【導(dǎo)讀】合適的設(shè)備概念應(yīng)允許一定的設(shè)計(jì)自由度，以便適應(yīng)各種任務(wù)概況的需求，而無需對(duì)處理和布局進(jìn)行重大改變。然而，關(guān)鍵性能指標(biāo)仍然是所選器件概念的低面積比電阻，與其他列出的參數(shù)相結(jié)合。圖 1 列出了一些被認(rèn)為必不可少的參數(shù)，還可以添加更多參數(shù)。
合適的設(shè)備概念應(yīng)允許一定的設(shè)計(jì)自由度，以便適應(yīng)各種任務(wù)概況的需求，而無需對(duì)處理和布局進(jìn)行重大改變。然而，關(guān)鍵性能指標(biāo)仍然是所選器件概念的低面積比電阻，與其他列出的參數(shù)相結(jié)合。圖 1 列出了一些被認(rèn)為必不可少的參數(shù)，還可以添加更多參數(shù)。
圖 1：必須與 SiC MOSFET 的性能指標(biāo)（左）進(jìn)行平衡的所選參數(shù)（右）
重要的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)之一是設(shè)備在其目標(biāo)應(yīng)用的操作條件下的可靠性。與現(xiàn)有硅器件世界的主要區(qū)別在于，SiC 元件在更高的內(nèi)部電場(chǎng)下工作。相關(guān)機(jī)制需要仔細(xì)分析。它們的共同點(diǎn)是，器件的總電阻由漏極和源極接觸電阻的串聯(lián)定義，包括靠近接觸的高摻雜區(qū)域、溝道電阻、JFET 區(qū)域的電阻以及漂移區(qū)電阻（見圖 2）。請(qǐng)注意，在高壓硅 MOSFET 中，漂移區(qū)明顯主導(dǎo)著總電阻；在 SiC 器件中，該部件可以設(shè)計(jì)為具有如上所述的顯著更高的電導(dǎo)率。
圖 2：平面 DMOS SiC MOSFET 草圖（左）和垂直溝槽 TMOS SiC MOSFET 以及電阻相關(guān)貢獻(xiàn)的相應(yīng)位置
關(guān)于關(guān)鍵 MOSFET 元件 SiC-SiO 2界面，必須考慮與硅相比的以下差異：
與 Si 相比，SiC 具有更高的單位面積原子表面密度，從而導(dǎo)致懸空 Si- 和 C- 鍵的密度更高；位于界面附近的柵氧化層中的缺陷可能出現(xiàn)在能隙中，并充當(dāng)電子的陷阱[1]。
熱生長(zhǎng)氧化物的厚度很大程度上取決于晶面。
與 Si 器件相比（MV 而不是 kV），SiC 器件在阻斷模式下工作在更高的漏極感應(yīng)電場(chǎng)下，這需要采取措施限制柵極氧化物中的電場(chǎng)，以維持阻斷階段氧化物的可靠性 [2 ]。另請(qǐng)參見圖 3：對(duì)于 TMOS，關(guān)鍵點(diǎn)是溝槽角，對(duì)于 DMOS，關(guān)鍵點(diǎn)是單元的中心。
由于勢(shì)壘高度較小，與 Si 器件相比，SiC MOS 結(jié)構(gòu)在給定電場(chǎng)下表現(xiàn)出更高的 Fowler-Nordheim 電流注入。因此，界面 SiC 側(cè)的電場(chǎng)必須受到限制 [3,4]。
上述界面缺陷導(dǎo)致溝道遷移率非常低。因此，它們導(dǎo)致溝道對(duì)總導(dǎo)通電阻的貢獻(xiàn)很大。因此，SiC 相對(duì)于硅的漂移區(qū)電阻非常低的優(yōu)勢(shì)由于高溝道貢獻(xiàn)而被削弱。克服這一困境的一種觀察到的方法是增加在導(dǎo)通狀態(tài)下施加在氧化物上的電場(chǎng)，或者用于導(dǎo)通的更高的柵極源極（V GS）偏置或者相對(duì)薄的柵極氧化物。所施加的電場(chǎng)超過了硅基 MOSFET 器件中通常使用的值（4 至 5 MV/cm，而硅中為 3 MV/cm）。導(dǎo)通狀態(tài)下氧化物中如此高的磁場(chǎng)可能會(huì)加速磨損，并限制篩選剩余的外在氧化物缺陷的能力[1]。
