JP6183202B2 - アッシング装置およびアッシング方法 - Google Patents

Description

この発明は、紫外線ランプを用いて基板上のスミア（残渣）を除去するアッシング装置およびアッシング方法に関するものであり、特に、配線基板の製造工程等で基板上に残留した有機物系からなるスミアを処理するのに好適なアッシング装置およびアッシング方法に係わるものである。

半導体集積回路素子等の半導体素子を搭載するため、絶縁層と配線導体とを交互に積層した多層配線基板が知られている。
かかる多層配線基板としては、ビルドアップ法が知られていて、下層の絶縁層上に形成された下層の配線導体と、該下層の絶縁層上および下層の配線導体上に積層された上層の絶縁層上に形成された上層の配線導体とを備え、下層の配線導体を底面として、上層の絶縁層にビアホールを設け、かかるビアホールの内部に前記上層の配線導体の一部を被着させることにより、上層と下層の配線導体を接続している。このような技術については、特開２０１０−２０５８０１号公報（特許文献１）などに記載されている。

図８に特許文献１に開示された多層配線基板の製造方法の一部が示されている。
（Ａ）下層の絶縁層２１上に、配線導体２２を含めて上層の絶縁層２３が形成されている。
（Ｂ）この上層の絶縁層２３の一部を、例えばレーザやドリルによって除去することで、ビアホール２４を形成する。このとき、上層の絶縁層２３の材料に起因するスミア（残渣）Ｓが、不可避的に残ってしまう。
（Ｃ）このスミアＳを除去するため、例えば、アルカリ性溶液によって溶解することによりデスミア（スミア除去）処理し、配線導体２２の上面を露出させる。

このように、上層の絶縁層２３のスミアＳを除去する際に、アルカリ溶液で溶解するという、本来的な基板製造工程とは無関係に基板全体を湿式で処理する必要があることから、スループットが悪いという問題がある。
また、使用済の高濃度アルカリ廃液の処理コストやその後リンスなどで用いた低濃度アルカリ廃液の処理コストが高いという問題もある。

このような問題点を解消すべく、上記基板製造工程におけるデスミア処理においては、従来のアルカリ性溶液を用いた湿式による方法ではなく、乾式（ドライプロセス）による方法が検討されていて、アッシング処理によってスミアを除去することが検討されている。
そのようなプロセスの一案として、酸素が存在する雰囲気下に被処理物である基板を配置し、紫外線として波長２００ｎｍ以下の真空紫外光を照射し、有機物を分解、除去することが検討される。このように、乾式方法でデスミア処理を行うことで、湿式によるデスミア処理後のすすぎや乾燥が不要になり、廃液が発生しない上、次工程への移行を速やかにできて製造コストを大幅に抑えることができるようになる。

このようなアッシング装置として、例えば特開２００７−２２７４９６号公報（特許文献２）や特開２０１１−１８１５３５号公報（特許文献３）等に開示されるものが知られていて、そこには、紫外線を放射するランプを備え、石英ガラス製の窓を介してワークに対して光（真空紫外光）を照射するアッシング処理装置が開示されている。

特許文献２に開示されるアッシング処理装置は、紫外線ランプを保護管内に収容し、ワークをチャンバー内に配置して、ワークを枚葉ごとにアッシング処理するものである。この文献に記載のアッシング装置では、チャンバー内に不活性ガスを導入しつつ排気を行うか、あるいは、チャンバー内の排気のみを行ってアッシング処理する機構である。

特開２０１０−２０５８０１号公報 特開２００７−２２７４９６号公報 特開２０１１−１８１５３５号公報

ところで、上述した配線基板等の製造工程で生じるスミアを除去処理する場合、スミアと同一成分である絶縁層が表面に存在する。スミアの処理を確実に行おうとして、長時間紫外光を照射すると、本来分解されるべきではない絶縁層も分解されてしまうという問題が生じ、この絶縁層が過剰に分解されて、絶縁機能を失うと、そもそも配線基板としての機能を果たすことができなくなってしまう。一方、絶縁層を保護するために、紫外線の積算照射量を少なく見積もると、スミアを完全に除去できず、ビアホールを介した配線導体の導通が不十分になるという事態が生じる。

