JP3351843B2 - 成膜方法 - Google Patents

成膜方法

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JP3351843B2 JP03576293A JP3576293A JP3351843B2 JP 3351843 B2 JP3351843 B2 JP 3351843B2 JP 03576293 A JP03576293 A JP 03576293A JP 3576293 A JP3576293 A JP 3576293A JP 3351843 B2 JP3351843 B2 JP 3351843B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】本発明は成膜方法に係る。より詳細には化
学的気相成長とスパッタリングを同時に行なって成膜す
る成膜方法に関する。
【0002】
【背景技術】部品や素子の表面に薄膜をコーティングし
て所定の機能を付与することは、電気部品電子部品、工
具や機械部品等を始めとして非常に広い分野で盛んに行
なわれている。集積回路等の半導体デバイスはこの代表
的なもので、成膜と微細加工を繰り返してデバイスが作
製されるため、製造プロセスにおける成膜装置はたいへ
ん重要な役割を担っている。
【0003】さらに、集積回路においては、デバイスの
微細化と共に、より高機能化、高品質化も要求されてお
り、そのためにデバイスを構成する堆積膜中で不純物分
布を設計通りに形成可能な成膜方法が強く望まれてい
る。例えば、パイポーラトランジスタの場合、高速演算
素子、メモリー、デジタル・アナログ変換機等高速性を
要求されるLSIや、ディスクリート素子として極めて
多く用いられている素子の高速性はいかに速く電子がベ
ース層を通過するかで決まるため、ベース層の厚みを薄
くして通過距離を短くすることと共に薄いベース層に不
純物濃度の傾斜をつけて内部電界を形成し電子を加速で
き且つ界面でシャープな不純物濃度変化を示す構造、例
えば図9に示すような勾配をもつ濃度分布にすることが
素子の性能向上の点で有効となる。
【0004】従来の成膜装置は、成膜方法から原理的に
2つに大別される。即ち、蒸着、スパッタリング等の物
理的方法を用いた成膜装置と、成膜材料ガスの化学反
応、いわゆる化学的気相成長法(CVD)とを用いた成
膜装置に分類される。これらの装置は、操作性、メンテ
ナンスの容易性、高稼働率、品質の安定性が優れている
ことから幅広く用いられているが、先に述べた堆積膜の
濃度や成分の比率を変えるのが難しく、またシャープな
濃度変化を形成することが難しいという問題がある。
【0005】例えば、蒸着やスパッタにより、堆積膜の
濃度あるいは成分の比率を変える場合、堆積する膜の濃
度や成分の比率に応じて蒸着材料やターゲット材料自身
の濃度や成分の比率を変えなければならない。また、半
導体集積回路の配線材料に用いられるアルミシリサイド
をスパッタで成膜する場合は、ターゲットは構成するア
ミルニウムとシリコンを適切に組み合わせたものが必要
である。さらに、組成比の異なる堆積膜を形成する場合
には、その度毎に堆積膜の組成に見合ったターゲットを
つけかえる必要がある。しかし、通常の成膜装置で堆積
した膜の深さ方向の濃度あるいは成分の比率は、図8
(a)のようになり、深さ方向に一定となる。
【0006】これを、深さ方向の濃度や成分の比率を、
例えば図8(b)の様に深さ方向の連続関数(図では直
線関係)に制御しようとすると、蒸着法、スパッタ法で
は非常に難しく、例えば近似策として図8(c)に示す
ように、深さをn分割(図では、n=4)して、濃度や
成分の比率をステップ状に変化させる方法が採用せざる
を得ない。このためには、前述したように予め適切な蒸
着材料やターゲットを必要な数だけ準備しておき、一定
膜厚ごとにこれらを交換して成膜することになるが、分
離の数を増加させると手間がかかり、現実的な方法では
ない。
【0007】また、CVD法では、堆積膜形成時に原料
ガスの流量比を連続的に変えることによって、堆積膜中
に不純物の濃度分布を形成する試みがなされているが、
例えばp型シリコン層を形成する場合、通常B26ガス
はその安定性を維持するため100ppm〜2%程度に
希釈されているため、堆積膜中で不純物濃度を変えるた
めにはSiH4ガスとの流量比を大きく変える必要があ
