JP4889722B2 - マイクロ電子デバイスを形成する方法およびマイクロ電子デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、特にマイクロ電子デバイスの空洞内の真空を維持する分野に関する。さらに本発明は、この空洞に存在する、一般に『ゲッタ』として知られる収着(sorption)素子に関連する。
本発明は特に薄膜状のゲッタに言及し、空洞の製造時に反応性部品を、その性質を変化させずに一時的に保護することを可能にする方法に関する。
すなわち、本発明は、熱処理中に反応して、ゲッタ材料を被覆する保護材料を反応性材料に移動させることに関する。
今日、カプセル化すなわち『パッケージ化』はマイクロシステム、特にMEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)、赤外線探知器等の機械マイクロシステム発展における鍵のひとつである。例えば非冷却共振器またはボロメータのような部品にとって、ほぼ強力な真空下で空洞内の部品を孤立させることが必要である。
カプセル化は、密封した筐体で個別に(チップごとに)または基板レベル(ウェハレベル・パッケージ化)で実施される。これにはハーメチック封止による蓋の移動、または薄膜蒸着技術を用いてデバイス周辺に密閉空洞の製造等、異なる技術が用いられる。例えばMEM真空密封技術として、ジン・Yほかによる論文、2003年IEEE電子パッケージ技術会議301から306ページ「MEMS真空パッケージ技術ならびに応用」に記載されている。
部品の稼動寿命を通して空洞内の真空を維持するために、通常、残存ガスを自然に確実に揚水するための『ゲッタ』材料として知られる材料を該部品に加える。バリウム、マグネシウム、アルミニウム、トリウム、バナジウム等、ゲッタ特性を持つ様々な金属がある。特に、集積技術に非常に広範に用いられるチタンは、当該分野の当業者にとって周知である。
ゲッタはいくつかのカテゴリに分類され、各々が異なる手法によって導入される。物理的ゲッタおよび化学的ゲッタはそれぞれ2つに分かれる。化学的蒸発性ゲッタは、例えば、空洞が密封されると真空下で蒸発し、真空を維持したい空洞の壁に凝結する材料である。このように形成された膜は非常に反応性が高く、そのままでポンプを形成する。バリウムおよびアルミニウム/バリウム合金は主に蒸発性ゲッタとして、例えばCRT(陰極線管)に使用される。別の蒸発性ゲッタポンプとして、チタンまたはチタンとモリブデンの合金がポンプ本体の冷却した壁上で昇華、凝結されたチタン昇華ポンプ(TSP)がある。
同時に、化学的非蒸発性ゲッタ、即ちNEGがある。主にジルコニウム、バナジウム、鉄またはチタンをベースにした合金がある。NEGは固体にとどまり、適当な熱処理によって活性化され、その後吸収および/またはH、CO、N、CO、O等の特定のガスを吸収してもよい。
例として、サエス・ゲッター社が種々のNEGを商品化している。St122はチタンベースの合金であり、St707はZrVFe合金(ジルコニウム70%、バナジウム24.6%、鉄5.4%)である。これらを金属基板上の薄膜にシルクスクリーン印刷によって蒸着する。MEMSアプリケーションでは、これらのゲッタは一般に配置および接着によって集積される(『ピック・アンド・プレイス』型手法)。
現在、化学的非蒸発性ゲッタは、非冷却マイクロシステムまたはボロメータのパッケージ化によく用いられる。化学的非蒸発性ゲッタを基板に取り付けられる蓋に設けられた空洞に配置、接着する。別の手法として、薄膜形態のゲッ材料を蓋へ直接蒸着する(国際特許公開公報第02/42716号参照)。ゲッタは、共に溶融する封入用のビードとしても機能する膜にはんだ付けしてもよい。
薄膜に蒸着されたNEGの場合、空洞密封工程の前または間の『真空破壊』段階に飽和が起きる、すなわち制御雰囲気を維持できないという問題がある。まさに、収着層の外付け部がMEMSカプセル化方法の大気暴露時に反応し、飽和することによってその『ゲッタ』能力を制限する可能性がある。ゲッタ材料は加熱によって再生可能ではあるが、マイクロデバイスの製造過程に収着素子を飽和させないため、および/またはその能力を劣化させないために、その表面を密封して保護することが好ましい。
