JP2009231767A - リソグラフィープロセスウィンドー解析方法およびその解析プログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】リソグラフィープロセスウィンドーの信頼性の評価をすることが可能なリソグラフィープロセスウィンドー解析方法およびその解析プログラムを提供すること。
【解決手段】ウェハ上においてFEMサンプリング空間12のサンプル点に従って露光量とフォーカス位置とを変化させて露光処理を実施し、それぞれ形成されたパターンの寸法の実測値が許容範囲内となるような露光量およびフォーカス位置についての許容境界を求め、さらにこの許容境界を外挿して曲線20,21を作成し、この許容境界内に外挿されたプロセスウィンドー15を作成する。次に、露光量−フォーカス空間内の任意の点(プロセス条件)の解析信頼性Mを定義し、この解析信頼性Mを用いてプロセスウィンドー15内の点についてMα(αは−1程度の値)を平均化してプロセスウィンドー15の信頼性Rを算出する。
【選択図】 図3
【解決手段】ウェハ上においてFEMサンプリング空間12のサンプル点に従って露光量とフォーカス位置とを変化させて露光処理を実施し、それぞれ形成されたパターンの寸法の実測値が許容範囲内となるような露光量およびフォーカス位置についての許容境界を求め、さらにこの許容境界を外挿して曲線20,21を作成し、この許容境界内に外挿されたプロセスウィンドー15を作成する。次に、露光量−フォーカス空間内の任意の点(プロセス条件)の解析信頼性Mを定義し、この解析信頼性Mを用いてプロセスウィンドー15内の点についてMα(αは−1程度の値)を平均化してプロセスウィンドー15の信頼性Rを算出する。
【選択図】 図3
Description
本発明は、リソグラフィー工程におけるプロセスウィンドーの解析方法およびその解析プログラムに関する。
半導体デバイスの製造工程において、ウェハ上に微細な回路パターン(以下、パターンという。)を形成する技術としてリソグラフィーが利用されている。リソグラフィー工程では、ウェハ上に感光性樹脂(レジスト)を塗布し、露光装置を用いてパターンを転写する。このとき、半導体デバイスの所望の特性を確保するために、転写されたパターンの寸法を設計条件から決まる許容範囲内となるように制御する必要がある。
パターンの寸法は、露光工程における露光量とフォーカス位置とによって調整することができる。そこで、リソグラフィー工程における露光条件出しと呼ばれる作業では、露光量とフォーカス位置とを変化させて実際にウェハに露光処理を施し、形成されたパターンの寸法を測定することで、露光量とフォーカス位置の最適値を求めている。このとき、パターンの寸法が許容範囲内となるような露光量とフォーカス位置とについての範囲(プロセスウィンドー)を作成し、このプロセスウィンドーの中心値を最適値とする。すなわち、プロセスウィンドーは、露光量とフォーカス位置とについての最適値を含む許容範囲を表す。
リソグラフィーのプロセスウィンドーを実験的に求める場合には、一つのウェハ上において露光量とフォーカス位置とを変化させ同時に露光箇所を移動して複数回の露光処理を実施し、それぞれ形成されたパターンの寸法を測定する。つまり、露光量およびフォーカス位置の異なる複数の組に対してサンプルを作成し、また、各露光ショットが相互に重複しないようにウェハ上の露光箇所を移動させる。プロセスウィンドーを十分開くためには、サンプル作成を行う際の露光量とフォーカス位置の変化範囲を適切に設定する必要がある。すなわち、プロセスウィンドーを包含するように変化範囲を設定する必要がある。そのためには、サンプルパターンの作成において、最適な寸法を与える露光量とフォーカス位置とがウェハの中心付近となるように、すなわち変化させる露光量とフォーカス位置の範囲の中心となるように、露光量とフォーカス位置を割り振るなどすることが望まれる。
しかしながら、ショットサイズが大きい場合には露光量とフォーカス位置の割り振り方が適切とならず、露光量とフォーカス位置の変化範囲が適切とならない場合がある。つまり、最適な寸法を与える露光量とフォーカス位置がウェハの中心から外れることがある。
その際に、再実験をし、最適な寸法がウェハ上の中心に形成されるようにしてサンプルを再作成すれば良いが、時間とコストがかかるために再実験ができない場合が多い。そのため、測定された寸法を外挿することで、リソグラフィーのプロセスウィンドーを算出すれば良いが、従来はその信頼性が明確に定義されていなかった。例えば非特許文献1では、測定された寸法を曲線であてはめる(fitting)モデルの改良法について記載しているが、このようなモデルを適用してプロセスウィンドーを作成し露光条件を抽出したとしても、外挿範囲の信頼性は不明なので、その露光条件が実際には許容範囲外となる場合がある。そのため、このような不適切な露光条件を用いて半導体デバイスを製造すると、歩留まりを確保することができなくなる。
Chiris A. Mack and Jeffery D. Byers, `Improved Model for Focus-Exposure Data Analysis', Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithograpy XVII, Daniel J. Herr, Editor, Proceedings of SPIE, Vol.5038, pp.396-405 (2003).
