CN104752407A - 用于检测cdsem机台的方法、晶圆、晶圆的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种用于检测CDSEM机台焦点偏移的方法、检测晶圆及其制作方法。该检测晶圆包括:衬底;氧化层,设置在衬底的上表面上,并形成间隔布置的多个氧化层单元;多晶硅层,设置在氧化层上,并形成与多个氧化层单元一一对应的具有预定器件宽度的多晶硅层单元;TaN层,覆盖在衬底裸露的上表面、各多晶硅层单元上表面和侧表面以及各氧化层单元的侧表面上。本申请的晶圆中TaN层具有良好的电传导性,使被测的多晶硅层和TaN层能够较长时间内保持形状不变,进而在以多晶硅层和TaN层作为测量对象时能够得到较为准确的器件宽度;而且,该晶圆对焦点漂移、光束变化具有较强的敏感性,进而保证CDSEM机台工作的稳定性。
Description
技术领域
本申请涉及半导体制造技术领域,具体而言,涉及一种用于检测CDSEM机台焦点偏移的的方法、检测晶圆、检测晶圆的制作方法。
背景技术
在半导体器件制造中,为保证光刻尺寸的准确性,晶圆在黄光驱经过曝光显影后,带有光刻胶图形的晶圆会在关键尺寸扫描电子显微镜(CDSEM)机台上测量关键尺寸(CD),最受关注的关键尺寸一般涉及通孔(hole)、器件宽度(line)和器件间距(space)等。
目前关键尺寸的测量主要为间隔距离(pitch)的测定,其中间隔距离的大小等于器件宽度与器件间距之和,如图1所示,因此,即使器件宽度发生变化,测量目标间隔距离也不会发生变化,从而保证了关键尺寸测量的准确性;而且,目前也可通过对间隔距离测量结果的准确性来监控CDSEM机台工作的稳定性。
但是,间隔距离测量的方式对CDSEM机台存在的焦点漂移问题并不敏感,当机台的焦点发生漂移时,所测得的间隔距离相对于正常值并未发生明显变化,如图2所示的2013年2月1日至2013年3月14日期间的关键尺寸的检测结果,申请人利用间隔尺寸(pitch)的测量是否正常来监控CDSEM机台工作的稳定性,其中2013年3月1日的第一个测量值处于正常范围内;但是,在线生产中器件宽度(line)的测量结果却出现明显偏差,如图3所示,2013年3月1日的结果明显偏离一般的结果;然后申请人对2013年3月1日的CDSEM的扫描电镜图与之前2013年2月23日的CDSEM的扫描电镜图进行比较,如图4A至图4D所示,可以发现2013年3月1日对应第一个测量值的CDSEM的机台的焦点出现了偏移。CDSEM机台的焦点出现偏移后,所得的测量结果会不准确,进而难以反映光刻的准确性,如果一旦没有准确反映光刻的准确性,将会直接影响所得芯片的质量,为企业带来重大的经济损失。
因此,在线生产中,需要对CDSEM机台的焦点准确性进行监控,但是目前并没有有效的监控方法。
发明内容
本申请旨在提供一种用于检测CDSEM机台焦点偏移的方法、检测晶圆、检测晶圆的制作方法,以解决现有技术中难以有效监控CDSEM机台焦点偏移的问题。
为了实现上述目的,根据本申请的一个方面,提供了一种用于检测CDSEM机台的焦点偏移的检测晶圆,该检测晶圆包括:衬底;氧化层,设置在衬底的上表面上,并形成间隔布置的多个氧化层单元;多晶硅层,设置在氧化层上,并形成与多个氧化层单元一一对应的具有预定器件宽度的多晶硅层单元;TaN层,覆盖在衬底裸露的上表面、各多晶硅层单元上表面和侧表面以及各氧化层单元的侧表面上。
进一步地,上述TaN层的厚度为
根据本申请的另一方面,提供了一种上述检测晶圆的制作方法,该制作方法包括:在衬底上形成氧化层;在氧化层上形成多晶硅层;在多晶硅层上设置光刻胶层,并对光刻胶层进行图形化处理形成光刻胶图案;以光刻胶图案为掩膜对多晶硅层和氧化层进行刻蚀,形成间隔布置的多个氧化层单元和多晶硅层单元;在多晶硅层和衬底上沉积TaN层,TaN层覆盖在衬底上、各多晶硅层单元上表面和侧表面、各氧化层单元的侧表面。
