CN107073653B - 用于劈开或切割基板的激光加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于分离形成在单个基板上的半导体器件或用于分离厚度大的硬质固体基板的有效快速激光加工方法。在准备用于劈开/破裂(切割)步骤的器件或基板的过程中,形成损伤区域,该损伤区域的特征在于是沿预期劈开线所形成的深且窄的损伤区域。该激光加工方法包括以下步骤:通过聚焦单元来调整脉冲激光束以在工件的主体中产生“长钉”状光束汇聚区,更具体地,产生高于工件材料光学损伤阈值注量(功率分布)的区域。在前述步骤中,构建调整区域(具有“长钉”状形状)。该激光加工方法还包括以下步骤:通过工件与激光束聚集点之间的相对平移沿预定破裂线构建多个这样的损伤结构。
Description
技术领域
本方法属于激光材料加工。更具体地,本方法是关于一种使用特殊形状的激光束来劈开和/或切割硬质脆性材料的方法。本发明用于对形成在基板上的半导体器件进行分离。
背景技术
晶圆切割在半导体器件的制造中起到关键作用,而这些器件不断变小并越来越复杂。传统的切割方法是对于厚度大于100μm的硅晶圆使用金刚石锯,或者对于较薄的晶圆,则使用激光烧蚀。
金刚石圆盘锯技术受限于其低加工速度(对于硬质材料)。金刚石圆盘锯通常会产生宽的、带有碎裂划痕且低质量的边缘,进而降低器件产量和使用寿命。该技术由于金刚石圆盘会快速劣化而产生昂贵的费用,并由于需要水冷却和清洗而不实用。另外,当要切割的基板较薄时,该技术的性能受限。
另一传统激光加工技术(即,激光烧蚀)同样受限于其低加工速度和达到10-20μm的划痕宽度,该宽度对于大多数应用而言过宽。此外,激光烧蚀引发裂纹、留下熔融的残留物,并且通过碎片(debris)污染了切割区域。大面积的热影响区会减小半导体器件的使用寿命和效用。
烧蚀和金刚石圆盘锯技术都无法用于其上存在其他表面特征的特殊晶圆,比如,存在用于黏合堆栈的、附有染料的薄膜(dye-attached film)。这样的附加物使得传统的锯割工艺或烧蚀工艺更难以应对碎片并更易受到碎片的影响。为了提高所分离器件的质量,开发了其他基于激光加工的方法和设备。
其中之一是在2006年1月31日公布的美国专利US 6992026中所描述的激光加工方法和激光加工设备。该方法和设备使得能够在不产生融合痕迹以及不产生垂直延伸出工件表面上的预定切割线的裂纹的情况下,对该工件进行切割。使用脉冲激光束在足以导致多光子吸收的情况下沿预定切割线照射工件表面,激光束被对准以在工件主体内部产生焦斑(或聚集点:高能量区/高光子密度区),从而通过在劈开平面(cleaving plain)中移动焦斑来沿预定劈开线形成调整区域(modified area)。创建调整区域之后,能够以相对小的力将工件机械分离。
目前,该加工方法及其变型在本领域中被称为“隐形切割(stealth dicing)”。其所有变型都基于通过一定波长(在该波长下,晶圆是透明的)的聚焦脉冲激光束所产生的内部穿孔,而聚焦脉冲激光束在焦点处被非线性处理所吸收,例如,像在经内部刻蚀的装饰性玻璃区块中那样。内部穿孔使得上下表面崭新如初。晶圆通常放置在被机械伸展的塑料胶带上,从而使得穿孔开裂。据称与现有工艺不同,该加工方法不会发生碎片、表面裂纹或热损伤。除了特殊晶圆和多层晶圆,微电子机械(microelectromechanical,MEM)系统也可以以这种方式分离。
隐形切割的不足之处是明显的,由于通常为了进行隐形切割,必须施加高数值孔径(NA)透镜,从而导致小的景深(depth of focus,DOF),并且提供了严苛的聚焦条件。这导致多个裂纹向劈开表面上随机方向延伸,因而影响由该劈开晶圆生成的器件的使用寿命。当加工蓝宝石时,隐形切割也同样具有缺点。当晶圆和基板的厚度高达120-140μm,并且每个待切割的分脱机仅需要一个道次(pass),这些具体的不足之处不明显。但是,对于较厚的晶圆(通常4"、6"蓝宝石晶圆的厚度>140μm至250μm或更厚),每个分脱机需要多个道次。其后果是,材料暴露在激光辐射下的时段被延长,这对最终器件的性能和产量产生无益影响。此外,多道次加工减缓了总加工速度和降低了生产能力。
