JP2011094967A - 半導体圧力センサの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】基板接合強度及びダイアフラムの耐圧限界を高める半導体圧力センサの製造方法を得る。
【解決手段】先ず、半導体基板に、圧力感応抵抗素子を形成した面とは反対側の面に位置させて、キャビティを形成する。次に、半導体基板のキャビティ側の面に、基板接合時にベース基板との間に隙間を生じさせる溝をダイシングストリートに沿って形成した後、鏡面加工を施す。この鏡面加工により、半導体基板の厚さがキャビティ側端部及び溝側端部よりも該端部の間に位置する中間部で大きくなる、湾曲形状の接合面を形成する。そして、この湾曲形状の接合面を介して半導体基板とベース基板を接合した後、これら基板をチップ単位にダイシングし、個々の半導体圧力センサを得る。
【選択図】図1
【解決手段】先ず、半導体基板に、圧力感応抵抗素子を形成した面とは反対側の面に位置させて、キャビティを形成する。次に、半導体基板のキャビティ側の面に、基板接合時にベース基板との間に隙間を生じさせる溝をダイシングストリートに沿って形成した後、鏡面加工を施す。この鏡面加工により、半導体基板の厚さがキャビティ側端部及び溝側端部よりも該端部の間に位置する中間部で大きくなる、湾曲形状の接合面を形成する。そして、この湾曲形状の接合面を介して半導体基板とベース基板を接合した後、これら基板をチップ単位にダイシングし、個々の半導体圧力センサを得る。
【選択図】図1
Description
本発明は、ダイアフラム型の半導体圧力センサの製造方法に関する。
従来、自動車のタイヤ空気圧などを測定する半導体圧力センサとして、ダイアフラム型の半導体圧力センサが知られている。このダイアフラム型は、圧力検出用のダイアフラム及びキャビティを表裏面に形成した半導体基板と、この半導体基板のキャビティを閉じるように該半導体基板に接合したベース基板とを備えており、ダイアフラムの各辺上に配置した複数の圧力感応抵抗素子からなるブリッジ回路の中点電位を圧力測定電圧として出力する。例えば、半導体基板のダイアフラム側から圧力が印加されると、ダイアフラムが歪み、この歪み度合に応じて圧力感応抵抗素子の抵抗値が変化し、ブリッジ回路の中点電位が変化することから、中点電位変化に基づいて圧力を測定できるようになっている。生産性向上及び低コスト化の観点から、半導体基板にはダイシングストリートで画定した多数のチップ単位領域を設定して、各チップ単位領域毎にダイアフラム及びキャビティを形成しておき、接合した半導体基板とベース基板をチップ単位にダイシングすることで、個々の半導体圧力センサを得ることが一般的である。このような製造方法は、例えば特許文献1〜5に開示されている。
特許文献1には、シリコン半導体圧力センサウエハと、該シリコン半導体圧力センサウエハのダイシングストリートに合わせた位置に切り込み溝を形成したガラス基板とを陽極接合した後に、個々の半導体圧力チップにダイシングすることで、陽極接合による基板変形及びチッピング発生を抑制する技術が記載されている。特許文献2には、センサウェハのダイシングストリート上に溝を設け、この溝を真空吸入口にしてセンサウェハ全体を均一な真空度に保った状態でセンサウェハとガラス基板を陽極接合する技術が記載されている。特許文献3には、歪受感素子を有するシリコンウェハと歪受感素子を覆う空隙部を形成したキャップ用基板とを接合した後にチップ単位でダイシングして半導体圧力センサを製造する際に、キャップ用基板に空隙部に連通し且つダイシング後に外部との通気孔となる溝を形成しておくことで、ゲージ圧の検出を可能にする技術が記載されている。特許文献4には、半導体基板にダイシングストリートに沿った溝部を形成しておき、接合した半導体基板と異種基板のダイシング時に、この溝部をダイシングブレードの逃げ空洞部として用いることで、チッピング不良を低減する技術が記載されている。特許文献5には、ガラス台座に半導体ウエハの凹部に対応する貫通孔を形成し、この貫通孔を介してダイアフラムへの圧力導入を可能にする技術が記載されている。
特開平2−158174号公報
特開平7−113708号公報
特開2001−332746号公報
特開2001−352078号公報
特開2006−258546号公報
