CN104342751B - 反应腔和mocvd设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反应腔,该反应腔包括托盘装置、支撑骨架和传导单元,其中:所述托盘装置,包括多个小托盘和沿所述反应腔的高度方向设置的多层大托盘,每层所述大托盘在周向上都设置有多个所述小托盘;所述支撑骨架与所述大托盘同轴设置;所述传导单元设置在所述支撑骨架与所述小托盘之间;当所述支撑骨架或所述托盘装置绕所述反应腔的纵向轴线转动时,利用所述传导单元带动所述小托盘在所述大托盘的径向上环绕所述小托盘自身的轴线按照预定的速度旋转。本发明还提供一种包括所述反应腔的MOCVD设备。所述反应腔结构简单,降低了包括所述反应腔的MOCVD设备的总体成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术,特别涉及一种反应腔和一种包括该反应腔的MOCVD设备。
背景技术
气相外延生长方法(VPE)包括氢化物气相外延技术(HVPE)和金属有机化合物化学气相沉积方法(MOCVD)等。气相外延技术主要是利用III族、II族元素的有机化合物和V、VI族元素的氢化物等作为晶体生长源材料,以热分解反应方式在衬底上进行气相外延,生长各种III-V族、II-VI族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料,可用于制备高性能的化合物半导体单晶薄片。气相外延生长可用于外延薄膜特别是高质量的外延薄膜的生长,但对衬底材料本身的温度均匀性、反应气体浓度分布状况、衬底上方反应场的均匀性等都有着极高的要求,这些均匀性也直接决定生长出的外延片的质量好坏。
如上所述,加热的均匀性将影响外延均匀性。目前主要使用的加热方法包括热传递方法和感应加热方法。对于热传递方法,一种方式是将衬底材料放置于托盘上,托盘置于基座上,加热部件如电阻丝在基座底部加热并通过石墨材料的托盘的热传导效应来加热衬底材料,同时利用多区电阻丝加热技术,可以保证基座的温度均匀性,进而改善衬底生长温度的稳定和均匀;其它的方式包括部分采用加热反应腔室四周外壁,然后通过热辐射加热衬底材料。热传递方法加热速度较慢,控制过程复杂,热传导过程中热量除了往衬底表面传导外,还会往其他方向传导,热量利用效率低,并且对反应腔室水冷的设计要求较高。对于感应加热方法,该方法可以将线圈置于衬底下部或置于托盘四周。线圈在通高频电流后,托盘和衬底表面将会出现感生涡流,从而被迅速加热。这种感应加热方法加热速度显著提升,但是,线圈产生的磁场在托盘中心和边缘分布不均匀,将造成托盘的加热不均匀,进而影响托盘上的衬底的加热均匀性。
另外一个影响外延均匀性的因素是气体的浓度分布。目前的进气技术主要有喷淋头技术和中央进气技术。另外,对于小产量的2至8片机器,直接从托盘或机台的一侧吹至另一侧。在这些技术中,不可避免的就是气体进入腔室之后,在输运过程中,随着内部温度的提升,气体相互之间会发生反应。这将导致衬底表面近气体入口端和远气体入口端的反应气体浓度不同,从而影响衬底上部的反应场均匀性,进而导致外延片生长不均匀,同时外延片生长的不均匀将加剧在后续外延生长过程中衬底表面出现的裂纹分布、位错密度等缺陷,最终严重地影响生长质量。
加热的均匀性和气体的浓度分布的均匀性将共同影响反应腔室内的反应场分布的均匀性,进而影响外延均匀性和质量。
为了改善受到上述因素影响的外延生长的均匀性,出现了很多改进措施,比如说Veeco公司和Thomas Swan公司的进气系统的喷淋头设计和托盘高速旋转的解决方法,再比如Axitron公司采用的中央分层进气系统和气垫托盘行星旋转技术。然而,这些技术都对机械结构精度和加工要求很高,同时设备的安装维护困难。
