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信息材料基礎(chǔ)第二章微電子材料與器件第一頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2.1
半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)2.1.1半導(dǎo)體性質(zhì)電導(dǎo)率介于金屬和絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體。純凈半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨溫度升高而指數(shù)增加雜質(zhì)的種類和數(shù)量決定著半導(dǎo)體的電導(dǎo)率可以實(shí)現(xiàn)非均勻摻雜半導(dǎo)體的電導(dǎo)率受光輻照和高能電子等的影響第二頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日硅(Si)、鍺(Ge)原子結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化模型:+14284+3228418+4價(jià)電子慣性核第三頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日
完全純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。它們是制造半導(dǎo)體器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4
硅和鍺共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖:共價(jià)鍵本征半導(dǎo)體第四頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日當(dāng)T升高或光線照射時(shí)產(chǎn)生自由電子空穴對(duì)。
共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力。當(dāng)T=0K(無(wú)外界影響)時(shí),共價(jià)鍵中無(wú)自由移動(dòng)的電子。這種現(xiàn)象稱本征激發(fā)。
本征激發(fā)第五頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日
當(dāng)原子中的價(jià)電子激發(fā)為自由電子時(shí),原子中留下空位,同時(shí)原子因失去價(jià)電子而帶正電。
當(dāng)鄰近原子中的價(jià)電子不斷填補(bǔ)這些空位時(shí)形成一種運(yùn)動(dòng),該運(yùn)動(dòng)可等效地看作是空穴的運(yùn)動(dòng)。注意:空穴運(yùn)動(dòng)方向與價(jià)電子填補(bǔ)方向相反。自由電子—帶負(fù)電半導(dǎo)體中有兩種導(dǎo)電的載流子
空穴的運(yùn)動(dòng)空穴—帶正電第六頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日溫度一定時(shí):
激發(fā)與復(fù)合在某一熱平衡值上達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。
熱平衡載流子濃度熱平衡載流子濃度:本征半導(dǎo)體中本征激發(fā)——產(chǎn)生自由電子空穴對(duì)。電子和空穴相遇釋放能量——復(fù)合。T導(dǎo)電能力ni或光照熱敏特性光敏特性第七頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日
N型半導(dǎo)體:雜質(zhì)半導(dǎo)體+4+4+5+4+4簡(jiǎn)化模型:N型半導(dǎo)體多子——自由電子少子——空穴自由電子本征半導(dǎo)體中摻入少量五價(jià)元素構(gòu)成。第八頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日P型半導(dǎo)體+4+4+3+4+4簡(jiǎn)化模型:P型半導(dǎo)體少子——自由電子多子——空穴空穴本征半導(dǎo)體中摻入少量三價(jià)元素構(gòu)成。第九頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2.1.2半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)電子共有化量子態(tài)能級(jí)電子填充能帶模型當(dāng)原子組合成晶體后,電子的量子態(tài)將發(fā)生質(zhì)的變化,它不再是固定于個(gè)別原子上運(yùn)動(dòng),而是穿行于整個(gè)晶體中,電子運(yùn)動(dòng)的這種變化稱為“共有化”。第十頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日施主能級(jí)受主能級(jí)第十一頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2.1.3半導(dǎo)體材料分類元素半導(dǎo)體:Si、Ge、P、C化合物半導(dǎo)體:GaAs、GaP、GaN固溶體半導(dǎo)體:Si-Ge、Ga1-xAlxAs、HgxCd1-xTe超晶格半導(dǎo)體:GaAs/AlGaAs組分型、摻雜型、應(yīng)變型第十二頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2.2.1p-n結(jié)的形成2.2集成電路基礎(chǔ)由于N型半導(dǎo)體中有富裕的自由電子,而P型半導(dǎo)體中有富裕的自由的空穴,所以當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體接觸時(shí),P型半導(dǎo)體中的空穴就會(huì)向N型中擴(kuò)散,而N型半導(dǎo)體中的電子向P型中擴(kuò)散,結(jié)果是P型端帶負(fù)電,而N型端帶正電。