JP2003173896A - 異常放電検出装置、異常放電検出方法、及び、プラズマ処理装置 - Google Patents
異常放電検出装置、異常放電検出方法、及び、プラズマ処理装置Info
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Abstract
び、プラズマ処理装置に関し、プラズマ処理装置におけ
るプラズマの異常放電をより簡便に、高速に、且つ、精
度良く検出する。 【解決手段】 プラズマを発生させるプラズマ処理装置
に取り付けた超音波センサ1と、超音波センサ1の超音
波検出出力を処理して異常放電を検知する処理手段とを
少なくとも備えたプラズマ処理装置の異常放電検出装置
の処理手段に、相対的に低周波数側の信号のみを透過す
る第1のフィルタ3と、相対的に高周波数側の信号のみ
を透過する第2のフィルタ4との少なくとも2つのフィ
ルタを設ける。
Description
異常放電検出方法、及び、プラズマ処理装置に関するも
のであり、特に、高電圧または高周波電源からの高周波
電圧を印加する際に不所望に発生するプラズマ異常放電
を簡単に、迅速に、且つ、精度良く検出するための構成
に特徴のある異常放電検出装置、異常放電検出方法、及
び、プラズマ処理装置に関するものである。
VD(化学気相堆積)、アッシング、エッチング、スパ
ッタリング、或いは、表面処理等のために、プラズマ放
電を用いて被処理基体を処理するプラズマ処理方法が広
く用いられている。
ズマ処理装置内で発生するプラズマの異常放電は、ダス
ト発生、被処理基体表面の損傷、基体の汚染、基体に設
けた電子素子の絶縁破壊等を引き起こすという問題があ
り、この様な問題に対処するために異常放電発生の的確
な検出が求められている。
研究がなされており、プラズマの発光強度の変化、電源
の電圧・電流の変化、プラズマ・インピーダンスの変
化、或いは、高調波の変化を検出することにより異常放
電を検出することが試みられている。
る方法では、多くのプラズマ処理装置のプラズマ発生部
がシールドで覆われているため、異常放電によるプラズ
マ発光変化の検出には光ファイバを取り付けるのにかな
りの改造が必要であり、また、取付けたとしても、プラ
ズマ特性が変化してしまうという問題がある。
ている装置の場合にも、プラズマ発光全体を覗くことは
できず、位置の特定において、異常放電の確実な検出は
困難である。
いはプラズマインピーダンスの変化をモニターする異常
放電の検出方法の場合には、異常放電の発生を完全には
検出できず、加えて、異常放電が電極以外の場所でも発
生するために、異常放電を完全に検出できたとしても、
その位置特定は不可能である。
る方法では、異常放電の発生は検出できるものの、異常
放電の位置特定は不可能である。
が発生すると、放電によって超音波(AE:Acous
tic Emission)が発生し、発生したAEが
プラズマ処理装置の外壁を伝播することを利用して、プ
ラズマ処理装置の外壁にAEセンサを取り付けて異常放
電によって発生したAEを検出することにより放電発生
位置を特定することを提案している(必要ならば、特願
2000−89840号参照)。
処理装置の外壁に取り付けるだけであるので、プラズマ
処理装置の大幅な改造を必要とせず、また、複数個のA
Eセンサを取り付けることによって、各AEセンサにお
けるAE検出の時間差から異常放電の位置を特定するこ
とが可能になる。
装置に取り付けたAEセンサは、プラズマ放電中のロー
ドロック室でのウェハ搬送等の機械的な可動部からのA
E波も検出してしまうため、このままでは、異常放電に
よるAE波と機械振動によるAE波とを区別することが
できないという問題がある。
るAE波と機械振動によるAE波との相違を鋭意追求し
たところ、周波数分布に違いがあることを見出したの
で、この事情を図9乃至図12を参照して説明する。
よるAE波形であり、図9(b)は、図9(a)のAE
波をスペクトル解析したフーリエスペクトルであり、ま
た、図10(a)乃至(c)も、図9の場合と同様に意
図的に発生させたプラズマ異常放電によるAE波のフー
リエスペクトルである。なお、図10(a)にフーリエ
スペクトルにおいても、相対強度は小さいものの、実際
には5kHz近傍及び200kHz近傍にもスペクトル
が存在している。
E波形であり、図11(b)は、図11(a)のAE波