以Axitron公司的气垫托盘行星旋转技术为例,该公司针对反应腔室采用了中央分层进气系统和气垫托盘行星旋转技术。请参阅图1,其示出了气垫托盘行星旋转技术的示意图,其中,大托盘上设置有多个小托盘,工艺过程中,在大托盘带动小托盘进行公转的同时,小托盘还可以进行自转。其中,大托盘和小托盘均采用气体悬浮旋转,通过气垫的设计以及气路结构,使得大托盘上的小托盘产生自转。
然而,Axitron公司的上述反应腔室中采用了电阻多区控温方法,除加热程序复杂外,升温速度慢,设备产能较低也是严重的缺点。另外,行星式旋转方法虽然能满足外延工艺的要求,但为实现行星式腔室的旋转所采用的气垫结构则必须设计成复杂的气路结构,并且在旋转过程中必须考虑到腔室内部复杂的流体变化。气垫进气口的设计、加工安装、设备维护使用都非常复杂。
因此,如何在满足外延工艺要求的同时降低MOCVD设备的成本成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反应腔和一种包括该反应腔的MOCVD设备,该MOCVD在可以满足外延工艺要求的同时具有简单的结构,成本较低。
为了实现上述目的,作为本发明的一个方面,提供一种反应腔,其中,该反应腔包括托盘装置、支撑骨架和传导单元,其中:
所述托盘装置,包括多个小托盘和沿所述反应腔的高度方向设置的多层大托盘,每层所述大托盘在周向上都设置有多个小托盘;
所述支撑骨架与所述大托盘同轴设置;
所述传导单元设置在所述支撑骨架与所述小托盘之间;
当所述支撑骨架或所述托盘装置绕所述反应腔的纵向轴线转动时,利用所述传导单元带动所述小托盘环绕所述小托盘自身的轴线按照预定的速度旋转。
优选地,所述大托盘上设置有用于容置多个所述小托盘的多个限位孔。
优选地,在每层所述大托盘中,多个所述限位孔均匀地分布在同一圆周上,且该圆周的圆心位于所述反应腔的纵向轴线上。
优选地,所述支撑骨架包括与多个所述大托盘一一对应的多个支撑盘和将该多个支撑盘串连的支撑件,每个所述大托盘都包括具有限位孔的承载部和支撑部,所述限位孔设置在所述承载部上,所述支撑部设置在所述承载部的下端面上,且每个所述大托盘上的所述承载部和与该大托盘相对应的支撑盘可滑动地连接。
优选地,所述支撑骨架包括旋转轴,该旋转轴设置在所述支撑骨架的底部,并且所述旋转轴与所述反应腔同轴设置。
优选地,所述传导单元包括设置在所述支撑盘上的多条滑动凹槽、贯穿所述支撑盘厚度方向的第一通孔和固定设置在所述小托盘的下端面上的多个引导件,所述多条滑动凹槽环绕所述第一通孔均匀分布,多个所述引导件均匀地分布在所述小托盘的下端面上的同一圆周上,且每条所述滑动凹槽都延伸至所述第一通孔的边缘,当所述支撑骨架转动时,所述小托盘上的多个所述引导件能够交替地从所述滑动凹槽与所述第一通孔的交汇处开始与所述滑动凹槽配合,以使得所述小托盘绕自身轴线转动。
优选地,所述滑动凹槽为圆弧形,且每个所述支撑盘上设置的所述滑动凹槽的数量与每个所述小托盘上设置的所述引导件的数量相同。
优选地,每个所述大托盘的中部都设置有第二通孔。
作为本发明的另一个方面,提供一种MOCVD设备,该MOCVD设备包括反应腔,其中,该反应腔为本发明所提供的上述反应腔。
优选地,所述MOCVD设备包括设置在所述反应腔内部的中央进气管,该中央进气管上设置有多个喷气孔,所述中央进气管穿过所述支撑盘上的所述第一通孔和所述大托盘上的所述第二通孔。
在本发明所提供的反应腔中,所述大托盘与所述支撑骨架同轴设置,允许本发明所提供的反应腔中设置多层大托盘,使得本发明所提供的反应腔可以同时处理多片衬底。当支撑骨架或托盘装置中的一个旋转时,小托盘绕自身轴线转动,从而使得设置在小托盘上的衬底温度均匀,从而可以满足外延工艺要求。并且,利用传导单元带动小托盘绕自身轴线转动,结构简单,降低了包括所述反应腔的MOCVD设备的总体成本。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与下面的具体实施方式一起用于解释本发明,但并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1是现有的反应腔的示意图;
