TW201303974A - 製造非晶形半導體層之方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供在基板上製造非晶形半導體層的方法,其係藉由施加重量平均分子量為330-10000 g/mol之EaE'nXm形式的半導體化合物(其中E,E'=Si、Ge;X=F、Cl、Br、I、-C1-C12烷基、-C1-C12芳基、-C1-C12芳烷基、H;m>n+a且a+n≧3),然後將該半導體化合物轉化為非晶形半導體層來進行,其中該轉化係藉由以含氫之處理氣體所產生的電漿處理該半導體層來進行。本發明另外關於由該方法所製造之半導體層,以及關於包含此類半導體層之電子及光電子產品。
Description
本發明係關於在基板上製造非晶形半導體層的方法,其係藉由施用半導體化合物然後將該半導體化合物轉化為非晶形半導體層來進行,其中該轉化係藉由以含氫之處理氣體所產生的電漿處理該半導體層來進行。本發明另外關於由該方法所製造之半導體層,以及關於包含此類半導體層之電子及光電子產品。
非晶形半導體層(尤其是非晶形矽層)在電子組件之製造中扮演特定角色,其係作為半導體層之直接成分或用於進一步處理之前驅物。與結晶矽層相較,非晶形矽層具有較高吸收係數,由於獲得根據材料數量計之較佳效率之故,此係其特別重要的原因。
例如,公開案EP 1 085 579 A1描述製造太陽能電池之方法,其中使用包含矽烷之液態組成物且以熱、光及/或雷射處理予以轉化。該液態塗覆組成物可包含溶劑與式SinXm(X=H、Hal;n5,m=n、2n-n、2n)之環狀矽化合物及式SiaXbYc(X=H、Hal,Y=B、P;a3,c=1至a且b=a至2a+c+2)之經改質矽烷化合物。根據該公開案,在450℃下於3% H2氛圍中獲得本質aSi層。其缺點在於氫為非原子,因此無反應性。
US 4,927,786 A描述製造含矽半導體薄膜的方法,其
中提供形成膜之含矽氣體,該氣體呈液體形式沉積在基板之經冷卻表面上。該液體逐漸與反應性氫原子反應且轉化為含矽固體,該含矽固體形成薄含矽半導體。其他化合物中,使用SinH2n+2化合物,其中n2。反應性氫原子係藉由在H2氣體中輝光放電或微波放電,或藉由H2氣體之UV光照射或與金屬反應來製造。該方法之缺點在於,所使用之材料必須先轉化為氣態,及基板必須經冷卻。
EP 1 134 224 A2描述製造在基板表面上之矽膜的方法,其中將包含環戊矽烷及矽基環戊矽烷或螺[4.4]壬矽烷之溶液施用於基板表面以形成塗膜,然後藉由在脫氫反應中加熱或照光而將該塗膜轉化為矽膜。
JP 2004-134440 A1係關於在矽層製造中之矽烷組成物的照射。使用之矽烷組成物可為(i)具有式SinRm之矽烷,其中n11且m=n至(2n+2),其中R亦可為H,或(ii)具有式SiiH2i+2(其中i=2-10)、SijH2j(其中j=3-10)或SikHk(其中k=6、8或10)之矽烷,各例中與至少一種選自由環戊矽烷、環己矽烷及矽基環戊矽烷所組成之群組的矽烷組合。所述之矽烷可各呈鏈、環或籠形式。照射時間介於約0.1與30分鐘之間,而照射過程之溫度可介於室溫與300℃之間。該方法產生矽膜前體(former),其可藉由100-1000℃,較佳為200-850℃,更佳為300-500℃之溫度而轉化為矽膜。此處,當選擇超過550℃之轉化溫度時,結果為多晶矽層。低於300℃,則膜形成不完整。轉化可在H2氣體氛圍下發生。該公開案在
實例中揭示熱製造非晶形Si層,該等非晶形Si層係利用照射而轉化為多晶層。
EP 1 113 502 A描述包含矽層之薄膜電晶體的製造,該矽層係藉由將包含矽化合物之膜加熱及/或光處理而獲得。較佳係同時照射及熱處理。