进一步地,上述TaN层的沉积方法为等离子体增强化学气相沉积法、高密度等离子体化学气相沉积法或原子层沉积法。
进一步地,上述采用原子层沉积法形成所述TaN层的过程包括:向原子层沉积反应腔中通入NH3钽金属化合物,且以NH3和钽金属化合物通过原子层沉积反应腔作为一个周期,重复周期15~25次,得到厚度为的TaN层。
进一步地,上述钽金属化合物选自五(乙基甲基氨基)钽、五(二甲基氨基)钽和五(二乙基氨基)钽组成的组中的一种或多种,各周期中所述NH3的流量为1200~1700sccm,五-二甲基胺钽的流量为400~600sccm。
根据本申请的又一方面,提供了一种用于检测CDSEM机台的焦点偏移的检测方法,该方法包括:提供上述的检测晶圆;利用CD SEM机台测量检测晶圆的器件宽度,器件宽度为预定器件宽度和覆盖在多晶硅层单元的侧表面上的TaN层的厚度之和,当器件宽度的测量结果出现异常表明CDSEM机台的焦点发生偏移。
进一步地,上述检测方法还包括还原检测晶圆的TaN层的过程。
进一步地,上述还原TaN层的过程包括利用混合气体吹扫检测晶圆的TaN层,其中,混合气体包括还原性气体和惰性气体。
进一步地,上述还原性气体为氢气,惰性气体为氮气。
进一步地,上述混合气体由体积比为3~5:97:95的氢气和氮气组成,吹扫的时间为1~5min,流量为1500~4500sccm。
应用本申请的技术方案,本申请的晶圆中TaN层具有良好的电传导性,因此能够有效避免在长期监控CDSEN机台过程中,受到机台的电荷效应的影响,使被测的多晶硅层和TaN层能够较长时间内保持形状不变,进而在以多晶硅层和TaN层作为测量对象时能够得到较为准确的器件宽度;而且,本申请的晶圆对CDSEM机台的焦点漂移、光束变化具有较强的敏感性,能够及时发现CDSEM机台的问题,进而保证CDSEM机台工作的稳定性以及测量结果的准确性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。在附图中:
图1示出了现有技术中所测定的关键尺寸的示意图;
图2示出了2013年2月1日至2013年3月14日期间,申请人在监控CDSEM机台的过程中得到的间隔距离的检测结果变化趋势图;
图3示出了2013年2月22日至2013年3月1日期间,申请人在线检测器件宽度的检测结果变化趋势图;
图4A示出了2013年2月23日的晶圆的CDSEM扫描电镜图;
图4B示出了2013年2月23日进行CDSEM机台的焦点测试时CDSEM扫描电镜图;
图4C示出了2013年3月1日晶圆的CDSEM扫描电镜图;
图4D示出了2013年3月1日进行CDSEM机台的焦点测试时CDSEM扫描电镜图;
图5示出了本申请一种优选实施方式提供的检测晶圆的结构示意图;
图6示出了在衬底上形成氧化层后的检测晶圆剖面结构示意图;
图7示出了在图6所示的氧化层上形成多晶硅层后的检测晶圆剖面结构示意图;
图8示出了在图7所示的多晶硅层上形成光刻胶层,并将光刻胶层图案化后的检测晶圆剖面结构示意图;
图9示出了对图8所示检测晶圆中的多晶硅层和氧化层进行刻蚀后的检测晶圆剖面结构示意图;
图10示出了在CDSEM机台稳定工作的状态下,采用现有技术中的控制方法和采用本申请的控制方法多次测量得到的关键尺寸的结果比较图;
图11示出了在CDSEM机台稳定工作的状态下,两天内多次采用现有技术中的控制方法测得的关键尺寸变化趋势图;
图12示出了在CDSEM机台稳定工作的状态下,十六天内多次采用本申请的控制方法测得的关键尺寸变化趋势图;
图13示出了2012年11月8日至2012年12月11日,采用现有技术中的控制方法和采用本申请的控制方法测得的关键尺寸的结果比较图;
图14A示出了2012年11月21日晶圆的CDSEM扫描电镜图;
图14B示出了2012年11月25日晶圆的CDSEM扫描电镜图;以及
