JP2010002274A - 表面検査装置および照明光の光量制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】、基板を照射する照明光の光量を高い精度で検出して、基板表面の検査精度を向上させることができる、表面検査装置および照明光の光量制御方法を提供する。
【解決手段】 ウェハ１０を載置保持するホルダ２０と、ホルダ２０により載置保持されたウェハ１０の表面に照明光を照射する照明光学系３０と、照明光が照射されたウェハ１０の表面からの光を検出する撮像光学系４０と、撮像光学系４０で検出された光に基づいて、ウェハ１０の表面における欠陥の有無を検査する画像処理装置５０とを有する表面検査装置１において、ホルダ２０の照明光を受ける位置に設けられた反射部６１と、照明光が照射された反射部６１からの正反射光の光量を検出する光量検出部６２と、光量検出部６２により検出された光量に基づいて照明光の光量制御を行う制御装置５５とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェハや液晶基板等の表面を検査する表面検査に関する。

半導体回路素子や液晶表示素子の製造工程では、半導体ウェハや液晶基板（以降、総じて「基板」と称する）の表面に形成された繰り返しパターン（配線パターン等のライン・アンド・スペースのパターン）等の検査が行われる。自動化された表面検査装置では、チルト可能なホルダの上に基板を載置し、基板の表面に検査用の照明光（非偏光）を照射し、基板上の繰り返しパターンから発生する回折光（例えば、１次回折光）に基づいて基板の画像を取り込み、この画像の明暗差（コントラスト）に基づいて繰り返しパターンの異常箇所を特定する。さらに、このような表面検査装置は、ホルダをチルト調整することにより、基板上の繰り返しピッチが異なる繰り返しパターン等の検査を行うことができる（例えば、特許文献１を参照）。

基板の表面に形成された繰り返しパターンを検査する技術として、上述のような回折光を用いた検査（以降、このような検査を回折検査と称する）の他、正反射光を用いた検査（以降、このような検査を正反射検査と称する）や、パターンの構造性複屈折による偏光状態の変化を利用した検査（以降、このような検査をＰＥＲ検査と称する）等がある。これらの検査方法によれは、露光装置のデフォーカスやドーズシフトに基づく線幅不良、レジスト塗布不良等を、高速かつ高精度で検出することができる。

このような表面検査装置では、基板へ照射する照明光の光量制御を行うため、例えば、光源から基板を照らす照明光学系へと導光するガイドファイバから分岐した光量検出用ファイバの射出端に、照明光の光量を検出する光量センサを設けている。
特開２００２−１６２３６８号公報

しかしながら、光量検出用ファイバに設けられた光量センサを用いると、光源からの光を導くガイドファイバの射出端から検出部までの間に、設けられている光学系に歪みや細かな傷、塵埃付着といった不具合が生じた場合、センサにより検出される照明光量と、実際に基板に照射される照明光量との間に誤差が生じてしまい、基板検査における精度が低下するという問題があった。

また、ホルダ上の照明光を受ける位置にセンサを設けると、被検基板が大きく、例えば有効径が３００ｍｍほどある場合、この有効径の中心部分と、センサが設けられているホルダの有効径外縁付近とでは、到達する光量の差に大きな違いあるが、近年の表面検査に用いるＣＣＤ等の撮像素子の高画素化に伴い、ダイナミックレンジを大きく取ることが難しく、検出される照明光量に誤差が生じ易いという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、基板を照射する照明光の光量を高い精度で検出して、基板表面の検査精度を向上させることができる、表面検査装置および照明光の光量制御方法を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る表面検査装置は、被検基板を載置保持するホルダと、前記ホルダにより載置保持された前記被検基板の表面に照明光を照射する照明部と、前記照明光が照射された前記被検基板の表面からの光を検出する第１検出部と、前記第１検出部で検出された光に基づいて、前記被検基板の表面における欠陥の有無を検査する検査部とを有する表面検査装置において、前記ホルダの前記照明光を受ける位置に設けられた反射部と、前記照明光が照射された前記反射部からの正反射光の光量を検出する第２検出部と、前記第２検出部により検出された光量に基づいて、前記照明光の光量制御を行う制御部とを有する。

