JP2002053965A - 薄膜蒸着用反応容器 - Google Patents

薄膜蒸着用反応容器

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ウェーハに均一な薄膜を蒸着する反応容器を
提供する。 【解決手段】 ウェーハ（Ｗ）はリアクターブロック
（１１０）内のウェーハブロック（１４０）上に載置さ
れる。シャワーヘッド板（１２０）はリアクターブロッ
クを覆って反応室を区画し、反応室の圧力をほぼ一定に
保つ。第１反応ガスは第１連結ライン（１２１）を通っ
てシャワーヘッド板に供給される。第２反応ガスは第２
連結ライン（１２２）を通ってシャワーヘッド板に供給
される。シャワーヘッド板の下面に設けられた拡散板
（１３０）はウェーハの上面に対向するように形成され
た複数の噴射口（１３１）と、リアクターブロックの内
側面に向かって傾斜して形成された複数のノズル（１３
３）を有する。第１反応ガスは複数の噴射口（１３１）
から反応室内に噴射され、第２反応ガスは複数のノズル
（１３３）から反応室内に噴射される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造装
置に関し、例えば、半導体ウェーハに薄膜を蒸着するた
めの薄膜蒸着用反応容器に関する。
【０００２】
【従来の技術】薄膜蒸着用反応容器は、その内部に各種
の反応ガスを流入させることにより、ウェーハ上に所定
の薄膜を形成する装置である。
【０００３】このような反応容器は、高集積度の半導体
チップを製造するために、かつ、製造工程の効率及び生
産性を高めるために持続的な改善がなされつつある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に鑑
みてなされたものであり、その目的は、ウェーハ上に、
高純度、優れた電気的な特性、及び、優れたステップカ
バーレッジを有する薄膜を蒸着する半導体薄膜蒸着用反
応容器を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明による半導体薄膜蒸着用反応容器は、ウェー
ハを収容するリアクターブロックと、前記リアクターブ
ロックを覆って前記リアクターブロック内の圧力を所定
値に保つシャワーヘッド板と、前記リアクターブロック
に設けられ、前記ウェーハが置かれるウェーハブロック
と、前記リアクターブロックに形成されてリアクターブ
ロックの内部のガスを外部に排出する排気部とを備え
る。反応容器は、前記シャワーヘッド板と連結され、供
給される第１反応ガス及び／又は不活性ガスが流れる第
１連結ラインと、前記シャワーヘッド板と連結され、供
給される第２反応ガス及び／又は不活性ガスが流れる第
２連結ラインと、前記シャワーヘッド板の下部に設けら
れる拡散板であって、前記第１連結ラインと連結され、
供給される前記第１反応ガス及び／又は不活性ガスを前
記ウェーハの上面に向けて噴射するようにそのウェーハ
に対向する位置に形成された複数の噴射口と、前記第２
連結ラインと連結され、供給される前記第２反応ガス及
び／又は前記不活性ガスを前記ウェーハの縁部側に噴射
するように前記リアクターブロックの内側面に向いて形
成された複数のノズルを有する前記拡散板とを含むこと
に特徴を有する。
【０００６】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１実施形態に
従う薄膜蒸着用反応容器１００の分解斜視図であり、図
２は、図１の反応容器１００において、シャワーヘッド
板１２０を別角度から見た斜視図である。
【０００７】図面を参照すれば、薄膜蒸着用反応容器１
００は、ウェーハＷ（図３参照）を収容するリアクター
ブロック１１０と、リアクターブロック１１０にヒンジ
１２８、１２９を介して連結されたシャワーヘッド板１
２０と、シャワーヘッド板１２０の下面に設けられて反
応ガス及び／又は不活性ガスを噴射する拡散板１３０
と、リアクターブロック１１０の内部に設けられ、ウェ
ーハＷが置かれるウェーハブロック１４０とを含む。