由於CVD法的設備方面非常複雜且費時,故大致上已發現CVD法較為不利。
視所使用之製造方法而定,半導體層的半導體結構中可具有稱之為懸鍵者。然而,此會使半導體性質惡化。例如,在太陽能電池之例中存在具有懸鍵之半導體層可導致光引發之電荷傳輸減少。為了改善該等半導體性質,或為了以氫原子滿足懸鍵,可能將氫導入該半導體層,在該層製造之後尤然。該氫之導入稱之為氫鈍化。當以熱方法製造矽層時,氫鈍化尤其必要。
因此,本發明目的係提供使得能以簡單方式製造非晶形矽層、無先前技術缺點且不需要另外後處理之額外步驟的方法。
本發明提供製造非晶形半導體層之方法。
應暸解半導體層意指包含至少一種元素半導體(較佳係選自Si、Ge、α-Sn、C、B、Se、Te及其混合物所組成之群組)及/或至少一種化合物半導體(尤其是選自IV-IV族半導體(諸如SiGe、SiC)、III-V族半導體(諸
如GaAs、GaSb、GaP、InAs、InSb、InP、InN、GaN、AlN、AlGaAs、InGaN)、氧化半導體(諸如InSnO、InO、ZnO)、II-VI族半導體(諸如ZnS、ZnSe、ZnTe)、III-VI族半導體(諸如GaS、GaSe、GaTe、InS、InSe、InTe)、I-Ill-VI族半導體(諸如CuInSe2、CuInGaSe2、CuInS2、CuInGaS2)及其混合物所組成之群組),或由此等組分組成。更明確地說,該半導體層為含矽層。可暸解含矽層意指實質上純質矽層或含矽層,例如另外包含摻雜劑的以矽為底質之層,或含矽化合物半導體層。更特別的是,可以本發明方法製造非晶形矽層。
本發明內容中,非晶形半導體層(尤其是矽層)係藉由施用半導體化合物然後將該半導體化合物轉化為非晶形半導體層來製造,其中該轉化係藉由以含氫之處理氣體所產生的電漿處理該半導體層來進行。
已意外發現,非晶形半導體層可藉由以從含氫處理氣體所產生之電漿來處理而直接從施加於基板之半導體化合物製造。更特別的是,以從含氫處理氣體所產生之電漿來處理可獲得非晶形矽層。經由以含氫大氣電漿轉化,半導體化合物可只以一個步驟即轉化為半導體層,尤其是矽層,上述之層具有非常良好之電性質。反之,在以熱及/或光處理方式進行轉化之已知方法中,在第二步驟中需要氫鈍化以獲得具有電應用之對應適用性。因此本發明方法構成該方法之明顯最佳化。
以含氫電漿處理半導體化合物可避免在轉化為半導體
層過程中之機械應力,機械應力在純熱轉化或光學轉化過程中發生於膜。應力的缺點之一在於只能獲得較小之層厚度。其次,應力亦可導致微龜裂,此可導致漏電。
此外,與傳統轉化相較,電漿轉化減少處理時間。
在本發明內容中,半導體化合物較佳係藉由液相方法施加。經由液相方法施加之半導體化合物特別適於電漿轉化。
上述之半導體化合物尤其是矽、鍺之可液態處理化合物或其混合化合物或混合物,及元素鎵、砷、硼、磷、銻、鋅、銦、錫、硒及硫之可液態處理的混合化合物或混合物。
半導體化合物較佳為含矽或含鍺化合物,或具有EaE'nXm形式之混合矽及鍺化合物(E,E'=Si、Ge;X=F、Cl、Br、I、-C1-C12烷基、-C1-C12芳基、-C1-C12芳烷基、H;m>n+a;a+n3),將其施加於基板,然後轉化為基本上由矽、鍺或矽及鍺所組成之層。
在矽層之較佳製造例中,半導體化合物尤其是液態反應物(可能作為其他添加劑及/或摻雜劑之溶劑)或包含反應物之液態溶液(其本身為液態或固體)(及隨意的其他添加劑及/或摻雜劑;摻雜劑尤其是呈III及V主族之元素化合物形式),將其施加於待塗覆之基板。本例中所使用的反應物較佳為至少一種高級矽烷,其可從至少一種具有通式SiaHb(其中a=3至10;ba)之氫矽烷製備。熟悉本技術之人士已知製備高級矽烷之對應方法。實例包
