JP7494946B2 - ヒータ制御装置 - Google Patents
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Description
本出願は、2021年1月29日付の日本国出願の特願2021-12977に基づく優先権を主張し、前記日本国出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
複数の発熱体を有するマルチゾーンヒータにおいて、ウエハ面内でのさらなる均熱性の向上が求められている。
上記ヒータ制御装置によれば、個々の発熱体に温度センサを設けることなく、各発熱体に対応するゾーンの温度を把握できる。
以下、本開示の実施態様を列記して説明する。
本開示の実施形態に係るヒータ制御装置を図面に基づいて説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にする目的で表現されており、必ずしも実際の寸法関係等を表すものではない。
図1から図4を参照して、実施形態1に係るヒータ制御装置1を説明する。このヒータ制御装置1は、ウエハの表面に薄膜を形成する成膜装置に利用できる。成膜装置は、雰囲気ガスの制御ができるチャンバー内に基材10及び支持体20を備える。チャンバーの図示は省略する。図1において、各発熱体30は基材10の周方向の一部に配置されていない箇所があるが、実際の装置では基材10の全体に満遍なく発熱体30が配置されている。
図1に示すように、ヒータ制御装置1は、基材10と、支持体20と、複数の発熱体30と、温度センサ40と、電流センサ50と、制御器60とを備える。基材10は、図3に示す加熱対象Wが載置される第一面10aと、第一面10aに向かい合う第二面10bとを備える。以下の説明では、基材10の第一面10a側を「上」とし、第二面10b側を「下」ということがある。支持体20は、基材10の下方に取り付けられている。複数の発熱体30は、図1及び図3に示すように、基材10の内部に配置されている。複数の発熱体30は、第一発熱体31と一つ以上の第二発熱体32とを備える。本例では、説明の便宜上、一つの第二発熱体32を備える場合を例として説明する。温度センサ40は第一発熱体31の温度を検知する。電流センサ50は、第一発熱体31に流れる第一電流を測定する第一電流センサ51と、第二発熱体32に流れる第二電流を測定する第二電流センサ52とを備える。制御器60は、主に第一発熱体31及び第二発熱体32に供給される電力を制御する。実施形態1の特徴の一つは、第二発熱体32には温度センサを設けることなく第一発熱体31のみに温度センサ40を設け、第二発熱体32の温度を把握できるように構成したことにある。以下、各構成をより詳しく説明する。
基材10は円板状の形状を有する。基材10は、第一面10aと第二面10bとを備える。第一面10aと第二面10bとは互いに向かい合っている。第一面10aには、図3に示す加熱対象Wが載置される。加熱対象Wは、例えばシリコンや化合物半導体等のウエハである。第二面10bには、後述する支持体20が取り付けられている。第二面10bには、図3に示す複数の端子30tが嵌め込まれる複数の穴が設けられている。
支持体20は、図1及び図3に示すように、基材10を第二面10b側から支持している。支持体20は、ヒータ制御装置1を第一面10a側から平面視したときに複数の端子30tを囲むように第二面10bに取り付けられている。支持体20の形状は、特に限定されない。本例の支持体20は、円筒状部材である。支持体20は、基材10と同心状に配置されている。本例では、円筒状の支持体20の中心と、円板状の基材10の中心とが同軸となるように、基材10と支持体20とが接続されている。
複数の発熱体30の各々は、基材10を介して加熱対象Wを加熱する熱源である。第一発熱体31は、図1及び図3に示すように基材10の中心を含む円形領域、即ち内側領域10iに配置されている。一つ以上の第二発熱体32は、基材10及び第一発熱体31と同心状に配置されている。一つ以上の第二発熱体32は、基材10の中心と同心状の環状領域、即ち外側領域10eに配置されている。第一発熱体31と一つ以上の第二発熱体32とは、基材10の厚さ方向に間隔をあけて配置されている。第一発熱体31及び第二発熱体32の各々は、図3に示す端子30tを介して電力線30cにつながっている。この電力線30cを介して各発熱体30には図示しない電源から電力が供給される。
