導(dǎo)讀
準(zhǔn)分子激光具有波長短、能量大等特點(diǎn)，在集成電路光刻、材料加工、醫(yī)學(xué)、科研等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。與國外先進(jìn)水平相比，我國高端準(zhǔn)分子激光技術(shù)仍存在較大差距。本文首先簡要介紹了準(zhǔn)分子激光的特點(diǎn)和發(fā)展歷史，然后分析了國內(nèi)外準(zhǔn)分子激光技術(shù)及相關(guān)典型應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀及需求，之后提出了我國準(zhǔn)分子激光技術(shù)發(fā)展的主要問題。最后，針對(duì)相關(guān)問題及需求，建議未來重點(diǎn)在基礎(chǔ)共性技術(shù)研究（高性能高端深紫外波段元器件設(shè)計(jì)、制備與性能表征研究，放電動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)理論及驗(yàn)證研究等）、長脈沖、高重頻、大能量/ 功率技術(shù)、新興或潛在應(yīng)用領(lǐng)域及衍生技術(shù)等研究方面繼續(xù)加大加深研究力度，為我國準(zhǔn)分子激光的自主可控發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
1前言
準(zhǔn)分子是一種在激發(fā)態(tài)結(jié)合而基態(tài)離解的受激二聚體。準(zhǔn)分子激光的躍遷發(fā)生在束縛的激發(fā)態(tài)到排斥的基態(tài)，屬于束縛 – 自由躍遷 [1]。其特點(diǎn)是基態(tài)不穩(wěn)定，一般在振動(dòng)弛豫時(shí)間內(nèi)便分解為自由粒子，而其激發(fā)態(tài)以結(jié)合的形式出現(xiàn)并相對(duì)穩(wěn)定，以輻射的形式衰減，因而準(zhǔn)分子激光具有高增益的特點(diǎn) [2]。準(zhǔn)分子激光器是紫外波段大能量激光光源，是一種輻射脈寬為幾十納秒的紫外氣體激光器。由于具有光子能量高、波長短、空間相干性低（不易產(chǎn)生干涉條紋）等一系列優(yōu)勢(shì)，準(zhǔn)分子激光是目前最有效、適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的深紫外光源，在集成電路光刻、醫(yī)療、材料加工、科研等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
早在 1960 年，Houtermaus 就提出了以準(zhǔn)分子為工作介質(zhì)實(shí)現(xiàn)激光振蕩的建議。1970 年，Basov 等首次采用強(qiáng)流電子束激發(fā)液態(tài)氙氣二聚體得到Xe2 準(zhǔn)分子激光輸出，激光波長為 172 nm [3]。此后 50 年來，準(zhǔn)分子激光技術(shù)得到了迅速發(fā)展，先后 實(shí) 現(xiàn) 了 Kr2 （145.7 nm）、Ar2 （126.1 nm）、XeO（235 nm）、KrO（180 nm）、ArO（150 nm）、XeBr（282 nm）、XeF（351 nm）、KrF（248 nm）、ArF（193 nm）、XeCl（308 nm）、KrCl（222 nm）、ArCl（175 nm）等激光輻射 [4]。特別地，以預(yù)電離放電泵浦 ArF（193 nm）、KrF（248 nm）、XeCl（308 nm）為代表的稀有氣體鹵化物準(zhǔn)分子激光的各項(xiàng)技術(shù)得到迅猛發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)分子激光的商業(yè)化并廣泛應(yīng)用于科研、工業(yè)、醫(yī)療等相關(guān)領(lǐng)域 [5]。20 世紀(jì) 90 年代，隨著準(zhǔn)分子激光引入半導(dǎo)體光刻生產(chǎn)領(lǐng)域，大量準(zhǔn)分子激光進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)線，極大地推動(dòng)了高重頻、窄線寬、長壽命、高穩(wěn)定性準(zhǔn)分子激光技術(shù)的發(fā)展。與此同時(shí)，其他微結(jié)構(gòu)加工和材料處理等工業(yè)應(yīng)用，諸如液晶平板退火、微細(xì)結(jié)構(gòu)加工和表面處理等也促進(jìn)了大功率準(zhǔn)分子激光技術(shù)的蓬勃發(fā)展。
在大規(guī)模集成電路生產(chǎn)領(lǐng)域，光刻機(jī)一直是超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)中最關(guān)鍵的設(shè)備，而高性能的準(zhǔn)分子激光光源是光刻機(jī)的核心部件之一，是實(shí)現(xiàn)高水平光刻的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是限制我國集成電路發(fā)展的關(guān)鍵部件之一，更是推動(dòng)光刻技術(shù)發(fā)展的“源”動(dòng)力 [6]。目前國際上僅有美國 Cymer 公司（現(xiàn)已被荷蘭阿斯麥爾（ASML）公司收購）與日本Gigaphoton 公司兩大光刻光源制造商，它們對(duì)我國進(jìn)行技術(shù)封鎖，嚴(yán)重限制了我國集成電路制造裝備的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)壁壘亟待攻克。
