JP2006253204A - Test piece installation electrode of plasma processing apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プラズマ処理装置の試料載置電極に係り、特に試料載置面に供給する伝熱ガスの圧力を正確に測定することのできるプラズマ処理装置の試料載置電極に関する。 The present invention relates to a sample mounting electrode of a plasma processing apparatus, and more particularly to a sample mounting electrode of a plasma processing apparatus capable of accurately measuring the pressure of a heat transfer gas supplied to a sample mounting surface.
半導体製造プロセスでは、一般にプラズマを用いたドライエッチングが行われている。ドライエッチングを行うためのプラズマ処理装置としては種々の方式の装置が使用されている。このようなプラズマ処理装置は、一般的には、真空容器、これに接続されたガス供給系、処理室内圧力を所定の値に保持する排気系、基板を載置する載置電極、真空容器内にプラズマを発生させるためのアンテナ、真空容器内へ処理ガスを均等に供給するためのシャワープレートなどから構成される。 In the semiconductor manufacturing process, dry etching using plasma is generally performed. Various types of apparatuses are used as plasma processing apparatuses for performing dry etching. Such a plasma processing apparatus generally includes a vacuum vessel, a gas supply system connected to the vacuum vessel, an exhaust system for maintaining a pressure in the processing chamber at a predetermined value, a placement electrode for placing a substrate, and a vacuum vessel And an antenna for generating plasma, a shower plate for uniformly supplying the processing gas into the vacuum vessel, and the like.
前記アンテナに高周波電力を供給することにより、シャワープレートから処理室内に供給した処理ガスを解離してプラズマを発生し、これにより載置電極上に設置されたウエハのエッチングが進行する。 By supplying high-frequency power to the antenna, the processing gas supplied from the shower plate into the processing chamber is dissociated to generate plasma, whereby the etching of the wafer placed on the mounting electrode proceeds.
所望のエッチング性能を確保するためには、プラズマの分布や組成、密度など多数のパラメータの制御が必要であるが、その中のひとつとしてウエハ温度制御がある。ウエハ温度を制御するためには、ウエハ載置電極内に設けた冷媒溝に流す冷媒の温度を制御する方法、載置電極上の溶射膜に静電吸着したウエハと溶射膜間に流す伝熱ガスの圧力を制御する方法がある。 In order to ensure the desired etching performance, it is necessary to control a number of parameters such as plasma distribution, composition and density, and one of them is wafer temperature control. In order to control the wafer temperature, a method of controlling the temperature of the refrigerant flowing in the refrigerant groove provided in the wafer mounting electrode, the heat transfer flowing between the wafer electrostatically adsorbed on the sprayed film on the mounting electrode and the sprayed film There is a method for controlling the gas pressure.
ウエハ載置電極内に設けた冷媒溝に流す冷媒の温度を制御する方法は、比較的長時間にわたる温度制御には有効である。しかし、短時間のうちに冷媒温度、さらにはウエハ温度を制御するのには適していない。また、ウエハと溶射膜間に流す伝熱ガスの圧力を制御する方法は、短時間で圧力を昇圧あるいは減圧させることで、ウエハ温度を変化させることができる。このため、プロセスにあわせてウエハ温度を所望の温度に速やかに制御することが可能になる。 The method of controlling the temperature of the refrigerant flowing in the refrigerant groove provided in the wafer mounting electrode is effective for temperature control over a relatively long time. However, it is not suitable for controlling the refrigerant temperature and further the wafer temperature within a short time. Moreover, the method of controlling the pressure of the heat transfer gas flowing between the wafer and the sprayed film can change the wafer temperature by increasing or decreasing the pressure in a short time. For this reason, it becomes possible to quickly control the wafer temperature to a desired temperature in accordance with the process.
プロセスにあわせてウエハ温度を所望の温度に制御するためには、ウエハと溶射膜間の伝熱ガスの圧力を正確に測定し、その値をフィードバックすることが必要である。例えば、伝熱ガス(冷却ガス)を圧力計で計測し、伝熱ガスが所定の圧力になるようにマスフローコントローラを制御して、前記ウエハと溶射膜間の伝熱ガスの圧力を所望の圧力に制御している(特許文献1参照)。 In order to control the wafer temperature to a desired temperature according to the process, it is necessary to accurately measure the pressure of the heat transfer gas between the wafer and the sprayed film and feed back the value. For example, the heat transfer gas (cooling gas) is measured with a pressure gauge, the mass flow controller is controlled so that the heat transfer gas becomes a predetermined pressure, and the pressure of the heat transfer gas between the wafer and the sprayed film is set to a desired pressure. (See Patent Document 1).
