IT8323669A1 - "Sistema di controllo automatico della polarizzazione, con un punto di rivelazione compensato" - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DELL?INVENZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un metodo di formazione, su silicio depositato, di biossido di silicio presentante una elevata rigidit? dielettrica ed una bassa corrente di dispersione.
Le strutture di silicio policristallino, o "polisiiicio", a piu* livelli, consistenti di strati di silicio policristallino separati da materiali dielettrici isolanti, vengono impiegate, in modo estensivo, in dispositivi al silicio, costituiti, ad esempio da dispositivi ad accoppiamento di carica(CCD) e da strutture a circuito integrato, rappresentate, ad esempio, da condensatori e da dispositivi EEPROM e CMOS. Tipicamente, gli strati di silicio policristallino, che possono venire drogati con fosforo, allo scopo di diminuirne la resistivit?, vengono formati per mezzo di un processo di deposizione chimica da fase vapore, a bassa pressione(LPCVD -low pressure Chemical vapor deposition), in corrispondenza di una temperatura del substrato pari, all'incirca, a 620?C. Il di^ettrico isolante ? tipicamente costituito da biossido di silicio, ottenuto per ossidazione termica dello strato sottostante di silicio policristallino o per deposizione da fase vapore, sullo strato di silicio policristallino. Deve essere rile_vato che ? preferibile il biossido di silicio accresciuto termicamente, in virt?' della semplicit? del processo di trattamento rispettivo e in virt?' della purezza dell'ossido che viene ottenuto. ;Tuttavia, ? ben noto il fatto che le propriet? isolanti del biossido di silicio accresciuto termicamente su di uno strato sottostante di silicio policristallino, risultano inferiori a quelle del biossido di silicio accresciuto termicamente sul silicio monocristaliino. In particolare, questi ossidi presentano una rigidit? dielettrica inferiore,(campo elettrico in corrispondenza del quale si verifica la rottura, vale a dire il "breakdown" a carattere.?? distruttivo)mentre pre sentano una maggior corrente di dispersione per un dato campo elettrico applicato. Questi effetti sono stati attribuiti alla ruvidit? superficiale dell'interfaccia fra silicio policristallino e biossido di silicio, derivante dalla granulosit? del silicio policristallino e dalla risultante testurizzazione della superficie del silicio policristallino. Una rugosit? superficiale produce una variazione nel campo elettrico locale in corrispon denza dell'interfaccia fra il silicio e il biossido di silicio, con conseguente incremento dell'inie zione degli elettroni nell'ossido. ;Il silicio, depositato da una atmosfera contenente silicio, su di un substrato, ad una temperatura inferiore a 580?C, forma uno strato amorfo di silicio, presentante una superficie estremamente levigata. La ricottura di questa pellicola ad una temperatura compresa fra circa 900?C e circa 1000?C, consente di convertire il silicio amorfo dallo stato amorfo ad uno stato policristallino, con una dimensione granulometrica media, pari all'incirca a 0,08 micrometri (pm). Il sorprendente risultato di questo processo ? rappresentato dal fatto che la superficie del silicio policristallino rimane estremamente levigata, malgrado il fatto che le dimensioni granulometriche dello strato di silicio policristallino, inizialmente depositato allo stato amorfo, risultino significativamente maggiori di quelle che si riscontrano nello strato depos itato allo stato policristallino. ;La presente invenzione si riferisce ad un metodo di fabbrreazione di uno strato di biossido di silicio,. compren dente le fasi di deposito di uno strato di silicio, amorfo, su di un substrato, in corrispondenza di una temperatura inferiore a circa 580?C e di ossidazione dello stra to. ;L'invenzione include pure dispositivi semiconduttori presentanti- uno strato di biossido di silicio, su di uno strato di silicio policristallino, in cui lo strato di biossido di silicio viene formato per ossidazione termica di silicio amorfo depositato ad una temperatura inferiore a 580?C. ;La presente invenzione risulter? piu' evidente dall'analisi della seguente descrizione dettagliata, la quale deve essere considerata in unione ai disegni allegati, nei quali: ;la figura 