温度センサ40は、第一発熱体31の第一温度を測定するセンサである。温度センサ40としては、市販の熱電対や測温抵抗体が好適に利用できる。測温抵抗体には、白金測温抵抗体であるPT100などが挙げられる。
電流センサ50は、発熱体30に流れる電流を検知するセンサである。本例では、第一発熱体31に流れる第一電流を検知する第一電流センサ51と、第二発熱体32に流れる第二電流を検知する第二電流センサ52とを備える。第二電流センサ52が請求項1における電流センサに相当する。第二発熱体32が複数ある場合、第二電流センサ52は、各第二発熱体32に設けられる。第一電流センサ51は第一発熱体31につながる電力線30cに、第二電流センサ52は第二発熱体32につながる電力線30cにそれぞれ設けられている。この電流センサ50は、市販のCT(Current Tansmitter)で代表されるセンサが利用できる。本例において、第一電流又は第二電流は、第一発熱体31又は第二発熱体32に流れる電流の実効値を所定時間内に平均化して電気的雑音を除去した値としている。
制御器60は、ヒータ制御装置1の動作に必要な各部の制御を行う。より具体的には、制御器60は、第一温度調節器61、第一電力制御器63、第二電力制御器64、演算器65及びメモリ66を備える。制御器60は、代表的には、CPU(Central Processor Unit)またはDSP(Digital Signal Processing)等を含むプロセッサによって実現される。代表的には、プロセッサは、バスと、バスに接続されたCPU、ROM(Read-Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、入出力I/F(Interface)などを含む。プロセッサの数は、制御器60に一つ以上備えれられていればよく、複数備えられていてもよい。第一温度調節器61、第一電力制御器63、第二電力制御器64、演算器65及びメモリ66は、個別のハードウェアで構成されてもよいし、一つの制御器60の一部の構成要素として構成されてもよい。メモリ66には、後述する制御手順をプロセッサに実行させるためのプログラムが格納されている。プロセッサは、メモリ66に格納されたプログラムを読み出して実行する。プログラムは、第一温度調節器61、第一電力制御器63、第二電力制御器64、及び演算器65での処理に関するプログラムコードを含む。
第一温度調節器61は、上記第一温度が目標温度に近づくように第一制御信号を出力する。この第一温度調節器61での制御は、PID制御が利用できる。PID制御は、フィードバック制御の一種であり、入力値の制御を出力値と目標値との偏差(P)、その積分(I)、および微分(D)の3つの動作によって行う制御方法である。偏差に応じた操作量を出力する比例動作によりハンチングの小さい滑らかな温度制御が行える。積分動作でオフセットを自動的に修正できる。微分動作で外乱に対する応答を速くすることができる。
第一電力制御器63は、第一制御信号に応じて第一発熱体31に供給される第一電力を制御する。第一制御信号が入力された第一電力制御器63は、第一制御信号に対応した第一電力を第一発熱体31に供給する。第一電力は、第一電流と第一電圧との積により演算される。第一電流は、上述したように第一電流センサ51の測定値である。第一電圧は、第一発熱体31に印加される電圧である。この第一電圧は後述するように演算により求められる。
第二電力制御器64は、第二発熱体32に供給される第二電力を制御する。より具体的には、第二電力制御器64は、第一電力に対して予め設定された比率となるように第二電力を制御する。この比率は、ユーザが予め設定する比率である。例えば、第一電力:第二電力が1.0:0.8となるように比率が設定される。第二発熱体32が複数ある場合、個々の発熱体30の第二電力も第一電力に対して予め設定された比率となるように制御される。例えば、第二発熱体32が2つある場合、第一電力:第二電力A:第二電力B=1.0:0.8:0.6とする。第二電力Aは、2つの第二発熱体32の一方の第二電力である。第二電力Bは、2つの第二発熱体32の他方の第二電力である。
