JP5115839B2 - 研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハやガラス基板等の被研磨物を研磨する研磨装置に関する。

半導体ウェハ（以下、ウェハと称する）やガラス基板等といった被研磨物の研磨に用いられる研磨装置は、例えば、ウェハよりも径が小さい研磨パッドを用いる研磨装置や、ウェハよりも径が大きい研磨パッドを用いる（コンベンショナルの）研磨装置が知られている。ウェハよりも径が小さい研磨パッドを用いる研磨装置においては、研磨パッドがウェハに対して揺動運動しながら研磨を行っている（例えば、特許文献１を参照）。そのため、ウェハよりも径が大きい研磨パッドを用いる研磨装置のように、ウェハの表面が研磨パッドに全て覆われている訳ではないので、ウェハの裏面をテーブルとなるチャックに固定するなどして、ウェハがチャックより脱落しないようにした状態で研磨を行う必要がある。そこで、真空吸着を利用してウェハの裏面を負圧により吸着し固定保持する方法が用いられている。

このような研磨装置に用いられるウェハの保持装置は、例えば、回転自在な円盤状のチャックと、研磨パッドのウェハからのはみ出し部分を支持するリテーナリングとを有して構成され、チャックの上面にウェハの裏面が接触するようになっている。チャック上面には、真空源に繋がる多数の吸着穴が設けられており、ウェハの裏面をチャックの上面に接触させて、これら多数の吸着穴に負圧を作用させることで、ウェハの裏面がチャックの上面に真空吸着されるようになっている。このようにして、ウェハの裏面がチャックの上面に真空吸着された状態で、ウェハが保持装置に吸着保持される。
特開２００２−２１７１４１号公報

しかしながら、従来のリテーナリングは、チャックの上面に吸着保持されたウェハよりも研磨により摩耗し易かったため、研磨パッドのウェハからのはみ出し部分を支持する機能がすぐに低下して、ウェハの端部付近における研磨特性が低下する一因となっていた。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、被研磨物の端部付近における研磨特性を向上させた研磨装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る研磨装置は、被研磨物を保持する保持装置と、前記保持装置に保持された前記被研磨物を研磨可能な研磨部材とを備え、前記研磨部材の研磨面を前記被研磨物に当接させながら相対移動させて前記被研磨物の研磨を行うように構成された研磨装置において、前記保持装置は、前記被研磨物を保持するチャック部と、前記チャック部の周囲を囲むとともに前記研磨部材に対して近接および離反する方向へ移動自在に配設され、前記研磨部材の前記研磨面に当接可能なガイド面を有するリテーナと、前記リテーナが前記研磨部材へ近接する方向に前記リテーナに対し付勢力を与える付勢部材と、前記付勢力に拘わらず前記リテーナを所定の位置で固定するリテーナ固定部とを有して構成され、前記リテーナ固定部は、前記研磨部材の前記研磨面を前記被研磨物に当接させたとき前記付勢力を受けて前記ガイド面が前記研磨面に当接するガイド位置で、前記リテーナを固定する。

また、上述の発明において、前記保持装置は、前記付勢力に抗して前記リテーナを前記ガイド位置より前記研磨部材に対し離反する方向へ退避させるリテーナ退避部を有して構成されることが好ましい。

また、上述の発明において、前記ガイド面を構成する前記リテーナの材質が前記被研磨物の材質と同一であることが好ましい。

また、上述の発明において、前記保持装置は、前記被研磨物を保持する前記チャック部とともに前記リテーナを回転させる回転機構を有して構成されることが好ましい。

本発明によれば、被研磨物の端部付近における研磨特性を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明に係る研磨装置の代表例であるＣＭＰ装置（化学的機械的研磨装置）の一部を図１に示している。このＣＭＰ装置Ｃは、その研磨工程に従って、カセットインデックス部、ウェハ洗浄部、および研磨部から構成され、また研磨部は、４分割されたインデックステーブルのそれぞれの区画に設けられる３つの研磨室と１つの搬送室とから構成されるが、本実施形態では、そのうちの１つの研磨室について説明を行う。

