JP2016041446A - 誘電体又は他の材料のレーザ加工における音響光学偏向器の適用 - Google Patents
誘電体又は他の材料のレーザ加工における音響光学偏向器の適用 Download PDFInfo
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Abstract
Description
図1は、或る実施形態に係る、用いられてもよいAOD100の作動を例示する。AOD100は、結晶体112に結合された圧電変換器110を含む。AOD100は、結晶体112の中にRF周波数の音波114(例えば、約50MHzと約1500MHzとの間の周波数範囲内の)を生じさせるために圧電変換器110を駆動するように構成された、無線周波数(RF)駆動部113をさらに含む。入射レーザビーム115は、結晶体112内に生じた音波114によって回折され、入力ビームパワーの一部は偏向され(「一次」ビーム116)、入力ビームパワーの残りは偏向されない(「ゼロ次」ビーム118)。幾つかの実施形態において、一次ビーム116は加工のために用いられ、ゼロ次ビームはビーム・ダンプ122に送られる。一次偏向角120は、適用されたRF周波数に比例する。
AODをレーザ加工用途に適正に用いるために、或る実施形態によれば、回折効率曲線は、RFパワーと周波数との関数として線形化される。予測可能な作動では、結果として一次ビームパワーの線形減衰をもたらす、正規化されたAODパワー減衰コマンド(0から1までの範囲)が用いられてもよい。図2は、或る実施形態に係る、用いられてもよい種々のRF周波数におけるAOD回折効率曲線対RFパワーをグラフ図で表す。図2に示すように、AOD回折効率曲線は、一般に非線形である。回折効率曲線の非線形の性質のために、回折効率対RFパワーは、或る実施形態によってマッピングされてもよく、結果としてコマンドされた減衰をもたらすRFパワーを提供する線形化関数(例えば、多項式、参照テーブル、又は同様のアルゴリズム)が生成されてもよい。
図5は、一実施形態に係るレーザビームをディザリングするためのAODサブシステム506及びgalvoサブシステム508を含むシステム500のブロック図である。システム500は、AODサブシステム506に加工ビーム512を提供するためのレーザ光源510を含む。一実施形態において、レーザ光源510は、加工ビーム512が一連のレーザパルスを備えるようにパルスレーザ光源を含む。別の実施形態において、レーザ光源510は、加工ビーム512がCWレーザビームを備えるように持続波(continuous wave)(CW)レーザ光源を含む。或るこうした実施形態において、AODサブシステム506は、離散した(「パルス」)間隔で加工ビーム512を偏向することによって、CWレーザビームからレーザパルスを生成する。
AODサブシステム506と共に用いられてもよい別の作動モードは、AOD530、532で二次元パターンを非常に迅速にラスタリングすることを含む。ラスタリングの1つの使用は、被加工物524において、加工ビーム512の強度プロファイルを空間的に形成し、マイクロバイアのような所望の機能部を生成することを含む。AOD530、532は、スポット位置と強度ウェイティングとの両方を制御し、これは、任意の所望の強度プロファイルの作製を可能にする。加えて、銅の穴あけなどのような、高い強度を用いる加工作動のために各場所におけるレーザビーム・スポット522の滞留時間を変化させることが有益な場合がある。
Ze=H*Zr、は(Ne×Nr)
Zs=Hinv*Zr
Zr(k+1)=Zr(k)−kα*Hinv*(zDes−Zs)
ここで、Zsは、モデル又は測定されたシステムデータからの各繰返しにおいて計算される。
或る実施形態は、交差部における機能部の深さの制御された変動を伴う、交差する加工された機能部(例えば、トレンチ、パッド、バイア、及び他の機能部)の形成を含む。例えば、インピーダンス(高速での信号の完全性を維持するために)若しくは誘電体の絶縁破壊(めっきされたトレンチと下にある導電性層との間のギャップに対して敏感な場合がある)のような電気特徴を制御すること、又はめっき品質を制御することが望ましい場合がある。