り、その結果(全流量変わり)放電状態が変化し、層厚
方向で堆積膜の品質が変化してしまうという問題があ
る。
【0008】さらに、従来のCVD法で高品質の堆積膜
を形成するためには、例えば単結晶シリコンの場合90
0〜1100℃の高温で成膜する必要があり、また多結
晶シリコンでも減圧CVD法では550〜600℃で膜
を形成するため、不純物原子の熱拡散による再分布が起
こってしまい所望の不純物濃度分布が得られないのが現
状である。また、PCVD法で堆積膜を形成する試みも
なされているが、高品質な膜にするためには700℃程
度のアニールが必要となり、結局不純物原子の再分布が
起こってしまうという問題がある。
【0009】以上述べたように、従来の成膜方法及び装
置では、堆積膜の品質を維持しながら、堆積膜の深さの
方向の濃度や組成を正確に制御することは非常に難しい
のが現状である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】かかる状況に鑑み、本
発明は、堆積膜の層厚方向で濃度や組成を連続的に変化
させることが可能で、且つ安定して高品質の膜質が得ら
れる成膜方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の成膜方法は、密
閉容器内に設けられた第1及び第2の電極にそれぞれタ
ーゲット材及び基体を配置し、該密閉容器内に化学的気
相成長を起こし且つ前記ターゲット材をスパッタリング
するガスを導入し、前記第1及び第2の電極にそれぞれ
異なる周波数の高周波電力を印加してプラズマを発生さ
せ、化学気相成長とスパッタリングとを同時に行うこ
とにより基体上に堆積膜を形成する成膜方法であって、
前記ターゲットの直流電位を制御しつつ成膜を行うこと
により、前記ターゲット材の構成原子の少なくとも1種
以上と前記ガスの構成原子の少なくとも1種以上とを含
有した堆積膜を前記基体上に形成することを特徴とす
る。
【0012】該方法において、前記化学的気相成長を起
こし且つ前記ターゲット材をスパッタリングするガス
は、プラズマ励起により化学的気相成長するガスと不活
性ガスを含むことが好ましく、さらにそれぞれの流量比
を変化させながら堆積膜を形成するのが望ましい。
【0013】また、前記ターゲット材の直流電位は、前
記第1の電極に印加する高周波電力の周波数を変えるこ
とにより制御するか、または/及び前記ターゲット材の
直流電位は、該ターゲット材に接続された直流電源によ
り制御するのが好ましい。
【0014】さらに、前記基体温度は、400℃以下が
好ましい。
【0015】本発明で用いる成膜装置は、化学的気相成
長を起こし且つターゲット材をスパッタリングするガス
の導入口を有する密閉容器と、該密閉容器内に設けられ
た少なくとも2つの電極と、該電極の内第1及び第2の
電極にそれぞれターゲット材及び基体を保持するための
手段と、該第1及び第2の電極に接続され、異なる周波
数を有する2つの高周波電源とからなる。
【0016】さらには前記第1の電極に接続された高周
波電源は、周波数を可変することができることを特徴と
する、または/及び前記ターゲット材に、その直流電位
を制御することができる直流電源を接続したことを特徴
とする。
【0017】
【作用】本発明は、第1の電極にターゲットを配置し、
該第1の電極に高周波電力を加えて密閉容器に導入した
化学的気相成長を起こし且つターゲット材をスパッタす
る成膜ガスをプラズマ励起させて、化学的気相成長とス
パッタリングを同時に行うことにより、第2の電極上に
保持した基体上に成膜ガスとターゲット材との構成原子
を所望の濃度分布で含有する堆積膜を形成するものであ
る。
【0018】異なる周波数の高周波電力を、第1及び第
2の電極に印加することにより低温で高品質の単結晶膜
や多結晶膜を形成することができ、また低温処理のため
膜中成分原子の熱拡散を防止でき、所望の濃度分布の膜
を形成することができる。
【0019】さらに、直流電源から直流電位を直接基体
に与えることにより、または/及び第1の電極に印加す
る高周波電力の周波数を変化させることにより、ターゲ
ットに衝突するイオンのエネルギーを制御してスパッタ
リングレートを可変とすることができる。また、成膜ガ
ス中の化学的気相成長する成分の流量を変化させること
により、化学的気相成長速度を制御することができる。
ただし、この場合成膜ガスの全流量は一定とするのが望