因而會(huì)形成內(nèi)建電場(chǎng),內(nèi)建電場(chǎng)的方向從N型端指向P型端,從而又阻止電子和空穴的擴(kuò)散。最后,依靠電子和空穴濃度梯度的擴(kuò)散和內(nèi)建電場(chǎng)的電作用達(dá)到平衡,在接觸面附近形成一個(gè)耗盡層,即p-n結(jié)。第十三頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日
利用摻雜工藝,把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體在原子級(jí)上緊密結(jié)合,P區(qū)與N區(qū)的交界面就形成了PN結(jié)。
摻雜N型P型PN結(jié)p-n結(jié)的形成第十四頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日半導(dǎo)體PN結(jié)能帶圖第十五頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日半導(dǎo)體PN結(jié)能帶圖第十六頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2.2.2雙極型晶體管由兩個(gè)相距很近的PN結(jié)組成又稱三極管第十七頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日NPN晶體管的偏置情況在正常使用條件下,晶體管發(fā)射結(jié)加正向小電壓,稱為正向偏置;收集結(jié)加反向大電壓,稱為反向偏置。具有放大信號(hào)的功能。第十八頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2.2.3場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)場(chǎng)效應(yīng)晶體管分類第十九頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日S-源極;G-柵極;D-漏極MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)N溝MOSFET,電位低的一端為源,電位高的為漏;P溝MOSFET,電位高的一端為源,電位低的為漏;MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管第二十頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管NN第二十一頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2.2.4集成電路發(fā)展簡(jiǎn)史
58年,鍺IC59年,硅IC61年,SSI(10~100個(gè)元件/芯片)
62年,MOSIC63年,CMOSIC64年,線性IC第二十二頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日65年,MSI(100~1000個(gè)元件/芯片)
69年,CCD
70年,LSI(1000~10萬(wàn)個(gè)元件/芯片),1KDRAM71年,8位MPUIC,400472年,4KDRAM,I2LIC
77年,VLSI(10萬(wàn)~1000萬(wàn)個(gè)元件/芯片),64KDRAM,
16位MPU80年,256KDRAM,2
m84年,1MDRAM,1
m85年,32位MPU,M68020第二十三頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日
86年,ULSI(1000萬(wàn)~10億個(gè)元件/芯片),
4MDRAM(8×106,91mm2,0.8
m,150mm),于89年開始商業(yè)化生產(chǎn),95年達(dá)到生產(chǎn)頂峰。88年,16MDRAM(3×107,135mm2,0.5
m,200mm),于92年開始商業(yè)化生產(chǎn),97年達(dá)到生產(chǎn)頂峰。
91年,64MDRAM(1.4×108,198mm2,0.35
m,200mm),于94年開始商業(yè)化生產(chǎn),99年達(dá)到生產(chǎn)頂峰。92年,256MDRAM(5.6×108,400
mm2,0.25
m,200mm),于98年開始商業(yè)化生產(chǎn),2002年達(dá)到生產(chǎn)頂峰。第二十四頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日
95年,GSI(>10億個(gè)元件/芯片),
1GDRAM(2.2×109,700mm2,0.18
m,200mm),
2000年開始商業(yè)化生產(chǎn),2004年達(dá)到生產(chǎn)頂峰。97年,4
GDRAM(8.8×109,986mm2,0.13
m,300mm),
2003年進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)。第二十五頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日
人的大腦:約有140億個(gè)腦細(xì)胞,每個(gè)腦細(xì)胞可完成“異或”或“或非”功能,長(zhǎng)度約為150
m
,消耗的能量約為
0.2
pJ。
比一比!