なお、前記第２検出部は、前記照明部から前記第１検出部に至る光路上の、前記第１検出部の直前に挿抜可能に設けられていることが好ましい。

また、前記反射部は、鏡面加工されていることが好ましい。

また、前記ホルダは、前記被検基板と接触する基板接触面に開口する凹溝を有し、前記反射部は、前記基板接触面の前記凹溝の底部に設けられていることが好ましい。

また、前記ホルダは、傾動して前記被検基板の載置角度を変更できることが好ましい。

また、前記ホルダは、セラミックス製であることが好ましい。

また、本発明の照明光の光量制御方法は、上記の表面検査装置を用いて、前記検査部による前記被検基板の表面検査の開始直前に、前記第２検出部により前記反射部からの前記正反射光の光量を検出し、前記制御部により前記第２検出部が検出した光量に基づいて、前記照明光の光量制御を行う。

また、本発明の照明光の光量制御方法は、上記の表面検査装置を用いて、前記検査部による前記被検基板の表面検査が所定枚数終了する毎に、前記第２検出部により前記反射部からの前記正反射光の光量を検出し、前記制御部により前記第２検出部が検出した光量に基づいて、前記照明光の光量制御を行う。

本発明によれば、基板を照射する照明光の光量を高い精度で検出して、基板表面の検査精度を向上させることができる、表面検査装置および照明光の光量制御方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本実施形態の表面検査装置１は、図１に示すように、被検基板である半導体ウェハ１０（以下、ウェハ１０と称する）を支持するホルダ２０と、照明光学系３０と、撮像光学系４０と、画像処理装置５０と、制御装置５５とを主体に構成される。表面検査装置１は、半導体回路素子の製造工程において、ウェハ１０の表面の検査を自動的に行う装置である。ウェハ１０は、最上層のレジスト膜への露光・現像後、不図示の搬送系により、不図示のウェハカセットまたは現像装置から運ばれ、ホルダ２０に吸着保持される。

ウェハ１０の表面には、図２に示すように、複数のチップ領域１１がＸＹ方向に配列され、各チップ領域の中に所定の繰り返しパターン１２が形成されている。繰り返しパターン１２は、図３に示すように、複数のライン部２Ａがその短手方向（Ｘ方向）に沿って一定のピッチＰで配列されたレジストパターン（例えば、配線パターン）である。隣り合うライン部２Ａ同士の間は、スペース部２Ｂである。なお、ライン部２Ａの配列方向（Ｘ方向）を「繰り返しパターン１２の繰り返し方向」と称する。

ここで、繰り返しパターン１２におけるライン部２Ａの線幅Ｄ_Aの設計値をピッチＰの１／２とする。すなわち、繰り返しパターン１２は、ライン部２Ａとスペース部２ＢとをＸ方向に沿って交互に配列した凹凸形状を有しており、適正な露光フォーカスで設計値の通りに形成された場合、ライン部２Ａの線幅Ｄ_Aとスペース部２Ｂの線幅Ｄ_Bは等しくなり、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比は略１：１になる。このような理想的な形状の場合、後述の撮像光学系４０で検出される偏光成分の光量（光の強度）は最も大きくなる。これに対し、露光フォーカスが適正値から外れると、ピッチＰは変わらないが、ライン部２Ａの線幅Ｄ_Aが設計値と異なってしまうとともに、スペース部２Ｂの線幅Ｄ_Bとも異なってしまい、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比が略１：１から外れる。このとき、偏光成分の光量は理想的な場合と比較して小さくなる。

本実施形態の表面検査装置１は、上記のような繰り返しパターン１２におけるライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比の変化を利用して、繰り返しパターン１２の欠陥検査を行うものである。上述したように、体積比の変化は、露光フォーカスの適正状態からの外れに起因し、ウェハ１０のショット領域毎に現れる。

また、本実施形態においては、繰り返しパターン１２に対する照明光（後述する直線偏光Ｌ）の波長と比較して繰り返しパターン１２のピッチＰが十分小さいものとする。このため、繰り返しパターン１２から回折光が発生することはなく、繰り返しパターン１２の欠陥検査を回折光により行うことはできない。

