CN107771115B - 溅射靶的表面处理方法 - Google Patents

Abstract

本文公开了抛光溅射靶以减少集尘和预烧时间的方法。对未抛光的溅射靶的表面进行珠粒喷射，以克服加工引起的缺陷。进一步的后处理步骤包括尘土吹扫、表面擦拭、干冰喷射、使用热风枪除湿和退火，从而形成均匀、超洁净、无残余应力、无碳氢化学物的表面。

Description

溅射靶的表面处理方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年5月15日提交的序列号为62/162,173的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

背景技术

本公开涉及用于处理溅射靶的方法，用于获得在溅射期间具有减少的集尘并且需要较少的的预烧时间(burn in time)进行优化操作的溅射靶。还公开了溅射靶自身以及用于制造这种靶的方法。

利用溅射将薄膜形式的源材料沉积到基板上(例如，在微电子应用中)。待沉积的源材料形成矩形或圆形或其他几何形状的溅射靶。然后在受控环境中用高能粒子束(例如，离子束或等离子束)轰击溅射靶。源材料的原子从溅射靶中喷出并沉积在基板上以形成薄膜(例如，半导体晶片)。

用于形成具有所需尺寸和几何形状的溅射靶的过程通常包括很可能将表面缺陷(例如裂纹、污染物和加工划痕等)引入到溅射靶上的各种机械加工步骤(例如磨削、车削)。例如，车床加工、铣削和磨削等操作在溅射靶的外表面上使用大量的力来切割/拆卸材料并形成高精度的所需的形状和尺寸。而且，为了避免工件的温度升高，在加工过程中必须使用各种润滑剂或冷却剂。在加工之后，溅射靶的最终抛光表面上通常不可避免地存在诸如磨削线、划痕、嵌入的杂质和污染物等表面缺陷。这些表面缺陷在溅射期间引起不希望的高水平的初始集尘。溅射靶的集尘是指从溅射靶的表面喷射并落在晶片上的大颗粒，而不是个别的原子/离子。这些颗粒可以被认为是污染物，因为产生颗粒的缺陷在基板上形成，导致它们影响和降低了器件产量。集尘也可能导致在基板上形成结节，这对薄膜的性质有明显的影响。

溅射靶表面的状况、表面残余应力和局部密度变化影响了集尘的产生。为了减少溅射靶的初始集尘，需要光滑、无缺陷、无残余应力且无污染(即清洁)的表面。

在使用溅射靶在基板上进行材料沉积之前，可以使用预烧或预处理步骤来去除任何表面缺陷。在预烧步骤中，溅射室不能用于生产。这使得预烧过程花费很多时间和金钱。减少预处理或预烧时间将节省成本，降低拥有成本。由于在半导体工业中使用一组溅射工具进行连续生产是很常见的，所以减少集尘并使预烧时间最小化对于高效生产至关重要。

发明内容

本公开涉及用于抛光溅射靶的方法。通常，在形成中间溅射靶之后，然后对(将用于溅射的)中间溅射靶的主表面进行珠粒喷射和/或表面抛光(例如，使用轨道打磨)以去除表面的任何制造缺陷。在珠粒喷射和/或表面抛光之后，可以进行一系列清洁工艺，例如尘土吹扫、表面擦拭、干冰喷射和除湿，以去除现在嵌入在溅射靶的表面中的任何珠粒喷射引起的污垢、杂质或可能的珠粒。最后，对靶进行退火，以消除表面残余应力。这个过程产生具有均匀的表面结构的成品溅射靶，无污染并且没有残余应力。这对于制造薄膜是有用的，在用于构建磁性隧道结(MTJ)的STT-RAM(自旋转移力矩随机存取存储器)技术中也是有用的。

本发明中的溅射靶可以由诸如钽(Ta)、铱(Ir)、钴(Co)、钌(Ru)、钨(W)或铁钴硼(FeCoB)系列合金或者可以由诸如氧化镁(MgO)的陶瓷制成。在特定实施例中，溅射靶包含选自由Fe_xCo_yB₁₀、Fe_xCo_yB₂₀、Fe_xCo_yB₃₀组成的组中的合金。这里，数字是指每个元素的原子分数。x和y的值可以独立地为0.05至0.75。在一些实施例中，x＝y。