1 rappresenta una sezione trasversale di un dispositivo semiconduttore incorporante la presente invenzione; ;la figura 2 costituisce una illustrazione schematica dell'apparato di prova che viene utilizzato per misurare le propriet? dello strato di biossido di silicio, realizzato in conformit? con 1 'invenzione; e ;le figure 3 e 4, considerate costituite dalle figure 3a- 3c e 4a - 4?, rappresentano istogrammi illustranti la tensione di rottura o di "breakdown" del biossido di silicio, formato su strati di silicio amorfo e di silicio policristallino. ;La figura 1 illustra una porzione di un dispositivo semiconduttore presentante una struttura di porta sullo stesso, tale struttura essendo tipica di quelle che si riscontrano in un dispositivo ad accoppiamento di cariche CCD(charge-coupled device). La porzione 10 include un corpo di silicio 12, di tipo monocristallino, presentante una superficie principale 14. Un ossido di porta 16, tipicamente formato per ossidazione termica del corpo di silicio 12, sovrasta la superfieie ~14. Una struttura di porta, comprendente una pluralit? di ognuna di tre porte differenti 18, 20 e 22, in una struttura a piu' livelli, con ogni porta isolata dalle altre, per mezzo di un dielettrico 24 costituito, tipicamente da biossido di silicio, sovrasta lo strato di ossido di porta 16. ;In accordo con la tecnologia anteriore, le porte 18, 20 e 22 sono tipicamente formate da silicio policristallino depositato, allo stato policristallino, per mezzo del metodo LPCVD precedentemente definito, da una atmosfera contenente silicio e un drogante costituito, preferibilmente, da fosforo, operando ad una temperatura di 620?C o di valore superiore. L'isolamento dielettrico fra le porte viene ottenuto riscaldando lo strato di silicio policristallino in un'atmosfera di ossigeno secco, ad una temperatura compresa,al-1'incirca fra 900?C e 1100?C.oppure in vapore acqueo ad una temperatura compresa, approssimativamente fra 800?C e 900?C. Tipicamente, l'atmosfera contiene pure il 3f0 circa in volume di HC1 gassoso. ;Il metodo proposto dalla presente invenzione comporta il deposito di silicio amorfo tipicamente mediante il processo LPCVD precedentemente definito, da una atmosfera contenente silicio, sotto forma di silano diluito con azoto, quantunque non vengano esclusi altri metodi di deposizione, in cui la temperatura del substrato risulta inferiore a 580?C e tipicamente compresa fra circa 550?C e 575?C e pari, preferibilmente a circa 560?C. ;Successivamente, lo strato di silicio amorfo viene convertito ad uno strato policristallino mediante ricottura ad una temperatura superiore a circa 600?C e preferibilmente compresa fra circa 900?C e circa 1000?C. Il substrato sul quale viene depositato il silicio amorfo ? tipicamente costituito da un corpo di silicio mono cri stai lino , presentante uno strato di ossido di porta sullo stesso. ;Lo strato di silicio amorfo pu? venire drogato con un modific?iore di conduttivit? costituito , tipicamente da fosforo , mediante aggiunta di un composto contenente fosforo , all ' atmosfera, durante il processo di deposizione. La Titolare ha tuttavia riscontrato che ? preferibile drogare il silicio amorfo, in una fase successiva, poich? la superficie dello strato risultante di silicio drogato risulta piu ' liscia rispetto a quanto si verifica quando il drogaggio viene effettuato simultaneamente alla deposizione dello strato di silicio amorfo. ;Lo strato di silicio amorfo pu? venire drogato in una fase successiva, adottando un processo di impiantagione ionica o di diffusione da una atmosfera contenente il drogante, impiegando tecniche ben note nel settore specifico. Per un drogaggio mediante diffusione, ? possibile l 'impiego di un' atmosfera contenente PCJCl^ ? con lo strato di silicio amorfo riscaldato ad una temperatura compresa fra circa 800?C e circa 1100?C. Per mezzo di un processo di impiantagione ionica, la successiva fase di ossidazione comporta l'attivazione del drogante. ;Uno strato di silicio amorfo, drogato con fosforo, pu? venire convertito in silicio policristallino per mezzo di una ricottura in un'atmosfera di azoto, contenente lo 0,5f? circa di ossigeno, operando ad una temperatura compresa, approssimativamente fra 850?C e 1000?C. La piccola concentrazione di ossigeno