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<자막원문>

  • 진행 이수환 디일렉 전문기자
  • 출연 이준호 공주대학교 광공학과 교수

한: 오늘 공주대학교 이준호 교수님 모셨습니다. 안녕하십니까.

이: 안녕하십니까.

한: 교수님은 전공 분야가 광학 쪽입니까?

이: 광공학이라고 표현하면 되겠습니다.

한: 광공학이시면 그쪽 전공을 하셨고. 원래 처음에 시작하셨던 기술이라고 해야 될까요?

이: 굳이 설명하자고 그러면 일반인분들이 아실만한 내용으로는 ‘우리별’ 인공위성. 그 당시에 작고하신 최순달 박사님이 “인공위성을 국산화를 해야 된다”라고 해서 관련 유학생을 영국으로 파견을 했었습니다. 저도 그중에 한 사람이었고. 제가 맡은 게 지구 관체 탑재체를 국산화하기 위해서는 광학 설계를 확보해야 된다. 그래서 제가 맡은 게 광학 설계를 맡았고. 이후에 귀국해서 공주대학교로 가기 전까지 카이스트 인공위성 연구센터에서 ‘우리별’이라든지 광학 위성, 그다음에 옆에서 또 하는 다목적 위성과 관련된 일을 했었습니다.

한: 인공위성은 저 위로 올라가서 사진을 찍는.

이: 그렇죠. 사진을 찍는다고 표현하시는 게 맞고요. 보통 광학계에는 기술적으로는 크게 두 가지로 분류하거든요. “결상 광학계냐 비 결상 광학계냐” 이렇게 표현하는데. 결상이라고 하는 게 쉽게 표현하면 사진을 찍는 광학계로 표현하고요. 보통의 경우에 고도 400~700km를 ‘저고도 위성’이라고 하는데. 지금처럼 사진을 찍는 광학계는 위성이 높게 많이 안 올라갑니다. 400~700km는 굉장히 멀어 보이지만 지구라고 하는 관점에서는 굉장히 낮은 고도이고요. 거기서 지구를 쳐다보게 되고. 기술적으로 설명하면 반도체를 검사하는 광학계랑 기술적 유사성이 상당히 높습니다.

한: 인공위성에서 사진을 찍는 게. 그게 제가 궁금한 것은 지금 인공위성은 미국이나 이런 나라에서 많이 우주로 날렸잖아요?

이: 많습니다.

한: 그냥 제가 궁금한 것은 정말로 미국에서 북한에 땅끝까지 다 볼 수 있습니까? 사람들이 움직이는 것까지 다 볼 수 있을 정도예요?

이: 네.

한: 볼 수 있어요?

이: 네.

한: 어느 정도까지 볼 수 있는 겁니까?

이: 그냥 공식적으로 알려진 숫자만 말씀을 드리면 ‘해상도’라고 보통 표현을 하거든요. 지상에 있는 물체를 점으로 표현했을 때. 그 점 하나 크기가 얼마겠냐라고 보통 많이 표현하는데요. 이 숫자가 알려진 공식적인 숫자가 7~10cm입니다.

한: 7~10cm요?

이: 네.

한: 그럼 제 지갑을 던져 놓은 것도 볼 수 있다는 얘기인 건가요?

이: 지갑이라고 하는 물건이 7cm보다는 크겠죠. 그럼에도 불구하고 지갑이다 아니다는 구분하진 못 하지만 “이게 뭔가가 있네?”라고 하는 걸 알 수 있고요. 거기다가 부가적인 정보를 얻을 수 있으면 그걸 ‘스펙트럼’이라고 그러는데요. 거기서 나오는 빛의 색깔이라든지 형태를 보면 “이게 지갑인지는 모르겠지만 가죽류가 아니겠느냐”라고 하는 정도는 추정할 수 있습니다.

한: 그정도는 추정할 수 있다. 근데 지금 사실 예전에는 땅굴도 많이 파고 했었던 것 같은데. 그런 것도 볼 수 있어요?

이: 기본적으로 광학이라고 하는 건 빛이 있어야 봅니다.

한: 그 밑에는 못 보는군요.

이: 보통의 경우 땅이라고 하는 건 빛이 관통하지 않기 때문에. 지표면까지만 관측하게 되고요. 지표면 아래는 들여다볼 수 없습니다.