图2是本发明所提供的反应腔的第一种实施方式的示意图;
图3是本发明所提供的反应腔第二种实施方式的俯视图;
图4是图3中的反应腔的立体剖视示意图;
图5是图3中所示的反应腔的小托盘的主剖视图;
图6是图3中所示的反应腔的支撑盘的俯视图;
图7a和图7b是本发明所提供的反应腔的一层支撑盘及小托盘的运动关系图;
图8是图3中所示的反应腔的大托盘的俯视图;
图9是展示大托盘与支撑盘的连接关系的示意图;
图10是本发明所提供的MOCVD的结构示意图。
附图标记说明
100:反应腔 110:托盘装置
111:小托盘 112:大托盘
120:支撑骨架 121:支撑盘
122:支撑件 123:旋转轴
130:传导单元 131:滑动凹槽
132:第一通孔 133:引导件
200:中央进气管 300:感应线圈
111a:衬底槽 112a:限位孔
112b:承载部 112c:支撑部
112d:第二通孔
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
如图2至图4所示,作为本发明的一个方面,提供一种反应腔100,其中,该反应腔100包括托盘装置110、支撑骨架120和传导单元130,其中:
托盘装置110包括多个小托盘111和沿反应腔100的高度方向设置的多层大托盘112,每层大托盘112在周向上都设置有多个小托盘111;大托盘112与支撑骨架120同轴设置;传导单元130设置在支撑骨架120与小托盘111之间;当支撑骨架120或托盘装置110绕反应腔100的纵向轴线L转动时,利用传导单元130带动小托盘111在大托盘112的径向上环绕该小托盘111自身的轴线按照预定的速度旋转。
应当理解的是,小托盘111用于承载衬底,支撑骨架120用于支撑托盘装置110,每层大托盘112上的小托盘111和支撑骨架120之间都设置有传导单元130。可以根据生产需要(例如,需要在沉底上沉积的薄膜的厚度、薄膜的沉积速度等)人为地设定所述预定速度。
在利用本发明所提供的反应腔进行金属有机化合物化学气相淀积工艺时,通常利用环绕反应腔100的感应线圈对反应腔100进行加热。因此,在反应腔100中,同一圆周上的温度是几乎是相等的,而半径不同的圆周上的温度是不相同的。在利用反应腔100进行金属有机化合物化学气相淀积工艺时,小托盘111绕自身轴线转动,可以使得小托盘111上的衬底交替地进入不同的温度区域,从而使所述衬底的受热更加均匀,进而满足金属有机化合物化学气相淀积工艺的需求。
在本发明中,由于支撑骨架120和托盘装置110同轴设置,因此,反应腔100的纵向轴线L即为支撑骨架120与托盘装置110的纵向轴线。将支撑骨架120和托盘装置110同轴设置的优点在于,可以使得托盘装置110的多层大托盘112同时相对于支撑骨架120转动。
并且,这种利用设置在每层的大托盘112上的小托盘111和支撑骨架120之间的传导单元130使小托盘111发生自转的结构相对较简单,从而可以简化本发明所提供的反应腔100的总体结构,降低反应腔100的成本。
在本发明中,对小托盘111如何设置在大托盘112上并没有特殊的限制,只要使得小托盘111可以在传导单元130的带动下绕自身的轴线旋转即可。通常,可以在大托盘112上设置用于容置多个小托盘111的限位孔112a,小托盘111可以在限位孔112a中旋转。为了便于设置并且使小托盘111上的衬底处于相同的反应条件(即,反应温度)中,优选地,在每层大托盘112中,多个限位孔112a均匀地分布在同一圆周上,且该圆周的圆心位于反应腔100的纵向轴线L上。