图15示出了采用本申请另一优选实施方式提供的监控CDSEM机台的方法测量得到的关键尺寸的变化趋势图。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了便于描述,在这里可以使用空间相对术语,如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等,用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是,空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如,如果附图中的器件被倒置,则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而,示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位),并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
正如背景技术所介绍的,现有技术中在测量关键尺寸的同时,难以对CDSEM机台的焦点偏移进行有效监控,为了解决如上的对CDSEM机台焦点偏移难以实现有效监控的技术问题,本申请提出了一种用于检测CDSEM机台的焦点偏移移的检测方法、检测晶圆、检测晶圆的制作方法。
现在,将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而,这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施,并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是,提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整,并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员,在附图中,为了清楚起见,扩大了层和区域的厚度,并且使用相同的附图标记表示相同的器件,因而将省略对它们的描述。
在一种优选的实施方式中,本申请所提供的检测晶圆如图5所示,包括:衬底100、氧化层101、多晶硅层102和TaN层103,其中氧化层101设置在衬底100的上表面上,并形成间隔布置的多个氧化层单元;多晶硅层102设置在氧化层101上,并形成与多个氧化层单元一一对应的具有预定器件宽度的多晶硅层单元;TaN层103覆盖在衬底100裸露的上表面、各多晶硅层单元上表面和侧表面以及各氧化层单元的侧表面上。
本申请所提供的检测晶圆中,在原有的氧化层101和多晶硅层102上设置的TaN层103具有良好的电传导性,因此能够有效避免在长期监控CDSEN机台过程中受到机台电荷效应的影响,使被测的多晶硅层102和TaN层103能够较长时间内保持形状不变,进而在以多晶硅层102和TaN层103作为测量对象时能够得到较为准确的器件宽度;而且,本申请的检测晶圆对CDSEM机台的焦点偏移、光束变化具有较强的敏感性,能够及时发现CDSEM机台的问题,进而保证CDSEM机台工作的稳定性以及测量结果的准确性。
本申请的TaN层103一方面的作用是保护多晶硅层102和衬底100免受机台电荷的影响,因此其厚度越厚应该是越好;另一方面,随着工艺的进行,检测晶圆还需要进行后续其他工艺的加工,因此其厚度又不能太厚,在综合以上两个方面的因素后,本申请优选TaN层103的厚度为
在本申请另一种优选的实施方式中,提供了用于检测CDSEM机台的焦点偏移的检测晶圆的制作方法。该制作方法优选包括:在衬底100上形成氧化层101;在氧化层101上形成多晶硅层102;在多晶硅层102上设置光刻胶层104,并对光刻胶层104进行图形化处理形成光刻胶图案;以光刻胶图案为掩膜对多晶硅层102和氧化层101进行刻蚀,形成间隔布置的多个氧化层单元和多晶硅层单元;在多晶硅层102和衬底100上沉积TaN层103,该TaN层103覆盖在衬底100、各多晶硅层单元上表面和侧表面以及各氧化层单元的侧表面上。