한: 저희가 반도체 관련해서 ‘검사’라고 표현하는 게 맞죠. 검사 기술을 얘기하기 위해서 인공위성 얘기를 조금 드렸는데. 얼마 전에 논문을 하나 발표하셨어요. 유명한 학회에서. 그 논문이 영어로 제목이 되어 있는데. 한글로 저희가 말씀을 드리면 [3D 메모리 표면 하층부 결함 감지 및 분류를 위한 적외선 투과초점 스캐닝 광학 현미경 비교] 잘 말씀드린 건지 모르겠는데. SPIE(국제광공학회)라는 곳에서 발표를 하셨어요. 어떤 내용을 담고 있는 겁니까?

이: 일단 이렇게 설명을 먼저 드릴게요. 일단 이걸 이해하기 위해서는 ‘분해능’이라는 걸 제가 아까 설명을 드렸어요.

한: ‘분해능’

이: 아까 제가 질문하셨을 때 “지갑을 볼 수 있습니까?”라고 하셨잖아요? 그럼 이제 이렇게 표현합니다. “그러면 개미는 볼 수 있을까요?”

한: “개미는 볼 수 있을까?”

이: 질문을 던지는 겁니다.

한: 개미는 보기 힘들지 않습니까?

이: 그러면 개미는 볼 수 없다면 개는 볼 수 있을까요?

한: 개는 볼 수 있겠죠. 지갑보다는 크니까.

이: 이렇게 질문을 던지면 이게 펀더멘탈하게 광학으로 볼 수 있는 한계라는 게 존재합니다. “내가 아무리 용을 써도 그 이하는 볼 수 없다”라고 하는 걸 보통 ‘회절 한계’라고 표현하거든요. 빛이라고 하는 것 자체가 퍼지려고 하는 경향이 있어서 “네가 아무리 용을 써도 얼마 이하는 볼 수 없어”라고 하는 게 ‘회절 한계’고요. 반도체 검사에서도 똑같은 제한 조건이 걸립니다. 보통 우리가 불량(Defect)이라고 하는 거에 형태에 따라 다르지만 30나노, 50나노라고 하는 굉장한 작은 걸 보려면 질문을 던진 겁니다. “그걸 볼 수 있어” 볼 수 있어야지 얘기가 되지.

한: 있는지 없는지 알죠.

이: 이걸 얘기할 때 두 개의 펀더멘탈 한 조건이 걸리는데요. 하나는 파장이 굉장히 중요합니다. 파장이라고 그러면 잘 감이 안 오실 텐데요. 색깔. “빨주노초파남보”라고 하는 게 색깔이 광학에서는 단지 색깔만 다른 게 아니고요. 내가 빨간색으로 물체를 볼 때와 보라색으로 물체를 볼 때 내가 볼 수 있는 그 한계가 달라집니다. 그 보라색의 한계가 더 작아요. 그럼 보라색보다 더 작으면 이제 이게 자외선입니다. 자외선보다 더 작으면 DUV(Deep Ultraviolet)라고 해서 극자외선이 되는 거고요. 그거보다 더 작으면 EUV로 가는 겁니다.

한: DUV(Deep Ultraviolet), EUV(Extreme Ultraviolet).

이: 그래서 노광기도 EUV로 가지 않았습니까?

한: DUV에서 EUV로 가고 있죠.

이: 그것처럼 검사 광학계도 패턴이라고 하는 ‘씰’이라고 하는 디자인 룰이 있는데. 디자인 룰이 점점 작아지면 불량(Defect)이라고 판단하는 불량도 점점 작아지거든요.

한: 그렇겠네요.

이: 그럼 자연스럽게 검사장비라고 하는 장비에서 쓰던 빛도 점점 작아져 왔습니다.

한: 작아져야 된다.

이: 그렇죠. 그게 일반적인 트렌드였습니다.

한: 그게 그러니까 DUV에서 잡혔던 것이 EUV로 가면 못 본다는 건가요?

이: 그건 또 다른 얘기인데요. 이게 왜 그러냐면 ‘분해한다’라는 거하고 ‘검출한다’라고 하는 건 다른 얘기입니다. 예를 들면 이렇게 되는 겁니다. 아까 제가 지구 관측을 예로 들었는데. 지구 관측 카메라의 해상도가 10m다라고 그러면 10m면 도로라고 한다면 도로 한 폭 정도 되거든요. 그럼 나는 도로를 구분할 수는 있는데 도로에 있는 차는 안 보입니다.