ところで、半導体基板とベース基板が全面的に接合されている場合、ダイアフラムの撓み限界を超える圧力が加わったときにダイアフラムが破損するおそれがある。これを回避すべく、本出願人は、特願2007−247088号にて、半導体基板のベース基板との接合面を湾曲形状に加工し、この半導体基板とベース基板を接合したときにキャビティ側で両基板間に空隙γを生じさせる構成(図12)を採用して、ダイアフラムの耐圧限界の向上を図ることを提案している。
しかしながら、半導体基板の接合面を湾曲形状に加工すると、図12に示されるように、隣接するチップ単位領域のキャビティ120間の中央位置、すなわち、ダイシングストリートDsで、半導体基板110の厚さが最大となってベース基板131との接合強度が最も高くなる。このため、接合強度の最も高い位置で半導体基板110とベース基板131がダイシングされることとなり、完成状態の半導体圧力センサにおいて、半導体基板110とベース基板131の接合強度が弱くなってしまう。特に、半導体基板とベース基板の接合によりキャビティ内が真空状態で密閉される絶対圧センサの場合は、キャビティの真空封止が不安定になり、好ましくない。
本発明は、以上の問題意識に基づき、基板接合強度を高め、かつ、ダイアフラムの耐圧限界を向上させる半導体圧力センサの製造方法を得ることを目的とする。
本発明は、半導体基板はその基板厚さが最大となる位置でベース基板に最も強く接合することから、半導体基板のキャビティ側の面にダイシングストリートに沿う溝を設け、さらに鏡面加工を施せば、半導体基板のベース基板に最も強く接合する位置(基板厚さが最大となる位置)がダイシングストリートよりもキャビティ側にずれて、半導体基板とベース基板の接合強度が高められることに着目して完成されたものである。
すなわち、本発明は、圧力感応抵抗素子を形成した半導体基板とベース基板とを接合してなる半導体圧力センサの製造方法であって、半導体基板に、圧力感応抵抗素子を形成した面とは反対側の面に位置させて、キャビティを形成する工程と、この半導体基板のキャビティ側の面に、ベース基板と接合されたときに該ベース基板との間に空隙を生じさせる溝を、該半導体基板のダイシングストリートに沿って形成する工程と、この溝を形成した半導体基板のキャビティ側の面に鏡面加工を施し、基板厚さがキャビティ側端部及び溝側端部よりも該端部の間に位置する中間部で大きくなる、湾曲形状の接合面を形成する工程と、湾曲形状の接合面を介して半導体基板とベース基板を接合する工程と、この接合した半導体基板とベース基板をダイシングストリートでチップ単位に分断する工程と、を有することを特徴としている。
上記半導体基板のキャビティ側の面に設ける溝は、エッチング処理により形成することが好ましく、半導体基板にキャビティを形成する工程で同時に形成してもよい。この溝は、ダイシングストリート幅より幅狭に形成することが実際的である。
半導体基板には、酸化膜を挟んで二枚のシリコン基板が貼り合わされ、かつ、一方のシリコン基板にキャビティが形成され、他方のシリコン基板と酸化膜によってダイアフラムが形成されるSOI基板を用いることができ、ベース基板にはガラス基板またはSi基板を用いることができる。
本発明方法によれば、半導体基板のキャビティ側の面にダイシングストリートに沿う溝を形成してから鏡面加工を施し、該半導体基板の厚さがキャビティ側端部及び溝側端部よりも該端部の間に位置する中間部で大きくなる湾曲形状の接合面を形成したので、ダイシングストリートよりもキャビティ側(接合面の中間部)で半導体基板とベース基板が最も強く接合される。これにより、ダイシングによってチップ単位に分断されても半導体基板とベース基板の接合強度を高く保持でき、かつ、ダイアフラムの耐圧限界を向上させる半導体圧力センサが得られる。
図1及び図2は、本発明方法によって製造した半導体圧力センサ1の主要部を示す断面図及び平面図である。半導体圧力センサ1は、ダイアフラム型の絶対圧センサであって、圧力検出用のダイアフラム21とキャビティ20を表裏面に有する半導体基板10と、この半導体基板10のキャビティ20側の面に、該キャビティ20内を真空状態で密閉するようにして接合されたベース基板31とを備えている。
