JP2005302856A - 加熱装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 高剛性で反りの心配がなく、かつ被処理物搭載面の熱伝導率が高く、均熱性の向上や、チップの急速な冷却ができる半導体加熱装置を提供する。
【解決手段】 本発明の半導体加熱装置は、被処理物を搭載するセラミックスヒータの少なくとも被処理物搭載面に、熱伝導率200W/mK以上の被覆材料を被覆したことを特徴とする。被処理物を搭載するセラミックスヒータの被処理物搭載面上に、金属板あるいは金属とセラミックスの複合体の板を載せ、少なくとも金属板あるいは金属とセラミックスの複合体の板の上に、熱伝導率200W/mK以上の被覆材料を被覆してもよい。
【選択図】 図1
【解決手段】 本発明の半導体加熱装置は、被処理物を搭載するセラミックスヒータの少なくとも被処理物搭載面に、熱伝導率200W/mK以上の被覆材料を被覆したことを特徴とする。被処理物を搭載するセラミックスヒータの被処理物搭載面上に、金属板あるいは金属とセラミックスの複合体の板を載せ、少なくとも金属板あるいは金属とセラミックスの複合体の板の上に、熱伝導率200W/mK以上の被覆材料を被覆してもよい。
【選択図】 図1
Description
本発明は、半導体製造装置や半導体検査装置に使用される加熱装置に関し、更にはそれを搭載したウェハプローバやハンドラ装置やテスターなどに関するものである。
従来、半導体の検査工程では、被処理物である半導体基板(ウェハ)に対して加熱処理が行われる。すなわち、ウェハを通常の使用温度よりも高温に加熱して、不良になる可能性のある半導体チップを加速的に不良化させて取り除き、出荷後の不良の発生を予防するバーンインが行われている。バーンイン工程では、半導体ウェハに半導体回路を形成した後、個々のチップに切断する前に、ウェハを加熱しながら各チップの電気的な性能を測定して、不良品を取り除いている。このバーンイン工程において、スループットの向上のために、プロセス時間の短縮が強く求められている。
このようなバーンイン工程では、半導体基板を保持し、半導体基板を加熱するためのヒータが用いられている。従来のヒータは、ウェハの裏面全面をグランド電極に接触させる必要があるので、金属製のものが用いられていた。金属製の平板ヒータの上に、回路を形成したウェハを載置し、チップの電気的特性を測定する。測定時は、通電用の電極ピンを多数備えたプローブカードと呼ばれる測定子を、ウェハに数10kgfから数百kgfの力で押さえつけるため、ヒータが薄いと変形してしまい、ウェハとグランド電極との間に接触不良が発生することがある。そのため、ヒータの剛性を保つ目的で、厚さ15mm以上の厚い金属板を用いる必要があり、ヒータの昇降温に長時間を要し、スループット向上の大きな障害となっていた。
また、バーンイン工程では、チップに電気を流して電気的特性を測定するが、近年のチップの高出力化に伴い、電気的特性の測定時に、チップが大きく発熱し、場合によっては、チップが自己発熱によって、破壊することがあるので、測定後には、急速に冷却することが求められる。また、測定中は、できるだけ均熱であることが求められている。そこで、金属の材質を、熱伝導率が403W/mKと高い銅(Cu)が用いられていた。
そこで、特許文献1では、厚い金属板の代わりに、薄くても剛性が高く、変形しにくいセラミックス基板の表面に薄い金属層を形成することにより、変形しにくくかつ熱容量が小さいウェハプローバが提案されている。この文献によれば、剛性が高いので接触不良を起こすことがなく、熱容量が小さいので、短時間で昇温及び降温が可能であるとされている。そして、形成する金属層の厚みは、20μm以下とされている。これよりも厚いと、金属層の持つ応力によって剥離しやすくなるからである。
しかし、金属層が薄いと金属層の本来のグランド電極としての機能に、不都合が生じることが明らかになってきた。本来ウェハ上の全てのチップは同じ条件で電気的特性を測定する必要があるが、金属層の厚みが20μm以下では、金属層自体にある程度の抵抗値を有しているので、金属層内に電位分布が生じ、チップの測定条件にバラツキが生じてしまう。特に近年は半導体の高性能化に伴い、半導体の消費電力が増加している。つまり、半導体チップの電気抵抗は低下しており、グランド電極が有する電気抵抗は無視できなくなってきている。
