TWI582255B - 用於光儲存媒體的介電濺鍍靶材及介電層 - Google Patents

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用於光儲存媒體的介電濺鍍靶材及介電層
本發明關於一種用於光儲存媒體的介電濺鍍靶材及介電層。
光儲存媒體因具有存放大量資料的特性，目前已被廣泛地應用於儲存高容量的資料或高畫質的影音檔案。
以相變化型光儲存媒體而言，常見的層狀結構依序包括有基板、反射層、第一介電層、記錄層、第二介電層及一保護層，其係利用雷射光透過該保護層及介電層令該記錄層加熱升溫並產生相變化，而完成資料記錄之工作。
為了實現該記錄層之相變化，除了該記錄層以外，位於該記錄層兩側的第一介電層及第二介電層也會受到快速的加熱及冷卻，且雷射光透過該第二介電層以令該記錄層產生相變化，因此，該第一介電層及第二介電層必須具有低消光係數、高折射係數及良好的熱穩定性。
目前光儲存媒體中主要的介電層材料為一硫化鋅-二氧化矽(ZnS-SiO2)，這主要是因為由ZnS-SiO2構 成的介電層的透光率佳，消光係數很小，除可以減少能量損失，促進記錄層對於雷射的吸收，更具有較高的折射率，可達到保護記錄層的功用。由於ZnS-SiO2靶材體電阻率較高，僅能透過射頻(radio frequency，RF)濺鍍形成介電層，而無法透過直流濺鍍(direct circuit，DC)，但射頻濺鍍除了機台購買較昂貴，還有鍍膜效率較低、能量消耗大、成膜速度緩慢及容易產生粉塵等缺點。
為此，台灣專利公告案第I301157號揭露一種用於形成第一介電層或第二介電層之濺鍍靶材，係含有以一氧化鋅(ZnO)為主成分之化合物及一硫化鋅(ZnS)，該以一氧化鋅為主成分之化合物係滿足ABO(KaX+KbY)/2(ZnO)m，0<X<2，Y=2-X，1≦m(A、B分別為3價以上之元素，價數分別為Ka、Kb)，所述濺鍍靶材係具有較低的體電阻率，而能透過DC濺鍍的方式形成該第一介電層及第二介電層，並令該第一介電層及第二介電層具有適當的光學特性及熱穩定性。
然而，由於氧化鋅對於光及水氣相當敏感，容易影響介電層的環境耐候性，因此，當所述濺鍍靶材應用於該第一介電層及第二介電層上時，會使得該第一介電層及第二介電層之耐候性不佳，進而影響到該第一介電層及第二介電層之特性，繼而影響光儲存媒體之記錄層的記錄功能，使得光儲存媒體之使用壽命受限。
此外，由於所述濺鍍靶材中含有一硫化鋅，當其應用於形成該第一介電層及第二介電層時，會產生硫原子汙染記錄層之問題。為了避免此問題，技術人員必須於 該第一介電層及第二介電層與記錄層間設置一界面膜以保護記錄層，如此則需增加額外的製程步驟及成本。
有鑑於上述現有技術之缺點，本發明之目的在於設計一種用於光儲存媒體的介電濺鍍靶材及介電層，其除了具有適當的光學特性及熱穩定性外，更具有較佳的耐候性，故能有利於提升光儲存媒體之記錄品質及使用壽命；且無需額外使用界面膜，可節省製程步驟及降低成本。
為了達到前述之發明目的，本發明所採取之技術手段為提供一種用於光儲存媒體的介電濺鍍靶材，其係由60至80原子百分比的一硫化鋅(ZnS)及20至40原子百分比的氧化金屬組成物所組成，該氧化金屬組成物之主要成份為三氧化二銦(In2O3)。
本發明之用於光儲存媒體的介電濺鍍靶材，其係由一硫化鋅及一以三氧化二銦為主要成分的氧化金屬組成物所組成，當以該介電濺鍍靶材作為光儲存媒體之介電層的材料時，係可使用於光儲存媒體之介電層於具有適當的光學特性及熱穩定性之同時，亦具有良好之耐候性，進而提升光儲存媒體之記錄品質及使用壽命。
另一方面，本發明之用於光儲存媒體的介電濺鍍靶材係可具有高於99%以上之相對密度，而可製得具有高度的厚度均勻性(thickness uniformity)的介電層。