【０００８】シャワーヘッド板１２０には、第１接続パ
イプ１１１及び第２接続パイプ１１２と各々接続される
第１連結ライン１２１及び第２連結ライン１２２が設け
られている。第１連結ライン１２１は第１接続パイプ１
１１を通じて供給される第１反応ガス及び／又は不活性
ガスを反応容器１００に流し、第２連結ライン１２２は
第２接続パイプ１１２を通じて供給される第２反応ガス
及び／又は不活性ガスを反応容器１００に流す。
【０００９】リアクターブロック１１０には、第１反応
ガスが流入される第１接続パイプ１１１及び第２反応ガ
スが流入される第２接続パイプ１１２が設けられてい
る。第１,第２接続パイプ１１１、１１２は、接続部１
１３を通じてシャワーヘッド板１２０に設けられた第１
及び第２連結ライン１２１、１２２に各々接続される。
接続部１１３にはＯリング１１３ａが設けられている。
Ｏリング１１３ａにより、シャワーヘッド板１２０がリ
アクターブロック１１０を閉じるときに第１及び第２接
続パイプ１１１、１１２と第１及び第２連結ライン１２
１、１２２とが気密に連結される。他方、シャワーヘッ
ド板１２０が回動してリアクターブロック１１０を開放
するときには、第１及び第２接続パイプ１１１、１１２
と第１及び第２連結ライン１２１、１２２とが分離され
る。リアクターブロック１１０と閉じられたシャワーヘ
ッド板１２０により反応室が区画される。
【００１０】リアクターブロック１１０の底面には、不
活性ガス及び／又は反応ガスを排出するための２つ以上
の排気ホール１１７、１１８が対称的に形成されている
（図７参照）。リアクターブロック１１０の上部には、
シャワーヘッド板１２０を閉じるとき、リアクターブロ
ック１１０とシャワーヘッド板１２０との間の密封が確
実になされるようにメインＯリング１１４が設けられ
る。
【００１１】シャワーヘッド板１２０はリアクターブロ
ック１１０を覆って反応室の圧力をほぼ一定に保つ。シ
ャワーヘッド板１２０がリアクターブロック１１０を覆
ったときに、拡散板１３０はリアクターブロック１１０
の内部（反応室）に位置する。
【００１２】図３は、図１の反応容器１００の断面図で
あり、図４は、図３の第１混合部の拡大断面図であり、
図５は、図３の第２混合部の斜視図であり、図６は、Ｔ
ｉＮ薄膜の形成時に、間隔Ｄと比抵抗との関係を示した
グラフである。
【００１３】図面を参照すれば、拡散板１３０はシャワ
ーヘッド板１２０の下面に設けられており、薄膜蒸着工
程時にガスを反応室内に噴射する。拡散板１３０には、
第１連結ライン１２１と連結され、ウェーハＷの上面に
向けて第１反応ガス及び／又は不活性ガスを噴射する可
能にそのウェーハＷの上部に対向する複数の噴射口１３
１が形成されている。また、第２連結ライン１２２と連
通された流路１３２と連結され、第２反応ガス及び／又
は不活性ガスをリアクターブロック１１０の内側面に向
けて噴射する複数のノズル１３３が形成されている。複
数のノズル１３３から噴射されたガスは、リアクターブ
ロック１０の内側面からウェーハＷの縁部へと流れる。
【００１４】拡散板１３０は、第１連結ライン１２１と
複数の噴射口１３１とが連結される第１拡散板１３０ａ
と、第２連結ライン１２２と複数のノズル１３３とが連
結される第２拡散板１３０ｂとで構成される。第１拡散
板１３０ａは少なくとも５ｍｍ以上の厚さを有するのが
望ましい。これにより第１拡散板１３０ａの高温での変
形（反り）が低減される。また、噴射口１３１は、ウェ
ーハブロック１４０から伝わる熱エネルギーがシャワー
ヘッド板１２０に一様に伝わるように、噴射口１３１は
所定の内径を有する上段部及びその上段部よりも小径の
下段部を有するのが望ましい。これにより、拡散板１３
０の過熱を防止することができる。噴射口１３１は、上
段部と下段部との間に形成される階段部を有するのがさ
らに望ましい。この場合、噴射口１３１と隣接する噴射
口１３１との間の第１拡散板１３０の断面は凸状とな
る。第１実施形態において、拡散板１３０は第１拡散板
１３０ａと第２拡散板１３０ｂとで構成されているが、
