JP2012018921A - プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ密度を高め、誘導結合効率の高い高密度プラズマを均一に分布させることができるプラズマ発生装置の提供。
【解決手段】アンテナシステム２０を構成する並列構造の３本のアンテナコイル２２，２３，２４は、仮想円の中心を基準に、各アンテナコイル２２，２３，２４のパワーエンドＰとグラウンドエンドＧを、相互対称の位置にさせ、各アンテナコイル２２，２３，２４は、互いに一定の間隔で交差するように巻かれて三重螺旋状に形成される。
【選択図】図５

Description

均一な高密度プラズマを発生させることができるプラズマ発生装置に関するものである。

プラズマ（Plasma）は、イオン化した気体であって、イオン、電子、ラジカル（radical）などからなるもので、電気的性質及び熱的性質が普通の気体とは極めて異なっていることから、物質の第４状態とも呼ばれる。プラズマは、イオン化した気体を含んでいるため、電場または磁場が印加されると、プラズマ内でまたはプラズマと接している固体の表面上にプラズマ粒子が加速したり拡散したりして、固体の表面で化学的反応及び物理的反応を起こすこととなる。したがって、半導体ウエハーや液晶ディスプレイ装置のガラス基板などのように、微細パターンを形成しなければならない半導体製造工程において、プラズマを用いてエッチング（Etching）、蒸着（Deposition）等の各種の表面処理工程を行っている。

最近では、半導体の高集積度化に伴って微細パターンの線幅が狭くなりつつあり、よって、微細パターンを形成する工程に用いられるプラズマの均一度を向上させるために、高密度プラズマを発生させうるプラズマ発生装置が要求されている。このような高密度プラズマ発生装置には、誘導結合型プラズマ（Inductive coupled plasma;ICP）発生装置と容量結合型プラズマ発生装置（Capacitive coupled plasma;CCP）が用いられている。特に、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）発生装置は、プラズマ発生のための電磁気エネルギーを提供する際に、半導体ウエハーやガラス基板などの試料が電磁気場の影響を受けないようにしながらも、プラズマの損失が少ないという利点から、広く用いられてきている。

誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）発生装置は、プラズマが発生するチャンバーの上部に、高周波（ＲＦ）パワーが接続されているアンテナを設置し、アンテナに高周波（ＲＦ）パワーを印加することによってチャンバー中に誘導電場を発生させる。この誘導電場は、チャンバー中に注入されるガスをイオン化してプラズマを発生させる役割を果たす。このプラズマは、チャンバー中のチャックに搭載された半導体ウエハーやガラス基板などの試料を、エッチング及び蒸着する。

しかしながら、誘導結合型プラズマ発生装置は、アンテナを構成する各誘導コイルが直列に連結されている構造となっており、アンテナによる電圧降下が増大するため、プラズマとの容量性結合による影響が増加する。そのため、パワー効率が低下する他、プラズマの均一性も維持し難い。特に、大面積の試料を処理しなければならない場合、プラズマの密度が低いため、プラズマを均一に分布させることが困難である。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、その目的は、プラズマ密度を高め、誘導結合効率の高い高密度プラズマを均一に分布させることができるプラズマ発生装置のアンテナ構造を提供することにある。

そのために、本発明の一側面によるプラズマ発生装置は、高周波パワーを供給する高周波発生器と、高周波パワーを受けて誘導電場を発生させる複数本のアンテナコイルを有するアンテナシステムと、誘導電場を用いて反応ガスをイオン化してプラズマを発生させる反応チャンバーと、を含み、複数本のアンテナコイルは、一定の間隔で互いに交差して設けられて、電気的に並列構造を形成する。

好適には、複数本のアンテナコイルは、互いに交差した形態を保持するようにボビンに巻き取られている。

好適には、複数本のアンテナコイルにはキャパシタをそれぞれ設置し、複数個のキャパシタは、複数本のアンテナコイルと接地との間に介設される。

好適には、複数本のアンテナコイルと複数個のキャパシタとを連結する連結部には、バランスリングを挿入する。

バランスリングは、電気的に導体の性質を有する金属材質からなる。

また、本発明の他の側面によるプラズマ発生装置は、プラズマを発生させる反応チャンバーと、プラズマ発生のための高周波パワーを供給する高周波発生器と、高周波パワーを受けて誘導電場を発生させる複数本のアンテナコイルと、を含み、複数本のアンテナコイルは、一定の間隔で互いに交差して設けられて、電気的に並列構造を形成する。

