JP4732750B2 - 真空排気装置 - Google Patents

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Description

本発明は、概括的には、真空ポンピングの分野に関しており、厳密には、多数のチャンバに高真空を供給し制御するための方法及び装置に関する。
或る種の研究及び製造工程では、高真空の処理チャンバを使用する必要がある。幾つかの理由で、真空が必要とされる。或る場合には、処理中に化学反応又は物理的損傷を引き起こす大気成分を取り除かなければならないこともある(例えば、チタンのような反応性金属の真空溶解の場合)。又別の場合には、揮発性の液体か、吸蔵又は溶解している気体を物質の塊から除去したり(例えば、脱ガス、凍結乾燥)、表面から気体を脱着させる場合(例えば、製造中のマイクロ波管の洗浄)のように、通常の室内状態に存在する釣り合い条件を乱すのに、真空を用いることもある。粒子が、他の粒子と衝突するまでに移動できる距離を伸ばし、ソースと目標の間で衝突の無い経路を辿ることができるようにしなければならない工程(例えば、真空コーティング、粒子加速器、テレビの画像管)にも真空が用いられる。最後に、秒当たりの分子の衝撃数を減少させることによって、清潔な表面を準備するのにも、真空が使用される。これによって、汚染の機会が減少する(例えば、清浄表面の研究及び純粋な薄膜の準備)。
半導体ウェーハの処理では、主に汚染を減らすために、薄膜の蒸着及びエッチング工程の間に真空が用いられる。本発明の真空システムは、ここでは主に半導体ウェーハ製造工程と関連付けて説明するが、上記の真空の使用を必要とする処理及び研究活動の何れにも用いることができる。
真空ポンプ設計の現実を言えば、1気圧から10-6トル又はそれ以下の「高真空」までの圧力範囲で、或る種の用途の要件を満たすだけのポンピング速度で作動するように作られた真空ポンプは無い。代わりに、薄膜コーティング及び他の高真空用途で十分に高い真空を実現するために、第1のオイル密閉又は乾燥ポンプと第2の高真空分子ポンプの両方を含むポンピングシステムが使用される。回転式オイル密閉又は乾燥第1ポンプ(或いは、フォアポンプ、又はバッキングポンプ)は、処理チャンバを、約0.1トルの「低真空」圧力まで「粗く下げ」、その後、第2高真空分子ポンプと回転ポンプを直列で使用し、処理チャンバを、処理に必要な高真空レベルになるまで排気する。
高真空ポンプシステムに2つのポンプ機構を使用する理由の1つは、真空引きする際には2つの物理的な状況を考えなければならないことである。約10-1又は10-2トルまでの低真空範囲では、空気の分子は相互に作用する。この状態では、空気は粘性を有し、流体のように流れるので、オイル密閉又は乾燥回転ポンプを使って汲み出すことができる。
高真空圧力では、分子は互いに独立しており、結果的に「分子の流れ」になる。ポンプは、各分子に働きかけなければならない。この状態では、「ポンピング」が、ランダムな分子運動を特徴とするシステム内の、非復帰(復帰の可能性が低い)点を実際に提供している。分子ポンプは、そのような非復帰点を提供する。
真空ポンプシステムでは、オイル密閉ポンプと乾燥回転ポンプの両方がバッキングポンプとして使用される。普通、両形式のポンプは、ポンプの高圧側で排気する前に容積が減少するポンピングチャンバ内に、或る体積の気体を閉じ込めることに依存している。回転真空ポンプでは、回転羽根ポンプと平行な軸上で回転する互いに噛み合う形状を含め、様々な幾何学形状が用いられている。
オイル密閉回転羽根ポンプは、滑動羽根を有する回転子を駆動する単一の軸を備えており、回転子と羽根は、偏心固定子内で回転する。ポンプは1段式でもよいし、大きい方の第1段が小さい方の第2段に排気する直列の2段式でもよい。機構全体は、潤滑、密閉及び冷却のためオイルに浸されている。
既知の乾燥ポンプの構成には、フックと爪、タングと溝とスクリュウ形状、とりわけルーツポンプが含まれる。乾燥ポンプ機構内にはオイルは無く、密封は、近接運動間隙で代用される。乾燥ポンプの方が一般的に製造するのが難しく、従って費用が掛かるが、半導体製造業では、システム内に持ち込まれる汚染が少なく、オイル密閉ポンプ内のオイルが腐食性の処理ガスを吸収しポンプを劣化させる傾向があるので、乾燥ポンプが好まれる。