演算器65は、制御器60で必要な各種演算を行う。上述したように、第一電圧、第一電力、第二電圧、及び第二電力の演算はいずれも演算器65で行われる。さらに、演算器65は第二発熱体32の温度である第二温度の演算も行う。
メモリ66は、プログラムを記憶するメモリとして、各種不揮発性メモリが好適に利用できる。また、メモリ66は、一連の演算に必要な値を一時的に記憶する揮発性メモリを含んでいてもよい。
ヒータ制御装置1は、外部出力部70及びトランス80を備えてもよい。
外部出力部70は、上記のように求められた第二発熱体32の第二温度及び第二温度が適正範囲にあるか否かの判定結果の少なくとも一方を表示又は外部装置に送信する機器である。例えば、外部出力部70として、第二温度を文字で表示したり、第二温度の経時変化をグラフで表示したりするディスプレイが挙げられる。他の外部出力部70としては、第二温度に所定の処理を施した処理結果を出力する機器であってもよい。この処理結果を示す機器には、警報装置が挙げられる。警報装置は、例えば第二温度が設定された所定の適正範囲から外れた場合に警報を出す装置である。警報は、ユーザに第二温度の異常を知らせることができるものであれば特に限定されない。例えば、具体的な警報の種類としては、ディスプレイへの文字表示、ランプの点灯、ブザーの鳴動などが挙げられる。さらに他の外部出力部70としては、図示しない通信機器が挙げられる。この通信機器は、遠隔地のユーザが持つ外部装置との通信を行う。例えば、第二温度の情報を通信機器で外部装置へ送ったり、上記警報を通信機器でフラグの状態変化として外部装置に伝えたりすることができる。この情報の伝送により、遠隔地のユーザは第二温度や警報を認知できる。
図5、図6に基づいて、上記ヒータ制御装置1の処理手順を説明する。各構成部材については図1を参照する。
まず、図5に基づいて、第一電力及び第二電力を各発熱体30に出力するまでの処理手順を説明する。ステップS1において、温度センサ40から第一温度を取得し、さらに第一電流センサ51から第一電流を取得する。ステップS2では、第一温度が目標温度に近づくように第一温度調節器61が第一制御信号を出力する。ステップS3では第一電力制御器63は第一制御信号に対応した第一電力を第一発熱体31に出力する。そして、ステップS4では、演算器65で第二電力を演算し、さらに第二電力を第二電力制御器64から第二発熱体32に出力する。このステップS1からステップS4の一連の処理は、ヒータ制御装置1を駆動している間、繰り返して行われる。
予備試験は、第二発熱体32の抵抗と温度との関係を表す係数を予め求めるための試験である。予備試験は、昇温時及び降温時と、温度保持時とで異なる手法により行うことが好適である。つまり、昇温時及び降温時と、温度保持時とで異なる係数を用いることが好適である。
昇温時及び降温時では、温度保持時に比べて単位時間当たりの温度変化量が大きい。この昇温時及び降温時、ウエハへの成膜処理は行われない。この場合、室温から保持温度までの温度域又は保持温度から室温までの温度域をより狭い温度域ごとに区切り、区切られた各温度域ごとに第二発熱体32の抵抗と温度との関係を求める。例えば、50℃から100℃の範囲を有する区切られた温度域ごとに第一発熱体31及び第二発熱体32の各々の抵抗と温度との関係を求める。より具体的には、昇温時であれば、50℃以上100℃以下の第一温度域、100℃以上200℃以下の第二温度域、200℃以上300℃以下の第三温度域、300℃以上400℃以下の第四温度域、及び400℃以上保持温度以下の第五温度域の各々について第二発熱体32の抵抗と温度との関係を求める。保持温度の一例としては450℃が挙げられる。例えば、第一温度域においては、50℃と100℃の二点における抵抗と温度との関係を求める。ここで、二点の測定点、即ち低温側の抵抗R(T1)における第二発熱体32の温度T1と、高温側の抵抗R(T2)における第二発熱体32の温度T2とは、比例の関係式で表される。この関係式を用いれば、抵抗Rの第二発熱体32の温度Tは次式で求められる。
T={(T2-T1)/(R(T2)-R(T1))}×(R-R(T1))+T1
但し、T1≦T≦T2、R(T1)≦R≦R(T2)である。
T={(Tk-Tr)/(R(Tk)-R(Tr))}×(R-R(Tr))+Tr
但し、Tr≦T≦Tk、R(Tr)≦R≦R(Tk)である。
