CN111399338A - 一种光刻方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光刻方法，属于集成电路制作领域。它通过在确定沉积区的衬底上先涂覆厚度大于待沉积金属层厚度、灵敏度较高的光刻胶以形成第一光刻胶层，再涂覆灵敏度较低的光刻胶以形成第二光刻胶层，并通过一次曝光界定出位置与沉积区相对应的待溶解区域，该待溶解区域包括位于所述第一光刻胶层的第一区域和位于所述第二光刻胶层的第二区域，再利用显影液等溶解去除第一区域和第二区域的光刻胶以暴露出沉积区，然后再沉积金属材料，则在沉积区形成的金属层和第二光刻胶层表面以及侧壁的金属材料残留物之间无粘黏现象，因此，沉积金属材料之后再去剥离第一光刻胶层和第二光刻胶层时，沉积区的金属层即不会发生撕裂的问题。

Description

一种光刻方法

技术领域

本发明属于集成电路制作领域，更具体地说，涉及一种光刻方法。

背景技术

随着集成电路技术的不断发展，IC器件的集成度不断提高，特征尺寸也变得越来越小。因而，对集成电路制造工艺的要求也越来越严格，微小的工艺偏差都会导致器件性能的变化，进而使整体电路偏离设计要求。

其中，光刻工艺主要包括涂胶-前烘-曝光-显影-坚膜-刻蚀-去胶等步骤，它主要是利用光敏的抗蚀涂层发生光化学反应，结合腐蚀方法在各种薄膜或硅上制备出合乎要求的图形，以实现制作各种电路元件、选择掺杂、形成金属电极和布线等目的。但是，目前的相关光刻工艺技术通过显影、刻蚀以在衬底表面形成所需的沉积区，采用电子束沉积金属的方式，并且在沉积区以及未刻蚀的区域均会形成金属层，而后续去胶剥离未蚀刻区金属层的过程中极易导致沉积区金属层发生撕裂，从而影响金属层的形貌特征，进而影响了集成电路的性能。

发明内容

针对相关光刻工艺技术在去胶剥离的过程中，易导致沉积区的金属层发生撕裂的问题，本发明提供一种光刻方法，它包括：

确定衬底上的沉积区、以及所述沉积区上待沉积金属层的厚度；

在所述衬底上构建第一光刻胶层，其中，所述第一光刻胶层的厚度大于所述待沉积金属层的厚度；

在所述第一光刻胶层上构建第二光刻胶层，其中，所述第二光刻胶层的灵敏度比所述第一光刻胶层的灵敏度低；

曝光所述第二光刻胶层和所述第一光刻胶层以界定出待溶解区域，所述待溶解区域的位置与所述沉积区的位置相对应，其中，所述待溶解区域包括位于所述第一光刻胶层的第一区域和位于所述第二光刻胶层的第二区域，且所述第二区域的尺寸不小于所述沉积区的尺寸；