圖 3：左圖：平面 MOSFET（半電池）的典型結(jié)構(gòu)，顯示了兩個(gè)關(guān)于氧化物場(chǎng)應(yīng)力的敏感區(qū)域。右圖：溝槽 MOSFET（半電池）的典型結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵問題是溝槽拐角處的氧化物場(chǎng)應(yīng)力。
基于這些考慮，很明顯，SiC 平面 MOSFET 器件實(shí)際上對(duì)氧化物場(chǎng)應(yīng)力有兩個(gè)敏感區(qū)域，如圖 3 左側(cè)部分所示。首先，討論的是電場(chǎng)區(qū)域中反向模式的應(yīng)力其次，靠近漂移區(qū)和柵極氧化物之間的界面，其次是在導(dǎo)通狀態(tài)下受應(yīng)力的柵極和源極之間的重疊。
導(dǎo)通狀態(tài)下的高電場(chǎng)被認(rèn)為更危險(xiǎn)，因?yàn)橹灰仨毐ＷC導(dǎo)通電阻性能，就沒有采取任何器件設(shè)計(jì)措施可以減少導(dǎo)通狀態(tài)期間的場(chǎng)應(yīng)力。英飛凌的總體目標(biāo)是結(jié)合低 R DSon由 SiC 提供的工作模式使該部件在眾所周知的安全氧化物場(chǎng)強(qiáng)條件下運(yùn)行。因此，我們決定放棄 DMOS 技術(shù)，從一開始就專注于基于溝槽的器件。遠(yuǎn)離具有高缺陷密度的平面表面，轉(zhuǎn)向其他更有利的表面取向，可以在低氧化物場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)低溝道電阻。這些邊界條件是轉(zhuǎn)移硅功率半導(dǎo)體領(lǐng)域建立的質(zhì)量保證方法的基線，以保證工業(yè)和汽車應(yīng)用中預(yù)期的 FIT 率。
圖 4：CoolSiCMOSFET 單元結(jié)構(gòu)示意圖
CoolSiCMOSFET 單元設(shè)計(jì)旨在限制導(dǎo)通狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)下柵極氧化物中的電場(chǎng)（見圖 4）。同時(shí)，提供了具有吸引力的 1200 V 級(jí)特定導(dǎo)通電阻，即使在批量生產(chǎn)中也可以以穩(wěn)定且可重復(fù)的方式實(shí)現(xiàn)。低導(dǎo)通電阻確保驅(qū)動(dòng)電壓電平僅為V GS= 15 V 與足夠高的柵源閾值電壓（通常為 4.5 V）相結(jié)合，成為 SiC 晶體管領(lǐng)域的基準(zhǔn)。該設(shè)計(jì)的特殊功能包括通過自對(duì)準(zhǔn)工藝將通道定向?yàn)閱我痪w取向。這確保了的溝道遷移率和窄的閾值電壓分布。另一個(gè)特點(diǎn)是深 p 溝槽在中心與實(shí)際 MOS 溝槽相交，以允許狹窄的 p+ 到 p+ 間距尺寸，從而有效屏蔽下部氧化物角。
靜態(tài)性能——象限操作
MOSFET 靜態(tài)輸出特性的關(guān)鍵參數(shù)是總電阻 R DS(ON)。CoolSiC? MOSFET 的典型導(dǎo)通電阻是在室溫下且 V GS = 15 V 時(shí)定義的（圖 5，左） 。閾值電壓 V GS_TH遵循器件的物理原理，并隨溫度下降，如右圖 5 所示。
圖 5：室溫和 175°C（左）下的 CoolSiC MOSFET 輸出特性（示例 45 mOhm 1200 V 型）以及 Ron 和 VGS_TH 對(duì)溫度的依賴性（右）
由于低溝道缺陷密度，導(dǎo)通電阻的正溫度系數(shù)（圖 5，右）使得這些器件注定用于并聯(lián)。這是與 DMOS 器件的另一個(gè)顯著區(qū)別，由于溝道中的缺陷密度較高，DMOS 器件通常表現(xiàn)出較弱的電阻對(duì)溫度的依賴性。
圖 6：MOSFET 導(dǎo)通電阻隨溫度變化的主要行為、Si 和 SiC 之間的比較以及阻斷電壓的影響