以下将结合附图进一步说明上述检测晶圆的制作过程,需要注意的是,图5至9仅为示意图,其目的在于简洁、清楚地阐述本申请所提出的发明构思。
首先,在衬底100上形成氧化层101形成具有如图6所示剖面结构的晶圆基体,该氧化层101优选氧化硅层,且优选热氧化法或化学气相沉积法形成该氧化层101。本申请优选在上述衬底100上形成氧化层101之前,对衬底100进行预清洁,去除衬底100表面的氧化物或污染物。或者,本申请的衬底100优选为已经完成半导体前道工艺结构的制作工艺的衬底100,其中,半导体前道工艺结构可以包括有源器件结构、无源器件结构等本领域普通技术人员所熟知的结构,衬底100材料选自掺杂或不掺杂的晶体硅。
然后,在图6所示的氧化层101上形成多晶硅层102,形成具有如图7所示剖面结构的晶圆基体,优选采用化学气相沉积法尤其是低压化学气相沉积法形成该多晶硅层102,该多晶硅层102的厚度优选为
在形成多晶硅层102后,优选对图7所示的多晶硅层102和氧化层101进行刻蚀,刻蚀过程可以包括在多晶硅层102上涂覆光刻胶形成光刻胶层104,然后采用光刻、显影对该光刻胶进行图形化,形成如图8所示的光刻胶图案;接着利用光刻胶层104掩膜对多晶硅层102和氧化层101进行刻蚀,将光刻胶图案转移到多晶硅层102和氧化层101上;完成刻蚀后去除光刻胶层104,得到具有如图9所示剖面结构的晶圆基体。上述刻蚀过程优选干法刻蚀。
在完成对多晶硅层102和氧化层101的刻蚀后,在图9所示的多晶硅层102和衬底100上形成TaN层103,得到具有如图5所示剖面结构的检测晶圆。本申请形成TaN层103的优选方法为等离子体增强化学气相沉积法、高密度等离子体化学气相沉积法或原子层沉积法,最优选原子层沉积法。其中,原子层沉积法能够对所形成的TaN层103的厚度形成精确的控制。采用原子层沉积法沉积TaN层的过程包括:向原子层沉积反应腔中通入NH3和钽金属化合物,且以NH3和钽金属化合物通过原子层沉积反应腔作为一个周期,重复周期15~25次,得到厚度为的TaN层103。其中钽金属化合物选自五(乙基甲基氨基)钽、五(二甲基氨基)钽和五(二乙基氨基)钽组成的组中的一种或多种,各周期中NH3的流量为1200~1700sccm,五-二甲基胺钽的流量为400~600sccm。生长左右的TaN层103,大约需要20个周期。
同时,在本申请的又一种优选的实施方式中,提供了一种用于检测CDSEM机台的焦点偏移的检测方法,该检测方法包括:提供上述的检测晶圆;利用所述CDSEM机台测量检测晶圆的器件宽度,该器件宽度为预定器件宽度和覆盖在多晶硅层单元的侧表面上的TaN层的厚度之和,当器件宽度的测量结果出现异常表明CDSEM机台的焦点发生偏移。正如上上述对检测晶圆结构的分析,上述检测晶圆中TaN层103能够有效避免电荷效应对关键尺寸测量的影响,而且对CDSEM机台的焦点偏移、光束变化具有较强的敏感性,即当焦点发生偏移或光束发生变化时,测量得到的关键尺寸就会发生明显变化使得测量结果出现异常,因此,采用上述检测方法能够及时准确反映CDSEM的焦点偏移、光束变化等问题,进而为工作人员提供可靠的监控数据。
同时,申请人通过实验验证了本申请的控制方法的可靠性,具体的验证过程和验证结果如下文所述。
首先,如图10所示,现有技术中在测量检测晶圆中没有被TaN层103覆盖的多晶硅层102的宽度时,随着测量次数的增加,电荷效应的累积,使得多晶硅层102的形状扭曲变宽,因此,所测得的关键尺寸显著增大;而测量本申请检测晶圆中覆盖TaN层103后的多晶硅层102进行测量时,由于TaN层103对电荷效应的屏蔽作用,使得TaN层103没有发生明显变形,因此所测得的关键尺寸的变化相对于现有技术的变化较为平坦。
