JP3873498B2 - Vapor phase epitaxial growth method and growth apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、グローブボックスで基板をセットしたサセプタを反応炉で気相成長させ、成長後に冷却してグローブボックスでウェハ(成長済の基板)を取り出すようにした気相エピタキシャル成長方法とその装置、特にMOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy )法でサセプタを単位とした基板の連続した効率のよい成長サイクルを得る技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の気相エピタキシャル成長装置(MOVPE装置)は、その概略を図4に示すように、大きく分けてグローブボックス1、搬送室2、反応炉3の三つのチャンバーで構成されている。図4中、矢印はサセプタの搬送経路を表す。
【0003】
製造過程では、まずグローブボックス1で、半導体基板をウェハ支持台としてのサセプタにセットする。搬送室2には、旋回・前後走行してサセプタを搬送する機構(搬送アーム)があり、それによってサセプタを反応炉3に搬送し加熱する。加熱した基板上に原料ガス、ドーピング原料及び希釈用ガスを供給して半導体結晶を気相成長する。成長中、反応炉内でウェハ及びサセプタは非常に高温となるため、成長後サセプタの温度が下がるのを待ってからグローブボックス1に搬送する。そこで成長済みの基板(ウェハ)を取り出し、新しい基板をセットしてから再び反応炉に搬送し、成長する。このときサセプタは大気に晒されることはないが、グローブボックス1内の窒素雰囲気や、基板のセット・ウェハの取り出しを行うための手袋から発生するガスなどによる若干の汚染があるため、反応炉3に搬送する前に搬送室2でガス置換を行う。よって、常に反応炉3ではサセプタを高純度に保ったまま成長をすることができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、MOVPE法では熱分解反応によって半導体結晶を気相成長するため、反応炉内でサセプタを非常に高温に加熱する必要がある。一方、ウェハの取り出しは、通常用いるウェハケース、ウェハ用ピンセットが高温では溶けてしまうため、サセプタを冷却しなければならない。従来では、基板のセットからウェハの取り出しまでが一連の作業であるから、この冷却時間などの成長外時間が成長から次成長までの1サイクルを長くし、スループット向上を妨げていた。
【0005】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、サセプタを高純度に保ちつつ、成長後のウェハの冷却時間及びウェハ取り出し・基板セット時間を短縮し、または切り離し、スループットを向上させることにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
(1)上記目的を達成するため、本発明の気相エピタキシャル成長方法は、グローブボックスで基板をセットしたサセプタを反応炉で気相成長させ、成長済のサセプタを冷却してグローブボックスでウェハの取り出しを行う気相エピタキシャル成長方法において、反応炉とグローブボックスとの間に、サセプタを二つ以上収納できる冷却チャンバーを設け、第1のサセプタにセットした基板が反応炉内で気相成長している間に、グローブボックスで基板をセットした第2のサセプタを冷却チャンバーに搬送し、そこで次成長待ちとして待機させておき、前記第1のサセプタでの成長終了後、反応炉の成長済みの第1のサセプタと、冷却チャンバーの成長待ちの第2のサセプタとのサセプタ交換を行い、前記第2のサセプタでの成長中に、成長済みの前記第1のサセプタの冷却、基板取り出し、基板のセットのを行い、その第1のサセプタを再び冷却チャンバーに送って次成長待ちとして待機状態におくようにしたものである(請求項1)。
【0007】
従来では基板のセットからウェハの取り出しまでが成長と一連の作業になっているが、本発明の方法によれば、「冷却」、「ウェハ取り出し」、「基板のセット」という三つの作業とその間の搬送については、一方のサセプタでの成長中に行うことが可能となり、一連の作業から切り離すことができる。そのため、実際の成長作業は、反応炉のサセプタを待機中のものと入れ替えるだけで次々と成長することができる。
【0008】
この気相エピタキシャル成長方法においては、前記冷却チャンバーに温度センサを設け、サセプタの温度が取り出し可能な温度まで低下したとき、前記冷却チャンバーからサセプタを取り出し前記グローブボックスに搬送するのが好ましい(請求項2)。
【0009】