consente di formare un sottile strato di vetro sulla superficie ed impedisce la fuga del fosforo e la formazione di un nitruro sulla superficie. Il drogaggio per diffusione, dello strato di silicio amorfo, nell'atmosfera di POCl^ comporta pure la formazione di un sottile strato di vetro sulla superficie dello strato. In entrambi i casi, il vetro presenta, tipicamente, uno spessore compreso fra 2 e 10nm e lo stesso viene fortemente drogato con fosforo. Questo vetro non rappresenta un dielettrico isolante utile e lo stesso viene rimosso con l'ausilio di tecniche di attacco, prima della formazione di un dielettrico isolante di biossido di silicio. ;A questo punto, nel processo di fabbricazione, lo strato di silicio si trova allo stato amorfo , se il drogaggio dello strato ? stato condotto durante il processo di deposizione o per mezzo di un metodo di impiantagione ionica. S e lo strato viene drogato dopo la deposizione per diffusione, il riscaldamento dello strato , durante il processo di drogaggio , ? sufficiente a convertire lo strato allo stato policristali?ino , in corrispondenza dell ' inizio della fase di drogaggio. La fase di ossidazione termica che verr? in seguito descritta, risulta pure sufficiente a convertire lo strato depositato da uno stato amorfo ad uno stato policristallino. ;E * stato ri scontrato che , malgrado il fatto che lo strato di silicio amorfo, subisca una transisizione, con passaggio allo stato policristallino , esattamente all' inizio della fase di drogaggio , o di ossi dazione, uno strato di biossido di silicio disposto sullo stesso , presenta una rigidit? dielettrica sorprendentemente piu ' elevata, mentre si caratterizza pure per una minor corrente di dispersione , rispetto a quanto si verifica in strati disposti sul silicio policristallino , inizialmente depositato allo stato policristallino .
Prima della fase di ossidazione, lo strato di silicio depositato viene tipicamente configurato in modo tale da ottenere un disegno desiderato, ossia, ad esempio, uno o piu' elettrodi, per mezzo della rimozione di una porzione del- ; lo strato di silicio, adottando classici processi litografici e di attacco.
Lo strato di silicio depositato, sia allo stato amorfo, sia allo stato policristallino, viene ossidato mediante riscaldamento in untatalo? sfera contenente vapore acqueo od ossigeno secco, come precedentemente indicato. Tuttavia, deve essere rilevato che ? preferibile l'impiego di una atmosfera di ossigeno secco.
Lo strato dibiossido di silicio presenta uno spessore almeno pari a 10nm e, tipicamente, superiore a circa 15nm, preferibilmente, presenta uno spessore superiore a circa 25nm.
Il biossido di silicio formato in accordo con il metodo proposto dall'invenzione, ? stato analizzato impiegando l'apparato di prova schematizzato nella figura 2.
Un campione di prova include un corpo 40 di silicio monocristallino, presentante una superficie 42, con un ossido di porta 44, presentante uno spessore di 0,3 micrometri, sovrastante una porzione della superficie 42. Un elettrodo di porta 46 , consistente di uno strato di silicio , drogato con fosforo , depositato in accordo con il metodo proposto dall ' invenzione , sovrasta l' ossido di porta 44 ed una porzione della superficie 42 del corpo 40. Per convenienza, l ' elettrodo di porta 46 non ? stato configurato. Uno strato di biossido di silicio 48 , reali zzato in conformit? con il metodo della presente invenzione, sovrasta l ' elettrodo di porta 46. Vari elettrodi di prova 50 , ognuno consistente di uno strato, presentante un diametro di 1 mm di silicio policristallino a conduttivit? di tipo n e di un contatto di alluminio a contatto con lo strato di silicio po li cri stai lino , sovrastano lo strato di biossido di silicio , 48 , in modo tale da formare una pluralit? di condensatori di prova sul campione in prova.
L ' apparato di misura include una sorgente di tensione 60 , un resi store serie 62 di limitazione della corrente ed una sonda 64, in. modo tale da stabilire una connessione elettrica con uno della pluralit? di elettrodi di prova 50. La corrente elettrica circola dalla sorgente di tensione 60 , attraverso il resi store 62 di limitazione della corrente, la sonda 64 , il campione di prova ed un amperometro 66 collegato alla massa circuitale.