한: 차는 안 보인다.

이: 그걸 갖다가 우리가 분해한다고 그러거든요. 근데 나는 분해는 못 하지만 차가 있는지 없는지는 알 수 있어요. 이걸 탐지라고 합니다. 탐지 할 수 있어요. 똑같습니다. 반도체에서도 불량(Defect)이라고 하는 걸 검사를 하는데요. 이것도 자세하게 들여다보는 프로세스를 뒤에서 ‘리뷰’라고 그래요. 어떤 놈이 불량이 어떻게 생겼고 형태가 뭐고 재질은 뭐고 어떻게 생긴 거라고 하는 건 뒷부분인 거고 애초에 뭐가 잘못 된 지를 잡아내야 되거든요. 탐지는 그거보다 분해능이 나빠도 가능합니다. 그래서 아직까지는 탐지를 하는 검사광학계는 EUV를 가지 않습니다. 다만 제가 말씀드리는 건 일반적인 MI(계측·검사)에서 말하는 걸 말씀드리는 거고. 지금 국내에서도 요구되고 전 세계적으로 요구되고 있는 건 EUV로 가게 되면 여전히 마스크가 있고 펠리클이 들어가거든요. 그럼 마스크에 있는 불량은 분해를 해야 됩니다.

한: 분해를 해야 된다.

이: 분해를 해야 되죠. 그래서 마스크용 검사장비에 대한 걸 어떻게 할 건가는 또 고민해야 되는 거고요.

한: 한참 여러 기업들이. 일본, 미국, 한국 기업도 개발 중인 것 같같고.

이: 그렇게 되면 거기는 그 파장대가 아래로 내려가는 걸 들여다 볼 겁니다.

한: 지금 3D 낸드플래시 같은 경우는 층층히 쌓아서 구멍을 확 뚫어가지고, 구멍을 여러 개를 뚫어가지고 적층을 하는 방식인데. 아까 제가 질문을 “지하 땅굴도 볼 수 있습니까? 인공위성에서”라고 이렇게 말씀을 드렸는데. 비슷한 방식이라고 한다면 그렇게 깊게 들어가는 것도 보기 힘든 거 아닙니까?

이: 질문이 굉장히 펀더멘탈하고 좋으신거거든요. 왜냐하면 제가 아까 자세히 들여다보려면 “파장이 작아져야됩니다”라고 그랬잖아요? 파장이 작아지면 무슨 현상이 생기냐면 웨이퍼가 여러 가지 재질이 있겠지만 실리콘 베이스를 보면 파장이 작아지면 거울처럼 작동합니다.

한: 반사가 됩니까?

이: 네. 빛이 밑으로 어쨌든 지나가야지 거기서 무슨 현상이 생기는지 들여다 볼 수 있는데. 표면에서 다 반사를 시켜버려요. 내부에서 어떤 일이 생기는지 들여다볼 길이 없습니다.

한: 그럼 지금까지는 3D 낸드플래시에 구멍을 뚫어 놓고 나서.

이: 잘라서 보면 됩니다.

한: 잘라서. 그렇게 못 볼 거 아닙니까. 보려면 보겠지만.

이: 잘라서 보거나 뒤에서 보거나 여러 가지 하다 보니까. 계속해서 자르지 않고 굉장히 빠른 속도로 그러나 아까도 말씀드렸듯이 내부에 있으면서. 그럼에도 불구하고 굉장히 작은 형태의 불량을 탐지할 수 있겠느냐. 이거는 아까 제가 말씀드렸듯이 기존에 알려진 기술로는 상충하는 조건이거든요. 왜냐? 작게 보려면 파장이 작아져야 되는데 그러면 웨이퍼가 거울처럼 작동하니까 빛이 안 들어가고.

한: 반사가 되버리니까.

이: 반대로 넘어가면 파장이 위로 쭉 가는데 파장이 위로 가는 게 근적외선이라고 표현하거든요.

한: 근적외선(NIR).