膜状のゲッタ材料の存在に関連する別の問題として、この膜が特定の従来のマイクロ加工技術(例えば、特定の樹脂、化学的または反応性エッチングを用いる場合等)と互換性がなく、製造方法の選択可能範囲を制限することが挙げられる。
解決策として、アメリカ特許公開公報第2003/0138656号は、ゲッタ材料を真空破壊時に保護する役割を果たす非反応膜で被覆することを提案している。続く熱処理によってゲッタ材料は非反応膜内に拡散され、完全にそのポンプ(吸着)機能を果たす。しかしながら、非反応性材料におけるゲッタ材料の拡散は吸着性を減少させてしまう。
したがって、MEMS空洞に集積されている間、収着素子を保護する問題は解決されていない。
ポンプ(吸着)機構ならびに薄膜形態のゲッタの作用の理解に基づき、本発明はポンプをマイクロシステムに集積することによって、特定の圧力でのポンプの稼動寿命を延長させる低コストな方法を提供する。
本発明の一形態に基づく方法は、収着素子を空洞、特にマイクロ電子またはマイクロ加工デバイスに、好ましくは厚さ0.1から10マイクロメータの、例えばチタンのゲッタ材料で構成される薄膜の部分形態で導入する。空洞はさらにマイクロ電子部品、MEMS、ボロメータ、その他の部品を備えてもよく、その動作は収着素子を制御雰囲気ならびにほぼ強力な真空下で空洞に配置することが推奨される。
反応性材料は、空洞に、好ましくはゲッタ材料からノンゼロ距離で、同じ壁または対向する壁に、または空洞密封ビードとして設置される。反応性材料は収着素子と異なる構造を有しても良い。周りに連続的な枠を形成する、部分的にのみ囲む、ゲッタ材料の周囲に広がる異なる反応ブロックを備える、または部分的に前記ゲッタ材料を被覆しても良い。
さらに、ゲッタ材料を少なくとも部分的に、好ましくは全体的に保護材料で被覆する。これは厚さ0.1から10マイクロメータの蒸着された膜状の保護材料でもよい。その材料はゲッタ材料に対して不活性、すなわち安定的で非湿潤である。
本発明に記載の方法は、空洞の密封時または空洞を真空下に配置後、アセンブリの温度を上昇させて、保護材料と反応性材料とを反応させることにある。保護材料は『吸引』または『消費』によって反応材料に向かって移動て、その場所にとどまるもしくは集積る。そのためゲッタ材料は保護材料に被覆されなくなり、少なくとも部分的に除去される。保護材料を除去してゲッタ材料を解放するために保護材料の移動は、好ましくは200から500℃の間で行われる。
保護材料の除去は主に、保護材料および反応性材料の一方を融解することによって達成される。例えば、反応性材料は、温度上昇時に例えば金、銀またはプラチナの保護材料と反応し、消費されることによってゲッタ材料を解放するスズベースの合金またはAu/Si合金のような可溶性材料とすることができる。可溶性反応材料は好ましくは、湿潤材料と一体化して位置を変えず、ゲッタ材料または活性化合物を変化させない。反応性材料は、低温でまたは融解温度に達したときにのみ、保護材料と接触させてもよい。
逆に、保護材料、特に、温度が上昇除去温度に達すると融解するスズベースの合金を備えてもよい。この場合、保護材料が溶けて反応性材料に引き寄せられ、ゲッタ材料放するために、反応性材料は、例えば金に対して湿潤であることが好ましい。保護材料はさらに第2の材料を備えてもよく、例えば2層にして、移動する間、可溶性材料によって運ばれるようにしてもよい。
本発明に基づく別の形態は、上述の方法から中間または最終手順で分岐する装置に関する。
本発明の特徴および利点は、添付する図面とともに以下の詳細な説明を読むことによって最も理解される。図面は例示のためにのみ提供されたものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
図1Aに概略を示すマイクロデバイス1は、カプセル化前に通常、例えばシリコン等の半導体材料で形成された基板2を備え、基板2上には活性化合物4が配置されている。例えばガラス製または半導体材料で形成された蓋6はくぼみを有し、蓋6を基板2上に移動することによって、活性化合物4がはめ込まれる空洞8を作ることができる。この空洞は1mmから数cmの直径を有し、活性化合物4はセンサー型マイクロメカニカル・システムであって、懸垂される素子(加速度計、ジャイロメータ、ボロメータ等)を備えてもよい。化合物4は蓋6に配置される、または蓋を異なる方式により基板2に加えてもよいのは明らかである。例えば、蓋6はくぼみがなく平らでもよく、空洞8をはんだビードを付加して作成してもよい。基板2はくぼみがあってもよい。