本発明のプラズマ発生装置のアンテナ構造によれば、均一な高密度プラズマを発生させるために、少なくとも２本のアンテナコイルを電気的に並列に設置し、それぞれのアンテナコイルと接地との間にキャパシタを設置してアンテナ電圧を最小化することによって、アンテナ電圧により生じうる容量性結合による影響を最小化する。これにより、チャンバーの内壁におけるスパッタリング反応を抑制し、プラズマ均一度を向上させることができる。

また、それぞれのアンテナコイルとキャパシタとの連結部を金属材質のバランスリングで連結することによって、それぞれのアンテナコイルに設置されるキャパシタに容量誤差（５〜１０％）があっても、それぞれのアンテナコイルに流れる電流の差を最小化し、均一な高密度プラズマを発生させることができる。

本発明の実施例によるプラズマ発生装置を示す図である。 本発明の実施例によるプラズマ発生装置におけるアンテナシステムの斜視図である。 図２に示すアンテナシステムの平面図である。 図２に示すアンテナシステムの等価回路図である。 本発明の他の実施例によるアンテナシステムの斜視図である。 図５に示すアンテナシステムの平面図である。 図５に示すアンテナシステムの等価回路図である。 本発明の実施例によるプラズマ発生装置においてアンテナコイルにかかる電圧の曲線を示すグラフである。

以下、本発明の実施例を、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例によるプラズマ発生装置を示す図である。同図で、本発明のプラズマ発生装置は、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）発生装置の基本的な形態、すなわち、ガスをイオン化して発生させたプラズマを貯留する真空状態の反応チャンバー１０と、反応チャンバー１０の上部に設けられ、高周波（ＲＦ）パワーが供給されるアンテナシステム２０と、を含む。

反応チャンバー１０は、プラズマを用いた半導体製造工程がなされるプロセス領域を形成するもので、このプロセス領域を真空及び一定温度に維持させる機能を果たす。この反応チャンバー１０には、外部から反応ガスを注入するためのガス注入口１１と、内部を真空に維持し、反応済みのガスを排出させるための真空ポンプ１２及びガス排出口１３と、が設けられる。また、反応チャンバー１０の内部には、半導体ウエハーまたはガラス基板などの試料１４を搭載するための静電チャック１５が設けられている。

一方、図示してはいないが、反応チャンバー１０とアンテナシステム２０との間には、アンテナシステム２０と（反応チャンバー内部に発生する）プラズマとの容量性結合を遮断することによって、高周波パワーのエネルギーが誘導性結合によってのみプラズマに伝達されるように、誘電体窓（Dielectric Window）を設けることができる。この誘電体窓は、アルミナ（alumina）や石英（quartz）のような誘電体などからなる。

また、本発明のプラズマ発生装置は、アンテナシステム２０に供給するための高周波パワーを発生する高周波発生器３０と、この高周波発生器３０で発生する高周波パワーをアンテナシステム２０に損失なしに伝達するためのインピーダンス整合器４０と、をさらに含む。

図２は、本発明の一実施例によるプラズマ発生装置におけるアンテナシステムを示す斜視図であり、図３は、図２に示すアンテナシステムの平面図である。

図２及び図３で、アンテナシステム２０は、一定の厚さを有する平板ドーナッツ状のボビン２１と、このボビン２１に巻き取られている少なくとも２本（例えば、２本）のアンテナコイル２２，２３と、を含む。

このようなアンテナシステム２０の構造は、均一な高密度プラズマを発生させるように、２本のアンテナコイル２２，２３が互いに一定の間隔で交差して設けられて並列構造とされる。

アンテナシステム２０を構成する並列構造の２本のアンテナコイル２２，２３は、仮想円の中心Ｃを基準に、各アンテナコイル２２，２３のパワーエンドＰ及びグラウンドエンドＧが相互対称の位置となり、また、各アンテナコイル２２，２３は、互いに一定の間隔で交差するように巻かれて二重螺旋状に形成される。

