGLVデバイスにお
いて、光変調素子が、絶縁性基板上に形成された基板側
電極と、基板側電極に交差して基板側電極上に離間延在
し、少なくとも上層がSiN膜で形成されたブリッジ部
材、及び基板側電極に対向してブリッジ部材のSiN膜
上に設けられた金属膜からなる光反射膜兼メンブレン側
電極を有し、光反射膜兼メンブレン側電極と基板側電極
との間に働く静電引力又は静電反発力により光反射膜を
駆動するメンブレンとを備え、光反射膜兼メンブレン側
電極が、アルミニウム(Al)を主成分とするAl膜
と、Al膜下に設けられた高融点金属膜、高融点金属窒
化膜、及び高融点金属炭化膜の少なくともいずれかを有
する多層金属膜であって、相互に独立で並列配置され、
基板側電極が共通電極として設けられていることを特徴
としている。
は、レーザと、レーザから出射されたレーザ光の光軸上
に配置され、レーザ光の光強度を変調するGLVデバイ
スとを有するレーザディスプレイにおいて、GLVデバ
イスが、並列配置された複数個の光変調素子を備え、光
変調素子が、絶縁性基板上に形成された基板側電極と、
基板側電極に交差して基板側電極上に離間延在し、少な
くとも上層がSiN膜で形成されたブリッジ部材、及び
基板側電極に対向してブリッジ部材のSiN膜上に設け
られた金属膜からなる光反射膜兼メンブレン側電極を有
し、光反射膜兼メンブレン側電極と基板側電極との間に
働く静電引力又は静電反発力により光反射膜を駆動する
メンブレンとを備え、光反射膜兼メンブレン側電極が、
アルミニウム(Al)を主成分とするAl膜と、Al膜
下に設けられた高融点金属膜、高融点金属窒化膜、及び
高融点金属炭化膜の少なくともいずれかを有する多層金
属膜であって、相互に独立で並列配置され、基板側電極
が共通電極として設けられていることを特徴としてい
る。
ザの数には制約はなく、単色光のレーザディスプレイで
も、フルカラーディスプレイでもよい。フルカラーディ
スプレイでは、レーザディスプレイは、赤色レーザ、緑
色レーザ、及び青色レーザと、赤色レーザ、緑色レー
ザ、及び青色レーザからそれぞれ出射された赤色レーザ
光、緑色レーザ光、及び青色レーザ光を合成する色合成
フィルタと、赤色レーザ、緑色レーザ、及び青色レーザ
の各々と色合成フィルタとの間の光軸上に配置され、赤
色レーザ、緑色レーザ、及び青色レーザからそれぞれ出
射された赤色レーザ光、緑色レーザ光、及び青色レーザ
光の光強度を変調するGLVデバイスとを備えている。
形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に
説明する。尚、以下の実施形態例で示す成膜方法、層の
組成及び膜厚、プロセス条件等は、本発明の理解を容易
にするための一つの例示であって、本発明はこの例示に
限定されるものではない。光変調素子の実施形態例 本実施形態例は、本発明に係る光変調素子の実施形態の
一例であって、図1は本実施形態例の光変調素子の構成
を示す断面図である。本実施形態例の光変調素子30
は、GLVデバイスを構成する光変調素子として構成さ
れ、メンブレン32の光反射膜兼メンブレン側電極34
の構造が異なることを除いて、従来の光変調素子12と
同じ構成を備えている。本実施形態例の光反射膜兼メン
ブレン側電極34は、図1に示すように、下層に膜厚が
10nmから70nmのTiN膜36と、その上に設け
られた膜厚が50nmから150nmのAl膜38との
2層金属膜で構成されている。
の試料光変調素子(レーザを除く)を試作し、波長40
0nmから700nmの光を照射して、光反射膜兼メン
ブレン側電極34の反射率を測定したところ、図2のグ
ラフ(1)に示す結果を得た。また、従来の光変調素子
10について、同様の反射率を測定したところ、図2の
グラフ(2)に示す結果を得た。図2のグラフ(1)と