さらに、空洞8はゲッタ材料10を収容する。ゲッタ材料はZr、V、Fe、Tiベースの合金、またはBa、Mo、Mg、Al、Th、Ti、Zr、Va、Fe、Pd、または吸着力を有するその他の材料をベースとする金属域を備えてもよい。収着力の高いチタンが好ましい。
ゲッタ材料は好ましくは、薄膜状に配置し、例えば真空状態で蒸発またはスパッタする、厚さ100nmから10μmの薄膜が有利である。スパッタの場合、その方法は、蒸着時に取り込まれ、保温段階で空洞8内に放出可能な中性ガスの量を減らすように構成される。図解した通常の実施形態において、ゲッタ材料10の膜は、活性化合物4を備える壁に直面する空洞8の壁に、すなわちこの場合、蓋6に蒸着されるが、たとえば化合物4に隣接するゲッタ材料10で、代替が可能であることは明らかである。または活性化合物4の一部例えば加速度計の懸垂された素子等に配置されてもよい。
蓋6が基板2に移動されると、ゲッタ材料10を蒸着する間使用される真空を維持するのは難しい。 ゲッタ材料10の保護を達成し、それによって空洞8の制御雰囲気下に配置される前の飽和を回避するために、ゲッタ材料10は保護材料12によって被覆される。保護料12で部分的にゲッタ材料を被覆してもよいが、全体的に被覆すると効果的である。すなわち、保護材料12の表面積はゲッタ材料10の表面積より大きく、それを包含する。保護材料12をゲッタ材料の膜上に自然に、すなわち真空を破壊せずにゲッタ材料蒸着装置に蒸着すると有利である。
保護材料12は、1または数段階で蒸着してもよい。例えばゲッタ材料10を局在させるために、ゲッタ材料をエッチングする段階、つまり保護層積重を実行しても良い。エッチング後、エッチング側のレベルで、むき出しのゲッタ材料を保護するために別の保護材料12蒸着を行うと有用である。
保護材料12はゲッタ材料10と相互作用しないように選択される。特に保護材料12は安定性がありゲッタ材料を保護するために正確に被覆することができる。厚さはその性質次第であるが、完全に除去可能とするために約0.1から1μmの薄さが好ましい。
保護材料はさらに、熱処理時の反応性によって選択される。特に空洞8の温度を上昇し、除去温度に達するまたはそれを超えることを可能にすると、保護材料12は、物理的に移動する反応性材料14と反応することによってゲッタ材料10の表面を放することができる。空洞8の密封時または後、真空が空洞8内に導入され、これが維持される間、温度を上昇させる。
図1に示すとおり、保護材料12は反応性材料14と接触している。保護材料12の除去温度以上で、反応性材料14は、後述の図1Bで明らかにされるようにクリープまたは消費によって、保護材料12を『吸い上げるあるいは引き付ける』。保護材料12および反応性材料14はゲッタ材料10上であまり濡れない(湿潤されない)ことが有利である。このことはまた、Tiは多くの合金に対して非湿潤のため、ゲッタ材料にチタンを使用することを有利にする。
保護材料12はしたがって、ゲッタ材料10を漸進的に解放し、図1Cのマイクロデバイス1となる。図1Cにおいて、解放されたゲッタ材料10は、ほぼ強力な真空が広がり、素子16を備える空洞8内で活性化合物4と対向する。素子16は反応性材料14および保護材料12のほぼ均質の混合物から構成される。
保護材料を移動させて、保護材料12を除去するために別の解決策を想定してもよい。
特に、図2に図示するとおり、保護材料12を材料を局所的に融解することによって消費させることができる。温度上昇時、除去温度で融解する反応性材料14は変形して、ドロップ14’を形成する(図2B)。ドロップ14’は、融解材料の性質に従って、材料、例えば保護材料12と接触して引き寄せてもよい。 保護材料12は従って反応性材料14の近くにあって、反応性材料14がドロップ形状のときに接触するように配置される。好ましくは、反応性材料の融点より低い温度であっても隣接させる。