珠粒可以包含氧化锆或二氧化硅。在理想的实施例中，所述珠粒是由具有高耐磨性、高断裂粗糙度、光滑表面、良好圆度和窄粒度分布的细碎的球形颗粒组成的粉末形式。在具体的实施例中，珠粒具有约10微米(μm)至约100μm的平均直径。

可以使用压力为约60psi至约100psi(0.34-0.69MPa)的压缩气体来进行喷射。喷嘴与靶表面之间的距离可以为约40mm至约100mm。喷嘴与靶表面之间的角度可以在约5°至约45°的范围内。喷射时间可随压缩气体的压力和珠粒喷射的表面硬度而变化，并且通常对溅射靶表面而言为约0.05至约2.0秒/cm²的范围内。需要喷射的溅射靶表面的量可以通过目测表面来确定。均匀表面通常在常规光照下显示出均匀的对比度。喷射可以在约25℃至约35℃的温度下进行。在喷射期间，喷嘴可以移动穿过溅射靶，和/或溅射靶可以旋转从而均匀地喷射表面。该过程可以重复以获得均匀的溅射靶表面。

未抛光的溅射靶的表面可以在喷射之前通过表面磨削、车削和铣削形成。

尽管珠粒喷射可以去除由加工引起的表面缺陷，例如污染物、裂纹和划痕，但是后处理步骤对于获得清洁且无残余应力的表面是非常有用的，这对于减少溅射期间的集尘是重要的。这样的后处理步骤可以包括使用压缩气体将灰尘吹离表面；用有机溶剂如甲醇或乙醇进行表面擦拭；在约30psi至约80psi(0.21-0.55MPa)的压力下以10-30磅/分钟的进料速度用干冰(固体CO₂)喷射表面；使用热风枪在约60℃至约120℃的温度下除湿；并且用气体保护进行退火或在真空下进行退火，以获得没有灰尘、湿气和残余应力的表面。

以下更具体地公开了本公开的这些特征和其它非限制性特征。

附图说明

专利或申请文件至少包含一张彩色绘制的图。带有彩色附图的本专利或专利申请公开副本将由专利局根据要求提供并支付必要的费用。

以下是对附图的简要说明，其出于说明本文中公开的示例性实施例的目，而不是为了限制本发明。

图1是示出根据本公开的实施例用于制造溅射靶的示例性方法的流程图。

图2A是珠粒喷射之前钌(Ru)溅射靶的机械加工表面的光学显微照片。

图2B是根据本公开的珠粒喷射处理之后钌(Ru)溅射靶的表面的光学显微照片。

图2C是根据本公开的珠粒喷射处理之前钌(Ru)溅射靶的研磨表面的SEM(扫描电子显微镜)二次电子图像显微照片。

图2D是根据本公开的经过珠粒喷射、尘土吹扫、表面擦拭和干冰处理的钌(Ru)溅射靶的表面的SEM二次电子图像显微照片。

图2E是根据本公开的带有经过珠粒喷射、尘土吹扫、表面擦拭和干冰喷射等的钌(Ru)溅射靶的元素映射(左侧)和EDX光谱(右侧)的SEM EDX(能量色散X射线光谱)显微照片。对于EDX光谱，y轴是强度计数，0K到261K，间隔为29K，x轴为Kev，从0.00到9.00，间隔为1.00。

图2F是根据本公开的经过珠粒喷射、尘土吹扫、表面擦拭、干冰喷射处理但是没有进行退火之后钌(Ru)溅射靶表面的XRD(X射线衍射)图(左侧)和残余应力处理(右侧)。对于XRD图，y轴是强度计数，从0至3000以1000为间隔，并且x轴是以度为单位的2-θ，并且从20至140以20为间隔。对于在右侧的残余应力图，y轴以0.0001的间隔从0到0.0014，而x轴以0.02为间隔从0到0.12。

图2G是根据本公开的在珠粒喷射、尘土吹扫、表面擦拭、干冰喷射处理并进行退火之后的钌(Ru)溅射靶的表面的XRD图(左侧)和残余应力处理(右侧)。对于XRD图，y轴是强度计数，并具有两个不同的系列。底部的第一个序列以1000为间隔从-4000到4000。y轴顶部的第二个序列以1e+004为间隔从0到3e+004。x轴是以度为单位的2-θ，以20为间隔从20到140。对于右侧的残余应力图，y轴以5e-5为间隔从-6e-5到9e-5，然后以0.00005为间隔从0.00014至0.00059，而x轴以0.01为间隔从0至0.07。