为了提高金属有机化合物化学气相淀积工艺的生产效率,可以将反应腔100设置为每个小托盘111上均可以承载多个衬底。如图4和图5所示,可以在每个小托盘111上都设置多个衬底槽111a。在本发明所提供的实施方式中,每个小托盘111上都设置有两个衬底槽111a(如图5所示),但是,本发明并不限于此。
在本发明中,对支撑骨架120的具体结构也没有限制,只要可以支撑多层大托盘112即可。作为本发明的一种实施方式,如图4所示,支撑骨架120可以包括与多个大托盘112一一对应的多个支撑盘121和将该多个支撑盘121串连的支撑件122,且每个大托盘112上和与该大托盘112相对应的支撑盘121可滑动地连接。
将大托盘112设置为与支撑盘121可滑动地连接的目的在于,当支撑骨架120绕轴线L旋转时,大托盘112不发生转动。或者,当大托盘112绕轴线L旋转时,支撑骨架120不发生转动。将反应腔100设置为大托盘112和支撑骨架120中的一个发生旋转,另一个静止不转的优点在于,既可以确保小托盘111绕自身轴线转动,又可以简化驱动装置的结构。具体地讲,在这种情况下,只需要将支撑骨架120和大托盘112中的一者与驱动电机的输出轴相连即可,无需其他的传动装置。
在本发明中,为了便于设置并使反应腔100的结构更加简单,优选地,如图4所示,可以将支撑骨架120设置为包括旋转轴123,该旋转轴与反应腔100同轴设置。即,旋转轴123的纵向轴线为反应腔100的纵向轴线L。将旋转轴123与驱动电机的输出轴相连,当驱动电机转动时,可以带动旋转轴123旋转,从而使得支撑骨架120绕反应腔100的纵向轴线L转动,传导单元130将支撑骨架120的转动传递给小托盘111,使小托盘111绕自身轴线自转。应当理解的是,在支撑骨架120旋转时,托盘装置110是不转动的。
如图4中所示,通常,可以将旋转轴123设置在支撑骨架120的底部,并且通过连接板与支撑件122相连。
为了实现大托盘112与支撑盘121之间的可滑动连接,大托盘112可以具有以下结构:如图2、图8和图9所示,大托盘112包括具有限位孔112a的承载部112b和支撑部112c。该支撑部112c一端与承载部112b固定连接,另一端与支撑盘121可滑动地连接。当支撑盘121随支撑骨架120旋转时,大托盘112在自身的重力作用下保持静止,支撑部112c在支撑盘121的上端面上滑动。或者,当大托盘112转动时,支撑骨架120在自身的重力作用下保持静止,支撑部112c同样在支撑盘121的上端面上滑动。为了确保大托盘112与支撑盘121同轴,优选地,可以在支撑盘121上设置与该支撑盘121同心的环形滑槽,支撑部112c插入环形滑槽内部。
为了简化结构,支撑骨架120可以包括旋转轴123,该旋转轴123与驱动电机的输出轴相连。如上所述,支撑骨架120旋转时,大托盘112在自身的重力作用下保持静止,大托盘112的支撑部112c在支撑盘121的上端面上滑动。
在本发明中,对传导单元130的具体形式并不作限定,只要可以将支撑骨架120的转动传递给小托盘111,并使小托盘111绕自身轴线转动即可。
上文中详细介绍了支撑骨架120和托盘装置110的具体结构,下文中将详细介绍传导单元130的具体结构。
作为本发明的一种实施方式,如图2所示,传导单元130可以包括设置在支撑骨架120上的齿圈、设置在小托盘111上的行星齿轮、连接该行星齿轮和小托盘的连接轴以及设置在大托盘112上的传动通孔。连接轴穿过大托盘112上的传动通孔,使得小托盘111和所述行星齿轮分别位于大托盘112的上下两侧。与此处,大托盘112上的传动通孔的直径大于所述连接轴的直径,以使得所述连接轴可以在大托盘112上的传动通孔中转动。支撑骨架120上的齿圈与设置在小托盘111上的行星齿轮相啮合。在图2中所示的结构中,大托盘112的主要作用为用于支撑小托盘111。