在材料加工領(lǐng)域，復(fù)合材料、陶瓷、金屬、納米材料等新興或升級(jí)材料的出現(xiàn)，對(duì)加工質(zhì)量本身提出了更高的要求。為了完全滿足市場對(duì)性能與良率的需求，急需進(jìn)一步提高加工可控性，避免或減少熱影響區(qū)、次表面損傷等加工缺陷。準(zhǔn)分子激光由于具有熱影響小、空間分辨率高、效率高、無污染、不產(chǎn)生次表面破壞層等特點(diǎn) [7]，同時(shí)大多數(shù)材料對(duì)紫外激光具有很高的吸收率 [8,9]，成為相關(guān)材料加工領(lǐng)域的理想光源之一。
2國內(nèi)外準(zhǔn)分子激光技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及需求分析
（一）國外發(fā)展現(xiàn)狀及需求分析
對(duì)于準(zhǔn)分子激光器，國外有比較成熟的商用產(chǎn)品，主要生產(chǎn)廠家有：美國的 Coherent 公司（包含收購的 Lambda Physik 和 Tui Laser）、GAM Laser 公司，日本的 Gigaphoton 公司，荷蘭的 ASML 公司（Cymer）和加拿大的 Lumonics 公司等。從目前準(zhǔn)分子激光器生產(chǎn)商的相關(guān)產(chǎn)品可以看出，準(zhǔn)分子激光光源發(fā)展需求主要分為兩類：針對(duì)光刻需求——高重頻，同時(shí)要求極窄的光譜及極高的穩(wěn)定性；針對(duì)工業(yè)加工需求——大單脈沖能量，高平均功率。
針對(duì)光刻應(yīng)用需求，國際上主要有荷蘭 ASML 公司（Cymer）和日本 Gigaphoton 公司提供相應(yīng)的準(zhǔn)分子激光產(chǎn)品，相應(yīng)功率從 10~100 W、光譜線寬從 0.5~0.1 pm、重復(fù)頻率從 2~6 kHz。高重復(fù)頻率可以提高加工產(chǎn)率，窄線寬可以保證芯片圖案的精細(xì)度，減小系統(tǒng)中色差影響，因此，高重頻和窄線寬是光刻用準(zhǔn)分子激光光源發(fā)展不斷追求的指標(biāo)。表 1 為 ASML 公司（Cymer）ArF 準(zhǔn)分子激光產(chǎn)品的發(fā)展歷程。
針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)及科研應(yīng)用需求，主要有美國的Coherent 公司提供相應(yīng)的準(zhǔn)分子激光光源。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：聚合物標(biāo)記等打標(biāo)應(yīng)用、光纖光柵刻寫等材料加工、燃燒診斷等測量應(yīng)用、激光退火等表面處理、近視矯正等醫(yī)療應(yīng)用。工業(yè)及科研用準(zhǔn)分子激光器一般要求具有較高的穩(wěn)定性和光斑均勻性。以制造平板顯示器（FPD）的激光退火工序應(yīng)用為例，其使用的準(zhǔn)分子激光能量穩(wěn)定性一般要求小于 2%。
在材料加工與表面處理方面，Insung 等 [10] 使用激光誘導(dǎo)單晶碳化硅的固態(tài)相位分離，實(shí)現(xiàn)了多層石墨烯的制備；日本京都大學(xué)研究者利用 KrF 準(zhǔn)分子激光實(shí)現(xiàn)了側(cè)壁粗糙度的降低，提高了波導(dǎo)的通光性能并提升了抗拉強(qiáng)度，熱影響小、修復(fù)力強(qiáng)、質(zhì)量高 [11]；日本 Kobayashi 等 [12] 利用 193 nm 激光加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP），加工熱影響區(qū)在目前報(bào)道中屬于較高水平。由于對(duì)復(fù)合材料疲勞強(qiáng)度影響最小，具有綜合最優(yōu)的加工質(zhì)量及加工效率，美國 Coherent 公司、日本 Gigaphoton 公司 [13,14] 都將 CFRP 加工作為準(zhǔn)分子激光器的重要應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)光源、材料加工技術(shù)的研究。此類應(yīng)用對(duì)光源穩(wěn)定性、光斑均勻性以及定位精度等都提出了越來越高的要求。
（二）我國發(fā)展現(xiàn)狀及需求分析