搬送室からガラス基板等のワークＷが搬入される研磨室１には、４分割されてステッピングモータ等の作動により９０度毎に回動送りされるインデックステーブル２と、研磨アーム３と、ドレッシング装置４と、パッド交換台５と、表面形状測定装置６とが配設されている。インデックステーブル２のそれぞれの区画には、被研磨物である正方形板状のワークＷを裏面から吸着保持する保持装置２０が配設されており、ワークＷを吸着保持して研磨室１に移動させる。

研磨アーム３は、インデックステーブル２に対して水平方向に旋回可能で、且つ、鉛直方向に上下動可能に構成されている。この研磨アーム３の揺動端部には研磨ヘッド１０が回転自在に取り付けられており、この研磨ヘッド１０は、図２に示すように、下面側に研磨パッド１２が貼り付けられた研磨部材１１を着脱可能に保持するようになっている。そして、研磨パッド１２の表面（下面）には、ワークＷの表面（被研磨面）に当接して研磨を行う研磨面１３が形成される。

このような研磨ヘッド１０は、研磨アーム３内に配設された図示しない回転駆動機構により回転駆動されて、水平面内で高速回転自在に構成される。また、研磨ヘッド１０は、上述の保持装置２０を構成するチャック部３１およびリテーナ３６の回転方向と逆方向に回転駆動され、研磨パッド１２の研磨面１３をワークＷに当接させながら高速に相対回転させることにより、ワークＷの表面（被研磨面）が平坦に研磨される。さらに、研磨ヘッド１０は、図１に示すように、研磨アーム３の回動により、保持装置２０、ドレッシング装置４、パッド交換台５、および表面形状測定装置６の上方にそれぞれ移動することができるようになっている。

なお、図１で示されるドレッシング装置４は、ワークＷを研磨加工することによって研磨パッド１２に生じた目詰まりや目の不揃いを修正（ドレッシング、目立て）する装置であり、詳細図示を省略するが、表面にダイヤモンド砥粒等が固着されて回転自在なディスクと、ドレッシングされた研磨パッドの表面に純水を噴射して研磨パッドを純水洗浄する洗浄ノズルを有している。また、パッド交換台５は使用後の研磨パッド１２を新品のものに交換するための装置であり、表面形状測定装置６は研磨パッド１２の表面形状を測定するための装置である。

保持装置２０は、図２に示すように、回転軸２１に連結されたベース部２６と、ベース部２６の上面に取り付けられたチャック部３１と、チャック部３１の周囲を囲むように配設されたリテーナ３６と、リテーナ３６を研磨部材１１に対して近接および離反する方向へ（すなわち、上下方向へ）移動自在に支持するリテーナ支持部４１と、リテーナ支持部４１の側部を回転自在に支持する回転支持部６１とを主体に構成される。

ベース部２６は、ステンレス（例えば、ＳＵＳ３１６）やセラミック等の高い剛性を有する材料を用いて略円盤状に形成され、ネジ等の固定手段により回転軸２１の上端部に水平に取り付けられる。ベース部２６には、チャック部３１に冷却用のチラー水やウォーターシール用の純水を供給するための水路２７が形成されており、上流側は回転軸２１に形成された水供給通路２３を介して図示しない開閉電磁弁や純水供給源と繋がっている。

チャック部３１は、ベース部２６と同様に、ステンレス（例えば、ＳＵＳ３１６）やセラミック等の高い剛性を有する材料を用いて、下側に円盤状のフランジ部３１ａを有する直方体形に形成され、ネジ等の固定手段によりベース部２６の上面に取り付けられる。そして、チャック部３１は、ベース部２６および回転軸２１を介してインデックステーブル２に水平面内で回転自在に支持され、インデックステーブル２の内部に配設された図示しない電動モータやエアモータ等の駆動手段により高速回転される。なお、チャック部３１上部の平断面形状は、ワークＷの形状に合わせて正方形となっている。

チャック部３１の上面には、複数の吸着穴（図示せず）が形成されており、チャック部３１の上面にワークＷの裏面（下面）を接触させて各吸着穴に負圧を作用させることで、ワークＷの裏面がチャック部３１の上面に真空吸着されるようになっている。このように、ワークＷの裏面がチャック部３１の上面に真空吸着された状態で、ワークＷが保持装置２０のチャック部３１に吸着保持される。なお、吸着穴は、チャック部３１に形成された吸着用エア通路（図示せず）や回転軸２１に形成されたエア通路２２を介して、図示しないエアオペレートバルブや真空源およびエア源と繋がっている。

