JPH04501829A - エクシマーレーザ融除方法およびマイクロ回路製造用装置 - Google Patents
エクシマーレーザ融除方法およびマイクロ回路製造用装置Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
エフシマーレーザ融除方法およびマイクロ回路製造用装置本発明は一般に材料の
エフシマーレーザ融除、特に電子マイクロ回路製造等のための装置を形成し、パ
ターンを印刷するためにエフシマーレーザ融除を使用する方法および装置に関す
る。
関連技術の説明
メサおよびマイクロレンズのような装置構造およびパターンは、通常湿式化学エ
ツチングと組合せられたフォトリソグラフィによってカドミウムテルル(CdT
e)のような半導体材料の表面に形成される。このようなエツチングを行うため
に使用される典型的な溶液は臭素/エチレングリコールである。多数の別のエツ
チング溶液はP 、 G augash氏他による文献(“Etching o
f Cadmiua+ Te1luride” 、J、Electrochem
、 Soc、、5OLID−8TATE 5CIENCE AND TECHN
OLOGY、 vol。
12g 、 no、4.1981年4月、924乃至926頁)において論じら
れている。
半導体処理のための湿式化学剤エツチングの欠点には大量の有害廃棄物の発生が
含まれている。別の問題は溶媒の不純物による表面汚染を含み、処理制御の欠乏
は結果的として例えばエツチング処理された表面のアンダーカット、面組成の望
ましくない変化およびエツチング速度への結晶学依存性を生じさせる。
一般に、マイクロ回路装置のパターン形成のためにフォトリソグラフィおよび湿
式化学処理を使用することにより、半導体材料面はそれぞれが表面の電気特性お
よび、または化学組成を変化させる可能性を有する多数の化学処理にさらされる
。
紫外線環境におけるCdTeの表面加工用のダイレーザ照射の使用はV、モンゴ
メリイ氏他による文献(“CHARACTERl5TIC8PREPARED
BY PULSED LASERIRRADIATION”、 Thi材として
広く使用されている臭素メタノールによる処理にさらされたCdTe面が炭素お
よび酸素により著しく汚染されることを報告した。100a+J /ca+2を
越える比較的高いフルエンス量(fluence )のレーザビームによる照射
は結果的に無視できるようなレベルに酸素含有量を減少させた。しかしながら、
炭素含有量は40001J /cm2の高いフルエンス量でも過剰の状態であっ
た。また、ダイレーザによる照射は最低フルエンス量条件下を除いてテルル濃度
の高い面を生成した。
モンゴメリイ氏は、GaAs面上の炭素を減少するように構成された別のリンス
工程と通常のリンスを置換することによってこれらの悪影響をどのように最小に
するかを教えている。表面汚染はその下のCdTe面の破壊は比較的低い状態で
除去されるが、200乃至250filj/Cll12のフルエンス量レベルが
要求され、これはほぼ3flIImにビーム直径を実効的に制限した。
紫外線波長(例えば308 、248 、193 、157ni )で動作する
エフシマーレーザはポリマーおよび生物学的材料のエツチングに有効に使用され
ている。典型的な例はJ 、B rannon氏による論文(J、 Appl、
Phys、、58(5)、 I 5tep、1985 、2036乃至2043
頁)に見られる。ストリップ導波体に平面導波体を変換するためにエフシマーレ
ーザを使用するHgCdTeのエツチングはA 、 A zeae氏他による論
文(SPIE vol、998. Exclmer Beam Applica
tions 19g872乃至75頁)で報告されている。MCT材料のエツチ
ングは行われたが、照明された領域の中心部分は材料面領域を動作電子装置の製
造に利用できなくする水銀粒の形成を含む大きな損傷を呈した。
発明の要約
本発明は材料のエフシマーレーザ融除のための方法および装置を提供し、特に電
子マイクロ回路装置の製造に適している。この方法は、低いフルエンス量のパル
ス化されたエフシマーレーザ照射を使用して1パルス当り10オングストローム
を越える速度でCdTe、HgCdTeおよびCdZnTeのような半導体材料
の表層除去が可能である。表面組成の再生産可能な制御および可逆変化はレーザ