이: 그렇죠. 바깥으로 쭉 지나가면 실리콘이 반투명 물질로 바뀌는 것처럼 보입니다. 빛이 반사도 되지만 투과도 됩니다. 그러면 투과도 된다는 얘기는 그 안에서 무슨 일이 생기면 뭔가 빛의 시그널이 나오거든요. 근데 아까 말씀드렸듯이 이럴 때 펜더멘탈한 리커먼드가 또 생기는 데 파장 위로 올라가면 분해능이 나빠져요. 분해능이 나빠지면 내가 애초에 탐지해야 될 불량을 못 잡습니다. 그래서 이게 전통적인 기법이었습니다.

한: 그래서 논문 내용에 보면 다중초점광학현미경(TSOM). 이건 “티썸”이라고 읽습니까?

이: “티썸”이라고 부릅니다. 이런 기법을 활용하였다라고 기술을 하셨는데. 다중초점광학현미경(TSOM)이 뭐의 약자입니까?

이: TSOM(Through-focus Scanning Optical Microscopy)이라고 하는데. ‘T’라고 하는 게 ‘Through-focus’라고 하는 겁니다.

한: ‘Through-focus’

이: “Through-focus가 뭐야”라고 그러면 보통 현미경보다도 사진기라고 그러면 사람들이 “사진이 약간 뿌옇네?”

한: 초점이 안 맞아서.

이: 그렇죠. 초점이 안 맞았다는 말을 쓰고요. “초점이 맞았네?” 이건 직관적으로 다 와닿거든요. 인포커스(In-focus)라는 말을 씁니다. 전통적으로 반도체에서도 웨이퍼를 보거나 뭘 볼 때 포커스를 맞춰서 봅니다. 그렇죠. 당연하죠. 포커스가 맞아서 가장 샤프한 형태로 뭘 분석하려고 그러지. 블러링 되면 “누가 일부러 이렇게 망가트렸어”라고 혼나죠. 근데 다중초점광학현미경(TSOM)이라고 하는 것 자체의 아이디어는 뭐냐면 인포커스(In-focus)라고 하는 건 제가 아까 말씀드렸듯이 분해능이라는 게 존재한다. 그 이상의 정보는 용을 써도 안 나온다. 근데 일부러 얘를 살짝 블러링을 시키면 시그널이 서로 섞이거든요. 그러면 어딘가에, 미지의 땅입니다. “어딘가에 우리가 캘 수 있는 정보가 있지 않을까?”라고 하는 걸 다중초점광학현미경(TSOM)이라고 하는 아이디어를 2008년도에 미국에서 제안을 했어요.

한: 그게 초점이 맞은 것과 안 맞은 것 다 조합을 해본다는 얘기죠.

이: 조합한다는 얘기가 그전에 전통적으로는 초점이 맞은 데이터만 계속 프로세스를 했는데. 초점이 맞은 거에서부터 일부러. ‘마이너스 포커스’, ‘플러스 포커스’라는 말을 쓰는데요. 쭉 하고 영상을 지속적으로 찍은 다음에 그걸 우리가 데이터 큐브라고 그러는데. 3차원 데이터 큐브를 만들어 놓고 걔를 들여다보면 우리가 알지 못했던 정보를 얻지 않을까?

한: 안 보이던 불량(Defect)이 보이지 않을까.

이: 이게 말을 들어보면, 처음에 들어보면 그럴 것 같아요. 근데 또 뒤돌아서 보면 “저런 거짓말이 어딨어” “왜? 광학 카메라는 분해능이 있는데 분해능 이하의 정보를 얻을 수 있어? 과연?” 이런 퀘스쳔이 있었거든요. 그래서 2008년도 처음에 이 아이디어가 나온 다음에, 한 2005년까지는 계속해서 논문상에서만 On-going을 한 겁니다. “이게 된다 안 된다” 페이퍼 상에는 “됩니다”라고 쭉 나왔는데. 현장에 있는 분들은 “그건 갖가지 가정을 해서 되는 거야”, “가정을 안 하고 실제 장비라고 하는 관점에서 적용하면 실제로 그걸 얻기가 굉장히 힘들 거야”라고. 2005년도까지는 될까 안될까 약간 퀘스쳔하던 그런 상황이었고요.

한: 근데 이번에 논문의 내용은 “되더라”라는 얘기.