気体を分子レベルでポンピングするために、幾つかの技術が発展した。それには、蒸気の噴射を使って運動量を付与し、真空チャンバ内の分子を排出方向に動かす拡散ポンプが含まれる。気体捕捉ポンプは、イオン捕獲、凍結(クライオポンプ)によって、又は、継続的に堆積する金属膜の下に気体を埋めることによって、分子を除去する。
ターボポンプ(又はターボ分子ポンプ)は、分子を排出方向に加速するタービン状の回転子を使用し、分子がバッキングポンプに向けてチャンバを出る確率を増している。ポンピング機構内で使用される材料が何でもバックストリーミングに問題はないので、つまりポンピング機構は乾燥しているので、この技法が、清浄度が重要な用途に用いられるようになっている。
大気圧で効率良く作動できる分子ポンプ(拡散、気体捕捉又はターボ)は無い。そのため、上記のように、真空チャンバは、先ずあら引きポンプ(roughing pumps)を使って、約1トルから10-2トルのあら引き圧力(roughing pressure)になるまで排気され、その後、高真空分子ポンプで更に排気される。従って、分子ポンプは、通常、デューティーサイクルを通して、約1トルから10-2トルの排気圧を有しているが、更に上の圧力となるまで排気できるポンプも、当該技術分野では知られている。
危険な気体の大気中への放出を抑制し、製造工程で用いられた物質を再捕捉するために、多くの用途で、排気を調整するための緩和装置を使用しなければならない。緩和装置の一例がスクラバーであり、スクラバーは、或る液体又は気体を排出物に注入することによって物質を排出物から取り除く。湿式スクラバーと乾式スクラバーを使用することができる。
湿式スクラバーでは、処理排気は、スプレーチャンバ内に押し込まれ、そこで細かい水の粒子が気体を溶解し、ダストと粒子を取り込んで気体ストリームからそれらを取り除く。次いで、ダストと溶質を含んだ水は処理され、捕捉した物質が取り除かれる。水は再循環させることができる。
乾式スクラバーでは、気体を排気に注入し、排気ストリーム内の危険な気体を化学的に変える。乾式スクラバーは、燃料又は酸化剤を追加するか又は追加しない熱酸化処理、(高温又は低温)吸着処理、触媒及びプラズマ処理を含む、様々な技法を使用して、望ましくない気体を取り除く。湿式ステージへ供給する乾式ステージを備えているスクラバーも知られている。
単にダストを集めるトラップも利用することができる。これらトラップは、大気圧でも低圧でもよい。トラップにはフィルター又はサイクロンを使用してもよい。
半導体ウェーハ製造又は他の反応性気体処理のための一般的な真空システムでは、一つのターボ分子ポンプと一つのバッキングポンプが、一つの処理真空チャンバ用に直列に設けられ、ターボ分子ポンプの方が真空チャンバ近くに配置されている。通常、4つの真空処理チャンバが、1つの製造ツール上に設けられている。1つ又は複数の緩和装置を使って、排気から過剰な処理ガスを取り除く。緩和装置がターボポンプとバッキングポンプの間にある場合、現在は、チャンバ毎に1つの緩和ユニットが必要である。緩和装置が大気中、即ちバッキングポンプの下流にある場合、緩和されていないガスが融和性であれば、1つの緩和装置を複数のチャンバの間で共有することができる。目下のところ、1つのチャンバ内の圧力変動が他のチャンバ内の圧力を乱すのを回避するため、チャンバの構成に関わりなく、チャンバ毎に1つのバッキングポンプが必要である。
真空チャンバ内側の圧力を調整するために、様々なシステムが実施されてきた。2002年7月16日にルソー(Rousseau)らへ発行された米国特許第6,419,455号に記載されているそのような1つのシステムでは、ターボ分子ポンプとバッキングポンプの回転速度は、チャンバ内に所定の圧力プロファイルを実現するため同時に制御されている。
2000年6月28日発行の欧州特許出願EP第1014427 A2号に記載のもう1つのシステムは、複数の処理チャンバを排気するのに、多重入口式二次(低真空)ポンプを使用している。
1999年8月31日にベイヤー(Beyer)らへ発行された米国特許第5,944,049号に記載のシステムは、高真空ポンプの排気側に配置された制御弁を使用している。制御弁は、処理チャンバ内側の真空を調整するのに用いられる。