DMOS 的這個(gè)“功能”乍一看很吸引人，但實(shí)際上卻很吸引人。然而，隨著降低導(dǎo)通電阻的進(jìn)展，漂移區(qū)物理上合理的溫度依賴性將越來越主導(dǎo)總導(dǎo)通電阻。因此，SiC MOSFET 將變得更像硅。然而，應(yīng)該指出的是，即使在成熟狀態(tài)下，由于摻雜密度較高，SiC MOSFET 的實(shí)際溫度系數(shù)在相同阻斷電壓下也會(huì)低于硅器件。此外，由于漂移區(qū)對(duì)總電阻的貢獻(xiàn)不斷增加，對(duì)于較高的阻斷電壓，導(dǎo)通電阻的溫度依賴性將更加明顯。圖 6 總結(jié)了定性行為。
靜態(tài)性能——第三象限運(yùn)行
與 IGBT 相比，CoolSiC? 器件等立式 MOSFET 通過體二極管（實(shí)際上是續(xù)流二極管）提供反向模式傳導(dǎo)。然而，由于SiC的帶隙，該二極管的拐點(diǎn)電壓相對(duì)較高（約3V），因此連續(xù)工作會(huì)導(dǎo)致較高的導(dǎo)通損耗。因此，必須使用眾所周知的同步整流概念。該二極管僅在很短的死區(qū)時(shí)間內(nèi)工作（見上文部分）。在此周期之后，通過施加正 V GS（如象限模式）再次打開通道。
該操作方案在第三象限模式中提供非常低的傳導(dǎo)損耗，因?yàn)闆]有拐點(diǎn)電壓達(dá)到與象限模式中相同的電阻。事實(shí)上，電阻甚至略低，因?yàn)楝F(xiàn)在反轉(zhuǎn)的電流方向的負(fù)前饋影響減少了 JFET 影響。圖 6 說明了第三象限操作（不同柵極電壓的 IV 特性）。請(qǐng)注意，由于采用 pn 二極管結(jié)構(gòu)，還可以實(shí)現(xiàn)一定的脈沖電流處理能力（高于正向模式）。
圖 7：45 mOhm CoolSiC? MOSFET 的體二極管 IV 行為
動(dòng)態(tài)性能
作為一種單極器件，SiC-MOSFET 的動(dòng)態(tài)性能很大程度上取決于其電容。與輸入電容 C iss相比，該器件被設(shè)計(jì)為具有較小的柵漏極反向電容 C rss。這有利于抑制寄生導(dǎo)通，從而可以防止在半橋配置中運(yùn)行時(shí)使用復(fù)雜的柵極驅(qū)動(dòng)器電路。即使柵極電壓為 0 V，許多 CoolSiCMOSFET 產(chǎn)品也可以安全關(guān)斷，因?yàn)槌擞欣碾娙荼戎猓撝惦妷阂沧銐蚋摺D 8（左）總結(jié)了器件總電容與溫度的關(guān)系。
圖 8：45 mOhm CoolSiC? MOSFET 的典型器件電容與漏極-源極電壓（左）和相關(guān)開關(guān)能量（右）與漏極電流的函數(shù)關(guān)系（VGS = 15 / -5 V，RGext = 4.5 Ω， VDS = 800V，Tvj = 175°
圖 8（右）顯示了安裝在 4 引腳 TO-247 外殼中的單個(gè)器件的半橋的典型開關(guān)損耗與漏極電流的函數(shù)關(guān)系。關(guān)斷能量 E off僅輕微依賴于負(fù)載電流，因?yàn)樗饕扇萘繘Q定，而導(dǎo)通能量 E on隨電流線性增加，并主導(dǎo)總損耗 E tot。根據(jù) 2019 年中期的情況，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，CoolSiC? MOSFET在商用 1200 V SiC MOSFET 中顯示出的 E on 。E開和 E關(guān)實(shí)際上與溫度無關(guān)。值得注意的是，實(shí)際外殼設(shè)計(jì)對(duì)開關(guān)損耗（主要是導(dǎo)通損耗）有重大影響。特別有效的是開爾文接觸的使用，它實(shí)際上將負(fù)載路徑與控制路徑在電流方面分開，因此有助于防止 di/dt 引起的柵極信號(hào)反饋環(huán)路增加動(dòng)態(tài)損耗。