第１拡散板１３０ａと第２拡散板１３０ｂは一体形成さ
れていてもよい。
【００１５】第１拡散板１３０ａの上面の中心には、図
３及び図４に示されたように、前記噴射口１３１に連通
する第１混合部１３４が形成されている。第１拡散板１
３０ａでは、第１反応ガス及び不活性ガスが均一に混合
される。第１連結ライン１２１から供給された第１反応
ガス及び不活性ガスは第１混合部１３４で渦巻いて混合
される。混合されたガスは、全ての噴射口１３１から均
一にウェーハＷの上面に噴射される。
【００１６】噴射口１３１は、図２ないし図４に示され
たように、第１混合部１３４に対応する第１拡散板１３
０ａの下部には形成されていない。そして、噴射口１３
１が形成された第１拡散板１３０ａの全体の面積は、望
ましくは、噴射されるガスがウェーハＷの全面に均一に
噴射されるように、ウェーハＷの面積よりも大きい。
【００１７】望ましくは、各噴射口１３１の直径は１ｍ
ｍ〜２．５ｍｍの範囲である。この直径範囲は何回かに
亘る実験から得られたものであり、この範囲内であれ
ば、ウェーハＷ上に優れた特性を有する薄膜が蒸着され
る。また、噴射口１３１の数は直径に応じて約１００〜
１０００個であることが望ましい。第１実施形態におい
ては、１６０個以上の噴射口１３１が形成されている。
【００１８】ノズル１３３は第２混合部１３５を中心と
して放射状に形成された流路１３２と連通されており、
図３に示されたように、リアクターブロック１１０の内
側面に向かうように斜めに形成されている。望ましく
は、ノズル１３３の数は３０〜１００の範囲にある。第
１実施形態においては、ノズル１３３の数は４８個であ
る。
【００１９】一方、第２連結ライン１２２とシャワーヘ
ッド板１２０との間には、図３及び図５に示されたよう
に、第２反応ガス及び不活性ガスを均一に混合するため
の第２混合部１３５が設けられている。第２混合部１３
５は補助拡散板１３５ａを有し、この補助拡散板１３５
ａには穴１３５ｂが形成されている。補助拡散板１３５
ａは図面に示された構造だけではなく、ガスを混合でき
る構造であれば、各種に具現できる。
【００２０】リアクターブロック１１０の内部に設けら
れるウェーハブロック１４０はウェーハＷを支持する。
ウェーハブロック１４０は、蒸着工程中、ウェーハＷを
所定の温度に加熱するヒーターＨを有する。
【００２１】拡散板１３０とウェーハブロック１４０と
の間の間隔Ｄは２０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲にあることが
好ましい。図６は薄膜蒸着時に、間隔Ｄと形成された薄
膜の比抵抗との関係を示したグラフである。図６から、
間隔Ｄが３０ｍｍである場合に比抵抗が最も低いことが
分かる。しかし、例えば、第１及び第２反応ガスの種類
及び流量、ウェーハブロック１４０の温度などの他の条
件に応じて、最低の比抵抗値は間隔Ｄが略２０ｍｍ〜５
０ｍｍの範囲内において変化する。このことから、間隔
Ｄは、優れた特性の薄膜を形成する上で重要な因子であ
ることがわかる。
【００２２】従来のＣＶＤ反応容器の場合、反応ガスを
噴射する拡散板とウェーハが置かれるウェーハブロック
との間隔は略５０ｍｍ以上〜１００ｍｍである。従っ
て、第１実施形態の間隔Ｄが従来技術における値より小
さいことがわかる。本発明においては、従来に比べて間
隔Ｄが狭いため、噴射口１３１から噴射される第１反応
ガス及び／又は不活性ガスの噴射圧力によってウェーハ
Ｗ上に密な第１反応ガス層が形成され、この第１反応ガ
ス層は以降に流入される第２反応ガスと反応してより高
純度及び電気的特性に優れた薄膜を形成可能にする。
【００２３】ウェーハブロック１４０の外側にはポンピ
ングバッフル１５０が設けられる。ポンピングバッフル
１５０は、ウェーハブロック１４０の外側部に設けられ
た側壁１５０ａと、対称的に形成された穴１５０ｃを有
する底壁１５０ｂとを含む。ポンピングバッフル１５０
の底壁１５０ｂの下方、すなわち、リアクターブロック
１１０の底面には、排気ラインと連結されたドーナツ状