グラフ(2)との比較から、本実施形態例の光変調素子
30は、測定波長の全域で、従来の光変調素子10に比
べて高い反射率を示していて、特に、波長が短い領域
で、顕著により高い反射率を示している。つまり、Al
膜38が平滑な反射面を有し、光変調素子30の光利用
効率が高いことを示している。
膜兼メンブレン側電極34として、TiN膜36とAl
膜38との2層構造の多層金属膜を備えているが、これ
に限ることはなく、例えば、図3(a)に示すように、
Ti膜37とAl膜38との2層金属膜でも良い。ま
た、図3(b)に示すように、Ti膜37と、TiN膜
36と、Al膜38との3層金属膜でも良い。Ti膜3
7はSiN膜との密着層として機能する。
i膜及び/又はTiN膜を使用しているので、Ti膜及
び/又はTiN膜とAl膜との多層金属膜を一つのエッ
チング工程でパターニングすることができるという利点
を有する。Ti膜又はTiN膜に代えて、タングステン
(W)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)などの
高融点金属膜を使っても良く、更には、それら高融点金
属膜の窒化物、炭化物もTi膜又はTiN膜と同様に有
効である。
デバイスの実施形態の一例であって、前述した従来のG
LVデバイス10に用いた光変調素子12に代えて、光
変調素子30を用いたものである。本実施形態例のGL
Vデバイスは、光反射率の高い光変調素子30で構成さ
れているので、光利用効率が従来のGLVデバイス10
に比べて遙に高い。
施形態の一例であって、図4は本実施形態例のレーザデ
ィスプレイの構成を示す模式図である。本実施形態例の
レーザディスプレイ40は、上述の実施形態例のGLV
デバイスを用いた光学装置であって、例えば、大型スク
リーン用プロジェクタ、特にディジタル画像のプロジェ
クタとして、或いはコンピュータ画像投影装置として用
いられている。
うに、赤(R)、緑(G)、青(B)の各色のレーザ光
光源として設けられたレーザ42R、42G、42B
と、各光源に対して、それぞれ、光軸上に順次、設けら
れたミラー44R、44G、44B、照明光学系46
R、46G、46B、及び光変調器として機能するGL
Vデバイス48R、48G、48Bとを備えている。レ
ーザ42R、42G、42Bは、それぞれ、例えば、R
(波長642nm、光出力約3W)、G(波長532n
m、光出力約2W)、B(波長457nm、光出力約
1.5W)のレーザである。
デバイス48R、48G、48Bによりそれぞれ光強度
が変調された赤色(R)レーザ光、緑色(G)レーザ
光、及び青色(B)を合成する色合成フィルタ50、空
間フィルタ52、ディフューザ54、ミラー56、ガル
バノスキャナ58、投影光学系60、およびスクリーン
62を備えている。色合成フィルタ50は、例えばダイ
クロイックミラーで構成されている。
は、レーザ42R、42G、42Bから射出されたRG
B各色のレーザ光は、それぞれ、ミラー44R、44
G、44Bを経て照明光学系46R、46G、46Bか
らGLVデバイス48R、48G、48Bに入射する。
各レーザ光は、色分類された画像信号であり、GLVデ
バイス48R、48G、48Bに同期入力するようにな
っている。更に、各レーザ光は、GLVデバイス48
R、48G、48Bによって回折されることにより空間
変調され、これら3色の回折光が色合成フィルタ50に
よって合成され、続いて空間フィルタ52によって信号
成分のみが取り出される。次いで、このRGBの画像信
号は、ディフューザ54によってレーザスべックルが低
減され、ミラー56を経て、画像信号と同期するガルバ
ノスキャナ58により空間に展開され、投影光学系60
によってスクリーン62上にフルカラー画像として投影
される。
RGB全て同一構造のGLVデバイス48を用いると、