我國準(zhǔn)分子激光技術(shù)的研究工作開始于 20 世紀(jì) 70 年代 [15]，主要研究單位包括中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所、長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、天津大學(xué)等，其研究主要集中在 XeCl 和 KrF 準(zhǔn)分子激光器。20 世紀(jì) 90 年代之后，我國科研型準(zhǔn)分子激光向?qū)嵱没较虬l(fā)展，上海光學(xué)精密機(jī)構(gòu)研究所和安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所開發(fā)了一些激光器產(chǎn)品，并出口到國外。
從 2009 年起，在國家科技重大專項(xiàng)（02 專項(xiàng)）的支持下，我國準(zhǔn)分子激光技術(shù)獲得迅速發(fā)展，中國科學(xué)院光電研究院、上海光學(xué)精密機(jī)構(gòu)研究所、長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、光電技術(shù)研究所、上海微電子裝備有限公司、華中科技大學(xué)等單位參與了相關(guān)項(xiàng)目研發(fā)工作。目前，已攻克了一系列高性能準(zhǔn)分子激光核心關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高重頻（kHz）、大能量（mJ 級(jí)）、窄線寬（亞 pm）準(zhǔn)分子激光的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，研發(fā)出第一代光刻用準(zhǔn)分子系統(tǒng)原理樣機(jī)，目前正在進(jìn)行技術(shù)提升和面向產(chǎn)品的開發(fā)，并初步建立了我國自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系。圖 1 為目前統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)分子激光技術(shù)國內(nèi)發(fā)明專利申請(qǐng)量與國外來華發(fā)明專利申請(qǐng)量對(duì)比�？梢姡� 2009 年之前，國內(nèi)申請(qǐng)和國外來華申請(qǐng)量僅分別為 7 項(xiàng)和 3 項(xiàng)；在 2009 年之后，截至 2018 年 3 月，相關(guān)數(shù)據(jù)已分別激增至 203 項(xiàng)和106 項(xiàng)。國內(nèi)準(zhǔn)分子激光技術(shù)戰(zhàn)略布局如圖 2 所示，主要分布在放電腔設(shè)計(jì)、流場設(shè)計(jì)、準(zhǔn)分子激光電源設(shè)計(jì)、電極設(shè)計(jì)、光譜控制、光學(xué)元件設(shè)計(jì)、預(yù)電離設(shè)計(jì)等方面。
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我國準(zhǔn)分子激光技術(shù)發(fā)展問題分析
（一）高性能紫外激光器用高端元器件短缺
高性能的紫外激光光源對(duì)所使用的高端元器件提出了越來越高的要求。以光學(xué)元件及薄膜元件為例，在國家重大專項(xiàng)的資助下，國內(nèi)制備的紫外光學(xué)元件及薄膜元件的性能有了長足的進(jìn)步，所制備的光學(xué)薄膜元件已可以較好地滿足光學(xué)和光譜性能方面的要求，在抗激光輻照損傷抑制和提高使用壽命方面，也取得了顯著進(jìn)展。然而，前期的大量研究結(jié)果也顯示目前國內(nèi)的光學(xué)元件及薄膜元件的綜合性能與高性能紫外激光器的實(shí)際和潛在要求之間還存在一定的差距，面向超高性能紫外激光器的應(yīng)用需求，光學(xué)元件及薄膜元件的長期抗激光輻照損傷能力還有待進(jìn)一步提高。造成這種差距的原因主要包括：首先，光學(xué)元件涉及材料生長、表面加工及應(yīng)用等多個(gè)環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)都存在多種影響抗激光輻照性能的因素，導(dǎo)致對(duì)其具體影響機(jī)理及規(guī)律的研究難度很大；其次，國內(nèi)在高端光學(xué)元件材料及加工方面的前期基礎(chǔ)薄弱，也對(duì)后續(xù)的光學(xué)鍍膜工作及長期應(yīng)用評(píng)價(jià)工作造成障礙；最后，到目前為止，國內(nèi)還沒有形成對(duì)高性能紫外激光器光學(xué)元件及薄膜元件的綜合檢測和評(píng)價(jià)的有效技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，使得對(duì)光學(xué)元件的材料、加工、鍍膜及應(yīng)用等環(huán)節(jié)中各影響因素的優(yōu)化工作不能高效開展。
（二）基礎(chǔ)性研究薄弱
目前我國在準(zhǔn)分子激光研究方面主要是參照國外成熟產(chǎn)品，主要集中在依靠實(shí)驗(yàn)手段解決工程技術(shù)問題，基礎(chǔ)性技術(shù)積累相對(duì)薄弱。