半導体基板10は、シリコン酸化膜(SiO2)13を介して第1シリコン基板11と第2シリコン基板12を貼り合わせてなるSOI(シリコン・オン・インシュレータ)基板である。第1シリコン基板11は、その回路形成面(図1の上面)がシリコン酸化膜14で覆われていて、このシリコン酸化膜14内に埋設した複数の圧力感応抵抗素子22、各圧力感応抵抗素子22に導通する配線23及びパッド24を有している。パッシベーション膜15は、シリコンナイトライド(Si3N4)からなり、圧力感応抵抗素子22、配線23及びシリコン酸化膜14上に形成されて、これらを絶縁保護している。パッド24は、パッシベーション膜15から露出しており、外部の測定装置に接続可能になっている。本実施形態では圧力感応抵抗素子22としてピエゾ素子を用いているが、これに限定されない。
この半導体基板10には、第2シリコン基板12とシリコン酸化膜13の一部を第2シリコン基板12側から除去することによってキャビティ(凹部)20が形成され、このキャビティ20の上面を構成するシリコン酸化膜13、第1シリコン基板11、シリコン酸化膜14及びパッシベーション膜15によってダイアフラム21が形成されている。図2に示されるように、ダイアフラム21は平面視矩形をなし、このダイアフラム21の矩形輪郭の各辺にかかるようにして複数の圧力感応抵抗素子22が配置されている。キャビティ20には、第2シリコン基板12からシリコン酸化膜13の境界にかけてR形状αが付与されている。キャビティ20の平面形状は、同図2に示されるように、上記R形状αによってエッジに丸みを持たせた矩形をなす。なお、ダイアフラム21の平面形状は、圧力を受けて歪む形状であれば他の形状でもよく、圧力感応抵抗素子22の数、配置も任意に設定可能である。
ベース基板31は、ガラス基板またはSi基板からなり、半導体基板10の支持基板として機能する。このベース基板31は、半導体基板10のキャビティ20を有する側の面、すなわち、第2シリコン基板12に接合している。この接合により、キャビティ20内は真空状態で保持されている。第2シリコン基板12のベース基板31に対する接合面βは湾曲形状をなし、第2シリコン基板12の厚さはその溝側端部12A、キャビティ側端部12Bよりもこれら端部の間に位置する中間部12Cで大きくなっている。すなわち、第2シリコン基板12は、中間部12Cでベース基板31と接合し、溝側端部12A及びキャビティ側端部12Bではベース基板31との間に空隙を有する。この空隙は100nm程度である。
上記構成の半導体圧力センサ1は、ダイアフラム21が外面に付加される圧力に応じて歪むと、その歪み度合いに応じて複数の圧力感応抵抗素子22の抵抗値が変化し、この複数の圧力感応抵抗素子22で構成されたブリッジ回路の中点電位がセンサ出力として公知の測定装置に出力される。測定装置は、各パッド24を介して半導体圧力センサ1に接続され、この半導体圧力センサ1の出力(中点電位変化)に基づいて圧力を測定できるようになっている。
生産性向上及び低コスト化を図るため、半導体圧力センサ1は、半導体基板10の表裏面にダイアフラム21とキャビティ20を多数形成した後、真空状態で半導体基板10とベース基板31を接合し、この接合基板をチップ単位にダイシングすることで、製造される。
図3〜図11を参照し、本発明を適用した半導体圧力センサの製造方法について詳細に説明する。図3は使用するウエハ状態の半導体基板10を説明する平面図であり、図4〜図11は半導体圧力センサ1の製造工程を示す断面図である。
先ず、図3及び図4に示されるウエハ状態の半導体基板10を準備する。半導体基板10には、ダイシングストリートDsによって画定された多数のチップ単位領域Sが設定されており、以降の製造工程によって、多数のチップ単位領域Sに絶対圧センサ構造が同時形成されていく。この段階で半導体基板10には、各チップ単位領域S毎に、圧力感応抵抗素子22、配線23、パッド24、シリコン酸化膜14及びパッシベーション膜15が形成されている。
半導体基板10を準備したら、図5に示されるように、ベース基板との接合面となる第2シリコン基板12の表面(図示下面)をグラインドして、第2シリコン基板12の基板厚さを所定の厚さに規定する。このグラインド工程は、半導体基板10の製造工程で施してもよい。
次に、図6に示されるように、シリコン酸化膜13の表面に図示下方からレジスト膜16を全面的に成膜した後、ダイアフラムを形成すべき領域に対応して該レジスト膜16を光パターニングすることにより、所望のダイアフラム形状を規定するエッチング用マスクとしてレジスト膜16を形成する。レジスト膜16の成膜は、コーター等の通常工程により実施可能である。本実施形態において、エッチング用マスクとなるレジスト膜16は、平面視矩形のダイアフラムが形成されるパターン形状としてある。