在2013年5月23日公布的美国专利申请US 2013126573中公开了另一材料加工方法。提供了一种在为劈开步骤做准备的过程中对透明基板进行内部加工的方法。使用由脉冲组成的聚焦激光束来照射基板,该脉冲所具有的脉冲能量和脉冲时长被选择以在基板内产生灯丝(filament)。相对于激光束平移基板以照射该基板并在一个或多个附加位置产生附加的灯丝。所形成的灯丝构成了数组,该数组限定了用于劈开该基板的内部划片路径。可改变激光束参数以调整灯丝长度和位置,并且可选地引入V-沟道或沟槽,从而向激光劈开的边缘提供斜角(bevel)。优选地,以突发序列的方式提供激光脉冲,用于降低形成灯丝的能量阈值、增大灯丝长度和灯丝修正区的热退火以最小化附带损伤、提供加工的重复性,以及与使用低重复率激光相比加快了加工速度。
本方法的应用导致仅适用于裸材料(bare material)的粗加工,并且由于所需的较高脉冲能量而不便于切割,从而对最终半导体器件性能产生不良影响。特别地,如果使用该方法来切割晶圆,所形成的发光二极管(LED)的特征在于增大的漏电流,在高亮度(HB)和超高亮度(UHB)LED中,增大的漏电流将极大地降低性能。
在2012年9月20日公布的美国专利申请US 2012234807中描述了一种对工件产生扩展的深度影响(extended depth affectation)的激光划片方法。该方法基于对激光束进行聚焦以引入有意的像差。纵向球面像差范围被调整为足以在有限的横向球面像差范围的情况下将景深延伸到工件中。该方法也由于高能量脉冲而导致了粗加工从而在工件内侧造成垂直损伤痕迹。由于必须使用低的数值孔径(具有几十微米的焦距),所以需要高脉冲能量,这导致了宽松的聚焦条件——焦斑具有很平滑的空间强度分布(intensity profile),因此导致以下操作情况:以相对小的峰值在大的面积上实现了上述损伤阈值能量密度。由于对脉冲强度的需求增大(需要用于光击穿),需要增大脉冲能量,并且脉冲能量的增大使得该加工方法对于HB LED和UHB LED而言不具有吸引力。在HB LED和UHB LED中,如上所述,LED漏电流和芯片壁粗裂纹(rough cracking)是至关重要的。
现有技术方法限制了基板厚度、材料类型和用于晶圆分离的加工质量。为了加工较厚的材料,上述技术要求增大激光功率或每个分脱机的道次数量。其后果是,这将对半导体器件性能和生产量产生不良影响。
发明内容
为了克服上述缺点,本发明提供了一种用于分离形成于单个基板上的半导体器件或用于分离大厚度硬质固体基板的有效快速激光加工方法。在准备用于劈开/破裂(切割)步骤的器件或基板的过程中,形成损伤区域,该损伤区域的特征在于是沿预期劈开线所形成的深且窄的损伤区域。本方法对每个切割线不要求多个激光束道次,因此增大了生产量。下文中,术语“工件”被限定为包括术语基板、晶圆、晶圆片、器件或者准备用于加工和后续机械分离并可被交替使用的类似对象。
该激光加工方法包括以下步骤:通过聚焦单元来调整脉冲激光束以在工件的主体中产生“长钉”状光束汇聚区,更具体地,产生高于工件材料光学损伤阈值注量(功率分布)的区域。在聚焦单元中,光束发散度和宽度是可调的,并且将光束聚焦到工件上。材料对于该激光辐射是部分或完全透明的,并且在前述步骤中,优选地由于足以产生定域融化或库伦爆炸(Coulomb explosion)的多光子吸收,在材料的主体中产生了调整区域(具有“长钉”状形状),也被称为损伤结构。