通常の半導体ウェーハ処理システムは、チャンバ内に真空を作り出し維持するための個別の真空ポンピングシステムを備えた複数の真空チャンバを有している。チャンバ内の処理サイクルは独立して作動し、反応性ガスが必要に応じて様々な圧力で入れられる。
そのようなシステムを設置する初期費用は、一部には、緩和装置及びバッキングポンプのような多数の重複する構成要素のために、高額である。同様の理由で、その様なシステムの保守費用も高額で、システムは広い空間を占領する。
従って、目下、例えば半導体ウェーハの製造で使用することのできる真空排気装置及び方法が求められている。具体的には、現在の技術によるものに比べて、低い費用で、且つ低い保守及び空間要件で実施できる技術でなければならない。現在、既知の技術で、利用できるものはない。
米国特許第6,419,455号明細書 米国特許第5,944,049号明細書
本発明は、各チャンバ毎に完全な真空システムを必要とすることなく、複数の処理真空チャンバを排気し、その圧力を制御するための装置及び方法を提供することによって、上記要求に取り組んでいる。或る実施形態では、少なくとも2つの処理真空チャンバから気体を排出するための真空排気装置が設けられている。本装置は、少なくとも2つの入口と出口を有する準大気(sub-atmospheric)チャンバを含んでいる。本装置は、更に、複数の高真空ポンプを備えており、各ポンプは、排気側が、準大気チャンバの入口の1つに接続され、真空側が、処理真空チャンバの1つに接続されて、そのチャンバ内の真空を制御するようになっている。バッキングポンプは、準大気チャンバの出口に接続され、そのチャンバ内の真空を維持している。
真空排気装置は、更に、排気を調整するために、準大気チャンバ内に準大気緩和装置を備えている。準大気緩和装置は、スクラバーでもプラズマ装置でもよい。準大気チャンバは、処理チャンバに近接していてもよいし、そうではなく処理チャンバから離れていてもよい。
高真空ポンプはターボポンプでもよい。これらのポンプは、1トルを超える圧力まで排気できればよいが、5トルを超える圧力まで排気できるものでもよい。高真空ポンプの排気側には、絞り弁が接続されている。
バッキングポンプは、準大気チャンバに近接している。大気(atmospheric)緩和装置は、バッキングポンプの排気側に接続されている。大気緩和装置は、湿式スクラバー、乾式スクラバー、又は組み合わせ装置でもよい。
真空排気装置は、4つの処理真空チャンバと4つの高真空ポンプを含んでいる。
本発明のもう1つの実施形態は、半導体製造システムである。本システムは、複数の半導体真空処理チャンバと、複数の圧力制御ユニットを含んでおり、前記各圧力制御ユニットは、1つの処理チャンバに、そのチャンバを排気するために接続されている。本システムは、更に、処理真空チャンバに接続されている単一の準大気緩和チャンバを含んでおり、前記各高真空ポンプは、更に、前記準大気緩和チャンバの入口に排気するために接続されている。最後に、排気は、緩和装置を使って、準大気緩和チャンバ内で調整される。
中間真空圧力は、5から10トルの間である。本方法は、更に、各処理真空チャンバ内の圧力を、対応する高真空ポンプと、各高真空ポンプの排気側に設けられた対応する絞り弁とを使って、個別に制御する段階を含んでいる。
本発明は、複数の処理チャンバを排気し、それらのチャンバの圧力を制御するためのシステム及び方法である。本システムは、先行技術と比べて、資本費用、保守及び空間要件を低減している。
以下、本発明を、4つの半導体処理チャンバが排気され処理真空圧力に維持される或る実施形態に関連付けて説明する。当業者には理解頂けるように、本システムは、高真空を要する他の用途にも使用することができ、5つ以上又は3つ以下のチャンバの排気にも使用することができる。
本発明によるシステムを図1に示している。本システムは、4つの処理チャンバA−D(110、115、120、125)それぞれに、ターボ分子高真空ポンプ111、116、121、126と、ターボ分子ポンプの排気を絞るために配置されている絞り弁112、117、122、127のような排気背圧を制御するための手段とを備えている圧力制御ユニット113、118、123、128を有している。