フルエンス量の関数として得ることができる。この方法はGaAs基体からCd
Te族のエピタキシャル層を除去するための高度に材料選択性を有することを証
明し、それによって集積された電子・光マイクロ回路構造の製造を容易にする。
本発明はさらに赤外線およびその他の装置のための半導体表面の階段状組成に適
用可能である。
この方法はエピタキシャル付着のための半導体処理、並びに装置製造のための表
面のパターン化およびエツチングを可能にする。この方法は近い表面領域から不
純物を除去するように表面の化学量論的比率を再生可能に制御し、表面組成を可
逆的に変化することを明示する。
本発明はまた焦点平面アレイおよびその他の赤外線装置のような新型の電子およ
び電子・光構造の製造のために非接触投射画像を使用して直接的な表面パターン
化を可能にする。
本発明は、フォトリソグラフィを使用せずにマイクロ構造が垂直側壁(大きいア
スペクト比)または連続した側壁(正または負の湾曲)のいずれかで製造される
ことができるようにエフシマーレーザ投射画像、強度プロフィール制御および融
除を組合せる。この方法は単一ステップで表面層を除去し、0.5ミクロンより
小さい分解能で多数の装置構造を同時に限定する。
本発明によると、エフシマーレーザからのパルスビームは電子マイクロ回路構造
において装置を製造してパターン限定をするためにカドミウムテルル(CdTe
)その他の材料の正確な蝕刻のために使用される。ビームのフルエンス量は他方
の成分より高い率でカドミウム対テルルのような材料のある成分を選択的に除去
し、一方で材料面の品質を維持するように調節されることができる。ビームはG
aAs基体からCdTe、CdZnTeまたはHgCdTeのエピタキシャル層
を選択的に除去することができる。ビームはパターン化された融除のための画像
を形成するために材料上の投射マスクおよび光学系を通して導かれてもよい。光
学系は垂直側壁パターンを形成するように材料上にマスクの画像を集束するか、
或は湾曲した側壁パターンおよび、または光学アレイ用の凹および凸レンズ構造
を形成するように画像の焦点を少し発散させる。
本発明のこれらおよびその他の特徴および利点は以下の詳細な説明および添付の
図面から当業者に明らかになるであろう。なお、同一の参照符号が同一素子を示
す。
図面の簡単な説明
図1は本発明を使用するレーザ融除方法を実行するための装置を示した図である
。
図2は本発明の方法によって融除された材料を示した断面図である。
図3はこの方法に対してレーザフルエンス量の関数としてカドミウムテルルに対
する材料融除率を示したグラフである。
図4はこの融除方法により得ることができるカドミウムテルルの表面組成制御を
示したグラフである。
図5はこの方法により得られたカドミウムテルルに適用されたレーザパルスの関
数として表面組成を示したグラフである。
図6は本発明を使用する修正されたレーザ融除方法を行なう装置を示した図であ
る。
図7は、図6の装置により集束された投射画像を使用してパターン化された融除
を示した図である。
図8は図6の装置により焦点のぼかされた投射画像を使用するパターン化された
融除を示す図である。
図9a乃至図9Cは本発明の発散投射方法を使用する凹および凸レンズ形状の形
成を示す図である。
発明の詳細な説明
図面の図1を参照すると、本発明を使用するレーザ融除装置は全体的にlOとし
て示され、典型的にKrFまたはArFタイプのエフシマーレーザ12を含んで
いる。エフシマーレーザ12は、はぼ157nmまたは351n+l1間の紫外
線領域であるように選択される波長を有するコヒーレントな光ビーム14を発生
する。レーザ融除によってパターン化される材料1Bは材料1Bの表面がレーザ
ビーム14に垂直であることが好ましいようにホルダ18上に設けられている。
手動であるか、或はモータ化されてもよい機構20は所望のパターンでレーザビ
ーム14に垂直な平面において矢印22によって示されるようにホルダ18、お
よびそれによって材料16を直交方向に移動するように設けられる。しかしなが
ら、本発明は平らな表面の融除に限定されず、材料16は所望に応じて任意の非
平面形状を有してもよいことに留意すべきである。さらに、機構20は平行な方
向にまたはレーザビーム14に対するある角度で材料を移動するように適合され
る。
図2は本発明にしたがってレーザビーム14によって融除される材料16を示す
。材料1Bは■−V族材料のヒ化ガリウム(GaAs)のような材料の層IBb