再現性誤差の1つの発生源(上記で説明されたように良好な深さ制御により交差部を機械加工する能力を制限する可能性がある)は、図5に示されたgalvoサブシステム508の位置決め誤差である場合がある。これらの誤差は、センサノイズとトラッキング誤差に起因する場合がある。galvoサブシステム508における各galvoミラー533、535は、フィードバック・センサ(図示せず)と関連付けられ、それぞれのgalvoサーボ(図示せず)を用いてミラーの移動を制御する場合がある。センサノイズ効果は、galvoサーボがサーボの帯域幅内のフィードバック・センサノイズを追跡するときに発生する可能性があり、結果として物理的なビームの動きをもたらす。この誤差励起はまた、周波数スペクトルの或る部分を増幅するgalvoの閉ループ応答によって増幅される場合がある。センサノイズ効果は、特定の光学設計及びサーボ設計に応じて、例えば、約0.1μm二乗平均平方根(root−mean−squared)(RMS)から約5μmRMSまでのビーム誤差をもたらす場合がある。
或る実施形態において、AOD誤差補正は、実際のgalvoミラー位置を検出する外部センサを用いて強化される。或るgalvoベースのビーム位置決めシステムでは、ミラー角を感知するために角度位置センサがgalvoに組み込まれる。センサは、galvoシャフトの遠端(ミラーから離れた方)に位置付けることができ、一方、他のものは、ミラーの近くのシャフト端に位置付けられる。
レーザ直接アブレーション(laser direct ablation)(LDA)のような或るレーザ加工用途は、高いスループットを達成するために高い加工ビーム速度(例えば、約0.2m/sと約5m/sとの間の範囲内の速度)で機能部をアブレートする。高速加工を実施することの1つの課題は、加工ビーム位置を制御するのに用いられるgalvoビーム位置決めシステムの動的制限である場合がある。短い弧状のセグメントなどのような幾つかの機能部の加工の間に、ビームポジショナは、ビーム速度軌道を変えるために加速する。LDA用途は、例えば、約1μmの所望の再現性(galvoフィールド内)で数十ミクロン以下のオーダーの狭いターン半径をもつ機能部の加工を要求する可能性がある。図10は、或る実施形態に係るLDA用途のために加工された例示的なトレンチ・パターンを例示する略図である。本明細書で開示された実施形態は、トレンチ交差部1010、パッド交差部1012、狭い遷移部を備えたパッド交差部1014、及びLDA加工と関連付けられる他の機能部の高速加工を提供する。
良好な精度及び/又は再現性を提供する或るレーザ加工用途において、角度又は並進ビームジッタの寄与が誤差量(error budget)の大部分となることがある。ジッタは、レーザ光源に固有のビームの動きに起因する、又はビーム経路における空気乱流(ビーム経路内の空気温度差によって悪化される)及び/又は光学縦列内の機械的振動に起因する場合がある。レーザ走査システムでは、角度誤差は、スキャンレンズの焦点距離によってスケール変更されるときに被加工物における位置誤差に直接寄与する。ビーム並進誤差は、被加工物において(補償されていない)ビーム角をもたらすことによって、被加工物の誤差に間接的に寄与し、被加工物の表面のあらゆるZ高さ変動によってスケール変更されるこの角度は、被加工物上のXYビーム位置決め誤差をもたらす。
幾つかの実施形態において、AODサブシステム506は、レーザ/材料の相互作用プロセスの改善を可能にする。1つの例において、誘電体材料に切り込まれるトレンチの断面積は、被加工物に適用される「線量」(加工ビームパワーをビーム速度で割ったもの)に対して敏感である。幾つかの用途における最良の又は改善された性能のために、適用される線量は、溶融又は炭化のような熱影響域(heat affected zone)(HAZ)の影響を回避するために材料のアブレーション閾値よりもかなり高く保たれる場合がある。ビームポジショナの動的挙動又はレーザパワーによって課される制約に起因して幾つかの状況において用いられる場合がある低速では、適用された線量が、望ましくないHAZ効果をもたらし始める場合がある。したがって、一実施形態に係るHAZ効果を回避する又は低減するために、AODサブシステム506は、平均パワーを特定の作動条件のために用いられるレベルに減少させながら高いピークパワーが維持されるように、加工ビーム512のパワー・デューティサイクルを変調する。例えば、加工ビーム512を約100mm/sで動かすとき、約10%のデューティサイクル(約1μsオン、9μsオフ)をもつようにビームを変調することは、減衰された100%デューティサイクル・ビームに対してピークパワーを約10倍(10x)だけ増加させながら、約1μmの容認できるぐらい小さい「バイトサイズ」(パルス間隔ごとの増分プロセス長さ)をもたらす。上記で概説されたジッタ補正と同様に、この機能は、付加的なコストがほとんど無い、又は無い場合がある。