溶解去除所述第二区域和所述第一区域以暴露出所述沉积区；

沉积金属材料，在所述沉积区上形成金属层；

剥离所述第一光刻胶层和所述第二光刻胶层。

优选地，在所述衬底上构建第一光刻胶层的方法包括：

氮气吹扫所述衬底；

预烘烤所述衬底；

在所述衬底上涂覆第一光刻胶；

在160～200℃下烘烤2～10min后冷却制得所述第一光刻胶层。

优选地，在所述第一光刻胶层上构建第二光刻胶层的方法包括：

在所述第一光刻胶层上涂覆第二光刻胶；

在110℃～120℃下烘烤1～3min后冷却制得所述第二光刻胶层。

优选地，在所述曝光所述第二光刻胶层和所述第一光刻胶层以界定出待溶解区域的步骤之后，还包括：

烘烤所述第二光刻胶层和所述第一光刻胶层。

优选地，其中，所述第一光刻胶层的厚度为所述待沉积金属层的厚度的2～3倍。

优选地，所述在所述衬底上涂覆第一光刻胶的方法包括：

以第一速度匀速转动所述衬底；

在所述衬底的旋转中心滴入第一光刻胶；

以第二速度匀速转动所述衬底直至所述第一光刻胶散开至所述衬底的边沿；

其中，所述第一速度为850～1000r/min，所述第二速度为3500～4500r/min。

优选地，采用电子束蒸镀工艺沉积所述金属材料。

优选地，所述采用电子束蒸镀工艺沉积所述金属材料包括以下步骤：

将所述衬底固定在蒸发镀膜室内靶材上方的基板上；

将蒸发镀膜室抽真空至5×10^-3Pa以上；

向蒸发镀膜室通入氩气，所述氩气流量为1sccm～10sccm，气压为0.5Pa～2.5Pa；

启动电子束轰击所述靶材在沉积区形成金属层。

优选地，所述剥离所述第一光刻胶层和所述第二光刻胶层的方法包括：

将所述衬底置于20℃的1-甲基-2-吡咯烷酮溶液中浸泡；

依次将所述衬底置于1-甲基-2-吡络烷酮溶液中、异丙醇溶液中、去离子水中超声震动至所述衬底表面无所述第一光刻胶层和所述第二光刻胶层残留；

取出所述衬底，用氮气吹干所述衬底。

相比于现有技术，本发明通过在确定沉积区的衬底上先涂覆厚度大于待沉积金属层厚度、灵敏度较高的光刻胶以形成第一光刻胶层，再涂覆灵敏度较低的光刻胶以形成第二光刻胶层，并通过一次曝光在构建的两层光刻胶层上界定出位置与沉积区相对应的待溶解区域，该待溶解区域包括位于所述第一光刻胶层的第一区域和位于所述第二光刻胶层的第二区域，由于第一光刻胶层的灵敏度高于第二光刻胶层、以及曝光时前散射现象的影响作用，被曝光的第一区域的尺寸大于第二区域，此后利用显影液等溶解去除第一区域和第二区域的光刻胶以暴露出沉积区，然后再沉积金属材料，则在沉积区形成的金属层和第二光刻胶层表面以及侧壁的金属材料残留物之间无粘黏现象，因此，沉积金属材料之后再去剥离第一光刻胶层和第二光刻胶层时，沉积区的金属层即不会发生撕裂的问题。

附图说明

图1为本发明提供的一种光刻方法的流程示意图；

图2为本发明提供的一种光刻方法的流程图。

图中：1、衬底；2、第一光刻胶层；3、第二光刻胶层；4、金属层；5、沟槽；6、沉积区；7、第一区域；8、第二区域；9、掩膜版。

具体实施方式

下面结合特定的具体实例和附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

结合图2，一种光刻方法，包括步骤S100～步骤S700，其中：

步骤S100、如图1(a)所示，确定衬底1上的沉积区6、以及所述沉积区6上待沉积金属层的厚度，在本实施例要沉积厚度为80nm的铝层。其中，衬底1是为半导体基片，如硅、蓝宝石等，本实施例所采用的衬底1是硅片。图1中，沉积区6为位于虚线框中衬底1的表面。

步骤S200、如图1(b)所示，在所述衬底1上构建第一光刻胶层2，其中，所述第一光刻胶层2的厚度大于所述待沉积金属层的厚度。

具体的，在所述衬底1上构建第一光刻胶层2的方法包括：

氮气吹扫所述衬底1，以清除衬底1表面微粒，例如杂质颗粒、玷污、自然氧化层等，以免影响光刻胶粘附；

预烘烤所述衬底1以将衬底1表面烘烤干燥以便增加第一光刻胶和衬底1之间的粘附能力，具体的，可以在150℃～200℃下预烘烤烘干衬底1表面的水分后冷却；

在所述衬底1上涂覆第一光刻胶，本实施例中，第一光刻胶为MMA，涂覆第一光刻胶可以采用静态涂覆的方式，优选地，本实施例采用旋转涂覆的方式，具体而言，以第一速度850r/min匀速转动所述衬底1后，在所述衬底1的旋转中心滴入第一光刻胶MMA，然后以第二速度3500r/min匀速转动所述衬底1直至所述第一光刻胶MMA散开至所述衬底1的边沿，其中，所述第一速度也可以是880r/min、900r/min、950r/min、1000r/min，只要在850～1000r/min即可，所述第二速度还可以是3900r/min、4200r/min、4500r/min，第二速度只要在3500～4500r/min即可；需要说明的是，与静态涂覆的方式相比，前述旋转涂覆的方式，光刻胶不易发生堆积，更易均匀散开，形成厚度均匀的胶层；