一般來說，必須僅在某些封裝中實(shí)現(xiàn)具有低電容和柵極電荷的快速開關(guān) SiC 晶體管。主要標(biāo)準(zhǔn)包括由于高損耗功率密度而具有良好的熱性能（碳化硅當(dāng)然會(huì)降低損耗，但其余損耗集中在非常小的區(qū)域）。另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是低雜散電感，用于在沒有臨界電壓峰值的情況下管理高 di/dt 斜率。，特別是在具有更多并行芯片的多芯片封裝的情況下，基于帶狀線概念[5]的對(duì)稱內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)是強(qiáng)制性的。目前提供此類功能的模塊封裝包括英飛凌用于模塊的 EASY 平臺(tái)，或用于分立外殼的 TO247 系列（分別為 TO263-7）。
CoolSiCMOSFET 的柵極電荷曲線通常與硅功率器件的典型形狀不同；特別是，沒有明顯可見的米勒平臺(tái)，如圖 9 左所示。當(dāng) I D = 30 A、V DS = 800 V 且 R G = 3.3 kΩ、V GS(off) =-5 V 至 V GS(on) = 15 V 時(shí)，總柵極電荷 Q tot通常為 75 nC。
圖 9：45 mOhm 1200 V CoolSiC? MOSFET 的典型柵極電荷曲線（左）和通過 Rg 控制開關(guān)速度的能力（右）
在許多情況下，可能需要調(diào)整開關(guān)速度 (dv/dt) 以應(yīng)對(duì)振蕩等問題。MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)之一是通過柵極電阻器調(diào)整斜率的簡(jiǎn)單方法。結(jié)合正確的驅(qū)動(dòng)電路，甚至可以實(shí)現(xiàn)不同的開啟和關(guān)閉。右側(cè)圖 9 顯示了 Infineon 45 mOhm 1200 V CoolSiC? MOSFET 的相應(yīng)行為。
圖 10 描繪了 TO-247 4 引腳和 TO-247 3 引腳中的 45 mOhm 1200 V CoolSiC? MOSFET 在 V DS = 800 V 直流電壓下的短路波形，這與 IGBT 有很大不同。初，漏極電流快速增加并達(dá)到峰值電流水平。由于采用開爾文源設(shè)計(jì)的快速導(dǎo)通，TO-247 4 引腳電流上升更快，并且在 SC 事件開始時(shí)自發(fā)熱較少，峰值電流超過 300 A，而 TO-247 3腳峰值電流較小。主要原因是 di/dt 對(duì)所施加的 V GS引起的負(fù)反饋對(duì)于 3 針設(shè)備。由于開爾文連接解決方??案消除了這種效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)更快的切換，因此在飽和效應(yīng)發(fā)生之前，4 引腳器件的電流也可以上升到更高的值。
峰值電流后，漏極電流顯著降低至約 150 A。這是由于隨著溫度升高和自加熱，載流子遷移率和 JFET 效應(yīng)降低。測(cè)試波形顯示出清晰、穩(wěn)健的行為，證明了封裝 TO-247 CoolSiC? MOSFET 和電源模塊的典型 3 ?s SC 能力（根據(jù)相關(guān)目標(biāo)應(yīng)用要求，目前為 2 ?s）。英飛凌的 CoolSiC? MOSFET 是數(shù)據(jù)表中首款具有保證短路功能的器件。
圖 10：典型短路與 25°C 下持續(xù)時(shí)間的關(guān)系（左）；1200 V 設(shè)備的雪崩行為，60 V 時(shí)關(guān)閉 3.8 5 mH 的未鉗位感性負(fù)載（右）
新的 650 V 級(jí)器件在數(shù)據(jù)表中附有雪崩額定值，以滿足目標(biāo)應(yīng)用電源的要求。總體而言，CoolSiC? MOSFET 技術(shù)在雪崩下表現(xiàn)出高耐用性；圖 10 右側(cè)描述了 1200 V 組件的典型行為