本発明は、リソグラフィープロセスウィンドーの信頼性の評価をすることが可能なリソグラフィープロセスウィンドー解析方法およびその解析プログラムを提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、感光性基板上に露光量とフォーカス位置とを変化させて複数回の露光処理を行い、前記感光性基板上に転写された複数の回路パターンの寸法を測定し、少なくとも前記回路パターンの寸法が設計上の許容範囲内となるような露光量およびフォーカス位置についての範囲をもとにプロセスウィンドーを設定するとともに、この設定されたプロセスウィンドーの信頼性の評価を与えるリソグラフィープロセスウィンドー解析方法であって、前記露光処理を行った露光量およびフォーカス位置からなる複数のプロセス条件に基づいて、任意の露光量およびフォーカス位置からなるプロセス条件に対する解析信頼性Mを設定する第1の工程と、前記プロセスウィンドーに含まれる各プロセス条件についての前記解析信頼性Mに基づき、前記プロセスウィンドーの信頼性Rを算出する第2の工程と、前記信頼性Rと所定の閾値との大小関係を比較し、この比較結果に応じて前記プロセスウィンドーの信頼性の有無を判定する第3の工程と、を含むことを特徴とするリソグラフィープロセスウィンドー解析方法が提供される。
また、本発明の別の一態様によれば、感光性基板上に露光量とフォーカス位置とを変化させて複数回の露光処理を行い、前記感光性基板上に転写された複数の回路パターンの寸法を測定した結果に基づき、少なくとも前記回路パターンの寸法が設計上の許容範囲内となるような露光量およびフォーカス位置についての範囲をもとに設定されたプロセスウィンドーに対して、当該プロセスウィンドーの信頼性を評価するためのリソグラフィープロセスウィンドー解析プログラムであって、コンピュータに、前記露光処理を行った露光量およびフォーカス位置からなる複数のプロセス条件に基づいて、任意の露光量およびフォーカス位置からなるプロセス条件に対する解析信頼性Mを設定する第1の手順と、前記プロセスウィンドーに含まれる各点についての前記解析信頼性Mに基づき、前記プロセスウィンドーの信頼性Rを算出する第2の手順と、前記信頼性Rと所定の閾値との大小関係を比較し、この比較結果に応じて前記プロセスウィンドーの信頼性の有無を判定してその結果を出力する第3の手順と、を、実行させるためのリソグラフィープロセスウィンドー解析プログラムが提供される。
本発明によれば、例えばプロセスウィンドーを外挿して求めた場合なども含め、プロセスウィンドーの信頼性の評価をすることができるので、リソグラフィー工程における露光条件出しの誤りを最小限に抑え、歩留まりを確保することができる、という効果を奏する。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるリソグラフィープロセスウィンドー解析方法およびその解析プログラムの実施の形態を詳細に説明する。
(実施の形態)
本実施の形態にかかるリソグラフィープロセスウィンドー解析方法、およびリソグラフィープロセスウィンドー解析プログラムについて説明する。
本実施の形態にかかるリソグラフィープロセスウィンドー解析方法、およびリソグラフィープロセスウィンドー解析プログラムについて説明する。
リソグラフィー工程では、ウェハ上に感光性樹脂(レジスト)を塗布した感光性基板に対して、露光装置を用いてパターンを転写する。露光装置は、照明光源等を有する照明光学系、照明光学系の下部に配置されフォトマスクが設置されるレチクルステージ、レチクルステージの下部に配置されレチクルステージを透過した光をウェハ上に投影する投影光学系、および投影光学系の下部に配置されウェハが設置されるウェアステージ等を備える。パターンが転写されたウェハは、現像装置等により現像、エッチング処理を施した後に、線幅測定装置によりパターンの寸法値である線幅が測定される。