表面検査装置１のホルダ２０は、ウェハ１０を上面で支持して、例えば真空吸着により固定保持する。さらに、ホルダ２０は、ホルダ上面の中心における法線Ａ１を中心軸として回転可能である。この回転機構によって、ウェハ１０における繰り返しパターン１２の繰り返し方向（図２および図３におけるＸ方向）を、ウェハ１０の表面内で回転させることができる。また、ホルダ２０は、ホルダ上面を通る軸Ａ２を中心に、チルト（傾動）可能である。これにより、ウェハ１０の載置角度を変更することができる。

本実施形態においては、繰り返しパターン１２の欠陥検査の感度を最も高くするため、ウェハ１０における繰り返しパターン１２の繰り返し方向を、図４に示すように、ウェハ１０の表面における照明光（直線偏光Ｌ）の振動方向に対して、４５度の角度に傾けて設定する。なお、角度は４５度に限らず、２２．５度や６７．５度など任意角度方向に設定可能である。

照明光学系３０は、図１に示すように、特定の波長を有する光を射出する照明装置３１と、第１の偏光板３２と、第１の凹面反射鏡３３とを有して構成される。照明装置３１は、光源３１ａと、特定の波長を有する光を選択的に透過させる波長選択部３１ｂと、波長選択部３１ｂを透過した光を案内するライトガイドファイバ３１ｃとを主体に構成される。なお、光源３１ａは、メタルハイドランプや水銀ランプ等の放電光源を内蔵しており、図示しない電源ユニットから供給される電力により、例えば１８０ｎｍ〜６００ｎｍ程度の波長領域の光を射出するようになっている。なお、電源ユニットは、後述の制御装置５５と電気的に接続されており、制御装置５５から出力される制御信号により、光源３１ａに供給する電力が制御される（すなわち、光源３１ａから照射される照明光の光量が制御される）。

第１の偏光板３２は、照明装置３１と第１の凹面反射鏡３３との間の光路上に挿抜可能に配設され、照明装置３１から射出された光を透過軸の向きに応じた直線偏光Ｌ（図４を参照）にする。第１の凹面反射鏡３３は、球面の内側を反射面とした反射鏡であり、前側焦点が照明装置３１のライトガイドファイバ３１ｃの射出端と略一致し、後側焦点がウェハ１０の表面と略一致するように、ホルダ２０の斜め上方に配置されている。そして、第１の凹面反射鏡３３は、第１の凹面反射鏡３３で反射する第１の偏光板３２からの光を平行光束にして、被検基板であるウェハ１０へ照射する。

すなわち照明光学系３０は、ウェハ１０側に対してテレセントリックな光学系である。なお、第１の凹面反射鏡３３よりウェハ１０側の照明光学系３０の光軸Ｏ１は、ホルダ２０の法線Ａ１に対して角度θiだけ傾けられ、ホルダ２０のチルト軸Ａ２に対して直交している。

上記の照明光学系３０において、照明装置３１からの光は、第１の偏光板３２および第１の凹面反射鏡３３を介してｐ偏光の直線偏光Ｌとなり、照明光としてウェハ１０の表面全体に入射する。このとき、直線偏光Ｌの進行方向（ウェハ１０表面上の任意の点に到達する直線偏光Ｌの主光線の方向）は光軸Ｏ１に略平行であることから、ウェハ１０の各点における直線偏光Ｌの入射角度は、平行光束のため互いに同じであり、光軸Ｏ１と法線Ａ１とのなす角度θiに相当する。

なお、本実施形態では、ウェハ１０に入射する直線偏光Ｌがｐ偏光であるため、図４に示すように、繰り返しパターン１２の繰り返し方向が直線偏光Ｌの入射面（ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌの進行方向）に対して４５度の角度に設定された場合、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌの振動方向と繰り返しパターン１２の繰り返し方向とのなす角度も、４５度に設定される。言い換えると、直線偏光Ｌは、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌの振動方向が繰り返しパターン１２の繰り返し方向に対して４５度傾いた状態で、繰り返しパターン１２を斜めに横切るようにして繰り返しパターン１２に入射することになる。