各アンテナコイル２２，２３のパワーエンドＰは、反応チャンバー１０から遠く離れた垂直の位置にさせ、各アンテナコイル２２，２３のグラウンドエンドＧは、反応チャンバー１０から近い垂直の位置にさせる。

このように、本実施例において、アンテナシステム２０を構成する各アンテナコイル２２，２３は、互いに一定の間隔で交差して二重螺旋状に巻かれることで同一半径に位置する並列構造とされ、各アンテナコイル２２，２３のパワーエンドＰは、反応チャンバー１０から相対的に遠い側、すなわち、相対的に上部に配置させ、グラウンドエンドＧは反応チャンバー１０から近い側、すなわち、パワーエンドＰよりも下部に配置させることで、パワーエンドＰ側に高電圧が印加されて、イオン損失によってプラズマ密度が降下することを最小化することができる。

また、本発明の実施例によるアンテナシステム２０は、２本のアンテナコイル２２，２３にキャパシタ（capacitor）２５，２６をそれぞれ設ける。２本のアンテナコイル２２，２３にそれぞれ設けられる２個のキャパシタ２５，２６は、各アンテナコイル２２，２３にかかる電圧を最小化する役割を果たす。

また、本発明の実施例によるアンテナシステム２０は、２本のアンテナコイル２２，２３と２個のキャパシタ２５，２６とを連結する連結部に、バランスリング（Balance Ring）２８−１を挿入する。このバランスリング２８−１は、電気的に導体の性質を有する金属材質からなり、２本のアンテナコイル２２，２３と２個のキャパシタ２５，２６とを連結する連結部を電気的にショートさせることで、それぞれのアンテナコイル２２，２３にかかる電圧を同一にさせる。

図４は、図２に示すアンテナシステムの等価回路図である。同図で、アンテナシステム２０は、２本のアンテナコイル２２，２３が電気的に並列に設置される並列構造のアンテナとする。

各アンテナコイル２２，２３の一側２２ａ，２３ａは、高周波発生器３０から供給される高周波パワーの入力端ＲＦ ＩＮに連結され、各アンテナコイル２２，２３の他側２２ｂ，２３ｂは、接地端子２９に連結される。

そして、各アンテナコイル２２，２３と接地端子２９との間には、キャパシタ２５，２６がそれぞれ設置される。それぞれのアンテナコイル２２，２３と接地端子２９との間に設置される２個のキャパシタ２５，２６は、各アンテナコイル２２，２３の上端２２ａ、２３ａと下端２２ｂ，２３ｂ、すなわち、アンテナコイル２２，２３の両端にかかる電圧差は同一に維持させながら、接地端子２９に向かうアンテナコイル２２，２３の端部の電圧を下げることができる。

また、それぞれのアンテナコイル２２，２３とそれぞれのキャパシタ２５，２６とを連結する連結部には、バランスリング２８−１が挿入される。それぞれのアンテナコイル２２，２３とそれぞれのキャパシタ２５，２６とを連結する連結部に挿入されるバランスリング２８−１は、それぞれのアンテナコイル２２，２３に設置されるキャパシタ２５，２６に容量誤差があっても、それぞれのアンテナコイル２２，２３にかかる電圧を同一にさせることができる。

図５は、本発明の他の実施例によるアンテナシステムを示す斜視図であり、図６は、図５に示すアンテナシステムの平面図であり、ここでは、図２及び図３と同じ部分については同一符号及び同一名称を使用し、可能な限り重複説明は避けるものとする。

図５及び図６で、本実施例によるアンテナシステム２０は、ボビン２１と、このボビン２１に巻き取られる少なくとも２本以上（例えば、３本）のアンテナコイル２２，２３，２４と、を含む。

このようなアンテナシステム２０の構造は、均一な高密度プラズマを発生させるために、３本のアンテナコイル２２，２３，２４は、互いに一定の間隔で交差して並列構造とされる。

アンテナシステム２０を構成する並列構造の３本のアンテナコイル２２，２３，２４は、仮想円の中心Ｃを基準に、各アンテナコイル２２，２３，２４のパワーエンドＰとグラウンドエンドＧを、相互対称の位置にさせ、各アンテナコイル２２，２３，２４は、互いに一定の間隔で交差するように巻かれて三重螺旋状に形成される。