而且,申请人进一步验证了本申请的检测晶圆在长时间用于监控CDSEM机台时检测结果的准确性。如图11和图12所示,图11示出了两天内多次采用现有技术中的控制方法测得的关键尺寸变化趋势图,由图11可以明显看出,两天内关键尺寸的测量结果由41.5nm左右上升到43.2nm左右,增加了4.1%;图12示出了十六天内多次采用本申请的控制方法测得的关键尺寸变化趋势图,由图12中可以看出,十六天内关键尺寸的测量结果在65.0~65.5左右波动,结果的稳定性大大优于图11的结果。
此外,申请人还验证了本申请关键尺寸的测量结果与CDSEM机台稳定性之间的关系,如图13所示和图14A、图14B所示。图13示出了2012年11月8日至2012年12月11日,采用现有技术中的控制方法和采用本申请的控制方法测得的关键尺寸的结果比较图,其中●表示采用本申请的控制方法测得的关键尺寸,◆表示采用现有技术中的控制方法测得的关键尺寸,由图13可以明显看出,在2012年11月25日,采用本申请的控制方法测量得到的关键尺寸远远脱离正常值的变化范围内,对应到图14B所示的CDSEM给出的扫描电镜图可以看出,在2012年11月25日的扫描电镜图中柱状结构的边缘白色部分变宽,柱状部分和周围区域的边界模糊,说明此时CDSEM的焦点没有对准,相对于图14A焦点对准状态下的扫描电镜图存在明显区别;而图13中采用现有技术中的控制方法得到的关键尺寸并没有出现明显变化,因此,依靠现有技术的控制方法是难以发现CDSEM机台焦点出现偏移的问题的。
申请人为了保证本申请的晶圆在长时间使用时也能具有准确的检监控效果,在本申请另一种优选的实施方式中,上述监控CDSEM的机台的方法还包括还原检测晶圆的TaN层103的过程。通过还原的方式将长时间使用的检测晶圆的TaN层103被氧化的部分还原,进而保证了即使在很长的时间内TaN层103的形状和宽度也保持不变。
进一步地,本申请优选还原TaN层103的过程包括利用混合气体吹扫检测晶圆的TaN层103,其中,混合气体包括还原性气体和惰性气体。利用还原气体将被氧化的金属钽还原,同时利用惰性气体进行保护,避免在还原过程中检测晶圆受到意外损伤。其中,混合气体中还原性气体和惰性气体的比例可以任意混合,如果还原性气体量较少可以适当延长充入时间或增加流量;如果较多则缩短充入时间或减少流量,本领域技术人员可以根据实际情况,通过简单的实验后做出适当的调整。
本申请的混合气体中,优选还原性气体为氢气,惰性气体为氮气。其中氢气的还原性能较强,氮气的惰性也较为理性且价格较低。
在本申请又一种优选的实施方式中,上述混合气体由体积比为3~5:97:95的氢气和氮气组成,吹扫的时间为1~5min,流量为1500~4500sccm。
本申请对上述还原金属钽层的过程对监控效果的影响做出了验证。首先在2012年8月20日对使用了75天左右的检测晶圆的TaN层103进行还原,还原时间为5min,氢气和氮气的体积比为4:96,流量为2500sccm;然后在2012年9月13日继续对该检测晶圆的TaN层103进行还原,还原时间为1min,氢气和氮气的体积比为4:96,流量为2500sccm;并且,在2012年10月11日继续对该检测晶圆的TaN层103进行还原,还原时间为1min,氢气和氮气的体积比为5:95,流量为3000sccm,其中2012年7月23日至2012年10月11日检测晶圆的关键尺寸检测结果如图15所示(纵坐标仅示出到2012年10月9日,但是图中曲线上的最后一个圆点表示的2012年10月11日的检测结果)。由图15中可以明显看出,在对TaN层103进行还原后,所检测得到的关键尺寸结果较为平稳,说明采用上述还原过程对维持监控结果稳定性具有明显效果。
从以上的描述中,可以看出,本申请上述的实施例实现了如下技术效果:
1)、本申请的检测晶圆中TaN层具有良好的电传导性,因此能够有效避免在长期监控CDSEN机台过程中,受到机台的电荷效应的影响,使被测的多晶硅层和TaN层能够较长时间内保持形状不变,进而在以多晶硅层和TaN层作为测量对象时能够得到较为准确的器件宽度;
