TWI510662B - A substrate processing system - Google Patents
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Description
本發明涉及積體電路製造技術領域,尤其涉及一種襯底處理系統。
請參閱第1圖,在半導體銅互連的物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,簡稱PVD)製程中,主要包括四個主要製程過程:去氣、預清洗、氮化鉭Ta(N)沉積和金屬銅Cu沉積。在去氣製程中,需要在密閉的去氣腔中將襯底加熱至一定溫度,以去除襯底上吸附的水蒸氣及其它易揮發雜質。為了保證後續製程的正常進行,提高襯底的品質,就對襯底加熱的均勻性提出了較高的要求,以避免因加熱不均勻而可能導致的襯底的部分區域上的易揮發雜質去除不乾淨,尤其是可以避免在出現嚴重的襯底上局部溫度不均勻時可能造成的襯底破碎。
第2圖為現有技術中可對襯底進行去氣製程的去氣腔的剖視圖。請參閱第2圖,該去氣腔包括設置在腔室壁上用於供襯底1通過的入口2,以及設置在腔內用於承載襯底1的支撐件3。在裝載襯底1時,襯底1經由入口2進入去氣腔,並置於支撐件3的頂端。去氣腔還包括加熱單元,該加熱單元包括多個燈泡4、燈泡安裝板5和反射板6,其中,多個燈泡4位於去氣腔內的支撐件3的上方,且各個燈泡4通過燈泡安裝座安裝於設置在去氣腔頂部的燈泡安裝板5上,並且燈泡安裝座還與外界的電源電連接,以向燈
泡4供電;在燈泡4與支撐件3之間還設有一較厚的石英窗8,用以將去氣腔隔離形成處於大氣環境的上子腔室,以及處於真空環境的下子腔室,其中,燈泡4位於上子腔室內,支撐件3位於下子腔室內,在加熱襯底1時,由燈泡4產生的熱量透過石英窗8輻射進入下子腔室內,從而加熱置於支撐件3的頂端的襯底1;反射板6位於多個燈泡4的上方,且緊貼燈泡安裝板5的下表面設置,並且,通常採用鋁製作反射板6,且對反射板6的下表面進行光滑處理,以使反射板6能夠將由燈泡4照射至其上的光線進行光反射,從而可以提高燈泡4所產生的光能量的利用率。而且,燈泡安裝板5內具有冷卻水管路,通過向該冷卻水管路中通入冷卻水來冷卻反射板6,以防止其溫度過高。此外,在去氣腔的腔室壁內側還設置有遮罩件7,遮罩件7內具有冷卻水路,用以冷卻腔室壁,以防止在使用燈泡4加熱時腔室壁過熱。另外,在燈泡安裝座的週邊還設置有保護罩9,用以保障電氣安全。
然而,由於不同類型的襯底的表面熱輻射係數不同,因而在獲得相同的輻射熱量的前提下,不同類型的襯底實際達到的溫度有所不同,這使得在使用上述結構的加熱單元通過熱輻射的方式加熱襯底1時,在相同製程條件下,不同類型的襯底所達到的溫度不同,從而上述結構的加熱單元僅能夠相容一種類型的襯底,而無法滿足不同類型的襯底針對溫度的不同需求。
本發明的主要目的在於克服現有技術的缺陷,提出了一種襯底處理系統,其可以實現對不同類型襯底進行加熱的相容性。
為了達成上述目的,本發明提供一種襯底處理系統,其包
括:去氣腔、輸氣單元和氣體處理裝置,其中:該去氣腔,包括位於腔內的支撐件,該支撐件用於承載襯底;該輸氣單元,包括用於接收氣體的輸入口以及與該去氣腔封閉相連的一個或多個輸出口;該氣體處理裝置與該輸氣單元的輸出口連接並位於該支撐件上方,用以對自該輸氣單元的輸出口流出的氣體進行加熱,並將加熱後的氣體引入該去氣腔,該去氣腔內的氣體通過熱傳導的方式加熱襯底。