この場合、室温と保持温度との二点から求めた第二発熱体32の抵抗と温度との関係式では、その中間の温度での抵抗値はその二点間の線形補間では表せないため、精度よく第二発熱体の温度を求めることは難しい。
温度保持時は、昇温時や降温時に比べて単位時間当たりの温度変化の割合はごく僅かである。よって、温度保持時は、昇温時や降温時よりも狭い温度帯域における第二発熱体32の抵抗と温度との関係を求めることが好ましい。より具体的には、温度保持時における最大温度と最小温度との差という微細な温度域に応じた係数を用いることで、正確に第二発熱体32の温度を求めることができる。温度保持過程には、上述したように加熱対象Wのないアイドル状態と加熱対象Wのある処理状態の2つの温度プロファイルが含まれる。この温度プロファイルを図8に基づいて説明する。図8は、第一発熱体の温度と第二発熱体の温度の経時変化を示すグラフである。第一発熱体31の温度は、第一電流と第一電圧とから求めた第一発熱体31の抵抗と上記係数とに基づいて求めた温度である。第二発熱体32の温度は、第二電流と第二電圧とから求めた第二発熱体32の抵抗と上記係数とに基づいて求めた温度である。このグラフでは、さらに温度センサ40の測定値の経時変化も併せて示している。いずれのグラフも互いに線が重なっている。さらにこのグラフでは、アイドル状態の過程をCase1とし、処理状態の過程をCase2として示している。このグラフに示すように、アイドル状態では、成膜装置のチャンバー内にガスの出入りが行われ、第一温度調節器61による温度制御の結果、ごく僅かの温度の上下動が認められる。これに対し、処理状態では、チャンバー内にウエハを出し入れするため、アイドル状態に比べてより大きな温度の上下動が認められる。図8のグラフは複数の線が重なって示されるため、例えば複数の線が重なって示されたアイドル状態における温度の振れ幅は大きく見える。しかし、個々のグラフの線の振れ幅はもっと小さい。特に、個々のグラフの振れ幅は、処理状態よりもアイドル状態の方が明確に小さい。このような温度保持過程においては、処理状態での温度プロファイルに基づいて係数を求める方法と、アイドル状態での温度プロファイルに基づいて係数を求める方法とがある。以下、それぞれを順に説明する。
まず、処理状態の所定時間内における温度センサ40の測定値の経時変化から、最大温度Tmaxの時点における各発熱体30の抵抗値Rmax、及び最小温度Tminの時点における各発熱体30の抵抗値Rminを確認する。所定時間は、500秒から1000秒程度の範囲から選択する。本例での所定時間は600秒である。この所定時間内に1枚のウエハに成膜が行われる。図9は、図8の処理状態における温度変化の一部を拡大して示したものである。最小温度Tminは、成膜処理済みのウエハが取り出され、今から成膜処理を行う現ウエハが基材10上に載置されるまでの間のバレー温度である。最大温度Tmaxは現ウエハに対して成膜処理が行われている間のピーク温度である。図9では、最小温度Tminが449.4℃、最大温度Tmaxが450.3℃であることを示している。各発熱体30の抵抗値Rmax及び抵抗値Rminは、上記各時点における第一電圧を第一電流で除した値、又は上記各時点における第二電圧を第二電流で除した値である。これら最大温度Tmax、抵抗値Rmax、最小温度Tmin、及び抵抗値Rminを用いて各発熱体30の温度と抵抗値の関係式を求める。この関係式は、昇温時及び降温時で示した関係式と同様の考え方により求められる。
まず、処理状態の所定時間内における各発熱体30の抵抗値の経時変化から、所定時間内の平均抵抗Raveを求める。所定時間は、例えば5000秒から10000秒程度の範囲から適宜選択する。本例では所定時間は8000秒である。この所定時間内には、10枚以上のウエハに成膜が行われている。次に、所定時間内の各発熱体30の抵抗の変化率ΔR/Rを予め設定しておく。最初に所定時間内の最大抵抗Rmax、最小抵抗Rminを求めておき、さらに最大抵抗Rmaxと最小抵抗Rminとの差分ΔR、及び差分ΔRの平均抵抗Raveに対する比率ΔR/Raveを求める。この比率ΔR/Raveを変化率ΔR/Rとする。例えば、ここでは変化率ΔR/Rを0.02とする。一方、温度センサ40の測定値についても同様に、所定時間内の平均温度Taveを求める。また、所定時間内における温度変化量ΔTを予め設定しておく。温度変化量ΔTも最初に所定時間内の最大温度Tmaxと最小温度Tminとの差分を温度変化量ΔTとして求めておく。例えば、ここでは温度変化量ΔTは0.88℃とする。比率ΔR/Rと温度変化量ΔTは、保持温度が大きく変わらなければ、発熱体30ごとにほぼ一定と考えられる。保持温度が大きく変わらないとは、例えば保持温度の変化量が100℃以下であることを言う。
