第7卷.第1制電子與封裝總第45期.Vol. 7. No. 1ELECTRONICS & PACKAGING2007年1月電路設(shè)計(jì)高壓PLDMOS器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)肖金玉. (東南大學(xué)IC學(xué)院，南京210096 )摘要: 借助半導(dǎo)體專 業(yè)軟件TIsuprem-4和Medici 詳細(xì)研究了漂移區(qū)的長度、濃度以及結(jié)深，溝道區(qū)的長度、濃度，場極板的長度對高壓PLDMOS擊穿電壓的影響。最終得到一組最佳的PLDMOS器件的參數(shù)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的高壓PLDMOS器件的流片測試結(jié)果為:關(guān)態(tài)和開態(tài)擊穿電壓分別在200V和160V以上。關(guān)鍵詞: PLDMOS;漂移區(qū);溝道區(qū);場極板中圖分類號: TN302文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號: 1681-1070 (2007) 01-0023-06Design and Optimization of the High Voltage PLDMOSXIAO Jn-yu( Southeast University IC Institute, Nanjing 210096, China )Abstract: The infuence of the parameters of the drift region, channel region and field plate on the breakdownvoltage of the high voltage PLDMOS has been investigated by using the simulators Tsupre-4 and Medici. Theexperiment results showed that the breakdown voltages of the off state and on-state exceeded 200V and 160V,respectively.Key words: PLDMOS; drift region; channel region; field plate參數(shù)的設(shè)計(jì)或?qū)ζ淠? -部位的改進(jìn)[4-7], 針對高低壓兼容工藝芯片的LDMOSFET各個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)的綜合分析1引言尚不多見。由于器件的性能并不是各個(gè)參數(shù)性能的簡在中等耐壓MOS功率器件中，LDMOSFET單堆積，各個(gè)參數(shù)之間是相互影響的，因此對兼容普( Lateral Double-diffused MOSFET)由于其較高的擊通半導(dǎo)體材料工藝的LDMOSFET器件的各個(gè)參數(shù)的綜穿電壓(幾百伏)、較短的開關(guān)時(shí)間(納秒級)而廣泛合分析具有十分重要的意義。應(yīng)用于打印機(jī)、電動(dòng)機(jī)、平板顯示器等高電壓、低電本文借助Tsuprem-4和Medici軟件，詳細(xì)研究了流領(lǐng)域的驅(qū)動(dòng)芯片中。這些驅(qū)動(dòng)芯片的核心問題是高高壓PLDMOS的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括漂低壓工藝兼容。采用基于sOI材料的工藝技術(shù)，生產(chǎn)移區(qū)長度、結(jié)深、濃度，溝道長度以及場極板長度成本往往很高1-31,迫切需要解決既能兼容普通半導(dǎo)等。所設(shè)計(jì)的器件進(jìn)行了流片試驗(yàn)，測試結(jié)果顯示體材料工藝又能達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)性能要求的芯片設(shè)計(jì)其擊穿電壓超過200V。