の形態の第2の成分上に付着される、If−Vl族材料のカドミウムテルル(C
dTe)のような材料のエピタキシャル層leaの形態で第1の成分を含んでい
ることが好ましい。層18bは基体であってもよい。
層leaは成分CdおよびTeの他に水銀または亜鉛のような第3の成分を含ん
でもよい。GaAs上のCdTeの組合せは特に高速用の光・電子適用に望まし
い。
予め定められたパターンにおける相対的な運動は、対応した所望のパターンがエ
ツチングされ、図2に見られるような層leaの上面に融除されるように材料1
Bとレーザビーム14の間において行われる。材料16は予め定められた期間を
有するパルス形態のビーム14により照射される。与えられたパルスの期間およ
び数が大きくなると、それだけ多量の材料が除去される。図2に示されたように
、CdTe層legは18cで示された選択された領域においてGaAs層18
bまで除去される。さらに、本発明の技術的範囲内において層18aの外面部分
だけがladで示された選択領域において所望の正確に制御可能な深さに除去さ
れる。
本発明によると材料の融除は、主にレーザビーム14からの光子の吸収によって
発生させられる照射された材料の局部化された加熱のために生じる。各パルスは
インクレメント量だけ照射された領域中の材料の温度を上昇させる。十分なフル
エンス量の十分な数のパルスによる照射は材料が昇華する点より上に温度を上昇
させる。これが発生したとき、照射された領域中の材料は蒸発し、周囲の環境に
消散する。本発明によるエフシマーレーザ融除用の主機構は熱的なものであるが
、その他の機構は融除を行うために作用する可能性もある。エフシマーレーザ融
除は過渡的な気化、電子励起、流体力学効果、剥離等によって発生させられると
多様に説明されている。
融除処理は大気圧で行われることができ、照射された材料が真空中に維持された
場合に最も効果的である。はぼto−’ トルの圧力で満足できる結果が実験的
に示されている。
熱融除処理は、バンドギャップ放射線を上まわる特定のエネルギの入射光子が高
エネルギ状態に電子の励起を生じさせるように材料の質量レベルとレーザビーム
波長の整合の依存する。CdTeにおけるバンドギャップは0.l5eV乃至1
.5eVである。5eVの出力エネルギを生成することができる通常のエフシマ
ーレーザは、この材料で本発明の方法を実行するのに適した波長および十分なパ
ワーを有している。
さらに、レーザビームのフルエンス量、すなわち単位面積当りのエネルギは発生
する融除に対する材料の融除流しきい値より上でなければならない。しきい値は
各材料に対して異なっている。図3に示されるように、KrFレーザビーム(2
48nm )による照射のCdTeに対する融除流しきい値はほぼ15IIIJ
/Cm2である。この値より上において、材料が熱導入された融除によって除去
される速度はフルエンス量の関数として非直線的に増加する。この方法は、1パ
ルス当り10オングストロームを終える速度でパルスエフシマーレーザを使用し
てカドミウムテルル面を融除することができる。
GaAsに対する融除流しきい値は100a+J /co+2程度である。した
がって、15乃至10hJ /cm2の間のフルエンス量を有するレーザビーム
による図2に示されるような材料16の照射は下にあるGaAs基体層18bに
大きい影響を与えずにIBCで示されたようなCdTeエピタキシャル層16a
の厚さ全体の選択的な除去を可能にする。
本発明の重要な特徴によると、組成層leaの構成成分CdおよびTeを異なる
速度で除去し、下にある面の品質を維持し、下にある面の相対的な成分組成また
は化学量論的比率を制御することが可能である。これは、各成分が材料から融除
される速度が照射流の関数として変動し、さらにその関数が等しくないためであ
る。図4に示されるように、融除後に残っている材料1Bの表面におけるCd/
Te比または成分比はレーザビーム流の関数として描かれている。はぼ32o+
J/c+e2のフルエンス量で等量のカドミウムおよびテルルが材料から融除さ
れることが認められる。フルエンス量が32a+J/ea+2より上に高められ
ると、カドミウムの融除速度はテルルに対する融除速度より速く増加し、結果的
にテルルより除去されるカドミウムが多くなり、融除後の材料中に残るテルルが
多くなる。フルエンス量が32mJ/co+2より下に減少するとき逆の効果が