图3A是根据本公开的在珠粒喷射处理之前的铁-钴-硼(Fe_xCo_yB₂₀)合金溅射靶的机械加工表面的显微照片。

图3B是根据本公开的在珠粒喷射处理之后的铁-钴-硼(Fe_xCo_yB₂₀)合金溅射靶的表面的显微照片。

图4A是根据本公开内容的珠粒喷射处理之前的陶瓷氧化镁(MgO)溅射靶的机械加工表面的显微照片。

图4B是根据本公开的珠粒喷射处理之后的陶瓷氧化镁(MgO)溅射靶的表面的显微照片。

图5是实施例4的机械加工钴靶的显微照片。

图6A是图5的钴靶的珠粒喷射之后的显微照片。

图6B是图6A的靶的EDX光谱。y轴为cps/eV，以1为间隔从0到8。x轴为keV，以2为间隔从0到14。

图7A是实施例4的表面处理后的钴靶的显微照片。

图7B是图7A的靶的EDX光谱。y轴为cps/eV，以1为间隔从0到7。x轴为keV，以2为间隔从0到14。

图8是实施例5的Fe_xCo_yB₄₀靶的机械加工表面的光学显微照片。

图9是在实施例5的表面处理之后的图8的靶的光学显微照片。

具体实施方式

通过参考附图可以更完整的理解本文公开的部件、过程和装置。这些附图仅仅是基于方便和易于示出本公开内容的的示意性说明，因此并不旨在指示设备或其部件的相对大小和/或尺寸，和/或定义或限制示例性实施例的范围。

尽管为了清楚起见，在下面的描述中使用了特定的术语，但是这些术语旨在仅指代在附图中选择用于说明的实施例的特定结构，而非旨在定义或限制本公开的范围。在下面的附图和的描述中，应该理解的是，相似的数字标记表示类似功能的组件。

除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”和“该”含有复数含义。

如在说明书和权利要求书中所使用的，术语“包括”可以包括“由......组成”和“基本上由......组成”的实施例。如本文所使用的,术语“包括”、“具有”、“可以”、“包含”及其变化形式是开放式的过渡性短语、术语或需带有指定的组件/步骤并允许其他组件/步骤出现的词语。然而，这样的描述应该被解释为还描述了“由”和“基本上由”列举的组分/步骤“组成”的组合物或方法，其允许只有指定的组分/步骤出现，及由此导致的任何杂质，并且排除其他组分/步骤。

在本申请的说明书和权利要求书中的数值应当被理解为包括当为了确定值，减小到与所述值相差小于本申请描述的类型的传统测量技术的实验误差的有效数字和数值的相同数目时，相同的数值。

本文公开的所有范围包括所述端点并且可独立地组合(例如，“2至10”的范围包括端点2和10以及所有中间值)。

术语“约”可以用于包括可以改变而不改变该值的基本功能的任何数值。当与范围一起使用时，“约”还公开了由两个端点的绝对值所定义的范围，例如，“约2至约4”还公开范围“从2到4”。术语“约”可以指所指数目的正负10％。

本公开涉及用于抛光溅射靶的方法。该方法包括对溅射靶的机械加工表面进行珠粒喷射。本文所指的表面是通过高能粒子束接触的溅射靶的表面，并且原子或离子将从其喷射出来沉积在期望的基板上。额外的后处理步骤可以包括尘土吹扫、表面擦拭、干冰喷射、除湿和退火。这些表面处理可以减少不希望的溅射靶的集尘和/或预处理时间(也称为预烧时间)。