のフーリエスペクトルであり、また、図12(a)乃至
(c)も、図11の場合と同様に意図的に発生させた機
械振動によるAE波のフーリエスペクトルである。
と、機械振動によるAE波には相対的に低周波成分が多
く、プラズマ異常放電におけるAE波には相対的に高周
波成分が多いことが理解される。
スペクトルにおける5kHz近傍のスペクトル成分と、
200kHz近傍のスペクトル成分とに注目したとこ
ろ、200kHz近傍のスペクトル成分の振幅に対する
5kHz近傍のスペクトル成分の振幅の比率を求めるこ
とで異常放電の判定が可能なことを見出した。
の時間がかかり、異常放電の判定が遅れるという問題が
あり、この様な異常放電の判定は可能な限り高速でリア
ルタイムに行うことが要請されている。
におけるプラズマの異常放電をより簡便に、高速に、且
つ、精度良く検出することを目的とする。
構成図であり、この図1を参照して本発明における課題
を解決するための手段を説明するが、図において符号
2,5〜6,9は、夫々バッファ増幅器、増幅器、及
び、コンピュータ処理部である。 図1参照 (1)本発明は、プラズマを発生させるプラズマ処理装
置に取り付けた超音波センサ1と、超音波センサ1の超
音波検出出力を処理して異常放電を検知する処理手段と
を少なくとも備えたプラズマ処理装置の異常放電検出装
置において、処理手段が、相対的に低周波数側の信号の
みを透過する第1のフィルタ3と、相対的に高周波数側
の信号のみを透過する第2のフィルタ4との少なくとも
2つのフィルタを備えていることを特徴とする。
を透過する第1のフィルタ3と、相対的に高周波数側の
信号のみを透過する第2のフィルタ4を用いることによ
って、時間のかかるスペクトル解析が不要になるととも
に、装置構成が簡素化される。なお、フィルタは3つ以
上設けても良いものであり、プラズマ処理装置の構成或
いはプラズマ処理条件に応じて最適の2つを選択しても
良いものである。
て、相対的に低周波数側の信号のみを透過する第1のフ
ィルタ3が相対的に低周波数の透過帯域のバンドパスフ
ィルタであり、且つ、相対的に高周波数側の信号のみを
透過する第2のフィルタ4が相対的に高周波数の透過帯
域のバンドパスフィルタであることを特徴とする。
周波透過帯域のローパスフィルタでも良いが、特定の周
波数を選択するためには相対的に低周波数の透過帯域の
バンドパスフィルタが望ましく、また、第2のフィルタ
4としても、高周波透過帯域のハイパスフィルタでも良
いが、特定の周波数を選択するためには相対的に高周波
数の透過帯域のバンドパスフィルタが望ましい。
せるプラズマ処理装置に取り付けた超音波センサ1の超
音波検出出力を処理して異常放電を検知するプラズマ処
理装置の異常放電検出方法において、超音波検出出力の
一部を相対的に低周波数側の信号のみを透過する第1の
フィルタ3を介して検出するとともに、超音波検出出力
の一部を相対的に高周波数側の信号のみを透過する第2
のフィルタ4を介して検出し、両者の検出出力を比較し
て、その比率から異常放電による超音波の発生を判定す
ることを特徴とする。
て、相対的に低周波数側の信号のみを透過する第1のフ
ィルタ3が透過帯域が4〜6kHzのバンドパスフィル
タであり、相対的に高周波数側の信号のみを透過する第
2のフィルタ4が透過帯域が180〜220kHzのバ
ンドパスフィルタであることを特徴とする。
〜6kHzの周波数帯域を用い、且つ、高周波側の検出
出力としては180〜220kHzの周波数帯域を用い
ることによって、機械振動による超音波とプラズマ異常
放電による超音波とを明瞭に区別することができる。
(4)において、第1のフィルタ3及び第2のフィルタ
4からの検出出力を増幅する際に、増幅された各検出出
力の振幅の最大値が後段に設けたアナログ−デジタル変
換器8の最大入力レンジになるように各増幅率を設定す
ることを特徴とする。
ル変換器8の最大入力レンジになるように増幅すること
によって、相対強度の異なる各検出出力を安定にA/D
変換することができ、それによって精度の高い判定が可
能になる。
(5)のいずれかにおいて、超音波センサ1の超音波検
出出力の一部をフィルタを介することなく検出し、この
検出出力が予め定めた基準値以上の場合のみに、上記の
異常放電による超音波の発生の判定を行うことを特徴と
する。
用いることによって、無駄な検出動作をなくすことがで
