JP2008294292A - プローバ、プローブ接触方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】プローバにおけるプローブと電極の接触動作を短時間で行えるようにしてスループットを向上したプローバを低コストで実現する方法及びプログラムを提供する。
【解決手段】ウエハを保持するウエハチャックと、ウエハチャックをＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に移動するＸＹ移動機構及びＺ移動機構と、プローブカード２３を保持するヘッドステージ１３と、を備えるプローバであって、ヘッドステージ１３の傾きを変化させると共に移動するヘッドステージ支持機構のモータ５１，ギア５２，送りネジ機構５４，ガイド５６等を備え、プローブ２４に電極を接触させる時には、ＸＹ移動機構により電極がプローブの直下に位置するように移動した後、Ｚ移動機構により電極がプローブに接触した所定位置まで移動し、その後ヘッドステージ支持機構によりヘッドステージ１３を移動してプローブを電極に所定範囲の接触圧で接触させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体ウエハ上に形成された複数の半導体チップ（ダイ）の電気的な検査を行うために半導体チップの電極をテスタに接続するプローバ、プローブ接触方法及びプログラムに関する。

半導体製造工程では、薄い円板状の半導体ウエハに各種の処理を施して、半導体装置（デバイス）をそれぞれ有する複数のチップ（ダイ）を形成する。各チップは電気的特性が検査され、その後ダイサーで切り離なされた後、リードフレームなどに固定されて組み立てられる。上記の電気的特性の検査は、プローバとテスタを利用して行われる。プローバは、ウエハをウエハチャックに固定し、各チップの電極パッドにプローブを接触させる。テスタは、プローブに接続される端子から、電源および各種の試験信号を供給し、チップの電極に出力される信号をテスタで解析して正常に動作するかを確認する。

図１は、プローバ１０とテスタ３０を備える従来のウエハテストシステムの概略構成を示す図である。図示のように、プローバ１０は、ベース部材１１と、ベース部材１１上に設けられた複数の支柱１２と、複数の支柱１２上に設けられたヘッドステージ１３と、で構成される筐体を有する。ベース部材１１には、Ｙ移動ベース１４と、Ｙ移動ベース１４上を移動するＹ移動部材１５と、Ｙ移動部材１５に取り付けられたＹ移動部１６と、Ｙ移動部１６上に設けられたＸ移動ベース１７と、Ｘ移動ベース１７上を移動するＸ移動部材１８と、Ｘ移動部材１８に取り付けられたＸ移動部１９と、Ｘ移動部１９上に設けられたＺ移動機構及びθ回転機構を収容するＺ・θ機構部２０と、Ｚ・θ機構部２０に設けられたウエハチャック２１と、で構成されるチャック移動機構が設けられている。検査されるウエハＷはウエハチャック２１の上に載置され、真空吸着などにより固定される。固定されたウエハＷは、チャック移動機構により、３軸方向に移動可能で、Ｚ軸を軸として回転可能である。

ヘッドステージ１３には穴２５が設けられており、穴２５の部分にプローブカード２３が取り付けられる。プローブカード２３は、カンチレバー式やスプリングピン式の弾性のあるプローブ２４が設けられており、プローブ２４が検査するウエハＷ上に形成されたデバイス（ダイ）の電極に接触する。プローブ２４は、デバイスの電極配置に応じて配置する必要があり、プローブカード２３は検査するデバイスに応じて交換される。なお、ここではヘッドステージ１３に直接プローブカード２３を取り付ける構成を示したが、ヘッドステージ１３にカードホルダを設け、カードホルダにプローブカード２３を取り付ける場合もある。

テスタ３０は、テスタ本体３１と、テスタ本体３１に設けられたコンタクトリング３２とを有する。テスタ本体３１は、図示していない支持機構により、プローバ１０に対して保持される。コンタクトリング３２にはスプリングプローブが設けられており、コンタクトリング３２をプローブカード２３に近接させて、スプリングプローブを、プローブカード２３の上側の面に設けられた端子に接触させる。端子は各プローブ２４に接続されており、このようにしてプローブ２４とテスタ３０の端子が接続された状態になる。

なお、プローバ１０には、この他にも、プローブの位置を検出する針位置合わせカメラや、ウエハＷのダイの電極位置を検出するウエハアライメントカメラなどが設けられているが、ここでは図示を省略している。