ましい。その結果、堆積膜中のターゲット成分の濃度を
自由に連続的に変化させることが可能となる。
【0020】
【実施例】以下に実施例を挙げて本発明を詳細に説明す
る。
【0021】(実施例1)図1は、本発明の第一の実施
例を示す装置の断面図である。
【0022】図1において、109は減圧可能な密閉容
器であり、例えば材質はSUS316Lで内面が複合電
界研磨及び酸化不動態処理されており、一辺が300m
m中空立方箱体状に形成されたものである。104は密
閉容器109を真空に引くための真空排気口であり、真
空排気装置と接続されている。真空排気装置には、ター
ボ分子ポンプを用いた。
【0023】101は例えば200MHzの周波数を有
する高周波発生装置であり上部電極105に接続されて
いる。102はその高周波マッチング回路である。
【0024】103は成膜ガスのガス導入口であり、例
えば材質はSUS316Lで内面が複合電界研磨及び酸
化不動態処理されており、口径は1/4インチである。
【0025】なお成膜ガスは、アルゴンガスとモノシラ
ンガスを用い、それぞれ不図示のガス供給源からガス供
給配管を通り途中で混合されガス導入口103に導かれ
る。
【0026】105及び107はそれぞれ上部及び下部
電極であり例えば材質はSUS316Lで表面が複合電
界研磨及び不動態処理されており、本実施例では直径6
インチのものを用いた。106は上部電極105に保持
されたターゲットであり、直径が5インチのn型シリコ
ンウエハーを用いた。108は下部電極107に保持し
た基板で、直径が5インチのp型シリコンウエハーを用
いた。
【0027】111は、35MHzの周波数を有する高
周波発生装置であり、下部電極107に接続されてい
る。110はその高周波マッチング回路である。113
は、コイルとコンデンサーから成るバンドパスフィルタ
ーであり、上部電極105に加えられる高周波電力の周
波数200MHzに対し下部電極107を高周波的に短
絡させている。112もコイルとコンデンサーから成る
バンドパスフィルターであり、下部電極107に加えら
れる高周波電力の周波数35MHzに対し上部電極10
5を高周波的に短絡させている。114はターゲット1
06に接続されており、その直流電位を制御することが
できる直流電源である。117は基板108に接続され
ており、その直流電位を制御することができる直流電源
である。115はコイルとコンデンサーから成るローパ
スフィルターであり、ターゲット106にかかる高周波
電力が直流電源114に伝搬しないようにするため装置
である。又116もコイルとコンデンサーから成るロー
パスフィルターであり、基板108にかかる高周波電力
が直流電源117に伝わらないようにする装置である。
【0028】次に、この成膜装置を用いて堆積した膜に
おいて深さ方向に対するドーパント濃度を制御した例を
説明する。
【0029】まず、密閉容器109と連設した密閉容器
(不図示)からゲートバルブ(不図示)を介して搬送
し、p型シリコンウエハー108を下部電極107にセ
ットする。そしてガス導入口103からアルゴンガスと
モノシランガスを密閉容器109に導入し、高周波発生
装置101により200MHzの周波数を有する高周波
電力200Wを上部電極105に加えて密閉容器109
内にプラズマを発生させる。このとき上部電極105に
保持したn型シリコン106に発生した自己バイアスは
接地に対して−10V程度となり、この状態ではアルゴ
ンイオンの照射エネルギーが小さいためにn型シリコン
106はスパッタリングされない。
【0030】また、p型シリコンウエハー108はヒー
ター(不図示)により例えば300℃に加熱されてい
る。このような低温において高品質な膜を得るには、ア
ルゴンイオンの照射エネルギーにより基板表面を活性化
し、基板表面に到達した成膜原子を十分マイグレーショ
ンさせる必要がある。この時、アルゴンイオンの照射エ
ネルギーが大きすぎると基板表面の結晶性を破壊して高
品質な膜を得ることができなくなり、また小さすぎても
基板表面に到達した成膜原子を十分マイグレーションさ
せることができず、高品質な膜を得ることができない。
本実施例では低温において高品質な膜を得るために高周
波発生装置111により35MHzの周波数を有する高
周波電力20Wを下部電極107に加えp型シリコンウ
エハー108に接地に対して+10Vの自己バイアスを