リテーナ３６は、図２および図３に示すように、研磨パッド１２の研磨面１３に当接可能なガイド部３８と、ガイド部３８から下方へ延びるように形成されてリテーナ支持部４１に支持されるキャリッジ３９とを有して構成される。ガイド部３８は、チャック部３１上側の周囲を囲む枠板状に形成され、研磨パッド１２の研磨面１３が当接するガイド面３７がガイド部３８の上面に形成される。これにより、図２に示すように、リテーナ３６（ガイド部３８）が研磨パッド１２のワークＷからのはみ出し部分を支持し、さらには、チャック部３１上面の延長面上におけるワークＷの移動を規制できるようになっている。

なお、ガイド部３８の材質は、ワークＷの材質と同じ材質を使用している。このようにすれば、ガイド部３８の摩耗量がワークＷの研磨量とほぼ同じになるため、ワークＷの端部付近における研磨がより安定して当該部分の研磨特性を向上させることが可能になる。

キャリッジ３９は、図３に示すように、下側に開口を有した有底円筒状に形成され、ガイド部３８の下面側に結合される。また、キャリッジ３９は、リテーナ支持部４１を構成する支持部材４９の頭部と上下方向へ摺動自在に嵌合した状態で、リテーナ支持部４１のサブハウジング４５内に収容されており、これにより、リテーナ３６がリテーナ支持部４１に上下方向、すなわち研磨部材１１に対して近接および離反する方向へ移動自在に支持されることになる。

リテーナ支持部４１は、メインハウジング４２と、メインハウジング４２に収容されたサブハウジング４５と、サブハウジング４５に収容された支持部材４９とを有して構成される。メインハウジング４２は、チャック部３１上側の周囲を囲む枠状に形成され、ネジ等の固定手段によりチャック部３１のフランジ部３１ａ上面に取り付けられる。これにより、ワークＷを保持するチャック部３１とともにリテーナ支持部４１およびリテーナ３６を回転させることが可能になる。このようにすれば、リテーナ３６がワークＷと一体的に回転するため、リテーナ３６におけるガイド部３８の摩耗の状態がワークＷの研磨の状態に近くなることから、ワークＷの端部付近における研磨がより安定して当該部分の研磨特性を向上させることが可能になる。

サブハウジング４５は、上側に開口を有した有底円筒状に形成され、メインハウジング４２に形成された収容穴に収容される。そして、サブハウジング４５内には、前述したようにリテーナ３６のキャリッジ３９および支持部材４９が収容される。なお、リテーナ３６のキャリッジ３９はガイド部３８に沿って複数設けられており、キャリッジ３９の数に応じてサブハウジング４５や支持部材４９が設けられることになる。

支持部材４９は、内側にセンターピン５０を挿入可能な筒状に形成されて、サブハウジング４５の内側底部に固定される。支持部材４９の頭部外周部は、キャリッジ３９の内径よりも僅かに小さな径を有しており、前述したように、キャリッジ３９が上下方向へ摺動自在に嵌合する。支持部材４９の頭部内周部は、センターピン５０の径よりも僅かに大きい径を有しており、これにより、支持部材４９の頭部内側にセンターピン５０が上下方向へ摺動自在に挿入される。また、支持部材４９の頭部に形成された複数の横穴には、球状のボール部材５１がそれぞれ配設されており、各ボール部材５１は常に、センターピン５０の先端に形成されたテーパ部にそれぞれ摺接するようになっている。

支持部材４９の胴部は、頭部よりも内径および外径が大きくなっており、外周側に付勢バネ４８が取り付けられる。この付勢バネ４８は、圧縮コイルバネであり、付勢バネ４８の上端部がリテーナ３６のキャリッジ３９の下部に当接するとともに、下端部が支持部材４９の脚部に当接し、リテーナ３６が上方へ移動する方向に、すなわちリテーナ３６が研磨部材１１へ近接する方向にリテーナ３６に対し付勢力を与えるようになっている。