再一方面，本發明之用於光儲存媒體的介電濺鍍靶材具有低於1x10-1歐姆-公分(Ω-cm)之體電阻率(bulk resistivity)，則能適用於設備低廉、鍍膜效率高、節省能源、 成膜速度快及不易產生粉塵等優點的直流濺鍍製程，藉以降低製程成本及縮短鍍膜時間。
較佳的，該氧化金屬組成物進一步包含一氧化鋅(ZnO)及二氧化錫(SnO2)，並且，該氧化金屬組成物包含：銦的含量大於鋅的含量，銦的含量大於錫的含量；更佳的，該氧化金屬組成物包含：以銦、鋅及錫之原子總含量為基準，銦的含量為60至80原子百分比，鋅的含量為10至25原子百分比，錫的含量為1至20原子百分比，且鋅的含量係大於錫的含量。
較佳的，本發明之用於光儲存媒體的介電濺鍍靶材包含一基底相及一導電相，基底相係由硫化鋅所構成，所述導電相係由氧化金屬組成物所構成，基底相之平均晶粒尺寸係大於導電相之平均晶粒尺寸；更佳的，基底相之晶粒尺寸與導電相之晶粒尺寸之比值為3至11。
較佳的，本發明之用於光儲存媒體的介電濺鍍靶材係使用粉末冶金製程或陶瓷製程所製得。
為達成前述之發明目的，本發明另提供一種用於光儲存媒體的介電層，其係由60至80原子百分比的一硫化鋅(ZnS)及20至40原子百分比的氧化金屬組成物所組成，該氧化金屬組成物之主要成份為三氧化二銦(In2O3)。
本發明之用於光儲存媒體的介電層係由該硫化鋅及該氧化金屬組成物所組成，由於該氧化金屬組成物係以三氧化二銦為主要成分，係令本發明之用於光儲存媒體的介電層具有良好的光學特性及熱穩定性之同時，亦具 有良好之耐候性，進而提升光儲存媒體之記錄品質及使用壽命。
另一方面，由於該氧化金屬組成物係以三氧化二銦為主成分，令該用於光儲存媒體的介電層之銦與硫能夠互相反應形成硫與銦之化合物，因而能避免硫擴散至記錄層而對記錄層產生不利影響之情形發生，進一步增加光記錄媒體的使用壽命，並無需額外使用界面膜，可節省製程步驟並降低成本。
較佳的，該氧化金屬組成物進一步包含一氧化鋅(ZnO)及二氧化錫(SnO2)，並且，該氧化金屬組成物包含：銦的含量大於鋅的含量，銦的含量大於錫的含量；更佳的，該氧化金屬組成物包含：以銦、鋅及錫之原子總含量為基準，銦的含量為60至80原子百分比，鋅的含量為10至25原子百分比，錫的含量為1至20原子百分比，且鋅的含量係大於錫的含量。
據此，由於該氧化金屬組成物係包含：以銦、鋅及錫之原子總含量為基準，銦的含量達到60原子百分比以上，令該用於光儲存媒體的介電層之銦與硫構成硫化銦相之機率大幅提升，更能避免硫擴散至記錄層而對記錄層產生不利影響之情形發生，並延長光記錄媒體的使用壽命、節省製程步驟及降低成本。
進一步而言，所述之硫化銦相係由硫與銦的化合物所構成，如：四硫化五銦(In5S4)、三硫化二銦(In2S3)或七硫化六銦(In6S7)，但不僅限於此。
較佳的，該光儲存媒體的介電層之折射係數 (refractive index，n)介於2.00至3.00之間。更佳的，該光儲存媒體的介電層之折射係數(n)介於2.05至2.60之間。
較佳的，該光儲存媒體的介電層之消光係數(extinction coefficient，k)介於0至0.1之間。
較佳的，該光儲存媒體的介電層係由前述之介電濺鍍靶材經濺鍍而得。
綜上所述，本發明之用於光儲存媒體的介電濺鍍靶材及介電層，係含有該硫化鋅及該氧化金屬組成物，由於該氧化金屬組成物係以三氧化二銦為主要成分，令由其所製成之介電層於具有良好的光學特性及熱穩定性之同時，係具有良好之耐候性，則能提升光儲存媒體之記錄品質及使用壽命。
10‧‧‧基底相
10A‧‧‧基底相
20‧‧‧導電相
20B‧‧‧導電相