生じる。CdTeに対するレーザビーム流の変動に関する実際の範囲は、カドミ
ウム濃度の高い面に対する25sJ/ca12とテルル濃度の高い面に対する4
5a+J/Cm2との間である。
図4は2つの成分材料(CdTe)に対する表面組成制御を示しているが、本発
明の方法はHgCdTeまたはCdZnTeのような3つ以上の成分材料に対し
て等しく適用される。
表面の化学量論的比率はさらに材料に与えられるレーザパルスの期間および数に
依存している。図5は、変化するレーザビーム流下でKrFで照射されたCdT
e(100)サンプルのA uger氏の解析によって得られた実験データを示
す。レーザは、248niの波長で動作し、30nsの期間を持つパルスを発生
するエフシマーKrF装置であった。融除後サンプルの表面におけるC d /
T e比率は、適用されたパルスの数が増加されると減少され、一般に10個
のパルスの適用後にほぼ平らにされたことが認められるであろう。実験結果は、
除去された材料の量および表面の化学量論的比率がレーザビーム流、パルス期間
および適用されるパルス数の関数であることを示す。除去された(または残って
いる)成分の相対比は、1および整数の化学量論的比率を含む任意の実際値を有
するように選択されてもよい。
本発明による組成制御はさらに材料表面の階段状組成を可能にする。漸次階段的
に変化する組成を有する表面は、第1のフルエンス量を有するレーザビームで選
択された領域を照射し、隣接した領域が第2のフルエンス量で照射されるように
ビームに関して材料を除去することによって生成され、続いて適切に異なった組
成の所望数の隣接領域が生成されることができる。
本発明はさらに表面の化学量論的比率の可逆制御を可能にする。例えば、CdT
e材料16は比較的高いフルエンス量を使用する融除によってテルル濃度を高め
る。表面は比較的低いフルエンス量による後続的な融除によって等しい比率また
はカドミウムの濃度の高い部分に変化される。さらに、高いフルエンス量で速い
エツチングを行ない、続いて低いフルエンス量の遅い融除により所望の比に表面
化学量論的比率を調節することができる。
本発明のレーザ融除方法は投射マスクを使用するパターン化融除またはエツチン
グを行なうように適応される。図6に示されているように、レーザ除去装置30
は装置10において使用された同一ユニットであるエフシマーレーザ12を具備
している。レーザ12によって生成されたビーム14は静止したホルダ36に取
付けられた材料34に投射マスク32を通して導かれる。
ビーム14は材料16上にマスクの画像を形成するようにマスク32によってパ
ターン化される。光ビーム拡大器38はマスク32全体を照射するためにビーム
■4の断面領域を十分に増加するように設けられる。ビーム14の発散は、マス
ク32の画像が付加的な手段なしに材料34上に形成されるように十分に低く、
集束レンズ40のような光学素子は回折効果を最小にするためにマスク32と材
料34との間に設けられることが好ましい。レンズ40は、所望ならば画像を縮
小または拡大するように選択される。
材料34は1以上の構成成分を有することができる。装置30との適応性のため
の主要な要求は材料34がレーザビーム14の照射により蝕刻されることができ
ることである。
図7に示されているように、マスク32は領域32aおよび32bのパターンを
形成され、低い(透明)および高い(不透明)光学密度をそれぞれ有する。さら
に、示されてはいないが、本発明の技術的範囲内において中間的な光学密度の領
域が所望の中間階調度(グレースケール)に応じてマスク32に与えられる。典
型的に不透明な領域32bは透明なキャリアシート32c上の不透明物質を印刷
または塗装することによって形成される。
図7に示された構造において、レンズ40の焦点距離およびレンズ40、マスク
32および材料34の相対的な間隔はレンズ40が材料34上にマスク32の画
像の焦点を結ぶように選択される。
ビーム14のフルエンス量はマスク32の低密度または透明領域32aに対応し
た画像の領域におけるフルエンス量が材料34の融除フルエンス量しきい値より
上であるように選択される。
レーザビームフルエンス量は、さらにマスク32の高密度または不透明領域32
bに対応した画像の領域における材料34の融除フルエンス量しきい値より下で
あるように選択される。したがって、融除はマスク32の低密度領域32aを通