続いて、図7に示されるように、レジスト膜16をマスクとして第2シリコン基板12をドライエッチングし、各チップ単位領域毎にキャビティ20を形成する。この工程では、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)プロセスで使用される公知のSi-Deep Etcherを用いて、第2シリコン基板12の表面(図示下面)側から等方性エッチング処理と保護膜成膜処理とを繰り返すことによって、第2シリコン基板12がシリコン酸化膜13側に向かって掘り込まれる。Si-Deep Etcherでは、例えばC4F8とSF6の二種類のガスを使用する。第2シリコン基板12のエッチングが進み、シリコン酸化膜13まで達すると、該シリコン酸化膜13がエッチングストッパーとなって、第2シリコン基板12に平面視矩形のキャビティ20が形成される。同時に、半導体基板10のキャビティ20が形成された側とは反対側の面に、キャビティ20の上面となるシリコン酸化膜14と、第1シリコン基板11、シリコン酸化膜14及びパッシベーション膜15によって、ダイアフラム21が形成される。
本実施形態では、シリコン酸化膜13がキャビティ20内に露出した後もさらにドライエッチングを継続し、シリコン酸化膜13を所定厚さ分だけ除去すると同時に、該キャビティ20を周回するように、第2シリコン基板12からシリコン酸化膜13の境界部分にかけてR形状αを付与する。このように第2シリコン基板12とシリコン酸化膜13は、その境界部分にR形状αが付与されながらエッチングされるので、シリコン酸化膜13がオーバーエッチングされずに済む。また、キャビティ20の内壁面(内側面)はダイアフラム21に対して直角に形成されるので、キャビティ20の深さにかかわらず、キャビティ20の平面形状及びピエゾ素子22に対する相対位置を一定に保つことができる。
キャビティ形成後は、エッチング用マスクであるレジスト膜16を、例えば公知のレジスト剥離処理により全面除去する。このレジスト剥離処理を実施しても、シリコン酸化膜13のR形状αは維持される。図8は、レジスト剥離後の半導体基板10を示している。
続いて、図9に示されるように、第2シリコン基板12に、ダイシングストリートDsに沿って、後工程でベース基板と接合されたときに該ベース基板との間に隙間を生じさせる溝12Dを形成する。この溝12Dは、より具体的には、ダイシングストリートDsの全長に渡り、幅方向における中央位置をダイシングストリートDsと一致させて、ダイシングストリートDsよりも幅狭に形成する。すなわち、溝12Dは、ダイシングストリートDs内に位置させる。ダイシングストリート幅は400μm程度、溝幅は5〜200μm程度である。この溝12Dは、ドライエッチングまたは反応性イオンエッチング(RIE)を用いて形成できる。本実施形態の溝12Dは、キャビティ20より浅くかつ矩形をなしているが、ダイシングストリートDsに沿って設ける溝の断面形状及び深さは任意であって、ベース基板と接合されたときに隙間を生じさせるもの(第2シリコン基板12の図示下面をダイシングストリートDsで分断させるもの)であればよい。
本実施形態では、別工程で第2シリコン基板12にキャビティ20と溝12Dを形成しているが、第2シリコン基板12にキャビティ20を形成する工程で同時に溝12Dを形成する構成としてもよい。同時形成すれば製造工程数が減るから、製造工程の簡易化が図れる。
続いて、図10に示されるように、第2シリコン基板12のキャビティ20を囲む表面(図示下面)に、鏡面加工(Chemical Mechanical Polishing 加工)を施す。このとき、第2シリコン基板12には前工程でダイシングストリートDsに沿う溝12Dが形成されているので、鏡面加工を施すことにより、各チップ単位領域S毎に、溝12Dからキャビティ20まで延びて、図示下方向に突出する湾曲形状の接合面βが形成される。この湾曲形状をなす接合面βにおいて、第2シリコン基板12の基板厚さは、溝側端部12A及びキャビティ側端部12Bよりも、これらの間に位置する中間部12Cで大きい。接合面βの幅寸法(ダイシングストリートDsからキャビティ20までの距離間隔)は、150μm程度である。