ここに呈示している代表的な実施形態では、高真空ポンプはターボ分子ポンプである。先に述べたように、拡散又は気体捕捉のような他の高真空ポンプ技術を替わりに使用してもよく、従って、本発明は、高真空ポンプとしてターボ分子ポンプを使用することに限定されるものではない。目下説明しているシステムに用いられている高真空ポンプは、大気圧まで排気することはできないが、ターボ分子ポンプとしては、通常より高い排気圧まで排気することができなければならない。典型的なターボ分子ポンプは、約1トルまで排気するが、本発明のシステムは、約5−10トルまで排気できるポンプを必要としている。そのようなターボ分子ポンプは既知技術の範囲内にあり、従って、ここでは詳細に述べない。
圧力制御ユニット113、118、123、128は、バッキングポンプ140の作動から独立して、チャンバA−D内の圧力を制御するように配備されている。圧力制御ユニット113、118、123、128は、製造ツールの装置上に配置されているのが望ましい。目下説明している実施形態では、本ユニットは、多重チャンバ半導体製造ツール上に取り付けられており、各圧力制御装置は、対応するチャンバ上に、又はそれに近接して取り付けられている。一般的な用例では、ツールは、汚染を低減するためにクリーンルーム内に入れられている。圧力制御ユニット113、118、123、128も、クリーンルーム内に入れられている。
各圧力制御ユニット113、118、123、128は、単一の、多くの入口を有する準大気(sub-atmospheric)チャンバ130へと排気する。準大気チャンバは、各排気毎に1つの入口を有している。本発明の或る実施形態では、チャンバ130は、圧力制御ユニット113、118、123、128から遠隔に配置され、排気配管114、119、124、129で接続されている。この場合、準大気チャンバ130は、クリーンルームの外側に配置されているので、容易にサービスすることができる。準大気チャンバは、保守を考慮すればクリーンルームの外側に配置するのがよいが、処理チャンバ近く配置されているほどシステムの費用は低くなる。
圧力制御ユニット113、118、123、128のターボ分子ポンプ及び絞り弁の存在は、排気配管114、119、124、129と処理チャンバ110、115、120、125の間を或る程度分離し、ツール上の全ての処理チャンバ(目下の例では4つ)からの排気が単一のチャンバ130に接続できるようにしている。しかしながら、これらの装置は、応答性に限界があるので、各チャンバを完全に分離できるわけではない。準大気チャンバの内部容積は、或るチャンバ内の圧力変化が別のチャンバ内の圧力に及ぼす影響を低減する、追加のバッファとなる。
本発明の或る好適な実施形態では、緩和装置131が、準大気チャンバ130の中に設けられている。緩和装置131の内側では、具体的にはPFCである排出気体をプラズマ又は他の手段によって反応させ、前記排出物を水と反応するか又は水に熔解する気体に変換する。副産物は、バッキング真空ポンプに排出される。プラズマ緩和装置は当該技術で既知なので、ここでは追記しない。当業者には理解頂けるように、本発明の範囲内で、目下説明しているシステムに他の利用可能な緩和技術を使用することもできる。
緩和装置131は、処理排出物から気体を除去する機能に加えて、処理チャンバ110、115、120、125の間に追加的圧力分離を提供するよう機能する。更に、緩和装置131は、下流のハードウェアを、各チャンバからの交差反応の影響から守る。
準大気チャンバ130は、バッキングポンプ140により排気され、或る背圧に維持される。バッキングポンプは、産業界で普通に用いられている乾燥運転真空ポンプであるのが望ましく、緩和装置から排出された副産物と相性が良くなければならない。
バッキングポンプは、必要な圧力と流量に対し適切な大きさでなければならない。バッキングポンプ140の大きさは、システムの流量要件とチャンバ圧力要件によって決まる。バッキングポンプの大きさは、圧力制御ユニット110、115、120、125と準大気チャンバ130の間の距離の関数でもあり、即ち、ポンプの大きさは距離と共に増大する。ポンプは、準大気チャンバ130近くに配置してもよいし、それから遠く離して配置してもよい。