以放電動(dòng)力學(xué)為例，準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程是高壓氣體放電等離子體激發(fā)光輻射過程，對(duì)放電過程特性的研究是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心和根源。放電過程特性的準(zhǔn)確分析，對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化改善都將具有極其重要的作用。通過仿真，研究準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)的放電動(dòng)力學(xué)特性，實(shí)時(shí)預(yù)測工作氣體的成分變化，深化理解從工作氣體電離到激光輻射的物理過程，明確關(guān)鍵因素，可對(duì)準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性優(yōu)化提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)，提高系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的準(zhǔn)確性和可靠性。目前，我國在放電動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)性研究方面處于剛剛起步狀態(tài)，難以指導(dǎo)新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)。
（三）高端準(zhǔn)分子激光技術(shù)與國外領(lǐng)先水平尚存在較大差距
在超大規(guī)模集成電路光刻和超精細(xì)加工等當(dāng)前應(yīng)用及未來潛在應(yīng)用中，要求紫外激光的輸出指標(biāo)越來越苛刻，主要包括：要求紫外激光的輸出脈沖能量、功率和光譜性能指標(biāo)越來越高，同時(shí)要求其輸出脈沖能量和光譜性能具有極高的穩(wěn)定性與可控變化特性。
目前，我國雖然在準(zhǔn)分子激光技術(shù)及研發(fā)方面取得了一系列突破性進(jìn)展，但和國外領(lǐng)先水平相比，尚存在著較大的差距，造成這種差距的原因主要包括：國內(nèi)基礎(chǔ)薄弱，人才隊(duì)伍（特別是高端領(lǐng)軍人才）短缺，技術(shù)及產(chǎn)品落后。
4我國準(zhǔn)分子激光技術(shù)未來發(fā)展方向建議
在國家科技重大專項(xiàng)的支持下，我國準(zhǔn)分子激光技術(shù)獲得了迅速發(fā)展，攻克了一系列高性能準(zhǔn)分子激光核心關(guān)鍵技術(shù)。然而，和國外領(lǐng)先水平相比，尚存在著較大的差距，仍需國家層面的大力支持。
針對(duì)于當(dāng)前我國準(zhǔn)分子激光技術(shù)發(fā)展過程中的問題以及相關(guān)技術(shù)短板及需求，建議未來重點(diǎn)發(fā)展方向主要包括以下幾點(diǎn)。
（一）基礎(chǔ)共性技術(shù)研究
1. 高性能準(zhǔn)分子激光器用高端元器件設(shè)計(jì)、制備與性能表征研究
以光學(xué)元件及光學(xué)薄膜的制備及其長期性能穩(wěn)定性測試與評(píng)價(jià)為例，在準(zhǔn)分子激光光學(xué)系統(tǒng)中，由于紫外激光單光子能量高，高能光子與物質(zhì)相互作用導(dǎo)致光學(xué)元件更易產(chǎn)生激光損壞和性能退化，極大影響紫外激光光學(xué)系統(tǒng)的通光能力、性能、穩(wěn)定性和壽命。因此，高性能光學(xué)元件及光學(xué)薄膜的制備極其重要，需要開展材料嚴(yán)格篩選、光學(xué)表面超精密加工工藝優(yōu)化、高性能薄膜制備工藝優(yōu)化，以及應(yīng)用環(huán)境對(duì)抗輻照性能影響評(píng)價(jià)等一系列工作。
另外，當(dāng)前針對(duì)紫外激光器光學(xué)元件及薄膜元件的性能評(píng)價(jià)還主要依賴于一些較常規(guī)的技術(shù)和手段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足高性能光學(xué)元件及薄膜元件制備的需要。因此，有必要在現(xiàn)有測試和評(píng)價(jià)技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)紫外激光器光學(xué)元件及薄膜元件抗激光輻射能力和長期性能穩(wěn)定性的要求，完善建立基于激光損傷閾值組合測試的短期評(píng)價(jià)方法和基于低能激光輻照組合的長期評(píng)價(jià)方法相結(jié)合的高效系統(tǒng)性評(píng)價(jià)方案，以此作為高性能 CaF2 等光學(xué)材料篩選、光學(xué)表面超精密加工工藝優(yōu)化、高性能薄膜制備工藝優(yōu)化、以及應(yīng)用環(huán)境影響研究開展所需的新的技術(shù)支撐。
2. 基礎(chǔ)性理論及驗(yàn)證研究