き、実際に超音波が発生した場合に、迅速に判別を行う
ことが可能になる。
(6)のいずれかにおいて、超音波センサ1として、相
対的に低周波数側の信号に対する感度の高い超音波セン
サ1と、相対的に高周波数側の信号に対する感度の高い
超音波センサ1とを用いて、相対的に低周波数側の信号
に対する感度の高い超音波センサ1からの出力を第1の
フィルタ3を介して検出するとともに、相対的に高周波
数側の信号に対する感度の高い超音波センサ1からの出
力を第2のフィルタ4を介して検出することを特徴とす
る。
の周波数に対して夫々感度の高い異なった超音波センサ
1を用いることによって、より精度の高い異常放電の判
別が可能になる。
(6)のいずれかにおいて、超音波センサ1を上記プラ
ズマ処理装置に複数個取り付けるとともに、複数の超音
波センサ1の内の少なくとも1個の超音波センサ1の超
音波検出出力を用いて異常放電による超音波の発生の判
定を行うことを特徴とする。
けることによって、従来と同様に超音波の発生源の位置
特定が可能になるとともに、その内の少なくとも1個の
超音波センサ1の検出出力を用いれば良いが、一個の超
音波センサ1のみを用いる場合には、最大検出出力を出
力する超音波センサ1の出力を用いることが望ましく、
それによって、より精度の高い判定が可能になる。或い
は、複数の超音波センサ1の検出出力を用いて別個に異
常放電を判定し、その判定結果をさらに総合的に判定す
ることによって、さらに精度の高い判定が可能になる。
において、上記(1)または(2)に記載の異常放電検
出装置を備えたことを特徴とする。
電検出装置を備えつけることによって、各プラズマ処理
装置に特有の異常放電の形態に対応した特性を有する超
音波センサ1或いはフィルタを製品段階で選択して設置
することができるので、初期調整等の作業負担を軽減す
ることができる。
て、本発明の第1の実施の形態を説明する。 図2参照 図2は、本発明が適用される異常放電検出装置を備えた
プラズマ処理装置の概念的構成図であり、ガス導入口1
2及び排気口13を備えたチャンバー11内に、試料ス
テージを兼ねる下部電極14とそれと対向する上部電極
15とからなる平行平板型の電極を収容し、下部電極1
4上に処理対象となるウェハ16を載置する。
サ17を介してRF電源18に接続され、一方、上部電
極15は接地され、これらによってプラズマ処理装置の
基本構造が構成されるものであり、本発明は、この様な
プラズマ処理装置のチャンバー11の外壁にAEセンサ
19を取り付けたものである。
り、上述のプラズマ処理装置のチャンバー11の外壁に
取り付けたAEセンサ19、AEセンサ19からの出力
を適正な値まで増幅するバッファアンプ21、バッファ
アンプ21の出力のうち5kHz近傍の周波数成分のみ
を取り出す透過中心周波数が5kHzの5kHzバンド
パスフィルタ22、同じく、200kHz近傍の周波数
成分のみを取り出す透過中心周波数が200kHzの2
00kHzバンドパスフィルタ23、バッファアンプ2
1の出力、5kHzバンドパスフィルタ22の出力、及
び、200kHzバンドパスフィルタ23の出力を夫々
次段のA/D変換部27の最大入力レンジになるように
増幅するアンプ24〜26、及び、A/D変換部27の
出力を信号処理するコンピュータ部28によって構成さ
れる。
放電によって発生するAE波の主要な周波数帯域である
2kHz〜250kHzにおいてある程度の感度が得ら
れる200kHz共振型AEセンサを使用しているの
で、ここで、図4を参照して200kHz共振型AEセ
ンサの感度周波数特性を説明する。
縦波波形での感度周波数特性であり、基準値(0dB)
を1V/m/s(振動粒子速度当たりの電圧が1V)と
して表した図であり、200kHzにおいて相対的に大
きな感度を有している。
度周波数特性であり、基準値(0dB)を38.5mV
/m/s2 (加速度当たりの電圧が38.5mV)とし
て表した図であり、AEセンサの出力を26dB(20
倍)増幅して示している。
成する圧電振動子の内部を伝播する弾性波の位相差が小
さくAEセンサとしての出力電圧が小さくなり、加速度
センサとして動作した場合の出力電圧が大きくなるの
で、加速度センサとして動作させた場合の特性となる。
数特性図であり、5kHzに透過ピークを有している。
また、図5(b)は、200kHzバンドパスフィルタ