なお、リテーナ３６のキャリッジ３９の下部は、サブハウジング４５の内径よりも僅かに小さい外径を有する一方、キャリッジ３９の上部は、キャリッジ３９の下部よりもさらに外径が小さくなっており、キャリッジ３９の上部とサブハウジング４５との間には、第１エア供給空間５５が形成される。第１エア供給空間５５は、サブハウジング４５に形成された第１エア供給通路４６と、メインハウジング４２に形成された第１回転側エア通路４３と、回転支持部６１に形成された第１固定側エア通路６３およびジョイントＪと、ジョイントＪに接続された配管（図示せず）とを介して、図示しない電空レギュレータやエア源と繋がっている。

また、支持部材４９の胴部とセンターピン５０との間に形成される空間には、ロック解除バネ５２が取り付けられる。ロック解除バネ５２は、圧縮コイルバネであり、ロック解除バネ５２の上端部が支持部材４９の内側に当接するとともに、下端部がセンターピン５０の基端部に当接し、センターピン５０が下方へ移動する方向に（後述するボール部材５１によるロックが解除される方向に）センターピン５０に対し付勢力を与えるようになっている。

なお、サブハウジング４５の底部と対向するセンターピン５０の基端部に凹部が形成されており、この凹部が形成されたセンターピン５０の基端部とサブハウジング４５との間には、第２エア供給空間５６が形成される。第２エア供給空間５６は、サブハウジング４５に形成された第２エア供給通路４７と、メインハウジング４２に形成された第２回転側エア通路４４と、回転支持部６１に形成された第２固定側エア通路６４およびジョイント（図示せず）と、ジョイントに接続された配管（図示せず）とを介して、図示しない電空レギュレータやエア源と繋がっている。

回転支持部６１は、本体部６２と、本体部６２に取り付けられたベアリング６５およびメカニカルシール６７とを有して構成される。本体部６２は、メインハウジング４２の周囲を囲む枠状に形成され、ネジ等の固定手段によりインデックステーブル２上に固定された筐体部（図示せず）に取付固定される。本体部６２の内側には、上下にベアリング６５，６５が取り付けられ、本体部６２は、このベアリング６５，６５を介してメインハウジング４２のフランジ部４２ａを回転自在に支持する。なお、本体部６２の内側上下端には、それぞれシール部材６６が取り付けられる。

メインハウジング４２のフランジ部４２ａが収容される本体部６２の溝部には、上下にメカニカルシール６７，６８が取り付けられる。上部メカニカルシール６７は、フランジ部４２ａの上面と対向するように配設され、回転自在なリテーナ支持部４１のメインハウジング４２に（フランジ部４２ａまで延びて）形成された第１回転側エア通路４３と、固定側の本体部６２に形成された第１固定側エア通路６３とを繋ぐ。一方、下部メカニカルシール６８は、フランジ部４２ａの下面と対向するように配設され、メインハウジング４２に（フランジ部４２ａまで延びて）形成された第２回転側エア通路４４と、本体部６２に形成された第２固定側エア通路６４とを繋ぐ。

このような構成のＣＭＰ装置Ｃにおいて、まず、図示しない搬送装置により、搬送室で待機する保持装置２０のチャック部３１上面に、未加工のワークＷが載置される。このとき、図示しないエア源から第１固定側エア通路６３、第１回転側エア通路４３、および第１エア供給通路４６を介して第１エア供給空間５５に圧縮空気が供給されており、第１エア供給空間５５に供給された空気圧を利用して、リテーナ３６は（付勢バネ４８からの付勢力に抗して）研磨部材１１から離反するように下方へ退避した退避位置に位置しているが、チャック部３１の上面に未加工のワークＷが載置されると、第１エア供給空間５５から第１エア供給通路４６等を介して圧縮空気が排出され、リテーナ３６は付勢バネ４８からの付勢力を受けて研磨部材１１へ近接する方向に上昇する。

チャック部３１の上面に未加工のワークＷが載置されると、真空吸着を利用してワークＷが保持装置２０のチャック部３１に吸着保持され、この状態で保持装置２０がインデックステーブル２の回転により研磨室１へ送られる。続いて、研磨アーム３の作動により、研磨ヘッド１０が保持装置２０の上方に移動し、図２に示すように、研磨パッド１２の研磨面１３がワークＷに当接する研磨高さまで研磨ヘッド１０が下降する。