ここで用いられている圧力計は、隔膜真空計(ダイアフラム真空計)が一般に使用される。隔膜真空計は、薄い金属膜を用い、この金属膜が圧力によって僅かに変形する際の静電容量の変化から圧力を求める真空計である。この真空系は測定精度が優れているという長所がある。しかしながら外部振動の影響を受けやすいという短所がある。このため、冷媒が流れていて常に振動しているウエハ載置用電極では使用することができない。従って、前記特許文献1に示される技術では、真空処理装置の外側で伝熱ガスの圧力を測定せざるを得ないことになる。
しかしながら、実際に圧力の測定を要する場所はウエハ等の試料と溶射膜間の圧力である。このため、前記特許文献1に示されるように、載置電極から離れた位置で圧力を測定すると誤差が生じることになる。この誤差により、試料と溶射膜間の圧力を所定の圧力に制御することができず、この結果として試料温度を所定の温度に制御できないことになる。
However, the place where pressure measurement is actually required is the pressure between a sample such as a wafer and the sprayed film. For this reason, as shown in
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、試料と溶射膜間の伝熱ガスの圧力を正確に測定し、これにより試料を所定の温度に制御することが可能な試料載置電極を提供するものである。 The present invention has been made in view of these problems, and it is possible to accurately measure the pressure of the heat transfer gas between the sample and the sprayed film and thereby control the sample to a predetermined temperature. An electrode is provided.
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。 In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
内部に冷媒を流す冷媒通路を形成した基材と、前記基材表面に形成した溶射膜上に形成した伝熱ガス供給溝と、前記基材内に形成されて前記伝熱ガス供給溝と連通する伝熱ガス通路を備え、前記溶射膜の伝熱ガス供給溝形成面に載置された試料を静電吸着して保持するプラズマ処理装置の試料載置電極において、 前記基材内に形成した伝熱ガス通路に連接して伝熱ガスの圧力を測定する圧力計を前記基材内に備えた。 A base material in which a refrigerant passage for flowing a refrigerant is formed, a heat transfer gas supply groove formed on a sprayed film formed on the surface of the base material, and a heat transfer gas supply groove formed in the base material and communicating with the heat transfer gas supply groove In the sample mounting electrode of the plasma processing apparatus that includes a heat transfer gas passage that electrostatically adsorbs and holds the sample mounted on the heat transfer gas supply groove forming surface of the sprayed film, the heat transfer gas passage is formed in the base material. A pressure gauge connected to the heat transfer gas passage to measure the pressure of the heat transfer gas was provided in the base material.
本発明は、以上の構成を備えるため、試料と溶射膜間の伝熱ガスの圧力を正確に測定し、これにより試料を所定の温度に制御することが可能な試料載置電極を提供することができる。 Since the present invention has the above-described configuration, it provides a sample mounting electrode capable of accurately measuring the pressure of a heat transfer gas between a sample and a sprayed film and thereby controlling the sample to a predetermined temperature. Can do.