23の周波数特性図であり、200kHzに鋭い透過ピ
ークを有している。
て、AEセンサ19で検出したAE信号はバッファアン
プ21を通したのち、1つは何もフィルタを通さずにア
ンプ24で増幅し、A/D変換部27でデジタル信号に
変換してコンピュータ部28に取り込み、それ以外は、
5kHzバンドパスフィルタ22及び200kHzバン
ドパスフィルタ23を介した出力をアンプ25,26で
増幅したのち、A/D変換部27でデジタル信号に変換
してコンピュータ部28に取り込む。
は、アンプの出力の最大値がA/D変換部27の最大入
力レンジになるように、例えば、アンプ24の増幅率を
1倍、アンプ25の増幅率を8倍、アンプ26の増幅率
を4倍に設定している。
々の処理信号に対して、AEが発生していない時のバッ
クグランドノイズによる最大振幅を予め計測しておき、
この予め計測した最大振幅と検出信号の振幅との差が、
予め検出したい異常放電の大きさに対応して設定したし
きい値より大きくなった時に5kHzバンドパスフィル
タ22及び200kHzバンドパスフィルタ23を介し
た信号の検出を開始する。例えば、フルスケールを2V
とした場合、0.1Vをしきい値に設定する。
内で振幅がしきい値よりも小さくなった場合に、5kH
zバンドパスフィルタ22及び200kHzバンドパス
フィルタ23を介した信号の検出を終了する。この予め
設定した時間としては、最低でも一周期分(5kHzで
200μs)必要になるが、AE波の周期性が良好でな
い場合もあるので、例えば、5周期分(=1ms)に設
定する。
E波を検出した結果を、200kHzの振幅に対する5
kHzの振幅の比として図6に示す。 図6参照 この図は、上記の図9乃至図12に示したAE波を5k
Hzバンドパスフィルタ22及び200kHzバンドパ
スフィルタ23を介して検出した出力であり、図9乃至
図12は、バンドパスフィルタを介さない出力を別途ス
ペクトル解析したものである。
ける特徴を併せて検討するために、20kHzバンドパ
スフィルタ及び80kHzバンドパスフィルタを介した
出力も200kHzの振幅に対する比として併せて示し
ている。なお、この場合のバンドパスフィルタを介した
出力のアンプによる増幅率は、20kHzバンドパスフ
ィルタの場合は4倍で、80kHzバンドパスフィルタ
の場合は2倍である。
波は、機械振動によるAE波と比較して、5kHzバン
ドパスフィルタ22を介した出力の振幅比が小さくなっ
ていることが理解される。
ルタ23を通したAE波の信号の最大振幅に対する5k
Hzバンドパスフィルタ22を通したAE波の信号の最
大振幅の比を求めることによって、プラズマの異常放電
の判定が可能になる。なお、判定するためのしきい値は
絶対的ではないものの、図6の場合には、振幅比が最も
大きな異常放電における値が0.696(≒0.7)で
あり、機械振動の最も低い値が2.041(≒2)であ
るので、0.7〜2の範囲、例えば、1をしきい値とす
れば良い。
は、上記の判定により異常放電であることは判別できる
が、フィルタなしの場合と80kHzバンドパスフィル
タを通した場合の最大振幅比では、他の異常放電と明ら
かに異なっていることが理解され、これは、異常放電の
形態自体が異なっていることを反映しているものと考え
られる。
3を通した信号の最大振幅に対するフィルタなしの信号
の最大振幅、或いは、80kHzバンドパスフィルタを
通した最大振幅の比率を求めれば、異常放電の形態の違
いの判定を行うことが可能になる。
施の形態を説明するが、図7は第2の実施の形態のAE
センサを取り付けたプラズマ処理装置の概念的構成図で
あり、プラズマ処理装置のチャンバー11の外側壁に5
kHz近傍の感度の高い低周波AEセンサ31と200
kHz近傍の感度の高い高周波AEセンサ32を取り付
けたものである。
する周波数帯において高い感度を有する別個のセンサを
用いているので、より高精度の異常放電判定が可能にな
る。
施の形態を説明するが、図8は本発明の第3の実施の形
態のAEセンサの取付け構造を説明する概念的構成図で
あり、プラズマ処理装置の外側壁に3個、頂面に1個の
AEセンサ33〜36取り付けたものである。
案しているようにこの4個のAEセンサ33〜36の検
出出力の時間差から放電位置を特定するとともに(必要
ならば、上述の特願2000−89840号参照)、4