このとき、リテーナ３６は、付勢バネ４８からの付勢力を受けて、チャック部３１に吸着保持されたワークＷの上面を超える高さまで上昇しているが、研磨ヘッド１０が前述の研磨高さまで下降すると、図２の二点鎖線で示すように、リテーナ３６のガイド面３７が研磨パッド１２の研磨面１３に当接した状態で、研磨ヘッド１０および研磨部材１１の自重により下降し、ガイド面３７がワークＷの上面と同一面上に並ぶ（すなわち、研磨パッド１２の研磨面１３をワークＷに当接させたとき、付勢バネ４８からの付勢力を受けてリテーナ３６のガイド面３７が研磨面１３に当接する）ガイド位置に移動する。

リテーナ３６が前述のガイド位置に移動すると、図示しないエア源から第２固定側エア通路６４、第２回転側エア通路４４、および第２エア供給通路４７を介して第２エア供給空間５６に圧縮空気が供給され、第２エア供給空間５６に供給された空気圧を利用して、センターピン５０が（ロック解除バネ５２からの付勢力に抗して）上昇する。このとき、センターピン５０のテーパ部に摺接する複数のボール部材５１は、上昇するセンターピン５０によりそれぞれ横方向へ押圧されてリテーナ３６のキャリッジ３９に当接し、センターピン５０からの押圧力を受けて各ボール部材５１がキャリッジ３９を横方向へ押圧することで、付勢バネ４８による付勢力に拘わらずリテーナ３６がガイド位置でロック固定される。

このようにリテーナ３６をガイド位置に固定した状態で、研磨ヘッド１０とともに研磨パッド１２（研磨部材１１）を回転させながら、研磨パッド１２の研磨面１３をチャック部３１に回転保持されたワークＷの上面に当接させて研磨加工が行われ、このとき、研磨パッド１２は回転しながらワークＷに対して水平方向へ往復運動（揺動）することで、ワークＷの全表面が平坦に研磨加工される。なおこのとき、研磨パッド１２とワークＷとの間に研磨剤（スラリー）が供給される。また、研磨パッド１２がワークＷの端部付近を研磨するときには、ガイド位置に固定されたリテーナ３６が研磨パッド１２のワークＷからのはみ出し部分を支持する。

ワークＷの研磨加工が終了すると、第２エア供給空間５６から第２エア供給通路４７等を介して圧縮空気が排出され、センターピン５０はロック解除バネ５２からの付勢力を受けて下降する。このとき、リテーナ３６のキャリッジ３９に当接していた複数のボール部材５１は、センターピン５０の下降に伴ってキャリッジ３９から離れ、ボール部材５１によるリテーナ３６のロックが解除される。

続いて、図示しないエア源から第１固定側エア通路６３、第１回転側エア通路４３、および第１エア供給通路４６を介して第１エア供給空間５５に圧縮空気が供給され、第１エア供給空間５５に供給された空気圧を利用して、リテーナ３６が（付勢バネ４８からの付勢力に抗して）研磨部材１１から離反するように下降し退避位置に移動する。このようにリテーナ３６が退避位置に移動した状態で、研磨ヘッド１０が保持装置２０の上方まで上昇し、研磨加工を行ったワークＷの洗浄および搬出や、チャック部３１上面の洗浄等が行われる。これにより、チャック部３１上面の洗浄等を容易に行うことができる。

なお、ワークＷの研磨が所定回数終了すると、研磨アーム３の作動により、研磨ヘッド１０が保持装置２０の上方からドレッシング装置４の上方に移動し、そこで研磨パッド１２のドレッシングが行われる。ドレッシング終了後、研磨アーム３の作動により、研磨ヘッド１０がドレッシング装置４の上方から表面形状測定装置６の上方に移動し、そこで研磨パッド１２の表面形状（溝深さやパッド厚さ等）が測定される。

パッド厚さや溝深さが規定の値未満となっていた場合には、研磨ヘッド１０をパッド交換台５の上方に移動させて研磨パッド１２（研磨部材１１）の交換を行い、さらに研磨ヘッド１０を保持装置２０の上方に移動させて新しくワークＷの研磨を行う。一方、パッド厚さや溝深さが規定の値以上である場合には、研磨ヘッド１０を保持装置２０の上方に戻して新しいワークＷの研磨を開始する。