利用图2中所示的反应腔进行沉积工艺时,可以驱动支撑骨架120绕反应腔100的纵向轴线转动,大托盘112保持静止。当所述齿圈随支撑骨架120绕反应腔100的纵向轴线L转动时,所述齿圈转动,由于大托盘112不转动,因此,所述连接轴在大托盘112的周向上并无位移,因此,支撑骨架120上的齿圈与所述行星齿轮啮合时,该行星齿轮绕自身的轴线自转,该行星齿轮通过连接轴带动小托盘111绕自身轴线自转。
为了简化反应腔的结构并且为了便于加工支撑盘121,优选地,如图6所示,传导单元130可以包括设置在支撑盘121上的多条滑动凹槽131、贯穿支撑盘121厚度方向的第一通孔132和固定设置在小托盘111的下端面上的多个引导件133。
具体地,多条滑动凹槽131环绕所述第一通孔132均匀分布,多个引导件133均匀地分布在小托盘111的下端面的同一圆周上,且每条滑动凹槽131都延伸至所述第一通孔132的边缘,当支撑骨架120转动时,每个小托盘111上的多个引导件133可以交替地从滑动凹槽131与第一通孔132的交汇处开始与滑动凹槽131配合,以使得小托盘111绕自身轴线转动。
“每个小托盘111上的多个引导件133可以交替地从滑动凹槽131与第一通孔132的交汇处开始与滑动凹槽131配合”指的是,无论在任何时刻,在一个小托盘111中只有一个引导件133与滑动凹槽131相配合,其余的引导件133则位于第一通孔132中,当位于滑动凹槽131中的引导件133沿滑动凹槽131进入第一通孔132中之后,与该引导件相邻的另一个引导件133进入滑动凹槽131中,依次类推。由于承载小托盘111的大托盘112是固定不动的,因此,小托盘111可以绕自身轴线转动。
当一个引导件133到达滑动凹槽131的一端与第一通孔132的交汇处时,与该引导件133相邻的另一个引导件133从滑动凹槽131与第一通孔132的另一个交汇处开始与滑动凹槽131配合,从而确保小托盘111可以持续地绕自身轴线转动。每个小托盘111上的多个引导件133交替地与设置在支撑盘121上的滑动凹槽131接触,以使小托盘111可以持续地绕自身的轴线转动。
为了便于理解,下面将结合图7a和图7b来描述反应腔100的具体操作过程。
在图7a中,支撑盘121作逆时针转动。图7b为图7a中的支撑盘121逆时针转过一定角度后的状态。支撑盘121逆时针转动时,会带动与支撑盘121上的滑动凹槽131相配合的引导件133绕小托盘111的轴线逆时针滑动,从而使得小托盘111绕自身的轴线作顺时针转动。
为了便于实现,滑动凹槽131可以为圆弧形,且每个支撑盘121上设置的滑动凹槽131的数量与每个小托盘111上设置的引导件133的数量相同。
在本发明中,对每个小托盘111上的引导件133的个数也没有特殊限制,例如,在图5、图7a和图7b中所示的具体实施方式中,每个小托盘111上均设置有三个引导件133,该三个引导件133在小托盘111的下端面上均匀分布。同样地,每个支撑盘121上都设置有三条滑动凹槽131
利用V1表示小托盘111的自转速度,利用V2表示支撑盘121的自转速度,因此,多条滑动凹槽131的总弧长L131、多个引导件133所在的圆周的周长L133、小托盘111的自转速度V1和支撑盘121的自转速度V2满足以下关系:
V1/V2=L131/L133。
因此,通过预先设定小托盘111的自转速度V1、支撑盘121的自转速度V2以及多个引导件133在小托盘111上的圆周可以确定每条滑动凹槽131的弧长,进而确定每条滑动凹槽131的半径。由于多条滑动凹槽131环绕第一通孔132均匀分布,因此可以确定多条滑动凹槽131的圆心的位置。
如图8中所示,每个大托盘112的中部都设置有第二通孔112d。下文中将介绍设置第二通孔112d的具体作用,这里先不赘述。
作为本发明的另外一个方面,如图10所示,提供一种MOCVD设备,该MOCVD设备包括反应腔100,其中,该反应腔100为本发明所提供的上述反应腔100。