(2)本発明の気相エピタキシャル成長装置は、加熱した基板上に原料ガス、ドーピング原料及び希釈用ガスを供給し、基板上に半導体結晶を気相成長する気相エピタキシャル成長装置において、気相成長するための反応炉、搬送機構を有する搬送室、基板のセット・ウェハの取り出しを行うグローブボックス以外に、ガス置換によって高純度に保ったまま成長前の基板をセットしたサセプタ、及び成長後の冷却中のウェハをセットしたサセプタを二つ以上保持できる冷却チャンバーを有する構成としたものである(請求項3)。
【0010】
この冷却チャンバーを利用することにより、上記した成長方法を実施することが可能になり、2つのサセプタで交互に成長を行うことができる。即ち、新たに付加した高純度冷却チャンバーを、成長後のウェハの冷却待ちの場所として、また次成長基板をセットしたサセプタの成長待ちを行う場所として利用することで、二つのサセプタを平行に使用し、二つのサセプタで交互に成長を行う。一方の成長中にもう一方のサセプタで成長以外の作業を行うことができるので、気相エピタキシャル成長装置の成長回数を向上させることができる。
【0011】
この気相エピタキシャル成長装置においては、主に化合物半導体結晶の気相成長を行う装置として構成する。
【0012】
また、本発明の気相エピタキシャル成長装置において、前記冷却チャンバーは、次のように構成するのが好ましい。即ち、冷却チャンバーは、基板を支持するサセプタを二つ以上収納できる機構を持つ。冷却チャンバーは耐熱性の高い材質で作る。冷却チャンバーは外郭を水冷できる構造とする。冷却チャンバーは、真空引きライン、ガス配管、圧力計を有し、内部をガス置換することができる機能を備えたものとする。冷却チャンバーには内部にあるサセプタの温度がわかるように熱電対を設置する。冷却チャンバーには外から内部を監視することができる監視窓を取り付ける。冷却チャンバーには出し入れ扉(ハッチ)を設けて、そこからサセプタの入れ替えと、チャンバー内部の掃除が容易にできるようにする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【0014】
図1に示すように、基板のセット・ウェハの取り出しを行うグローブボックス1、搬送機構を有する搬送室2、気相成長するための反応炉3という従来の三つのチャンバーに加えて、ガス置換による高純度下で成長前の基板をセットしたサセプタ、及び成長後の冷却中のウェハをセットしたサセプタを保持するための高純度冷却チャンバー(冷却室)4を設ける。この実施形態の場合、横方向に直線的にグローブボックス1、搬送室2及び冷却チャンバー4の3つが配置され、搬送室2に対して反応炉が全体としてT字状になるように配置された形となっている。
【0015】
この高純度冷却チャンバー4は、成長後で高温になっているサセプタを収納可能にするため耐熱性の材料でできており、更に外郭は水冷されている。また、冷却チャンバー4内のサセプタの温度がすぐにわかるように温度センサとして熱電対を設置してある。更にまた、冷却チャンバー4内の雰囲気を高純度に保つため、真空引きライン、ガス配管、圧力計を設け、ガス置換ができるようにしてある。なお、冷却チャンバー4内には不純ガスの発生源を持たない。
【0016】
また、冷却チャンバー4内にはサセプタを二つ以上収納できる機構を設けてあり、これによって高純度化した二つのサセプタを大気に晒すことなく、高純度に保ったまま二つ交互に成長できるようにしてある。
【0017】
本実施例では、上記の新たに付加した高純度冷却チャンバー4を、(i) 成長後のウェハの冷却待ちの場所として、また(ii)次成長基板をセットしたサセプタの成長待ちを行う場所として利用し、二つのサセプタを平行に使用する。即ち、二つのサセプタで交互に成長を行うことによって、一方の成長中にもう一方のサセプタで成長以外の作業を行う。
【0018】
図1において、矢印はサセプタの搬送経路を表し、点線矢印で示した搬送と、点線で囲った作業が一方のサセプタでの成長中の裏作業となる。全ては装置内での搬送のため大気に晒されることがなく、しかも搬送室、冷却チャンバーではガス置換が可能なため常に高純度に保つことができる。
【0019】
具体的な成長作業の動作課程(サセプタの搬送課程)を述べる(図1及び図2参照)。
【0020】
一つのサセプタ(第1のサセプタA)にセットされた基板が反応炉3内で気相成長している間に、グローブボックス1でもう一方のサセプタ(第2のサセプタB)に基板をセットしてから冷却チャンバー4に搬送し、そこで次成長待ちとして待機させておく。そして第1のサセプタAでの成長が終了したら、成長済みの第1のサセプタAを反応炉3から冷却チャンバー4に送り(このとき一時的に冷却チャンバーの中にサセプタが二つ存在することになる)、成長待ちの第2のサセプタBを冷却チャンバー4から反応炉3に送る。この反応炉から冷却チャンバーへの搬送と、冷却チャンバーから反応炉への搬送は連続動作で、本明細書においてはこれを「サセプタ交換」と呼ぶ。