括光化學、陰離子、陽離子或催化聚合法。其中,較佳可以UV輻射照射來開始及進行自由基聚合法,照射時間與所產生之平均分子量相關。經驗顯示可經由聚合法而從至少一種通式SiaHb(其中a=3至10;ba)之氫矽烷製備的高級矽烷不具有均勻分子量。因此,應暸解本發明內容中之「一種」高級矽烷意指可經由聚合法而從至少一種通式SiaHb(其中a=3至10;ba)所界定之矽烷製備的矽烷,其具有之平均分子量比所使用的且有利於所選擇之聚合法的反應物提高。
在本發明方法中,較佳係使用重量平均分子量為330-10000 g/mol(以GPC測量)之高級矽烷。更佳係,高級矽烷之重量平均分子量為330-5000 g/mol,又更佳係600-4000 g/mol(以GPC測量)。在塗覆操作中,對應之化合物特別有效率地潤濕基板,且另外形成特別良好之塗層。
若至少一種高級矽烷本身為液態,可在不另外溶解於溶劑的情況下施加於基板。然而,較佳係以溶解於溶劑之方式施加於基板。
較佳之可使用者係選自由具有1至12個碳原子之直鏈、支鏈或環狀飽和、不飽和或芳族烴(隨意地部分或完全鹵化)、醇、醚、羧酸、酯、腈、胺、醯胺、亞碸及水所組成之群組的溶劑。特佳者為正戊烷、正己烷、正庚烷、正辛烷、正癸烷、十二烷、環己烷、環辛烷、環癸烷、二環戊烷、苯、甲苯、間二甲苯、對二甲苯、1,3,5-三甲
苯、二氫茚、茚、四氫萘、十氫萘、二乙醚、二丙醚、乙二醇二甲醚、乙二醇二乙醚、乙二醇甲基乙基醚、二乙二醇二甲醚、二乙二醇二乙醚、二乙二醇甲基乙基醚、四氫呋喃、對二噁烷、乙腈、二甲基甲醯胺、二甲亞碸、二氯甲烷及氯仿。
具有特別良好使用性之溶劑為烴類,正戊烷、正己烷、正庚烷、正辛烷、正癸烷、十二烷、環己烷、環辛烷、環癸烷、苯、甲苯、間二甲苯、對二甲苯、1,3,5-三甲苯、二氫茚及茚。
當至少一種高級矽烷係在溶劑中使用時,高級矽烷於溶劑中之重量%以組成物之總質量計較佳為至少5重量%。當至少一種高級矽烷在不另外溶解於溶劑的情況下施加於基板時,視其本身是否作為其他添加劑及/或摻雜劑之溶劑,其重量比例以組成物之總質量計較佳係介於70與100重量%之間。如此,較佳係使用以組成物之總質量計為5-100重量%之比例的至少一種高級矽烷。當使用至少一種高級矽烷之比例為10-50重量%的組成物時,特別可獲致薄層。
為獲致正層性質,亦可能連同至少一種具有EaE'nXm形式之半導體化合物(E,E'=Si、Ge;X=F、Cl、Br、I、-C1-C12烷基、-C1-C12芳基、-C1-C12芳烷基、H;m>n+a;a+n>=3)與至少一種選自由III或V主族元素之化合物所組成的群組之摻雜劑一起施加至基板。熟悉本技術之人士已知對應之化合物。較佳可用之摻雜劑為
BHxR3-x型(其中x=1-3且R=C1-C10烷基、不飽和環狀,隨意地與醚或胺錯合之C2-C10烷基)之硼化合物、式Si5H9BR2(R=H、Ph、C1-C10烷基)及Si4H9BR2(R=H、Ph、C1-C10烷基)之化合物、紅磷、白磷(P4)、PHxR3-x(其中x=0-3且R=Ph、SiMe3、C1-C10烷基)之化合物,以及式P7(SiR3)3(R=H、Ph、C1-C10烷基)、Si5H9PR2(R=H、Ph、C1-C10烷基)及Si4H9PR2(R=H、Ph、C1-C10烷基)之化合物。
根據本發明之方法可使用多種基板。較佳係由玻璃、石英玻璃、石墨、金屬、矽所組成之基板,或由存在可熱相容之支撐物上的矽、氧化銦錫、ZnO:F或SnO2:F層所組成之基板。
較佳之金屬為鋁、不鏽鋼、Cr鋼、鈦、鉻或鉬。亦可能使用聚合物膜,例如PEN、PET或聚醯胺之膜。
半導體化合物(尤其是高級矽烷)較佳係藉由選自以下之方法施加:印刷或塗覆法(尤其是快乾/凹版印刷、噴墨印刷、套版印刷、數位套版印刷及網版印刷)、噴霧法、旋塗法、浸塗法及選自由彎液面塗覆、狹縫塗覆、狹縫模具式塗覆及淋幕式塗覆。
