JP7484069B2 - Manufacturing method of piezoelectric element - Google Patents
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Description
本発明は圧電素子の製造方法に関し、特に高感度、低雑音となる圧電型MEMSマイクロフォン等に利用可能な圧電素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric element, and in particular to a method for manufacturing a piezoelectric element that can be used for piezoelectric MEMS microphones that have high sensitivity and low noise.
近年、急速に需要が拡大しているスマートフォンには、小型、薄型で、組立のハンダリフロー工程の高温処理耐性を有するMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いたマイクロフォンが多く使われている。さらにMEMSマイクロフォンに限らず、その他のMEMS素子が様々な分野で急速に普及してきている。 In recent years, the demand for smartphones has been expanding rapidly, and many of them use microphones that use MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, which are small, thin, and can withstand the high temperatures of the solder reflow process during assembly. Furthermore, not only MEMS microphones, but other MEMS elements are rapidly becoming more common in a variety of fields.
この種のMEMS素子の多くは、音響圧力等による振動板の変位を、対向する固定板との容量変化としてとらえ、電気信号に変換して出力する容量素子である。しかし容量素子は、振動板と固定板との間隙の空気の流動によって生じる音響抵抗のために、信号雑音比の改善が限界になりつつある。そこで、圧電材料からなる薄膜(圧電膜)で構成される単一の振動板の歪みにより音響圧力等を電圧変化として取り出すことができる圧電素子が注目されている。 Many of these types of MEMS elements are capacitive elements that detect the displacement of a diaphragm caused by acoustic pressure, etc., as a change in capacitance with the opposing fixed plate, and convert it into an electrical signal for output. However, capacitive elements are reaching their limit in improving the signal-to-noise ratio due to acoustic resistance caused by the flow of air in the gap between the diaphragm and the fixed plate. As a result, attention is being paid to piezoelectric elements that can extract acoustic pressure, etc. as a voltage change from the distortion of a single diaphragm made of a thin film (piezoelectric film) made of piezoelectric material.
従来の圧電素子は、圧電膜に図11に示すような所望の形状のスリット1を形成して片持ち梁構造の振動板2を形成している。図11(a)では四角形の2枚の振動板2が、図11(b)では三角形の4枚の振動板2がそれぞれ形成されている。この種の圧電素子は、例えば特許文献1に開示されている。
In conventional piezoelectric elements,
図12は圧電素子の断面図である。図12に示すようにシリコン基板からなる支持基板3上に絶縁膜4を介して多層構造の圧電膜5a、5bが支持固定され、圧電膜5aは電極6aと電極6bにより、圧電膜5bは電極6bと電極6cによりそれぞれ挟み込まれた構造となっている。支持基板3にはキャビティ7が形成されており、スリット1により区画された圧電膜および電極は、一端が支持基板3に固定され、他端が開放端となる振動板2を構成している。
Figure 12 is a cross-sectional view of a piezoelectric element. As shown in Figure 12, multi-layered
このような圧電素子では、振動板2が音響圧力等を受けると圧電膜5aが歪み、その内部に分極が起こり、電極6aに接続する配線金属8aと、電極6bに接続する配線金属8bから電圧信号を取り出すことが可能となる。同様に圧電膜5bが歪むとその内部に分極が起こり、電極6cに接続する配線金属8aと、電極6bに接続する配線金属8bから電圧信号を取り出すことが可能となる。
In such a piezoelectric element, when the
ところで、このような片持ち梁構造の圧電膜5a、5bは、スリット1を形成することで残留応力が解放されて反りが生じ、スリット1の開口幅が広がってしまう。スリット1の開口幅が設計値以上となった圧電素子をマイクロフォンとして使用すると、音響抵抗が低下し、低周波領域の感度低下等の特性劣化を招いてしまう。