また、熱伝導率の高いセラミックスとしては、AlNやSiCがあるが、その熱伝導率は、通常150〜180W/mK程度であって、Cuの403W/mKに比べると、低い。そのため、均熱性の向上や急速な冷却という目的に反しており、セラミックス基板では、それらの性能が低下する可能性があった。
特開2001−033484号公報
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、高剛性で反りの心配がなく、かつ被処理物搭載面の熱伝導率が高く、均熱性の向上や、チップの急速な冷却ができる半導体加熱装置を提供することを目的とする。
本発明の半導体加熱装置は、被処理物を搭載するセラミックスヒータの少なくとも被処理物搭載面に、熱伝導率200W/mK以上の被覆材料を被覆したことを特徴とする。被処理物を搭載するセラミックスヒータの被処理物搭載面上に、金属板あるいは金属とセラミックスの複合体の板を載せ、少なくとも金属板あるいは金属とセラミックスの複合体の板の上に、熱伝導率200W/mK以上の被覆材料を被覆してもよい。
前記セラミックスヒータと、金属板あるいは金属とセラミックスの複合体の板とが、機械的に結合されていることが好ましい。また、前記被覆材料の熱伝導率が、450W/mK以上であることが好ましく、前記被覆材料は、導電性を有することが好ましい。あるいは、前記被覆材料の上に、導電性を有する材料を被覆してもよい。
前記被覆材料は、ダイヤモンドあるいはDLC(ダイヤモンド状カーボン)薄膜であることが好ましい。また、前記セラミックスヒータの被処理物搭載面の反対側に、冷却モジュールを有することが好ましい。
前記セラミックスヒータの主成分は、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウムから選ばれた1種類以上の材料であることが好ましい。また、前記セラミックスヒータに形成された発熱体の主成分は、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、白金(Pt)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)から選ばれる1種以上の材質であることが好ましい。
前記金属板あるいは金属とセラミックスの複合体の板の主成分は、W、Mo、Cu−W、Cu−Mo、Si−SiC、Al−SiCのいずれか1種以上であることが好ましい。
前記セラミックスヒータの被処理物搭載面に、金属メタライズおよび/または金属メッキが施されていることが好ましく、前記メッキは、ニッケルメッキおよび/または金メッキであることが好ましい。
本発明の半導体加熱装置は、用途が、ウェハプローバあるいはハンドラ装置あるいはテスター装置であれば、高剛性、高熱伝導率である特性を特に活かすことができるので、好適である。
本発明によれば、高剛性で反りの心配がなく、かつ被処理物搭載面の熱伝導率が高く、均熱性の向上や、チップの急速な冷却ができる半導体加熱装置を容易に得ることができる。このため、本発明の半導体加熱装置を、ウェハプローバあるいはハンドラ装置あるいはテスター装置などの半導体検査装置に用いれば、加熱装置の変形や反りによる接触不良を起こすことなく、かつウェハ全面において均熱性に優れ、更に短時間で昇温、降温が可能な半導体検査装置とすることができる。
本発明の実施の形態を図1を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態の一例である。セラミックス1の表面に発熱体10が形成され、発熱体10を保護するための絶縁層11が形成されている。発熱体10には、給電用電極12が接続される。セラミックス1の発熱体が形成された面の反対側の面が、被処理物搭載面である。少なくとも被処理物搭載面に、熱伝導率200W/mK以上の被覆材料2を被覆している。熱伝導率200W/mK以上の被覆材料を被覆することにより、セラミックスヒータの厚みが薄くても、充分な剛性があり、被処理物を均一に加熱でき、かつチップで発生した熱を急速に除去することが可能となる。