在160～200℃下烘烤2～10min后冷却定型制得所述第一光刻胶层2，本实施例在180℃下烘烤3min后即冷却至室温。

需要说明的是，第一光刻胶涂覆在衬底1上后，由于溶剂含量较高，使得胶层整体厚度较厚，且旋转涂覆时第一光刻胶对衬底1的粘附能力较差，同时容易造成涂覆第二光刻胶时，两层胶之间发生渗透融合现象，而影响曝光显影后形成的图形形貌，通过烘烤能够使第一光刻胶中的溶剂蒸发，使涂覆的第一光刻胶厚度减小10％～20％，并能相对降低旋转形成薄膜应力以增强第一光刻胶粘附能力，并使第一光刻胶层2不但薄而均匀并且能够避免与第二光刻胶互溶，并且控制最终形成的所述第一光刻胶层2的厚度大于待沉积金属层的厚度，优选地，控制最终形成的所述第一光刻胶层2的厚度为待沉积金属层的厚度的2～3倍，例如为待沉积金属层的厚度的2倍、2.2倍、2.5倍、2.8倍、3倍，本实施例中控制最终形成的所述第一光刻胶层2的厚度为180nm～200nm之间。

步骤S300、如图1(c)所示，在所述第一光刻胶层2上构建第二光刻胶层3，其中，所述第二光刻胶层3的灵敏度比所述第一光刻胶层2的灵敏度低。

灵敏度是指单位面积上入射的使光刻胶全部发生反应的最小光能量(对紫外光刻胶而言)或最小电荷量(对电子束光刻胶而言)，并且数值越小表明灵敏度越高，曝光所需的剂量相应越小，曝光过程越快。

具体的，在所述第一光刻胶层2上构建第二光刻胶层3的方法包括：

在所述第一光刻胶层2上涂覆第二光刻胶，本实施例中，第二光刻胶为PMMA，具体而言，在本实施例中以第三速度880r/min匀速转动所述衬底1后，在所述第一光刻胶层2的旋转中心滴入第二光刻胶PMMA，然后以第四速度4200r/min匀速转动所述衬底1直至所述第二光刻胶散开至所述第一光刻胶层2的边沿，需要说明的是，所述第三速度可以为850～1000r/min内任意值，所述第四速度可以为3500～4500r/min内任意值；

在115℃下烘烤2min后冷却制得所述第二光刻胶层3，具体实施时，也可以在110℃、120℃下烘烤以固化光刻胶，烘烤时间控制在1～3min。

需要说明的是，光刻胶根据曝光波长的不同，可分为紫外(300～450nm)光刻胶、深紫外(160～280nm)光刻胶、极紫外(EUV，13.5nm)光刻胶、电子束光刻胶、离子束光刻胶、X射线光刻胶等类型。为实现一次曝光两层光刻胶的效果，在本发明中第一光刻胶和第二光刻胶须为同一类型光刻胶，并且第二光刻胶的灵敏度比第一光刻胶的灵敏度低，也即第二光刻胶层3的灵敏度比第一光刻胶层2的灵敏度低，以保证第一光刻胶层2上的被曝光区域比第二光刻胶层3上的被曝光区域面积大，可以理解的是，选择不同类型的光刻胶时，曝光波长和溶解用的显影液也需做对应的调整。

优选的，本实施例中第一光刻胶和第二光刻胶为电子束光刻胶，分别选用MMA、PMMA，具体实施时，第一光刻胶和第二光刻胶也可以分别选用紫外光刻胶、深紫外光刻胶、极紫外光刻胶或者上述光刻胶与其他易被显影溶解的胶配合，具体的，例如第一光刻胶和第二光刻胶也可以分别选用LOR5B、S1813，或者LOR10B、SPR955，与紫外光刻胶、深紫外光刻胶、极紫外光刻胶相比，电子束光刻胶曝光波长短、分辨率高。