However, when the
そこで、本願出願人は図13に示すように圧電膜5b上に薄膜9を積層形成した圧電素子を提案した(特許文献2)。
Therefore, the applicant proposed a piezoelectric element in which a
本願出願人が先に提案した圧電素子は、薄膜9を備える構造とすることで圧電膜の残留応力に起因するスリット1の開口幅の広がりを抑制することができ、それに伴う特性劣化も抑制することができる。しかしながらその製造工程において、スリット1を形成した後、そのスリット1に連通するように薄膜9に開口部を形成するため、製造工程のばらつき(位置合わせのずれ等)を考慮し、薄膜9の開口幅をスリット1の開口幅より広く形成する必要があった。そのため薄膜9は振動板の弾性係数を大きくすることにより振動板の変形を抑制するという効果は得られるものの、薄膜9を形成しても振動板の変形が完全に抑えられない場合には、スリット1の開口幅が設計値以上となってしまい、圧電素子をマイクロフォンとして使用した場合、音響抵抗を低下させ、低周波領域の感度低下等の特性劣化を抑制することができなかった。本発明はこのような課題を解決し、圧電膜の残留応力の影響を抑制するとともに、特性劣化を抑制することができる圧電素子の製造方法を提供することを目的とする。
The piezoelectric element previously proposed by the applicant of the present application can suppress the widening of the opening width of the
上記目的を達成するため、本願請求項1に係る発明は、スリットにより分離された振動板と、前記スリットに沿い前記振動板上に積層した被覆膜とを備えた圧電素子の製造方法において、前記振動板を構成する圧電膜と該圧電膜を挟んで配置される一対の電極とを積層した支持基板を用意する工程と、前記圧電膜に前記スリットを形成する工程と、前記圧電膜上に、前記被覆膜を形成する工程と、前記支持基板の一部を除去してキャビティを形成し、前記振動板を形成する工程と、該キャビティ内に露出する前記振動板をマスク膜として使用し、前記被覆膜の一部を除去して前記スリットに連続する開口部を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to
本願請求項2に係る発明は、請求項1記載の圧電素子の製造方法において、前記被覆膜としてポジ型の感光性膜を形成し、前記振動板を露光マスク膜として使用し前記被覆膜を露光し、現像することで、前記被覆膜の一部を除去して前記開口部を形成することを特徴とする。
The invention according to
本願請求項3に係る発明は、請求項1記載の圧電素子の製造方法において、前記振動板をエッチングマスク膜として使用し前記被覆膜をドライエッチングすることで、前記被覆膜の一部を除去して前記開口部を形成することを特徴とする。
The invention according to
本発明の圧電素子の製造方法は、キャビティ内に露出する振動板をマスク膜として使用し被覆膜の一部を除去することで、スリットに沿った開口部を自己整合的に形成することができる。特に、振動板を露光マスクとして使用し、あるいはドライエッチングマスクとして使用して被覆膜の一部を除去することで開口部を形成する方法は、制御性がよく、簡便に圧電素子を形成することができる。 The method for manufacturing a piezoelectric element of the present invention can form an opening along the slit in a self-aligned manner by using the vibration plate exposed in the cavity as a mask film and removing a portion of the coating film. In particular, the method of forming an opening by using the vibration plate as an exposure mask or as a dry etching mask and removing a portion of the coating film has good controllability and can easily form a piezoelectric element.
また被覆膜をポジ型の感光性膜で形成すると、被覆膜のパターニングと開口部の形成を一回の現像工程で同時に行うことができ、簡便な方法となる。被覆膜をドライエッチング除去する場合も、圧電膜上の被覆膜形成予定領域以外のポジ型あるいはネガ型の感光性膜を露光、現像することで除去することができ、容易に被覆膜をパターニングすることができ好ましい。 Furthermore, if the coating film is formed from a positive photosensitive film, the patterning of the coating film and the formation of the openings can be performed simultaneously in a single development step, making this a simple method. When the coating film is removed by dry etching, it can also be removed by exposing and developing the positive or negative photosensitive film in areas other than the area on the piezoelectric film where the coating film is to be formed, which is preferable as it allows the coating film to be easily patterned.