【0021】
そして、第2のサセプタBでの成長中に、成長済みの第1のサセプタAは「冷却」、「ウェハ取り出し」、「基板のセット」を行った後、再び冷却チャンバー4に送って次成長待ちの待機状態となる。
【0022】
つまり、図2に示すように、従来の成長装置では基板のセットからウェハの取り出しまでが成長と一連の作業になっていたものが、本実施形態の成長装置では「冷却」、「ウェハ取り出し」、「基板のセット」という三つの作業とその間の搬送について、一方のサセプタでの成長中に行うことが可能となり、一連の作業から切り離される。そのため実際の成長作業は、反応炉のサセプタを入れ替えるだけで次々と成長することができる。しかも装置外に出ることはなく、ガス置換が可能なため常に高純度に保ったまま作業ができる。
【0023】
本実施形態の場合、高純度化した二つのサセプタを大気に晒すことなく、高純度に保ったままサセプタを二つ交互に成長できるようになり、成長回数が従来の約l.4倍に向上した。
【0024】
なお、本発明の最適条件について吟味すれば、本発明の冷却チャンバーは成長後で高温になっているサセプタを収納するため、耐熱性の材質でなければならない。更に、冷却チャンバーは外郭を水冷しており、熱対策として有効である。また、サセプタの搬送においてサセプタ交換を行うとき、一時的にサセプタが二つとも冷却チャンバーに存在することがあるため、冷却チャンバーは二つ以上のサセプタを収納できなければならない。そして、冷却中のサセプタをグローブボックスに搬送してウェハを取り出しても大丈夫かどうかを知るには、冷却チャンバーの中のサセプタの温度が判断基準となるため、サセプタの温度がわかるような熱電対の設置が不可欠である。
【0025】
上記実施形態では、従来の形に冷却チャンバー4を付加する形で、グローブボックス1、搬送室2、反応炉3及び冷却チャンバー4を全体としてT字状に配置した。しかし、本発明はこの配置形態に限定されるものではなく、冷却チャンバー4は、「成長」と「ウェハの取り出し」の間、つまりグローブボックス1と反応炉3の間にあればよい。よって、冷却チャンバー、グローブボックス、搬送室、反応炉の四つのチャンバーのレイアウトは図3のような変形が考えられる。
【0026】
即ち、図3(a)に示すものは、冷却チャンバー4、搬送室2及び反応炉3を直線的に配置し、搬送室2に対して全体としてT字状になるようにグローブボックス1を配置した形態例である。図3(b)に示すものは、グローブボックス1、冷却チャンバー4及び搬送室2を直線的に配置し、搬送室2に対して全体として上下反転形L字状になるように反応炉3を配置した形態例である。そして、図3(c)に示すものは、グローブボックス1、搬送室2、冷却チャンバー4及び反応炉3を直線的に配置した形態例である。
【0027】
また、上記実施形態では搬送室2を別個に設けたが、搬送室2を冷却チャンバー兼用とすることも可能である。この場合は、装置全体のコンパクト化を図ることができる。
【0028】
また、取り扱う基板は必ずしも同一サイズのもの、例えば双方4インチ(又は3インチ)である必要はなく、一方のサセプタのみ3インチ(または4インチ)に切り替えて、従来装置と同様の搬送で成長することもできる。即ち、3インチ製品と4インチ製品を交互に成長することもできる。
【0029】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。
【0030】
(1)請求項1又は2に記載の気相エピタキシャル成長方法によれば、第1のサセプタにセットした基板が反応炉内で気相成長している間に、グローブボックスで基板をセットした第2のサセプタを冷却チャンバーに搬送して、そこで次成長待ちとして待機させておき、前記第1のサセプタでの成長終了後、反応炉の成長済みの第1のサセプタと、冷却チャンバーの成長待ちの第2のサセプタとのサセプタ交換を行い、そして前記第2のサセプタでの成長中に、成長済みの前記第1のサセプタの冷却、ウェハ取り出し・基板のセットを行い、その第1のサセプタを再び冷却チャンバーに送って次成長待ちとして待機状態におく。即ち、従来では基板のセットからウェハの取り出しまでが成長と一連の作業になっていたが、本発明の方法によれば、「冷却」、「ウェハ取り出し」、「基板のセット」という三つの作業とその間の搬送とについては、一方のサセプタでの成長中に行うので、一連の作業から切り離すことができる。そのため、実際の成長作業は、反応炉のサセプタを入れ替えるだけで次々と成長することができる。
【0031】