以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の実施形態に係る試料載置電極を説明する図である。試料載置電極は、電極の構造体となる基材1、アルミナ製の溶射膜2、温度調整用の冷媒が流れる冷媒通路3、溶射膜に静電吸着可能された試料4、基材1内に形成され伝熱ガスを試料4と溶射膜2の間に形成した例えば溝状の伝熱空間(伝熱ガス供給溝)に供給する伝熱ガス通路5、伝熱ガスの噴出口21,22,23、伝導ガス通路5に伝導ガスを供給するガス供給管13、伝熱ガス(ヘリウム)を供給するヘリウムガスボンベ6、伝熱ガスの流量を制御するマスフローコントローラ7、ガス供給管13内を排気するポンプ8、所定の温度に温度調整された冷媒を冷媒通路3に循環して供給するサーキュレータ9、伝熱ガスの圧力を測定する圧力計10、11を備える。 圧力計10、11、マスフローコントローラ7、ポンプ8、バルブ12は、図示していないコントローラと接続され、圧力計10、11が所定の圧力を示すようにガス通路の圧力を制御することが可能である。なお、図示していないが、図1に示す試料載置電極はプラズマエッチング処理装置内に設置される。
Hereinafter, the best embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating a sample mounting electrode according to an embodiment of the present invention. The sample mounting electrode includes a
処理に際しては、図示しない搬送装置によりプラズマエッチング処理室内に搬送された試料を溶射膜2の上に載置する。処理室内圧力を所定の圧力に調整したのち、処理室内にプラズマを発生させる。次いで、図示しない試料バイアス供給棒を介して試料にバイアス電圧を印加して、試料を溶射膜2に静電吸着させる。
At the time of processing, the sample transported into the plasma etching processing chamber by a transport device (not shown) is placed on the sprayed
試料4と溶射膜2間の圧力を示す圧力計11が1.5kPaになるようにマスフローコントローラ7を制御してガス流量を制御する。なお、この圧力制御に際しては、必要に応じて排気ポンプ8を起動してバルブ12で排気流量を制御する。ガスボンベ6には伝熱ガス(冷却用ガス)としてヘリウムガスが充填されているため、試料4と溶射膜2間にはガス噴出口21,22,23を通して噴出するヘリウムガスで満たされる。
The gas flow rate is controlled by controlling the mass flow controller 7 so that the
また、サーキュレータ9により20℃に制御した冷媒を、10L/minの流量で冷媒通路3に供給する。なお、圧力計は、この流路では使用しない。
Further, the refrigerant controlled to 20 ° C. by the circulator 9 is supplied to the
この状態は、試料載置電極を構成する基材1の外に設置した圧力計11により試料4と溶射膜2間の圧力を測定している状態である。なお、圧力計11は隔膜圧力計とする。
This state is a state in which the pressure between the sample 4 and the
このとき圧力計11は1.5kPaを示しているが、この圧力はあくまで圧力計11で測定した圧力であり、実際に圧力を測定したい試料4と溶射膜2間の伝熱ガスの圧力ではない。すなわち、圧力計11と、試料4と溶射膜2間はガス供給管13及び伝導ガス通路5を介して接続されているが、これらのガス通路にはコンダクタンスがある。このため圧力計11が示す圧力は、試料4と溶射膜2間の伝熱ガスの圧力とは一致しない。したがって圧力計11で、試料4と溶射膜2間の圧力を正確に測定することは困難である。しかし、基材1内部に圧力計10を配置し、この圧力計を用いることにより、試料4と溶射膜2間の伝熱ガスの圧力を正確に測定することができる。
At this time, the
図2は、基材内部に配置した圧力計近傍の詳細を説明する図である。図に示すように、圧力計10は、機材1内に形成した圧力測定室20の内部に設置されている。また、圧力測定室はガス供給管5と連通し、圧力測定室20の内壁は例えばアルミナなどの絶縁物で覆われている。また、圧力計10及び圧力計10と図示しないコントローラを接続する同軸ケーブル等のケーブル22は金属製の接地されたカバー21で被覆する。なお、接地されている金属製のカバー21の外側はアルミナ等の絶縁物で覆われている。
FIG. 2 is a diagram for explaining the details of the vicinity of the pressure gauge arranged inside the substrate. As shown in the figure, the
圧力計10は、試料4と溶射膜2間に形成される伝熱空間に近接している。このため、試料4と溶射膜2間の伝熱ガスの圧力は圧力計10で正確に測定することができる。また、この測定値をもとにマスフローコントローラ7、バルブ12等を制御することにより、試料4と溶射膜2間の伝熱空間を所定の圧力に正確に制御することができる。このため、試料4を所望の温度に制御可能となり、エッチング性能の向上に大きく貢献することができる。
The