從基礎(chǔ)理論模擬仿真、基礎(chǔ)原材料特性、基礎(chǔ)元器件性能特性分析等方面，加強(qiáng)基礎(chǔ)性研究以及驗(yàn)證工作。以放電動(dòng)力學(xué)為例，對(duì)放電動(dòng)力學(xué)特性研究主要考察研究準(zhǔn)分子激光器高壓氣體放電等離子體激發(fā)光輻射過程，其中涉及氣體混合配比情況、腔內(nèi)氣體壓力情況、主電極的設(shè)計(jì)、預(yù)電離電極的設(shè)計(jì)、放電電極間距、放電電壓情況、電極預(yù)電離機(jī)制結(jié)構(gòu)等多方面的內(nèi)容，進(jìn)行的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而可以有效輔助新技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)，提高新產(chǎn)品開發(fā)效率，節(jié)約開發(fā)成本。
（二）長脈沖、高重頻、大能量 / 功率技術(shù)研究
紫外激光由于波長短，單光子能量大，在加工等領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也帶來光學(xué)元件易受到損傷等難題，增加激光脈寬可以有效地解決這一問題。面向應(yīng)用需求，長脈沖紫外激光技術(shù)是重要研究方向之一，但常規(guī)激光器脈寬受限于激光上能級(jí)壽命、泵浦電源等因素，更寬的激光脈寬較難實(shí)現(xiàn)。
激光重頻直接影響加工產(chǎn)率，二者呈正比例關(guān)系。目前國際上光刻用準(zhǔn)分子激光光源最高重頻是6 kHz，若要在其他條件相同的情況下繼續(xù)提高加工產(chǎn)率，勢(shì)必要繼續(xù)提高激光重頻，而為了提升激光重頻，必須解決泵浦電源、光學(xué)材料、驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、流場、激波、散熱等一系列問題。針對(duì)應(yīng)用的前瞻需求，有必要開展更高重頻激光光源研究，從而實(shí)現(xiàn)我國在這一技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，為更高性能激光光源的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。
在智能手機(jī)、平板顯示器等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的新型顯示器，包括有源矩陣液晶顯示器（AMLCD）和有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管（AMOLED）顯示器等是下一代電子產(chǎn)品的核心之一，廣泛應(yīng)用于日常電子消費(fèi)類產(chǎn)品和不同工業(yè)領(lǐng)域，具有巨大的市場價(jià)值，是國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的重要領(lǐng)域。其中，低溫多晶硅（LTPS）的制備是最關(guān)鍵的加工工藝之一，而準(zhǔn)分子激光退火已經(jīng)成為當(dāng)下屏制造中制備有效的多晶硅層的首選方法。該光源一般要求單脈沖能量至少數(shù)百毫焦，因此，有必要開展大能量 /功率技術(shù)研究，這將為我國在該領(lǐng)域開發(fā)具有核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的裝備奠定基礎(chǔ)。
（三）新興或潛在應(yīng)用領(lǐng)域及衍生技術(shù)研究
在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)光電對(duì)抗、高精度光學(xué)系統(tǒng)檢測等應(yīng)用，開展電磁干擾、輻射標(biāo)定、綜合參數(shù)診斷、光譜調(diào)諧控制等進(jìn)行技術(shù)輻射轉(zhuǎn)移。
針對(duì)新興或潛在的應(yīng)用需求，如微加工制造（包括：多層石墨烯材料的制備；CFRP 等復(fù)合材料的切割、微孔、表面羥基化；SiC 等脆硬陶瓷材料的拋光、改性；納米材料的誘導(dǎo)晶化、沉積；生物材料的選擇性切斷、微流控芯片等器件的微加工等）、高精度 / 性能元器件表面處理等應(yīng)用領(lǐng)域，有針對(duì)地開展相適應(yīng)的準(zhǔn)分子激光技術(shù)及相關(guān)性能優(yōu)化研究，為最終帶動(dòng)新的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn) （省略）
本文來自：我國準(zhǔn)分子激光技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)研究，中國工程科學(xué)
范元媛1，周翊1，郭馨1，王倩1，金春水2，樓祺洪3
1. 中國科學(xué)院微電子研究所，北京100029；
2. 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033；
3. 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海201800
來源：中國工程科學(xué)
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