溅射靶本身由期望沉积在基板上的材料制成。在特定实施例中，用于溅射靶的这种源材料可以包括钌、氧化镁和/或铁-硼-钴合金。

图1示出了根据本公开的用于形成溅射靶的本文公开的方法的示例性实施例。在步骤100中，对溅射靶进行机械加工。加工步骤包括车削、铣削或磨削以形成具有所需形状、尺寸和中等粗糙度的溅射靶。由于机械加工，在溅射靶的表面上存在表面缺陷。在步骤110中，溅射靶的表面通过珠粒喷射来去除表面缺陷。在步骤120中，喷射表面用压缩气体吹扫，以去除珠粒喷射后可能留下的灰尘。然后在步骤130中擦拭表面以进一步去除溅射靶表面上的任何灰尘。在步骤140中，使用干冰(固体CO₂)喷射处理，以便在珠粒喷射、尘土吹扫和表面擦拭之后进一步清洁表面。在步骤140之后，步骤150在溅射靶的表面上使用热气体以进行蒸发并对溅射靶的经处理的表面除湿。在热风吹入150之后可以检查表面。在步骤150之后，步骤160进行退火以去除溅射靶的表面残余应力。可以执行表面退火以获得无残余应力的表面。

在步骤110中，珠粒可以由化学惰性的任何材料制成(即不会与溅射靶发生反应)。理想地，珠粒是球形的，断裂韧性高，耐磨性好，圆度好。通常金属氧化物如氧化锆、二氧化硅、氧化铝等是珠粒材料的良好选择。在特定实施例中，用于喷射溅射靶的表面的珠粒可以是氧化锆珠或氧化铝珠或二氧化硅珠。在一些实施例中，珠粒是平均直径为约10微米(μm)至约100μm的球形。珠粒应具有高耐磨性、高断裂韧性和良好的圆度，以便可重复使用。

可以使用任何市场上可买到的珠粒喷射设备，例如由俄亥俄坎菲尔德斯卡特喷射公司(Skat Blast Inc.,Canfield,Ohil)制造的型号为斯卡特干喷(Skat Dry Blast)系统，进行珠粒喷射。可以使用压缩气体或氩气在约60psi至约100psi(0.34-0.69MPa)的压力下进行喷射。喷射喷嘴与靶表面之间的距离可以为约5mm至约100mm，包括从约40mm至约100mm。喷射喷嘴与靶表面之间的角度可以在约5°至约45°的范围内。喷射时间可随压缩气体的压力和珠粒喷射的表面硬度而变化，并且通常对于溅射靶表面而言为约0.05至约2.0秒/cm²的范围内。需要喷射的溅射靶表面的量可以通过目测表面来确定。均匀表面通常在常规光照下显示出均匀的对比度。喷射可以在约20℃至约35℃，或更优选约23℃至约30℃的温度下进行。在喷射期间，喷嘴可以移动穿过溅射靶，和/或可以旋转溅射靶以均匀地喷射表面。

使用已经用低蒸气压的溶剂润湿的擦拭纸进行表面擦拭130。示例性溶剂包括甲醇、乙醇和丙酮。

可以使用冷喷射公司(Cold Jet，LLC)制造的I³微清洁(I³MicroClean)系统进行干冰喷射140。干冰喷射可以在约30psi至约80psi的压力下进行。干冰可以以约10至约30磅/分钟的速率进料到系统中。

作为这些工艺的结果，可以去除溅射靶上的任何表面缺陷，形成干净、均匀和无残余应力的表面。在处理步骤之后，在一些实施例中，溅射靶的厚度可以保持不变，或者在一些实施例中，可以产生忽略不计的厚度减小。

期望在溅射期间所得到的溅射靶减少集尘。在一些实施例中，在表面上0.1μm至1μm尺寸范围内存在约100个或更少的颗粒。溅射靶的表面也更加均匀和清洁。在一些实施例中，没有检测到尺寸大于200nm的颗粒。

提供以下实施例来说明本公开的颗粒、方法和性质。这些实施例仅是说明性的，并不旨在将本公开限制于其中所述的材料、条件或方法参数。

实施例

实施例1：热压钌(Ru)靶

烧结直径为165mm，厚度为3.8mm的钌(Ru)溅射靶，然后对其进行机械加工和机械磨削步骤。接着用球形氧化锆珠粒进行珠粒喷射。

图2A是机械加工之后，即在珠粒喷射之前的溅射靶表面的光学显微照片。在磨削面上观察到磨削引起的缺陷，如表面微裂纹、磨痕、污染和其他表面缺陷。磨削后的表面粗糙度是各向异性的。在平行于磨削方向的方向上，表面粗糙度为3-7Ra，然而在横截磨削方向的表面粗糙度为8-12Ra。