其中,該氣體處理裝置包括加熱單元,該加熱單元包括:加熱元件,該加熱元件用於對自該輸氣單元的輸出口流出的氣體進行加熱。
優選的,該加熱單元還包括:導流元件,該導流元件內具有分別與該輸氣單元的輸出口和該去氣腔連接的導流通道,自該輸氣單元的輸出口流出的氣體沿該導流通道流動,以增加該加熱單元與該氣體的接觸面積。
優選的,該氣體處理裝置,還包括:勻氣單元,該勻氣單元包括設置在該導流元件下方的一個或多個勻氣板,該勻氣板具有多個通孔,自該導流通道流出的氣體經由該通孔流入該去氣腔內。
優選的,該氣體處理裝置,還包括:勻氣單元,該勻氣單元包括設置在該輸氣單元的輸出口下方的一個或多個勻氣板,該勻氣板具有多個通孔,自該輸氣單元的輸出口流出的氣體經由該通孔流入該去氣腔內。
優選的,該加熱元件位於該勻氣板的上方、下方或該勻氣板內,用以向流經該通孔的氣體提供熱量。
優選的,該加熱元件緊密貼合於該勻氣板的上表面或下表面。
優選的,該多個勻氣板沿該豎直方向間隔設置,且每個該勻氣板所在平面與由該支撐件承載的該襯底的表面相互平行;每個該勻氣板上的通孔呈均勻分佈,且靠近該支撐件的勻氣板上通孔的數量大於靠近該輸氣單元的輸出口的勻氣板上通孔的數量。
優選的,該加熱元件包括電阻絲。
優選的,該襯底處理系統,還包括底部加熱單元,該底部加熱單元設置於該去氣腔底部,用於對該襯底進行加熱。
優選的,該襯底處理系統,還包括:真空泵抽氣單元,其抽氣介面與該去氣腔連接,用於將該去氣腔內的氣體抽出。
優選的,該襯底處理系統,還包括:冷卻單元,該冷卻單元連接於該去氣腔和該真空泵抽氣單元的抽氣介面之間,用於將自該去氣腔內排出的氣體冷卻。
優選的,該冷卻單元,包括:冷卻元件及導氣管,其中:該導氣管的一端連接該去氣腔,該導氣管的另一端連接該抽氣單元的抽氣介面,該導氣管纏繞連接於該冷卻元件的外側;該冷卻元件用於冷卻流經該導氣管的氣體。
本發明的有益效果在於:本發明提供的襯底處理系統,其通過借助設置在支撐件的上方且與輸氣單元的輸出口連接的氣體處理裝置,對自輸氣單元的輸出口流出的氣體進行加熱,並將加熱後的氣體引入去氣腔,去氣腔內的氣體通過熱傳導的方式加熱襯底,即,去氣腔內的氣體作為傳熱媒介與襯底進行熱交換,從而實現對襯底的加熱,這與現有技術中採用熱輻射的方式加熱襯底相比,不僅可以避免襯底的表面熱輻射係數對
襯底溫度的影響,而且熱傳導的加熱方式還可以實現對不同類型襯底加熱的相容性,從而可以滿足不同類型的襯底針對溫度的不同需求。
1‧‧‧襯底
2‧‧‧入口
3、31‧‧‧支撐件
4‧‧‧燈泡
5‧‧‧燈泡安裝板
6‧‧‧反射板
7‧‧‧遮罩件
8‧‧‧石英窗
9‧‧‧保護罩
10‧‧‧輸氣單元
20‧‧‧導流元件
21‧‧‧勻氣單元
22‧‧‧固定件
40‧‧‧真空泵抽氣單元
210、211‧‧‧勻氣板
Cu‧‧‧金屬銅
Ta(N)‧‧‧氮化鉭
第1圖為現有技術中銅互連PVD製程過程的示意圖;第2圖為現有技術中可對襯底進行去氣製程的去氣腔的剖視圖;第3圖為本發明第一實施例提供的襯底處理系統的結構示意圖;第4圖為本發明第一實施例提供的襯底處理系統的第一勻氣板的俯視圖;以及第5圖為本發明第一實施例提供的襯底處理系統的第二勻氣板的俯視圖。
為使本發明的內容更加清楚易懂,以下結合說明書附第3圖到第5圖,對本發明實施例提供的襯底處理系統進行詳細描述。當然本發明並不侷限於該實施例,本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發明的保護範圍內。此外,在詳述本發明實施例時,為了便於說明,示意圖不依照一般比例局部放大,不應以此作為對本發明的限定。