して伝送されたレーザビーム照射の高いフルエンス量のために材料34の領域3
4a中で発生し、−力木質的に融除はマスク32の高密度領域32bに対応した
低いフルエンス量領域34bにおいては生じない。
隣接した領域34aと34bとの間の壁は、装置30の高い分解能のために本質
的に直角または垂直に(高いアスペクト比で)形成される。157mnまたは3
51ni波長領域の放射線を使用するこの投射画像方法の分解能の能力は0.5
ミクロンより低いことが実験的に決定されている。これは、装置パターン形成に
対する要求分解能が10ミクロン程度であるCdTeおよびG a A sにお
ける赤外線光・電子装置の製造にその処理を直接適用可能にさせる。
図8は、装置30が傾斜または湾曲された側壁(低いアスペクト比)を有するパ
ターンを生成するためにどのように適用されるかを示す。これは、レンズ40が
所望の程度に焦点をぼかされるように材料34′上にマスク32の画像を投射す
るようにレンズ40の焦点距離、並びにレンズ40、マスク32および材料34
′の相対的な間隔を調節することによって行われる。
画像の焦点のぼかしは集束された装置におけるシャープな不連続領域とは反対に
、隣接した高低フルエンス量領域のエツジで連続したフルエンス量傾斜を発生す
る。フルエンス量傾斜は結果的にエツジ領域における融除の量を連続的に変化さ
せ、結果として画像の高いおよび低いフルエンス量領域にそれぞれ対応した傾斜
すなわち隣接した領域34a″と34b゛間の湾曲したエツジを生成する。湾曲
の程度は対応した値に対する画像の焦点のぼかしの程度を調節することによって
選択される。
本発明によるパターン化されたレーザ融除の焦点をぼかした投射方法は、特に基
体材料で光学レンズアレイを形成するのに有効である。図9aに示されているよ
うに、例示的な投射マスク50は不透明な領域50aおよび透明な領域50bを
有する。複数の円形透明領域50cは不透明な領域50a中に形成され、一方複
数の円形不透明領域50dは透明な領域50b中に形成される。領域50cおよ
び50dは、例えば焦点平面光学アレイを形成するために所望に応じて非常に小
さく、密接してバックされて形成されている。
図9bおよび図90はマスク50の焦点をぼかされた画像による融除にさらされ
る材料52を示す。材料52は、低いフルエンス量の照射を受けた、または照射
を全く受けていないマスク50の透明な領域50cに対応した画像領域を除いて
本質的に除去されなかったマスク50の不透明領域50aに対応した領域52a
を含む。透明領域50cにおける高いフルエンス量の照射は材料52の領域52
cにおいて融除部分を生成した。領域52cは凹形状を有し、これは光・電子ア
レイにおいて発散レンズとして利用できる。凹形状は領域52cの中心において
最大で、領域52cのエツジに向かってフルエンス量を連続的に減少するレーザ
ビームフルエンス量により形成される。
逆の結果は、マスク50の不透明領域50dに対応した画像領域を除いて高い融
除になる高いフルエンス量の照射を受けたマスク50の透明な領域50bに対応
した領域52bにおいて生成される。領域50dにおける低いフルエンス量は材
料52の領域52dにおける低い除去を生成した。領域52dは凸形状を有し、
これは光・電子アレイにおいて集束レンズとして利用できる。
凸形状は領域52dの中心で最小で、エツジ方向にフルエンス図9a乃至図9C
に示されたように形成されるレンズは円形であるが、本発明の技術的範囲内にお
いて細長い2次元またはその他の非円形光学面を形成することができる。
いくつかの実施例が図示され説明されているが、当業者は本発明の技術的範囲を
逸脱することなく種々の変形および別の実施例を認識するであろう。したがって
、本発明は詳細に説明された実施例だけに限定されるものではない。種々の修正
が考慮され、添付された請求の範囲によって限定された本発明の技術的範囲を逸
脱することなく実行されることが可能である。
国際調査報告
、Mk、A□ Its PCT/υs 90104899 ’
Claims (16)