のポンピングポート１１５が形成されている。
【００２４】ポンピングバッフル１５０の側壁１５０ａ
及び底壁１５０ｂはリアクターブロック１１０の内側面
に向けて噴射される第２反応ガス及び／又は不活性ガス
をウェーハＷ上に形成された第１反応ガス層とより均一
に反応可能にする空間を与える。薄膜蒸着工程において
排出される副産物及び薄膜蒸着に利用されなかったガス
は穴１５０ｃを介して反応室から排出される。また、ガ
スは排気ホール１１７、１１８（図７参照）を経由し、
ポンピングポート１１５を通じて反応容器１００から排
出される。第１実施形態では、穴１５０ｃ、ポンピング
ポート１１５及び排気ホール１１７、１１８により排気
部が形成される。
【００２５】一方、薄膜蒸着工程では、反応室の圧力は
１Ｔｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒの範囲内に保つ必要がある。
このような圧力を観察及び制御するために、反応容器１
００には圧力測定部（図示せず）が設けられる。
【００２６】薄膜蒸着用反応容器１００の内部及び外部
にはヒーターＨが設けられていて、薄膜蒸着工程が行わ
れる時に反応容器１００を加熱する。例えば、ＴｉＮ薄
膜蒸着工程に際し、リアクターブロック１１０の内部表
面の温度は約１２０℃〜２００℃の範囲に、そして拡散
板１３０は約１５０℃〜２６０℃の範囲に保たれる必要
がある。また、ウェーハブロック１４０は約４２５℃〜
６５０℃の範囲に、そしてポンピングバッフル１５０は
１５０℃〜２３０℃の範囲に保たれる必要がある。
【００２７】前記のような構造の薄膜蒸着用反応容器１
００は、図７に示されたように、ウェーハＷを供給及び
移送する移送モジュール１０２にバット弁１０１を介し
て装着される。ウェーハＷは移送モジュール１０２のロ
ボットアーム（図示せず）によってウェーハ移送通路１
１６を通じて反応室に移送されてウェーハブロック１４
０上に置かれる。このとき、バット弁１０１はその温度
を１４０℃〜１７０℃の範囲に保つ必要がある。
【００２８】ウェーハ移送通路１１６を通じて移送され
たウェーハＷがウェーハブロック１４０上に置かれ、所
定の温度に加熱された状態で、第１反応ガス及び／又は
不活性ガスが第１接続パイプ１１１及び第１連結ライン
１２１を通じて第１拡散板１３０ａの噴射口１３１から
ウェーハＷに向かって噴射される。また、第２反応ガス
及び／又は不活性ガスが第２接続パイプ１１２、第２連
結ライン１２２及び流路１３２を経由し、第２拡散板１
３０ｂのノズル１３３からウェーハＷの縁部側、リアク
ターブロック１１０の内側面に向かって噴射される。第
１及び第２反応ガスはウェーハＷ上に薄膜を形成し、工
程副産物や薄膜蒸着に利用されなかったガスは排気ホー
ル１１７、１１８及びポンピングポート１１５を通じて
反応容器１００の外部に排出される。
【００２９】図８は、本発明の第２実施形態に従う反応
容器１００ａの断面図であり、図９は、本発明の第３実
施形態に従う反応容器１００ｂの断面図である。図８及
び図９において、図３と同一の符号は同一の機能をする
同一の部材を示す。図８の拡散板２３０の底面は凹状で
あり、図９の拡散板３３０の底面は凸状である。
【００３０】薄膜が蒸着されたウェーハＷから製造され
るダイはその電気的特性などが一定でなければならな
い。このために、ウェーハＷの全面には、厚さ、純度、
電気的な特性が一定の膜が蒸着されなければならない。
【００３１】ところで、第１実施形態における反応容器
１００を用いてウェーハＷ上に薄膜を蒸着するとき、第
２反応ガスがリアクターブロック１１０の内側面の方向
に渦巻いた後、ウェーハＷの縁部からウェーハＷの上部
へと流れるため、ウェーハＷの縁部及び中心部において
蒸着される薄膜の厚さ、純度、電気的な特性に差が生じ
る場合がある。したがって。ガス量、工程圧力などの工
程条件を変えてウェーハＷの中心部に対する縁部の薄膜
の厚さ、純度、電気的な特性の差を狭める必要がある。
しかし、このような工程条件の変更にもかかわらず、前
記のような差が低減されない場合がある。