このような、絶縁層を備える配線基板のアッシング処理においては、例えば半導体基板製造におけるレジストのように、一時的に形成し、その後に全部除去するような一過性に存在する有機物とは異なり、絶縁層は最終製品に必須の構成となるので、いかに絶縁層に影響が及ばないようにスミアを処理するかが問題となる。すなわち、本来必須に存在しなければならない絶縁層と、当該絶縁層を由来とするスミアとが混在する配線基板では、従来のアッシング処理のプロセスとは異なり、長時間処理すればよいということにならないため、従来の装置やプロセスをそのまま採用することができない。

このような特有の課題に対しては、光源（ランプ）と被処理物との照射距離を縮めると、紫外線によるオゾン処理（アッシング）能力が上がることが分かっている。そして、照射距離が近い状態（具体的には３ｍｍ以下）で、処理ガスとして、例えば酸素をもいる場合、その酸素濃度を高く（５０％以上）にすると、さらにその処理能力が上がることも分かっている。

従って、上述した配線基板のような被処理物に対するスミア除去処理においては、光源と被処理物との照射距離を近接化しながら酸素濃度を高くすることが、良好な処理を得る上で必要な条件であると考えられる。しかしながら、処理ガスの流量及び紫外線の照射条件を一定化して最適条件を見出しても、被処理物に処理ムラが生じて、満足できる結果を得ることができないことが判明した。その原因としては、紫外線照射により被処理物のスミアが分解する時に発生する炭酸ガスが被処理空間に留まってしまい、特に、処理ガスの下流側においてその濃度が高くなって、紫外線照射によって得られるはずのオゾンや活性酸素が有効に生成されないことや被処理物への紫外線照射が不充分になるためと推測される。
このような課題は４００ｍｍを越える被処理物（ワーク）のデスミア処理において、特に顕著になった。

以上のような従来技術の問題に鑑み、本発明は、被処理物を内部に配置する処理室と、前記被処理物に紫外線を照射する紫外線ランプを収容し、前記処理室と区画する紫外線透過性の窓部材を有するランプ室と、前記被処理物と前記窓部材の間に形成された処理空間に処理ガスを供給する処理ガス供給手段とを備えたアッシング装置およびアッシング方法において、被処理物のスミアを除去処理する際に、処理ムラが生じることのない構成を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、この発明に係るアッシング装置は、前記処理ガス供給手段が、処理を行うための適正流量の処理ガスを供給可能であると共に、該適正流量を超える大流量の処理ガスを供給可能な制御部を有し、前記大流量の処理ガスを間欠的に供給して、一定時間ごとに前記処理空間内に発生した排ガス（炭酸ガス）を一掃して処理ガスに置換することを特徴とする。

前記処理空間の容積（Ｖ）に対する前記間欠的に供給する前記大流量処理ガスの総流量（Ａ）の比率（置換率Ａ／Ｖ）が、０．６４以上であることを特徴とする。
また、前記処理ガス供給手段が、前記大流量の処理ガス供給期間時に供給する処理ガス流量は、前記適正流量供給時の２倍以上であることを特徴とする。
また、前記処理ガス供給手段は、前記被処理物に紫外線を照射して処理し始める前に、前記大流量の処理ガスを供給して前記処理空間を処理ガスに置換し、その後適正流量に切り替えて紫外線を照射することを特徴とする。
また、この発明に係るアッシング方法は、前記処理ガスを、前記処理空間内に適正流量だけ供給する適正流量供給工程と、前記適正流量を超える大流量の処理ガスを間欠的に供給して、前記処理空間を処理ガスに置換する大流量供給工程と、を有していることを特徴とする。

本発明のアッシング装置およびアッシング方法によれば、通常の処理を行う処理ガスの適正流量に対して大流量の処理ガスを間欠的に供給することで、スミア除去時に発生して処理空間内に溜まった排ガス（炭酸ガス）を速やかに排出して、処理空間内の雰囲気を処理ガス（酸素）に置換することができるので、該処理空間内での処理が的確にかつ速やかに行われ、その処理にムラが生じることなく、的確なスミアの除去が達成できるものである。
また、大流量の処理ガスを供給できるので、その大流量処理ガスを、処理プロセスの前、即ち、紫外線ランプ照射前に供給することで、処理空間の処理ガスによる置換が速やかに行われて、照射処理前の準備時間を短時間で行えるという効果もある。