本発明の圧電素子の製造方法では、キャビティを形成するため厚い支持基板をエッチングする必要があるが、圧電膜等の表面前面を被覆膜で覆った状態でエッチングすると、圧電膜にクラック等が発生することを防止できるという利点もある。この際、被覆膜としてポリイミド前駆体を含む樹脂膜を使用すると、耐熱性に優れ、その後の被覆膜のパターニングや開口部の形成を支障なく行うことができ好ましい。 In the method for manufacturing a piezoelectric element of the present invention, it is necessary to etch a thick support substrate to form a cavity. However, if the entire surface of the piezoelectric film or the like is covered with a coating film while etching, there is an advantage in that the occurrence of cracks in the piezoelectric film can be prevented. In this case, it is preferable to use a resin film containing a polyimide precursor as the coating film, as this has excellent heat resistance and allows subsequent patterning of the coating film and the formation of openings to be performed without any problems.
またポリイミド前駆体を含む樹脂膜により数μm程度の開口幅を形成する製造方法は、通常の電子機器の製造工程で広く採用されており、制御性の良い、簡便な方法である。 In addition, the manufacturing method of forming an opening width of about several micrometers using a resin film containing a polyimide precursor is widely used in the manufacturing process of ordinary electronic devices, and is a simple method with good controllability.
本発明の製造方法により形成した圧電素子を音響トランスデューサとして使用した場合、残留応力による悪影響を緩和し、音響抵抗を高く維持することができるため、低周波領域の感度低下や信号雑音比の低減を抑制することが可能となる。 When a piezoelectric element formed by the manufacturing method of the present invention is used as an acoustic transducer, the adverse effects of residual stress can be mitigated and high acoustic resistance can be maintained, making it possible to suppress a decrease in sensitivity in the low-frequency range and a decrease in the signal-to-noise ratio.
本発明に係る圧電素子の製造方法は、キャビティ内に露出する振動板をマスク膜として使用し、振動板のスリットに沿った開口部を有する被覆膜を形成する製造方法である。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。 The method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention uses the diaphragm exposed in the cavity as a mask film to form a coating film having openings aligned with the slits in the diaphragm. Below, an embodiment of the present invention will be described in detail.
本発明の第1の実施例について説明する。本発明の圧電素子は、図11に示すような所望の形状のスリット1を形成した片持ち梁構造の振動板を備えた圧電素子の製造方法となる。
The first embodiment of the present invention will be described. The piezoelectric element of the present invention is a method for manufacturing a piezoelectric element having a vibration plate with a cantilever structure in which a
シリコン基板からなる支持基板3上に、絶縁膜4を介して多層構造の圧電膜5a、5bと、圧電膜5aを挟み込むように電極6aと電極6b、圧電膜5bを挟み込むように電極6bと電極6cを積層形成する。圧電膜5a、5bには、所望の形状のスリット1を形成する。後述するように支持基板3にキャビティが形成されると、スリット1により区画される圧電膜と電極は、一端が支持基板3に固定され、他端が開放端となる振動板2を構成する。それぞれの振動板2の電極6aと電極6cを接続するように配線金属8aを形成し、電極6bを接続するように配線金属8bを形成する(図1)。
On a