また、半導体デバイスは広い温度範囲で使用されるため、各種の温度条件で検査する必要がある。そこで、ウエハチャック２１上に保持されたウエハＷを加熱又は冷却するために、ウエハチャック２１に、ヒータ機構、チラー機構、ヒートポンプ機構などのウエハチャック２１の温度を変える温度調整機構を設ける場合もあるが、ここでは図示を省略している。

検査を行う場合には、図示していない針位置合わせカメラ及びウエハアライメントカメラで、ウエハチャック２１に保持したウエハＷのダイの電極とプローブ２４の相対位置を検出し、ダイの電極の配列方向がプローブ２４の配列方向に一致するように、ウエハチャック２１を回転し、検査するダイの電極がプローブ２４の下に位置するように移動し、ウエハチャック２１を上昇させて、電極パッドをプローブ２４に接触させる。

プローブ２４は、弾性を有し、プローブの先端位置より接触点を上昇させることにより、電極に所定の接触圧で接触する。ウエハＷとプローブ２４の先端の配列面との傾き及びプローブ２４の先端位置のばらつきなどを考慮して、電極パッドとプローブ２４が確実に接触するように、プローブ２４の先端位置よる高い位置まで電極パッド、すなわちウエハＷの表面を上昇させている。これをオーバードライブと称し、検出したプローブ２４の先端位置からウエハＷの表面を更に上昇させる移動量をオーバードライブ量と称する。従って、すべてのプローブが所定の接触圧でウエハの電極に接触していれば、ウエハチャック２１全体には、１本のプローブの接触圧にプローブ本数を乗じた接触圧力が印加される。

近年は、スループットの向上のため、複数のダイを同時に検査するマルチプロービング処理が行われており、プローブの本数が数万本にもなる場合があり、そのような場合には、プローブカード２３及びウエハチャック２１には全体として非常に大きな接触圧が印加される。

以上説明したプローバの構成は広く知られており、例えば、特許文献１及び２などに記載されている。

プローブカード２３は検査するウエハＷに応じて交換される。各プローブ２４が電極の所定範囲の接触圧で接触するには、プローブカード２３の複数のプローブ２４の先端部分は平面を成し、この平面がウエハチャック２１と平行であることが要求される。

そこで、ヘッドステージ１３はプローブカード２３を取り付ける場合の基準面を有し、プローブカード２３はプローブ２４の先端部分が基準面に対して平面をなすように製作される。そして、ヘッドステージ１３の基準面がウエハチャック２１と平行になるように、調整を行っている。具体的には、押しネジ機構などにより複数の支柱１２の先端をそれぞれ独立に上下移動させる機構を設けてヘッドステージ１３の傾きを調整可能にして、ヘッドステージ１３の基準面とウエハチャック２１の載置面の間の間隔及びその変化を測定しながら、ヘッドステージ１３の基準面とウエハチャック２１の載置面が平行になるようにヘッドステージ１３の傾きを調整して固定していた。この調整は、手作業で行われていた。

特開平１０−１５００８１号公報 特開２００２−１７０８５５

上記のように、スループットの向上のため、複数のダイを同時に検査するマルチプロービング処理が行われており、プローブの本数が数万本にもなる場合があり、例えば、２万本のプローブがそれぞれ５ｇ以上の接触圧で電極に接触した場合、ウエハチャック２１、プローブカード２３及びヘッドステージ１３には１００ｋｇ以上の圧力（荷重）が印加されることになる。そのため、当然のことながら、ウエハチャック２１、プローブカード２３及びヘッドステージ１３などはこのような圧力に耐えられるように構成されている。近年プローブ数をさらに増加することが検討されており、印加される荷重は２００ｋｇ以上になることが想定されている。

Ｙ移動部材１５及びＸ移動部材１８は、ウエハチャック２１を移動させる時には、プローブと電極は接触していないため、静止状態での耐荷重が上記の荷重以上であれば問題はない。これに対して、Ｚ・θ機構部２０によるＺ移動機構は、プローブと電極が接触した状態でウエハチャック２１を移動させる必要があり、移動の最終状態では静止状態と同じ荷重が印加されることになる。そのため、Ｚ移動機構は、このような荷重で移動可能であることが要求される。このような動作時の耐荷重を実現するには、Ｚ移動機構の駆動を行うモータに高トルクを発生するモータを使用するか、ギアによる減速機を用いる。