FIT 率和柵極氧化物可靠性
除了性能之外，可靠性和耐用性也是 SiC MOSFET 討論多的話題。耐用性定義為設(shè)備承受某些異常應(yīng)力事件的能力，例如短路性能或脈沖電流處理能力。可靠性涵蓋了設(shè)備在目標(biāo)應(yīng)用壽命期間標(biāo)稱工作條件下的穩(wěn)定性。與可靠性相關(guān)的影響包括某些電氣參數(shù)的漂移或?yàn)?zāi)難性故障。對(duì)于硬故障，量化通常以 FIT 率的形式進(jìn)行，它實(shí)際上說明了在特定時(shí)期內(nèi)允許有多少特定類型的設(shè)備發(fā)生故障。如今，高功率硅器件的 FIT 率主要受宇宙射線效應(yīng)影響。
對(duì)于 SiC，由于前面討論的氧化物場(chǎng)應(yīng)力，需要考慮柵極氧化物可靠性的額外影響。因此，如圖 11 所示，總 FIT 率是宇宙射線 FIT 率和氧化物 FIT 率之和。對(duì)于宇宙射線穩(wěn)定性，可以應(yīng)用類似的方法，例如硅領(lǐng)域的典型方法。這里，F(xiàn)IT率是針對(duì)某種類型的技術(shù)通過實(shí)驗(yàn)獲得的，并根據(jù)結(jié)果結(jié)合應(yīng)用目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)滿足FIT率的設(shè)計(jì)，通常通過優(yōu)化漂移區(qū)的電場(chǎng)分布來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于氧化物 FIT 率，需要采用篩選過程來降低 FIT 率，因?yàn)榕c硅相比，SiC 中的缺陷密度仍然相當(dāng)高（就英飛凌的 Si 功率器件而言，
圖 11：SiC MOSFET 情況下的 FIT 率構(gòu)成
例如，SiC MOS 器件的柵極氧化物可靠性面臨的挑戰(zhàn)是，在工業(yè)應(yīng)用的給定操作條件下（如目前的 IGBT），保證失效率小于 1 FIT。由于SiC和Si上的SiO 2的內(nèi)在質(zhì)量和性能幾乎相同，因此相同面積和氧化物厚度的Si MOSFET和SiC MOSFET可以在相同時(shí)間內(nèi)承受大致相同的氧化物場(chǎng)（相同的固有壽命）。當(dāng)然，這僅在器件不包含與缺陷相關(guān)的雜質(zhì)（即外在缺陷）的情況下才有效。與 Si MOSFET 相比，SiC MOSFET 柵極氧化物中的外在缺陷密度要高得多。
與沒有缺陷的設(shè)備相比，具有外在缺陷的設(shè)備更容易損壞。無缺陷的設(shè)備會(huì)在很晚之后由于內(nèi)在磨損而失效。通常，如果本體氧化物厚度足夠，則在正常應(yīng)用條件下，固有故障時(shí)間要少得多。因此，典型芯片壽命內(nèi)的氧化物 FIT 率完全由外在缺陷決定。
保證碳化硅MOSFET柵極氧化物足夠可靠性的挑戰(zhàn)是減少受外在缺陷影響的器件數(shù)量，從工藝結(jié)束時(shí)初的高數(shù)量（例如1%）減少到產(chǎn)品交付時(shí)可接受的低數(shù)量。運(yùn)送給客戶（例如 10 ppm）。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種行之有效的方法是應(yīng)用電氣屏蔽 [2]。
在電氣篩選過程中，每個(gè)器件都會(huì)受到柵極應(yīng)力模式的影響。選擇應(yīng)力模式來破壞具有嚴(yán)重外在缺陷的器件，而沒有外在缺陷或僅具有非關(guān)鍵缺陷的器件則能夠幸存。未通過篩選測(cè)試的設(shè)備將從分配中刪除。這樣，潛在的可靠性風(fēng)險(xiǎn)就轉(zhuǎn)化為良率損失。
