물질의 순도와 양을 측정하는 방법

KR101061421B1 - 반도체 제조공정을 위한 전구체 순도 측정방법 - Google Patents

반도체 제조공정을 위한 전구체 순도 측정방법 Download PDF

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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
- C23C16/52—Controlling or regulating the coating process
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
- C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
- C23C16/45523—Pulsed gas flow or change of composition over time
- C23C16/45525—Atomic layer deposition [ALD]
- C23C16/45553—Atomic layer deposition [ALD] characterized by the use of precursors specially adapted for ALD

Abstract

본 발명은 반도체 제조공정을 위한 화학물질의 증기상 순도 측정방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 전구체 시료의 석출 및 탈기를 제어하도록 단열격벽체로 격리된 내실에 등압유지챔버 및 압력 측정부를 포함하는 반도체 제조공정을 위한 전구체 순도 측정장치 및 그 방법에 관한 것이다. 따라서, 본 발명은 온도 변화에 따른 전구체 화학물질의 증기상 순도를 측정하고, 전구체 화학물질의 증기상 순도의 오차 범위를 줄여 정확한 수치를 측정하며, 전구체의 분해상태를 감시하며, 전구체 증기압 및 화학물질의 증기상 순도를 이용함으로써, 다양한 원료물질을 반도체 제조공정의 특성에 맞게 적절하게 선별하는 효과가 있다.

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KR101061421B1 - 반도체 제조공정을 위한 전구체 순도 측정방법 - Google Patents
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증기압, 순도, 화학물질, 전구체, 반도체

Description

반도체 제조공정을 위한 전구체 순도 측정방법{A PRECURSOR VAPOR PURITY MEASURING METHOD FOR SEMICONDUCTOR MANUFACTURING PROCESS}

본 발명은 화학 증착법에 이용되는 전구체의 증기상 순도를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전구체 시료의 석출 및 탈기를 제어하도록 단열격벽체로 격리된 내실에 등압유지챔버 및 압력측정부를 포함하는 반도체 제조공정을 위한 전구체 순도 측정장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전구체는 반도체 제조공정을 위한 화학증착법에서 이용되고 있다. 이러한 전구체는 동일한 물질이더라도 조건에 따라 증착 공정상 서로 다른 움직임이 나타난다.

특히 동일한 전구체 화합물이더라도 조건에 따라 증기압이 서로 다르게 나타나는데, 이럴 경우 일정한 원료가 투입되더라도 증착되는 박막에 질적 차이가 발생할 수 있다.

그런데 이와 같은 반도체 제조 공정에서, 소자의 집적화가 높아질 경우 3차원 배선구조를 이루게 되는 등 그 구조가 매우 복잡하게 되어, 더욱 우수한 박막의 질적 특성을 요구하게 된다.

또한, 박막의 질적 특성은, 이후의 노광 및 배선 공정에 영향을 주게 되어, 박막의 질적 특성이 저하될 경우 반도체 정밀도 저하는 물론, 생산수율의 감소와 생산비용의 증가 원인이 될 수 있다.

따라서 박막의 질적 특성을 높이기 위한 기술의 필요를 요구하고, 이를 위해 증기상에서의 순도를 화학 증착법의 시행 전에 정확히 측정해야 한다.

현재 반도체용 전구체 등을 합성 후 일반적으로 액상에서 핵자기공명법(NMR)이나 유도결합플라즈마 질량분석기(ICP-MASS) 등을 이용해서 순도를 측정하고 있으나 정확한 측정을 하지 못하고 있어 기상에서의 순도 측정기술이 요구된다.

하지만, 전구체의 대부분은 공기 중에 노출될 경우 인화되는 특성이 있어 다루기가 어렵고, 반응 부산물 등에 의해 장비가 오염되는 경우가 빈번하다. 따라서 전구체를 이용한 화학 증착법 이전에 손쉽게 전구체의 순도를 측정하기 위한 장치 및 방법이 없는 문제점이 있다.