该激光加工方法还包括以下步骤:通过物体与激光束聚集点之间的相对平移沿预定破裂线构建多个这样的损伤结构。本领域普通技术人员应当理解,在形成这样的线之后,借助于机械力可将物体分离或切割为两个或更多个具有限定的分离边界的较小片,该分离边界有一系列损伤区域进行限定。
附图说明
为了更好地理解本发明及其实际应用,提供了以下附图以供下文参考。附图仅以示例给出,并且不应被理解为对本发明的范围进行限制。
图1是通过对入射的高斯曲线强度分布激光束(从左侧入射)进行聚焦所得到的,材料内17-30μm深度处的数值模拟“长钉”状聚焦激光束强度分布示意图。
图2是通过对入射的高斯曲线强度分布激光束进行聚焦所得到的,材料内更深聚焦条件(在140-230μm处)下的数值模拟“长钉”状聚焦激光束强度分布图。
图3是优选实施例的示意性表示,其中,通过经由光束聚焦单元聚焦激光辐射来产生单个损伤结构。
图4是通过光束聚焦单元在材料内聚焦的过程中所实现的数值模拟近轴和边缘激光光线的聚焦。
图5是优选实施例的示意性表示,其中,产生了一系列损伤结构以形成劈开/破裂面。
图6是将“长钉”状聚焦激光束强度分布与在材料内17-30μm深度处得到的损伤形状相比较的照片的示意图。
图7是将“长钉”状聚焦激光束强度分布与在材料内更深聚焦条件(在140-230μm处)下得到的损伤形状相比较的照片的示意图。
图8是按照实施示例1得到的加工结果的示意图。
图9是按照实施示例2得到的加工结果的示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于分离形成在单个基板上的半导体器件或用于分离硬质固体基板的激光加工方法。在准备用于劈开/破裂步骤的样品的过程中,形成损伤区域,该损伤区域的特征在于是沿预期劈开线所形成的深且窄的损伤区域。
在最优选的实施例中,该加工方法包括以下步骤:通过光束聚焦单元使用聚焦脉冲激光束照射工件以使得光束汇聚区(焦斑、焦点)形成于工件的主体的内部,从而造成与该汇聚区的形状匹配或相似的损伤结构。形成汇聚区以使其空间注量分布(该注量超过工件材料的损伤阈值)是例如图1或图2中所示的类“长钉”几何结构形状。术语“损伤”被定义为指代对材料的任何类型的充分局部调整,通过该充分局部调整,材料的机械特征被改变得足以在后续劈开步骤中形成受控裂纹(沿分离边界)。通过多光子吸收来引入调整或损伤结构(局部受损区、局部受损区域),如果工件材料对于激光辐射所使用的中心波长是部分或完全透明的(材料的带隙超过单个光子能量,优选地为若干倍),并且在进行光束聚焦的同时通过使用短脉冲和超短脉冲实现了足够的光子密度,则会发生多光子吸收。较优地,工件材料的特征在于带隙能量大于0.9eV。
加工方法还包括在间隔位置处反复照射样品,在这些间隔位置处多个损伤结构形成了破裂/分脱机。优选地,这通过将工件安装在线性平移台的机动组件上并沿预期劈开线在期望的方向上移动该工件来实现,从而形成劈开面。本领域普通技术人员应当清楚,只要确保了聚焦单元与工件的相对移动,就可采用不用配置的平移台,包括旋转台(包括使聚焦单元可移动)。蓝宝石、硅、碳化硅晶圆、金刚石基板或难以机械加工的其他高硬度或硬脆材料的器件或晶圆形基板可被用作工件,尤其是其具有很大的厚度(厚度大于500μm)时。