AOD作動はまた、被加工物上の又は被加工物内の対象材料のアブレーションの間のプルームの影響を低減し又は回避する機能を提供する場合がある。プラズマ、ガス、又は粒子状の破片として排出される場合がある、被加工物からアブレートされる材料は、例えば、波面歪み、パワー減衰、及び/又はポインティング効果を通じて加工ビームスポットの品質に影響を及ぼすことがある。一実施形態に係るプルームの影響を緩和するために、各スポットが前のスポットのプルームの影響によって影響を及ぼされないように、加工スポットの位置が加工の間に切り換えられる。加工速度Vで走るときに、利用可能なAODフィールド距離(Daod)にわたるN個の位置(選択された加工軌道に沿って存在するすべてのスポットを備える)の間で加工スポット位置を切り換えることができる場合、前方の加工スポットのプルームは、次のスポットに影響を及ぼす前にDaod/V/N秒で消散する。例えば、位置N=5、Daod=50μm、及びV=2m/sのとき、前方の加工スポットのプルームは、次のスポットに影響を及ぼす前に消散するのに約5μsを有する可能性がある。加工軌道が湾曲セグメントを含むとき、分布したスポットの位置は、選択された軌道上に残るように調整されてもよい。
レーザ加工機において、加工ビームは、被加工物機能部と位置合わせされる。位置合わせは、被加工物の位置合わせ基準(例えば、位置合わせ対象)を位置合わせカメラで識別し、次いで、校正を通じてカメラの視野を加工ビーム位置にマッピングすることによって行うことができる。速度と効率は、これが2ステッププロセス(レーザとカメラとの校正誤差、及びカメラ基準識別誤差に関係する)を用いるので、及びカメラとスキャンレンズが互いから分離され、これが位置決め段階の再現性と精度に起因する別の不確かさを加えるので、低下される場合がある。
Kw=(W[j]−W0)/(Wmax−W0)、
θ=atan(Vy/Vx)−θ0、
Fo=Fnom+Fd[k]*Kw、
F0=Fo*cosθ、
F1=Fo*sinθ。
V[j]=V[j−1]=プロセス・セグメントの速度、
Lwc=幅変化プロセス・セグメントの長さとなる。
W=W[j−1]+(W[j]−W[j−1])*Tseg/(Lwc/V[j])
であってもよく、次いで、ディザ係数Kwは、
Kw=(W−W0)/(Wmax−W0)
であってもよい。
線量=線量[j−1]+(線量[j]−線量[j−1])*Tseg/(Lwc/V[j])
である。そして、加工パワーは、線量と速度との積によって変調され、
P=線量*V
である。
Atten=P/Pmax
である。
Shape[k]=シェイピング値のテーブル2212(0〜1;Ndエントリ)、
Ks=シェイピング・スケールファクタ(0〜1;0.1〜5μsの速度で更新される)と与えられると、
次に、シェイピングテーブル2212のスケーリングは、
Kshape=1−Shape[k]*Ks(kが1とNdとの間で連続的に循環するとき)
によって与えられる。
Dout[k]=(1−Cd)*Dcmd[k]+Cd*Dcmd[k−1]
であり、式中、
Dout=AODサブシステムへの待ち時間により補正された線量コマンド、
Dcmd=コマンド・ストリームからの線量コマンド、
k=時係数、
Cd=遅延係数=遅延/Tupdate。
Claims (32)
- 被加工物に機能部を加工するためにレーザビームをディザリングするための方法であって、
第1の位置決めシステムを用いて加工軌道に沿ってレーザビーム・スポット位置の第1の相対移動を付与することと、
第2の位置決めシステムを用いて前記加工軌道に対するディザ方向に沿って前記レーザビーム・スポット位置の第2の相対移動を付与することと、
前記第2の位置決めシステムを用いて前記被加工物上の1つ又は複数の対応する対象場所における特定の機能部特徴に基づいてレーザビームを振幅変調することと、
前記被加工物におけるレーザビーム・スポットをディザ方向に効果的に広げるために、前記第2の相対移動の間に前記被加工物にレーザビームを放射することと、を含み、