バッキングポンプの大きさは、背圧の関数でもある。真空システム内の前方配管圧力が大きいほど、バッキングポンプは小さくてよい。本システムでは、通常よりも高いターボポンプ排出圧力を使用するので、前方配管圧力が高く、より小さなバッキングポンプを使用して、資本及びエネルギー費用を節減し、空間を節約することができる。
本発明によれば、単一のバッキングポンプ140を使用して複数のターボ分子ポンプに真空排気圧を供給する一方で、処理チャンバの圧力を個別に制御することができる。このことは、絞り弁112、117、122、127と準大気チャンバ130を、バッキングポンプ140とターボ分子ポンプの間に配置することによって可能になる。準大気チャンバと絞り弁は、両方共、各処理チャンバ間の圧力の脈動を吸収するか、或いは少なくとも部分的には処理チャンバ間の圧力変化を分離することに寄与する。緩和装置131を使用する場合、その効果は更に高められる。
バッキングポンプ140は、大気スクラバー150に排気し、これは、湿式スクラバーでも乾式スクラバーでもよいが、2つを組み合わせたものが望ましい。PFCが準大気緩和装置131内で処置される場合、他に適切な技術もあるが、最も費用効率が良いのは湿式スクラバーの様である。
上記の組み合わせは、現在の技術に勝る幾つかの利点を提供する。例えば、ターボポンプの入口に絞り弁は必要ない。絞り弁をターボポンプの排気側に動かすことによって、絞り弁で生成又は捕捉された粒子が、処理チャンバへ戻りウェーハ表面に至る可能性のある経路を見つけ出すことは先ず無い。更に、絞り弁がターボポンプの排気側にあれば、保守の必要性が、例えば18ヶ月から1ヶ月に大幅に減少する。更に、高圧で作動する弁は、小さくて安く、漏れと保守の心配が少ない。
更に、目下説明している配置では、バッキングポンプの大きさと位置が、処理チャンバの圧力制御に束縛されない。これは、処理チャンバの圧力制御の一部としてバッキングポンプを制御している現在実施されている幾つかの解決策に勝る改良点である。これらのシステムでは、バッキングポンプの大きさと配置は、システムの性能にとって重要である。
目下説明しているシステムは、4つ又はそれ以上の処理チャンバを排気するために、単一の、準大気チャンバと、バッキングポンプと、緩和装置とを使用している。このような配置は、最初の資本費用が低く、保守が少なく、空間要件が低いという明確な利点を有している。
本発明のもう1つの実施形態は、複数の処理真空チャンバから気体を排出して、処理真空圧を実現するためのプロセス200である。図2に示しているように、処理は開始(ステップ210)すると、先ず、処理真空チャンバと準大気緩和チャンバを真空にする(ステップ220)。これらのチャンバは、処理真空圧よりも高い中間真空圧まで排気される。チャンバは、緩和チャンバの出口に接続されているバッキングポンプを使って排気される。中間真空圧は、5から10トルの間である。
本方法は、各処理真空チャンバを処理真空圧まで個別に排気する段階(ステップ230)を含んでいる。処理真空チャンバは、各チャンバ毎に1つの、複数の高真空ポンプを使って排気される。各高真空ポンプは、直接又は間接的に、準大気緩和チャンバの入口に排気する。
最後に、本方法は、緩和装置を使って、準大気緩和チャンバからの排気を調整する段階(ステップ240)を含んでいる。
本方法は、更に、各処理真空チャンバ内の圧力を、各高真空ポンプの排気側の対応する絞り弁を使って個別に制御する段階(ステップ250)も含んでいる。準大気緩和チャンバと絞り弁は、そのような個別の制御ができる程度に、処理チャンバを分離する。
上記詳細な説明は、全ての点で分かり易く且つ例示的であることを意図しており、本発明に限定を加えるものではなく、またここに開示する本発明の範囲は、上記「発明を実施するための最良の形態」の記載内容で定められるのではなく、特許法に定める特許請求の範囲の内容によって定められるものと理解されたい。例えば、本システムは、ターボ分子高真空ポンプの使用と関連付けて説明してきたが、拡散又は気体ため込み式のような他の分子ポンプ技術を使用することもできる。ここに示し、説明している実施形態は、本発明の原理を分かり易く説明しているに過ぎず、当業者には、本発明の範囲及び精神を逸脱すること無く様々な修正を加えうるものと理解頂きたい。
本発明の一の実施形態による真空排気装置の機能要素を示す概略図である。 本発明の一の実施形態による方法を示すブロック図である。