本発明のアッシング装置の断面図。 本発明の実施形態を説明するタイミングチャート図。 本発明の作用の説明図。 処理均一度を示す実験結果表。 処理均一度の具体的なデータ。 各実験におけるガス置換率の表。 ガス置換率と処理均一度の関係を示すグラフ。 多層配線基板の製造方法の一例を説明する断面図。

図１は、本発明のアッシング装置の構成を示す断面図である。
本発明のアッシング装置１は、被処理物Ｗを内部に配置する処理室２と、被処理物Ｗに紫外線を照射する複数本の紫外線ランプ４、４を収納するランプ室３とからなる。
ランプ室３の下方には、前記処理室２と対向するように石英ガラス等の紫外線透過性の窓部材５が設けられている。前記ランプ室３内の紫外線ランプ４の上方には反射鏡６が設けられていて、該ランプ室３の内部は窒素ガス等の不活性ガス雰囲気に保たれている。
紫外線ランプ４は、真空紫外光（波長２００ｎｍ以下の紫外線）を出射するものであって、種々の公知のランプを利用でき、例えば、キセノンガスを封入したキセノンエキシマランプ（波長１７２ｎｍ）、低圧水銀ランプ（波長１８５ｎｍ）などがあり、なかでも、この種のアッシング装置に用いるものとしては、キセノンエキシマランプが好適である。

一方、処理室２には、筺体７内に被処理物Ｗを戴置するステージ８が配設され、前記ランプ室３と処理室２の筺体７とは気密に組み付けられていて、前記窓部材５とステージ８によって被処理物Ｗを収容する密閉処理空間１０が形成されている。
被処理物Ｗは、図８に示すように、例えば平板状の多層配線基板であり、その表面が絶縁層２３で構成され、当該絶縁層２３に形成されたビアホールからなる開口２４と、開口２４の周囲に絶縁層２３と同物質で構成されたスミア（残渣）Ｓとを有しているものである。

前記処理物Ｗは、図１に示すように、ランプ室３の窓部材５に対向して配置された前記ステージ８上に配置される。この被処理物Ｗとしての配線基板はスミアが処理ガスに曝され、紫外線ランプ４からの光に照射されるように、スミアが処理空間１０に露出する態様で（同図では上側に）配置される。
前記ステージ８の一方の側縁部には処理ガス供給用の給気口１１を備え、他方の側縁部には排気口１２を備えていて、処理空間１０内を流れる処理ガス、紫外線照射によって生成されたオゾンガス、及びスミアの分解によって発生した炭酸ガス等はこの排気口１２から回収される。
そして、前記給気口１１には、処理ガス供給手段１３が接続され、所定の処理ガスが供給される。この処理ガス供給手段１３は、ガスタンクなどの処理ガス供給部１４、制御部１５、流量調整弁１６などからなる。

前記給気口１１、排気口１２の開口部形状は、例えば、ランプ４の管軸方向に沿った細長いスリット形状であり、被処理物Ｗの大きさが５００ｍｍ×５００ｍｍである場合、給気口１１の大きさは、例えば３ｍｍ×６００ｍｍ、排気口１２の大きさは、例えば１０ｍｍ×６００ｍｍである。無論この形態に限定されるものではない。
また、排気口１２の総開口面積は、給気口１１の総開口面積よりも大きいことが好ましい。排出側の開口が大きいことで、ガスの流れが処理空間内で停滞することがなく、給気口１１側から排気口１２側に向かう一方向の一様な流れを形成できて、流れを安定に維持することができる。
このように、区画された処理空間１０の一方の側縁部分から処理ガスが供給され、他方の側縁部分から排気されることにより、被処理物Ｗの表面に、一方から他方に向けてガスが流れ、処理ガスが被処理物Ｗの全体に行き渡るので、処理ムラの発生が低減される。

処理ガスは、具体的には酸素ガスである。また、この酸素ガスに不活性ガスを混合した混合ガスとしてもよい。好ましい酸素濃度は５０％以上、更に好ましくは７０％以上、最も好ましくは９０％以上である。