由于反应腔100内的小托盘111可以绕自身轴线旋转,因此设置在小托盘111上的衬底受热均匀。并且利用通过传导单元130带动小托盘111旋转使得反应腔100结构简单,成本较低。因此,包括反应腔100的MOCVD设备也具有上述优点。
为了进一步简化MOCVD设备的结构,优选地,该MOCVD设备还可以包括设置在反应腔100内部的中央进气管200,该中央进气管200上设置有多个喷气孔,中央进气管200穿过支撑盘121上的第一通孔132和大托盘112上的第二通孔112d。
同样为了简化MOCVD设备的结构,优选地,该MOCVD设备可以包括环绕反应腔100设置的感应线圈300。感应线圈300环绕反应腔100设置可使得同一圆周上的温度处处相等。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本发明的思想,其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (9)
1.一种反应腔,其特征在于,该反应腔包括托盘装置、支撑骨架和传导单元,其中:
所述托盘装置,包括沿所述反应腔的高度方向设置的多层大托盘,每层所述大托盘在周向上都设置有多个小托盘;
所述支撑骨架与所述大托盘同轴设置;
所述传导单元设置在所述支撑骨架与所述小托盘之间;
所述支撑骨架包括与多个所述大托盘一一对应的多个支撑盘和将该多个支撑盘串连的支撑件,每个所述大托盘都包括具有限位孔的承载部和支撑部,所述限位孔设置在所述承载部上,所述支撑部设置在所述承载部的下端面上,且每个所述大托盘上的所述承载部和与该大托盘相对应的支撑盘可滑动地连接;
当所述支撑骨架或所述托盘装置绕所述反应腔的纵向轴线转动时,利用所述传导单元带动所述小托盘环绕所述小托盘自身的轴线按照预定的速度旋转。
2.根据权利要求1所述的反应腔,其特征在于,所述大托盘上设置有用于容置多个所述小托盘的多个限位孔。
3.根据权利要求2所述的反应腔,其特征在于,在每层所述大托盘中,多个所述限位孔均匀地分布在同一圆周上,且该圆周的圆心位于所述反应腔的纵向轴线上。
4.根据权利要求1所述的反应腔,其特征在于,所述支撑骨架包括旋转轴,该旋转轴设置在所述支撑骨架的底部,并且所述旋转轴与所述反应腔同轴设置。
5.根据权利要求1所述的反应腔,其特征在于,所述传导单元包括设置在所述支撑盘上的多条滑动凹槽、贯穿所述支撑盘厚度方向的第一通孔和固定设置在所述小托盘的下端面上的多个引导件,所述多条滑动凹槽环绕所述第一通孔均匀分布,多个所述引导件均匀地分布在所述小托盘的下端面上的同一圆周上,且每条所述滑动凹槽都延伸至所述第一通孔的边缘,当所述支撑骨架转动时,所述小托盘上的多个所述引导件能够交替地从所述滑动凹槽与所述第一通孔的交汇处开始与所述滑动凹槽配合,以使得所述小托盘绕自身轴线转动。
6.根据权利要求5所述的反应腔,其特征在于,所述滑动凹槽为圆弧形,且每个所述支撑盘上设置的所述滑动凹槽的数量与每个所述小托盘上设置的所述引导件的数量相同。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的反应腔,其特征在于,每个所述大托盘的中部都设置有第二通孔。
8.一种MOCVD设备,该MOCVD设备包括反应腔,其特征在于,该反应腔为权利要求1至7中任意一项所述的反应腔。
9.根据权利要求8所述的MOCVD设备,其特征在于,该MOCVD设备包括设置在所述反应腔内部的中央进气管,该中央进气管上设置有多个喷气孔,在所述传导单元包括贯穿所述支撑盘厚度方向的第一通孔以及每个所述大托盘的中部都设置有第二通孔的情况下,所述中央进气管穿过所述支撑盘上的所述第一通孔和所述大托盘上的所述第二通孔。
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