及工藝問題。LDMOSFET研究的關(guān)鍵是擊穿電壓和導(dǎo)通電阻之2 PLDMOS 器件結(jié)構(gòu)及兼容工藝間的合理折衷，而漂移區(qū)、溝道區(qū)以及場極板的優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高LDMOSFET耐壓的一一個(gè)主要因素。目中國煤化工縱向剖視圖，在外前國內(nèi)外對LDMOSFET的研究主要是針對器件的某一延 I是高雪崩擊穿電壓，YHCNMHG收稿日期: 2006- 10-25.23-第7卷第1期電子與封裝N阱用來提高穿通擊穿電壓。高壓PLDMOS的制備工P管漂移區(qū)采用BF2注人，然后經(jīng)過高溫退火擴(kuò)散形藝與N外延雙阱標(biāo)準(zhǔn)低壓CMOS兼容，具體工藝流程成，故其濃度不再均勻，與外延形成緩變結(jié)，因此對如表1所示。由于PLDMOS的柵氧較厚，需要與低器件各個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，其中漂移區(qū)壓柵氧分開做，因此首先淀積厚柵氧，然后將不需要的濃度、結(jié)深、長度都是對耐壓影響較大的參數(shù)。厚柵氧的地方刻掉，淀積薄柵氧，高壓PLDMOS和標(biāo)3.1.1 漂移區(qū)長度準(zhǔn)CM.OS的多晶硅同時(shí)淀積。為了節(jié)省成本，高壓模擬中，根據(jù)工藝要求以及前面的計(jì)算結(jié)果，PLDMOS的源漏跟標(biāo)準(zhǔn)低壓CMOS的源漏同時(shí)形成。取外延層濃度8x10*cm*,溝道濃度1x10'7cm^'，漂這樣，本文所設(shè)計(jì)的高壓PLDMOS就可以應(yīng)用于高壓移區(qū)注入劑量3x10*2cm2,開啟態(tài)時(shí)柵電壓為-200V,集成電路。下面重點(diǎn)研究漂移區(qū)、溝道以及場極板的變化漂移區(qū)長度，得到擊穿電壓的變化曲線如圖2所優(yōu)化設(shè)計(jì)。示，從圖中可以看出當(dāng)漂移區(qū)長度較小時(shí)，開啟態(tài)和__sD.關(guān)閉態(tài)的擊穿電壓隨著漂移區(qū)的長度增加而變大，最SiO2后兩者分別趨于- -定值。產(chǎn)生圖示曲線的原因是:漂移區(qū)濃度適當(dāng)，使得漂移區(qū)全部耗盡，大部分的漏電NP+P型漂移區(qū)壓分布在整個(gè)漂移區(qū)，漂移區(qū)各處電場近似相等，根N阱據(jù)公式:N外延雙阱Vg=L xE(1)式中L為漂移區(qū)長度，E為臨界擊穿電場。漂移圖1高壓 PLDMOS器件的縱向剖視圖區(qū)越長，擊穿電壓越高。隨著漂移區(qū)增加到一-定長度 ,表1 PLDMOS 器件的兼容工藝流程擊穿點(diǎn)由Si-SiO,界面處轉(zhuǎn)移到體內(nèi)漂移區(qū)與外延界面，因此漂移區(qū)與外延界面平行，緩變結(jié)擊穿電壓將N型外延P型漂移區(qū)形成是管子擊穿電壓的上限間。但圖中關(guān)閉態(tài)的擊穿電壓高壓N阱形成曲線的趨向值卻遠(yuǎn)小于這個(gè).上限，這是因?yàn)榇颂幠M有源區(qū)形成的管子的柵比較長，管子處于關(guān)閉態(tài)時(shí)，柵電壓為0,低壓P阱形成而離其較近的漏端的電壓卻為-200V,兩者之間的電低壓N阱形成場強(qiáng)度很高，使得漏區(qū)表面在體內(nèi)達(dá)到擊穿電壓之前厚柵氧形成(HV-PMOS)薄柵氧形成已經(jīng)擊穿。隨著漂移區(qū)長度的增加，漂移區(qū)電阻與之Poly淀積和腐蝕成正比。實(shí)際芯片中的管子都是采用跑道型結(jié)構(gòu)，因0源漏形成此管子所占用的面積平方倍增加。