かけて適切なイオン照射エネルギーが得られるようにし
た。
【0031】本実施例においてプラズマによりモノシラ
ンガスを分解してp型シリコンウエハー108上にシリ
コンを堆積させる際に、上部電極105に保持したn型
シリコンウエハー106に接続された直流電源114を
用いてn型シリコンウエハー106の直流電位を図2の
ように変化させていくとプラズマ中のアルゴンイオンに
よりn型シリコンウエハー106がスパッタリングされ
て、化学的気相成長による成膜とスパッタリングによる
成膜とが同時に起こり、p型シリコンウエハー108上
にはn型不純物原子を含む膜が形成されることになる。
【0032】このとき得られた堆積膜は、反射型高速電
子線回折法による測定の結果から、単結晶であることが
確認され、その表面から深さ方向に対するドーパント濃
度を2次イオン質量分析法で測定した結果は図3のよう
になり、深さ方向に対して濃度勾配をもつことが確認さ
れた。
【0033】ここで、本実施例において堆積した膜の深
さ方向に対する濃度分布を制御することが出来る理由を
簡単に説明する。一般にプラズマは正の電位Vpを持っ
ている。これをプラズマポテンシャルという。上部電極
105に保持したn型シリコンウエハー106に係る直
流電位をVdcとするとプラズマ中のアルゴンイオンは
(Vp−Vdc)eVのエネルギーでn型シリコンウエハ
ー106に衝突する。このエネルギーが大きいほど、衝
突によって放出されるn型シリコンウエハー106の構
成原子の数は多くなり、したがって下部電極107に保
持したp型シリコンウエハー108上に堆積するn型シ
リコンの堆積速度は大きくなる。一般にプラズマポテン
シャルVpはあまり変化しないので、Vdcを制御するこ
とによりスパッタリングによる堆積速度を制御すること
が可能である。
【0034】一方、本実施例においてプラズマによりモ
ノシランガスを分解してp型シリコンウエハー108上
にシリコンを堆積させる、化学的気相成長法において
は、その堆積速度はモノシランガスの流量により決ま
る。
【0035】また、ある不純物濃度を持ったn型シリコ
ン106に接続された直流電源114によってその直流
電位を制御することによりスパッタリングによるn型シ
リコンの堆積速度を制御しながら成膜を行うことにより
堆積膜の深さ方向に対するドーパント濃度を自由に制御
できる。
【0036】なお、本実施例では、成膜ガス流量を一定
としたが、要求される膜質によっては、成膜ガス中のガ
ス流量比を変化させ、化学的気相成長する成分の流量比
を変化させることで、堆積膜中の組成を分布させること
も可能である。また、ターゲットの直流電位と流量とを
2つを組み合わせて変化させても良いことは言うまでも
ない。
【0037】また、本実施例において、スパッタリング
による堆積速度を制御するために、上部電極105に保
持したn型シリコンウエハー106に接続された直流電
源114によりVdcを制御したが、上部電極105に加
える高周波電力の周波数によってもVdcは変化するた
め、この周波数を制御することによりVdcを制御してス
パッタリングによる堆積速度を制御してもよい。特にタ
ーゲット106が絶縁性材料の場合は、直流電源114
によるVdcの制御が出来ないため上部電極105に加え
る高周波電力の周波数による制御が有効である。
【0038】さらに、ガス導入口103から導入するガ
スとして、本実施例では不活性ガスとしてアルゴンガ
ス、化学的気相成長するガスとしてモノシランガスを用
い、それぞれ混合した後導入口から容器内に導入した
が、不活性ガスとしては他にHe,Ne,Kr,Xeな
どのガスを用いてもよく、また化学的気相成長するガス
としてはSi26,Si38などのSi原子を持つ水素
化物やSi原子を持つ有機物でもよい。要はプラズマに
より励起され化学的気相成長により成膜することがで
き、かつターゲットをスパッタできるガスであれば何で
もよい。また、導入口をガス毎に設けても良い。
【0039】さらに本実施例では一種類の材料、例えば
n型シリコンウエハーを用いて成膜を行なったが、必要
に応じて密閉容器109に連設する密閉容器からゲート
バルブを介して異なる組成の材料を搬送して材料を交換
した後、成膜を行ってもよい。これにより堆積した膜に
おいて制御可能な組成範囲を自由に変えることができ
る。
【0040】本実施例では低温において高品質な膜を得