続いて、図11に示されるように、第2シリコン基板12に、真空状態でベース基板31を加圧により接合する。ここで用いるベース基板31は、半導体基板10と同等あるいはより大きなウエハ状態のベース基板である。第2シリコン基板12とベース基板31に対して両基板を接合する方向に応力を加えると、第2シリコン基板12とベース基板31の間隔距離がより小さい位置で、すなわち、第2シリコン基板12の基板厚さがより大きい位置で、両基板に加わる応力が大きくなる。第2シリコン基板12は、上述したようにベース基板31と接合する方向(図示下方向)に突出する湾曲形状の接合面βを有し、且つ、この接合面βの中間部12Cでその基板厚さが最大になっていることから、接合面βの中間部12Cにおいて、最も大きな応力が加わった結果、ベース基板31との接合強度が最大となる。一方、接合面βの溝側端部12A及びキャビティ側端部12Bは、ベース基板31と離間しているので、応力が加えられてもベース基板31と接合されることはなく、溝側端部12A及びキャビティ側端部12Bとベース基板31との間には空隙が生じる。この空隙は100nm程度である。
この接合工程により、ダイアフラム21とベース基板31との間のキャビティ20が真空状態に密閉され、絶対圧センサ構造が得られる。必要に応じて、ベース基板31の表面(図示下面)をグラインドして、その厚さを調節する。
そして、一体化された半導体基板10とベース基板31をダイシングストリートDsでダイシングし、チップ単位に分断する。この分断された各チップが、図1及び図2に示される半導体圧力センサ1である。半導体基板10の第2シリコン基板12に設けたダイシングストリートDsに沿う溝12Dは、このダイシングによって除去され、完成状態の半導体圧力センサ1には残らない。
以上のように本実施形態によれば、第2シリコン基板12にダイシングストリートDsに沿う溝12Dを設けてから鏡面加工を施し、湾曲形状の接合面βを形成したことから、この接合面βの中間部12Cで半導体基板10とベース基板31とが最も強く接合されるので、ダイシングによりチップ単位に分断された後も両基板の接合強度を高く保持でき、これによって、キャビティ20内の真空度を高く保持することができる。また、接合面βの溝側端部12A及びキャビティ側端部12Bではベース基板31との間に空隙が生じているので、ダイアフラム21に作用する圧力が所定値を超えたときに、キャビティ20(キャビティ20内に露出するシリコン酸化膜13とベース基板31の間隔)が狭まる方向にダイアフラム21が変形可能になっている。これにより、ダイアフラム21に作用する曲げ、引っ張り応力が分散されてダイアフラム21の破損が防止されると同時に、上記所定値以上の圧力、圧力変化も測定可能となる。つまり、ダイアフラム21の耐圧限界が向上する。
以上では、キャビティ20内を真空とした絶対圧センサに本発明方法を適用した実施形態について説明したが、ベース基板31に圧力導入口を形成して、キャビティ20を外部と連通させた差圧またはゲージ圧センサにも適用可能である。
1 半導体圧力センサ
10 半導体基板
11 第1シリコン基板
12 第2シリコン基板
12A 基板側端部(溝側端部)
12B キャビティ側端部
12C 中間部
12D 溝
13 シリコン酸化膜
14 シリコン酸化膜
15 パッシベーション
16 レジスト膜(エッチング用マスク)
20 キャビティ
21 ダイアフラム
22 圧力感応抵抗素子
23 配線
24 パッド
31 ベース基板
Ds ダイシングストリート
S チップ単位領域
α R形状
β 接合面
10 半導体基板
11 第1シリコン基板
12 第2シリコン基板
12A 基板側端部(溝側端部)
12B キャビティ側端部
12C 中間部
12D 溝
13 シリコン酸化膜
14 シリコン酸化膜
15 パッシベーション
16 レジスト膜(エッチング用マスク)
20 キャビティ
21 ダイアフラム
22 圧力感応抵抗素子
23 配線
24 パッド
31 ベース基板
Ds ダイシングストリート
S チップ単位領域
α R形状
β 接合面
Claims (6)
- 圧力感応抵抗素子を形成した半導体基板とベース基板とを接合してなる半導体圧力センサの製造方法であって、