全面にポリイミド前駆体を含む感光性樹脂からなる被覆膜10を塗布する。被覆膜10はスリット1内にも充填される。プリベーク等の熱処理を行った後、被覆膜10のパターニングのため露光する。ここで使用する被覆膜10はポジ型を使用し、スリット1の開口部に沿って残す被覆膜形成予定領域以外の領域(除去する領域)に所望の波長の光を照射して露光領域10aとする。被覆膜形成予定領域は未露光領域10bとなる(図2)。
A
その後、支持基板3をドライエッチング法により除去し、その後、絶縁膜4をウエットエッチング法により除去して、スリット1に充填された被覆膜10を露出するキャビティ7を形成する(図3)。図3に示すように、キャビティ7内には、振動板2となる圧電膜5aおよび電極6aと、スリット1内に被覆膜10の未露光領域10bの一部が露出した状態となる。ここで被覆膜10のパターニングを行わず、厚い支持基板3のエッチングや絶縁膜4のエッチングを行うと、被覆膜10が表面保護膜となり好ましい。
Then, the
次に振動板2を露光マスク膜として使用して被覆膜10の未露光領域10bをキャビティ7側から露光する。その結果、未露光領域10bが露光され、露光領域10aとなる(図4)。
Next, the
その後、被覆膜10の露光領域10aを現像処理により除去する。必要な加熱処理を加えることで、ポリイミド前駆体がイミド化し、ポリイミドからなる被覆膜10が形成される。加熱処理を行う場合は、被覆膜10の開口部11が大きく広がらない温度範囲に設定するのが好ましい。
The exposed
図5は、完成した圧電素子の断面図である。図6は、スリット1と被覆膜10の位置関係を説明する図である。図6(a)に示す例では、対向する2枚の振動板2間のスリット1に沿って被覆膜10を配置している。この場合、図面左右方向に延出するスリット1に被覆膜10を形成していないが、これは振動板2の残留応力が開放され振動板2が変形した場合であっても、このスリットの開口幅が大きく変わることがないからである。当然ながら、被覆膜10を形成してもよい。図6(b)に示す例では、対向する4枚の振動板2のスリット1に沿って被覆膜10を配置している。この場合、振動板2の反りは三角形の振動板2の頂点付近が最も大きく、底辺付近は小さくなるため、反りの大きい振動板2上のみに被覆膜10を形成している。
Figure 5 is a cross-sectional view of a completed piezoelectric element. Figure 6 is a diagram explaining the positional relationship between the
このように被覆膜10を備える構成とすると、振動板2がキャビティ7と逆側に反った場合、スリット1の開口幅が広がるものの、スリット1から連続する被覆膜10の開口部11の音響抵抗等は被覆膜10がない場合より大きくなり、特性劣化を抑える効果が大きくなる。
In this configuration with the
被覆膜10の開口部11の断面形状は、露光条件あるいはさらに現像条件を適宜調整することで変更することが可能である。具体的には、開口部11の開口幅をスリット1の開口幅と等しくしたり、開口部11の開口幅をスリット1の開口幅より狭くすることもできる。後者の場合、開口部11の音響抵抗等が大きくなり、特性劣化を抑える効果が大きくなることが期待される。
The cross-sectional shape of the
一方、振動板2がキャビティ7側に反った場合、スリット1の開口幅が広がるものの、被覆膜10の開口幅が狭くなるため、特性劣化を抑えることができる。
On the other hand, if the
次に第2の実施例について説明する。上記第1の実施例では、ポジ型のポリイミド前駆体を含む感光性樹脂からなる被覆膜10を用いる場合について説明したが、ネガ型のポリイミド前駆体を含む感光性樹脂からなる被覆膜10Aを用いることも可能である。その場合、被覆膜10Aの開口部11を形成する方法が相違する。
Next, a second embodiment will be described. In the above first embodiment, the case where a
まず実施例1同様、シリコン基板からなる支持基板3上に、絶縁膜4を介して多層構造の圧電膜5a、5bと、圧電膜5aを挟み込むように電極6aと電極6b、圧電膜5bを挟み込むように電極6bと電極6cを積層形成する。圧電膜5a、5bには、所望の形状のスリット1を形成する。スリット1により区画されたそれぞれの振動板2の電極6aと電極6cを接続するように配線金属8aを形成し、電極6bを接続するように配線金属8bを形成する(図1)。
First, as in Example 1, a multi-layered
全面にネガ型のポリイミド前駆体を含む感光性樹脂からなる被覆膜10Aを塗布する。被覆膜10Aはスリット1内にも充填される。プリベーク等の熱処理を行った後、被覆膜10Aのパターニングのため露光する。ここで使用する被覆膜10Aはネガ型を使用し、スリット1の開口部に沿って残す被覆膜形成予定領域に所望の波長の光を照射して露光領域10aとする。被覆膜形成予定領域以外の領域(除去する領域)は未露光領域10bとなる(図7)。
A
その後、支持基板3をドライエッチング法により除去し、その後、絶縁膜4をウエットエッチング法により除去して、スリット1に充填された被覆膜10Aを露出するキャビティ7を形成する(図8)。図8に示すように、キャビティ7内には、振動板2となる圧電膜5aおよび電極6aと、スリット1内に被覆膜10Aの露光領域10aの一部が露出した状態となる。
Then, the
次に振動板2をエッチングマスク膜として使用して被覆膜10Aの露光領域10aの一部をキャビティ7側からドライエッチングし、開口部11を形成する(図9)。被覆膜10Aの開口部11の断面形状は、エッチング条件を適宜調整することで変更することが可能となる。具体的には、開口部11の開口幅をスリット1の開口幅と等しくしたり、開口部11の開口幅をスリット1の開口幅より狭くすることもできる。
Next, using the