(2)請求項3に記載の気相エピタキシャル成長装置によれば、反応炉、搬送室、グローブボックスという三つのチャンバー以外に、ガス置換による高純度下で成長後の冷却中のウェハがセットされたサセプタ、及び成長前の基板を支持するサセプタを二つ以上保持できる冷却チャンバーを設けたので、該冷却チャンバーを、成長後のウェハの冷却待ちの場所として、また次成長基板をセットしたサセプタの成長待ちを行う場所として利用することにより、二つのサセプタで交互に成長を行うことが可能となる。従って、従来成長では成長と一連の作業であった「冷却」、「ウェハ取り出し」、「基板のセット」という三つの成長外作業とその間の搬送を、一方のサセプタでの成長中の裏作業として高純度のまま行うことができるようになり、気相エピタキシャル成長装置の成長回数を従来より向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るMOVPE装置の概略平面図である。
【図2】本発明のMOVPE装置の作業フローを従来と比較して示した図である。
【図3】本発明のMOVPE装置において、冷却チャンバーを装置のどこに配置するかのレイアウト例を示した平面図である。
【図4】従来のMOVPE装置の概略平面図である。
【符号の説明】
1 グローブボックス
2 搬送室
3 反応炉
4 冷却チャンバー[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vapor phase epitaxial growth method and apparatus in which a susceptor in which a substrate is set in a glove box is vapor-phase grown in a reaction furnace, cooled after growth and a wafer (growth substrate) is taken out in the glove box, The present invention relates to a technique for obtaining a continuous and efficient growth cycle of a substrate in units of susceptors by a MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) method.
[0002]
[Prior art]
A conventional vapor phase epitaxial growth apparatus (MOVPE apparatus) is roughly composed of three chambers, a
[0003]
In the manufacturing process, first, in the
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the MOVPE method, a semiconductor crystal is vapor-phase grown by a thermal decomposition reaction, so that it is necessary to heat the susceptor to a very high temperature in a reaction furnace. On the other hand, when the wafer is taken out, the normally used wafer case and wafer tweezers melt at a high temperature, so the susceptor must be cooled. Conventionally, since a series of operations is performed from the setting of the substrate to the removal of the wafer, the non-growth time such as this cooling time lengthens one cycle from the growth to the next growth, thereby hindering throughput improvement.
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to shorten the wafer cooling time and the wafer take-out / substrate setting time after the growth or to improve the throughput while keeping the susceptor in high purity. .