前記第2の相対移動は前記第1の相対移動上に重ね合わされ、且つ前記第2の相対移動は前記第1の相対移動の速度よりも実質的に高い速度である、方法。 - 1つ又は複数の音響光学偏向器を制御し、前記ディザ方向に沿って前記レーザビーム・スポット位置の前記第2の相対移動を付与し、及び前記レーザビームを振幅変調することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 1つ又は複数の電気光学偏向器を制御し、前記ディザ方向に沿って前記レーザビーム・スポット位置の前記第2の相対移動を付与することと、
音響光学変調器を制御し、前記レーザビームを振幅変調することと、
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記レーザビームの2つ又はそれ以上のレーザパルスを少なくとも部分的に重なり合わせるように前記第2の位置決めシステムを制御し、前記ディザ方向に沿った機能部の選択された形状に基づいて前記被加工物から選択された量の対象材料を除去することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記特定の機能部特徴が、前記ディザ方向の第1の機能部の選択的形状を備え、前記振幅変調が、前記レーザビームによって前記被加工物に提供されるフルエンス・プロファイルを変化させ、前記ディザ方向の前記第1の機能部を選択的にシェイピングする、請求項1に記載の方法。
- 前記ディザ方向の前記第1の機能部を選択的にシェイピングすることが、前記第1の機能部の側壁を傾けることを含み、前記方法が、
前記第1の機能部と第2の機能部との交差部に対応する交差領域における所望の深さに基づいて前記第1の機能部の前記側壁の傾き量を選択することと、
前記第2の機能部を前記被加工物に前記レーザビームで加工することと、をさらに含み、
前記第2の機能部が前記交差領域において前記第1の機能部の前記傾けられた側壁と交差する、請求項5に記載の方法。 - 前記第1の機能部の傾けられた側壁が前記第2の機能部の前記傾いている部分と組み合わされるときに生成された前記交差領域の前記所望の深さに基づいて、前記交差領域に対応する前記第2の機能部の一部を傾けるように、前記第2の位置決めシステムを制御することをさらに含む、請求項6に記載の方法。
- 前記第2の位置決めシステムを用いて前記レーザビーム・スポット位置の前記第2の相対移動を付与することは、
前記レーザビームを前記被加工物に放射することが前記加工軌道に沿った一回の通過で前記平行な部分を加工することをさらに含むように、前記レーザビーム・スポット位置を第1の機能部及び第2の機能部の平行な部分の間で前後に動かすことをさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記平行な部分の間の有効ビーム加工速度を調整し、結果としてそれぞれの前記平行な部分に対応する異なる経路長をもたらす前記加工軌道に沿った回転を考慮に入れることと、
前記調節された有効ビーム加工速度に基づいて、前記第2の位置決めシステムを用いて前記レーザビームの前記パワーを変調し、前記平行な部分の各々に対する所望の加工線量を維持することと、
をさらに含む、請求項8に記載の方法。 - 前記第1の機能部と前記第2の機能部が、互いに対し平行ではない発散する部分をさらに含み、遷移領域が、前記平行な部分から前記発散する部分までの変化を画定し、前記方法が、
前記遷移領域において、前記加工方向に沿って前記第2の機能部の前記平行な部分を選択的にシェイピングすることと、
前記加工軌道に沿って前記第1の機能部の加工を続けながら、前記遷移領域において前記第2の機能部の加工を終えることと、
前記第1の機能部の前記発散する部分を加工した後で、前記遷移領域において前記第2の機能部の選択的にシェイピングされた前記平行な部分と交差するように、発散する加工軌道に沿って前記第2の機能部の前記発散する部分を加工することと、をさらに含み、
前記第2の機能部の前記発散する部分が、前記第2の機能部の前記平行な部分と前記発散する部分との交差部が前記加工領域における前記第2の機能部の所望の深さに対応するように、前記遷移領域において前記発散する加工軌道の方向に選択的にシェイピングされる、請求項8に記載の方法。 - 前記特定の機能部特徴が、前記加工軌道の方向の第1の機能部の選択的形状を備え、前記方法が、
前記第2の位置決めシステムを用いてフルエンス・プロファイルを変化させ、前記加工軌道の方向の前記第1の機能部の傾けられた部分を生成することと、