あるいは、図2に示すように、セラミックス1の被処理物搭載面上に、金属板あるいは金属とセラミックスの複合体(以後、金属−セラミックス複合体という)の板3を載せ、少なくとも金属板あるいは金属−セラミックス複合体の板3の上に、熱伝導率200W/mK以上の被覆材料2を被覆する。この場合、セラミックス1と金属板あるいは金属−セラミックス複合体板3とを、ネジ止め、接合、嵌合などの機械的手段で結合されていることが好ましい。セラミックスヒータと金属板あるいは金属−セラミックス複合体板との間の熱抵抗が減少し、被処理物の温度の均熱性を高めることができるからである。
前記被覆材料の熱伝導率は、450W/mK以上であることが好ましい。このような高熱伝導率の材料を被覆することによって、被処理物の温度の均熱性を高めることができ、また、チップで発生した熱を急速に放散することができるからである。
ウェハプローバなどの用途では、被処理物搭載面が導電性を有することが要求されることがある。この場合、前記被覆材料が導電性を有していれば、別途導電性の材料を用いることがないので、装置を簡便化できる。あるいは、絶縁性の被覆材料の上に、導電性の材料をさらに被覆してもよい。このようにすれば、前記被覆材料を導電性の有無にかかわらず、高熱伝導性の材料とすることができるので、被処理物の均熱性やチップで発生した熱の放散性を損なうことなく、ウェハプローバなどの被処理物搭載面に導電性が要求される装置にも用いることができる。特に、無機材料の熱伝導は、フォノン(格子振動)による熱の伝導によるので、被覆材料中に不純物が存在すると、被覆材料の熱伝導率が低下する。このため、熱伝導率を高めるために、被覆材料中の不純物を減らすと、電気絶縁性が高くなることが多いので、このような場合には、上記のように導電性の材料をさらに被覆するとよい。
高熱伝導率の被覆材料として、熱伝導率が1000〜2000W/mKであるダイヤモンドや、あるいは熱伝導率が500W/mKであるDLC(ダイヤモンド状カーボン)か立方晶窒化ホウ素(cBN)であることが好ましい。
また、図5に示すように、セラミックスヒータ1の被処理物搭載面の反対側に、冷却モジュール5を備えることが好ましい。冷却モジュールを用いることにより、均熱性及び冷却速度を向上させることができる。冷却モジュールは、セラミックスヒータに機械的に結合させてもよく、また、セラミックスヒータに当接、分離可能なように、エアーシリンダーなどの昇降手段を用いて取り付けてもよい。
セラミックスヒータの主成分は、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウムから選ばれた1種類以上の材料であることが好ましい。これらのセラミックスは、耐熱性、耐久性、絶縁性に優れるからであり、被処理物の均熱性やチップの素早い冷却の観点からは、熱伝導率が高い窒化アルミニウムや炭化ケイ素が好ましい。
セラミックスヒータに形成された発熱体の主成分は、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、白金(Pt)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)から選ばれる1種以上の材質であることが、発熱効率や耐久性の観点から好ましい。例えば、W、Mo、Pt単体や、Ag−Pd、Ni−Crなどを挙げることができる。
発熱体は、セラミックスの内部に埋設して形成してもよいし、セラミックスの表面に形成してもよい。セラミックスの表面に形成する場合は、その上に絶縁コートを施すことが好ましく、表面に形成すれば、安価にセラミックスヒータを作成することができる。また、セラミックスヒータに発熱体を埋設すれば、コストは表面に形成するよりも高くなるが、発熱体の酸化などによる劣化を防止することができる。どちらにするかは、要求特性に応じて適宜決めればよい。
また、前記金属板または金属−セラミックス複合材料の板の主成分は、導電率が高く、かつセラミックスヒータの熱を効率的に拡散させ半導体ウェハや半導体を均一に加熱できる高熱伝導材料であり、安価であることが好ましく、W、Mo、Cu−W、Cu−Mo、Si−SiC、Al−SiCのいずれか1種の材料であることが好ましい。
また、セラミックスヒータの被処理物搭載面に金属メタライズおよび/または金属メッキが施すことにより、被処理物搭載面の導電性を簡便に得ることができる。メタライズ及びメッキ処理の主成分は、耐酸化性に優れたニッケル(Ni)及び/または金(Au)であることが好ましい。