ΔR=Rave×0.02
最大抵抗Rmax=Rave+ΔR/2
最小抵抗Rmin=Rave-ΔR/2
最大温度Tmax=Tave+ΔT/2
最小温度Tmin=Tave-ΔT/2
まず、アイドル状態の所定時間内における各発熱体30の抵抗値の経時変化から、所定時間内の平均抵抗Raveを求める。所定時間は、例えば5000秒から10000秒程度の範囲から適宜選択する。本例では所定時間は10000秒である。次に、所定時間内の各発熱体30の抵抗の変化率ΔR/Rを予め設定しておく。最初に所定時間内の最大抵抗Rmax、最小抵抗Rminを求めておき、さらに最大抵抗Rmaxと最小抵抗Rminとの差分ΔR、及び差分ΔRの平均抵抗Raveに対する比率ΔR/Raveを求める。このΔR/Raveを抵抗変化率ΔR/Rとする。例えば、ここでは変化率ΔR/Rを0.02とする。一方、温度センサ40の測定値についても同様に、所定時間内の平均温度Taveを求める。また、所定時間内における温度変化量ΔTを予め設定しておく。温度変化量ΔTも最初に所定時間内の最大温度Tmaxと最小温度Tminとの差分を温度変化量ΔTとして求めておく。例えば、ここでは温度変化量ΔTは0.88℃とする。比率ΔR/Rと温度変化量ΔTは、保持温度が大きく変わらなければ、発熱体30ごとにほぼ一定と考えられる。保持温度が大きく変わらないとは、例えば保持温度の変化量が100℃以下であることを言う。
ΔR=Rave×0.02
最大抵抗Rmax=Rave+ΔR/2
最小抵抗Rmin=Rave-ΔR/2
最大温度Tmax=Tave+ΔT/2
最小温度Tmin=Tave-ΔT/2
次に、実施形態2を図10に基づいて説明する。実施形態1では、第二発熱体32の温度である第二温度を把握したり、第二温度が異常な温度となることを監視したりできる。これに対し、実施形態2では、上述した比率を変えることにより第二電力を制御することで、第二発熱体32の温度を制御することができる。以下、主に実施形態1との相違点について説明を行い、実施形態1との共通点の説明は省略する。
次に、実施形態3を説明する。実施形態3では、第二温度と第一温度との差が可及的にゼロになるように、第二電力を求めるための比率を制御する。実施形態3の装置構成は図10で説明される実施形態2の装置構成とほぼ同じである。実施形態3では、第二温度調節器62の代わりに第三温度調節器62aを備えている。実施形態2では、温度センサ40で測定した温度Tsを第一発熱体31自体の温度Thとみなして第一温度としている。つまり、厳密には第一発熱体31の温度Thは温度センサ40で測定される温度Tsとは異なる。これは、温度Tsには、第一発熱体31自身の発熱による温度上昇分が過渡的に含まれるためである。
図12、図13に基づいて、変形例1を説明する。変形例1は実施形態1から実施形態3のいずれにおいても適用できる構成である。変形例1では、基材10において独立して温度制御されるゾーンが6つある。つまり、基材10には、基材10の中央部に位置する円形の内側領域10i、内側領域10iの外側に位置する中間領域10m、中間領域10mの外側に位置する外側領域10eが設けられている。さらに、変形例1では外側領域10eが基材10の周方向に分割されている。分割された外側領域10eに設けられる第二発熱体32の数は複数であればよい。本例での分割数は4つである。外側領域10eの各ゾーンは環状の領域を4等分した扇形のゾーンである。4等分された外側領域10eの各ゾーンには各々第二発熱体32が配置されている。つまり、内側領域10iには第一発熱体31が、中間領域10mには一つの第二発熱体32が、外側領域10eには4つの第二発熱体32が設けられている。各発熱体30は供給される電力を独立して制御できる。そして、各々の発熱体30につながる各電力線30cに図示しない電流センサが設けられている。