이에 따라 반도체 및 디스플레이 제조 공정과 같이 진공 기술과 박막 증착 공정이 사용되는 산업에서 전구체의 열역학적 기초 데이터의 구축이 없는 실정이고, 특히 새로운 전구체에 대한 순도에 관한 측정 데이터가 없는 문제점이 있다.

또한, 반도체 라인에서 증착용 원료물질을 이용하는 CVD/ALD 공정의 경우 원료물질을 처음 장착한 후 높은 증기압력을 보이나 시간이 흐를수록 증기압이 떨어져 결국 공정재현성이 떨어지는 문제점이 다수 발견된다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다음과 같다.

첫째, 항온 유지 및 등압 유지로 온도 변화에 따른 반도체 제조 공정을 위한 전구체 화학물질의 증기상 순도를 측정하는데 그 목적이 있다.

둘째, 반도체 제조 공정을 위한 전구체 증기압 및 화학물질의 증기상 순도를 이용하여 다양한 원료물질을 공정특성에 맞게 적절하게 선별할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구체적 구성수단은 다음과 같다.

전구체 시료가 담긴 시료용기; 시료용기에 관연결되는 압력측정부; 시료용기의 시료가 증발되어 압력측정부로 유입되는 등압유지챔버; 등압유지챔버와 연결되어 기본진공 유지 및 오염원을 제거하는 메인펌핑부; 시료용기와 메인펌핑부의 연결관 사이에 형성한 제 1밸브; 시료용기와 등압유지챔버의 연결관 사이에 형성한 제 2밸브; 시료용기의 일측에 시료의 분해 상태를 감시하는 센서; 센서와 연결되어 메인펌핑부를 제어하는 퍼지기체 및 센서제어부; 및 시료용기와 압력측정부를, 시료용기와 함께 내부에 함께 밀봉하여 설치한 단열격벽체로 구성한 것을 특징으로 한다.

또한, 압력측정부 및 시료용기 사이의 관연결 부위에 비해 상대적으로 큰 용 적을 갖는 등압유지챔버를 더 포함하고; 등압유지챔버에 관연결되고, 퍼지기체 및 센서제어부에 의해 제어되는 부설밸브를 더 포함하며, 압력측정부와 등압유지챔버 사이에 관연결된 보조밸브와 보조펌프로 구성된 보조오염원제거펌핑부를 더 포함하며; 센서는, 초음파 센서 구조, 자외선 센서 구조, 적외선 센서 구조 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

등압유지챔버에 관연결된 제 1밸브 열고 메인펌핑부를 가동시켜 기본압력을 발생시키는 단계; 제 1밸브를 닫고 제 2밸브를 열어 시료용기에서 시료의 증기를 압력측정부로 유입시키는 단계; 압력측정부에서 전구체의 포화증기압력을 측정하는 단계; 및 포화증기압력의 재현성 정도를 기준물질과 비교하여 증기상에서 전구체 순도를 판별하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 포화증기압력을 측정하는 단계와 전구체 순도를 판별하는 단계 사이에 압력측정부에서 포화증기압력을 측정한 이후 정확한 측정을 위해 메인펌핑부 및 부설밸브를 열어 오염원을 제거하는 단계와, 제 1밸브를 닫고 제 2밸브를 열어 시료의 증기를 압력측정부로 유입시켜 같은 조건에서 2번째 포화증기압력을 재차 측정하는 단계를 더 포함하고; 기본압력을 발생시키는 단계에서 포화증기압력을 재차 측정하는 단계까지 반복하여 3회 이상 포화증기압력을 측정하는 것을 특징으로 한다.

따라서 본 발명에 따른 효과는 다음과 같다.

첫째, 반도체 제조 공정 중 항온 유지 및 등압 유지로 온도 변화에 따른 전구체 화학물질의 증기상 순도를 측정하는 효과가 있다.

둘째, 오염원을 제거하고 반복적으로 측정하여 전구체 화학물질의 증기상 순도의 오차 범위를 줄여 정확한 수치를 측정하는 효과가 있다.

셋째, 전구체의 분해상태를 감시하는 효과가 있다.