l112金屬化220> 200)-3 PLDMOS器件的參數(shù)優(yōu)化納160-漂移區(qū)的長度、結(jié)深以及濃度直接決定著140-[-一關(guān)態(tài)PLDMOS器件的雪崩擊穿電壓，溝道長度和濃度則決120-l---開態(tài)_定了PLDMOS器件的穿通擊穿，場極板則是提高器51052025340455055件擊穿電壓的有效終端技術(shù),下面將通過TSsuprem-4和漂移區(qū)長度1μmMedici模擬軟件，詳細(xì)模擬和優(yōu)化這三個(gè)關(guān)鍵參數(shù),圖2擊穿電壓隨漂移區(qū) 長度變化曲線最終得到PLDMOS器件的最佳參數(shù)。3.1.2_ 漂移區(qū)結(jié)深.1 漂移區(qū)參數(shù)的模擬優(yōu)化中國煤化工結(jié)果，取外延層濃高壓PLDMOS能夠耐高壓的主要原因是漂移區(qū)耗度8>TYHCNMHGm',漂移區(qū)注人劑盡，大部分的電壓都加在空間電荷上，因此漂移區(qū)量3x10*cm2,漂移區(qū)長度13μ m,開啟態(tài)時(shí)柵電壓.的優(yōu)化至關(guān)重要。在N外延雙阱高低壓兼容工藝中，為-200V,變化漂移區(qū)的結(jié)深，得到擊穿電壓的變化- 24-第7卷第1期肖金玉:高壓PLDMOS器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)曲線如圖3所示，其中的實(shí)線為關(guān)閉態(tài)，虛線為開啟調(diào)節(jié)濃度1x10'cm*,漂移區(qū)長度13 μ m,開啟態(tài)時(shí)態(tài)。由圖3可以看出，開始時(shí)，隨著漂移區(qū)結(jié)深的增加,柵電壓為-200V。采用BF2注人，注人能量180eV,開啟態(tài)、關(guān)閉態(tài)的擊穿電壓都增大，當(dāng)結(jié)深超過7μ m隨著注入劑量的變化，得到器件開啟態(tài)和關(guān)閉態(tài)的擊后，隨著結(jié)深的繼續(xù)增加，擊穿電壓略有下降。其穿電壓變化曲線如圖5所示。由圖可以看出，隨著注原因?yàn)?當(dāng)漂移區(qū)結(jié)深較小時(shí)，場強(qiáng)的最高點(diǎn)在漏結(jié)人劑量的增加，無論是開啟態(tài)還是關(guān)閉態(tài)的擊穿電壓的左端靠近表面處，隨著結(jié)深的增加，RESURF 效應(yīng)都先逐漸上升，在達(dá)到一個(gè)最優(yōu)值以后逐漸下降，但逐漸明顯，緩解了此處的場強(qiáng)，使得擊穿電壓逐漸趨二者上升下降不同步，開啟態(tài)取得最優(yōu)擊穿電壓的漂近最優(yōu)值。當(dāng)結(jié)深很大(大于7μm)時(shí),場極板下移區(qū)注人劑量值要高于關(guān)閉態(tài)取得最優(yōu)擊穿電壓的劑等壓線彎曲程度變大，使Si-SiO2界面處的水平方向量值。產(chǎn)生圖5所示曲線的原因是:關(guān)閉態(tài)，當(dāng)注人的場強(qiáng)變大，柵板末端等壓線尤為密集，擊穿點(diǎn)由劑量很低、漂移區(qū)濃度很低時(shí)，漏端加的很高反向電漏區(qū)左端表面轉(zhuǎn)移到了柵板末端硅表面處。不同結(jié)深壓，不但使漂移區(qū)全部耗盡，也使得濃度很高的漏區(qū)場極板末端等壓線分布如圖4所示，虛線為淺結(jié)的等也耗盡了-部分，此處較高的空間電荷濃度導(dǎo)致了較壓線，實(shí)線為深結(jié)等壓線，明顯可以看出后者由于高的電場強(qiáng)度，很容易發(fā)生雪崩擊穿，因而降低了擊傾斜度大而使電場強(qiáng)度比前者高，因而更易擊穿。穿電壓。注人劑量較低時(shí)漂移區(qū)的等壓線分布如圖6所開啟態(tài)的擊穿電壓- - 直低于關(guān)閉態(tài)的原因?qū)⒃诤竺嬗懯?，靠近漏區(qū)的等壓線密度特別高，因而電場強(qiáng)度也論。漂移區(qū)結(jié)深小于10μ m時(shí)，隨著結(jié)深的增加，非常高。隨著漏端反向電壓的升高，擊穿發(fā)生在漏區(qū)漂移區(qū)的電阻幾乎呈線性減小，但當(dāng)結(jié)深大于10μ m左端Si-SiO2界面處。注人劑量較高時(shí)，漂移區(qū)濃度時(shí)，漂移區(qū)電阻幾乎沒有變化。