이: ”잘 되더라”

한: 지금 이제 그 논문 내용을 보면 웨이퍼는 인텔이 제공을 했고 장비는 넥스틴이라는 회사의 3D 검사장비.

이: ‘아이리스’라는 근적외선(NIR) 검사장비가 있습니다.

한: 그걸로 인텔 거를 해봤더니 결과가 어떻게 나왔습니까?

이: 저희가 기존에 인텔에서 웨이퍼를 줄 때는 본인들이 검사를 다 해봅니다.

한: 어디에 있는지.

이: 어디에 있는지는 모르지만, 불량(Defect)이라고 하는 게 분포라고 하는데요. 분포가 어떻게 어떻게 되고 카운트가 어떻게 되는지를 다 먼저 해봐요.

한: 해보고.

이: 그리고 난 다음에 그걸 가지고 “너네도 한번 해봐”

한: 알려 주지 않고?

이: 자기들은 정답이 있거든요.

한: “얼마나 맞는지 보자” 이런 겁니까? 얼마나 맞았습니까?

이: 매칭이 굉장히 잘 됐습니다.

한: 굉장히 잘 됐습니까? 그 매칭률은 논문에는 안 나와 있나요?

이: 왜냐하면 다중초점광학현미경(TSOM)이라고 하는 건 제가 갯수가 기억이 안 나지만 156개 정도의 불량(Defect)을 검사했는데 스터디로 안으로 들여다본 거고요. 불량(Defect) 자체는 보통의 경우 몇만 개씩 나옵니다. 그래서 몇만 개를 다 들여다보진 않았습니다.

한: 근데 그 불량(Defect)이 문제가 치명적일 수 있는 거냐 아닌 거냐의 차이가 있는 거예요?

이: 그것도 있고 내부에서 있는 불량(Defect)이 과연 위치를 알아낼 수 있느냐. 그 위치라고 하는 정보. 그전에 먼저 이렇게 표현을 할게요. 기존에 인텔이라고 하는 정보도 본인들이 정보를 찾아냈지 않습니까? 내부에는 있는 것 같은데 어디에 있는지는 자기들도 몰랐던 겁니다.

한: 아까 말씀하신 대로 잘라도 보고 뒤집어서도 보고 이렇게 봐서 발견한 거지.

이: 저희처럼 한 번에 광학식으로 검사를 해서 위치까지 알지는 못했던 겁니다.

한: 다중초점광학현미경(TSOM)이라는 기술 방식이라고 해야 됩니까? 이런 것들이 이미 2008년도에 제안이 됐다고요?

이: 네.

한: 되고 나서 이렇게 뭔가를, 반도체 쪽에서 이런 성과를 낼 수 있다고 하는 게 최초 사례 아닙니까?

이: 장비처럼 적용해서 나온 건 최초 사례라고 볼 수 있어요. 3D 낸드플래시 입장에서는.

한: 근데 지금 3D 낸드플래시를 만드는 회사들은 기존에 고민이 많았겠어요? 안에 불량(Defect)을 볼 수가 없으니까

이: 그렇죠. 엄청나게 많았습니다. 계속해서 요구가 됐던 거예요. 그러니까 저희 스터디도 “시장에서 이런 장비가 있었으면 참 좋겠다. 근데 잘 안돼”

한: 지금 이런 장비는 없는 거죠? 말하자면.

이: 없습니다.

한: 그러면 양산 라인에 많이 들어갈 수도 있는 계기가 마련됐다라고 봐야 되는 것이죠. 실제로 들어가는 건 봐야 되겠지만.

이: 문제를 좀 더 해결해야 됩니다. 왜냐하면 양산이라고 하는 것과 인라인 MI(계측·검사) 장비라고 그러면 여전히 수율이거든요. 아까 말씀드렸듯이 전통적인 검사장비는 한번 쓸고 지나가면 영상을 분석할 수 있지만 ‘Through-focus’라고 하는 건 어느 정도 깊이감의 정보를 얻어야 되거든요. 그 깊이감의 정보를 얻는 정보는 충분하게 얻으면서 촬영은 최대한 빨리하는 기법들도 저희가 스터디를 했었습니다. 그래서 장비화한다고 그러면 그걸 최적화하는 프로세스가 필요하겠죠.