撮像光学系４０は、図１に示すように、第２の凹面反射鏡４１と、第２の偏光板４２と、開口絞り４３と、結像レンズ４４と、撮像装置４５とを有して構成され、その光軸Ｏ２がホルダ２０の中心を通る法線Ａ１に対して角度θiと同じ角度θrだけ傾くように配設される。したがって、ウェハ１０の表面（繰り返しパターン１２）で正反射した正反射光は、撮像光学系４０の光軸Ｏ２に沿って進行することになる。第２の凹面反射鏡４１は、第１の凹面反射鏡３３と同様の反射鏡であり、ウェハ１０からの正反射光は、第２の凹面反射鏡４１で反射するとともに集光され、第２の偏光板４２、開口絞り４３、結像レンズ４４、および撮像装置４５の撮像レンズを経て撮像装置４５の撮像面上に達し、ウェハ１０の像が結像される。

第２の偏光板４２は、第２の凹面反射鏡４１と開口絞り４３との間の光路上に挿抜可能に配設され、第２の偏光板４２の透過軸の方位は、上述した照明光学系３０の第１の偏光板３２の透過軸に対して直交するように設定されている（クロスニコルの状態）。したがって、第２の偏光板４２により、ウェハ１０（繰り返しパターン１２）からの正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分（例えば、ｓ偏光の成分）を抽出して、撮像装置４５に導くことができる。その結果、撮像装置４５の撮像面には、ウェハ１０からの正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分によるウェハ１０の反射像が形成される。

撮像装置４５は、例えばＣＣＤ撮像素子等から構成され、撮像面に形成されたウェハ１０の反射像を光電変換して、画像信号を画像処理装置５０に出力する。ウェハ１０の反射像の明暗は、撮像装置４５で検出された偏光成分の光量（光の強度）に略比例し、繰り返しパターン１２の形状に応じて変化する。ウェハ１０の反射像が最も明るくなるのは、繰り返しパターン１２が理想的な形状の場合である。なお、ウェハ１０の反射像の明暗は、ショット領域毎に現れる。

画像処理装置５０は、撮像装置４５から出力される画像信号に基づいて、ウェハ１０の反射画像を取り込む。なお、画像処理装置５０は、比較のため、良品ウェハの反射画像を予め記憶している。良品ウェハとは、繰り返しパターン１２が理想的な形状で表面全体に形成されたものである。そのため、良品ウェハの反射画像の輝度情報（信号強度）は、最も高い輝度値を示すものと考えられる。

したがって、画像処理装置５０は、被検基板であるウェハ１０の反射画像を取り込むと、その輝度情報（信号強度）を良品ウェハの反射画像の輝度情報（信号強度）と比較する。そして、ウェハ１０の反射画像における暗い箇所の輝度値の低下量に基づいて、繰り返しパターン１２の欠陥を検出する。例えば、光量変化が予め定められた閾値（許容値）より大きければ「欠陥」と判定し、閾値より小さければ「正常」と判断すればよい。そして、画像処理装置５０による輝度情報（信号強度）の比較結果およびそのときのウェハ１０の反射画像が図示しないモニターで出力表示される。

なお、画像処理装置５０においては、上述のように、画像記憶部５１に良品ウェハの反射画像を予め記憶しておく構成の他、ウェハ１０のショット領域の配列データと輝度値の閾値を予め記憶しておく構成でもよい。この場合、ショット領域の配列データに基づいて、取り込まれたウェハ１０の反射画像中における各ショット領域の位置が分かるので、各ショット領域の輝度値を求める。そして、その輝度値と記憶されている閾値とを比較することにより、パターンの欠陥を検出する。閾値より輝度値が小さいショット領域を「欠陥」と判断すればよい。