【００３２】第２実施形態の反応容器１００ａでは、拡
散板２３０は凹状の底面を有する。また、第３実施形態
の反応容器１００ｂでは、拡散板３３０はの底面を有す
る。従って、拡散板２３０、３３０とウェーハブロック
１４０との間の間隔ＤはをウェーハＷの中心部と縁部と
で異なっている。これは、薄膜蒸着工程を行うに当たっ
て重要な変数の一つが、拡散板２３０，３３０とウェー
ハブロック１４０との間の間隔Ｄであることに着目した
のである。詳しくは、図１０に示されたように、間隔Ｄ
と蒸着速度とは特定の関係にあるため、間隔Ｄを変更す
ることにより、蒸着される薄膜の厚さや純度、電気的な
特性を制御することができる。すなわち、図８に示され
たように、縁部における間隔を中心部との間隔よりも小
さくするか、或いは図９に示されたように、縁部におけ
る間隔を中心部との間隔よりも大きくすることで、蒸着
される薄膜の厚さ、純度、電気的な特性を所望の値に調
整することができる。
【００３３】第２及び第３実施形態の反応容器１００
ａ、１００ｂによれば、ウェーハ上により均一な薄膜を
形成することができる。
【００３４】
【発明の効果】以上述べたように、本発明による半導体
薄膜蒸着装置は、混合された第１反応ガス及び不活性ガ
スが噴射口を通じてウェーハの上部に噴射されて第１反
応ガス層が形成され、第２反応ガス及び不活性ガスがリ
アクターブロックの内側面に噴射された後ウェーハの上
部に流動しつつ第１反応ガス層と反応することにより、
特に第１反応ガス層及び第２反応ガス層の形成を連続的
でかつ順次的に誘導することにより、ウェーハ上に高純
度、優れた電気的な特性、及び、より優れたステップカ
バーレッジを有する薄膜が形成されるという効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態に従う薄膜蒸着用反応
容器の分解斜視図。
【図２】 図１の反応容器において、シャワーヘッド板
と拡散板とを分離して示した斜視図。
【図３】 図１の反応容器の断面図である。
【図４】 図３の第１混合部の拡大断面図である。
【図５】 図３の第２混合部の斜視図である。
【図６】 ＴｉＮ薄膜蒸着時に、間隔Ｄと比抵抗との関
係を示したグラフである。
【図７】 反応容器が移送モジュールにバット弁を通じ
て結合された状態を示した図である。
【図８】 本発明の第２実施形態に従う反応容器の断面
図である。
【図９】 本発明の第３実施形態に従う反応容器の断面
図である。
【図１０】 薄膜蒸着時に、間隔Ｄと蒸着速度との関係
を示したグラフである。
【符号の説明】
１００，１００ａ，１００ｂ…反応容器、１１０…リア
クターブロック、１１５，１１７，１１８，１５０ｃ…
排気部、１２０…シャワーヘッド板、１２１…第１連結
ライン、１２２…第２連結ライン、１３０、２３０，３
３０…拡散板、１３０ａ…第１拡散板、１３０ｂ…第２
拡散板、１３１…噴射口、１３３…ノズル、１３４…第
１混合部、１３５…第２混合部、１４０…ウェーハブロ
ック、１５０…ポンピングバッフル。

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ウェーハに薄膜を蒸着するための反応容
    器であって、前記ウェーハを収容するリアクターブロッ
    クと、前記リアクターブロックを覆って前記リアクター
    ブロック内の圧力を所定値に保つシャワーヘッド板と、
    前記リアクターブロックに設けられ、前記ウェーハが置
    かれるウェーハブロックと、前記リアクターブロックに
    形成されてリアクターブロックの内部のガスを外部に排
    出する排気部とを備える薄膜蒸着用反応容器において、 前記シャワーヘッド板と連結され、供給される第１反応
    ガス及び／又は不活性ガスが流れる第１連結ラインと、 前記シャワーヘッド板と連結され、供給される第２反応
    ガス及び／又は不活性ガスが流れる第２連結ラインと、 前記シャワーヘッド板の下部に設けられる拡散板であっ
    て、前記第１連結ラインと連結され、供給される前記第