なお、圧力計10として、伝熱ガスの粘性の変化から圧力を求める圧力計、例えば水晶摩擦真空計、スピニングローターゲージを用いることができる。圧力計10として例えば隔膜真空計を用いた場合には、サーキュレータ9により循環される循環の振動により正確な圧力を測定できない場合がある。また、圧力計自体も大きく、基材1への取付は困難である。また圧力計10として熱伝導の変化を利用する例えばピラニ真空計を用いると、エッチングに使用する腐食性のガスにより真空計を構成するフィラメントが劣化する可能性がある。これに対して、本実施形態のように伝熱ガスの粘性の変化から圧力を求める圧力計を採用する場合には、上記の問題がないため、圧力を長期間にわたって正確かつ容易に測定することができる。
As the
図3は、基材1内に配置した圧力計10の測定値をもとに行うウエハの温度制御の例を説明する図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining an example of wafer temperature control performed based on the measurement value of the
この図の例としては、圧力計10として伝熱ガスの粘性の変化による音叉型水晶振動子の共振状態の変化から圧力を求める水晶摩擦真空計を用いる。水晶摩擦真空計の圧力測定可能範囲は1〜100kPaであり、広い圧力範囲に渡って圧力の測定が可能である。
As an example of this figure, a quartz friction vacuum gauge is used as the
図3は、プラズマ処理装置の放電時間と、プラズマ処理装置を構成する処理室内に配置した試料4と溶射膜2間の伝熱ガスの圧力、及び試料4の表面温度を示した図である。図1には明示していないが、処理室内にはプラズマが存在している。このときの処理条件は、例えば、UHF出力は1000W、試料バイアスは1500W、処理ガスはCF4が100sccmである。また、処理室内圧力は3Pa、冷媒設定温度は20℃である。
FIG. 3 is a diagram showing the discharge time of the plasma processing apparatus, the pressure of the heat transfer gas between the sample 4 and the sprayed
図3に示すように、放電時間が0〜10秒までは試料4と溶射膜2間の伝熱ガス(ヘリウム)の圧力を1.0kPaに制御する。圧力の制御方法としては、図示しないコントローラにより、圧力計10の測定値が所定値、この例の場合は1.0kPaになるように、マスフローコントローラ7、排気ポンプ8、バルブ12を制御する。このとき、試料4の温度は40℃となる。
As shown in FIG. 3, the pressure of the heat transfer gas (helium) between the sample 4 and the sprayed
放電時間が10秒になると、エッチング速度を高くするために試料4の温度を高くしたい。そこで試料4と溶射膜2間の伝熱ガスの圧力を0.5kPaまで低くする。すると、試料4の温度は50℃まで上昇する。放電時間が20秒になるまで、この状態を保持する。放電時間が20秒になると、エッチング速度を低くするために試料4の温度を低くしたい。そこで試料4と溶射膜2間の圧力を1.5kPaまで高くする。すると試料4の温度は30℃まで低下する。放電時間が25秒になるまでこの状態を保持する。
When the discharge time is 10 seconds, it is desired to increase the temperature of the sample 4 in order to increase the etching rate. Therefore, the pressure of the heat transfer gas between the sample 4 and the sprayed
このように試料4と溶射膜2間の圧力を変化させることで、試料を所望の温度にすることができるため、所望のプロセスを構築することが可能となる。なお、前述のように圧力計10として、ガスの粘性の変化から圧力を求める水晶摩擦真空計を用いると、プラズマ放電中、あるいは試料バイアス印加中でも高周波の影響を受けることなく、圧力を正確に測定することができる。
Since the sample can be brought to a desired temperature by changing the pressure between the sample 4 and the sprayed
図4は、本発明の他の実施形態に係る試料載置電極を説明する図である。図4に示す試料載置電極の構造は、基本的には図1に示す試料載置電極と同じであるが、伝熱空間(伝熱ガス供給溝)及び該伝熱空間に伝熱ガスを供給する伝熱ガス通路を複数備え、各伝熱空間における伝熱ガスの圧力を個別に測定して制御できる構造となっている。 FIG. 4 is a diagram for explaining a sample mounting electrode according to another embodiment of the present invention. The structure of the sample mounting electrode shown in FIG. 4 is basically the same as that of the sample mounting electrode shown in FIG. 1, but the heat transfer gas is supplied to the heat transfer space (heat transfer gas supply groove) and the heat transfer space. A plurality of heat transfer gas passages to be supplied are provided, and the pressure of the heat transfer gas in each heat transfer space can be individually measured and controlled.