Un voltmetro 68 ? collegato ai capi del campione in prova, allo scopo di consentire di misurare la caduta di tensione ai capi dello stesso.
La sorgente di tensione 60 pu? fornire una tensione positiva o negativa all'elettrodo di prova 50. La tensione di rottura o di "breakdown" e la corrente di dispersione per ogni condensatore di prova sono state misurate separatamente, sia con una tensione positiva sia con una tensione negativa sul corrispondente elettrodo di prova. Poich? il flusso della corrente elettrica attraverso un condensatore di prova ? prevalentemente dovuto all'iniezione di elettroni nel biossido di silicio, dalla porta, od elettrodo di prova, il confronto dei risultati per le differenti polarit? delle tensioni consente di fornire una misura della qualit? dell'interfaccia fra l'elettrodo di porta e lo strato di biossido di silicio al di sopra dello stesso.
I seguenti esempi specifici intendono illustrare l'invenzione in oggetto, e gli stessi non devono essere in alcun modo considerati come limitanti lo scopo dell'invenzione.
ESEMPIO 1
Sono stati preparati tre campioni
di prova, ognuno presentante un elettrodo comune di porta ed una pluralit? di elettrodi di prova, come precedentemente descritto, tali campioni essendo stati trattati mediante ossidazione termica in un'atmosfera di ossigeno secco. Il campione I era costituito da uno strato di silicio amorfo depositato con la tecnica LPCVD precedentemente indicata, in un'atmos-fera di silano, su di un ossido di porta, ad una temperatura di 560?C. Lo strato di silicio amorfo, ? stato quindi drogato con fosforo, mediante diffusione da un'atmosfera di POCl?^ ad una temperatura di 950?C, operando per 15 minuti.Questo trattamento ha pure consentito di convertire lo strato di silicio allo stato.policristallino,tale strato presentando una resistivit? superficiale di 16 ohm/quadrato. Questo strato ? stato quindi riscaldato a 1000?C, in una atmosfera di ossigeno secco piu' il tre per cento di HC1, per un'ora, in modo tale da formare uno strato presentante uno spessore di 108 nanometri ((nm) di biossido di silicio sulla superficie dello strato di silicio.
Sono stati formati vari elettrodi di prova sullo strato di ossido di silicio, adottando le seguenti fasi:
( a) deposito di uno strato di silicio polidriiallino presentante uno spessore di 700 nanometri , al
di sopra dell ' ossido ,?
(b) drogaggio del silicio policristallino mediante diffusione di fosforo da una orgente di POCI^ ;
(c) definizione di punti di silicio policristallino adottando le tecniche standard comportanti l ' impiego di un materiale protettivo foto sensibile e di attacco chimico;
( d) alluminizzazione dell 'intera superficie, includendo i punti di silicio poli cri stallino e il biossido di silicio esposto ; e
(e) definizione di punti di alluminio sui punti di silicio policristallino , presentanti un diametro inferiore rispetto a quello dei punti di silicio policri stallino , adottando tecniche standard comportanti l ' impiego di un materiale protettivo fotosensibile e tecniche di attacco chimico.
Il campione II ? stato formato impiegan-? do le stesse tecniche adottate per il campione I , salvo il fatto che lo strato di silicio amorfo ? stato depositato a 560?C , da una atmosfera contenente Silano e fosfina combinando quindi le fasi di deposizione di drogaggio. Lo strato di silicio amorfo , pre sentava una resistivit? sup erficiale di 10 ohm/quadrato.
Lo strato di biossido di silicio formato in modo analogo a quanto definito per il campione I presentava uno spessore di 130 nm. Gli elettrodi di prova sono stati formati, sullo strato di biossido di silicio, in conformit? a quanto precedentemente descritto.
Il campione III rappresenta un campione di confronto, formato per deposizione da un'atmosfera contenente, silano, operando ad una temperatura di 620?C con successivo drogaggio partendo da un'atmosfera di POCl^, operando a 950?C, per 15 minuti, in modo tale da formare un classico strato di silicio policristallino.Lo strato di biossido di silicio, formato in accordo con quanto definito per il campione I, sullo strato di silicio policristallino, presentava uno spessore di 95 nm ed una resistivit? di 18 ohm/quadrato. Gli elettrodi di prova sono stati formati come descritto per il campione I.