前述のように、ウェハ上に形成されるパターンの寸法は、露光装置の露光量とフォーカス位置とによって決まる。そこで、露光条件出しでは、異なる露光量およびフォーカス位置に対応するパターンのサンプルをウェハ上に複数作成し、それぞれのパターンの寸法を実測する。そして、これらの測定値が許容範囲となるサンプル群の露光量およびフォーカス位置に基づいて、プロセスウィンドーを算出する。しかしながら、露光量とフォーカス位置の変化範囲が適切でない場合に、プロセスウィンドーを十分に開くことができないことがある。このような場合には、プロセスウィンドーの外挿を行うことが好ましいが、外挿した部分の信頼性を定義する必要がある。
図1は、リソグラフィーのプロセスウィンドーを外挿によって求めた場合の一例を示す図であり、矢印の左側が外挿前のプロセスウィンドーを、矢印の右側が外挿後のプロセスウィンドーを表す。図1は、露光量−フォーカス空間を表し、横方向は露光量を、縦方向はフォーカス位置を表している。フォーカス位置としては例えばフォーカス深度をとることもできる。
実線で示された曲線1および3は、露光ショットにより形成されたパターンの寸法が許容範囲のそれぞれ上下限に対応するような露光量およびフォーカス位置を表す点をつないだもの(露光量−フォーカス曲線)である。具体的には、例えば、許容範囲として、許容寸法誤差を±10%とすると、+10%に対応する露光量およびフォーカス位置についての露光量−フォーカス曲線が曲線1に、−10%に対応する露光量およびフォーカス位置についての露光量−フォーカス曲線が曲線3に相当する。また、実線で示された曲線2は、露光により形成されたパターンの寸法が最適値に対応するような露光量−フォーカス曲線を表すものであり、曲線1、曲線3と同様に実際に露光ショットを行った露光量およびフォーカス位置を表す。曲線1〜3は、ED−treeと呼ばれるものである。
一方、点線で示された曲線5、曲線6、および曲線7は、それぞれ曲線1、曲線2、曲線3を外挿した曲線である。つまり、実線が実測値を表すのに対して、点線は実際には露光に用いていない外挿領域を表す。ここで外挿方法としては種々の方法を用いることができ、単純には例えば多項式近似を用いることができる。
図1の矢印の左側では、実際に寸法測定を行った露光量およびフォーカス位置からなる曲線1,3により規定される範囲でプロセスウィンドー4が開かれている。すなわち、プロセスウィンドー4は許容境界を表す曲線1,3によって規定される範囲の内側の領域として定義される。本実施の形態では、プロセスウィンドーの形状を例えば楕円としている。しかしながら、プロセスウィンドーの形状はこれに限定されず、その他の形状、例えば矩形等としてもよい。
図1の矢印の右側では、曲線1,3およびこれらを外挿した曲線5,7により規定される拡張された範囲でプロセスウィンドー8が開かれている。つまり、露光−フォーカス曲線(曲線1,3)を外挿することで、プロセスウィンドー4は外挿され、プロセスウィンドー8は、その縦方向(この場合、フォーカス方向)の径がプロセスウィンドー4に比べてより長い楕円形状となっている。なお、図1では、曲線1,3の外挿は、図中上方に向けて行われているが、これは一例を示すものであり、図中下方に向けて外挿することもできる。
ここで、プロセスウィンドー8においては、外挿した部分の信頼性が問題となる。すなわち、外挿した部分は実測値ではないので、その部分が実際にパターンの寸法を許容範囲内とするような露光量およびフォーカス位置を与えるかどうかは保障されておらず、また、そのような信頼性を定義する指標もこれまで存在していない。そこで、外挿した部分の解析信頼性を定義することで、このプロセスウィンドーの信頼性を定義する必要がある。
図2は、露光量−フォーカス空間内において、露光処理を行い寸法測定を実行した領域(FEMサンプリング空間)の一例を示す図である。図2では、FEM(Focus Exposure Matrix)サンプリング空間10は、寸法測定を実行したすべての露光ショットの露光量およびフォーカス位置の点の集合を表し、一例として、各点の集合が例えば円周およびその内部に位置する場合を示している。