すなわち、図4においては、基材1のガス噴出口33よりも外周側では圧力Aのガスが噴出し、ガス噴出口32よりも内周側では圧力Bのガスが噴出するように、試料面内に2種類の圧力の伝熱ガスを供給できる構造としている。
That is, in FIG. 4, the sample surface is such that the gas of pressure A is ejected on the outer peripheral side of the
例えば、ガス噴出口33から外周側の圧力を2.0kPaに制御したい場合、試料4を溶射膜2に静電吸着している状態で、ガスボンベ6aからマスフローコントローラ7aを介して試料4と溶射膜2間のガス噴出口33、34近傍の外周側領域に伝熱ガス(ヘリウム)を供給する。また、必要に応じて真空ポンプ8a、バルブ12aを制御してガス噴出口33,34から外周側の圧力を制御する。同様に、ガス噴出口32から内周側の圧力を制御する場合は、ガスボンベ6bからマスフローコントローラ7bを介して試料4と溶射膜2間のガス噴出口1,32近傍の内周側領域に伝熱ガス(ヘリウム)を供給する。また、必要に応じて真空ポンプ8b、バルブ12bを制御してガス噴出口31,32から内周側の圧力を制御する。
For example, when it is desired to control the pressure on the outer peripheral side from the
図5は、基材1内の内周側及び外周側にそれぞれ配置した圧力計10a、10bの測定値をもとに行うウエハの温度制御の例を説明する図であり、図5(a)は外周側、図5(b)は内周側における制御値を示している。
FIG. 5 is a diagram for explaining an example of wafer temperature control performed on the basis of the measurement values of the
図5に示すように、放電時間が5秒までは、試料4と溶射膜2間の伝熱空間の全面に渡って伝熱ガス(ヘリウム)の圧力は1.0kPaでり、このときの試料4の温度は40℃である。放電時間が5秒になると、ガス噴出口33より外周側の圧力を0.5kPaに低下させる。するとガス噴出口33より外周側の試料4の温度は50℃まで上昇する。ガス噴出口32より内周側は、圧力変化がないため試料温度は一定である。
As shown in FIG. 5, until the discharge time is 5 seconds, the pressure of the heat transfer gas (helium) is 1.0 kPa over the entire heat transfer space between the sample 4 and the sprayed
放電時間10秒で、今度はガス噴出口32より内周側の圧力を0.5kPaに低下させると、これに応じてガス噴出口32より内周側の試料4の温度は50℃まで上昇する。放電時間20秒において、ガス噴出口32より内周側の圧力を1.5kPaに、また、ガス噴出口33より外周側の圧力を2.0kPaにすると、試料4の温度はそれぞれの領域で30℃、27℃となる。
If the pressure on the inner peripheral side from the
この例では試料と溶射膜間の領域を二つの領域に分割して制御したが、さらに多くの領域に分割して制御することができる。試料と溶射膜間の領域を分割して、それぞれの領域毎に制御することにより、試料温度分布を所望の温度分布に制御することができる。また、試料載置電極の基材内に圧力計、特に水晶摩擦真空計を設けて、試料と溶射膜間の圧力を正確に測定し制御することにより、試料の温度分布を正確に制御することできる。また、試料と溶射膜間の伝熱ガスとしてヘリウムガスを用いたが、そのほかのガス、例えばアルゴンガスなどを用いることも可能である。 In this example, the region between the sample and the sprayed film is controlled by dividing it into two regions, but it can be controlled by dividing it into more regions. By dividing the region between the sample and the sprayed film and controlling each region, the sample temperature distribution can be controlled to a desired temperature distribution. In addition, the temperature distribution of the sample can be accurately controlled by providing a pressure gauge, especially a quartz friction vacuum gauge, in the substrate of the sample mounting electrode, and accurately measuring and controlling the pressure between the sample and the sprayed film. it can. Further, although helium gas is used as the heat transfer gas between the sample and the sprayed film, other gases such as argon gas can be used.