大規(guī)模集成技術(shù):可在14
cm2的面積上制作出
140
億個(gè)具有同樣功能的器件,每個(gè)器件的長(zhǎng)度約為
15
m
,消耗的能量約為
0.005
pJ,工作壽命可達(dá)10億小時(shí)以上。第二十六頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日集成電路工業(yè)發(fā)展的第一定律即所謂
摩爾定律。
Intel公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾先生在1965年4月19日發(fā)表于《電子學(xué)雜志》上的文章中提出,集成電路的能力將每年翻一番。1975年,他對(duì)此提法做了修正,稱集成電路的能力將每?jī)赡攴环?。摩爾定律現(xiàn)在的表達(dá)是:在價(jià)格不變的情況下,集成電路芯片上的晶體管數(shù)量每18
個(gè)月翻一番,即每3
年乘以
4。
2.2.5集成電路的發(fā)展規(guī)律第二十七頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日
集成電路工業(yè)發(fā)展的另一些規(guī)律為
建立一個(gè)芯片廠的造價(jià)也是每3
年乘以
4;線條寬度每6
年下降一半;芯片上每個(gè)器件的價(jià)格每年下降30%~40%;晶片直徑的變化:
60年:0.5
英寸,65年:1
英寸,
70年:2
英寸,75年:3
英寸,80年:4
英寸,
90年:6
英寸,95年:8
英寸(200mm),
2000年:12
英寸(300mm)。第二十八頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2.2.6集成電路分類按集成電路功能:數(shù)字集成電路和模擬集成電路按結(jié)構(gòu)形式分類:半導(dǎo)體集成電路、膜集成電路和混合集成電路按有源器件類型和工藝:雙極型集成電路和MOS
集成電路按規(guī)模大小分類:小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模、超大規(guī)模、甚大規(guī)模、巨大規(guī)模。指在一塊玻璃或陶瓷基片上,用膜形成技術(shù)和光刻技術(shù)等形成的多層金屬和金屬氧化物膜構(gòu)成電路中全部元器件及其互聯(lián)而實(shí)現(xiàn)某種電路功能的集成電路。第二十九頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日
集成電路的發(fā)展展望目標(biāo):集成度、可靠性、速度、功耗、成本努力方向:線寬、晶片直徑、設(shè)計(jì)技術(shù)
199219951998200120042007
比特/
芯片16
M64
M256
M1
G4
G16
G特征尺寸(μm)0.50.350.250.180.120.07晶片直徑(mm)200200200~400200~400200~400200~400美國(guó)1992~2007年半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展規(guī)劃第三十頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日美國(guó)1997~2012年半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展規(guī)劃1997199920012003200620092012
比特/
芯片256M1
G4
G16
G64
G256
G特征尺寸(μm)0.250.180.150.130.10.070.05晶片直徑(mm)200300300300300450450第三十一頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日我國(guó)國(guó)防科工委對(duì)世界硅微電子技術(shù)發(fā)展的預(yù)測(cè)200020102020
集成度1
G64
G256
G
特征尺寸(μm)0.180.10~0.070.05~0.01
晶片直徑(mm)300400450第三十二頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日
可以看出,專家們認(rèn)為,至少在未來(lái)10
年內(nèi),IC的發(fā)展仍將遵循摩爾定律,即集成度每3
年乘以4,而線寬則是每6年下降一半。
硅技術(shù)過(guò)去一直是,而且在未來(lái)的一段時(shí)期內(nèi)也還將是微電子技術(shù)的主體。目前硅器件與集成電路占了2000多億美元的半導(dǎo)體市場(chǎng)的95%以上。
硅微電子技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)趨勢(shì)
1、單片系統(tǒng)集成(SOC)
2、整硅片集成(WSI)
3、半定制電路的設(shè)計(jì)方法
4、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)
5、真空微電子技術(shù)第三十三頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日
硅技術(shù)以外的半導(dǎo)體微電子技術(shù)發(fā)展方向
1、GaAs技術(shù)電子漂移速度快(硅的5.