    １反応ガス及び／又は不活性ガスを前記ウェーハの上面
    に向けて噴射するようにそのウェーハに対向する位置に
    形成された複数の噴射口と、前記第２連結ラインと連結
    され、供給される前記第２反応ガス及び／又は前記不活
    性ガスを前記ウェーハの縁部側に噴射するように前記リ
    アクターブロックの内側面に向いて形成された複数のノ
    ズルを有する前記拡散板とを含むことを特徴とする薄膜
    蒸着用反応容器。
  2. 【請求項２】 前記拡散板の底面は、凹状であることを
    特徴とする請求項１に記載の薄膜蒸着用反応容器。
  3. 【請求項３】 前記拡散板の底面は、凸状であることを
    特徴とする請求項１に記載の薄膜蒸着用反応容器。
  4. 【請求項４】 前記拡散板は、前記複数の噴射口を有す
    る第１拡散板と、前記複数のノズルを有する第２拡散板
    とから形成されることを特徴とする請求項１に記載の薄
    膜蒸着用反応容器。
  5. 【請求項５】 前記拡散板の内部の中心に設けられ、か
    つ、前記噴射口に連通する第１混合部であって、前記第
    １反応ガス及び不活性ガスを均一に混合する前記第１混
    合部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の薄
    膜蒸着用反応容器。
  6. 【請求項６】 前記第２連結ラインと前記シャワーヘッ
    ド板との間に設けられるものであって、第２反応ガス及
    び不活性ガスを均一に混合するために補助拡散板に穴が
    形成された構造の第２混合部をさらに含むことを特徴と
    する請求項１に記載の薄膜蒸着用反応容器。
  7. 【請求項７】 前記噴射口が形成された前記拡散板の面
    積は、前記ウェーハのそれよりも大きいことを特徴とす
    る請求項１に記載の薄膜蒸着用反応容器。
  8. 【請求項８】 前記噴射口の直径は、１ｍｍ〜２．５ｍ
    ｍの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の薄膜
    蒸着用反応容器。
  9. 【請求項９】 前記噴射口の数は、１００〜１０００の
    範囲にあることを特徴とする請求項８に記載の薄膜蒸着
    用反応容器。
  10. 【請求項１０】 前記噴射口は、所定の内径を有する上
    段部及びその上段部よりも小径の下段部を含むことを特
    徴とする請求項９に記載の薄膜蒸着用反応容器。
  11. 【請求項１１】 前記噴射口は、前記上段部と下段部と
    の間に形成された階段部をさらに含むことを特徴とする
    請求項１０に記載の薄膜蒸着用反応容器。
  12. 【請求項１２】 前記第１拡散板は少なくとも５ｍｍ以
    上の厚さを有することを特徴とする請求項１０に記載の
    薄膜蒸着用反応容器。
  13. 【請求項１３】 前記ノズルの数は、少なくとも３０〜
    １００の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の
    薄膜蒸着用反応容器。
  14. 【請求項１４】 前記拡散板と前記ウェーハブロックと
    の間隔は、２０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲にあることを特徴
    とする請求項１に記載の薄膜蒸着用反応容器。
  15. 【請求項１５】 前記ウェーハブロックの外周に設けら
    れるものであって、前記ウェーハブロックの側部に配さ
    れる側壁と、前記側壁の下段から外側に延び、複数個の
    穴が形成された底壁を有するポンピングバッフルとをさ
    らに含むことを特徴とする請求項１に記載の薄膜蒸着用
    反応容器。
  16. 【請求項１６】 前記穴は、対称的に形成されているこ
    とを特徴とする請求項１５に記載の薄膜蒸着用反応容
    器。
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