圖1為實施例1之介電濺鍍靶材的掃描式電子顯微影像圖。
圖2為實施例2之介電濺鍍靶材的掃描式電子顯微影像圖。
圖3為實施例3之介電濺鍍靶材的掃描式電子顯微影像圖。
圖4為實施例4之介電濺鍍靶材的掃描式電子顯微影像圖。
圖5為實施例5之介電濺鍍靶材的掃描式電子顯微影像圖。
圖6為比較例1之介電濺鍍靶材的掃描式電子顯微影像 圖。
圖7為實施例1至3及比較例1之介電濺鍍靶材的X光繞射光譜圖。
圖8為實施例6之介電層於不同升溫速率下，即時反射率對溫度的關係圖。
圖9為實施例6之介電層剛沉積(as-deposited)及經退火(annealing)後的X光繞射光譜圖。
為能詳細了解本發明的技術特徵與實際功效，並可依照說明書的內容來實施，進一步配合圖式及較佳實施例，以闡述本發明為達目的所使用的技術手段。
1. 製作用於光儲存媒體的介電濺鍍靶材
<實施例1>
將一硫化鋅與一氧化金屬組成物以80：20的原子比例均勻混合，於溫度介於950至1050℃且壓力約400巴(bar)之條件下，持續熱壓8小時，製得介電濺鍍靶材。
其中，該氧化金屬組成物包含三氧化二銦、一氧化鋅及二氧化錫，以其含有的銦、鋅及錫之原子總含量為基準，其中銦的含量為76.5原子百分比，鋅的含量為12.1原子百分比，錫的含量為11.4原子百分比。
其中，一硫化鋅之粒徑大於該氧化金屬組成物之粒徑。
<實施例2>
本實施例與實施例1不同之處在於，一硫化鋅 與氧化金屬組成物之原子比例為70：30。
<實施例3>
本實施例與實施例1不同之處在於，一硫化鋅與氧化金屬組成物之原子比例為60：40。
<實施例4>
本實施例與實施例1不同之處在於，氧化金屬組成物包含：以銦、鋅及錫之原子總含量為基準，銦的含量為62.1原子百分比，鋅的含量為24.9原子百分比，錫的含量為13原子百分比。
<實施例5>
本實施例與實施例4不同之處在於，一硫化鋅與氧化金屬組成物之原子比例為70：30。
<比較例1>
本比較例與實施例1不同之處在於，一硫化鋅與氧化金屬組成物之原子比例為85：15。
<比較例2>
本比較例與實施例1不同之處在於，一硫化鋅與氧化金屬組成物之原子比例為70：30，該氧化金屬組成物係以一氧化鋅為主要成分，該氧化金屬組成物包含：以銦、鋅及錫之原子總含量為基準，銦的含量為2.7原子百分比，鋅的含量為95原子百分比，錫的含量為2.3原子百分比。
2. 用於光儲存媒體的介電濺鍍靶材之特性分析
<介電濺鍍靶材分析方式>
相對密度：首先量測介電濺鍍靶材之密度，接著以27℃之水的密度為基準，計算得到介電濺鍍靶材之相對密度。
其中，介電濺鍍靶材之密度係以阿基米德法及尺寸法進行量測。
體電阻率：採用四點探針(型號：RT-70)量測。
微結構：採用掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope，廠牌：Hitachi，型號：3400N)進行觀察。
晶相鑑定：採用X光繞射儀(x-ray diffractometer，廠牌：Rigaku，型號：Ultima IV)進行分析。
成分分析：採用能量散射光譜分析儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)
<介電濺鍍靶材分析結果>
表1所示為實施例1至5的介電濺鍍靶材經阿基米德法而得的相對密度及體電阻率。表2為實施例1至5與比較例1及2的介電濺鍍靶材之氧化金屬組成物中含有的銦、鋅、錫之成份比例。表3所示為比較例1及2的介電濺鍍靶材經阿基米德法而得的相對密度及體電阻率。表4為實施例1至5及比較例1的介電濺鍍靶材之基底相及導電相之成分比例。圖1至6分別為實施例1至5及比較例1之介電濺鍍靶材的掃描式電子顯微影像圖。圖7為比較例1及實施例1至3之介電濺鍍靶材的X光繞射光譜 圖，圖7中之曲線由下而上依序為比較例1、實施例1至3之X光繞射光譜。而由於實施例1至5與比較例1的介電濺鍍靶材經阿基米德法所測的相對密度與尺寸法所測的相對密度之均為99%以上，而比較例2的相對密度均約為93.5%，故經尺寸法所測的密度未予以列出。