7倍),抗輻射能力強(qiáng),因此在武器系統(tǒng)中有重要作用。
2、GeSi/Si異質(zhì)結(jié)技術(shù)與目前已極為成熟的硅工藝有很好的兼容性,但可制成比硅器件與集成電路頻率更高,性能更好的器件與集成電路,被譽(yù)為第二代硅技術(shù)。
3、寬禁帶材料及器件技術(shù)主要有SiC與GaN材料,主要優(yōu)點(diǎn)是工作溫度可高達(dá)300攝氏度以上,因此在軍用系統(tǒng)中有重要的應(yīng)用價(jià)值。第三十四頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2.2.8集成電路發(fā)展面臨的問(wèn)題
1、基本限制如熱力學(xué)限制。由于熱擾動(dòng)的影響,對(duì)數(shù)字邏輯系統(tǒng),開關(guān)能量至少應(yīng)滿足
ES>4kT=1.65×10-20J。當(dāng)溝道長(zhǎng)度為0.1
m時(shí),開關(guān)能量約為5×10-18J。在亞微米范圍,從熱力學(xué)的角度暫時(shí)不會(huì)遇到麻煩。又如加工尺度限制,顯然原子尺寸是最小可加工單位,但現(xiàn)在的最小加工單位遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)數(shù)值。
2、器件與工藝限制
3、材料限制硅材料較低的遷移率將是影響IC發(fā)展的一個(gè)重要障礙。
4、其他限制包括電路限制、測(cè)試限制、互連限制、管腳數(shù)量限制、散熱限制、內(nèi)部寄生耦合限制等。第三十五頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2.2.9集成電路基本工藝技術(shù)器件設(shè)計(jì)芯片制造封裝電路設(shè)計(jì)材料制備第三十六頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日CrystalGrowthSlicingGraphiteHeaterSiMeltSiCrystalPolishingWaferingHighTemp.AnnealingFurnaceAnnealedWaferDefectFreeSurfacebyAnnealing(SurfaceImprovement)SurfaceDefectMapPolishedWafer第三十七頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日
橫向加工:圖形的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移(又稱為光刻,包括曝光、顯影、刻蝕等)。
縱向加工:摻雜(擴(kuò)散、離子注入、中子嬗變等),薄膜制備(蒸發(fā)、濺射、熱氧化、CVD等)。在大規(guī)模集成電路制造過(guò)程中,光刻是最復(fù)雜、最昂貴和最關(guān)鍵的技術(shù)。光刻的成本占了總制造成本的1/3
以上。在集成電路制造技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中,光刻技術(shù)的貢獻(xiàn)約占2/3。芯片制造第三十八頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日涂光刻膠(正)選擇曝光熱氧化SiO2工藝流程舉例(PN結(jié)的制造)第三十九頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日去膠摻雜顯影(第
1
次圖形轉(zhuǎn)移)刻蝕(第
2
次圖形轉(zhuǎn)移)NP第四十頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日蒸發(fā)鍍Al膜光刻Al電極CVD淀積SiO2膜光刻引線孔第四十一頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日SGDN溝道硅柵MOSFET剖面圖PNN第四十二頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日CMOS結(jié)構(gòu)剖面圖第四十三頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2.3微電子材料襯底材料柵結(jié)構(gòu)材料互連材料鈍化層材料封裝材料第四十四頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日硅基微電子學(xué)中的材料系統(tǒng)第四十五頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2.3.1襯底材料
鍺(Ge)是最早用于集成電路的襯底材料。Ge的優(yōu)點(diǎn):載流子遷移率比硅高;在相同條件下,具有較高的工作頻率、較低的飽和壓降、較高的開關(guān)速度和較好的低溫性能。Ge的缺點(diǎn):最高工作溫度只有85℃,Ge器件熱穩(wěn)定性不如硅;
Ge無(wú)法形成優(yōu)質(zhì)的氧化膜;
Ge中施主雜質(zhì)的擴(kuò)散遠(yuǎn)比受主雜質(zhì)快,工藝制作自由度小。Ge禁帶寬度0.72eVSi禁帶寬度1.1eV第四十六頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日水平布里奇曼法示意圖用途:Ge、GaAs、GeSe、GeTe、ZnS等單晶制備第四十七頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日硅(Si)是今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)集成電路的襯底材料。硅的優(yōu)點(diǎn):
Si器件的最高工作溫度可達(dá)200℃