前記処理ガス供給手段１３の制御部１５は、処理空間１０内に処理ガス（酸素ガス）を、通常処理時には所定の適正流量で供給し、この適正流量よりも大流量の処理ガスを間欠的に供給するように制御している。
適正流量とは、被処理物に残るスミアを一定時間で適正に除去することができる流量であって、処理空間１０の容積、被処理物Ｗの材質や大きさ、被処理物Ｗの表面と窓部材５との離間距離、紫外線ランプ４の出力照度、更には処理ガス濃度などによって決定されるものである。

ここで、前記適正流量の意義は次の通りである。
適正流量の上限を超えて過剰に処理ガスを供給すると、ガス流速が速くなり過ぎて処理ガスから生成した活性種（活性酸素やオゾンガス）が即座に排気口に流されてしまい、被処理物表面のスミア除去の反応に寄与する確率が低減する。その結果、処理の効率（ランプエネルギーや総ガス量と対比した処理の効率）が悪くなる。
一方、処理ガスの供給量が適正流量の下限を下回る場合、アッシング処理開始直後は、処理ガスと紫外線の反応で生じた活性種（活性酸素やオゾンガス）がスミアに作用し、除去が行われるが、スミアの組成に由来して生じる炭酸ガスの濃度が、次第に高濃度になるため、紫外線透過率が悪くなる。この結果、活性種の発生及び被処理物への紫外線照射が不完全になって、効率の低下を招くことになる。
従って、ガスの流量は、処理ガス（活性種）および反応後の残留ガス（炭酸ガス）の流速によって処理の効率が変化することから、処理の効率が一定以上に維持されるよう、適正な範囲（上限値と下限値）が決定されることになる。

本発明に係るアッシング装置は、アッシング処理期間中、被処理物に紫外線が照射された状態で、一定の適正流量で処理ガスを供給しつつ、間欠的（定期的）に、前記一定の適正流量を越える大流量で、処理ガスが供給される。
即ち、適正流量のガスが供給されつつ、間欠的に大流量の処理ガスが供給されるものである。
このように、処理ガスの流量を変化させ、処理プロセス時間内にガス流量を大きくするのは、被処理物上に滞留する炭酸ガスを排気口から放出することで一掃し、処理空間内の雰囲気を処理ガスによって置換して、被処理物上の処理ガス濃度を一定高濃度にリフレッシュするためである。このプロセスが適宜の頻度で繰返されることで、処理能力が向上し、処理ムラの発生を抑えることができる。
そして、大流量とは具体的には、例えば、前記適正流量の２倍以上の流量である。

図２に、ランプ点灯との関係で間欠的な大流量の処理ガスを供給するタイミングチャートが示されている。横軸は時間、縦軸は、処理ガスの供給量（リットル／分）である。時間Ｔ１〜Ｔ４はそれぞれ、Ｔ１：適正流量ガス供給時間（秒）、Ｔ２：大流量ガス供給時間（秒）、Ｔ３：初期置換時間（秒）、Ｔ４：プロセス時間（秒）である。

まず、アッシング処理を開始する以前に、ランプＯＦＦした状態で、処理ガスを供給して、処理空間内のガスを置換して処理ガス雰囲気にする。この初期置換時間Ｔ３は、流量調整弁１６を大流量Ｑ２に設定して処理ガスを供給することにより短時間ですむ。
処理空間のガス雰囲気が処理ガス濃度で、例えば９０％（以上）になったら置換完了とし、アッシングプロセスを開始する。適正流量（一定量）Ｑ１のガスを供給しつつランプをＯＮする（適正流量のガスを供給してランプをＯＮする）。適正ガス流量供給時間Ｔ１が経過した時点でガスの供給量を変えて大流量Ｑ２のガスの供給を開始する。この大流量ガス供給時間Ｔ２の経過後に、再び適正流量Ｑ１に戻してガスを供給する。このように、被処理物に紫外線を照射した状態で、処理ガスを適正流量Ｑ１供給しつつ、間欠的に大流量Ｑ２の処理ガスを供給することによって、Ｔ１とＴ２の期間を交互に繰り返す。
全体のプロセスが終了後、ランプをＯＦＦしてガス供給を停止する。