プローバは、１枚のウエハの検査に要する時間を短くする高スループット化と低コスト化を要求されている。高スループット化するためには、上記のように同時に検査可能なダイの個数を増加させることが行われているが、ウエハチャックの移動速度を高速化してウエハの電極をプローブに接触させるのに要する時間も短縮する必要がある。しかし、上記のような減速機の使用は移動速度を低速にするので、スループットを低下させる逆の方向に働く。

また、高トルクを発生するモータは、高コストであり、大型化するという問題がある。

このように、高スループット化のための同時検査可能なダイ数の増加は、Ｚ移動機構の駆動モータの移動速度を低下させるスループットの低下を招く逆の方向に働く。

本発明は、プローバにおけるプローブと電極の接触動作を短時間で行えるようにすることにより、スループットを向上することを目的とする。

上記目的を実現するため、本発明のプローバは、ヘッドステージとウエハチャック表面の平行度を調整するためにヘッドステージを複数の点で支持し、ヘッドステージのウエハチャックの表面に対する傾きを変化させるヘッドステージ支持機構を利用し、Ｚ移動機構によりプローブに電極が接触するようにウエハチャックを所定の位置まで移動した後、荷重が増加するそれ以上の移動はヘッドステージ支持機構によりヘッドステージ（プローブカード）をウエハチャックの表面に対して移動することにより実現する。

すなわち、本発明のプローバは、ウエハ上に形成されたデバイスをテスタで検査をするために、前記テスタの複数の端子を前記デバイスの複数の電極に接続するプローバであって、前記ウエハを保持するウエハチャックと、前記ウエハチャックを、前記ウエハチャックの表面に平行なＸ軸及びＹ軸方向に移動するＸＹ移動機構と、前記ウエハチャックを、前記ウエハチャックの表面に垂直なＺ軸方向に移動するＺ移動機構と、前記デバイスの複数の電極に接触して前記電極を前記テスタの端子に接続する複数のプローブを有するプローブカードを保持するヘッドステージと、を備えるプローバであって、前記ヘッドステージを複数の点で支持し、前記ヘッドステージの前記ウエハチャックの表面に対する傾きを変化させると共に、前記ヘッドステージを前記ウエハチャックの表面に対して移動するヘッドステージ支持機構を備え、前記ヘッドステージの前記複数のプローブに、前記ウエハチャックに保持された前記ウエハの複数の電極を接触させる時には、前記ＸＹ移動機構により前記電極が前記プローブの直下に位置するように移動した後、前記Ｚ移動機構により前記ウエハチャックを移動して前記電極が前記プローブに接触した所定位置まで移動し、その後前記ヘッドステージ支持機構により前記ヘッドステージを移動して、前記複数のプローブが前記複数の電極に所定範囲の接触圧で接触させることを特徴とする。

また、本発明のプローブ接触方法は、ウエハ上に形成されたデバイスをテスタで検査をするために、前記テスタの複数の端子が接続されるプローブカードの複数のプローブを、前記デバイスの複数の電極に接触させるプローブ接触方法であって、前記ウエハを保持したウエハチャックを、前記電極が前記プローブの直下に位置するように移動し、前記ウエハチャックを前記電極が前記プローブに接触した所定位置まで移動し、前記複数のプローブが前記複数の電極に所定範囲の接触圧で接触するように、前記プローブカードを保持したヘッドステージを移動する、ことを特徴とする。