保護材料12と反応性材料14の対としては多くの可能性がある。特にAu、AgまたはPtのような貴金属が保護材料12の好適なである。これら薄膜状に蒸着されると、非常に安定性があり、反応合金14によって非常に容易に消費される。特にAu/Si合金またはスズベース合金例えばSn/Bi、Sn/PbIn/Sn、Sn/Pb、Sn/Pb/Ag、Sn/Ag等が挙げられる。ただし、吸着できる材料または反応性合金がある場合は、保護材料12は他の卑金属材料で形成してもよい。例えば銅、アルミニウム、またはAl/Au/Siを使用してもよい。
この場合、反応性材料14は可溶性であるが、事前に反応性材料14が導入される湿潤材料18を膜状に設定しておくことが望ましい。保護材料12が消費される間に融解すると、反応性材料からなるドロップ14’はその位置にとどまり、ゲッタ材料10から分離される。金はもっとも広範に用いられる湿潤材料18であり、一般にTi/Ni/AuまたはTi/Pd/Auの3層に蒸着される。チタンが結合膜として、ニッケルまたはパラジウムが拡散障壁として作用する。
例えば、図2Aに示すような素子として、厚さ100nmから10μmのチタン膜10を真空下で蒸着(蒸発またはスパッタリングによって)し、その後、真空を破壊する前に、一般的な厚さ100nmから1μmの金の膜12を真空下で蒸着(蒸発またはスパッタリングによって)することによって被覆する。本実施形態において、ゲッタ材料の位置を規定するためにパターニングを作成してもよい。このパターニングは従来のマイクロ電子方法、特に蒸着手順、フォトリソグラフィ、エッチング等によって形成される。湿潤材料18はその後、Ti(結合膜)、Ni(拡散障壁)ならびにAu(湿潤膜)を、例えば蒸
発、スパッタリングまたは電着によって連続して蒸着することによって配置される。各単分子層は、事例により異なるが、一般に0.1から1μmである。湿潤材料18上には、共晶合金Au/Sn(80/20%)、厚さ約100nmから10μmの膜14が蒸着(蒸発、スパッタリングまたは電着)される。パターニングを作成してもよい。
この例において、保護材料12の反応性材料14による吸着条件は、数秒から数分間の280℃をえるアニールであって、図2Aに示す化合物から図2Cに示す化合物へと通過する。当然のことながら、ゲッタ材料10および/または保護材料12の前に湿潤材料18または反応性材料14を導入することが想定される。
図3に示す通り、保護材料12自体を除去温度で可溶にすることができる。保護材料12は、表面張力によって事前に規定された反応性湿潤材料に向かって移動する。もう一度、多くの可溶性合金/湿潤膜の対が可能である。例として、ゲッタ材料に用いられるほとんどの材料、特にチタンに対しては非湿潤であるが、金のような反応性材料14に対しては非常に湿潤であるため、合金12、Sn/PbまたはSn/Agが特に望ましい。反応性湿潤材料14は上述したとおり、一般的にTi/Ni/AuまたはTi/Pd/Auの3層に蒸着される。
図3Aに基づくデバイスの実施形態は、真空下に蒸着(蒸発またはスパッタリングによって)された厚さ100nmから10μmのチタン膜10を備える。実施形態によっては、パターニングを作成してもよい。反応性湿潤材料14は、このときまたは事前に、Ti(結合膜)、Ni(拡散障壁)ならびにAu(湿潤膜)を、例えば蒸発、スパッタリングまたは電着によって、連続して蒸着することによって配置される。各単層は、通常0.1から1μmである。選択したパターニング次第であるが、湿潤材料14のパターニングがあってもよい。2つの部分、即ち、ゲッタ材料10および反応性材料14は真空が破壊される前に、合金Sn/Ag(96.5/3.5%)、一般的な厚さ100nmから1μmの保護材料12を真空下(蒸発またはスパッタリングによって)で、蒸着することによって被覆される。
この例において、図3Bに示す異質の材料16を形成するための保護材料12の反応性材料14による吸着条件は、数秒から数分間の200℃をえるアニールである。
保護材料12はさらに、消費可能な『不活性』保護の役割を果たす金のような膜12’と図4に示す可溶性材料12’’の双方から構成してもよい。反応性材料14は湿潤材料を備え、温度の上昇は、保護材料12の可溶性材料12’’を湿潤反応性材料14に向かって浮動させる。同時に不活性膜12’は消費される。他の構造も可能である。