在最优选的实施例中,实现该步骤的最合适方式为使用以下各项:脉冲激光束(1)、脉冲激光束源(2),优选地为球形-椭球形高斯强度分布;光束聚焦单元,比如光束成形光学器件装置,例如光束扩展器(3)、光束聚焦组件(4)、用于稳定光束聚焦组件(4)或单元与工件(6)之间距离的装置;如图3所示,用于固定和平移工件(6)的机动平移台组件(7)装置,比如机动的平移台组件。该脉冲激光束源(2)优选地为能够稳定地产生恒定极化的连续激光脉冲并具有以下各项的脉冲激光束源(2):限定良好的时间包络(优选地为高斯包络)、设定在100至15000fs范围内的脉冲持续时间、设置在500至2000nm范围内的中心波长、设置在10kHz至2MHz范围内的频率、以及足以使聚焦单元之后的脉冲能够具有1至100μJ范围内的脉冲能量和0.1至100J/cm2范围内的注量的脉冲能量。光束成形光学器件优选地包括光束扩展器(3),例如开普勒或伽利略型光束扩展器或者为了在聚焦组件之前达到合适的光束宽度和发散度所需的任何其他配置的光束扩展器。光束聚焦组件(4)优选地包括非球面聚焦(聚集)透镜或物镜,以及优选地包括用于保持透镜与样品之间的默认距离的装置(例如具有压电纳米定位器或机动线性平移台的距离监视装置),用于将光束聚焦单元与工件(6)之间的距离保持在光束聚焦组件(5)的工作距离处,对于300mm/s的平移速度该装置的最大误差大约为2μm。光束聚焦组件(5)应当被布置为使得当光线聚焦在工件的主体中时,可形成一“长钉”状焦斑(大于损伤阈值的注量的空间分布),该焦斑具有等于和/或具有长钉状的空间高强度分布,如图1和图3所示。必要时,例如也可通过在工件的第一表面(9)处引发烧蚀(烧蚀产生的坑(10))来使所产生的损伤结构(8)从工件的该第一表面(9)延伸到主体中。对于光束聚焦组件(4),优选高数值孔径(NA>0.7),但是在其他实施例中,数值孔径可在0.5至0.9范围内选择,并且被设计为使得距光轴(光束聚焦单元的中心)较近的激光束分量能够被聚焦以相对于距光轴较大横向距离的光束分量产生距工件的第一表面(9)较近的聚集区,距光轴较大横向距离的光束分量被聚焦在较大的深度(距工件(6)的第一表面(9)的距离)处。该“长钉”状汇聚区的示例性光线径迹图如图4所示。
传递到表面的每个激光脉冲之间的距离在1μm至10μm的范围内,并且可通过改变机动平移台组件(7)的移动速度来进行调节。劈开/破裂面(11)通过机动平移台组件(7)的线性移动来形成。单个劈开线的道次(重复的平移)的数量应当高达2,然而这并非用于限制,创建劈开/破裂面的过程如图5所示。在这一情况下,紧聚焦和尖锐的“长钉”状聚焦强度分布被结合在一起,并且可通过调整非球面透镜参数、材料光学特性或入射光束特性来进行控制。
所形成的劈开/破裂表面的形态如图6和图7所示。本领域普通技术人员应当理解可实现不同长度的损伤结构以对复杂工件进行有效破裂。损伤结构之间的距离介于1至10μm范围内。
在另一优选实施例中,使用同一光束聚焦单元来同时聚焦多达4个激光束以产生多个聚集点,从而加快了加工速度。
在另一实施例中,在通过光束聚焦单元使用聚焦脉冲激光束照射工件的步骤中,光束聚焦单元被设置成包括至少一个衍射组件,以补充或取代光束成形光学器件,该至少一个衍射组件对入射光束进行成形以使得该光束通过光束聚焦组件之后可实现“长钉”状强度分布。
在又一实施例中,在通过光束聚焦单元使用聚焦脉冲激光束照射工件的步骤中,光束成形单元被设置成包括至少一个自适应光学组件,该至少一个自适应光学构件对入射光束进行成形以使得该光束通过光束聚焦组件之后可实现“长钉”状强度分布。这允许使用更多种类的入射光束(或者更具体地不同调制的光束)或者允许对波动的加工参数进行补偿。光束成形组件可基于可变形反射镜、压电可变形反射镜等。
在又一实施例中,在通过光束聚焦单元使用聚焦脉冲激光束照射工件的步骤中,根据前一实施例,自适应光学组件可被替换为至少一个相位和/或幅值调制器组件,如液晶光调制器或微镜矩阵。
为了更好地公开本发明,给出了以下示例。然而,所公开的示例和所提及的参数是为了帮助更好地理解本发明,并不是对本发明的范围进行限制。这些参数可在宽的区间内变化,从而产生相似或不同的结构,然而切割工艺的主要构思保持不变。