さらに、本発明のプログラムは、ウエハを保持するウエハチャックと、前記ウエハチャックを、前記ウエハチャックの表面に平行なＸ軸及びＹ軸方向に移動するＸＹ移動機構と、前記ウエハチャックを、前記ウエハチャックの表面に垂直なＺ軸方向に移動するＺ移動機構と、ウエハ上に形成されたデバイスの複数の電極に接触して、前記複数の電極をテスタの複数の端子に接続する複数のプローブを有するプローブカードを保持するヘッドステージと、前記ヘッドステージを複数の点で支持し、前記ヘッドステージの前記ウエハチャックの表面に対する傾きを変化させると共に、前記ヘッドステージを前記ウエハチャックの表面に対して移動するヘッドステージ支持機構と、前記ＸＹ移動機構、前記Ｚ移動機構及び前記ヘッドステージ支持機構を制御する移動制御部と、を備えるプローバにおいて、前記移動制御部を構成するコンピュータを動作させるプログラムであって、前記プローブカードの前記複数のプローブに、前記ウエハチャックに保持された前記ウエハの複数の電極を接触させる時には、前記ＸＹ移動機構により、前記電極が前記プローブの直下に位置するように、前記ウエハチャックを移動し、前記Ｚ移動機構により、前記電極が前記プローブに接触した所定位置まで前記ウエハチャックを移動し、前記ヘッドステージ支持機構により、前記複数のプローブが前記複数の電極に所定範囲の接触圧で接触するように、前記ヘッドステージを移動することを特徴とする。

上記のように、従来のプローバでは、ヘッドステージの基準面とウエハチャックの載置面が平行になるようにヘッドステージの傾きを調整して固定していた。従って、ヘッドステージのウエハチャックに対する傾きも固定であった。しかし、上記のようにウエハを高温または低温で検査するためにウエハチャックの温度を変化させることが行われており、温度変化に起因する各部の伸縮のためにヘッドステージとウエハチャックの傾きに微小な差が生じる。また、プローブカードを別のカードに交換した際にも同様に、カードの固体差分の傾きの差が生じる。特に、近年のウエハの大型化に伴ってヘッドステージとウエハチャックの微小な傾きの差でも、ウエハの両端ではかなりの位置の差を生じ、電極をプローブに接触させる場合、ウエハの両端でプローブと電極の接触圧に大きな差が生じるという問題が発生している。

このような問題を解決するため、本出願人は、ヘッドステージを複数の点で支持し、ヘッドステージのウエハチャックの表面に対する傾きを変化させるヘッドステージ支持機構を設けて、ヘッドステージとウエハチャック表面の平行度を調整することを検討している。このヘッドステージ支持機構による移動量は、傾き調整のためであるので小さいが、電極がプローブに接触した後ウエハをさらに上昇させるオーバードライブ量も小さいので、ヘッドステージ支持機構でオーバードライブを行うことが可能である。

ＸＹ移動機構により、電極がプローブの直下に位置するように、ウエハチャックを移動し、その後Ｚ移動機構により、電極がプローブに接触する所定位置までウエハチャックを移動する。この場合の所定位置は、電極とプローブの接触により生じる荷重とウエハチャックなどの荷重を合わせたＺ移動機構に掛かる荷重が、Ｚ移動機構の移動時の耐荷重より小さい位置であればよい。ここまでの移動は、耐荷重が小さくてよいので、低コストのあまり高トルクでないモータを使用しても高速に行える。次に、ヘッドステージ支持機構により、複数のプローブが複数の電極に所定範囲の接触圧で接触するようにヘッドステージを移動する。この移動は、高トルクであることが必要だが、低速であっても、移動距離が短いので短時間に終了する。従って、ヘッドステージ支持機構では減速機を使用して高トルクの移動を行うようにしても、スループットはほとんど低下しない。

本発明によれば、低コストの低トルクのモータを使用しても、プローブと電極の接触動作を短時間で行えるようになるので、高スループットのプローバを低コストで実現できる。

本発明の実施例のプローバは、図１に示した従来と同様の構成を有するが、ヘッドステージ１３の傾きを微少量変化させると共に、微少量移動させるヘッドステージ支持機構が設けられ、さらにウエハＷの電極をプローブ２４に接触させる時の動作が異なる。

図２は、ヘッドステージ支持機構の構成を示す図である。

図示のように、ヘッドステージ１３は、４個のコーナーの部分が４個のヘッドステージ支持機構によりそれぞれ支持されている。各ヘッドステージ支持機構は、高精度のエンコーダが取り付けられ回転量を精密に制御可能なモータ５１と、モータ５１の出力する回転を減速して高トルクの回転に変換する減速機（ギア）５２と、ギア５２の回転軸５３により送りネジが回転して軸方向に移動に変換する送りネジ機構５４と、送りネジ機構５４により軸方向に移動する移動部材５５と、移動部材５５の移動を案内するガイド５６と、移動部材５５の先端とヘッドステージのコーナー部分を連結する連結部材５８と、を有する。モータ５１とギア５２とガイド５６は、支柱１２に固定されている。連結部材５８は、ユニバーサルジョイントなどを使用してもよいが、ここでは移動量が小さいので、連結部材５８が移動部材５５の先端とヘッドステージ１３のコーナー部分を強固に固定しており、４個のヘッドステージ支持機構が同じ移動量だけ移動する時にはヘッドステージ１３は平行移動するが、移動量が異なる時にはヘッドステージ１３を含む筐体が歪むことになるが、移動量が小さいので問題は生じない。