步骤S400、如图1(d)和图1(e)所示，曝光所述第二光刻胶层3和所述第一光刻胶层2以界定出待溶解区域，所述待溶解区域的位置与所述沉积区6的位置相对应，其中，所述待溶解区域包括位于所述第一光刻胶层的第一区域7和位于所述第二光刻胶层的第二区域8，且所述第二区域8的尺寸不小于所述沉积区6的尺寸；需要说明的是，待溶解区域即为两层光刻胶层中被曝光的区域，由于第二光刻胶层3的灵敏度比第一光刻胶层2的灵敏度低以及曝光时电子束的前散射作用，第一光刻胶层2上被曝光的第一区域7的尺寸比第二光刻胶层3上被曝光的第二区域8的尺寸要大，以垂直曝光角度来说，即第一区域7的面积大于第二区域8的面积。

其中，所述曝光所述第二光刻胶层3和所述第一光刻胶层2以界定出待溶解区域的方法可以是通过具有预制图形的掩膜版对所述第二光刻胶层3和所述第一光刻胶层2曝光，预制图形的尺寸不小于沉积区6的尺寸，且在曝光时，预制图形的位置与沉积区6的位置相对应。

本实施例在对第二光刻胶层3和第一光刻胶层2电子束曝光之后，立即在100℃温度下对所述第二光刻胶层3和所述第一光刻胶层2烘烤1～2rnin，使第一光刻胶层2和第二光刻胶层3定型，即通过烘烤使第一光刻胶层2、以及第二光刻胶层3中感光与未感光边界处的高分子化合物重新分布。需要说明的是，烘烤温度和烘烤时间因光刻胶的种类和厚度不同而有所浮动，一般在80～120℃烘烤1～3min即可

步骤S500、如图1(f)所示，溶解去除所述第二区域8和所述第一区域7以暴露出所述沉积区6。

具体的，本步骤利用显影液溶解去除所述第二区域8和所述第一区域7的光刻胶，在本实施例中，将显影液(如AZ300MIF)置于冰水混合物中，以使得在恒定的低温环境中进行显影操作，具体实施时，也可以将显影液置于液氮中，以使显影液的环境温度下降至更低，例如-20℃，更低的温度环境降低了电子束光刻胶对显影剂的敏感度，显影溶解过程便于操作控制以降低形貌偏差，有助于提高图形转移工艺的可靠性和可重复性，保持显影溶解过程的稳定可控，具体的，在低温下显影有助于通过控制显影时间控制形成的图形形貌，本步骤中利用显影液溶解去除所述第二区域和所述第一区域形成了沟槽5，沟槽5包括上槽和下槽，其中，所述第二光刻胶层3经显影液溶解去除第二区域后形成上槽、在所述第一光刻胶层2经显影液溶解去除第一区域后形成下槽，所述沉积区6通过形成的上槽和下槽暴露出来。

需要说明的是，本实施例采用电子束对两层不同灵敏度的光刻胶层进行曝光，利用电子束的前散射现象对不同灵敏度光刻胶层侧壁的影响，使得形成的下槽的截面宽度大于上槽的截面宽度，其截面如图1(f)所示。

此外，为了避免曝光、显影液溶解后沟槽5的侧壁形成倒角、锯齿等缺陷，具体实施时，可以通过大剂量窄线条和小剂量宽线条的组合曝光，并在曝光后即进行烘烤定型，从而保证沟槽5的侧壁的侧壁形貌垂直。