图2B是珠粒喷射后的溅射靶表面的光学显微照片。通过珠粒喷射克服了磨削引起的缺陷。喷射后也观察到均匀清洁的表面。平行于磨削的方向的表面粗糙度为15-18Ra，横截磨削的方向的表面粗糙度为15-17Ra。虽然珠粒喷射后表面粗糙度略有增加，但表面粗糙度更均匀。

图2C是珠粒喷射之前的钌(Ru)溅射靶的磨削表面的SEM二次电子图像显微照片。磨削引起的缺陷如裂纹、划痕和污染是明显的，并且表面的结构明显是各向异性的。

图2D是根据本公开的经过珠粒喷射、尘土吹扫、表面擦拭和干冰喷射之后的钌(Ru)溅射靶的表面的SEM二次电子图像显微照片，示出了均匀的表面结构和消除了磨削引起的缺陷。

图2E是经过珠粒喷射、尘土吹扫、表面擦拭和干冰喷射的Ru溅射靶表面的SEM EDX显微照片。左侧是元素图，右侧是EDX谱。两者均显示具有可忽略的C和O信号的纯Ru峰。C和O信号可能来自背景噪声。综合来看，显微照片表明后处理步骤产生杂质少、污染小的干净的表面。

图2F显示了在珠粒喷射、尘土吹扫、表面擦拭和干冰喷射处理但是未进行退火处理之后，钌(Ru)溅射靶的表面的XRD(X射线衍射)测量的结果。X射线衍射谱(左侧)和残余应力处理(右侧)显示出明显的峰展宽和0.36％的晶体应变。结果表明在无进行退火的表面处理后，存在表面残余应力。

图2G显示了在珠粒喷射、尘土吹扫、表面擦拭和干冰喷射处理，并且在1050℃下真空退火3小时之后的钌(Ru)溅射靶的表面的XRD(X射线衍射)测量结果。X射线衍射光谱(左侧)和残余应力处理(右侧)显示出明确的XRD光谱和0％的晶体应变。结果表明表面残余应力通过退火已去除。将所得到的溅射靶安装在溅射系统中进行生产，在溅射靶表面上几乎没有检测到尺寸大于200nm的颗粒。

实施例2：铸铁-硼-钴(Fe_xCo_yB₂₀)靶

通过VIM(真空感应熔融)铸造来生产具有150mm直径和5.0mm厚度的铁-钴-硼(Fe_xCo_yB₂₀)溅射靶，然后进行机械磨削步骤，接着用氧化锆珠粒进行珠粒喷射。

图3A是机械磨削后、珠粒喷射前的溅射靶表面的光学显微照片。在磨削表面上观察到磨削引起的缺陷，例如表面微裂纹，磨痕和污染。

图3B是珠粒喷射、尘土吹扫和表面擦拭后的溅射靶表面的光学显微照片。通过珠粒喷射克服磨削引起的缺陷。珠粒喷射后观察到均匀且清洁的表面。Fe_xCo_yB₂₀合金的铸造溅射靶显示出高密度和高硬度(55-66HRC)。在珠粒喷射之后，溅射期间在0.1μm至1μm范围内的颗粒少于100个。珠粒喷射、尘土吹扫和表面擦拭后的Fe_xCo_yB₂₀靶的表面粗糙度为14-30Ra。

实施例3：MgO溅射靶

通过烧结制成的直径为175mm、厚度为5mm的氧化镁(MgO)溅射靶进行机械磨削步骤，然后用球形氧化锆珠进行珠粒喷射。

图4A是机械加工后的溅射靶表面的光学显微照片。观察到机械加工诱导的微裂纹和聚集的MgO颗粒。平行于磨削线的方向的表面粗糙度为31-37Ra，横截磨削线的方向的表面粗糙度为35-39Ra。

图4B是珠粒喷射后的溅射靶表面的光学显微照片。表面粗糙度在两个交叉方向上变为各向同性(约98-126Ra)。虽然在珠粒喷射后表面粗糙度增加，机械加工引起的痕迹通过珠粒喷射去除。聚集和松散结合的颗粒也被擦掉。这种表面结构和特征被认为有利于减少初始集尘。在珠粒喷射后观察到具有最小污染的相对均匀的表面结构。