由於本發明提供的襯底處理系統所使用的加熱原理與現有的襯底處理系統的原理不同,因此其結構與現有的襯底處理系統結構完全不同。
第一實施例
第3圖為本發明第一實施例提供的襯底處理系統的結構示意
圖。請參閱第3圖,本發明提供的襯底處理系統包括去氣腔、輸氣單元10和氣體處理裝置。去氣腔包括位於腔內用於承載襯底1的支撐件31。
輸氣單元10包括用於接收氣體的輸入口以及與去氣腔封閉相連的一個或多個輸出口。輸氣單元10可位於去氣腔上方或側面,用於將氣體引入去氣腔內。在本實施例中,輸氣單元10的輸出口的數量僅為一個,但是本發明並不侷限於此,較佳的,輸氣單元10可有多個輸出口,以分散地將氣體引入去氣腔內。
氣體處理裝置與輸氣單元10的輸出口連接並位於支撐件31上方,用以對自輸氣單元10的輸出口流出的氣體進行加熱,並將加熱後的氣體引入去氣腔,該去氣腔內的氣體通過熱傳導的方式加熱襯底1,即,去氣腔內的氣體作為傳熱媒介與襯底1進行熱交換,從而實現對襯底1的加熱。
在本實施例中,氣體處理裝置包括加熱單元和勻氣單元21。其中,該加熱單元包括:導流元件20和加熱元件(圖中未示出)。其中,導流元件20內具有分別與輸氣單元10的輸出口和去氣腔連接的導流通道(圖中未示出),自輸氣單元10的輸出口流出的氣體沿該導流通道流動;加熱元件包括電阻絲,其與電源電連接,用以嚮導流元件20提供熱量,導流元件20將熱量傳導至導流通道內的氣體,從而實現對氣體的加熱。借助導流通道,可以延長氣體在導流元件20中的流動路徑,從而可以增加導流元件20與氣體的接觸面積,進而可以增加導流元件20與氣體進行熱交換的效率,提高加熱效率。
通過借助氣體處理裝置對自輸氣單元10的輸出口流出的氣體進行加熱,並將加熱後的氣體引入去氣腔,去氣腔內的氣體通過熱傳導
的方式加熱襯底1,即,去氣腔內的氣體作為傳熱媒介與襯底1進行熱交換,從而實現對襯底的加熱,這與現有技術現有技術中採用熱輻射的方式加熱襯底相比,不僅可以避免襯底的表面熱輻射係數對襯底溫度的影響,而且,通過調節電源的輸出功率來調節電阻絲的加熱溫度,還可以實現對不同類型襯底加熱的相容性,從而可以滿足不同類型的襯底針對溫度的不同需求。
此外,針對不同的製程對氣體處理裝置的加熱溫度的要求也不同的情況,例如,在積體電路製造製程時,需將襯底加熱至250~300℃,而在進行封裝製程時,則需將襯底加熱至150~180℃,因此,優選的,加熱單元還可包括溫度感測器和壓力感測器,如熱偶測溫裝置和矽壓力感測器,用以即時監控去氣腔內的氣體的溫度和壓力變化,從而可以達到即時控制的目的。
勻氣單元21包括設置在導流元件20下方的一個或多個勻氣板,勻氣板具有多個通孔,自導流通道流出的氣體經由該通孔流入去氣腔內。在本實施例中,如第3圖所示,勻氣單元21包括兩個勻氣板210,211,勻氣板210,211沿豎直方向間隔設置,且勻氣板210,211均與由支撐件31承載的襯底1的表面相互平行;並且,勻氣板210,211通過固定件22與去氣腔的腔室側壁固定連接。在實際應用中,勻氣板的材料理論上可以為耐高溫的任何材料,較佳的,可以為不銹鋼材料。
較佳的,可通過多個勻氣板達到充分勻氣的目的。多個勻氣板可以增加氣體被勻化的次數,例如,當採用兩個勻氣板時,氣體經過第一勻氣板勻化之後,再經過第二勻氣板進行二次勻化,能夠使氣體分佈更為均勻。在一些較佳實施例中,勻氣板的數量可以為兩個及以上。