한: 다중초점광학현미경(TSOM) 기법이 지금 3D 낸드플래시 쪽을 했는데. 다른 쪽에도 적용을 다 하죠?

이: 처음에 이 아이디어가 나왔던 건 뭐냐면 어차피 디자인 룰이 점점 작아지지 않습니까? 그럼 디자인 룰을 관리를 해야 되는데. 이게 예를 들면 ±2나노 단위로 공정을 관리해야 된다. 그러면 검사광학계이자 다중초점광학현미경(TSOM)이라고 하는 게 크게 두 가지 카테고리가 있습니다. 하나는 불량을 검사하는 검사로 적용이 됐을 때의 TSOM이 있고요. 그다음에 이제 특정 지표라고 표현하겠습니다. 높이가 됐든 선폭이 됐든 특정 값을 측정할 수 있는 계측 TSOM이 있습니다. 큰 두 가지의 카테고리에 적용 가능성이 있고요. 지금 제가 발표한 건 검사를 말씀드린 거고요. 조금 전에 “그러면 다른 적용은 안 되겠느냐”라고 물어본다면 계측도 가능하고요. 두 번째는 DUV용 서페이스이긴 한데 굉장히 작은 것을 검사 적용이 가능합니다.

한: 3D 낸드플래시도 낸드플래시지만 요즘 HBM(고대역폭 메모리)이라든지 TSV(실리콘 관통전극)로 뚫어서 적층하는 게 많아지고 있고. 그런 쪽에도 더 적용될 수 있다는.

이: 처음에 저희가 이 스터디를 했을 때. 저희가 스터디에 돈을 대신분을 정확하게 워크놀로지를 해야 되는데. 정부에서 돈을 반을 댔고 나머지 돈의 반은 흔히 투자 기업 또는 지원 기관이라고 표현하는데. 두 업체가 지원을 했습니다. 삼성전자하고 지금 논문을 같이 쓴 넥스틴이 지원을 해주셔서. 넥스틴하고 정부에서 지원을 한 부분에서는 “검사용 TSOM을 어떻게 하면 쓸 수 있을까?”라고 하는 걸 들여다봤고요. 삼성전자하고 정부에서 주신 돈으로는 “계측을 적용하면 어떻게 될까?”라고 하는 걸 들여다봤습니다. 그걸 한 5년 정도 들여다본 결과가 넥스틴 장비랑 엮어서 이번에 결과가 나오게 된 겁니다.

한: SK하이닉스 쪽이랑은?

이: 이 사업을 할 때 제가 SK하이닉스에 충분한 자격을 드리고 싶은 게. SK하이닉스는 여기에 투자기관으로 들어오진 않으셨는데. 전체 프로그램의 큰 투자를 하셨고요. 다중초점광학현미경(TSOM) 기술이 지속적으로 저희가 한 5년 동안 연구개발을 하면 흔히 말해서 전문기관 또는 활용기관 또는 엔드유저가 지속적으로 저희에게 개발하면서 의견을 주시거든요. SK하이닉스는 지속적으로 이 기술에 관심을 가지시면서 저희가 개발할 때마다 중요한 코멘트를 해주셨습니다.

한: 넥스틴이라는 회사가 이런 걸 만들었다고 하는데. 지금 원래 이런 쪽에서 제일 잘하는 회사는 미국에 K사라고 있지 않습니까? 그런 회사는 이런 게 없죠? 아직은.

이: 없습니다. 제가 이렇게 표현을 할게요. 다중초점광학현미경(TSOM) 이라고 하는 기법은 장비를 특허화시켜야 하는 기술적 요소가 숨겨져 있고요. 바깥으로 드러난 것만 들여다보면 데이터 프로세싱을 하는 쪽에 대한 스터디가 있어야 되거든요. 장비 면에서 보면 K사가 좋습니다. 근데 그걸 어떻게 구축을 해야 되고 이걸 어떻게 활용해야지 지금 저희가 언급한 이런 것들을 적용할 수 있을지. 이런 것들에 대한 스터디는 저희가 좀 더 많이 되어 있고. 장비 입장에서 보면 넥스틴이 아마 세계적으로는 제일 많이 연구를 하지 않았을까 이렇게 생각을 하고 있습니다.

한: 오늘 여기까지 하겠습니다. 교수님 말씀 고맙습니다.

이: 감사합니다.

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