制御装置５５は、ホルダ２０や照明装置３１等の作動を統括的に制御する。また、制御装置５５には、オペレータが入力操作を行う情報入力装置５６が電気的に接続されている。

さらに、表面検査装置１は、図５に示すように、ホルダ２０の照明光を受ける位置に設けられた反射部６１と、照明光が照射された反射部６１からの正反射光の光量を検出する光量検出部６２（図１参照）とを有し、光量検出部６２は検出信号を制御装置５５に出力し、制御装置５５により光源３１ａから出射される照明光の光量確認および制御（監視）を行う（実際には、不図示の電源ユニットから光源３１ａに供給される電力を制御する）。

この構成により、ウェハ１０を照射する照明光の光量を高い精度で検出することができるため、常に所定光量でウェハ１０を照射することが可能であり、ウェハ１０の表面の検査精度を向上させることができる。

なお、光量検出部６２は、照明光学系３０から撮像光学系４０に至る光路上の、撮像装置４５の直前に、挿抜可能に設けられていることが好ましい。この構成により、照明ムラなどの外乱の影響を受けにくくなる上、撮像装置４５で受光する光のほぼ全てを光量検出部６２において検出することができる。その結果、照明光の光量検出の精度が上がり、ひいてはウェハ１０の表面検査の精度の向上につながる。

また、反射部６１は、鏡面加工されていることが好ましい。この構成により、反射部６１における光の散乱を低減し、光量検出部６２に導かれる光強度を向上させることができる。すなわち、光量検出部６２に入射する光の強度が強くできることにより微小な変化も検出可能となり光量検出の精度を上げることができる。

また、反射部６１は、図５に示すように、ホルダ２０に形成されているウェハ１０と接触する基板接触面２０ａに開口する凹溝２０ｂに設けることもできる。この構成により、ウェハ１０の接触面２０ａとほぼ同じ位置に反射部６１を設けることができるため、実際にウェハ１０に照射されている照明光と同じ光量を検出することができる。

また、ホルダ２０は、軽量で高剛性な材料である、セラミックス製であることが好ましい。セラミックスは、高硬度材料であって耐摩耗性に優れており、ウェハ１０の平面精度を維持しつつ該ウェハ１０を保持することができ、さらにホルダ２０に対するウェハ１０のロード及びアンロードを繰り返した場合でも摩耗し難い。また、ホルダ２０の基板接触面２０ａの面積を狭める（すなわちウェハ１０の支持部分を細くする）ことができるため、（鏡面加工された）反射部６１を設ける凹溝底部２０ｂの面積が拡がり、その結果、照明光量の検出精度を上げることができる。

ここで、図６のフローチャートを用いて、表面検査装置１における照明光量の検出処理の一例を説明する。まず、（ウェハ１０が載置されていない状態で）正反射条件を満足するようにホルダ２０を傾動する（ステップＳ１）。次に、照明光学系３０から撮像光学系４０に至る光路上の、撮像装置４５の直前の所定位置に光量検出部６２を挿入する（ステップＳ２）。続いて、制御装置５５により光源３１ａに電力を供給して、ホルダ２０に向けて照明光を照射する（ステップＳ３）。そして、光量検出部６２により、ホルダ２０上の反射部６１に照射された照明光の光量を検出する（ステップＳ４）。なお、光量検出部６２は、その後、検出信号を制御装置５５に送信する。すると、制御装置５５は受信した検出信号に基づいて光源３１ａへの電力を制御し、照明光量の制御を行う（ステップＳ５）。そして、光路上から光量検出部６２を退避させる（ステップＳ６）とともに、ホルダ２０を傾動して表面検査に適するようにウェハ１０の載置角度に戻し（ステップＳ７）、本処理を終了する。その後、検査用のウェハ１０がホルダ２０の上面に載置されて、ウェハ１０の表面の繰り返しパターン１２に対する欠陥検査が開始され、所定枚数終了後にはステップＳ１の処理に戻る。

なお、上記のような照明光の光量のチェックは、ウェハ１０の表面検査の開始直前や、所定枚数（例えば、カセット単位）の表面検査が終了する毎など、定期的に行うことが好ましい。これは、ウェハ１０の表面検査の直前に、光量検出部６２により照明光量の検出を行って照明光量の制御を行うことで、高い精度でのウェハの表面検査を実施することが可能となるからである。