[0006]
[Means for Solving the Problems]
(1) In order to achieve the above object, the vapor phase epitaxial growth method of the present invention is such that a susceptor having a substrate set in a glove box is vapor-phase grown in a reaction furnace, the grown susceptor is cooled, and a wafer is taken out in the glove box. In the vapor phase epitaxial growth method, a cooling chamber that can store two or more susceptors is provided between the reaction furnace and the glove box, and the substrate set on the first susceptor is vapor-phase grown in the reaction furnace. Then, the second susceptor in which the substrate is set in the glove box is transferred to the cooling chamber, where it is kept waiting for the next growth, and after the growth in the first susceptor is completed, the first The susceptor is exchanged between the susceptor and the second susceptor waiting for growth in the cooling chamber, and the growth is performed during the growth in the second susceptor. Only the first susceptor is cooled, the substrate is taken out, and the substrate is set, and the first susceptor is sent again to the cooling chamber and waits for the next growth. ).
[0007]
Conventionally, growth and a series of operations are performed from substrate setting to wafer removal. However, according to the method of the present invention, three operations of “cooling”, “wafer removal”, and “substrate setting” are performed between the three operations. This transfer can be performed during growth on one susceptor and can be separated from a series of operations. Therefore, the actual growth operation can be performed one after another by simply replacing the reactor susceptor with a standby one.
[0008]
In this vapor phase epitaxial growth method, it is preferable that a temperature sensor is provided in the cooling chamber, and the susceptor is taken out from the cooling chamber and transported to the glove box when the temperature of the susceptor drops to a temperature at which the cooling can be taken out. ).
[0009]
(2) The vapor phase epitaxial growth apparatus of the present invention performs vapor phase growth in a vapor phase epitaxial growth apparatus that supplies a source gas, a doping source, and a dilution gas on a heated substrate and vapor-deposits a semiconductor crystal on the substrate. In addition to a reaction furnace, a transfer chamber having a transfer mechanism, a glove box for setting a substrate and taking out a wafer, a susceptor in which a substrate before growth is set while maintaining high purity by gas replacement , and cooling after growth The cooling chamber is configured to hold two or more susceptors on which the wafer is set (claim 3).
[0010]
By using this cooling chamber, the above-described growth method can be carried out, and growth can be performed alternately by two susceptors. In other words, the newly added high-purity cooling chamber is used as a waiting place for cooling the grown wafer and as a place for waiting for the growth of the susceptor on which the next growth substrate is set, so that two susceptors are used in parallel. Then, growth is performed alternately on the two susceptors. Since operations other than growth can be performed with the other susceptor during one growth, the number of growths of the vapor phase epitaxial growth apparatus can be improved.
[0011]
In the vapor phase epitaxial growth device, that make up a device for performing predominantly vapor deposition of the compound semiconductor crystal.
[0012]
In the vapor phase epitaxial growth apparatus of the present invention, the cooling chamber is preferably configured as follows. That is, the cooling chamber, one lifting mechanism for the susceptor that supports the substrate can hold two or more. Cooling chamber Ru create a highly heat-resistant material. Cooling chamber shall be the structure capable cooled an outer shell. The cooling chamber has a vacuum drawing line, a gas pipe, and a pressure gauge, and has a function of replacing the gas inside. The cooling chamber you install thermocouples As can be seen the temperature of a susceptor inside. The cooling chamber Ru attaching the monitoring window that can monitor internal from external. The cooling chamber is provided with a loading and unloading door (hatch), and replacement of the susceptor from there, that enable and facilitate the cleaning of the internal chamber.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.
[0014]
As shown in FIG. 1, in addition to three conventional chambers, a
[0015]
The high-
[0016]
The cooling
[0017]
In this embodiment, the newly added high-
[0018]
In FIG. 1, an arrow represents a susceptor transport path, and the transport indicated by the dotted arrow and the work surrounded by the dotted line are the back work during growth on one susceptor. All of them are not exposed to the atmosphere for transportation in the apparatus, and in addition, since the gas can be replaced in the transport chamber and the cooling chamber, it is possible to always maintain high purity.
[0019]
A specific growth process operation process (susceptor transfer process) will be described (see FIGS. 1 and 2).