步骤S600、沉积金属材料，在所述沉积区6上形成金属层4，如图1(g)所示。

需要说明的是，本领域技术人员应该了解在显影操作后，还可以先进行坚膜再沉积金属材料，坚膜即是将显影溶解后的光刻胶进行烘烤，使得光刻胶牢固的粘附在衬底上。

本实施例中采用电子束蒸镀工艺沉积所述金属材料，所述采用电子束蒸镀工艺沉积所述金属材料包括以下步骤：

将所述衬底1固定在蒸发镀膜室内靶材上方的基板上；

将蒸发镀膜室抽真空至5×10^-3Pa以上；

向蒸发镀膜室通入氩气，所述氩气流量为1sccm～10sccm，气压为0.5Pa～2.5Pa；

启动电子束轰击所述靶材以形成80nm厚度的金属层，本实施例中金属层为铝。

步骤S700、剥离所述第一光刻胶层2和所述第二光刻胶层3，如图1(h)所示。

具体地，剥离所述第一光刻胶层2和所述第二光刻胶层3的方法包括：

将所述衬底1置于20℃的1-甲基-2-吡咯烷酮溶液中浸泡；

依次将所述衬底1置于1-甲基-2-吡络烷酮溶液中、异丙醇溶液中、去离子水中超声震动至所述衬底1表面无所述第一光刻胶层2和所述第二光刻胶层3残留；

取出所述衬底1，用氮气吹干所述衬底1。

本实施例中，第一光刻胶层2的厚度大于待沉积金属层的厚度，第一光刻胶层2的灵敏度比第二光刻胶层的灵敏度高，曝光时在电子束前散射现象作用下，导致第一光刻胶层2上被曝光的第一区域7的尺寸比第二光刻胶层3上被曝光的第二区域8大，因此，经显影液溶解去除后形成的沟槽5中下槽比上槽宽，进而在沉积金属层时，第二光刻胶层上沉积的金属以及上槽侧壁上的金属与沉积区6上形成的金属层无粘黏现象，因此，在剥离第一光刻胶层2和第二光刻胶层3时，沉积区6的金属层4即不会发生撕裂的问题。需要补充说明的是，本发明利用了两层光刻胶在灵敏性上的差异、以及前散射现象，通过一次曝光即可实现第一光刻胶层2上被曝光的第一区域7的尺寸比第二光刻胶层3上被曝光的第二区域8大，同时，为了实现沟槽5侧壁形貌的形貌垂直，在曝光后立即进行烘烤定型，再进行低温显影液精确控制溶解。同时，在本实施例中第一光刻胶层2的厚度大于沉积区6上形成的金属层4的厚度，沟槽5侧壁和沉积区6上的金属层之间存有缝隙，这种结构便于在剥离步骤S700中各溶液进入与侧壁的光刻胶接触，因而，更容易实现剥离。

作为剥离所述第一光刻胶层2和所述第二光刻胶层3的另一优选实施方式中，将衬底1置于20℃的1-甲基-2-吡咯烷酮溶液中浸泡，以及将衬底1置于1-甲基-2-吡络烷酮溶液中、异丙醇溶液中、去离子水中时，翻转衬底1使得形成的沟槽5朝下，即第一光刻胶层2、第二光刻胶层3位于衬底1的下方，整个衬底1以及衬底1上的图形浸泡在溶液中按照步骤S600的具体方式依次进行，由于沉积区6形成的金属层4和第二光刻胶层3表面以及沟槽5侧壁的金属材料残留物之前无粘黏现象，在超声震动过程中，更容易实现剥离。

需要说明的是，本领域技术人员可以理解的是在确定衬底1上的沉积区6之前，还需对衬底1先进行清洗，在本实施例中清洗衬底1包括以下步骤：

1)用气压设置为0.4Mpa氮气枪双面吹净30S衬底1表面，以粗略地去除衬底1表面的大颗粒物和附着在表面的有机物；

2)将衬底1放入1-甲基-2-吡咯烷酮中，80℃～90℃超声15min，功率99％，以充分地除去衬底1表面的颗粒物和附着在表面的有机物；

3)将衬底1置于20℃～30℃的异丙醇中，超声15min，频率8KHZ，功率99％，主要作用是除去残留的1-甲基-2-吡咯烷酮；

4)将衬底1在温度为20℃～30℃的去离子水中超声10min，取出吹干，主要作用是除去残留的异丙醇；

5)将衬底1放入浓硫酸和30％质量浓度的双氧水组成的混合溶液中加热到100℃～130℃，并浸泡5min～20min，所述混合溶液中浓硫酸和30％质量浓度的双氧水的体积比为7∶3，以除去衬底表面的聚合有机物；