在本實施例中,每個勻氣板具有多個通孔,通過使氣體穿過該通孔達到均勻氣體的目的。通常情況下,每個勻氣板上的通孔呈密集均勻分佈,且靠近支撐件31的勻氣板上通孔的數量大於靠近輸氣單元10的輸出口的勻氣板上通孔的數量。也就是說,靠近輸氣單元10的輸出口的勻氣板上通孔的孔徑較大,通孔數較少,通孔分佈的密度也較小,如第4圖所示;而靠近支撐件31的勻氣板上通孔的孔徑較小,通孔數較多,通孔分佈的密度也較大,如第5圖所示。容易理解,較大的通孔分佈密度可以更有效的實現氣體的分流,從而可以使通過勻氣板的氣體分佈的更加均勻,因此,通過在靠近支撐件31的勻氣板上設置具有較大分佈密度的通孔,可以使勻氣單元21的勻氣效果更好。優選的,第一勻氣板210均勻分佈有直徑為2mm,間距為50mm的通孔,第二勻氣板211均勻分佈有直徑為0.5mm,間距為12mm的通孔。第二勻氣板211上通孔的孔徑要小於第一勻氣板210上通孔的孔徑,第二勻氣板211上通孔的數量則要大於第一勻氣板210上通孔的數量,也即是第二勻氣板211上通孔的分佈密度要大於第一勻氣板210上通孔的分佈密度。
在本實施例中,導流元件20的數量為一個,其位於勻氣板210,211的上方,緊靠並環繞輸氣單元10的輸出口。當輸氣單元10的輸出口將氣體引入後,由於勻氣板210和211上的通孔較小,存在氣體流通阻力,氣體會首先填充並停留在分別由導流元件20和勻氣板210之間以及勻氣板210和勻氣板211之間所構成的空間,而不會立即向下分佈至襯底1,這不僅使得停留在上述空間內的氣體能夠被充分加熱,而且可以使加熱後的氣體在經過勻氣板210和勻氣板211兩次勻氣之後更為均勻,如此一來,加熱勻
化後的氣體就能夠作為傳熱媒介通過熱傳導的方式將熱量傳遞給襯底1,最終使襯底1達到製程所需的溫度。
此外,為了達到更好的襯底去氣加熱的效果,襯底處理系統還可包括設置於去氣腔底部的底部加熱單元,其用於對該襯底進行加熱,在實際應用中,底部加熱單元可與加熱單元配合使用,共同對襯底進行加熱。
去氣腔也可包括位於腔體上方的保護外殼,以及位於保護外殼下方,且環繞腔體內壁設置的腔壁遮罩件。保護外殼和腔壁遮罩件均具有冷卻水路,用以防止保護外殼及去氣腔壁過熱。
此外,襯底處理系統還可包括真空泵抽氣單元40。真空泵抽氣單元40的抽氣介面與去氣腔連接,用於將去氣腔內加熱及勻化後的氣體抽出,例如,如第3圖所示,真空泵抽氣單元40的抽氣介面與在去氣腔的底部與去氣腔密封連接。由於去氣腔內的氣體在腔內壓力大於7Torr的情況下,去氣腔中的傳熱效率較為穩定,從而能夠很快地與襯底1完成熱量傳遞,因此,通過借助真空泵抽氣單元40進行真空排氣或停止真空排氣,可以調節去氣腔內的壓力,以將其中壓力保持在7Torr以上。
然而,若真空泵抽氣單元40直接連接於去氣腔,則從去氣腔排出的高溫氣體會直接進入到真空泵抽氣單元40,這容易對真空泵抽氣單元40造成損害。因此,在本發明的另一實施例中,襯底處理系統還可包括連接在去氣腔和真空泵抽氣單元40之間的冷卻單元,用於將自去氣腔內排出的氣體冷卻,從而可以降低進入到真空泵抽氣單元40的氣體的溫度,進而可以減少氣體對真空泵抽氣單元40的損害,延長真空泵抽氣單元40的使
用壽命。