このように処理ガスの流量を一定流量Ｑ１からそれよりも大流量Ｑ２に間欠的に変化させることによって、アッシング処理の効率が向上する。図３は、タイミングチャート中の矢印Ａ，Ｂ，Ｃの各時点での処理空間の様子を模式的に示した図である。
（Ａ）初期置換時間（Ｔ３）の経過直後は、ランプ点灯初期状態であり処理空間１０内は処理ガスが雰囲気の大部分を占め、窓部材５を通過した紫外線が処理ガス及び被処理物Ｗを照射することで、スミアの分解が効率よく行われる。
（Ｂ）適正流量Ｑ１の供給時間（Ｔ１）において、処理空間１０の上流側〜下流側において処理が進行するが、処理の過程で発生した炭酸ガスがより下流側（排気口１２側）に滞留し、特に、この領域において処理能力が低下する。その結果、上流側と下流側において処理にムラが生じやすくなる。
（Ｃ）大流量Ｑ２で処理ガスを供給することによって、ほとんど全ての炭酸ガスが排気口１２から排出され、処理空間１０内部が処理ガス雰囲気に一新される。すなわち、初期置換時間（Ｔ３）経過直後の状態に雰囲気が切り替わる。

この結果、図３（Ａ）のように、処理ガスが雰囲気の大部分を占め、スミアの分解が被処理物全体で効率よく行われる状態が、定期的に訪れるため、被処理物の処理が、処理ガスの流れの上流側（給気口側）と下流側（排気口側）とで一様に処理され、処理面全体においてムラが生じ難くなる。なお、大流量Ｑ２のガスを供給する期間（Ｔ２）は、適正流量Ｑ１を超えてガスを供給するためスミアの分解は一時的に行われ難くなるが、この期間は短時間に留まるので、全体として処理の効率を向上させることができるようになる。

以下、本発明の実験例について説明する。
図１で示したアッシング装置の構成に基づいて実験用装置を製作し、下記条件で処理を行い、スミア処理の均一度を測定した。
＜実験条件＞
被処理物Ｗ：ビアホール付プリント基板。寸法は５００ｍｍ×５００ｍｍであり、厚みが３５μｍの銅箔上に厚みが３０μｍの絶縁層が形成されたものである。ビアホールは、φ５０μｍ。
ランプ：発光長が７００ｍｍ、直径φ４０ｍｍ。ランプ室に５本のランプを等間隔に並べて配置。ランプの定格入力電力は５００Ｗ。
窓部材：合成石英ガラス製であり、５５０×５５０ｍｍ、厚さは５ｍｍ。
処理ステージ：６５０×６５０ｍｍ、厚さ２０ｍｍ。
処理ガスの供給口と排気口が設けられており、ガス流路の幅は５１０ｍｍ。
被処理物と窓部材とのギャップ（離間距離）は０．５ｍｍ。
ステージは付設されたヒータによって１２０℃に加熱。
処理ガスは、酸素ガス１００％。適正流量Ｑ１は０．３リットル／分。
なお、ランプ室内は、約１００Ｎｌ／ｍｉｎのＮ_２ガスをパージした。これによりランプ室内での紫外線の減衰を極力減じることとした。

比較例としては、処理ガスの適正流量Ｑ１を０．３リットル／分とし、一定の流量で２００秒間流し続けて処理した。
実験例１〜６において、適正流量Ｑ１（０．３リットル／分）に対して、大流量の流量Ｑ２を変化させるとともに、その供給時間Ｔ２と繰り返し回数も変化させた。

処理の均一度は、ビアホール底の炭素（Ｃ）の残量の比較をすることで求めた。
Ｃの残量分析方法は、ＥＤＸ分析を行った。
○装置：走査型電子顕微鏡（ＳＵ−７０ 株式会社日立ハイテクノロジーズ社製）
○測定条件：被処理物を３０°傾斜。加速電圧 １０ｋＶ。ビアホール中央付近約□４．５μｍ程度の領域を測定した。
○観察位置は、処理ガス流の上流（端から３０ｍｍ）、中央、下流（端から３０ｍｍ）の３点であった。
絶縁層の下地のＣｕ配線２２のＣｕの強度と、ビアホール２４底のスミア成分のＣ強度を測定し、強度を質量換算した後にＣ／Ｃｕの質量濃度比を比較した。

スミア未処理状態でのＣ／Ｃｕ比は、０．８０であった。
照射時間が長くなるとスミアは完全に除去されるので、Ｃ／Ｃｕ比は飽和する（０．１以下）。
このため、この実験においては、完全には除去できない照射時間約２００ｓとして、各実験例と比較例における全体のプロセス時間を一定とし、同時間内における処理能力および均一度を測り、評価、判定を行うこととした。