為了能夠在足夠高的應(yīng)力水平下對(duì)器件進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，體柵氧化物需要具有指定的厚度。如果柵極氧化物厚度太低，器件要么在篩選過程中因磨損而本質(zhì)上失效，要么在篩選后顯示出降低的閾值電壓和溝道遷移率。因此，所需的標(biāo)稱氧化物厚度遠(yuǎn)高于實(shí)現(xiàn)有效柵極氧化物篩選的固有壽命目標(biāo)通常所需的厚度。不幸的是，較厚的柵極氧化物會(huì)增加閾值電壓，并降低給定V GS(on)下的溝道電導(dǎo)。柵氧化層 FIT 率和器件性能之間的權(quán)衡如圖 12 所示，并且也在 [6] 中進(jìn)行了討論。
圖 12：柵極氧化物厚度和柵極電壓對(duì)故障概率和通態(tài)特性的影響（650V 器件的 Rdson 數(shù)據(jù)）
英飛凌投入了大量的時(shí)間和材料樣品來開發(fā)有關(guān) SiC MOSFET MOS 可靠性的完整圖片。例如，我們使用不同正負(fù)柵極應(yīng)力偏置下的三個(gè)單獨(dú)應(yīng)力運(yùn)行，在 150°C 下測(cè)試了電屏蔽 SiC MOSFET 的通態(tài)可靠性 100 天。每個(gè)樣品組由 1000 件組成。圖 13 顯示了不同柵極氧化物工藝條件的結(jié)果，概述了終發(fā)布工藝的技術(shù)改進(jìn)。使用初始處理?xiàng)l件，在推薦柵極偏壓 30V 的兩倍下，1000 個(gè)器件中不到 10 個(gè)器件出現(xiàn)故障。所實(shí)施的技術(shù)進(jìn)步將這一數(shù)字減少到 30 V 時(shí)只有 1 次故障，25 V 和 -15 V 時(shí)零次故障。剩下的 1 次故障仍然是外部故障，
當(dāng)然，除了通態(tài)氧化物可靠性之外，評(píng)估斷態(tài)氧化物應(yīng)力也很重要，因?yàn)?SiC 功率器件中的電場(chǎng)條件更接近 SiO 2的極限優(yōu)于硅功率 MOS 元件。關(guān)鍵策略是通過正確設(shè)計(jì)深 p 區(qū)來有效屏蔽敏感氧化物區(qū)域。屏蔽效率又是導(dǎo)通電阻和可靠性之間的權(quán)衡。對(duì)于溝槽MOSFET，深p區(qū)在MOSFET溝道區(qū)下方形成類似JFET的結(jié)構(gòu)，可以有效促進(jìn)屏蔽[7]。該 JFET 為導(dǎo)通電阻添加了一個(gè)附加組件，該組件主要取決于埋入式 p 區(qū)之間的距離和摻雜。這種屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征對(duì)于避免關(guān)斷狀態(tài)下柵極氧化物退化或柵極氧化物擊穿至關(guān)重要。
為了驗(yàn)證 CoolSiC? MOSFET 的斷態(tài)可靠性，我們?cè)?150°C、V GS = -5 V 和 V DS = 1000 V 的條件下對(duì) 5000 多個(gè) 1200 V SiC MOSFET 進(jìn)行了為期 100 天的壓力測(cè)試。這些條件對(duì)應(yīng)于工業(yè)應(yīng)用任務(wù)概況的關(guān)鍵點(diǎn)。由于所施加的漏極電壓相對(duì)于器件的擊穿電壓的限制，進(jìn)一步加速是非常困難的。在更高的漏極電壓下運(yùn)行測(cè)試將會(huì)導(dǎo)致結(jié)果錯(cuò)誤，因?yàn)槠渌收蠙C(jī)制（例如宇宙射線引起的故障）將變得更有可能。結(jié)果是，在這次斷態(tài)可靠性測(cè)試中，沒有一個(gè)受測(cè)設(shè)備出現(xiàn)故障。由于 650 V 設(shè)備遵循與 1200 V 設(shè)備相同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此預(yù)計(jì)具有相同的可靠性。
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