本発明の半導体加熱装置は、用途が、ウェハプローバあるいはハンドラ装置あるいはテスター装置であれば、高剛性、高熱伝導率である特性を特に活かすことができるので、好適である。
100重量部の窒化アルミニウム(AlN)粉末と0.5重量部の酸化イットリウム(Y2O3)粉末を混合し、ポリビニルブチラールをバインダー、ジブチルフタレートを溶剤として、それぞれ10重量部、5重量部混合して、スプレードライにより顆粒を作成後、焼結研磨後に直径310mm、厚さ10mmの焼結体が得られるようにプレス成形し、700℃窒素雰囲下で脱脂し、窒素雰囲気中、1850℃で5時間焼結し、AlN焼結体を作成した。このAlN焼結体を加工して、直径310mm、厚み10mmとした。このAlN焼結体の熱伝導率は、175W/mKであった。
平均粒径が2.0μmのW粉末を100重量部として、Y2O3を1重量部と、5重量部のバインダーであるエチルセルロースと、溶剤としてブチルカルビトールを用いてWペーストを作製した。混合にはポットミルと三本ロールを用いた。このWペーストをスクリーン印刷で、前記加工したAlN焼結体の1面に、発熱体回路パターンを形成した。これを、900℃窒素雰囲気中で脱脂し、窒素雰囲気中、1800℃で1時間焼成した。
図3に示すように、発熱体回路パターン10を形成した面に、温度測定素子取付部と給電部を除いて、B2O3−Al2O3系のガラスペースト11を50μmの厚さに塗布し、窒素雰囲気中700℃で焼成した。発熱体回路の給電部にW製の端子(図示せず)を金ろうを用いて直接接合し、AlNヒータとした。
AlNヒータの発熱体回路を形成した面の反対側の面に、表1に示す被覆材料2を、マイクロ波プラズマ法で、厚さ20μm被覆した。更に、この上に、スパッタ法で、タングステン(W)4を厚さ10μm被覆した。最後に、W端子にNi電極12をネジ止めした。また、K熱電対(図示せず)をNi電極の横のセラミックスヒータの中央部に取り付け、加熱装置を完成させた。なお、比較のために、被覆材料無しで、Wのみを被覆した加熱装置も作成した。
この加熱装置に、直径300mmのSiウェハを搭載し、200℃に加熱したときのSiウェハ表面の均熱性を測定した。均熱性は、放射温度計でウェハ全面の温度を測定し、最高値と最低値の差を均熱性とした。また、この加熱装置をウェハプローバとして用い、プローブカードで、チップの電気特性を測定したときの、チップの温度上昇値を測定した。これらの結果を表1に示す。
表1から判るように、ダイヤモンドやDLCのように、熱伝導率が200W/mK以上の材料を被覆すると、均熱性が良くなり、チップの温度の上昇は抑えられる。
図4に示すように、実施例1のAlNヒータの上に、直径310mm、厚み3mmのSi−SiC板3を載せ、その上に、実施例1と同様に、厚み20μmのダイヤモンド2と、厚み10μmのW4を被覆した。実施例1と同様に、均熱性と温度上昇値を測定した結果、均熱性は、200±0.6℃であり、温度上昇値は、0.6℃であり、Si−SiC板を載せることにより、均熱性が良くなり、チップの温度上昇値は抑えられることが判った。
[比較例]
図6に示すように、実施例1と同じ直径310mm、厚み10mmのAlN焼結体を2枚用意し、SUS板をエッチングして作成した抵抗発熱体6を2枚のAlN焼結体1で、挟み込み、この上に、直径310mm、厚み5mmのCu板3を載せ、これらをネジ(図示せず)で固定した。なお、1枚のAlN焼結体には、電極等を挿通するための貫通孔を設けた。実施例1と同様に、均熱性と温度上昇値を測定した結果、均熱性は、200±2.0℃であり、温度上昇値は、2.0℃と、均熱性が悪く、温度上昇は大きかった。
[比較例]
図6に示すように、実施例1と同じ直径310mm、厚み10mmのAlN焼結体を2枚用意し、SUS板をエッチングして作成した抵抗発熱体6を2枚のAlN焼結体1で、挟み込み、この上に、直径310mm、厚み5mmのCu板3を載せ、これらをネジ(図示せず)で固定した。なお、1枚のAlN焼結体には、電極等を挿通するための貫通孔を設けた。実施例1と同様に、均熱性と温度上昇値を測定した結果、均熱性は、200±2.0℃であり、温度上昇値は、2.0℃と、均熱性が悪く、温度上昇は大きかった。