本發明方法之必要成分係使用含氫電漿。例如,有利地可能同時轉化半導體層及滿足或鈍化在以氫轉化過程中可能形成的懸鍵。因此,本發明方法結合所施加之半導體化合物轉化為非晶形半導體層與氫鈍化。該同時轉化與氫鈍化可有利地減少製程步驟,且避免不同製程步驟,因此
降低半導體層之整體製造成本。氫鈍化變得可測量,例如就太陽能電池而言,經由相對於鈍化前的光引發之電荷傳輸提高可測得氫鈍化。通常,該氫鈍化可藉由IR光譜以個別半導體之譜帶的變化來監測(就矽層而言:經由2000 cm-1之特徵譜帶的變化來監測)。有利地,少量氫即足以鈍化,其對於處理成本具有有利影響。
本發明內容中,該處理氣體包含>0體積%至100體積%,尤其是0.5體積%至20體積%之氫,0體積%至<100體積%,尤其是20體積%至99.5體積%之氮,及/或0體積%至<100體積%,尤其是20體積%至99.5體積%之惰性氣體,尤其是氬。在較佳具體實例中,該處理氣體因此另外包含惰性氣體(尤其是氬)或惰性氣體混合物及/或氮。
在這種情況下,已發現首先亦可藉由提高處理氣體壓力或處理氣體速度而降低從含氫處理氣體產生之電漿的電漿溫度,及反之藉由降低該處理氣體壓力或該處理氣體速度而提高該電漿溫度。在本發明內容中,該處理氣體壓力可例如在0.5巴至8巴,例如1巴至5巴之範圍中變動。
用以處理該半導體化合物膜之溫度亦可經由其他製程參數做調整。
例如,該處理溫度可藉由調整電漿產生位置與待處理之半導體化合物膜之間(例如電漿噴嘴與該半導體化合物膜之間)的距離予以調整。在該情況下,當該距離增加時
該處理溫度下降,且當該距離縮短時該處理溫度上升。尤其有利地,電漿噴嘴與待處理之半導體化合物膜之間的距離可在50μm至50 mm,較佳為1 mm至30 mm,尤佳為3 mm至10 mm之範圍中做調整。
此外,藉由調整處理時間,尤其是電漿移動通過該半導體化合物膜之處理速率可調整該處理溫度。在該情況下,若縮短處理時間或者若提高電漿移動通過該半導體化合物膜之處理速率,該處理溫度下降,若延長該處理時間或若降低電漿移動通過該半導體化合物膜之處理速率,該處理溫度升高。此可例如藉由X/Y移動裝置來進行。當處理速率(測定為每分鐘處理之半導體化合物膜的經處理距離)為0.1至500 mm/s且處理寬度為1至15 mm時,獲得特別良好之轉化,在上述噴嘴距待處理之半導體化合物膜的距離下尤其明顯。根據待處理之半導體化合物膜表面,熱處理亦加速該轉化。為提高處理速率,可將數個電漿噴嘴串聯。此外,電漿噴嘴亦可導至待處理膜上多於一次。
為獲致特別良好之轉化,從該噴嘴冒出的電漿噴束係較佳以5至90°,較佳為80至90°,更佳為85至90°角被導至存在基板上之半導體化合物膜(後者情況下,就平坦基板而言,實質上以直角導至該基板表面)。
適用之光弧電漿源(light arc plasma source)的噴嘴為點狀噴嘴、扇形噴嘴或旋轉噴嘴,較佳為使用點狀噴嘴,其具有獲致較高之點能量密度優點。
在穩態方法期間,獲致良好轉化的電漿噴嘴之處理寬度較佳為0.25至20 mm,更佳為1至5 mm。
較佳地,轉化係在大氣壓力下進行。更明確地說,該電漿源為大氣壓力電漿源。如此,可有利地免除高成本之低壓或高壓方法。此外,與低壓方法或真空方法相較,由於在大氣壓力下因較高分子密度之故可獲致較高能量密度,故可能縮短滯留時間。
該電漿源尤其可為高電壓氣體放電電漿源或光弧電漿源。
轉化為非晶形半導體層較佳係藉由間接電漿源所產生之電漿處理半導體化合物膜來進行。間接電漿源可理解為意指在含有該半導體化合物膜之反應區外面產生電漿的電漿源。
在另一具體實例中,因此該電漿係在含有該半導體化合物膜之反應區外面產生。所產生之電漿可例如吹在待處理之半導體化合物膜上。此形成一種「電漿焰」。因此,實際電漿形成有利地不受基板影響,此導致高處理可靠度。對應產生之電漿具有無電位之優點,因此不會因放電而損傷該表面。此外,由於該基板不作為異性極,故可避免將外來金屬導至該表面上。