[0020]
While the substrate set on one susceptor (first susceptor A) is vapor-phase grown in the
[0021]
During the growth in the second susceptor B, the grown first susceptor A performs “cooling”, “wafer removal”, and “substrate setting”, and then sends it to the
[0022]
That is, as shown in FIG. 2, in the conventional growth apparatus, the process from the substrate setting to the wafer removal is a series of growth and a series of operations. In the growth apparatus of this embodiment, “cooling” and “wafer removal” are performed. The three operations “set substrate” and the transfer between them can be performed during growth on one susceptor, and are separated from the series of operations. Therefore, the actual growth operation can be continued one after another by simply replacing the reactor susceptor. Moreover, since the gas can be replaced without going out of the apparatus, the work can always be performed while maintaining high purity.
[0023]
In the case of the present embodiment, two susceptors can be grown alternately while being kept in high purity without exposing the two highly purified susceptors to the atmosphere, and the number of times of growth is about l. It improved 4 times.
[0024]
If the optimum conditions of the present invention are examined, the cooling chamber of the present invention must be made of a heat-resistant material in order to accommodate the susceptor that has become hot after growth. Furthermore, the cooling chamber cools the outer shell, and is effective as a heat countermeasure. In addition, when the susceptor is exchanged during susceptor transfer, both susceptors may temporarily exist in the cooling chamber, and therefore the cooling chamber must be capable of accommodating two or more susceptors. In order to know whether it is okay to transport the cooling susceptor to the glove box and take out the wafer, the temperature of the susceptor in the cooling chamber is a criterion. Installation is essential.
[0025]
In the above-described embodiment, the
[0026]
That is, in the example shown in FIG. 3A, the cooling
[0027]
In the above embodiment, the
[0028]
Also, the substrates to be handled are not necessarily the same size, for example, both of them are 4 inches (or 3 inches), and only one of the susceptors is switched to 3 inches (or 4 inches) and grown by the same transport as the conventional apparatus. You can also. That is, 3 inch products and 4 inch products can be grown alternately.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the following excellent effects can be obtained.
[0030]
(1) According to the vapor phase epitaxial growth method of the first or second aspect, the second substrate is set in the glove box while the substrate set on the first susceptor is vapor grown in the reaction furnace. The susceptor is transferred to the cooling chamber and waited for the next growth there. After the growth at the first susceptor is completed, the first susceptor that has been grown in the reactor and the first waiting for growth of the cooling chamber are left. The susceptor is exchanged with the second susceptor, and during the growth on the second susceptor, the grown first susceptor is cooled, the wafer is taken out and the substrate is set, and the first susceptor is cooled again. Send to chamber and wait for next growth. That is, conventionally, from the setting of the substrate to the removal of the wafer was a series of growth and operations, but according to the method of the present invention, three operations of “cooling”, “wafer removal”, and “substrate setting” are performed. Since it is performed during growth on one susceptor, it can be separated from a series of operations. Therefore, the actual growth operation can be continued one after another by simply replacing the reactor susceptor.
[0031]
(2) According to the vapor phase epitaxial growth apparatus of the third aspect, in addition to the three chambers of the reaction furnace, the transfer chamber, and the glove box, a wafer being cooled after growth is set under high purity by gas replacement . Since a cooling chamber capable of holding two or more susceptors and a susceptor that supports a substrate before growth is provided, the cooling chamber is used as a place for waiting for cooling of the grown wafer, and the growth of the susceptor in which the next growth substrate is set. By using it as a place to wait, it becomes possible to perform growth alternately with two susceptors. Therefore, the growth and series of operations in the conventional growth, which are the “cooling”, “wafer removal” and “substrate setting” operations, and the transfer between them, are the back operations during the growth on one susceptor. It becomes possible to carry out with high purity, and the number of times of growth of the vapor phase epitaxial growth apparatus can be improved as compared with the prior art.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view of a MOVPE apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a work flow of the MOVPE apparatus of the present invention in comparison with the conventional one.
FIG. 3 is a plan view showing a layout example of where the cooling chamber is arranged in the apparatus in the MOVPE apparatus of the present invention.
FIG. 4 is a schematic plan view of a conventional MOVPE apparatus.
[Explanation of symbols]
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