各アンテナコイル２２，２３，２４のパワーエンドＰは、反応チャンバー１０から遠い垂直の位置にさせ、アンテナコイル２２，２３、２４のグラウンドエンドＧは、反応チャンバー１０から近い垂直の位置にさせる。

このように、本実施例でアンテナシステム２０を構成する各アンテナコイル２２，２３，２４は、互いに一定の間隔で交差して三重螺旋状に巻かれることで同一半径に位置する並列構造とされ、各アンテナコイル２２，２３，２４のパワーエンドＰは、反応チャンバー１０から遠い側、すなわち、相対的に上部に位置し、グラウンドエンドＧは、反応チャンバー１０から近い側、すなわち、パワーエンドＰよりも下部に位置させることによって、パワーエンドＰ側に高電圧が印加され、イオン損失によってプラズマ密度が降下することを最小化することができる。

また、本発明の他の実施例によるアンテナシステム２０は、３本のアンテナコイル２２，２３，２４にキャパシタ２５，２６，２７をそれぞれ設置する。３本のアンテナコイル２２，２３，２４にそれぞれ設置された３個のキャパシタ２５，２６，２７は、各アンテナコイル２２，２３，２４にかかる電圧を最小化する役割を果たす。

また、本発明の他の実施例によるアンテナシステム２０は、３本のアンテナコイル２２，２３，２４と３個のキャパシタ２５，２６，２７とを連結する連結部に、バランスリング２８−２を挿入する。このバランスリング２８−２は、電気的に導体の性質を有する金属材質からなり、３本のアンテナコイル２２，２３，２４と３個のキャパシタ２５，２６，２７とを連結する連結部を電気的にショートさせることによって、それぞれのアンテナコイル２２，２３，２４にかかる電圧を同一にさせる。

図７は、図５に示すアンテナシステムの等価回路図である。図７で、アンテナシステム２０は、３本のアンテナコイル２２，２３，２４が電気的に並列に設置される並列構造のアンテナとする。

各アンテナコイル２２，２３，２４の一側２２ａ，２３ａ，２４ａは、高周波発生器３０から供給される高周波パワーの入力端ＲＦ ＩＮに連結され、各アンテナコイル２２，２３，２４の他側２２ｂ，２３ｂ，２４ｂは、接地端子２９に連結される。

そして、各アンテナコイル２２，２３，２４と接地端子２９との間には、キャパシタ２５，２６，２７がそれぞれ設置される。それぞれのアンテナコイル２２，２３，２４と接地端子２９との間に設置される３個のキャパシタ２５，２６，２７は、各アンテナコイル２２，２３，２４の上端２２ａ，２３ａ，２４ａと下端２２ｂ，２３ｂ，２４ｂ、すなわち、アンテナコイル２２，２３，２４の両端にかかる電圧差は同一に維持しながら、接地端子２９に向かうアンテナコイル２２，２３，２４の端部の電圧を下げることができる。

また、それぞれのアンテナコイル２２，２３，２４とそれぞれのキャパシタ２５，２６，２７とを連結する連結部には、バランスリング２８−２が挿入される。それぞれのアンテナコイル２２，２３，２４とそれぞれのキャパシタ２５，２６，２７とを連結する連結部に挿入されるバランスリング２８−２は、それぞれのアンテナコイル２２，２３，２４に設置されるキャパシタ２５，２６，２７に容量誤差があっても、それぞれのアンテナコイル２２，２３，２４にかかる電圧を同一にさせることができる。

以下、上記のように構成されたプラズマ発生装置のアンテナシステムにおいて均一な高密度プラズマを発生する動作過程及び作用効果について説明する。

図１で、まず、反応チャンバー１０の内部が真空ポンプにより真空状態になるように排気された後、ガス注入口からプラズマを生成するための反応ガスが注入されて、必要な圧力に維持される。

このような状態で、アンテナシステム２０に高周波発生器３０から高周波パワーを印加する。高周波発生器３０から高周波パワーが印加されると、アンテナシステム２０がなす平面と垂直の方向に時変する磁場が形成され、この磁場は、反応チャンバー１０の内部に誘導電場を形成する。この誘導電場は、反応チャンバー１０中の反応ガス粒子を加速させ、加速された粒子は互いに衝突してイオン及びラジカルを生成し、生成されたプラズマ状態のイオン及びラジカルは、反応チャンバー１０内のチャック１５に搭載された試料１４のエッチング及び蒸着に用いられる。