図14に基づいて変形例2を説明する。変形例2は実施形態1の変形例であり、第一発熱体31と第二発熱体32とを絶縁した構成である。
図15に基づいて変形例3を説明する。変形例3は実施形態2又は実施形態3の変形例であり、第一発熱体31と第二発熱体32とを絶縁した構成である。
図15に示すように、変形例3では、第一発熱体31と電源との間及び第二発熱体32と電源との間にそれぞれ第一トランス81と第二トランス82とが設けられている。つまり、第一トランス81と第二トランス82の一次側は電源から分岐された電力線につながっている。一方、第一トランス81と第二トランス82の二次側は互いに独立した電力線30cにつながっている。そのため、第一発熱体31と第二発熱体32とは互いに絶縁されている。
10 基材
10a 第一面
10b 第二面
10i 内側領域
10m 中間領域
10e 外側領域
20 支持体
21 フランジ部
30 発熱体
31 第一発熱体
32 第二発熱体
30t 端子
30c 電力線
40 温度センサ
50 電流センサ
51 第一電流センサ
52 第二電流センサ
60 制御器
61 第一温度調節器
62 第二温度調節器
62a 第三温度調節器
63 第一電力制御器
64 第二電力制御器
65 演算器
66 メモリ
70 外部出力部
80 トランス
81 第一トランス
82 第二トランス
W 加熱対象
w 幅
θ 操作位相角
Claims (5)
- 円板状の形状を有する基材と、
前記基材に同軸状に取り付けられた筒状の支持体と、
前記基材の中心を含む領域に配置された第一発熱体と、
前記第一発熱体と同心状に配置された少なくとも一つの第二発熱体と、
前記第一発熱体の第一温度を測定する温度センサと、
前記少なくとも一つの第二発熱体に供給される電流を測定する少なくとも一つの電流センサと、
前記第一温度が目標温度に近づくように第一制御信号を出力する第一温度調節器と、
前記第一制御信号に応じて前記第一発熱体に供給される第一電力を制御する第一電力制御器と、
前記第二発熱体に供給される第二電力を制御する第二電力制御器と、
前記第二発熱体の温度を求める演算器と、を備え、
前記基材は、加熱対象が載置される第一面と、前記第一面と向かい合う第二面とを有し、
前記筒状の支持体は、前記第二面に取り付けられ、
前記温度センサは、前記筒状の支持体の内側に配置され、
前記第二電力制御器は、前記第一電力に対して予め設定された比率となるように前記第二電力を位相制御方式により制御し、
前記演算器は、前記少なくとも一つの電流センサの測定値、前記第一温度、前記第二発熱体の第二電圧、及び予め定めた係数に基づいて前記第二発熱体の温度を求め、
前記係数は、前記第二発熱体の抵抗と前記第二発熱体の温度との関係を表す複数の係数から、前記第一温度に応じて選択された係数であり、
前記複数の係数は、前記第一発熱体及び前記第二発熱体の昇温時、温度保持時、及び降温時で異なる、
ヒータ制御装置。 - 前記係数は、前記温度保持時に、前記第一面に前記加熱対象が載置されていない状態で測定された前記第一温度に基づいて求められる、請求項1に記載のヒータ制御装置。
- 前記第二発熱体の温度及び前記第二発熱体の温度が適正範囲にあるか否かの判定結果の少なくとも一方を表示又は外部装置に送信する外部出力部を備える、請求項1または請求項2に記載のヒータ制御装置。
- さらに第二温度調節器を備え、
前記第二温度調節器は、前記第二発熱体の温度が目標温度に近づくように前記比率を調整するための第二制御信号を出力し、
前記第二電力制御器は、前記第二制御信号により調整された前記比率に応じて前記第二電力を制御する、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のヒータ制御装置。 - さらに第三温度調節器を備え、
前記第三温度調節器は、前記第二発熱体の温度と前記第一温度との差が前記第二発熱体の温度と第一温度のそれぞれの目標温度の差になるように前記比率を調整するための第三制御信号を出力し、
前記第二電力制御器は、前記第三制御信号により調整された前記比率に応じて前記第二電力を制御する、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のヒータ制御装置。
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