由表1可知，實施例1至5之介電濺鍍靶材，其相對密度均達到99%以上，而具有高相對密度之特性，因此，實施例1至5之介電濺鍍靶材可經濺鍍製成一具有高厚度均勻性的介電層，進一步的，參閱圖1至5可得知，實施例1至5之介電濺鍍靶材之微結構中並無明顯孔洞存在，則更能證實實施例1至5之介電濺鍍靶材經濺鍍所製成之介電層，係可具有高度的厚度均勻性。
由表1可知，實施例1至5之介電濺鍍靶材的體電阻率係可低於1x10-1歐姆-公分，即達到9.99x10-2以下，顯示實施例1至5之介電濺鍍靶材均具有低體電阻率 之特性，則實施例1至5均可適用於設備低廉、鍍膜效率高、節省能源、成膜速度快及不易產生粉塵等優點的直流濺鍍，因而能節省成本及鍍膜時間。
再進一步比較實施例1至3，如表1及2所示，顯示出隨氧化金屬組成物的含量提高，係能降低介電濺鍍靶材的體電阻率。如表1及表2所示，由實施例4及實施例5的成份比例及體電阻值，亦顯示出介電濺鍍靶材的體電阻率隨氧化金屬組成物的含量提高而降低。
又進一步比較實施例1與實施例4，如表1及表2所示，相較於實施例4，實施例1之氧化金屬組成物中，係含有較高原子百分比的銦、較低原子百分比鋅以及較低的原子百分比的錫，而實施例1係具有較低的體電阻率，顯示出隨氧化金屬組成物的銦之含量提高，係能降低介電濺鍍靶材的體電阻率；而經由比較實施例2與實施例5，亦可得到與上述相同之結論。
更進一步比較實施例1至5與比較例1及2；如表1至表3所示，比較例1雖具有與實施例1至5相當的相對密度，但比較例1之體電阻率係高於1x10-1歐姆- 公分而不適用於直流濺鍍製程。而含有以一氧化鋅為主要成份的氧化金屬組成物之比較例2，其體電阻率雖低於1x10-1歐姆-公分而適用於直流電鍍製程，但卻具有相較於實施例1至5較低的相對密度，令經由比較例2所製成之介電層之厚度均勻性較實施例1至5所製成之介電層之厚度均勻性為差且耐候性較差。
另，請參閱圖1至5所示，實施例1至5之介電濺鍍靶材之微結構中包含有一基底相10及一導電相20，並透過能量散射光譜分析儀對各實施例之基底相10及導電相20進行成分分析，其結果示於表4中，得知各實施例之基底相10係由一硫化鋅所構成，而導電相20係由氧化金屬組成物所構成，且所述導電相20之各晶粒位於所述基底相10之各晶粒之周圍，如此一來，實施例1至5之介電濺鍍靶材於導電時，除了透過所述基底相10傳導外，亦可透過所述導電相20傳導。因此，可證實經由選用氧化金屬組成物，能有利於降低所製得之介電濺鍍靶材的體電阻率。
而如圖6所示，比較例1之微結構中亦包含有 一基底相10A及一導電相20B，並透過能量散射光譜分析儀對各實施例之基底相10A及導電相20B進行成分分析，其結果示於表4中，得知之基底相10A係由一硫化鋅所構成，而導電相20B係由氧化金屬組成物所構成，且所述導電相20B之各晶粒位於所述基底相10A之各晶粒之周圍，而與實施例1至5之基底相10及導電相20的成分及分布情形相似，然而，如表1至表3所示，比較例1之氧化金屬組成物之含量係小於實施例1至5之氧化金屬組成物之含量，得知由於比較例1之氧化金屬組成物之含量較低，而使比較例1雖具有與實施例1至5相似的微結構及相成份，但仍無法具有可適用於直流濺鍍製程的體電阻率。