射出される画像信号の光束は約310ルーメンとなる。
本実施形態例のレーザディスプレイ40と同じ構成で、
従来の光変調素子を用いたレーザディスプレイでは、信
号の光束が約300ルーメンであることから、本実施形
態例のレーザディスプレイ40では、光源の利用効率が
向上することが判る。また、RGBそれぞれの波長に対
して最適化されたGLVデバイス48を用いると、信号
の光束は約320ルーメンと更に向上する。
は、各色のレーザ42に対応して、GLVデバイス48
R、48G、48Bを備えているが、本発明に係るGL
Vデバイスは、これ以外の構成を有する各種のディスプ
レイについても適用可能である。例えば、光源を白色光
とする一方で、RGBそれぞれの波長の光のみを反射し
て(それ以外の光は回折する)各色を表示するようにメ
ンブレンの幅が異なる光変調素子48R、48G、48
Bが1画素を構成するようにしてもよい。また、RGB
の画素データからなる画像情報に同期したカラーホイー
ルを通してGLVデバイス48に、単一の光源からの白
色光を入射させるようにすることもできる。更に、例え
ば、単一のGLVデバイス48を用いて、RGBのLE
D(発光ダイオード)からの光を回折し、画素毎の色の
情報を再生するように構成すれば、簡単なハンディタイ
プのカラーディスプレイとなる。
実施形態例のレーザディスプレイようなプロジェクタ類
だけでなく、光通信におけるWDM(Wavelength Divis
ionMultiplexing:波長多重)伝送用の各種デバイス、
MUX(Multiplexer:パラレルーシリアル変換器/多
重化装置)、DEMUX(Demultiplexer:パラレルー
シリアル変換器/分配化装置)、あるいはOADM(Op
tical Add/Drop Multiplexer)、OXC(Optical Cros
s Connect)等の光スイッチとして用いることもでき
る。更に、例えばディジタル画像等を直画できる微細描
画装置、半導体露光装置や、プリンタエンジンなど、そ
の他の光学装置にも適用することができる。
40では、GLVデバイス48R、48G、48Bを用
いて空間変調を行うレーザディスプレイについて説明し
たが、本発明に係るGLVデバイスは、位相、光強度な
どの干渉・回折により変調可能な情報のスイッチングを
行うことができ、これらを利用した光学装置に応用する
ことが可能である。
を主成分とするAl膜と、Al膜下に設けられた、高融
点金属膜、高融点金属窒化膜、及び高融点金属炭化膜の
少なくともいずれかを有する多層金属膜で、光反射膜兼
メンブレン側電極を形成することにより、Al膜の下地
が高融点金属膜等になるので、Al膜のアルミニウム凝
集(aggregation)による表面モフォロジーの劣化を防
ぐことができ、光反射率、従って光利用効率が高い光変
調素子を実現することがでできる。これにより、光変調
素子の信頼性を高め、また光変調素子の製造プロセスの
マージンを増加させることができる。更には、本発明に
係る光変調素子でGLVデバイスを構成することによ
り、光利用効率が高く、使用寿命の長いGLVデバイス
を実現することができる。また、そのようなGLVデバ
イスをレーザディスプレイに組み込むことにより、光利
用効率の高いレーザディスプレイを実現することができ
る。
ある。
する実施形態例の光変調素子の光反射率及び従来の光変
調素子の光反射率を示すグラフである。
例の変形例の光反射膜兼メンブレン側電極の構成を示す
断面図である。
模式図である。
ンブレン側電極、16……静電駆動型メンブレン、18
……絶縁性基板、20……基板側電極、22……空隙
部、24……ブリッジ部材、30……実施形態例の光変
調素子、32……メンブレン、34……光反射膜兼メン
ブレン側電極、36……TiN膜、37……Ti膜、3
8……Al膜、40……レーザディスプレイ、42……