較佳的,冷卻單元包括冷卻元件及導氣管,其中,導氣管的一端與去氣腔連接,導氣管的另一端連接抽氣單元40的抽氣介面,導氣管在冷卻元件外側緊密纏繞至少一圈。冷卻元件用於冷卻流經導氣管的氣體。在實際應用中,冷卻元件的材料可為導熱性較好的金屬,例如銅,且其內部通有冷卻水;導氣管的材料可為具有較高導熱係數的材料,例如不銹鋼,從而可將氣體的熱量傳至冷卻元件。當較熱的氣體在導氣管中流動時,其通過導氣管與冷卻元件充分進行熱量交換以被冷卻。
需要說明的是,本發明所述的氣體可以為惰性氣體,例如氦氣、氬氣等;襯底可為待加熱去氣的任何適當的襯底,例如表面為二氧化矽,氮化矽或金屬的襯底等,本發明並不限於此。
第二實施例
本發明第二實施例提供的襯底處理系統與上述第一實施例相比,同樣包括去氣腔、輸氣單元和氣體處理裝置。由於去氣腔、輸氣單元和氣體處理裝置在上述第一實施例中已有了詳細描述,在此不再贅述。
下面僅對本發明第二實施例提供的襯底處理系統與上述第一實施例的不同處進行詳細描述。具體地,氣體處理裝置包括勻氣單元和加熱單元。其中,勻氣單元包括設置在輸氣單元的輸出口下方的一個或多個勻氣板,該勻氣板具有多個通孔,自輸氣單元的輸出口流出的氣體經由通孔流入去氣腔內;加熱單元包括加熱元件,加熱元件位於勻氣板的上方、下方或勻氣板內,用以對自輸氣單元的輸出口流出的氣體進行加熱。
容易理解,本實施例中的加熱單元與上述第一實施例相比,
省去了導流元件。而且,當加熱元件位於勻氣板的上方時,則自輸氣單元的輸出口流出的氣體首先被加熱元件加熱,之後再通過勻氣板的通孔,從而使被加熱的氣體均勻地到達襯底處;當加熱元件位於勻氣板的下方時,則自輸氣單元的輸出口流出的氣體首先通過勻氣板的通孔,之後再被加熱元件加熱;當加熱元件位於勻氣板的內部時,自輸氣單元的輸出口流出的氣體在通過勻氣板的通孔的同時,被加熱元件加熱,即,加熱元件通過加熱勻氣板來間接加熱經過通孔的氣體。由此,上述三種情況均可以實現使被加熱的氣體均勻地到達襯底處。
當加熱元件位於勻氣板之外(即,位於勻氣板的上方或下方)時,較佳的,可以使加熱元件緊密貼合於勻氣板的上表面或下表面,以提高加熱效率。
此外,與上述第一實施例的技術方案相類似,多個勻氣板沿豎直方向間隔設置,且每個勻氣板所在平面與由支撐件承載的襯底的表面相互平行;每個勻氣板上的通孔呈均勻分佈,且靠近支撐件的勻氣板上通孔的數量大於靠近輸氣單元的輸出口的勻氣板上通孔的數量。勻氣板的其他結構和設置方式均與上述第一實施例相同,在此不再重複描述。
另外,在一些實施例中,加熱元件根據勻氣板的數量,可以為一個或多個。例如,可以每一個勻氣板均相應配置一個加熱元件,也可以多個勻氣板配置一個加熱元件,或一個勻氣板配置多個加熱元件。
需要說明的是,在實際應用中,氣體處理裝置也可以省去勻氣單元,即,僅借助加熱單元來實現對經過其的氣體進行加熱。此外,加熱單元也可以省去導流元件,而僅借助加熱元件來實現對經過其的氣體進
行加熱。也就是說,氣體處理裝置可以採用勻氣單元及加熱單元中的加熱元件,也可以採用勻氣單元及加熱單元中的加熱元件和導流元件,或者,還可以僅採用加熱單元中的加熱元件和導流元件,也可以僅採用加熱單元中的加熱元件。這些均可以達到本發明的目的。
綜上所述,本發明實施例提供的襯底處理系統,其通過借助設置在支撐件的上方且與輸氣單元的輸出口連接的氣體處理裝置,對自輸氣單元的輸出口流出的氣體進行加熱,並將加熱後的氣體引入去氣腔,去氣腔內的氣體通過熱傳導的方式加熱襯底,即,去氣腔內的氣體作為傳熱媒介與襯底進行熱交換,從而實現對襯底的加熱,這與現有技術現有技術中採用熱輻射的方式加熱襯底相比,不僅可以避免襯底的表面熱輻射係數對襯底溫度的影響,而且熱傳導的加熱方式還可以實現對不同類型襯底加熱的相容性,從而可以滿足不同類型的襯底針對溫度的不同需求。