FEMサンプリング空間10の内部とその外部とでは解析の信頼性が異なるし、また、内部であっても中心付近と円周付近とでは解析の信頼性は異なる。例えば、線分11aに沿って円の中心から外部へ移動した場合にも解析の信頼性は変化するし、これは線分11b、11cについても同様である。そこで、本実施の形態では、まず、寸法測定を実行した露光量およびフォーカス位置の点(プロセス条件)に基づき(すなわち、FEMサンプリング空間内の点に基づき)、任意の露光量(E)およびフォーカス位置(F)の点(プロセス条件)に対する解析信頼性を下記(1)式で算出されるMにより定義する。
ここで、E0とF0はそれぞれ寸法測定を行ったすべての露光ショットの露光量とフォーカス位置の平均値であり、σE,σFはそれぞれその分散の平方根である。また、pは任意に設定可能な正の実数であるが、通常3程度の値をとる。p=3としたときには、3シグマの信頼性を基準としてMを定義することになる。(1)式からわかるように、Mは(E,F)が平均値(E0,F0)から遠ざかるにつれて大きくなる。
(1)式は、露光量−フォーカス空間内における任意の点の解析信頼性を、FEMサンプリング空間内のサンプル点に基づき、マハラノビス(Mahalanobis)距離的な汎距離を用いて定義したものである。Mの定義としては(1)式に限定されず種々の定義が可能であり、例えば下記(2)式により定義することもできる。
ここで、E0,F0,σE,σF,pは(1)式と同様である。(2)式では、露光量−フォーカス空間において、中心を(E0,F0)、E軸方向の径をpσE、F軸方向の径をpσFとする楕円の内部ではMを1とし、外部ではMを(1)と同様に定義している。
次に、この解析信頼性Mを用いてプロセスウィンドーの信頼性Rを下記(3)式で定義する。
ここでαは任意に設定可能な負の実数であるが、例えば−1程度の値である。また、積分領域(window)は、信頼性評価の対象となるプロセスウィンドーの内部領域を表す。
(3)式の右辺の分子では、プロセスウィンドーの内部の各点についての解析信頼性Mを(1)式または(2)式に基づいて算出し、次にMαを算出してこのMαを積分領域(window)について積分している。また、(3)式の右辺の分母は規格化を行うものである。このように、プロセスウィンドーについてMαを平均化してその信頼性を算出する。実験者は、このRを指標としてプロセスウィンドーが外挿された場合も含めてその信頼性を評価することができ、Rに基づいてプロセスウィンドーの適用の是非を判断することができる。具体的には、例えば、Rが所定の閾値以上の場合にプロセスウィンドーの半導体製造工程への適用を決め、Rが所定の閾値よりも小さい場合にはプロセスウィンドーを半導体製造工程に適用しないなど、判断基準とすることができる。
なお、信頼性Rの定義においてMの負のべき乗を積分するのは、(1)式または(2)式において解析信頼性Mが平均値(E0,F0)から遠ざかるにつれて大きくなるように定義されているからである。一般に、信頼性というときに平均値から遠い部分が大きくなるほど信頼性は低くなるものなので、Mの定義との関係で通常の信頼性の意味と一致するように信頼性Rを定義した。
図3は、2つの異なるFEMサンプリング空間に基づいてプロセスウィンドーを開いた場合の信頼性の違いを説明するための図である。図3では、露光量を横軸に、フォーカス位置を縦軸とする露光量−フォーカス空間において、第1のFEMサンプリング空間12と、これとは異なる第2のFEMサンプリング空間13とが示されている。
また、曲線20および曲線21は、パターンの寸法が許容範囲のそれぞれ上下限に対応するような露光量−フォーカス曲線を外挿したものである。詳細には、第1のFEMサンプリング空間12のサンプル点に基づいて曲線20,21を算出する場合には、曲線20、21のうち第1のFEMサンプリング空間12内の部分は実測値に基づいて算出された部分であり(図1でいえば曲線1,3に相当する。)、曲線20、21のうち第1のFEMサンプリング空間12外の部分は外挿に基づいて算出された部分である(図1でいえば曲線5,7に相当する。)。同様に、第2のFEMサンプリング空間13のサンプル点に基づいて曲線20,21を算出する場合には、曲線20、21のうち第2のFEMサンプリング空間13内の部分は実測値に基づいて算出された部分であり(図1でいえば曲線1,3に相当する。)、曲線20、21のうち第2のFEMサンプリング空間13外の部分は外挿に基づいて算出された部分である(図1でいえば曲線5,7に相当する。)。