2)、本申请的检测晶圆对CDSEM机台的焦点漂移、光束变化具有较强的敏感性,能够及时发现CDSEM机台的问题,进而保证CDSEM机台工作的稳定性以及测量结果的准确性。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已,并不用于限制本申请,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种用于检测CDSEM机台的焦点偏移的检测晶圆,其特征在于,所述检测晶圆包括:
衬底;
氧化层,设置在所述衬底的上表面上,并形成间隔布置的多个氧化层单元;
多晶硅层,设置在所述氧化层上,并形成与所述多个氧化层单元一一对应的具有预定器件宽度的多晶硅层单元;
TaN层,覆盖在所述衬底裸露的上表面、各所述多晶硅层单元上表面和侧表面以及各所述氧化层单元的侧表面上。
2.根据权利要求1所述的检测晶圆,其特征在于,所述TaN层的厚度为
3.一种权利要求1所述的检测晶圆的制作方法,其特征在于,所述制作方法包括:
在所述衬底上形成氧化层;
在所述氧化层上形成多晶硅层;
在所述多晶硅层上设置光刻胶层,并对所述光刻胶层进行图形化处理形成光刻胶图案;
以所述光刻胶图案为掩膜对所述多晶硅层和所述氧化层进行刻蚀,形成间隔布置的多个氧化层单元和多晶硅层单元;
在所述多晶硅层和所述衬底上沉积所述TaN层,所述TaN层覆盖在所述衬底上、各所述多晶硅层单元上表面和侧表面、各所述氧化层单元的侧表面。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述TaN层的沉积方法为等离子体增强化学气相沉积法、高密度等离子体化学气相沉积法或原子层沉积法。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,采用所述原子层沉积法形成所述TaN层的过程包括:向原子层沉积反应腔中通入NH3和钽金属化合物,且以所述NH3和所述钽金属化合物通过所述原子层沉积反应腔作为一个周期,重复所述周期15~25次,得到厚度为的TaN层。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述钽金属化合物选自五(乙基甲基氨基)钽、五(二甲基氨基)钽和五(二乙基氨基)钽组成的组中的一种或多种,各所述周期中所述NH3的流量为1200~1700sccm,所述钽金属化合物的流量为400~600sccm。
7.一种用于检测CDSEM机台的焦点偏移的检测方法,其特征在于,所述方法包括:
提供权利要求1或2所述的检测晶圆;
利用所述CDSEM机台测量所述检测晶圆的器件宽度,所述器件宽度为所述预定器件宽度和覆盖在所述多晶硅层单元的侧表面上的TaN层的厚度之和,当所述器件宽度的测量结果出现异常表明所述CDSEM机台的焦点发生偏移。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述方法还包括还原所述检测晶圆的TaN层的过程。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述还原TaN层的过程包括利用混合气体吹扫所述检测晶圆的TaN层,其中,所述混合气体包括还原性气体和惰性气体。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述还原性气体为氢气,所述惰性气体为氮气。
11.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,所述混合气体由体积比为3~5:97:95的所述氢气和所述氮气组成,所述吹扫的时间为1~5min,流量为1500~4500sccm。
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