反応性材料14は、ゲッタ材料の片側に配置した例を示したが、実際は、図5、6、7に示すように様々な構成が可能である。表示した枠内のゲッタ材料10は、50μmから1cmの辺cの膜を形成する。保護材料12は ゲッタ材料10を完全に被覆し、各辺上にゲッタ材料10を越えて伸びる。反応性材料14は、約10μmから1mmの幅lの細長状に形成され、ゲッタ材料から約数ミクロンの距離d分離れている。別の実施形態では、反応性材料がゲッタ材料10と反応しない場合は、前者を後者に隣接して配置するもしくは、重なり合わせてもよい(図7)。反応性材料14は、全体的(図5)または部分的(図6)にゲッタ材料10を囲む、または透かしのネットワーク状に配置してもよい。A、B、Cの手順は図1の手順を繰り返し、ゲッタ材料10の解放と保護材料12の移動を示している。ゲッタ材料10の大きさおよび性質、到達した除去温度、他のものから除去する際の反応速度に依存して、他の構成が可能であることは明らかである。
図8に示す具体例は、共融封入のための空洞8の密封ビードとしても機能する反応性材料14に関する。空洞8の密封を保証するために、Au/Si、Sn/PbまたはSn/Agのビード20は、蓋6が基板2に戻されると熱せられる。同時に、ゲッタ材料10を保護するため、事前に蒸着される金の膜12を消費する。
特に、保護材料12が融解する反応性材料14によって消費される場合、保護材料12を塗布したゲッタ材料10と対向する空洞8の壁に、特に基板2に反応性材料14を配置することも想定される (図9A参照。反応性材料14(例えばAu/Si、Sn/PbまたはSn/Ag)を湿潤材料18に導入して活性域4の汚染を避けることが望ましい。また、この湿潤材料18を限られた大きさにして、湿潤材料18にドロップ14’を形成する、融解する反応性材料14をこの時点で集結し、保護材料12(例えば金)と接触させて、それを消費する(図9B)。2つの保護材料12および反応性材料14は周辺温度において接触せず、融解温度に達するまたは超えると隣接するだけであることが好ましい。
本発明に基づく方法は特に利用が容易であって、コストのかかるカプセル化技術への変更も必要としない。特に、保護材料の除去は、空洞の密封と平行して実施でき、温度を上昇させることによって、通常、ゲッタ材料の再生を伴う。本方法は、ゲッタ材料の量を最適化することによって、空洞の1つまたは必要に応じて数個の表面に、直接蒸着された薄膜の利用を可能にするものである。
図1Aから1Cは、本発明に記載されるゲッタ材料の保護状態を示す。 図2Aから2Cは、本発明に記載される方法の好ましい実施形態を示す。 図3Aおよび3Bは、本発明に記載される方法の別の好ましい実施形態を示す。 図4は、本発明に記載される方法の別の好ましい実施形態を示す。 図5は、本発明に記載されるゲッタ材料の保護状態の図示可能な構造を示し、指数A、B、Cはゲッタ材料の解放時の保護状態の手順を示す。 図6は、本発明に記載されるゲッタ材料の保護状態の図示可能な構造を示し、指数A、B、Cはゲッタ材料の解放時の保護状態の手順を示す。 図7は、本発明に記載されるゲッタ材料の保護状態の図示可能な構造を示し、指数A、B、Cはゲッタ解放時の保護状態の手順を示す。 図8は本発明に記載されるゲッタ材料の保護状態の代替の実施形態を示す。 図9Aおよび9Bは本発明に記載されるゲッタ材料の保護状態の代替の実施形態を示す。

Claims (20)

  1. ゲッタ材料(10)が位置決めされる空洞(8)を備えるマイクロ電子デバイスを形成する方法であって、
    空洞(8)内に、ゲッタ材料(10)と、反応性材料(14)と、前記ゲッタ材料の少なくとも一部を、埋没するように被覆する保護材料(12)とを膜の形態で形成し、
    前記保護材料(12)を反応性材料(14)と反応させて保護材料を除去する除去温度に前記空洞の温度を上昇させ、
    前記ゲッタ材料(10)の少なくとも1部分が前記保護材料(12)に被覆されなくなるように、前記保護材料(12)と前記反応性材料(14)との間の反応によって、前記保護材料(12)を前記ゲッタ材料から前記反応性材料(14)に向かって移動させることを特徴とするマイクロ電子デバイスを形成する方法。