以上のような構成のＣＭＰ装置Ｃによれば、リテーナ３６が研磨部材１１へ近接する方向にリテーナ３６に対し付勢力を与える付勢バネ４８と、当該付勢力に拘わらずリテーナ３６を所定の位置で固定するセンターピン５０およびボール部材５１を有して構成されるため、リテーナ３６の摩耗に応じて、リテーナ３６のガイド面３７の高さをワークＷ上面の高さと同一にすることが可能になり、リテーナ３６が研磨パッド１２のワークＷからのはみ出し部分を安定して支持できることから、ワークＷの端部付近における研磨特性を向上させることが可能になる。

具体的には、研磨パッド１２の研磨面１３をワークＷに当接させたとき、付勢バネ４８からの付勢力を受けてリテーナ３６のガイド面３７が研磨面１３に当接するガイド位置で、リテーナ３６を固定することが好ましく、このようにすれば、研磨パッド１２の研磨面１３を基準として、ガイド面３７の高さをワークＷ上面の高さと同一にできるため、リテーナ３６の高さを測る測定器が不要となる。また、リテーナ３６が摩耗しても、付勢バネ４８からの付勢力を利用して、ガイド面３７の高さを再びワークＷ上面の高さと同一にできるため、リテーナ３６を限界まで使用することが可能になり、リテーナ３６の交換頻度を低減させることができる。

なお、上述の実施形態において、研磨部材１１の下方において保持装置２０によりワークＷが吸着保持される研磨装置について説明したが、これに限られるものではなく、本発明は、研磨部材の上方において保持装置によりワークが吸着保持される構成の研磨装置にも用いることができる。

また、上述の実施形態において、被研磨物であるワークＷが、ガラス基板のように正方形板状に形成されているが、これに限られるものではなく、半導体ウェハのように円盤状に形成されていてもよい。

本発明に係る研磨装置の一例であるＣＭＰ装置の正面図である。 保持装置の正断面図である。 保持装置におけるリテーナ近傍を示す拡大図である。

符号の説明

Ｃ ＣＭＰ装置（研磨装置） Ｗ ワーク（被研磨物）
１０ 研磨ヘッド １１ 研磨部材
１２ 研磨パッド １３ 研磨面
２０ 保持装置 ３１ チャック部
３６ リテーナ ３７ ガイド面
４１ リテーナ支持部（リテーナ退避部） ４８ 付勢バネ（付勢部材）
５０ センターピン（リテーナ固定部） ５１ ボール部材（リテーナ固定部）
６１ 回転支持部

Claims (4)

1. 被研磨物を保持する保持装置と、前記保持装置に保持された前記被研磨物を研磨可能な研磨部材とを備え、前記研磨部材の研磨面を前記被研磨物に当接させながら相対移動させて前記被研磨物の研磨を行うように構成された研磨装置において、
   前記保持装置は、前記被研磨物を保持するチャック部と、
   前記チャック部の周囲を囲むとともに前記研磨部材に対して近接および離反する方向へ移動自在に配設され、前記研磨部材の前記研磨面に当接可能なガイド面を有するリテーナと、
   前記リテーナが前記研磨部材へ近接する方向に前記リテーナに対し付勢力を与える付勢部材と、
   前記付勢力に拘わらず前記リテーナを所定の位置で固定するリテーナ固定部とを有して構成され、
   前記リテーナ固定部は、前記研磨部材の前記研磨面を前記被研磨物に当接させたとき前記付勢力を受けて前記ガイド面が前記研磨面に当接するガイド位置で、前記リテーナを固定することを特徴とする研磨装置。
2. 前記保持装置は、前記付勢力に抗して前記リテーナを前記ガイド位置より前記研磨部材に対し離反する方向へ退避させるリテーナ退避部を有して構成されることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記ガイド面を構成する前記リテーナの材質が前記被研磨物の材質と同一であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の研磨装置。
4. 前記保持装置は、前記被研磨物を保持する前記チャック部とともに前記リテーナを回転させる回転機構を有して構成されることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の研磨装置。

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