6)用去离子水冲洗衬底1后再用氮气吹干；

7)将衬底1放入BOE溶液中浸泡3min～5min，取出用离子水冲洗干净后用氮气吹干，BOE溶液由质量浓度为49％HF水溶液和质量浓度为40％NH4F水溶液组成，49％HF水溶液和40％NH4F水溶液的体积比为1∶6，利用氟离子除去衬底表面被氧化形成的二氧化硅。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种光刻方法，其特征在于，包括：

确定衬底(1)上的沉积区(6)、以及所述沉积区(6)上待沉积金属层的厚度；

在所述衬底(1)上构建第一光刻胶层(2)，其中，所述第一光刻胶层(2)的厚度大于所述待沉积金属层的厚度；

在所述第一光刻胶层(2)上构建第二光刻胶层(3)，其中，所述第二光刻胶层(3)的灵敏度比所述第一光刻胶层(2)的灵敏度低；

曝光所述第二光刻胶层(3)和所述第一光刻胶层(2)以界定出待溶解区域，所述待溶解区域的位置与所述沉积区(6)的位置相对应，其中，所述待溶解区域包括位于所述第一光刻胶层的第一区域和位于所述第二光刻胶层的第二区域，且所述第二区域的尺寸不小于所述沉积区(6)的尺寸；

溶解去除所述第二区域和所述第一区域以暴露出所述沉积区(6)；

沉积金属材料，在所述沉积区(6)上形成金属层；

剥离所述第一光刻胶层(2)和所述第二光刻胶层(3)。

2.根据权利要求1所述的光刻方法，其特征在于：在所述衬底(1)上构建第一光刻胶层(2)的方法包括：

氮气吹扫所述衬底(1)；

预烘烤所述衬底(1)；

在所述衬底(1)上涂覆第一光刻胶；

在160～200℃下烘烤2～10min后冷却制得所述第一光刻胶层(2)。

3.根据权利要求1所述的光刻方法，其特征在于：在所述第一光刻胶层(2)上构建第二光刻胶层(3)的方法包括：

在所述第一光刻胶层(2)上涂覆第二光刻胶；

在110℃～120℃下烘烤1～3min后冷却制得所述第二光刻胶层(3)。

4.根据权利要求1所述的光刻方法，其特征在于：在所述曝光所述第二光刻胶层(3)和所述第一光刻胶层(2)以界定出待溶解区域的步骤之后，还包括：

烘烤所述第二光刻胶层(3)和所述第一光刻胶层(2)。

5.根据权利要求1所述的光刻方法，其中，所述第一光刻胶层(2)的厚度为所述待沉积金属层的厚度的2～3倍。

6.根据权利要求2所述的光刻方法，其特征在于：所述在所述衬底(1)上涂覆第一光刻胶的方法包括：

以第一速度匀速转动所述衬底(1)；

在所述衬底(1)的旋转中心滴入第一光刻胶；

以第二速度匀速转动所述衬底(1)直至所述第一光刻胶散开至所述衬底(1)的边沿；

其中，所述第一速度为850～1000r/min，所述第二速度为3500～4500r/min。

7.根据权利要求1所述的光刻方法，其特征在于：采用电子束蒸镀工艺沉积所述金属材料。

8.根据权利要求7所述的光刻方法，其特征在于：所述采用电子束蒸镀工艺沉积所述金属材料包括以下步骤：

将所述衬底(1)固定在蒸发镀膜室内靶材上方的基板上；

将蒸发镀膜室抽真空至5×10^-3Pa以上；

向蒸发镀膜室通入氩气，所述氩气流量为1sccm～10sccm，气压为0.5Pa～2.5Pa；

启动电子束轰击所述靶材在沉积区(6)形成金属层。

9.根据权利要求1所述的光刻方法，其特征在于：所述剥离所述第一光刻胶层(2)和所述第二光刻胶层(3)的方法包括：

将所述衬底(1)置于20℃的1-甲基-2-吡咯烷酮溶液中浸泡；

依次将所述衬底(1)置于1-甲基-2-吡络烷酮溶液中、异丙醇溶液中、去离子水中超声震动至所述衬底(1)表面无所述第一光刻胶层(2)和所述第二光刻胶层(3)残留；

取出所述衬底(1)，用氮气吹干所述衬底(1)。

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