在又一实施例中,在通过光束聚焦单元使用聚焦脉冲激光束照射工件的步骤中,根据前一实施例,自适应光学组件可被替换为至少一个被动衍射光束调制组件,比如平顶光束成形衍射光学组件、用于像差校正的衍射光学组件或者另一组件,并且在所有情况下,都具有适当的参数。被动衍射组件由本领域普通技术人员进行选择以使得使用这样的组件调制的光束可使用光束成形组件进行聚焦从而实现“长钉”状强度分布。应当注意的是,该组件在照射过程中也可被设置在光束聚焦组件之后的光路中。
为了更好地公开本发明,给出了以下示例。然而,所公开的示例和所提及的参数是为了帮助更好地理解本发明,并不是对本发明的范围进行限制。这些参数可在较宽的区间内变化,从而产生相似或不同的结构,然而切割工艺的主要构思保持不变。
示例1
工件材料为Al2O3。工件的形式为具有大约140μm厚度的基板(厚片)。激光源为飞秒激光器,具有1030nm的输出辐射波长、300fs以下的脉冲宽度(半高宽/1.41),输出频率设置为100kHz。与光束聚焦组件一样,聚焦单元设置有0.8NA的聚焦物镜。光束聚焦单元之后的脉冲能量选择为5μJ,并且注量大约为0.7kJ/cm2,在晶圆的第一表面下10μm形成聚集区。损伤结构之间的距离为3μm。加工速度,更具体地线性平移台的平移速度为300mm/s。加工后的结果(左侧)和破裂/切割后的结果(右侧)如图8所示。
示例2
工件材料为4H多晶型碳化硅(4H-SiC)。工件的形式为具有大约100μm厚度的基板(厚片)。激光源为飞秒激光器,具有1030nm的输出辐射波长,300fs以下的脉冲宽度(半高宽/1.41),输出频率设置为100kHz。与光束聚焦组件一样,聚焦单元设置有0.5NA的聚焦物镜。光束聚焦单元之后的脉冲能量选择为30μJ,并且注量大约为1kJ/cm2,在晶圆的第一表面下30μm形成聚集区。损伤结构之间的距离为3μm。加工速度,更具体地线性平移台的平移速度为300mm/s。加工后的结果(左侧)和破裂/切割后的结果(右侧)如图9所示。
示例3
根据入射光束的发散度和目标聚焦深度区间的不同,透镜非球面系数的选择有一定的灵活性。在入射光束发散度为1mRad(在光束发散控制单元后侧测得)的情况下,蓝宝石内的目标聚焦深度从17μm至140μm,针对第一透镜表面的非球面透镜系数为:R=2.75(曲率半径);k=-0.5426984(圆锥常数,在顶点处测得);非零系数A4=-3.1954606×10-4;A6=-4.3977849×10-5,A8=1.8422560×10-5;A10=-1.5664464×10-6;以及对于第二表面:R=-3.21;k=-12.41801;A4=9.0053074×10-3;A6=-1.3597516×10-3;A8=1.1366379×10-4;A10=-4.2789249×10-6;折射系数n=1.597,设计波长830nm。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明申请专利范围及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型。
Claims (14)
1.一种用于劈开或切割基板的激光加工方法,该激光加工方法包括通过光束聚焦单元使用脉冲激光束来照射工件的步骤,其中,激光脉冲被传递到该工件的表面用于劈开工件;其中,该工件是指具有至少一个平整表面的待劈开或待切割物体;其中,该工件对于激光辐射至少是部分透明的;其中,所述工件的材料包括蓝宝石、硅、碳化硅、金刚石或其他硬脆材料的晶圆形基板,其对于激光辐射的波长是部分或完全透明的;其中,该工件上一系列受损区产生劈开面;其中,所产生的劈开面使得沿期望的基板分脱机能够容易地进行破裂,其特征在于,该激光加工方法包括以下步骤:
使用被设置为将激光束聚焦到该工件的主体中的光束聚焦单元来调整该激光束,且该激光束只聚焦在该工件的主体内部,且只在该工件的主体内部产生类“长钉”形状光束汇聚区,且该光束汇聚区未延伸至该工件的表面,以使得上述工件的主体材料光学损伤阈值注量分布遵循类“长钉”形状,其中该类“长钉”形状的纵向长度大于横向长度,其中,光束聚焦单元包括至少一个光束聚焦组件,该至少一个光束聚焦组件具有在0.8-0.9NA范围内的高数值孔径;当在使用一距离保持装置保持该光束聚焦单元与该工件的一第一表面之间的距离时,所述类“长钉”形状的光束汇聚区保持在该第一表面以下的一固定深度并沿预期劈开面产生一系列具有该类“长钉”状注量分布的损伤结构,以及通过移动工件的手段达到保持相邻损伤结构之间的距离,且该损伤结构只形成于该工件的主体内部,并未延伸至该工件的表面。
2.如权利要求1所述的用于劈开或切割基板的激光加工方法,其特征在于,该通过该光束聚焦单元进行的激光束聚焦通过以下方式来实现:
通过至少一个设置在该光束聚焦单元中的光束发散控制单元,包括可调整的光束扩展器,来导引光束;并且在于,通过至少一个光束聚焦组件连续导引该光束,其中,该光束聚焦组件为非球面光束聚焦透镜或至少一个物镜。
3.如权利要求1所述的用于劈开或切割基板的激光加工方法,其特征在于,该光束聚焦组件聚焦该光束以使得入射到聚焦单元的表面上距光轴较近的横向光束分量被聚焦成距该工件的第一表面较近,而入射到聚焦单元的表面上距光轴较远的横向光束分量被聚焦到距该工件的第一表面较远的工件的主体中。
4.如权利要求1所述的用于劈开或切割基板的激光加工方法,其特征在于,该距离保持装置被设置为包括距离监视装置、压电纳米定位器或机动线性平移台。
5.如权利要求1所述的用于劈开或切割基板的激光加工方法,其特征在于,该工件的主体内的该“长钉”状聚焦激光束强度分布适于通过借助于改变该光束聚焦组件之前的激光光束发散度、或聚焦深度的任一项或多项,来有效加工该工件的材料的特性和该工件的尺寸。
6.如权利要求1所述的用于劈开或切割基板的激光加工方法,其特征在于,该通过该光束聚焦单元进行的激光束聚焦通过以下方式来实现:
通过该光束聚焦单元中的至少一个自适应光学组件来导引光束;并且在于,通过至少一个光束聚焦组件连续导引该光束,该光束聚焦组件包括球面光束聚焦透镜、非球面光束聚焦透镜或至少一个物镜。
7.如权利要求1所述的用于劈开或切割基板的激光加工方法,其特征在于,该通过该光束聚焦单元进行的激光束聚焦通过以下方式来实现:
通过该光束聚焦单元中的至少一个相位和/或幅值调制器组件来导引光束;并且在于,通过至少一个光束聚焦组件连续导引该光束,该光束聚焦组件包括球面光束聚焦透镜、非球面光束聚焦透镜或至少一个物镜。
8.如权利要求1所述的用于劈开或切割基板的激光加工方法,其特征在于,该通过该光束聚焦单元进行的激光束聚焦通过以下方式来实现:
通过该光束聚焦单元中的至少一个被动衍射光束调制组件以及至少一个光束聚焦组件来导引光束,该光束聚焦组件包括球面光束聚焦透镜、非球面光束聚焦透镜或至少一个物镜。
9.如权利要求1所述的用于劈开或切割基板的激光加工方法,其中,该光束聚焦单元被用于同时聚焦多达4个激光光束。
10.如权利要求1所述的用于劈开或切割基板的激光加工方法,其特征在于,该激光束的波长介于500至2000nm范围内。
11.如权利要求1所述的用于劈开或切割基板的激光加工方法,其特征在于,该激光脉冲的持续时间介于100fs至15000fs范围内。
12.如权利要求1所述的用于劈开或切割基板的激光加工方法,其特征在于,该激光脉冲的重复率介于10kHz至2MHz范围内。
13.如权利要求1所述的用于劈开或切割基板的激光加工方法,其特征在于,该激光脉冲的能量介于1至100微焦范围内。
14.如权利要求1所述的用于劈开或切割基板的激光加工方法,其特征在于,该一系列损伤结构的损伤结构之间的距离介于1与10微米范围内。
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