在另一具體實例中,該轉化係藉由使用配備有電漿噴嘴的電漿源所產生之電漿處理該半導體化合物膜來進行。此種電漿源為間接電漿源,因此,如前文解釋,以此種方式所產生之電漿的情況下,可獲致高處理可靠度,且可避
免因放電及外來金屬導至表面上所導致之對該表面的損傷。該電漿源尤其可具有配置於電漿噴嘴之腔室內且與該電漿噴嘴電絕緣之內電極。藉由將該處理氣體送入該電漿噴嘴之腔室且對該內電極與該電漿噴嘴施加電位差,可能在此種電漿源中利用自持氣體放電而在該內電極與該電漿噴嘴之間產生電漿。在送入之前,該處理氣體可從不同氣體(例如氫及隨意的惰性氣體(尤其是氬)及/或氮)混合。該等不同氣體尤其是以相對於彼此可調整之比率來混合。電漿噴嘴之處理寬度可為例如0.25 mm至20 mm,例如1 mm至5 mm。
該電漿尤其可利用光弧或利用高電壓氣體放電產生,例如形成電壓為8 kV至30 kV。更明確地說,該電漿可藉由高電壓氣體放電電漿源或光弧電漿源產生。例如,該電漿可藉由脈衝電壓,例如矩形電壓或AC電壓產生。例如,該電漿可藉由15 kHz至25 kHz及/或0 V至400 V之矩形電壓,例如260至300 V,例如280 V,及/或具有2.2 A至3.2 A之電流及/或50%至100%之電漿循環產生。更明確地說,該電漿可藉由在<45 A,例如0.1 A至44 A,例如1.5 A至3 A之DC電流下的高壓氣體放電產生。高壓氣體放電可理解為尤其意指在0.5巴至8巴,例如1巴至5巴之壓力下之氣體放電。例如,以Plasmatreat GmbH(德國)所售之商品名為Plasmajet或Diener GmbH(德國)所售之商品名為Plasmabeam的電漿源可產生對應之電漿。
在本發明內容中,該電漿係藉由頻率為<30 kHz,例如15 kHz至25 kHz,例如~20 kHz之電壓所產生。由於該等低頻率之故,能量輸入有利地特別低。該低能量輸入繼而具有可避免損傷該半導體化合物膜表面的優點。
在轉化為非晶形半導體層之前及/或期間,對該塗覆有該半導體化合物的基板進行額外的熱處理,該熱處理經選擇以使得並無轉化為非晶形半導體層之轉化係單獨經由熱處理來進行。在本發明內容中,實際轉化必須藉由以含氫處理氣體所產生之電漿處理半導體化合物來進行。反之,上述熱處理用於乾燥施加在基板之半導體化合物膜,尤其是當該半導體化合物係與溶劑一起施加於基板時。在轉化為非晶形半導體層之前及/或期間之熱處理係在介於50℃與350℃,尤其是介於100℃與300℃之間的溫度下進行。在轉化前之熱處理可在與轉化期間不同的溫度下進行。電漿處理期間之溫度可改善待製造之層的品質,但其本身不會導致轉化。原則上,該熱處理可藉由使用烘箱、加熱滾筒、熱板、紅外線或微波輻射等來進行。更佳地,然而由於低複雜度,其因而以熱板或在捲至捲方法中以加熱滾筒進行。
本發明另外提出已藉由本發明方法製造之半導體層。
關於本發明半導體層之其他特徵及優點,特此明確參考本發明方法有關的解釋。
含矽半導體層之重要特徵係光因數(photo factor)。光因數係在照明(通常為AM 1.5)下之傳導率與無照
明傳導率(無光之傳導率)的比率。就具有良好光伏打活性的半導體層而言,必須獲致高比率。
本發明另外提出電子或光電子產品,例如光伏打裝置、電晶體、液晶顯示器,尤其是包含本發明半導體層之太陽能電池。
關於本發明產品之其他特徵及優點,特此明確參考本發明方法有關的解釋。
即使無其他細節,仍假設熟悉本技術之人士可利用上述說明的非常廣泛範圍。因此,較佳具體實例與實施例應僅被視為說明性揭示,其完全無限制性。
以下茲藉由實例詳細例示本發明。本發明之其他具體實例可以類似方法獲得。