因此，漂移區(qū)結(jié)深大很高，漂移區(qū)不能完全耗盡，漏端所加的反向電壓分于10μ m沒有實(shí)際意義。布在很短的空間電荷區(qū)，等壓線密集，電場強(qiáng)度很高，如圖7所示，電場峰值在場極板末端處，因而擊穿也最先發(fā)生在此處。當(dāng)注人劑量適當(dāng)時(shí)，漂移區(qū)濃度正220好使其本身耗盡到漏區(qū)邊緣,電壓均勻地分布在整個(gè)甲200-漂移區(qū)，如圖8所示，此時(shí)的擊穿電壓最高，也就是圖5中實(shí)線的峰值。同樣道理，開啟態(tài)的擊穿電壓也一關(guān)態(tài)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。但是由于開啟態(tài)的柵與漏----開態(tài)同電位，而漂移區(qū)離漏越遠(yuǎn)的地方電位越高于場極板，160-這使漂移區(qū)靠近Si-SiO,界面電荷積累，由于電荷守漂移區(qū)結(jié)深/μm .恒,靠近結(jié)邊緣處電荷減少,相當(dāng)于漂移區(qū)濃度降低,圖3擊穿電壓隨漂移區(qū)結(jié)深變 化曲線因而開啟態(tài)的擊穿電壓變化曲線要比關(guān)閉態(tài)的變化曲線向右平移。一個(gè)MOS管的擊穿電壓是指它的開啟態(tài)實(shí)線為深結(jié)I虛線為淺結(jié)」和關(guān)閉態(tài)的耐壓都要達(dá)到某一個(gè)值，因此對于柵場板LDMOSFET漂移區(qū)濃度的優(yōu)化就是要找出開啟態(tài)和關(guān)二氧化硅閉態(tài)都能夠達(dá)到的耐壓的最高值，即圖5中的A點(diǎn)。40廠-開200-180圖4不同漂移區(qū)結(jié)深場板 末端等壓線比較中國煤化工3.1.3漂移區(qū)濃度N外延高低壓兼容工藝中，漂移區(qū)與外延之間不HCNMHG_ ，再是突變結(jié)，而是緩變結(jié)，這更給問題的分析帶來注人劑量/10"cm3了困難。模擬中，取外延層濃度8x1014cm-,溝道圖5擊穿電壓隨漂移區(qū)注人劑量的變化曲線-25-第7卷第1期電子‘與封裝Vs=0VVg=0VVd= -200V的場極板端點(diǎn)正下方。關(guān)閉態(tài)柵接零電勢，漏端接高壓，在漂移區(qū)濃度理想的情況下，電壓均勻分布在漂移區(qū),場極板端點(diǎn)與其下面的漂移區(qū)必然存在較大壓差，因而電場強(qiáng)度比較大?？梢钥闯鰷系老碌碾妶鯬N結(jié)峰值遠(yuǎn)小于漂移區(qū)峰值。因此，溝道不會(huì)先于漂移區(qū)一.柜盡界面擊穿。因此防止關(guān)閉態(tài)的漂移區(qū)擊穿要降低因場極板尖端引起的峰值電場。Vuu=0V(少峰值1.05.010.0一 15.025.0目4峰值2距離/μ m圖6注人劑量較低時(shí) 漂移區(qū)等壓線分布(圖中環(huán)形第2實(shí)線為等壓線，兩條等壓線之間壓差為10V )V's=0V0~距離/μm圖9關(guān)閉態(tài)Si-SiO2界面電場分布如果將柵場極板去掉，重新畫上圖，會(huì)發(fā)現(xiàn)漂移區(qū)的電場的形狀是- -個(gè)U形曲線，中間低兩邊高,顯然把場極板尖端放在此U形曲線的中間可以最大限k Vew=OV度地降低場極板尖端峰值電場帶來的影響。0.010.15.03.2.2開啟 態(tài)開啟態(tài)Si-SiO2界面電場分布如圖10所示?？梢詧D7注入劑量較高時(shí)漂移區(qū) 等壓線分布(圖中環(huán)形看出整個(gè)表面電場由兩個(gè)U形曲線連接而成，第-一個(gè)U形曲線在溝道區(qū)，第二個(gè)U形曲線在漂移區(qū)。第Vg=OV二個(gè)U形曲線是由漂移區(qū)兩邊的兩個(gè)結(jié)形成，此U形曲線的兩個(gè)峰值電場的大小由漂移區(qū)濃度決定，最佳8F的漂移區(qū)濃度使兩峰值的大小相同。