- (1)(a)放射線照射量の関数としてそれぞれ不均一に変動する比率で予め定 められた波長のレーザビーム放射線による照射に応答して材料から融除される2 つの成分を含む固体材料を提供し、 (b)材料の融除フルエンス量しきい値より大きい予め定められたフルエンス量 の予め定められた波長のレーザビームにより材料を照射し、予め定められたフル エンス量は照射が互いに予め定められた比の速度で材料から成分を除去させるよ うに選択され、 (c)予め定められた相対運動に対応した予め定められたパターンが融除によっ て材料の選択された領域に形成されるようにレーザビームと材料との間において 予め定められた相対運動を行なわせるステップを含むレーザ融除方法。
- (2)ステップ(a)はさらに固体材料の成分より高い融除フルエンス重しきい 値を有する基体上に固体材料を形成し、ステップ(b)の予め定められたフルエ ンス量は基体の融除フルエンス重しきい値より低い請求項1記載の方法。
- (3)ステップ(b)の予め定められたフルエンス量は、予め定められた比率が 化学量論的比率であるように選択される請求項1記載の方法。
- (4)ステップ(a)は2つの各成分としてカドミウムおよびテルルを有する材 料を提供する請求項1乃至3のいずれか1項記載の方法。
- (5)融除フルエンス量しきい値はほぼ15mJ/cm2であり、ステップ(b )はほぼ157nmと351nmとの間の予め定められた波長を有するレーザビ ームにより選択された領域を照射し、予め定められたフルエンス量はほぼ25乃 至4mJ/cm2の範囲である請求項4記載の方法。
- (6)ステップ(a)はさらに水銀および亜鉛からなる群がら選択された第3の 成分を含む材料を提供する請求項5記載の方法。
- (7)材料の融除フルエンス量しきい値より大きい第2の予め定められたフルエ ンス量を有する予め定められた波長のレーザビームにより第1の選択された領域 に隣接している材料の第2の選択された領域を照射し、第2の予め定められたフ ルエンス量は照射が第1の予め定められた比率と異なっている互いに対して第2 の予め定められた比率の速度で成分を第2の選択された領域から融除させるよう に選択されている請求項1乃至6のいずれか1項記載の方法。
- (8)(a)高いおよび低い光学密度の領域を有する投射マスクを設け、 (b)マスクを通じて材料に予め定められたフルエンス量のレーザビームを指向 し、それによってマスクの画像で材料を照射し、材料がマスクの低い光学密度領 域に対応した領域における画像のフルエンス量より低い融除フルエンス重しきい 値を有するステップを含む請求項1乃至7のいずれか1項記載の方法。
- (9)ステップ(b)においてはさらに予め定められた程度に材料にマスクの画 像を焦点をぼかして投影するためにマスクと材料との間に光学手段を設ける請求 項8記載の方法。
- (10)ステップ(a)は円形領域を含むようにマスクの高い光学密度領域を設 け、 材料は円形の凸形状が画像の円形領域に対応した材料の領域上に形成されるよう にマスクの画像による照射によってステップ(b)において融除される請求項9 記載の方法。
- (11)ステップ(a)は円形領域を含むようにマスクの低い光学密度領域を設 け、 材料は円形の凹形状が画像の円形領域に対応した材料の領域中に形成されるよう にマスクの画像による照射によってステップ(b)において融除される請求項9 記載の方法。
- (12)レーザと、 高いおよび低い光学密度を有する投射マスクと、予め定められた融除フルエンス 量しきい値を有する材料と、予め定められたフルエンス量を有するビームをマス クを通して材料に指向し、それによってマスクの画像により材料を照射するよう に配置されたレーザであって、マスクの低い光学密度領域に対応した領域中の画 像のフルエンス量が材料の融除フルエンス量より高いレーザとを具備しているレ ーザ融除装置。
- (13)マスクと材料との間に設けられた光学手段を具備している請求項12記 載の装置。
- (14)予め定められた程度に材料にマスクの画像の焦点をぼかすようにマスク と材料との間に設けられた光学手段を具備している請求項12記載の装置。
- (15)マスクの高い光学密度領域は円形領域を含み、材料は円形凸形状が画像 の円形領域に対応した材料の領域上に形成されるようにマスクの画像による照射 によって融除される請求項14記載の装置。
- (16)マスクの低い光学密度領域は円形領域を含み、材料は円形凹形状が画像 の円形領域に対応した材料の領域中に形成されるようにマスクの画像による照射 によって融除される請求項14記載の装置。
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