將4滴含矽烷之調配物(分子量為2500 g/mol之寡聚新戊矽烷)油墨施加至玻璃基板(2.5×2.5 cm)且使用旋塗器以6000 rpm塗覆。之後,在350℃下乾燥該濕膜60秒,並以大氣壓力電漿(於Ar中2.4體積%之H2)轉化成層厚度約140 nm之矽層。該大氣壓力電漿係以XY移動裝置在1.8巴下、線速度8 mm/sec、線路分離4 mm,及距基板5 mm之距離下移動移動通過樣本。該電漿係
以800 W之功率在20 kHz之頻率下產生。
傳導率測量顯示約7300之光因數。
將4滴含矽烷之調配物(分子量為2500 g/mol之寡聚新戊矽烷)油墨施加至玻璃基板(2.5×2.5 cm)且使用旋塗器以6000 rpm塗覆。之後,該濕膜係在500℃下於60秒內轉化為層厚度約140 nm之非晶形矽層。
傳導率測量顯示約400之光因數。
Claims (12)
- 一種在基板上製造非晶形半導體層之方法,其係藉由施加EaE'nXm形式之半導體化合物,其中E,E'=Si、Ge,X=F、Cl、Br、I、-C1-C12烷基、-C1-C12芳基、-C1-C12芳烷基、H,m>n+a,a+n3,然後將該半導體化合物轉化為非晶形半導體層來進行,其中該轉化係藉由以含氫之處理氣體所產生的電漿處理該半導體層來進行。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該半導體化合物係重量平均分子量為330-10000 g/mol之高級矽烷。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法,其中該處理氣體另外包含惰性氣體或惰性氣體混合物及/或氮。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法,其中該處理氣體包含>0體積%至100體積%,尤其是0.5體積%至20體積%之氫,0體積%至<100體積%,尤其是20體積%至99.5體積%之氮,及/或0體積%至<100體積%,尤其是20體積%至99.5體積%之惰性氣體。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法,其中該轉化係在大氣壓力下進行。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法,其中該電漿 係在含有該半導體層之反應區外面產生。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法,其中該轉化係藉由以配備有電漿噴嘴的電漿源所產生之電漿處理該半導體層來進行。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法,其中該電漿係藉由頻率<30 kHz之電壓所產生。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法,其中處理溫度係藉由調整下列者來調整該處理氣體之組成,及/或該處理氣體壓力或該處理氣體速度,及/或電漿噴嘴與該半導體層之間的距離,及/或處理時間,尤其是該電漿移動通過該半導體層的速率。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法,其中在轉化為非晶形半導體層之前及/或期間,對該塗覆有該半導體化合物的基板進行額外的熱處理。
- 一種半導體層,其係藉由如申請專利範圍第1至10項中任一項之方法製造。
- 一種電子或光電子產品,尤其是太陽能電池,其包含如申請專利範圍第11項之半導體層。
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