るために高周波発生装置111により35MHzの周波
数を有する高周波電力を下部電極107に加えp型シリ
コンウエハー108に、接地に対して+10Vの自己バ
イアスをかけて適切なイオン照射エネルギーが得られる
ようにしたが、適切なイオン照射エネルギーが得られる
ならば他の周波数を用いてもよい。又基板108が導電
性材料の場合には高周波電力を用いずに、基板108に
接続された直流電源117を用いて適切なイオン照射エ
ネルギーが得られるようにしてもよい。
【0041】また、本実施例では密閉容器109、ガス
導入口103、上部電極105及び下部電極107は例
えばその材質SUS316Lで内面又は表面の複合電解
研磨及び酸化不動態処理されているものを用いたがこれ
は真空容器内表面がプラズマに曝されてもイオンにより
スパッタリングや腐蝕などの損傷を受けにくいようにす
るためであり、用途によってはその他の材質及び形状の
ものを用いてもよい。その他の材質として、例えばSU
S316L又はアルミニウムに例えばニッケル−リンメ
ッキを行ない表面にフッ化処理したもの等が挙げられ
る。
【0042】真空排気装置には、ターボ分子ポンプを用
いたが用途によってはその他の真空ポンプを用いてもよ
いことはいうまでもない。又、ターゲット106には直
径5インチのn型シリコンウエハーを、基板108には
直径5インチのp型シリコンウエハーを用いたが用途に
よってはその他の材料及び形状のものを用いてもよい。
【0043】また本実施例において上部電極105に加
える高周波電力の周波数は200MHzを用いたが、タ
ーゲット106に接続した直流電源114により、又
は、上部電極105に加える高周波電力の周波数により
ターゲット106にかかる直流電位も制御して上部電極
105に保持したターゲット106のスパッタリングに
よる堆積速度を制御することができればその他の周波数
を用いてもよい。
【0044】本実施例において、堆積膜はモノシランガ
スをプラズマ励起した化学的気相成長と上部電極105
に保持したn型シリコンウエハー106のスパッタリン
グとを同時に行なって成膜を行なったが、例えば初めは
化学的気相成長のみにより成膜した後、化学的気相成長
とスパッタリングを同時に行ない、さらにスパッタリン
グのみにより成膜を行なう等、成膜方法を組合わせて行
っても良い。
【0045】また、本実施例では基板の直流電位を制御
して適切なイオン照射エネルギーが得られるようにして
低温において単結晶化を行ったが、用途によっては堆積
膜は単結晶でなくてもかまわない。
【0046】さらに本実施例では上部電極105に保持
したn型シリコンウエハー106のスパッタリングとモ
ノシランガスをプラズマ励起して化学的気相成長法とを
とをを同時に行い下部電極107に保持したp型シリコ
ンウエハーに成膜を行ったが、用途によっては成膜時に
さらに1種以上のガスを密閉容器109に導入し、これ
をプラズマ励起してプラズマ中でスパッタリングされて
放出された原子と反応させてこれを堆積すること、材料
ガスをプラズマ励起して化学的気相成長法による成膜と
を同時に行って成膜しても良い。
【0047】(実施例2)次に本発明の第2の実施例を
示す。
【0048】本実施例は、実施例1において、ガス導入
口103から密閉容器109に導入したモノシランガス
の流量を図4のように、又、上部電極105に保持した
n型シリコンウエハー106に接続された直流電源11
4によりn型シリコンウエハー106の直流電位を図5
のように制御した(なお、ガスの全流量は一定とし
た)。その他の構成は第1実施例と同様であるので重複
した説明は省略する。このとき、深さ方向に対するドー
パント濃度が図6のような矩形となった単結晶シリコン
膜が得られた。
【0049】(実施例3)本発明の第3の実施例を以下
に示す。
【0050】本実施例は実施例1において、上部電極1
06に保持した材料106にアルミニウムを用いた例で
ある。その他の構成は第1実施例と同様であるので重複
した説明は省略する。このとき堆積した膜の深さ方向に
対するアルミニウム中のシリコンの濃度を2次イオン質
量分析法で測定したところ図7のように濃度分布を持っ
たAlSi膜が得られた。
【0051】
【発明の効果】本発明により、堆積膜を構成する成分の
分布を自由に設計通りに変化させることが可能となり、
例えば高速バイポーラトランジスタ等のような高機能素