図3では、許容境界を表す曲線20,21よって規定される範囲の内側に、例としてプロセスウィンドー14,15を開いている。これら2つのプロセスウィンドーは、横軸(露光量)方向の径の長さが互いに異なり、プロセスウィンドーの作成の自由度を表している。なお、楕円又は円形状のプロセスウィンドーの露光量方向の径の長さをEL(Exposure Latitude)で表す(図1を参照)。
プロセスウィンドー14,15の各信頼性Rを評価する場合に、第1のFEMサンプリング空間12に基づいて評価するか、または第2のFEMサンプリング空間13に基づいて評価するかにより、各信頼性Rの値が異なる。これは、露光量−フォーカス空間において、プロセスウィンドー14,15の第1のFEMサンプリング空間12または第2のFEMサンプリング空間13に対する相対的な位置関係が異なるからである。例えば、プロセスウィンドー15の信頼性Rを評価する場合に、第1のFEMサンプリング空間12に基づいて評価した場合には、外挿部分がそれほど大きくないので信頼性Rは高くなることが予想される。一方、第2のFEMサンプリング空間13に基づいて評価した場合には、外挿部分がプロセスウィンドー15の上側で大きくなっており信頼性Rは低くなることが予想される。
図4は、図3に示す2つのFEMサンプリング空間12,13に基づく解析結果と信頼性の値をプロットした図である。図4において、横軸はプロセスウィンドーのELを表し、縦軸はフォーカス深度DOF(Depth Of Focus)または信頼性Rを表す。詳細には、フォーカス深度曲線23に対しては、縦軸はフォーカス深度DOF(Depth Of Focus)を表し、信頼性曲線31または32に対しては、縦軸は信頼性Rを表す。
フォーカス深度曲線23は、図3にて許容境界を表す曲線20,21より規定される範囲内にプロセスウィンドーを開く場合に、プロセスウィンドーの露光量方向の径長であるELに応じてプロセスウィンドーのフォーカス位置方向の径長であるDOFが変化することを示している。具体的には、フォーカス深度曲線23は、ELをより小さくしてプロセスウィンドーを開くとDOFが大きくなることを示しているが、これは図3のプロセスウィンドー14,15の関係と整合する。
信頼性曲線31は、図3のFEMサンプリング空間12に基づいてプロセスウィンドーを開いた場合の信頼性RをELに応じてプロットしたものである。このとき、プロセスウィンドー内の点の解析信頼性Mを算出するのに例えば(1)式を用い、続いて(2)式を用いてRを算出する。同様に、信頼性曲線32は、図3のFEMサンプリング空間13に基づいてプロセスウィンドーを開いた場合の信頼性RをELに応じてプロットしたものである。図3に示すように、FEMサンプリング空間12に基づいてプロセスウィンドーを開いた場合の信頼性R(信頼性曲線31)のほうが、FEMサンプリング空間13に基づいてプロセスウィンドーを開いた場合の信頼性R(信頼性曲線32)よりも信頼性が高いことが定量的にわかる。プロセスウィンドーの中心(平均)となるプロセス条件とFEMサンプリング空間の中心(平均)となるプロセス条件とが近い場合には信頼性Rが大きく、遠い場合には信頼性Rが小さくなる。
実験者は閾値24を設定し、信頼性曲線31または32と閾値24とを比較し、信頼性曲線31または32が閾値24以上の場合にはプロセスウィンドーの信頼性が確保されていると判断してこのプロセスウィンドーを半導体製造工程に適用することができる。また、比較の結果、信頼性曲線31または32が閾値24より小さい場合にはプロセスウィンドーの信頼性が確保されていないと判断してこのプロセスウィンドーを半導体製造工程に適用しないことで、露光条件出しの誤りを最小限に抑えることができる。信頼性曲線31に対しては、ELがa以上となるようなプロセスウィンドーに対して信頼性が確保され、一方、信頼性曲線32に対しては、ELがb以上となるようなプロセスウィンドーに対して信頼性が確保されていることがわかる。このように、FEMサンプリング空間12に基づいてプロセスウィンドーを開いた場合のほうが選択の自由度がより大きくなる。