実施例1のAlNヒータに、ダイヤモンドやWの代わりに、Cuを20μmの厚みにメッキした。Cuの熱伝導率は、403W/mKである。実施例1と同様に、均熱性と温度上昇値を測定した結果、均熱性は、200±0.5℃であり、温度上昇値は、0.6℃と、均熱性は比較的良好であり、温度上昇は少なかった。
実施例1のAlNヒータを、SiCヒータ、Al2O3ヒータ、Si3N4ヒータとして、それ以外は、実施例1と同様にして加熱装置を作成した。
SiCヒータは、次のようにして作成した。100重量部のSiC粉末と、1.0重量部の炭化ホウ素(B4C)と1.0重量部の炭素(C)粉末を混合し、ポリビニルブチラールをバインダー、ジブチルフタレートを溶剤として、それぞれ10重量部、5重量部混合して、スプレードライにより顆粒を作成後、プレス成形し、700℃アルゴン雰囲下で脱脂し、アルゴン雰囲気中、1920℃で5時間焼結し、SiC焼結体を作成した。このSiC焼結体を加工して、直径310mm、厚み10mmとした。このSiC焼結体の熱伝導率は、150W/mKであった。このSiC焼結体に、実施例1と同様にして、発熱体回路を形成し、W端子、Ni電極を取り付け、SiCヒータを完成させた。
Al2O3ヒータは、次のようにして作成した。100重量部のAl2O3粉末と、2.0重量部の酸化マグネシウム(MgO)を混合し、ポリビニルブチラールをバインダー、ジブチルフタレートを溶剤として、それぞれ10重量部、5重量部混合して、スプレードライにより顆粒を作成後、プレス成形し、大気中500℃で脱脂し、大気雰囲気中、1550℃で4時間焼結し、Al2O3焼結体を作成した。このAl2O3焼結体を加工して、直径310mm、厚み10mmとした。このAl2O3焼結体の熱伝導率は、30W/mKであった。このAl2O3焼結体に、実施例1と同様にして、発熱体回路を形成し、W端子、Ni電極を取り付け、Al2O3ヒータを完成させた。
Si3N4ヒータは、次のようにして作成した。100重量部のSi3N4粉末と、1.0重量部のY2O3粉末と、1.0重量部のAl2O3を混合し、ポリビニルブチラールをバインダー、ジブチルフタレートを溶剤として、それぞれ10重量部、5重量部混合して、スプレードライにより顆粒を作成後、プレス成形し、700℃窒素雰囲下で脱脂し、窒素雰囲気中、1650℃で5時間焼結し、Si3N4焼結体を作成した。このSi3N4焼結体を加工して、直径310mm、厚み10mmとした。このSi3N4焼結体の熱伝導率は、80W/mKであった。このSi3N4焼結体に、実施例1と同様にして、発熱体回路を形成し、W端子、Ni電極を取り付け、Si3N4ヒータを完成させた。
以上のようにして作成した各ヒータに、実施例1と同様にして、厚み20μmのダイヤモンドと厚み10μmのWを被覆し、実施例1と同様にして加熱装置を作成した。実施例1の加熱装置を含めた4種類の加熱装置を、実施例1と同様に、均熱性と温度上昇値を測定した。これらの結果を表2に示す。
表2から判るように、均熱性、温度上昇値ともに、熱伝導率のよいAlNとSiCが良好であり、優れている。特にAlNは均熱性と温度上昇の両方に優れている。
実施例1のNo.1の加熱装置で、AlN焼結体に形成した発熱体の材質を、Mo、Pt、Ag−Pd、Ni−Crに代えて、それ以外は実施例1と同様にして、加熱装置を作成した。ただし、被覆材料は、ダイヤモンドのみとした。これらの加熱装置で、実施例1と同様に、均熱性を測定した結果、均熱性は、いずれも200±0.3℃であり、Wの発熱体と差はなかった。
実施例1のダイヤモンドを被覆した加熱装置で、図5に示すように冷却モジュール5を取り付け、実施例1と同様に、均熱性と温度上昇値を測定した結果、均熱性は、200±0.21℃であり、温度上昇値は0.15℃であり、冷却モジュールを取り付けた方が、均熱性が良くなり、温度上昇は少なくすることができた。
本発明によれば、高剛性で反りの心配がなく、かつ被処理物搭載面の熱伝導率が高く、均熱性の向上や、チップの急速な冷却ができる半導体加熱装置を容易に得ることができる。このため、本発明の半導体加熱装置を、ウェハプローバあるいはハンドラ装置あるいはテスター装置などの半導体検査装置に用いれば、加熱装置の変形や反りによる接触不良を起こすことなく、かつウェハ全面において均熱性に優れ、更に短時間で昇温、降温が可能な半導体検査装置を得ることができる。