子を作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1に係わる成膜装置の密閉容器部概略模
式図である。
【図2】実施例1に係わり、成膜時のn型シリコンウエ
ハーにかけた直流電位を表すグラフである。
【図3】実施例1に係わり、堆積膜のドーパント濃度を
示すグラフである。
【図4】実施例2に係わり、堆積時のモノシラン流量を
示すグラフである。
【図5】実施例2に係わり、堆積時のn型シリコンウエ
ハーにかけた直流電位を示すグラフである。
【図6】実施例2に係わり、堆積膜のドーパント濃度を
示すグラフである。
【図7】実施例3に係わり、堆積膜のアルミニウム中の
シリコンの濃度を示すグラフである。
【図8】堆積膜中の不純物濃度の分布を示すグラフであ
る。
【図9】エミッタ、ベース、コレクタにおける不純物濃
度の分布を示すグラフである。
【符号の説明】
101 第1の高周波電源、 102 第1の高周波マッチング回路、 103 ガス導入口、 104 真空排気口、 105 上部電極、 106 ターゲット、 107 下部電極、 108 基板、 109 密閉容器、 110 第2の高周波マッチング回路、 111 第2の高周波発生装置、 112,113 バンドパスフィルター、 114,117 直流電源、 115,116 ローパスフィルター。
フロントページの続き (72)発明者 宮下 和久 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉東北大学 工学部電子工学科内 (56)参考文献 特開 昭63−50025(JP,A) 特開 平3−185713(JP,A) 特開 平3−204925(JP,A) 特開 平5−315098(JP,A) 特開 平5−275358(JP,A) 特開 平2−298024(JP,A) 特開 平4−346829(JP,A) 特開 平1−195272(JP,A) 特開 昭64−45129(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/205 C30B 25/14 H01L 21/285 H01L 21/31

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 密閉容器内に設けられた第1及び第2の
    電極にそれぞれターゲット材及び基体を配置し、該密閉
    容器内に化学的気相成長を起こし且つ前記ターゲット材
    をスパッタリングするガスを導入し、前記第1及び第2
    の電極にそれぞれ異なる周波数の高周波電力を印加して
    プラズマを発生させ、化学気相成長とスパッタリング
    とを同時に行うことにより基体上に堆積膜を形成する成
    膜方法であって、前記ターゲットの直流電位を制御しつ
    つ成膜を行うことにより、前記ターゲット材の構成原子
    の少なくとも1種以上と前記ガスの構成原子の少なくと
    も1種以上とを含有した堆積膜を前記基体上に形成する
    ことを特徴とする成膜方法。
  2. 【請求項2】 前記ターゲット材の直流電位は、前記第
    1の電極に印加する高周波電力の周波数を変えることに
    より制御することを特徴とする請求項1に記載の成膜方
    法。
  3. 【請求項3】 前記ターゲット材の直流電位は、該ター
    ゲット材に接続された直流電源により制御することを特
    徴とする請求項1または2に記載の成膜方法。
  4. 【請求項4】 前記化学的気相成長を起こし且つ前記タ
    ーゲット材をスパッタリングするガスは、プラズマ励起
    により化学的気相成長するガスと不活性ガスを含むこと
    を特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の成膜
    方法。
  5. 【請求項5】 前記化学的気相成長するガスと前記不活
    性ガスとの流量比を変化させることを特徴とする請求項
    4に記載の成膜方法。
  6. 【請求項6】 前記基体の温度は400℃以下であるこ
    とを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の成
    膜方法。
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