このようなプラズマ発生装置において誘導結合効率の高い高密度プラズマを均一に分布させうるアンテナシステム２０の構造について説明する。

まず、本発明の実施例によるアンテナシステム２０は、図２及び図３に示すように、一定の厚さを有する平板ドーナッツ状のボビン２１に、２本のアンテナコイル２２，２３が互いに一定の間隔で巻き取られている。ここで、２本のアンテナコイル２２，２３は、二重螺旋状に交差して同一半径に位置する並列構造となる。

それぞれのアンテナコイル２２，２３は、高周波電流の増加によってアンテナコイル２２，２３の高周波パワー入力端、すなわち、高周波発生器３０からの電圧が増大することとなる。

そこで、本発明の実施例によるアンテナシステム２０では、２本のアンテナコイル２２，２３と接地端子２９との間にキャパシタ２５，２６をそれぞれ設けることによって、図４に示すように、各アンテナコイル２２，２３の上端２２ａ，２３ａと下端２２ｂ，２３ｂ、すなわち、アンテナコイル２２，２３の両端にかかる電圧差は同一に維持しながら、接地端子２９に向かうアンテナコイル２２，２３の端部の電圧を下げることができる。したがって、アンテナ電圧により発生する静電場（Static E-field）を下げることによって、アンテナ電圧により生じうる容量性結合による影響を最小化し、反応チャンバー１０の内壁におけるスパッタリング（sputtering）反応を抑制し、結果としてプラズマ均一度を向上させることができる。

しかしながら、２本のアンテナコイル２２，２３と接地端子２９との間、すなわち、各アンテナコイル２２，２３の接地端子２９にキャパシタ２５，２６を介設すると、通常のキャパシタ容量誤差（５〜１０％）によって２本のアンテナコイル２２，２３に流れる電流に差が発生することがある。

そこで、本発明の実施例によるアンテナシステム２０では、２本のアンテナコイル２２，２３と２個のキャパシタ２５，２６との連結部を金属材質のバランスリング２８−１で連結して、それぞれのアンテナコイル２２，２３にかかる電圧を同一にさせることによって、各アンテナコイル２２，２３の両端に流れる電流を同一にさせ、結果として、均一な高密度プラズマを発生させることができる。

また、本発明の他の実施例によるアンテナシステム２０は、図５及び図６に示すように、平板ドーナッツ状のボビン２１に、３本のアンテナコイル２２，２３，２４が互いに一定の間隔で巻き取られている。ここで、３本のアンテナコイル２２，２３，２４は三重螺旋状に交差して巻かれて同一半径に位置する並列構造とする。

それぞれのアンテナコイル２２，２３，２４は、高周波電流の増加によってアンテナコイル２２，２３，２４の高周波パワー入力端、すなわち、高周波発生器３０からの電圧が高くなる。

そこで、本発明の他の実施例によるアンテナシステム２０では、３本のアンテナコイル２２，２３，２４と接地端子２９との間にキャパシタ２５，２６，２７をそれぞれ設けることによって、図７に示すように、各アンテナコイル２２，２３，２４の上端２２ａ，２３ａ，２４ａと下端２２ｂ，２３ｂ，２４ｂ、すなわち、アンテナコイル２２，２３，２４の両端にかかる電圧差は同一に維持させながら、接地端子２９に向かうアンテナコイル２２，２３，２４の端部の電圧を下げることができる。したがって、アンテナ電圧により生じうる容量性結合による影響を最小化することによって、反応チャンバー１０の内壁におけるスパッタリング反応を抑制し、プラズマ均一度を向上させることができる。

しかし、３本のアンテナコイル２２，２３，２４と接地端子２９との間、すなわち、各アンテナコイル２２，２３，２４の接地端子２９にキャパシタ２５，２６，２７を介設すると、通常のキャパシタ容量誤差（５〜１０％）によって３本のアンテナコイル２２，２３，２４に流れる電流に差が発生することがある。