此外，如圖1至5所示，各實施例之導電相20之平均晶粒尺寸小於基底相10之平均晶粒尺寸，經由計算，基底相10之晶粒尺寸與導電相20之晶粒尺寸之比值係介於3至11之間。進一步而言，基底相20的平均晶粒 尺寸介於4.5至5.5微米(μm)、導電相20的平均晶粒尺寸介於0.5至1.5微米(μm)之間。
請參閱圖7所示，由比較例1及實施例1至3之介電濺鍍靶材的X光繞射光譜中，可得知比較例1及實施例1至3之介電濺鍍靶材之主要晶相組成均分別為具有立方體結構的一硫化鋅，以及具有立方體結構的三氧化二銦。
3. 製作用於光儲存媒體的介電層
<實施例6>
首先，提供一矽(Si)基板，接著，以濺鍍機台(sputtering machine，廠牌：FULINTEC，型號：FU09-0425)將實施例1之介電濺鍍靶材濺鍍於矽基板上，而形成一厚度為100奈米(nm)的介電層於該矽基板上。
<實施例7及8>
透過與實施例6相同之方法，將實施例2及3之介電濺鍍靶材分別濺鍍於一矽基板上，而分別形成一厚度為100奈米(nm)的介電層於一矽基板上。
<實施例9、10及11>
透過與實施例6相同之方法，將實施例1、2及3之介電濺鍍靶材分別濺鍍於一矽基板上，而分別形成一厚度為150奈米(nm)的介電層於一矽基板上。
<實施例12、13及14>
透過與實施例6相同之方法，將實施例1、2及3之介電濺鍍靶材分別濺鍍於一矽基板上，而分別形成 一厚度為200奈米(nm)的介電層於一矽基板上。
<比較例3>
透過與實施例6相同之方法，將比較例2之介電濺鍍靶材濺鍍於矽基板上，而形成一厚度為100奈米(nm)的介電層於該矽基板上。
<比較例4>
透過與實施例6相同之方法，將一含有一硫化鋅及二氧化矽的介電濺鍍靶材，濺鍍於矽基板上，而形成一厚度為100奈米(nm)的介電層於該矽基板上，該介電濺鍍靶材包含：以硫化鋅及二氧化矽之含量為基準，硫化鋅之含量為50原子百分比，二氧化矽之含量為50原子百分比。
4. 用於光儲存媒體的介電層之特性分析
<介電層分析方式>
膜厚、折射率(n)與消光係數(k)：使用n&k介電層特性分析儀(廠牌：n&k Technology,Inc.，型號：n&k Analyzer 1280)。
晶相鑑定：使用X光散射儀(x-ray diffractimeter，廠牌：Rigaku，型號：Ultima IV)。
熱穩定性：使用即時反射率量測設備。
<介電層分析結果>
表5為實施例6至14與比較例3及4之介電層於不同雷射光波長下的光學特性，其中，經由n&k介電層特性分析儀分析確認實施例6至8之介電層的厚度均為100奈米、實施例9至11之介電層的厚度均為150奈米及 實施例12至14之介電層的厚度均為200奈米(nm)。
如表5中所示，當以450、630及780奈米之雷射光對實施例6至14之介電層進行分析時，實施例6至14之介電層所測得的折射係數及消光係數除了均可達到比較例3及4之折射係數及消光係數以外，其中，實施例6之折射係數及消光係數係優於比較例3及4，而顯示出優良的光學性質。同時，實施例6之介電層係由實施例1之介電靶材所製成，而實施例1之介電靶材係由80原子百分比的一硫化鋅與20原子百分比的氧化金屬組成物所構成，顯示出實施例6之介電層僅需含有20原子百分比的氧化金屬組成物便可達到優良的光學性質，係能於低原料成本之條件下具有優良的光學性質。
圖8為實施例6之介電層於升溫速率50℃/每分鐘(℃/min)、100℃/每分鐘(℃/min)及120℃/每 分鐘(℃/min)之條件下，即時反射率對溫度的關係圖；其中，由下而上的曲線依序為升溫速率50℃/每分鐘、100℃/每分鐘及120℃/每分鐘之條件下的即時反射率對溫度的關係。