  2. ゲッタ材料(10)は、厚さ100nmから10μmの間の薄膜状に形成されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 保護材料(12)は、厚さ100nmから10μmの間の薄膜状に形成され、ゲッタ材料(10)を全体的に被覆することを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記保護材料(12)は安定的であって、前記ゲッタ材料に対して非湿潤であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 前記ゲッタ材料(10)はチタンであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の方法。
  6. 前記除去温度は、200から500℃であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記反応性材料(14)は前記除去温度で可溶する材料であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 前記反応性材料(14)は、前記保護材料を移動する前に湿潤材料(18)上に少なくとも部分的に配置されることを特徴とする請求項7に記載の方法。
  9. 前記保護材料(12)は、Au、Ag、Ptから選択され、前記反応性材料(14)はAu/Si合金またはスズをベースとする合金から選択されることを特徴とする請求項7または8に記載の方法。
  10. 前記保護材料(12)は前記除去温度で融解する可溶性材料から成ることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の方法。
  11. 前記反応性材料(14)は前記可溶性保護材料(12)のための湿潤材料であり、保護材料は、融解するとき、ゲッタ材料から除去されるように反応性材料によって引きつけられることを特徴とする請求項10に記載の方法。
  12. 前記保護材料(12)は、Sn/Pb、Sn/AgおよびSn/Auのようなスズベースの合金から選択され、前記反応性材料(14)は金であることを特徴とする請求項10または11に記載の方法。
  13. 前記反応性材料(14)は、ゲッタ材料(10)と空洞(8)の同じ壁に配置されることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の方法。
  14. 前記反応性材料(14)は、前記ゲッタ材料(10)を支える壁と対向する空洞 (8)の壁に配置されることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の方法。
  15. 前記反応性材料(14)は、ゲッタ材料(10)を囲むリング状であることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載の方法。
  16. 前記反応性材料(14)は、ゲッタ材料(10)を部分的に被覆する数個の反応ブロックを備えることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載の方法。
  17. 前記反応性材料(14)は前記空洞(8)の少なくとも1つの壁(20)を構成することを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の方法。
  18. 温度を上昇する前または間に、前記空洞(8)を密封する段階をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至17のいずれか1項に記載の方法。
  19. 前記空洞(8)はマイクロ電子デバイスの活性化合物(4)をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至18のいずれか1項に記載の方法。
  20. 反応性材料(14)とゲッタ材料(10)とが配置される空洞(8)を備え、前記ゲッタ材料(10)は、前記反応性材料と反応可能な保護材料(12)によって少なくとも部分的に被覆され、前記空洞の温度を前記保護材料を融解する除去温度に上昇させたとき、前記保護材料は、前記反応性材料と反応して該反応性材料と混合物を形成するためゲッタ材料から反応性材料に向かって移動させることを特徴とするマイクロ電子デバイス(1)。
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