その後、被覆膜10Aの未露光領域10bを現像処理により除去する。必要な加熱処理を加えることで、ポリイミド前駆体がイミド化し、ポリイミドからなる被覆膜10Aが形成される。この加熱処理は、被覆膜10Aの開口部11が大きく広がらない温度範囲に設定するのが好ましい。
Then, the
本実施例においても、上記第1の実施例同様、図5に示す構造の圧電素子と同様の圧電素子を完成させることができる。スリット1と被覆膜10Aの位置関係も図6に示すように配置することが可能である。
In this embodiment, as in the first embodiment, a piezoelectric element similar to the piezoelectric element having the structure shown in FIG. 5 can be completed. The positional relationship between the
次に第3の実施例について説明する。上記第2の実施例では、被覆膜10Aの開口部11を形成する際、振動板2をエッチングマスク膜として使用する場合について説明したが、上記第1の実施例において、振動板2をエッチングマスク膜として使用することも可能である。即ち、上記第2の実施例ではネガ型のポリイミド前駆体を含む感光性樹脂からなる被覆膜10Aを用いる場合について説明したが、ポジ型のポリイミド前駆体を含む感光性樹脂からなる被覆膜10を用いることも可能である。
Next, a third embodiment will be described. In the above second embodiment, the case where the
この場合上記第1の実施例において、図4に示す振動板2を露光マスク膜として使用する代わりに、エッチングマスク膜とすれば良い。
In this case, instead of using the
まず実施例1同様、シリコン基板からなる支持基板3上に、絶縁膜4を介して多層構造の圧電膜5a、5bと、圧電膜5aを挟み込むように電極6aと電極6b、圧電膜5bを挟み込むように電極6bと電極6cを積層形成する。圧電膜5a、5bには、所望の形状のスリット1を形成する。スリット1により区画されたそれぞれの振動板2の電極6aと電極6cを接続するように配線金属8aを形成し、電極6bを接続するように配線金属8bを形成する(図1)。
First, as in Example 1, a multi-layered
全面にポリイミド前駆体を含む感光性樹脂からなる被覆膜10を塗布する。被覆膜10はスリット1内にも充填される。プリベーク等の熱処理を行った後、被覆膜10のパターニングのため露光する。ここで使用する被覆膜10はポジ型を使用し、スリット1の開口部に沿って残す被覆膜形成予定領域以外の領域(除去する領域)に所望の波長の光を照射して露光領域10aとする。また被覆膜形成予定領域は未露光領域10bとなる(図2)。
A
その後、支持基板3をドライエッチング法により除去し、その後、絶縁膜4をウエットエッチング法により除去して、スリット1に充填された被覆膜10を露出するキャビティ7を形成する(図3)。図3に示すように、キャビティ7内には、振動板2となる圧電膜5aおよび電極6aと、スリット1内に被覆膜10の未露光領域10bの一部が露出した状態となる。
Then, the
次に振動板2をエッチングマスク膜として使用して被覆膜10の未露光領域10bの一部をキャビティ7側からドライエッチングし、開口部11を形成する(図10)。被覆膜10の開口部11の断面形状は、エッチング条件を適宜調整することで変更することが可能である。具体的には、開口部11の開口幅をスリット1の開口幅と等しくしたり、開口部11の開口幅をスリット1の開口幅より狭くすることもできる。
Next, using the
その後、被覆膜10の露光領域10aを現像処理により除去する。必要な加熱処理を加えることで、ポリイミド前駆体がイミド化し、ポリイミドからなる被覆膜10が形成される。この加熱処理は、被覆膜10の開口部11が大きく広がらない温度範囲に設定するのが好ましい。
The exposed
本実施例においても、上記第1の実施例同様、図5に示す構造の圧電素子を完成させることができる。スリット1と被覆膜10の位置関係も図6に示すように配置することが可能である。
In this embodiment, as in the first embodiment, a piezoelectric element having the structure shown in FIG. 5 can be completed. The positional relationship between the
以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、上記実施例では被覆膜10、10Aを感光性のポリイミド膜で形成する場合について説明したが、振動板2をエッチングマスクとして開口部11を形成することが可能で、振動板2上で所望の形状にパターニング可能であれば、非感光性膜であっても良いし、ポリイミド膜以外の有機膜あるいは無機膜であっても問題ない。また、被覆膜10、10Aをスリット1の延出方向に沿った細い幅で形成する場合について説明したが、被覆膜10、10Aの面積を広くし配置する位置を調整することで圧電膜の変形を制御することもでき、特性の優れた圧電素子を形成することが可能となる。また、被覆膜10を複数個に分割して配置することも可能である。さらに多層構造の圧電膜に限るものでもない。
Although the embodiment of the present invention has been described above, it goes without saying that the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the