Le figure 3(a),(b) e (c) rappresentano istogrammi indicanti le percentuali di d ispositivi dei campioni di prova I, II e III rispettivamente presentanti campi di rottura a carattere distruttivo in una data gamma, per tensioni, positive e negative applicate all'elettrodo di prova.
Dall'analisi della figura risulta evidente che il biossido di silicio formato da uno strato di silicio depositato allo stato amorfo, sia amorfo sia policristallino, quando viene iniziata l'ossidazione presenta, in media un campo, di rottura di due volte superiore a quello del biossido di silicio formato su silicio depositato allo stato policristallino, Per una polrit? inversa della tensione, si verifica l'iniezione degli elettroni dall'elettrodo di prova, Poich? la rugorosit? della interfaccia fra la porta e il biossido di silicio viene parzialmente rimossa durante l'accrescimento del'ossido, l'interfaccia fra l'elettrodo di prova e l'ossido risulta piu' levigata rispetto a quanto si verifica in corrispondenza dell'interfaccia fra la porta e il biossido di silico. In questo caso, la differenza fra gli strati depositati allo stato amorfo e quelli depositati allo stato policristallino,non ? cos? elevata, mentre ? stato osservato un piccolo incremento nella tensione di rottura o di "breakdown".
Il campione I presenta una tensione media di rottura di valore superiore a quella del campione II, per entrambe le polarit? della tensione.
Questo risultato indica che il drogaggio sequenziale dello strato di silicio amorfo, ? preferibile alla deposizione e al drogaggio simultanei dello strato di silicio.Questo risultato ? sorprendente per il fatto che la conversione del silicio amorfo in silicio policristallino si verifica in corrispondenza dell'inizio della fase di drogaggio. Gli atomi droganti entrano quindi nel silicio policristallino, preferenzialmente in corrispondenza dei confini dei grani, mentre la successiva ossidazione si verifica, preferenzialmente in corrispondenza di tali confini, a causa del drogante in eccesso. Questo potrebbe provocare un aumento della rugosit? della superficie di silicio.
ESEMPIO 2
Tre campioni di prova, ognuno presentante un elettrodo comune di porta ed una pluralit? di elettrodi di prova, come precedentemente descritto, sono stati preparati mediante ossidazione termica di una porzione dell'elettrodo di porta, in un'atmosfera di vapore acqueo. Il campione IV comprendente un elettrodo di porta, di silicio amorfo, depositato e drogato come nel caso del campione I dell'esempio 1, presentava una resistivit? pari, approssimativamente a 19 ohm/quadrato. Lo strato di biossido di silicio, formato nell'atmosfera di vapore acqueo, presentava uno spessore di 175 nm. Il campione V ? stato formato adottando le stesse tecniche dell'esempio IV, salvo il fatto che lo strato di silicio amorfo ? stato depositato, e drogato nella stessa fase, come nel caso specifico del campione II dell'esempio 1. La resistivit? superficiale dello strato di silicio era di 10 ohm/quadrato.I-1-' biossido di silicio formato nell'atmosfera di vapore acqueo presentava uno spessore di 161 nm. Il campione VI rappresenta un campione comparativo, corrispondente al campione III dell'esempio 1 formato mediante deposito di uno strato di silicio, allo stato policrietallino, ad una temperatura di 620?C,con successivo drogaggio a 950 ?C, per 15 minuti, in una atmosfera di POCl^. La resistivit? superficiale dello strato di silicio policristallino era di 15 ohm/ quadrato . Il biossido di silicio formato nell'atmosfera di vapore acqueo, a 850?C, presentava uno spessore di 200 nm.
Le figure 4(a), (b), e (c) rappresentano istogrammi della percentuale di dispositivi per i campioni di prova IV, V e VI , rispettivamente, presentanti campi di rottura in una data . gamma, per tensioni positive e negative applicate all'elettrodo di prova. Per tensioni positive di prova sugli elettrodi di prova, ? stato osservato un piccolo incremento, dell'ordine del 25-50$ del campo di rottura. Per una tensione di prova, di polarit? negativa sull'elettrodo di prova, ? stato osservato un simile incremento nel campo di rottura^ di "breakdoM/n".