以上對本發明的具體實施例進行了詳細描述,但其只是作為範例,本發明並不限制於以上描述的具體實施例。對於本領域技術人員而言,任何對本發明進行的等同修改和替代也都在本發明的範疇之中。因此,在不脫離本發明的精神和範圍下所作的均等變換和修改,都應涵蓋在本發明的範圍內。
1‧‧‧襯底
10‧‧‧輸氣單元
20‧‧‧導流元件
21‧‧‧勻氣單元
22‧‧‧固定件
40‧‧‧真空泵抽氣單元
210、211‧‧‧勻氣板
Claims (11)
- 一種襯底處理系統,其特徵在於,包括:去氣腔、輸氣單元和氣體處理裝置,其中:該去氣腔,包括位於腔內的支撐件,該支撐件用於承載襯底;該輸氣單元,包括用於接收氣體的輸入口以及與該去氣腔封閉相連的一個或多個輸出口;該氣體處理裝置與該輸氣單元的輸出口連接並位於該支撐件上方,用以對自該輸氣單元的輸出口流出的氣體進行加熱,並將加熱後的氣體引入該去氣腔,該去氣腔內的氣體通過熱傳導的方式加熱襯底;該氣體處理裝置包括加熱單元和勻氣單元,其中該加熱單元包括用以對自該輸氣單元的輸出口流出的氣體進行加熱的加熱元件;該勻氣單元包括設置在該輸氣單元的輸出口下方的一個或多個勻氣板,該勻氣板具有多個通孔,自該輸氣單元的輸出口流出的氣體經由該通孔流入該去氣腔內。
- 如申請專利範圍第1項所述的襯底處理系統,其中,該加熱單元還包括:導流元件,該導流元件內具有分別與該輸氣單元的輸出口和該去氣腔連接的導流通道,自該輸氣單元的輸出口流出的氣體沿該導流通道流動,以增加該加熱單元與該氣體的接觸面積。
- 如申請專利範圍第2項所述的襯底處理系統,其中,該氣體處理裝置,還包括:勻氣單元,該勻氣單元包括設置在該導流元件下方的一個或多個勻氣板,該勻氣板具有多個通孔,自該導流通道流出的氣體經由該通孔流入該去氣腔內。
- 如申請專利範圍第1項所述的襯底處理系統,其中,該加熱元件位於該勻氣板的上方、下方或該勻氣板內,用以向流經該通孔的氣體提供熱量。
- 如申請專利範圍第4項所述的襯底處理系統,其中,該加熱元件緊密貼合於該勻氣板的上表面或下表面。
- 如申請專利範圍第第1項或第3項所述的襯底處理系統,其中,該多個勻氣板沿該豎直方向間隔設置,且每個該勻氣板所在平面與由該支撐件承載的該襯底的表面相互平行;每個該勻氣板上的通孔呈均勻分佈,且靠近該支撐件的勻氣板上通孔的數量大於靠近該輸氣單元的輸出口的勻氣板上通孔的數量。
- 如申請專利範圍第1項所述的襯底處理系統,其中,該加熱元件包括電阻絲。
- 如申請專利範圍第1項所述的襯底處理系統,其中,該襯底處理系統,還包括底部加熱單元,該底部加熱單元設置於該去氣腔底部,用於對該襯底進行加熱。
- 如申請專利範圍第1項所述的襯底處理系統,其中,該襯底處理系統,還包括:真空泵抽氣單元,其抽氣介面與該去氣腔連接,用於將該去氣腔內的氣體抽出。
- 如申請專利範圍第9項所述的襯底處理系統,其中,該襯底處理系統,還包括:冷卻單元,該冷卻單元連接於該去氣腔和該真空泵抽氣單元的抽氣介面之間,用於將自該去氣腔內排出的氣體冷卻。
- 如申請專利範圍第10項所述的襯底處理系統,其中,該冷卻單元,包括:冷卻元件及導氣管,其中:該導氣管的一端連接該去氣腔,該導氣管的另一端連接該抽氣單元的抽氣介面,該導氣管纏繞連接於該冷卻元件的外側;該冷卻元件用於冷卻流經該導氣管的氣體。
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