図２では、支柱１２は紙面に垂直な方向に伸びており、２個のヘッドステージ支持機構が同じ支柱１２に取り付けられる。図２において、支柱１２の間隔は、ウエハチャック２１が少なくともウエハＷの直径以上移動できる距離、すなわちウエハチャック２１の直径の２倍以上の距離であることが必要である。また、図２の紙面に垂直な方向のプローブカード２３から離れた部分にアライメントカメラ（図示せず）が設けられており、ウエハチャック２１をその下に移動してアライメント動作を行うので、ウエハチャック２１は図２の紙面に垂直な方向に上記の距離よりさらに長い距離移動可能である。

ヘッドステージ支持機構の４個のモータ５１はヘッドステージ用モータドライバ６１により駆動され、ヘッドステージ用モータドライバ６１は移動制御部６２からの制御信号Ｈにより制御される。なお、移動制御部６２は、コンピュータなどにより実現され、ＸＹ移動機構、Ｚ・θ機構部など移動制御信号も出力する。

次に、本発明の実施例のプローバにおけるプローブ接触動作を図３のフローチャートに基づいて説明する。

プローブ接触動作を開始する前に、プローブ２４の先端とウエハチャック２１の表面が平行になるように、ヘッドステージ支持機構によりヘッドステージの傾きが調整されているものとする。さらに、検査するウエハＷをウエハチャック２１上に載置すると、アライメント動作などが行われ、ウエハＷの電極とプローブ２４の位置関係が求められ、Ｚ・θ機構部２０によりウエハチャック２１を回転させて、ウエハＷ上の電極の配列とプローブ２４の配列が一致するように調整されているものとする。

ステップ１０１では、接触させる電極が対応するプローブ２４の直下に位置するように、ＸＹ移動機構によりウエハチャック２１を移動する。

ステップ１０２では、Ｚ・θ機構部によるウエハチャック２１のＺ方向の移動、すなわちウエハチャック２１の上昇を開始する。

ステップ１０３では、ウエハチャック２１がＺ方向の所定位置に到達すると、Ｚ方向の移動を停止する。このＺ方向の移動は、プローブ２４がウエハＷに接触した後さらに第１のオーバードライブ量だけ移動することにより、所定位置に到達するように行われる。第１のオーバードライブ量は、プローブと電極の接触による荷重がＺ移動機構の移動時の耐荷重を超えない範囲で適宜設定される。この場合の移動量は、アライメントカメラ及びプローブカメラで検出されたウエハ表面とプローブ２４の先端の高さから決定しても、プローブ２４がウエハＷに接触したことを検出した後Ｚ移動機構により所定量だけＺ方向に移動するようにしてもよい。

ステップ１０１から１０３までの移動は、プローブと電極の接触による荷重が印加されないので、ギアで大幅に減速する必要はなく、高速に行える。

ステップ１０４では、ヘッドステージ支持機構により、ヘッドステージ１３のＺ方向の移動、すなわちヘッドステージ１３の降下を開始する。

ステップ１０５では、ヘッドステージ１３がＺ方向の所定位置まで移動した時点で移動を停止する。

ステップ１０４及び１０５の移動量は、電極がプローブに接触した後の所望のオーバードライブ量から、上記の第１のオーバードライブ量を減じた第２のオーバードライブ量である。ステップ１０４及び１０５の移動は、低速の移動であるが、移動量が微小であるので、短時間に終了する。

以上、本発明の実施例を説明したが、各種の変形例が可能であるのはいうまでもない。例えば、実施例ではヘッドステージ支持機構に送りネジ機構を用いたが、ピエゾ素子を利用した移動機構で実現することも可能である。また、ヘッドステージ支持機構の連結部をユニバーサルジョイントで実現してもよい。