符号の説明
100 真空排気装置
110、115 処理真空チャンバ
130 準大気チャンバ
111、116 高真空ポンプ
140 バッキングポンプ
131 準大気緩和装置
150 大気緩和装置

Claims (16)

  1. 少なくとも2つの処理真空チャンバ(110、115)から気体を排気して処理真空圧を達成するための真空排気装置(100)において、
    少なくとも2つの入口と出口を有している準大気チャンバ(130)と、
    複数の高真空ポンプ(111、116)であって、前記高真空ポンプはそれぞれ、排気側が、前記準大気チャンバの前記入口の1つに排気背圧を制御するための手段(112、117)を介して接続され、真空側が、前記処理真空チャンバの1つに接続されて、その処理真空チャンバ内の真空を制御する複数の高真空ポンプと、
    前記処理真空圧よりも高い中間真空圧まで前記処理真空チャンバ及び前記準大気チャンバを排気するためのバッキングポンプ(140)であって、前記準大気チャンバの出口に接続されているバッキングポンプ(140)とを備えている、真空排気装置。
  2. 前記高真空ポンプの排気から所定のガスを取り除くために、前記準大気チャンバ内に準大気緩和装置(131)を更に備えている、請求項1に記載の真空排気装置。
  3. 前記準大気緩和装置は、スクラバーとプラズマ装置から成るグループから選択される、請求項2に記載の真空排気装置。
  4. 前記準大気チャンバは前記処理チャンバに近接して設けられている、請求項1乃至3の何れか1項に記載の真空排気装置。
  5. 前記準大気チャンバの内部容積は、前記処理真空チャンバの内の1つのチャンバにおける圧力変化が他の前記処理真空チャンバ内の圧力に及ぼす影響を低減する、請求項1乃至4の何れか1項に記載の真空排気装置。
  6. 前記高真空ポンプはターボポンプである、請求項1乃至5の何れか1項に記載の真空排気装置。
  7. 前記高真空ポンプは、1トルを超える圧力まで排気できるターボポンプである、請求項6に記載の真空排気装置。
  8. 前記高真空ポンプは、5トルを超える圧力まで排気できるターボポンプである、請求項6に記載の真空排気装置。
  9. 前記排気背圧を制御するための手段(112、117)は、絞り弁である、請求項1乃至8の何れか1項に記載の真空排気装置。
  10. 前記バッキングポンプは、前記準大気チャンバに近接して設けられている、請求項1乃至9の何れか1項に記載の真空排気装置。
  11. 前記バッキングポンプの排気側に接続された大気緩和装置(150)を更に備えている、請求項1乃至10の何れか1項に記載の真空排気装置。
  12. 前記大気緩和装置は、湿式スクラバーと、乾式スクラバーと、組み合わせ乾式/湿式スクラバーとから成るグループから選択される装置である、請求項11に記載の真空排気装置。
  13. 4つの処理真空チャンバと4つの高真空ポンプを備えている、請求項1乃至12の何れか1項に記載の真空排気装置。
  14. 複数の処理真空チャンバから気体を排出して、処理真空圧を達成するための方法において、
    前記処理真空チャンバ及び準大気緩和チャンバを、前記準大気緩和チャンバの出口に接続されているバッキングポンプを使って、前記処理真空圧よりも高い中間真空圧まで排気する段階と、
    各前記処理真空チャンバを、複数の高真空ポンプを使って前記処理真空圧まで個別に排気する段階であって、各前記高真空ポンプは、前記処理真空チャンバの1つを排気するように接続されており、更に、前記準大気緩和チャンバの入口に排気するように排気背圧を制御するための手段を介して接続されている、処理真空チャンバを排気する段階と、
    緩和装置を使って、前記準大気緩和チャンバ内の排気から所定のガスを取り除く段階とを有する、方法。
  15. 各前記処理真空チャンバ内の圧力を、対応する高真空ポンプと、対応する排気背圧を制御するための手段とを使って、個別に制御する段階を更に有している、請求項14に記載の方法。
  16. 前記中間真空圧は、5から10トルの間である、請求項14又は15に記載の方法。
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