1 セラミックス
2 被覆材料
3 金属板
4 導電性を有する材料
5 冷却モジュール
6 抵抗発熱体
10 発熱体
11 絶縁層
12 電極
2 被覆材料
3 金属板
4 導電性を有する材料
5 冷却モジュール
6 抵抗発熱体
10 発熱体
11 絶縁層
12 電極
Claims (14)
- 被処理物を搭載するセラミックスヒータの少なくとも被処理物搭載面に、熱伝導率200W/mK以上の被覆材料を被覆したことを特徴とする半導体加熱装置。
- 被処理物を搭載するセラミックスヒータの被処理物搭載面上に、金属板あるいは金属とセラミックスの複合体の板を載せ、少なくとも金属板あるいは金属とセラミックスの複合体の板の上に、熱伝導率200W/mK以上の被覆材料を被覆したことを特徴とする半導体加熱装置。
- 前記セラミックスヒータと、金属板あるいは金属とセラミックスの複合体の板とが、機械的に結合されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体加熱装置。
- 前記被覆材料の熱伝導率が、450W/mK以上であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体加熱装置。
- 前記被覆材料が、導電性を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体加熱装置。
- 前記被覆材料の上に、導電性を有する材料を被覆したことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体加熱装置。
- 前記被覆材料が、ダイヤモンドあるいはDLC(ダイヤモンド状カーボン)薄膜であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の半導体加熱装置。
- 前記セラミックスヒータの被処理物搭載面の反対側に、冷却モジュールを有することを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の半導体加熱装置。
- 前記セラミックスヒータの主成分が、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウムから選ばれた1種類以上の材料であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の半導体加熱装置。
- 前記セラミックスヒータに形成された発熱体の主成分が、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、白金(Pt)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)から選ばれる1種以上の材質であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の半導体加熱装置。
- 前記金属板あるいは金属とセラミックスの複合体の板の主成分が、W、Mo、Cu−W、Cu−Mo、Si−SiC、Al−SiCのいずれか1種以上であることを特徴とする請求項2乃至10のいずれかに記載の半導体加熱装置。
- 前記セラミックスヒータの被処理物搭載面に、金属メタライズおよび/または金属メッキが施されていることを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の半導体加熱装置。
- 前記メッキが、ニッケルメッキおよび/または金メッキであることを特徴とする請求項12に記載の半導体加熱装置。
- 用途が、ウェハプローバあるいはハンドラ装置あるいはテスター装置であることを特徴とする請求項1乃至13のいずれかに記載の半導体加熱装置。
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- 2004-04-08 JP JP2004113852A patent/JP2005302856A/ja active Pending
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