本発明は、プローバであればどのようなプローバにも適用可能である。

プローバとテスタでウエハ上のチップを検査するウエハテストシステムの概略構成を示す図である。 本発明の実施例のプローバのヘッドステージ支持機構の構成を示す図である。 実施例のプローバにおけるプローブ接触動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１１ ベース部材
１２ 支柱
１３ ヘッドステージ
２２ カードホルダ
２３ プローブカード
２４ プローブ
３０ テスタ
５１ モータ
５２ ギア
５４ 送りネジ機構
５６ ガイド
５７ 連結部材
Ｗ ウエハ

Claims (3)

1. ウエハ上に形成されたデバイスをテスタで検査をするために、前記テスタの複数の端子を前記デバイスの複数の電極に接続するプローバであって、
   前記ウエハを保持するウエハチャックと、
   前記ウエハチャックを、前記ウエハチャックの表面に平行なＸ軸及びＹ軸方向に移動するＸＹ移動機構と、
   前記ウエハチャックを、前記ウエハチャックの表面に垂直なＺ軸方向に移動するＺ移動機構と、
   前記デバイスの複数の電極に接触して前記電極を前記テスタの端子に接続する複数のプローブを有するプローブカードを保持するヘッドステージと、
   を備えるプローバであって、
   前記ヘッドステージを複数の点で支持し、前記ヘッドステージの前記ウエハチャックの表面に対する傾きを変化させると共に、前記ヘッドステージを前記ウエハチャックの表面に対して移動するヘッドステージ支持機構を備え、
   前記プローブカードの前記複数のプローブに、前記ウエハチャックに保持された前記ウエハの複数の電極を接触させる時には、前記ＸＹ移動機構により前記電極が前記プローブの直下に位置するように移動した後、前記Ｚ移動機構により前記ウエハチャックを移動して前記電極が前記プローブに接触した所定位置まで移動し、その後前記ヘッドステージ支持機構により前記ヘッドステージを移動して、前記複数のプローブが前記複数の電極に所定範囲の接触圧で接触するようにすることを特徴とするプローバ。
2. ウエハ上に形成されたデバイスをテスタで検査をするために、前記テスタの複数の端子が接続されるプローブカードの複数のプローブを、前記デバイスの複数の電極に接触させるプローブ接触方法であって、
   前記ウエハを保持したウエハチャックを、前記電極が前記プローブの直下に位置するように移動し、
   前記ウエハチャックを前記電極が前記プローブに接触した所定位置まで移動し、
   前記複数のプローブが前記複数の電極に所定範囲の接触圧で接触するように、前記ヘッドステージを移動する、ことを特徴とするプローブ接触方法。
3. ウエハを保持するウエハチャックと、前記ウエハチャックを、前記ウエハチャックの表面に平行なＸ軸及びＹ軸方向に移動するＸＹ移動機構と、前記ウエハチャックを、前記ウエハチャックの表面に垂直なＺ軸方向に移動するＺ移動機構と、ウエハ上に形成されたデバイスの複数の電極に接触して、前記複数の電極をテスタの複数の端子に接続する複数のプローブを有するプローブカードを保持するヘッドステージと、前記ヘッドステージを複数の点で支持し、前記ヘッドステージの前記ウエハチャックの表面に対する傾きを変化させると共に、前記ヘッドステージを前記ウエハチャックの表面に対して移動するヘッドステージ支持機構と、前記ＸＹ移動機構、前記Ｚ移動機構及び前記ヘッドステージ支持機構を制御する移動制御部と、を備えるプローバにおいて、前記移動制御部を構成するコンピュータを動作させるプログラムであって、
   前記プローブカードの前記複数のプローブに、前記ウエハチャックに保持された前記ウエハの複数の電極を接触させる時には、
   前記ＸＹ移動機構により、前記電極が前記プローブの直下に位置するように、前記ウエハチャックを移動し、
   前記Ｚ移動機構により、前記電極が前記プローブに接触した所定位置まで前記ウエハチャックを移動し、
   前記ヘッドステージ支持機構により、前記複数のプローブが前記複数の電極に所定範囲の接触圧で接触するように、前記ヘッドステージを移動することを特徴とするプログラム。

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