なお、以上の説明から明らかなように、プロセスウィンドーの信頼性Rは、プロセスウィンドーを外挿した場合のみならず、実測値のみに基づいて求めた場合を含む一般の場合に適用することができる。
上述したリソグラフィープロセスウィンドー解析方法は、当該解析方法に従って動作するリソグラフィープロセスウィンドー解析システムによって実現することが可能である。特に、当該解析方法の手順が記述されたプログラムによって動作が制御されるコンピュータによって実現することが可能である。その際、例えば、CPUなどの制御装置と、ROM(Read Only Memory)やRAMなどの記憶装置と、HDDなどの外部記憶装置と、ディスプレイ装置などの表示装置と、キーボードやマウスなどの入力装置を備えた通常のコンピュータを利用したハードウェア構成を利用することができる。
本実施の形態によれば、プロセスウィンドーを外挿して求めた場合なども含め、プロセスウィンドーの信頼性の評価を与えることができるので、リソグラフィー工程における露光条件出しの誤りを最小限に抑え、歩留まりを確保することができる。
1〜3,5〜7,20,21;曲線、4,8,14,15;プロセスウィンドー、10,12,13;FEMサンプリング空間、11a、11b、11c;線分、23;フォーカス深度曲線、24;閾値、31,32;信頼性曲線
Claims (5)
- 感光性基板上に露光量とフォーカス位置とを変化させて複数回の露光処理を行い、前記感光性基板上に転写された複数の回路パターンの寸法を測定し、少なくとも前記回路パターンの寸法が設計上の許容範囲内となるような露光量およびフォーカス位置についての範囲をもとにプロセスウィンドーを設定するとともに、この設定されたプロセスウィンドーの信頼性の評価を与えるリソグラフィープロセスウィンドー解析方法であって、
前記露光処理を行った露光量およびフォーカス位置からなる複数のプロセス条件に基づいて、任意の露光量およびフォーカス位置からなるプロセス条件に対する解析信頼性Mを設定する第1の工程と、
前記プロセスウィンドーに含まれる各プロセス条件についての前記解析信頼性Mに基づき、前記プロセスウィンドーの信頼性Rを算出する第2の工程と、
前記信頼性Rと所定の閾値との大小関係を比較し、この比較結果に応じて前記プロセスウィンドーの信頼性の有無を判定する第3の工程と、
を含むことを特徴とするリソグラフィープロセスウィンドー解析方法。 - 前記プロセスウィンドーは外挿された領域を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のリソグラフィープロセスウィンドー解析方法。
- 感光性基板上に露光量とフォーカス位置とを変化させて複数回の露光処理を行い、前記感光性基板上に転写された複数の回路パターンの寸法を測定した結果に基づき、少なくとも前記回路パターンの寸法が設計上の許容範囲内となるような露光量およびフォーカス位置についての範囲をもとに設定されたプロセスウィンドーに対して、当該プロセスウィンドーの信頼性を評価するためのリソグラフィープロセスウィンドー解析プログラムであって、
コンピュータに、
前記露光処理を行った露光量およびフォーカス位置からなる複数のプロセス条件に基づいて、任意の露光量およびフォーカス位置からなるプロセス条件に対する解析信頼性Mを設定する第1の手順と、
前記プロセスウィンドーに含まれる各点についての前記解析信頼性Mに基づき、前記プロセスウィンドーの信頼性Rを算出する第2の手順と、
前記信頼性Rと所定の閾値との大小関係を比較し、この比較結果に応じて前記プロセスウィンドーの信頼性の有無を判定してその結果を出力する第3の手順と、
を、実行させるためのリソグラフィープロセスウィンドー解析プログラム。
Priority Applications (2)
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