넷째, 반도체 제조 공정을 위한 전구체 증기압 및 화학물질의 증기상 순도를 이용함으로써, 다양한 원료물질을 반도체 제조공정의 특성에 맞게 적절하게 선별하는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.

<본 발명에 따른 구성>

도 1은 본 발명에 따른 반도체 제조공정을 위한 전구체 순도측정장치를 도시한 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 항온 유지 및 등압 유지로 온도변화에 따른 시료 석출 및 탈기를 제어하도록 전구체 시료를 담는 시료용기(1)에 관연결되는 압력측정부(2)가 단열격벽체(8)의 내실에 밀폐/설치하여 밀봉된다.

시료용기(1)와 압력측정부(2)의 사이에는 시료용기(1)의 시료가 증발되어 압력측정부(2)로 유입되는 등압유지챔버(3)를 형성하고, 등압유지챔버(3)와 메인펌핑부(4)를 연결한다. 이때, 메인펌핑부(4)는 기본진공 유지 및 오염원제거를 하는 것이다.

시료용기(1)와 메인펌핑부(4)의 연결관 사이에는 제 1밸브(5)가 형성되고, 시료용기(1)와 등압유지챔버(3)의 연결관 사이에는 제 2밸브(6)가 형성되며, 시료 용기(1)의 일측에 시료의 분해상태를 감시하는 센서(S)를 더 구비한다.

센서(S)와 연결된 퍼지기체 및 센서제어부(7)는 메인펌핑부(4)를 제어를 제어한다.

시료용기(1) 및 압력측정부(2)와 함께 등압유지챔버(3), 제 1밸브(5), 제 2밸브(6)을 단열격벽체(8)의 내실에 밀폐/설치함으로써, 관연결 부위를 통해 유동하는 시료의 항온이 견지되고, 시료의 석출을 제어 및 방지할 수 있다.

센서(S)는 반도체 공정 중에 사용되는 화학물질에 따라 초음파 센서 구조, 적외선 센서 구조, 자외선 센서 구조 중 어느 하나를 선택하여 설치한다. 센서(S)는 퍼지기체 및 센서 제어부(7)에 연결되어 시료용기(1)에 담긴 전구체의 분해 정도를 감시하게 된다. 이때 전구체의 분해는 측정오차를 유발할 수 있으므로 센서(S)의 부착 구조는 전구체의 분해 정도를 감지할 수 있도록 시료용기 일측면에 설치하는 것이 바람직하다.

퍼지기체 및 센서 제어부(7)는 센서(S)의 신호를 받아 전구체의 분해상태를 검사하여 일정기준치 이상의 분해상태에 도달할 경우 메인펌핑부(4)의 작동을 중지하도록 제어할 수 있다.

등압유지챔버(3)는 시료용기(1) 및 압력측정부(2) 사이의 관연결 부위에 비해 상대적으로 큰 용적을 갖도록 한다. 그 이유는 제 1밸브(5)와 제 2밸브(6)가 열려 시료가 관연결 부위를 통해 배출될 경우 발생하는 전구체의 미소한 탈기로 인해 시간에 따라 압력변화를 발생시키기 위한 것이다.

부설밸브(71)는 등압유지챔버(3)에 관연결되어 퍼지기체 및 센서제어부(7)에 의해 제어된다. 그 이유는 등압유지챔버(3) 및 부설밸브(71)를 이용하여 시료용기(1), 압력측정부(2), 등압유지챔버(3) 및 이를 연결하는 관연결 부위에 잔류하는 전구체를 제거하는 것이다.

즉, 퍼지기체 및 센서제어부(7)에 의해 제어되는 등압유지챔버(3) 및 부설밸브(71)는 제거되지 않은 전구체가 다음 측정에 오염원으로 제공되는 것을 방지하기 위함이다.

참고로, 퍼지란 배관이나 플랜트 설비 등을 이상사태나 유지 보수 등의 이유로 인하여 운전을 정지한다.