前記半導体基板に、圧力感応抵抗素子を形成した面とは反対側の面に位置させて、キャビティを形成する工程と、
この半導体基板のキャビティ側の面に、前記ベース基板と接合されたときに該ベース基板との間に空隙を生じさせる溝を、該半導体基板のダイシングストリートに沿って形成する工程と、
この溝を形成した半導体基板のキャビティ側の面に鏡面加工を施し、基板厚さがキャビティ側端部及び溝側端部よりも該端部の間に位置する中間部で大きくなる、湾曲形状の接合面を形成する工程と、
前記湾曲形状の接合面を介して、前記半導体基板と前記ベース基板を接合する工程と、
この接合した半導体基板とベース基板を、前記ダイシングストリートでチップ単位に分断する工程と、
を有することを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。 - 請求項1記載の半導体圧力センサの製造方法において、前記溝は、エッチング処理により形成する半導体圧力センサの製造方法。
- 請求項2記載の半導体圧力センサの製造方法において、前記溝は、前記半導体基板にキャビティを形成する工程で同時に形成する半導体圧力センサの製造方法。
- 請求項1ないし3のいずれか一項に記載の半導体圧力センサの製造方法において、前記溝は、ダイシングストリート幅より幅狭に形成する半導体圧力センサの製造方法。
- 請求項1ないし4のいずれか一項に記載の半導体圧力センサの製造方法において、前記半導体基板には、酸化膜を挟んで二枚のシリコン基板が貼り合わされ、かつ、一方のシリコン基板にキャビティが形成され、他方のシリコン基板と酸化膜によってダイアフラムが形成されるSOI基板を用いる半導体圧力センサの製造方法。
- 請求項1ないし5のいずれか一項に記載の半導体圧力センサの製造方法において、前記ベース基板には、ガラス基板またはSi基板を用いる半導体圧力センサの製造方法。
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Family Applications (1)
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JP2008037203A Withdrawn JP2011094967A (ja) | 2008-02-19 | 2008-02-19 | 半導体圧力センサの製造方法 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR101404094B1 (ko) * | 2012-07-27 | 2014-06-05 | 주식회사 지멤스 | 압력 센서 및 그 제조 방법 |
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Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPS61230382A (ja) * | 1985-04-05 | 1986-10-14 | Yokogawa Electric Corp | 半導体圧力センサ |
JPH09214037A (ja) * | 1996-01-31 | 1997-08-15 | Victor Co Of Japan Ltd | 半導体レーザ装置及びその製造方法 |
JPH10160605A (ja) * | 1996-11-28 | 1998-06-19 | Matsushita Electric Works Ltd | 半導体圧力センサの製造方法 |
JP4258099B2 (ja) * | 2000-06-05 | 2009-04-30 | 株式会社デンソー | 半導体圧力センサの製造方法 |
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2008
- 2008-02-19 JP JP2008037203A patent/JP2011094967A/ja not_active Withdrawn
-
2009
- 2009-02-16 WO PCT/JP2009/052521 patent/WO2009104545A1/ja active Application Filing
Cited By (2)
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