前記第2の機能部を前記被加工物にそれぞれの一連のレーザパルスで加工することと、
をさらに含み、
前記加工軌道の方向の前記第1の機能部の前記傾けられた部分の傾き量は、前記第1の機能部と前記第2の機能部との交差部に対応する交差領域内の所望の深さに基づくものであり、
前記第2の機能部が、前記交差領域において前記第1の機能部の前記傾けられた部分と交差する、請求項1に記載の方法。 - 前記加工軌道の方向の前記第1の機能部の部分を傾けることが、
前記第1の機能部が前記第1の機能部と第2の機能部との交差部に対応する交差領域に入る際に前記第1の機能部を第1の深さから第2の深さに傾けることと、
前記第1の機能部が前記交差領域を出る際に前記第1の機能部を前記第2の深さから前記第1の深さに戻るように傾けることと、
前記第2の機能部を、前記交差部に入った後で前記第1の深さから前記第2の深さに傾き、且つ前記交差領域を出た後で前記第2の深さから前記第1の深さに傾くようにシェイピングするように、前記第2の機能部をそれぞれの一連のレーザパルスで加工することと、
を含み、
前記第2の深さは前記第1の深さの約半分である、請求項11に記載の方法。 - 第1の機能部のフルエンスを第2の機能部の交差する部分のフルエンスと組み合わせるためのレーザパルスのスポット場所及びパワー振幅を画定するスポット振幅のラスタパターンを生成することと、
前記スポット振幅のラスタパターンに従って複数のレーザパルスを前記被加工物に適用することと、
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記スポット振幅のラスタパターンを生成することが、
交差領域に対応する候補ラスタ・グリッドを設定することと、
前記ラスタ・グリッドにおける各スポットに対して、ラスタ・フィールドにわたるフルエンス・プロファイルを計算してそれぞれの影響関数を生成することと、
前記影響関数を影響関数行列に組み合わせることと、
前記影響関数行列の擬似逆行列を計算することと、
前記影響関数行列の前記擬似逆行列を用いて前記それぞれの格子点における前記スポット振幅を計算することと、
を含む、請求項13に記載の方法。 - 前記第1の位置決めシステムにおける位置決め誤差を感知することと、
前記位置決め誤差をフィルタリングし、所望の周波数範囲にわたる位相及び利得応答を整合し且つノイズを除去することと、
前記フィルタされた位置決めシステムを前記第2の位置決めシステムに適用して前記位置決め誤差を補正することと、
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記第2の位置決めシステムが音響光学デバイス(AOD)を備え、前記方法が、
前記第2の位置決めシステムによって提供された前記ディザ方向の所望の偏向範囲に基づく前記AODの回折効率に基づいて前記レーザビームの最大パワーを選択すること、
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記第1の位置決めシステムの一定の速度を維持しながら、選択された機能部が幅を変えるように加工される際に前記第2の位置決めシステムを用いて前記被加工物に対する前記レーザビーム・スポット位置の速度を変化させ、これにより異なる幅を有する選択された機能部の異なる部分に異なる線量を提供すること、
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記レーザビームの強度プロファイルをシェイピングすることをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記レーザビームを前記被加工物の表面に対する角度で傾斜させることをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 被加工物をマイクロマシニングするためのレーザ加工システムであって、
前記被加工物の表面に機能部を加工するためのレーザビームを生成するレーザ光源と、
前記被加工物の表面に関する加工軌道に沿ってレーザビーム・スポット位置の第1の相対移動を付与するための第1のポジショナと、
前記加工軌道と垂直な方向に沿って前記レーザビーム・スポットを効果的に広げるための音響光学偏向器(AOD)サブシステムを備える第2のポジショナと、