そこで、本発明の他の実施例によるアンテナシステム２０では、３本のアンテナコイル２２，２３，２４と３個のキャパシタ２５，２６、２７との連結部を、金属材質のバランスリング２８で連結して、それぞれのアンテナコイル２２，２３，２４にかかる電圧を同一にさせることによって、各アンテナコイル２２，２３，２４の両端に流れる電流を同一にさせ、結果として均一な高密度プラズマを発生させることができる。

図８は、本発明の実施例によるプラズマ発生装置においてアンテナコイルにかかる電圧の曲線を示すグラフである。図８に示すように、アンテナコイル２２，２３または２４の上端２２ａ，２３ａまたは２４ａにかかる電圧と、アンテナコイル２２，２３または２４の下端２２ｂ，２３ｂまたは２４ｂにかかる電圧とは、接地端子２９を基準にその絶対値が互いに同一であることがわかる。これにより、各アンテナコイル２２，２３または２４のパワーエンドＰと各アンテナコイル２２，２３または２４のグラウンドエンドＧとの間にかかる電圧の大きさを半分に減らすことによって、反応チャンバー１０の下端部に発生するスパッタリング効果を減少させることができる。

一方、上記の実施例では、少なくとも２本以上（２本または３本）のアンテナコイル２２，２３または２４が、互いに一定の間隔で交差して並列構造とされたアンテナシステム２０を取り上げたが、本発明はこれに限定されず、様々な構造のアンテナシステムにおいても、キャパシタとバランスリングを設けることによって上記の実施例と同一の目的及び効果を達成することができる。

１０ 反応チャンバー
１１ ガス注入口
１２ 真空ポンプ
１３ 排出口
１４ 試料
１５ 静電チャック
２０ アンテナシステム
２１ ボビン
２２，２３，２４ アンテナコイル
２５，２６，２７ キャパシタ
２８−１，２８−２ バランスリング
２９ 接地端子
３０ 高周波発生器
４０ インピーダンス整合器

Claims (12)

1. 高周波パワーを供給する高周波発生器と、
   前記高周波パワーを受けて誘導電場を発生する複数本のアンテナコイルを有するアンテナシステムと、
   前記誘導電場を用いて反応ガスをイオン化してプラズマを発生させる反応チャンバーと、
   を含み、
   前記複数本のアンテナコイルは、一定の間隔で互いに交差して設けられて、電気的に並列構造を形成するプラズマ発生装置。
2. 前記複数本のアンテナコイルは、互いに交差する形態を保持するようにボビンに巻き取られている、請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 前記複数本のアンテナコイルにはキャパシタをそれぞれ設置する、請求項１に記載のプラズマ発生装置。
4. 前記複数個のキャパシタは、前記複数本のアンテナコイルと接地との間に介設される、請求項３に記載のプラズマ発生装置。
5. 前記複数本のアンテナコイルと前記複数個のキャパシタとを連結する連結部にはバランスリングを設ける、請求項３に記載のプラズマ発生装置。
6. 前記バランスリングは、電気的に導体の性質を有する金属材質からなる、請求項５に記載のプラズマ発生装置。
7. プラズマを発生させる反応チャンバーと、
   前記プラズマ発生のための高周波パワーを供給する高周波発生器と、
   前記高周波パワーを受けて誘導電場を発生させる複数本のアンテナコイルと、
   を含み、
   前記複数本のアンテナコイルは、一定の間隔で互いに交差して設けられて、電気的に並列構造を形成する、プラズマ発生装置。
8. 前記複数本のアンテナコイルは、互いに交差する形態を保持するようにボビンに巻き取られる、請求項７に記載のプラズマ発生装置。
9. 前記複数本のアンテナコイルにはキャパシタをそれぞれ設置する、請求項７に記載のプラズマ発生装置。
10. 前記複数個のキャパシタは、前記複数本のアンテナコイルと接地との間に介設される、請求項９に記載のプラズマ発生装置。
11. 前記複数本のアンテナコイルと前記複数個のキャパシタとを連結する連結部には、バランスリングを設ける、請求項９に記載のプラズマ発生装置。
12. 前記バランスリングは、電気的に導体の性質を有する金属材質からなる、請求項１１に記載のプラズマ発生装置。

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