圖9為實施例6之介電層剛沉積(as-deposited)及經退火(annealing)後的X光繞射光譜圖；其中相對位於上方的曲線係為介電層剛沉積的X光繞射光譜，相對位於下方的曲線係為進行退火的X光繞射光譜，最下方為國際粉末繞射委員會(joint committee of powder diffraction standard，JCPDS)的繞射資料檔(Powder Diffraction File，PDF)編號42-0792的X光繞射光譜，PDF編號42-0792係為四硫化五銦(In5S4)之X光繞射光譜，而退火處理之升溫速率為100℃/每分鐘，起始溫度為50℃，最高溫度為500℃，終止溫度為50℃。
由圖8中可得知，於溫度為50至500℃之間，該介電層於不同升溫速率之條件下的即時反射率對溫度的曲線均相當平緩，而無明顯變化；並進一步由圖9中可得知，該介電層經退火處理後整體均呈現微晶結構，與其剛沉積一致，顯示介電層之整體結構相當穩定，故該介電層能具有良好的熱穩定性。
此外，由圖9中得知，該介電層剛沉積的晶相結構中具有由硫與銦之化合物所構成的硫化銦相，且該介電層經退火處理後的晶相結構中亦具有硫化銦相；如此能避免硫擴散至記錄層而對記錄層產生不利影響之情形發生，增加光記錄媒體的使用壽命，並免除界面膜的設置而 節省製程步驟及成本；進一步而言，由於圖9中可知，實施例6之硫化銦相為具有立方體結構的四硫化五銦。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
10‧‧‧基底相
20‧‧‧導電相

Claims (11)

  1. 一種用於光儲存媒體的介電濺鍍靶材，其係由60至80原子百分比的一硫化鋅(ZnS)及20至40原子百分比的氧化金屬組成物所組成，該氧化金屬組成物之主要成份為三氧化二銦(In2O3)。
  2. 如請求項1所述之用於光儲存媒體的介電濺鍍靶材，該氧化金屬組成物進一步包含一氧化鋅(ZnO)及二氧化錫(SnO2)，且該氧化金屬組成物包含：銦的含量大於鋅的含量，銦的含量大於錫的含量。
  3. 如請求項2所述之用於光儲存媒體的介電濺鍍靶材，該氧化金屬組成物包含：以銦、鋅及錫之原子總含量為基準，銦的含量為60至80原子百分比，鋅的含量為10至25原子百分比，錫的含量為1至20原子百分比，且鋅的含量係大於錫的含量。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之用於光儲存媒體的介電濺鍍靶材，其包含一基底相及一導電相，基底相之晶粒尺寸與導電相之晶粒尺寸之比值為3至11。
  5. 如請求項1至3中任一項所述之用於光儲存媒體的介電濺鍍靶材，其具有高於99%以上之相對密度。
  6. 一種用於光儲存媒體的介電層，其係由60至80原子百分比的一硫化鋅(ZnS)及20至40原子百分比的氧化金屬組成物所組成，該氧化金屬組成物之主要成份為三氧化二銦(In2O3)。
  7. 如請求項6所述之用於光儲存媒體的介電層，該氧化金屬組成物進一步包含一氧化鋅(ZnO)及二氧化錫 (SnO2)，且該氧化金屬組成物包含：銦的含量大於鋅的含量，銦的含量大於錫的含量。
  8. 如請求項7所述之用於光儲存媒體的介電層，該氧化金屬組成物包含：以銦、鋅及錫之原子總含量為基準，銦的含量為60至80原子百分比，鋅的含量為10至25原子百分比，錫的含量為1至20原子百分比，且鋅的含量係大於錫的含量。
  9. 如請求項6至8中任一項所述之用於光儲存媒體的介電層，其係具有硫化銦相。
  10. 如請求項6至8中任一項所述之用於光儲存媒體的介電層，其係由一種如請求項1至5中任一項所述之用於光儲存媒體的介電濺鍍靶材所製成。
  11. 如請求項10所述之用於光儲存媒體的介電層，其係具有硫化銦相。
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