그리고, 내부에 함유하고 있는 가연성 또는 독성가스를 다른 설비에 이송, 방출하고 남은 잔류 함유물이 산화 또는 반응폭주를 일으키지 않도록 안정된 기체로 중화처리를 해야한다.

이때, 설비나 용기 내부의 함유물을 화학적 또는 물리적 반응을 일으키지 않는 기체로 중화처리하는 것을 불활성화 또는 퍼지(Purge)라 하며 이때 사용되는 가스를 퍼지가스(Purge Gas)라 한다.

부설 밸브(71)는 퍼지기체 및 센서제어부(7)의 제어에 의해 불활성 기체를 시스템 내로 흐르게 한 후 불활성 기체의 제공 시간과 횟수 등을 조절하여 측정시스템 내부의 오염원을 제거하는 것이다.

이때, 압력측정부(2)와 등압유지챔버(3) 사이에 관연결된 보조밸브(91)와 보조펌프(92)로 구성된 보조오염원제거펌핑부(9)를 더 구비한다. 그 이유는 퍼지기체 및 센서제어부(7)에 의해 측정 후의 오염입자를 등압유지챔버(3) 및 부설밸브(71) 만으로는 잔존 오염입자를 원활히 배출할 수 없기 때문이다.

즉, 보조오염원제거펌핑부(9)는 단열격벽체(8) 내부에 존재하는 압력측정부(2)와 등압유지챔버(3) 및 이를 연결하는 연결관 내부의 오염입자를 완전히 제거하기 위한 것이다.

<본 발명에 따른 증기상 순도의 측정방법>

도 2는 본 발명에 따른 반도체 제조공정을 위한 전구체 순도측정방법을 도시한 순서도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 등압유지챔버에 관연결된 제 1밸브 열고 메인펌핑부를 가동시켜 기본압력을 발생시키는 단계(S100)를 거친 후 제 1밸브를 닫고 제 2밸브를 열어 시료용기에서 시료의 증기를 압력측정부로 유입시키는 단계(S200)를 거친다.

증기를 압력측정부로 유입시키는 단계(S200)를 거친 후 압력측정부에서 전구체의 포화증기압력을 측정하는 단계(S300)에서 1차적으로 포화증기압력을 측정하여 순도를 계산한다.

포화증기압력을 측정하는 단계(S300)에서 1차적으로 포화증기압력의 재현성 정도를 기준물질과 비교하여 증기상에서 전구체 순도를 판별하는 단계(S600)로 이루어진다.

도 3은 본 발명에 따른 반도체 제조공정을 위한 전구체 순도측정방법을 도시한 다른 순서도이다. 이때, 더욱 정확한 포화증기압력을 측정하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이, 포화증기압력을 측정하는 단계와 전구체 순도를 판별하는 단계 사이에 메인펌핑부 및 부설밸브를 열어 오염원을 제거하는 단계(S400)와 제 1밸브를 닫고 제 2밸브를 열어 시료의 증기를 압력측정부로 유입시켜 같은 조건에서 2번째 포화증기압력을 재차 측정하는 단계(S500)를 더 포함하는 것이 바람직할 것이다.

또한, 기본압력을 발생시키는 단계(S100)에서 포화증기압력을 재차 측정하는 단계(S500)까지 반복하여 3회 이상 포화증기압력을 측정하여 포화증기압력의 오차 범위를 줄이도록 하는 것이 바람직할 것이다.

<본 발명에 따른 실험 및 그 결과>

Tetraethylothosilicate (이하 TEOS)는 현재 반도체/LCD공정에서 SiOx박막공정에서 일반적으로 가장 많이 사용되는 원료물질의 하나로 본 연구장비의 목적인 반도체/LCD공정용 원료물질의 증기압을 측정하였다.

일반적으로 쉽게 구입 가능한 TEOS의 순도에 따른 증기압 재현성을 측정하기 위하여 98, 99, 99.999%의 TEOS를 구입하여 각각의 TEOS를 30℃의 온도로 고정하고, TEOS의 평형 증기압 측정시간을 3600 sec(1hour)로 기준으로 하여 측정하였다. 각각의 TEOS는 측정 후 일정시간의 펌핑(pumping)시간을 유지 후 재측정을 하였으며, 5회 이상씩 측정하였다.