レーザ、44……ミラー、46……照明光学系、48…
…GLVデバイス、50……色合成フィルタ、52……
空間フィルタ、54……ディフューザ、56……ミラ
ー、58……ガルバノスキャナ、60……投影光学系、
62……スクリーン。
Claims (5)
- 【請求項1】 絶縁性基板上に形成された基板側電極
と、 前記基板側電極に交差して基板側電極上に離間延在し、
少なくとも上層がSiN膜で形成されたブリッジ部材、
及び前記基板側電極に対向して前記ブリッジ部材のSi
N膜上に設けられた金属膜からなる光反射膜兼メンブレ
ン側電極を有し、前記光反射膜兼メンブレン側電極と前
記基板側電極との間に働く静電引力又は静電反発力によ
り前記光反射膜を駆動するメンブレンとを備える光変調
素子において、 アルミニウム(Al)を主成分とするAl膜と、前記A
l膜下に設けられた、高融点金属膜、高融点金属窒化
膜、及び高融点金属炭化膜の少なくともいずれかを有す
る多層金属膜が、前記光反射膜兼メンブレン側電極とし
て形成されていることを特徴とする光変調素子。 - 【請求項2】 前記光反射膜兼メンブレン側電極として
設けられた多層金属膜が、前記ブリッジ部材のSiN膜
上に設けられた高融点金属膜と、前記高融点金属膜上に
設けられた高融点金属窒化膜又は高融点金属炭化膜とを
有することを特徴とする請求項1に記載の光変調素子。 - 【請求項3】 前記高融点金属膜が、チタン(Ti)
膜、タングステン(W)膜、モリブデン(Mo)膜、及
びタンタル(Ta)膜のいずれかであり、前記高融点金
属窒化膜又は高融点金属炭化膜が当該いずれかの窒化膜
又は炭化膜であることを特徴とする請求項2に記載の光
変調素子。 - 【請求項4】 並列配置された複数個の光変調素子を備
えるGLVデバイスにおいて、 前記光変調素子が、 絶縁性基板上に形成された基板側電極と、 前記基板側電極に交差して基板側電極上に離間延在し、
少なくとも上層がSiN膜で形成されたブリッジ部材、
及び前記基板側電極に対向して前記ブリッジ部材のSi
N膜上に設けられた金属膜からなる光反射膜兼メンブレ
ン側電極を有し、前記光反射膜兼メンブレン側電極と前
記基板側電極との間に働く静電引力又は静電反発力によ
り光反射膜を駆動するメンブレンとを備え、 前記光反射膜兼メンブレン側電極が、アルミニウム(A
l)を主成分とするAl膜と、前記Al膜下に設けられ
た高融点金属膜、高融点金属窒化膜、及び高融点金属炭
化膜の少なくともいずれかを有する多層金属膜であっ
て、相互に独立で並列配置され、 前記基板側電極が共通電極として設けられていることを
特徴とするGLVデバイス。 - 【請求項5】 レーザと、レーザから出射されたレーザ
光の光軸上に配置され、レーザ光の光強度を変調するG
LVデバイスとを有するレーザディスプレイにおいて、 前記GLVデバイスが、並列配置された複数個の光変調
素子を備え、 前記光変調素子が、 絶縁性基板上に形成された基板側電極と、 前記基板側電極に交差して基板側電極上に離間延在し、
少なくとも上層がSiN膜で形成されたブリッジ部材、
及び前記基板側電極に対向してブリッジ部材のSiN膜
上に設けられた金属膜からなる光反射膜兼メンブレン側
電極を有し、前記光反射膜兼メンブレン側電極と前記基
板側電極との間に働く静電引力又は静電反発力により光
反射膜を駆動するメンブレンとを備え、 前記光反射膜兼メンブレン側電極が、アルミニウム(A
l)を主成分とするAl膜と、前記Al膜下に設けられ
た高融点金属膜、高融点金属窒化膜、及び高融点金属炭
化膜の少なくともいずれかを有する多層金属膜であっ
て、相互に独立で並列配置され、 前記基板側電極が共通電極として設けられていることを
特徴とするレーザディスプレイ。
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