を備えるシステム。 - 前記第1のポジショナが、ガルバノミラー(galvo)サブシステムと高速ステアリングミラー(FSM)サブシステムとからなる群から選択される、請求項20に記載のシステム。
- 前記AODサブシステムが、
第1の無線周波数(RF)信号によって駆動される第1のAODと、
第2のRF信号によって駆動される第2のAODと、
を備え、前記第1のAODと前記第2のAODが、チャーピングを用い、前記第1のRF信号及び前記第2のRF信号に周波数ランプを適用して前記レーザビームをデフォーカスすることによって、前記レーザビーム・スポットを効果的に広げる、請求項20に記載のシステム。 - 前記AODサブシステムが、ディザリングを用い、前記垂直方向に沿って前記レーザビーム・スポット位置の第2の相対移動を付与することによって、前記レーザビーム・スポットの幅を効果的に広げ、
前記第2の相対移動が前記第1の相対移動上に重ね合わされ、前記第2の相対移動が前記第1の相対移動の速度よりも実質的に高い速度である、請求項20に記載のシステム。 - 前記AODサブシステムが、前記レーザビームの強度プロファイルを前記加工軌道と垂直な方向に沿った偏向位置の関数としてさらに変化させ、これにより前記機能部を前記加工軌道と垂直な方向に選択的にシェイピングする、請求項20に記載のシステム。
- 前記AODサブシステムが前記加工軌道と垂直な方向に沿った前記レーザビーム・スポット位置に基づいて前記レーザビームの平均フルエンスを調整し、前記機能部を前記加工軌道と垂直な方向に選択的にシェイピングする、請求項24に記載のシステム。
- 前記AODサブシステムが、前記加工軌道に沿った偏向位置に基づいて前記レーザビームの前記パワー振幅の前記平均フルエンスをさらに調整し、前記機能部を前記加工軌道に沿って選択的にシェイピングする、請求項25に記載のシステム。
- 前記AODサブシステムが、
前記加工軌道と前記加工軌道と垂直な方向との少なくとも一方に前記レーザビームを偏向するための電気光学偏向器と、
前記レーザビームの前記パワー振幅を変調するための音響光学変調器と、
を備える、請求項24に記載のシステム。 - 前記galvoサブシステムの位置決め誤差信号を生成するためのセンサと、
前記位置決め誤差信号をフィルタリングするためのフィルタであって、
前記フィルタが、高周波数のセンサノイズをフィルタリングしながら、選択された周波数範囲にわたるビーム位置へのgalvo誤差の間の伝達関数の位相と利得との両方と実質的に整合する、フィルタとをさらに含み、
前記AODサブシステムが、前記フィルタされた誤差信号に基づいて前記レーザビームを偏向させる、請求項20に記載のシステム。 - コマンドされたビーム位置信号を受信するための低域通過フィルタであって、前記低域通過フィルタは、前記galvoサブシステムの帯域幅を超える前記コマンドされたビーム位置信号の部分を除去し、前記低域通過フィルタは、前記galvoサブシステムによって提供された偏向を制御するためのgalvoコマンドを出力する、低域通過フィルタと、
前記低域通過フィルタによって前記galvoコマンド信号に導入された遅延量に基づいて前記コマンドされたビーム位置信号を遅延するための遅延素子と、
前記遅延素子の前記出力から前記低域通過フィルタによる前記galvoコマンド信号の出力を減算し、前記AODサブシステムによって提供された偏向を制御するためのAODコマンド信号を生成するための素子と、
をさらに含む、請求項20に記載のシステム。 - 前記レーザビームの強度プロファイルをシェイピングするためのシェイピング素子と、
前記AODサブシステムから前記レーザビームを受け、且つ前記AODサブシステムによって前記レーザビームに提供される偏向角とは関係なく前記シェイピング素子の開口部上に前記レーザビームを集中させるように位置決めされた、リレーレンズと、
をさらに含む、請求項20に記載のシステム。 - 前記シェイピング素子が回折光学素子を備える、請求項30に記載のシステム。
- 前記レーザビーム・スポット位置に前記レーザビームをフォーカスするためのスキャンレンズと、
前記被加工物の表面に対して前記レーザビームを傾斜させるように、前記スキャンレンズに関して選択された場所で前記AODサブシステムから前記レーザビームを受けるように位置決めされたリレーレンズと、
をさらに含む、請求項20に記載のシステム。
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