实施例4：纯钴靶

对纯度为99.95％、直径为3.5英寸的纯钴(Co)靶进行表面处理。SEM分析在不同的步骤中进行，以说明表面处理对表面结构和清洁度的影响。如图5所示，正如所期望的那样，钴靶的初始表面显示出许多机械加工引起的划痕、损坏坑和机械加工后的污染。如图6A所示，珠粒喷射后，可以消除划痕线，所得到的表面结构非常随机且均匀。如图6B所示，通过EDX只检测到少量的粉尘或珠粒喷射引起的污染如Zr峰值。通过干冰喷射和热风枪的表面加热可以消除表面污染物或残留的灰尘。如图7A和图7B所示，同时发现纯Co光谱与痕量C/O残余峰，这与来自样品架的噪音和背景有关。这个例子表明，表面处理可以去除机械加工引起的损伤层，使表面结构均匀化并去除靶表面的污染物。这样的表面结构被认为有利于减少集尘和预烧时间。

实施例5：Fe_xCo_yB₄₀合金靶

对Fe_xCo_yB₄₀合金的烧结靶进行表面处理。在机械加工和全表面处理的样品上进行光学显微镜检查，以检查表面处理对表面结构和清洁度的影响。如图8所示，初始Fe_xCo_yB₄₀靶的表面显示出许多机械加工引起的划痕、损坏坑和加工后的污染。如图9所示，经过包括轨道砂抛光、干冰喷射和使用热风枪的表面加热在内的全面表面处理后，去除了加工引起的划痕，消除了与被捕集的灰尘或污垢相关的污染，并且实现了靶表面上均匀的微结构。

参考示例性实施例对本公开进行了描述。显然，在阅读和理解前面的详细描述之后，将会想到修改和变更。本公开旨在解释为包括所有落入所附权利要求或其等同物的范围内的这样的修改和变更。

Claims (13)

1.一种抛光溅射靶的表面的方法，包括：

用球形珠粒喷射溅射靶的表面，从而将加工缺陷和污染物从表面去除；

使用干冰喷射表面；

在表面上吹热气体以除湿；和

对所述溅射靶进行退火以去除表面残余应力。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述退火是在惰性气体保护下或在真空下进行的。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述珠粒由氧化锆、氧化铝、二氧化硅或另一种金属氧化物制成。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述溅射靶包括钽(Ta)、铱(Ir)、钴(Co)、钌(Ru)、钨(W)、铁钴硼合金或氧化镁，或选自由Fe_xCo_yB₁₀、Fe_xCo_yB₂₀、Fe_xCo_yB₃₀组成的组中的合金。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述珠粒具有10微米至100微米的平均粒度。

6.如权利要求1所述的方法，其中在60psi至100psi的压力下用珠粒进行喷射。

7.如权利要求1所述的方法，其中利用喷嘴喷射所述珠粒，并且所述喷射喷嘴与所述溅射靶的表面之间的角度为5°至45°。

8.如权利要求1所述的方法，其中利用喷嘴喷射所述珠粒，并且所述喷射喷嘴与所述溅射靶的表面之间的距离为5mm至100mm。

9.如权利要求1所述的方法，其中在20℃至35℃的温度下用气体或氩气保护进行所述喷射。

10.如权利要求1所述的方法，其中对所述溅射靶的表面进行一段时间的0.05至2.0秒/cm²的所述喷射。

11.如权利要求1所述的方法，其中在用珠粒喷射之前通过进行磨削或车削以形成所述溅射靶的表面。

12.一种具有抛光表面的溅射靶，由以下步骤制成：

对所述溅射靶的表面进行珠粒喷射以抛光所述表面；

对所述溅射靶的表面进行干冰喷射；

对所述溅射靶的表面进行热气体干燥；和

对所述溅射靶进行退火以去除表面残余应力。

13.如权利要求12的所述靶，其中所述溅射靶包括钽(Ta)、铱(Ir)、钴(Co)、钌(Ru)、钨(W)、铁钴硼合金或氧化镁、或选自由Fe_xCo_yB₁₀、Fe_xCo_yB₂₀、Fe_xCo_yB₃₀组成的组中的合金。

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