以上、ドライエッチング装置を例に説明したが、各種の放電(UHF−ECR方式、容量結合放電、誘導結合放電、マグネトロン放電、表面波励起放電、TCP放電等)を用いたドライエッチング装置において同様の作用効果を得ることができる。さらに他のプラズマ処理装置、例えばプラズマCVD装置、アッシング装置、表面改質装置においても同様の作用効果を得ることができる。 Although the dry etching apparatus has been described above as an example, the same applies to the dry etching apparatus using various discharges (UHF-ECR method, capacitively coupled discharge, inductively coupled discharge, magnetron discharge, surface wave excitation discharge, TCP discharge, etc.). An effect can be obtained. Further, similar effects can be obtained in other plasma processing apparatuses such as a plasma CVD apparatus, an ashing apparatus, and a surface modification apparatus.
1 基材
2 溶射膜
3 冷媒通路
4 試料
5 5a 5b 伝導ガス通路
6 6a 6b ガスボンベ
7 7a 7b マスフローコントローラ
8 8a 8b 真空ポンプ
9 サーキュレータ
10 10a 10b 圧力計
11 圧力計
12 12a 12b バルブ
13,13a 13b ガス供給管
20 圧力測定室
21 カバー
22 ケーブル
21,22,23 ガス噴出口
31 32 33 34 ガス噴出口
DESCRIPTION OF
13,
21, 22, 23
Claims (5)
前記基材表面に形成した溶射膜上に形成した伝熱ガス供給溝と、
前記基材内に形成されて前記伝熱ガス供給溝と連通する伝熱ガス通路を備え、
前記溶射膜の伝熱ガス供給溝形成面に載置された試料を静電吸着して保持するプラズマ処理装置の試料載置電極において、
前記基材内に形成した伝熱ガス通路に連接して伝熱ガスの圧力を測定する圧力計を前記基材内に備えたことを特徴とするプラズマ処理装置の試料載置電極。 A base material formed with a refrigerant passage through which a refrigerant flows;
A heat transfer gas supply groove formed on the sprayed film formed on the substrate surface;
A heat transfer gas passage formed in the substrate and communicating with the heat transfer gas supply groove;
In the sample mounting electrode of the plasma processing apparatus for electrostatically adsorbing and holding the sample mounted on the heat transfer gas supply groove forming surface of the sprayed film,
A sample mounting electrode of a plasma processing apparatus, comprising a pressure gauge in the base material, which is connected to a heat transfer gas passage formed in the base material and measures the pressure of the heat transfer gas.
前記圧力計は、伝熱ガスの圧力による粘性の変化をもとに圧力を測定する圧力計であることを特徴とするプラズマ処理装置の試料載置電極。 In the sample mounting electrode of the plasma processing apparatus according to claim 1,
The sample mounting electrode of a plasma processing apparatus, wherein the pressure gauge is a pressure gauge that measures a pressure based on a change in viscosity due to a pressure of a heat transfer gas.
前記圧力計は、水晶振動子の共振インピーダンスの変化をもとに圧力を測定する水晶摩擦真空計であることを特徴とするプラズマ処理装置の試料載置電極。 In the sample mounting electrode of the plasma processing apparatus according to claim 1,
The sample mounting electrode of a plasma processing apparatus, wherein the pressure gauge is a quartz friction vacuum gauge that measures pressure based on a change in resonance impedance of a quartz crystal resonator.
伝熱ガス供給溝及び該伝熱ガス供給溝に伝熱ガスを供給する伝熱ガス通路は、それぞれ複数系統備え、各系統にそれぞれ異なる圧力の伝熱ガスを供給することを特徴とするプラズマ処理装置の試料載置電極。 In the sample mounting electrode of the plasma processing apparatus according to claim 1,
The heat treatment gas supply groove and the heat transfer gas passage for supplying the heat transfer gas to the heat transfer gas supply groove are provided with a plurality of systems, respectively, and each system is supplied with a heat transfer gas having a different pressure. Sample mounting electrode of the device.
圧力計で測定したガス圧力をもとに、伝熱ガス供給溝に供給する伝熱ガスの圧力を調整して試料の温度を制御することを特徴とするプラズマ処理装置の試料載置電極。 In the sample mounting electrode of the plasma processing apparatus of any one of Claim 1 thru | or 4,
A sample mounting electrode of a plasma processing apparatus, wherein the temperature of a sample is controlled by adjusting a pressure of a heat transfer gas supplied to a heat transfer gas supply groove based on a gas pressure measured by a pressure gauge.
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