22(9 -峰值2峰值3、客峰值1安;2上耗盡界面2 Vau=OV喝10.10.015.0 25.0#圖8注人劑量合 適時(shí)漂移區(qū)等壓線分布(圖中環(huán)形010 1s20距離(μm圖10開啟態(tài)Si-SiO2界面電場分布圖3.2溝道區(qū)參數(shù)的模擬優(yōu)化3.2.1關(guān)閉 態(tài)中國煤化工:區(qū)的p-，右邊源區(qū)圖9所示的是關(guān)閉態(tài)沿Si-SiO2界面電場分布圖,的PMHCNMHGt,溝道表面-定范可以看出圖中存在兩個(gè)峰值,第-個(gè)峰值在溝道左端，圍內(nèi)為空間電荷區(qū)， 此空間電荷區(qū)可以看成p+n結(jié)與溝道與漂移區(qū)形成的p-n結(jié)處;第二個(gè)峰值在漂移區(qū)np-結(jié)的耗盡電荷交匯形成。pn 結(jié)由于耗盡形成的空.26-第7卷第1期肖金玉:高壓PLDMOS器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)間電荷區(qū)，結(jié)處的場強(qiáng)最高，向兩邊逐漸變小。因此，溝道兩側(cè)p+n、p-n的結(jié)處形成兩個(gè)峰值電場，然后向中間逐漸變小，從而形成如圖10所示的第一個(gè)U型電場線。根據(jù)大量的模擬比較可以得到兩個(gè)基本的設(shè)計(jì)原則:(1)在保證器件面積的前提下拉長溝道長度,使n阱與P阱兩次擴(kuò)散窗口的距離加大。長的溝道長度使電壓分布在較長的范圍，從而降低第二個(gè)峰值電場。n阱與p阱兩次擴(kuò)散窗口的距離加大，降低了op-圖11場極 板過短時(shí)電壓線分布情況結(jié)處的雜質(zhì)濃度，使此處的遷移率變大，電阻變小。(2)在保證溝道不穿通的前提下使n阱濃度盡量小。降低n阱濃度，有利于降低第一個(gè)峰值電場，從而提高器件可靠性。根據(jù)這兩個(gè)原則最終確定出溝道長度為6 μ m,高壓n阱的注人劑量為8x101'.cm^23.3場極板參 數(shù)的模擬優(yōu)化場極板是終端結(jié)構(gòu)中最常用的手段之- -，它對表面電場具有較強(qiáng)的抑制作用，同時(shí)場極板的邊緣也是擊穿的一個(gè)影響因素。圖12 場極板過長時(shí)電壓線分布情況漏端加高電壓時(shí)，RESURF LDMOS的漂移區(qū)需要完全耗盡，關(guān)閉態(tài)有了場極板的作用，漂移區(qū)更加容易耗盡,因而漂移區(qū)的濃度可以比沒有場極板時(shí)大,高的漂移區(qū)摻雜濃度降低了導(dǎo)通電阻。開啟態(tài)，PLDMOS柵電壓與漏電壓相同，場極板的高壓使得漂移區(qū)表面積累，使漂移區(qū)的電阻降低，因而開態(tài)的飽和電流比較大。場極板較短時(shí)漂移區(qū)耗盡及等壓線分布情況如圖11所示。漂移區(qū)在某一固定濃度下，由于場極板較短，漂移區(qū)不能完全耗盡，較高的電壓分布在較短的圖13場極板優(yōu)化后電壓線分 布情況空間電荷區(qū)上，導(dǎo)致了較高的pn結(jié)峰值電場，更嚴(yán)重的是場極板的尖端產(chǎn)生的峰值疊加在pn結(jié)的峰值電場4高壓PLDMOS器件的最終結(jié)果上，使器件很容易失效(圖11所示)。如果場極板過長，漂移區(qū)比較容易耗盡，濃度可以做得比較高，降高壓PLDMOS器件各個(gè)參數(shù)之間相互影響，很低漂移區(qū)導(dǎo)通電阻,從而使整個(gè)器件的導(dǎo)通電阻降低,難找出精確的全局最優(yōu)解，因此只能采用迭代模擬方但此時(shí)卻把場極板尖端引起的峰值電場引到了漏端,法搜索出一個(gè)能夠滿足設(shè)計(jì)要求的次優(yōu)解。首先將器在溧移區(qū)的模擬中提到漂移區(qū)完全耗盡時(shí)漏端有一個(gè)件各個(gè)參數(shù)賦值(可以通過建模等方法得到),稱峰值電場，這兩個(gè)峰值電場疊加，漏端的電場很容易之為 初始集合，然后每次固定初始集合中的其他變超過臨界擊穿電場,如圖12所示，靠近漏端的等壓線量，優(yōu)化其中一個(gè)戀量，找出此變量的最優(yōu)值后,異常密集。