Un confronto di questi campi di rottura con quelli dei campioni I, II, e III consente di evidenziare il fatto che per ogni tipo di campione, il campo di rottura risulta consistentemente piu' elevato, quando l'ossidazione termica viene condotta in un'atmosfera di ossigeno secco in contrapposizione ad un'atmosfera di vapore acqueo.
ESEMPIO 3
Sono state misurate le densit? delle correnti di dispersione in corrispondenza di un campo elettrico costante applicato pari a tre megavolt per centimetro, su quattro campioni differenti.I ri^ sultati sono stati rappresentati nella Tabella successiva. Il campione A ? stato formato per deposizione allo stato amorfo, drogato ed ossidato in ossigeno secco, come nel caso del campione I. Lo spessore dell'ossido era di 160 nanometri.
Il campione B ? stato formato per deposizione nella fase policristallina, drogato ed'ossidato in ossigeno secco,come nel caso del campione III. Lo spessore .dellOssido era di 130 nanometri.
Il campione C ? stato formato mediante deposito nella fase amorfa, ? stato drogato ed ossidato in vapore acqueo,come nel caso del campione IV. Lo spessore dell'ossido era di 116 nanometri.
Il campione D ? stato formato per deposizione nella fase policristallina,ed ? stato drogato ed ossidato in vapore acqueo, come nel caso del campione VI. Lo spessore dell'ossido era di 80 nanome-^ tri
Pertanto, gli strati di biossido di silicio formati in conformit? con il metodo della presente invenzione, vale a dire su silicio depositato allo stato amorfo ed ossidati in ossigeno secco, presentano correnti di dispersioni di piu1 di tre or
Claims (12)
1) Metodo di fabbricazione di uno strato dielettrico isolante di biossido di silicio, su di uno strato di silicio, comprendente le seguenti fasi:
deposito di uno strato di silicio amorfo su di un substrato, ad una temperatura inferiore a circa 580?C; e
riscaldamento di detto strato ad una temperatura compresa fra 900?C e 1100?C, in una atmosera di ossigeno secco, per ossidare una porzione di detto strato e formare uno strato dielettrico isolante.
2) Metodo secondo la rivendicazione 1, comprendente pure la fase di drogaggio dello strato di silicio amorfo prima di ossidare detto strato.
3) Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui le fasi di deposito e di drogaggio dello strato di silicio amorfo vengono combinate in una singola fase.
4) Metodo secondo la rivendicazione 2,
in cui il drogante ? fosforo.
5) Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la fase di deposito dello strato di silicio amorfo viene condotta ad una temperatura compresa, all'incirca fra 550?C e 575?C.
6) Metodo secondo la rivendicazione 5, in cui la fase di deposito dello strato di silicio amorfo viene condotta ad una temperatura di circa 560?C.
7) Metodo secondo la rivendicazione 7, in cui la fase di ossidazione dello strato di silicio amorfo viene condotta ad una temperatura compresa fra 950?C e 1050?C.
8) In un dispositivo semiconduttore includente uno strato configurato di silicio policristallino, con uno strato di biossido di silicio sullo stesso, il perfezionamento comprendente il fatto che lo strato di biossido di silicio viene formato per ossidazione termica, in una atmosfera di ossigeno secco, di uno strato di silicio depositato ad una temperatura inferiore a 580?C.
9) Dispositivo semiconduttore secondo la rivendicazione 8, in cui detto dispositivo comprende pure uno strato supplementare di un materiale appropriato, disposto su detto strato di biossido di silicio, detto strato di biossido di silicio interposto presentando uno spessore inferiore a circa 200 nanometri .
10) Articolo secondo la rivendicazione 8, in cui lo strato di silicio viene depositato ad una temperatura compresa fra circa 550?C e circa 575?C.
11) Articolo secondo la rivendicazione 8, in cui lo strato di silicio ? drogato con un modificatore di conduttivit? prima dell?ossidazione termica.
12) In un dispositivo semiconduttore includente uno strato configurato di silicio policristallino, con uno strato di biossido di silicio sullo stesso, il perfezionamento comprendente il fatto che lo strato di biossido di silicio presenta una densit? della corrente di dispersione inferiore a circa 10 ^ ampere per centimetro quadrato, in corrispondenza di un campo elettrico applicato pari, al-1'incirca a tre megavolt per centimetro.
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