;高溫下可氧化生成二氧化硅薄膜;受主和施主雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)幾乎相同;
Si在地殼中的儲(chǔ)量非常豐富,Si原料是半導(dǎo)體原料中最便宜的。硅材料發(fā)展趨勢(shì):晶片直徑越來(lái)越大缺陷密度越來(lái)越小表面平整度越來(lái)越好第四十八頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日單晶硅的制備過(guò)程石英砂粗硅(工業(yè)硅)高純多晶硅單晶硅純度95~99%純度99.9999999%直拉法優(yōu)點(diǎn):不受容器限制,克服應(yīng)力導(dǎo)致晶體缺陷的缺點(diǎn);籽晶旋轉(zhuǎn),克服熔體溫度不均勻性引起的非均勻凝固。用途:Si、Ge、GaAs單晶制備??膳可a(chǎn)300mm硅單晶,350mm的硅單晶制備也已成熟。第四十九頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日區(qū)熔法優(yōu)點(diǎn):制備過(guò)程中熔體不與任何器物接觸;熔區(qū)體積很小,不需要保溫隔熱系統(tǒng)。雜質(zhì)對(duì)晶體的玷污很小。用途:Si、GaAs單晶制備。第五十頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日絕緣層上硅SOI(silicononinsulator,SOI)是一種新型的硅芯片材料。SOI結(jié)構(gòu):
絕緣層/硅硅/絕緣層/硅優(yōu)點(diǎn):減少了寄生電容,提高了運(yùn)行速度(提高20~35%)具有更低的功耗(降低35~70%)消除了閂鎖效應(yīng)抑制了襯底的脈沖電流干擾與現(xiàn)有硅工藝兼容,減少了13~20%工序第五十一頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日絕緣層上硅SOI制備技術(shù)注氧隔離技術(shù)(SeparationbyImplantedOxygen,SIMOX)
此技術(shù)在普通圓片的層間注入氧離子經(jīng)超過(guò)1300℃高溫退火后形成隔離層。該方法有兩個(gè)關(guān)鍵步驟:高溫離子注入和后續(xù)超高溫退火。鍵合再減薄的BESOI技術(shù)(BondandEtchback)通過(guò)硅和二氧化硅鍵合(Bond)技術(shù),兩個(gè)圓片能夠緊密鍵合在一起,并且在中間形成二氧化硅層充當(dāng)絕緣層。這個(gè)過(guò)程分三步來(lái)完成。第一步是在室溫的環(huán)境下使一熱氧化圓片在另一非氧化圓片上鍵合;第二步是經(jīng)過(guò)退火增強(qiáng)兩個(gè)圓片的鍵合力度;第三步是通過(guò)研磨、拋光及腐蝕來(lái)減薄其中一個(gè)圓片直到所要求的厚度。第五十二頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日鍵合技術(shù)工藝過(guò)程第五十三頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日絕緣層上硅SOI制備技術(shù)注氫智能剝離技術(shù)(SmartCut)
1995年,MBruel利用鍵合和離子注入技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)提出了智能剝離(Smart-Cut)技術(shù)。它是利用氫離子注入到硅片中,形成具有氣泡層的注氫片,與支撐硅片鍵合(兩個(gè)硅片中至少有一片的表面帶有熱氧化的SiO2
覆蓋層),經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硎棺淦瑥臍馀輰犹幫暾验_,形成SOI結(jié)構(gòu)。注氫智能剝離工藝過(guò)程第五十四頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日絕緣層上硅SOI制備技術(shù)注氧隔離和鍵合的SimbondSOI技術(shù)利用氧離子注入產(chǎn)生的一個(gè)分布均勻的離子注入層,并在退火過(guò)程中形成二氧化硅絕緣層。此二氧化硅絕緣層用來(lái)充當(dāng)化學(xué)腐蝕阻擋層,可對(duì)圓片在最終拋光前器件層的厚度及其均勻性有很好的控制。由于在此工藝中,表層硅的均勻性由氧離子注入工藝來(lái)控制,因此,頂層硅均勻性很好。同時(shí),絕緣埋層的厚度可隨意調(diào)節(jié)。第五十五頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2.3.2柵結(jié)構(gòu)材料
包括柵絕緣介質(zhì)和柵電極材料。柵絕緣介質(zhì):缺陷少、漏電流小、抗擊穿強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、與Si有良好的界面特性、界面態(tài)密度低。二氧化硅氮氧化硅高k材料可有效防止硼離子擴(kuò)散、高介電常數(shù)、低漏電流密度、高抗老化擊穿特性增加介質(zhì)層物理厚度、減小隧穿電流如:Ta2O5、TiO2、(Sr,Ba)TiO3等第五十六頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日柵電極材料:串聯(lián)電阻小,寄生效應(yīng)小。Al多晶硅Polycide/Salicide不能滿足高溫處理的要求電阻率高多晶硅/金屬硅化物(TiSi2、WSi2)第五十七頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2.3.3互連
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