この結果、図４の表１で示すように、間欠的に大流量を流す本発明の実験１〜６においては、いずれも、一定の適正流量のみを流す比較例よりも処理の均一度が向上していることが分かる。
なお、表１における均一度の具体的なデータは図５の表２に示されている。

また、これらの実験例において、大流量処理ガスが流れる時間（Ｔ２）で処理空間内のガスがどの程度の割合で置換されたか（置換率Ａ／Ｖ）をみると、図６の表３およびこの表３をグラフ化した図７で示されるように、置換率０．６４近傍に変曲点があり、特に置換率が０．６４以上になると、Ｃ／Ｃｕ比の均一度が１５％以内に収まり、均一性の高いデスミア処理を行うことができることが判明した。
これに反して処理の均一性が悪い場合、全てのビアホール底のスミアが完全に取れるまで照射が必要なため、デスミアに時間がかかる。
また、処理時間が長くなると、デスミアと同時に絶縁膜表面がアッシングされてしまう。処理ムラが大きいと絶縁層の厚さが変わってくるので、積層された配線間の絶縁破壊電圧のバラツキや、積層された配線間の静電容量に違いが出るために高周波信号応答性のばらつき等の問題となる。

以上説明したように、本発明においては、処理を行うための適正流量の処理ガスを流して紫外線を照射する処理期間中に、該適正流量を超える大流量の処理ガスを間欠的に供給して、一定時間ごとに前記処理空間内に発生した排ガス（炭酸ガス）を一掃して処理ガスに置換するようにしたことにより、被処理物の処理の均一度が向上し、ひいては、処理時間の短縮化が図られるものである。
また、前記大流量処理ガスを、処理プロセスの前段階の処理空間内の雰囲気の置換作業に用いることで、その初期置換時間の短縮化が図れる。

１ アッシング装置
２ 処理室
３ ランプ室
４ 紫外線ランプ
５ 窓部材
６ 反射鏡
７ 処理室筺体
８ ステージ
１０ 処理空間
１１ （処理ガス）給気口
１２ （排ガス）排気口
１３ 処理ガス供給手段
１４ 処理ガス供給部
１５ 制御部
１６ 流量調整弁
Ｗ 被処理物

Claims (5)

1. 被処理物を内部に配置する処理室と、
   前記被処理物に紫外線を照射する紫外線ランプを収容し、前記処理室と区画する紫外線透過性の窓部材を有するランプ室と、
   前記被処理物と前記窓部材の間に形成された処理空間に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、
   を備えたアッシング装置において、
   前記処理ガス供給手段は、
   処理を行うための適正流量の処理ガスを供給可能であると共に、該適正流量を超える大流量の処理ガスを供給可能な制御部を有し、
   前記大流量の処理ガスを間欠的に供給して、前記被処理物から発生した排ガスを排出し、前記処理空間を処理ガスに置換する
   ことを特徴とするアッシング装置。
   
2. 前記処理空間の容積（Ｖ）に対する前記間欠的に供給する前記大流量処理ガスの総流量（Ａ）の比率（置換率Ａ／Ｖ）が、０．６４以上であることを特徴とする請求項１に記載のアッシング装置。
3. 前記処理ガス供給手段が、前記大流量の処理ガス供給期間時に供給する処理ガス流量は、前記適正流量供給時の２倍以上であることを特徴とする請求項１に記載のアッシング装置。
4. 前記処理ガス供給手段は、前記被処理物に紫外線を照射して処理し始める前に、前記大流量の処理ガスを供給して前記処理空間を処理ガスに置換し、その後適正流量に切り替えて紫外線を照射することを特徴とする請求項１に記載のアッシング装置。
5. 処理空間内に処理ガスを供給し、被処理物に紫外線を照射してアッシング処理するアッシング方法において、
   前記処理ガスを、前記処理空間内に適正流量だけ供給する適正流量供給工程と、
   前記適正流量を超える大流量の処理ガスを間欠的に供給して、前記被処理物から発生した排ガスを排出し、前記処理空間を処理ガスに置換する大流量供給工程と、
   を有していることを特徴とするアッシング方法。
   

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