また、上記実施例では被覆膜10、10Aを保護膜として使用するため、開口部11を形成した後、被覆膜10、10Aのパターニングを行う例について説明したが、実施例2あるいは実施例3においては、被覆膜10、10Aを露光し、現像した後、キャビティ7の形成、開口部11の形成を行うことが可能である。あるいは、実施例1において開口部を形成するための露光の後に、実施例2および実施例3においては開口部11を形成した後に、被覆膜10、10Aをパターニングするための露光、現像を行うことも可能である。
In the above embodiment, the coating
さらにまた、スリット1を形成する工程は、キャビティ7を形成した後、圧電膜5a、5bの一部を除去してスリット1を形成しても良い。この場合、被覆膜10、10Aの形成はスリットのない圧電膜5b等上に行うことになる。
Furthermore, the process of forming the
1: スリット、2:振動板、3:支持基板、4:絶縁膜、5a、5b:圧電膜、6a、6b、6c:電極、7:キャビティ、8a、8b:配線金属、9:薄膜、10、10A:被覆膜、10a:露光領域、10b:未露光領域、11:開口部 1: Slit, 2: Vibration plate, 3: Support substrate, 4: Insulating film, 5a, 5b: Piezoelectric film, 6a, 6b, 6c: Electrode, 7: Cavity, 8a, 8b: Wiring metal, 9: Thin film, 10, 10A: Coating film, 10a: Exposed area, 10b: Unexposed area, 11: Opening
Claims (3)
前記振動板を構成する圧電膜と該圧電膜を挟んで配置される一対の電極とを積層した支持基板を用意する工程と、
前記圧電膜に前記スリットを形成する工程と、
前記圧電膜上に、前記被覆膜を形成する工程と、
前記支持基板の一部を除去してキャビティを形成し、前記振動板を形成する工程と、
該キャビティ内に露出する前記振動板をマスク膜として使用し、前記被覆膜の一部を除去して前記スリットに連続する開口部を形成する工程と、を含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。 A method for manufacturing a piezoelectric element having a vibration plate separated by slits and a coating film laminated on the vibration plate along the slits, comprising the steps of:
preparing a support substrate on which a piezoelectric film constituting the diaphragm and a pair of electrodes arranged to sandwich the piezoelectric film are laminated;
forming the slits in the piezoelectric film;
forming the covering film on the piezoelectric film;
removing a portion of the support substrate to form a cavity and form the diaphragm;
and a step of using the vibration plate exposed in the cavity as a mask film and removing a portion of the coating film to form an opening continuous with the slit.
前記被覆膜としてポジ型の感光性膜を形成し、
前記振動板を露光マスク膜として使用し前記被覆膜を露光し、現像することで、前記被覆膜の一部を除去して前記開口部を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。 2. The method for producing a piezoelectric element according to claim 1,
forming a positive photosensitive film as the coating film;
A method for manufacturing a piezoelectric element, comprising the steps of: exposing the coating film using the vibration plate as an exposure mask; and developing the coating film to remove a portion of the coating film to form the opening.
前記振動板をエッチングマスク膜として使用し前記被覆膜をドライエッチングすることで、前記被覆膜の一部を除去して前記開口部を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。 2. The method for producing a piezoelectric element according to claim 1,
A method for manufacturing a piezoelectric element, comprising the steps of: dry-etching the coating film using the vibration plate as an etching mask film, thereby removing a portion of the coating film to form the opening portion.
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