圖13是優(yōu)化過場極板的器件等壓線分布將此中國煤化工然后再繼續(xù)優(yōu)化其他圖，場極板的端點(diǎn)大約在漂移區(qū)的中心位置即場極板的變: YHCNMHG滿足設(shè)計(jì)要求的器件長度為6μ m,從圖13中可以看出漂移等壓線分布非參數(shù)。最后得到器件各個(gè)參數(shù)如下:常均勻，器件可以承受很高的反向電壓?！衿茀^(qū)長度12 μ m;注人劑量4x1012.cm2;-27-第7卷第1期電子與封裝1200°C下推阱200min，最后的結(jié)深為6.8μ m;壓的影響，最終得到一組最佳的PLDMOS器件的參●溝道長度6μ m;溝道注人劑量4x1012.cm2;數(shù),通過流片試驗(yàn),得到優(yōu)化設(shè)計(jì)的PLDMOS器件的1150°C下推阱50min，最后結(jié)深2.4 μ m;關(guān)態(tài)和開態(tài)擊穿電壓分別在200V和160V以上，所設(shè)●柵氧厚度400nm;計(jì)的高壓PLDMOS的工藝與標(biāo)準(zhǔn)低壓CMOS工藝流程●場極板長度6 μ m。完全兼容,因此本文設(shè)計(jì)的高壓PLDMOS器件可以應(yīng)根據(jù)以上最終的模擬結(jié)果，將PLDMOS器件進(jìn)行用于高壓集成電路中。流片試驗(yàn)，其流片測試結(jié)果如圖14和圖15,圖14和圖15分別為器件關(guān)態(tài)擊穿曲線、I-V曲線測試結(jié)果。由參考文獻(xiàn):圖14可以看出，關(guān)閉態(tài)擊穿電壓大于200V。當(dāng)柵壓[1 ] Jongdae Kim, Tae Moon Roh, Sang-Gi Kim, et al. High-較低時(shí),熱效應(yīng)不明顯，半導(dǎo)體電阻變化不大，器件體Voltage Power Integrated Circuit Technology Using SOI現(xiàn)出正常的I-V曲線特性，隨著柵壓的升高，器件熱for Driving Plasma Display Panels[J] IEEE Transactions效應(yīng)逐漸明顯，半導(dǎo)體電阻升高，因而正常的I-V曲on Electron Devices, 2001, 48(6): 1 256-1 262.線下翹，如圖15 所示，當(dāng)柵壓超過100V時(shí)，曲線開[2] M. R. Lee, Oh-Kyong Kwon, s. S. Lee, et al. SOI High始呈現(xiàn)負(fù)阻特性。柵壓為170V時(shí)，負(fù)阻特性異常明顯。Voltage Integrated Circuit Technology for Plasma Display-1.50x 10*Panel Drivers[A]. Power Semiconductor Devices & ICs,-1.40x 10*ISPSD '99. Proceedings of the 11小International-1.30x10*twAMSymposium, 199: 285-288.禁.1.20x10*[ 3 ] Kenya Kobayashi, Hiroshi Yanagigawa, Kazuhisa Mori,強(qiáng)1.10x 10*et al. High Voltage SOI CMOS IC Technology for DrivingPlasma Display Panels[A]. Proceding of 10 International-1.00x 10*Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs,-.00ISPSD *98, 1998: 141-144.[4] C. B. Goud, K. N. Bhat. Effect of Lateral Curvature on輸出電壓/Nthe Breakdown Voltage of Planar Dides[]. 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