도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 순도가 낮은 TEOS 일수록 처음 측정한 증기압 수치가 높으며, 계속 측정할수록 점점 낮아져 약 2.05 torr 로 일치해 가는 것을 볼 수 있다.

도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 화학물질의 순도 비율을 달리하여 화학물 질의 증기상 순도를 측정한 그래프이다.

순도의 차이는 불순물의 함유에 따라 정해지는 것으로 순도가 낮은 것일수록 증기압 측정시 불순물이 함유되어 발생함으로써, 높은 수치를 나타내고, 측정을 반복할수록 발생한 불순물의 배기로 인하여 증기압이 고순도인 TEOS의 증기압과 일치하게 되는 것으로 추정하고 있다. 따라서 위의 측정법을 이용하면 증기상에서의 순도를 정확하게 비교할 수 있다.

이와 같은 실험에 의해 같은 온도에서 반복하여 증기압의 재현성을 측정하여 순도를 결정함으로써, 순도가 떨어질수록 증가압의 재현성도 떨어지는 것을 알 수 있다.

즉 전구체 화학물질의 증기상 순도가 100% 하였을 때 증기압 재현성도 거의 100%에 일치하는 것을 알 수 있고, 증기상 순도가 100% 이하로 떨어질수록 증기압도 100% 이하로 떨어지는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전구체의 증기상 순도 및 증기압을 이용하면, 다양한 원료물질을 공정특성에 맞게 적절하게 선별(screening)할 수 있다.

본 발명은 반도체 제조공정뿐만 아니라, 디스플레이 제조공정 및 태양광(전지) 제조공정 등에도 사용되어 전구체 화학물질의 증기상 순도를 측정하는 장치 및 방법으로 사용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명 이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시 예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.

도 1은 본 발명에 따른 반도체 제조공정을 위한 전구체 순도측정장치를 도시한 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 반도체 제조공정을 위한 전구체 순도측정방법을 도시한 순서도.

도 3은 본 발명에 따른 반도체 제조공정을 위한 전구체 순도측정방법을 도시한 다른 순서도.

도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 화학물질의 순도 비율을 달리하여 화학물질의 증기상 순도를 측정한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 시료용기 2: 압력측정부

3: 등압유지챔버 4: 메인펌핑부

5: 제 1밸브 6: 제 2밸브

7: 퍼지기체 및 센서제어부 71: 부설밸브

8: 단열격벽체 9: 보조오염원제거펌핑부

91: 보조밸브 92: 보조펌프

Claims (8)

등압유지챔버에 관연결된 제 1밸브를 열고 메인펌핑부를 가동시켜 기본압력을 발생시키는 단계(S100);
상기 제 1밸브를 닫고 제 2밸브를 열어 시료용기에서 시료의 증기를 압력측정부로 유입시키는 단계(S200);

상기 압력측정부에서 전구체의 포화증기압력을 측정하는 단계(S300); 및
상기 포화증기압력의 재현성 정도를 기준물질과 비교하여 증기상에서 전구체 순도를 판별하는 단계(S600)로 이루어지며,
상기 포화증기압력을 측정하는 단계와 전구체 순도를 판별하는 단계 사이에 상기 압력측정부에서 포화증기압력을 측정한 이후 정확한 측정을 위해 메인펌핑부 및 부설밸브를 열어 오염원을 제거하는 단계(S400);와
상기 제 1밸브를 닫고 상기 제 2밸브를 열어 시료의 증기를 상기 압력측정부로 유입시켜 같은 조건에서 2번째 포화증기압력을 재차 측정하는 단계(S500)를 더 포함하고,
상기 기본압력을 발생시키는 단계(S100)에서 상기 포화증기압력을 재차 측정하는 단계(S500)까지 반복하여 3회 이상 상기 포화증기압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조공정을 위한 전구체 순도 측정방법.

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