上述の実施形態において、反射部６１は、ウェハ１０を載置するホルダ２０の表面に設けられているが、これに限られるものではない。例えば、図７に示すように、ホルダ２０の裏面に鏡面加工を施し、これを反射部６１としてもよい。この場合、ウェハ１０をホルダ２０に載置する直前にホルダ２０を回転し、続いてホルダ２０の裏面の反射部６１が正反射条件を満足するようにホルダ２０を傾動し、光量検出部６２により照明光の光量検出を行うことが可能である。

また、上述の実施形態において、照明光の光量制御を、不図示の電源ユニットから光源３１ａに供給される電力を制御することで行っているが、例えば、減光フィルター等を用いて行ってもよい。

また、上述の実施形態において、照明光学系３０がウェハ１０の表面に照明光として直線偏光Ｌを照射し、撮像光学系４０がウェハ１０からの正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分によるウェハ１０の像を撮像しているが、これに限られるものではない。例えば、第１および第２の偏光板３２，４２を光路上から抜去した状態で、照明光学系３０によりウェハ１０の表面に（偏光でない）照明光を照射し、撮像光学系４０によりウェハ１０の表面から発せられた回折光によるウェハ１０の像を撮像するようにしてもよい。このように、ウェハ１０の表面に照射する照明光は、直線偏光に限らず、直線偏光以外の楕円偏光や通常の照明光であっても、本発明を適用可能である。

本発明に係る表面検査装置の全体構成を示す図である。 半導体ウェハの表面の外観図である。 繰り返しパターンの凹凸構造を説明する斜視図である。 直線偏光の入射面と繰り返しパターンの繰り返し方向との傾き状態を説明する図である。 本発明に係るホルダの構成を示す図である。 照明光量の検出処理について説明するフローチャートである。 本発明に係るホルダの別の構成を示す図である。

符号の説明

１ 表面検査装置
１０ ウェハ（被検基板）
２０ ホルダ
２０ｂ 凹溝
３０ 照明光学系（照明部）
３１ 照明装置
３１ａ 光源
４０ 撮像光学系（検出部）
５０ 画像処理装置（検査部）
５５ 制御装置
６１ 反射部
６２ 光量検出部

Claims (8)

1. 被検基板を載置保持するホルダと、
   前記ホルダにより載置保持された前記被検基板の表面に照明光を照射する照明部と、
   前記照明光が照射された前記被検基板の表面からの光を検出する第１検出部と、
   前記第１検出部で検出された光に基づいて、前記被検基板の表面における欠陥の有無を検査する検査部とを有する表面検査装置において、
   前記ホルダの前記照明光を受ける位置に設けられた反射部と、
   前記照明光が照射された前記反射部からの正反射光の光量を検出する第２検出部と、
   前記第２検出部により検出された光量に基づいて、前記照明光の光量制御を行う制御部とを有することを特徴とする表面検査装置。
2. 前記第２検出部は、前記照明部から前記第１検出部に至る光路上の、前記第１検出部の直前に挿抜可能に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
3. 前記反射部は、鏡面加工されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面検査装置。
4. 前記ホルダは、前記被検基板と接触する基板接触面に開口する凹溝を有し、
   前記反射部は、前記基板接触面の前記凹溝の底部に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の表面検査装置。
5. 前記ホルダは、傾動して前記被検基板の載置角度を変更できることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の表面検査装置。
6. 前記ホルダは、セラミックス製であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の表面検査装置。
7. 請求項１〜６に記載の表面検査装置を用いて、
   前記検査部による前記被検基板の表面検査の開始直前に、
   前記第２検出部により前記反射部からの前記正反射光の光量を検出し、
   前記制御部により前記第２検出部が検出した光量に基づいて、前記照明光の光量制御を行うことを特徴とする照明光の光量制御方法。
8. 請求項１〜６に記載の表面検査装置を用いて、
   前記検査部による前記被検基板の表面検査が所定枚数終了する毎に、
   前記第２検出部により前記反射部からの前記正反射光の光量を検出し、
   前記制御部により前記第２検出部が検出した光量に基づいて、前記照明光の光量制御を行うことを特徴とする照明光の光量制御方法。

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