個のAEセンサ33〜36の出力の内、最大の出力を出
力するAEセンサの出力を用いて上述の異常放電の判定
を行うものである。
電の発生のみならず、発生位置を特定することができ、
且つ、各AEセンサ33〜36の出力の内で最大の出
力、即ち、異常放電の発生位置に最も近いAEセンサに
より減衰の少ないAE信号を利用することができるの
で、判定精度をより高めることが可能になる。
たが、本発明は各実施の形態に記載された構成・条件に
限られるものではなく、各種の変更が可能である。例え
ば、上記の各実施の形態においては、プラズマ処理装置
として平行平板電極型のプラズマ処理装置を例として説
明しているが、プラズマ処理装置の構成はこの様な平行
平板電極型のプラズマ処理装置に限られるものではな
く、異常放電の発生が予想される各種の構造のプラズマ
処理装置に適用されるものである。
kHz近傍の検出出力と200kHz近傍の検出出力を
比較しているが、この様な周波数は絶対的ではなく、将
来において、プラズマ処理装置の構成等が大きく変化し
た場合には、この様な特異周波数も変化する可能性があ
り、その場合には、その変化に応じた周波数の組合せを
選択すれば良い。
定周波数の出力を取り出すためにバンドパスフィルタを
用いているが、必ずしもバンドパスフィルタである必要
はなく、例えば、低周波数側の出力を検出するためにロ
ーパスフィルタを用い、高周波数側の出力を検出するた
めにハイパスフィルタを用いても良いものである。
は、周波数感度特性の異なる2つのAEセンサを用いて
いる、周波数感度特性の異なる2つのAEセンサエレメ
ントを一体にマウントして複合化した1個の複合AEセ
ンサを用いても良いものである。
は、4個のAEセンサを用いているが3個のAEセンサ
でも良く、或いは、チャンバーの下底面を含めて5個の
AEセンサを取り付けても良いものであり、いずれにし
ても、放電位置の特定が可能になる。
も、複数個のAEセンサの個々のAEセンサとして、周
波数感度特性の異なる2つのAEセンサエレメントを一
体にマウントして複合化した複合AEセンサを用いても
良いものである。
は、4個のAEセンサの出力の内、最大の出力を出力す
るAEセンサの出力を用いて異常放電の判定を行ってい
るが、他のAEセンサの出力を用いて異常放電の判定を
行っても良いものである。
数個、例えば、2個のAEセンサの出力を用いて異常放
電の判定を行っても良く、個々の判定結果を総合的に判
断することによって、さらに、精度の高い異常放電の判
定が可能になる。
は、異常放電検出装置を構成するフィルタを2個として
いるが、図6に関連して説明したように、80kHzバ
ンドパスフィルタ等の他の周波数感度特性を有するフィ
ルタを併せて用いても良いものであり、それによって、
異常放電の形態の違いも検出することが可能になる。
て検出対象となる周波数のAE信号をスペクトル解析す
ることなく取得しているので、プラズマ異常放電を簡単
に、迅速に、且つ、精度良く判定することが可能にな
り、その結果を製造条件或いはプラズマ処理装置の設計
にフィードバックすることによって、プラズマ処理工程
のスループットの向上や、プラズマ処理装置の信頼性の
向上に寄与するところが大きい。
プラズマ処理装置の概念的構成図である。
の概念的構成図である。
性の説明図である。
タの周波数特性図である。
説明図である。
る。
る。
E波の説明図である。
よるAE波のフーリエスペクトルである。
説明図である。
波のフーリエスペクトルである。
Claims (9)
- 【請求項1】 プラズマを発生させるプラズマ処理装置
に取り付けた超音波センサと、前記超音波センサの超音
波検出出力を処理して異常放電を検知する処理手段とを
少なくとも備えたプラズマ処理装置の異常放電検出装置
において、前記処理手段が、相対的に低周波数側の信号
のみを透過する第1のフィルタと、相対的に高周波数側
の信号のみを透過する第2のフィルタとの少なくとも2
つのフィルタを備えていることを特徴とするプラズマ処
理装置の異常放電検出装置。 - 【請求項2】 上記相対的に低周波数側の信号のみを透
過する第1のフィルタが相対的に低周波数の透過帯域の
バンドパスフィルタであり、且つ、相対的に高周波数側
の信号のみを透過する第2のフィルタが相対的に高周波
数の透過帯域のバンドパスフィルタであることを特徴と
する請求項1記載のプラズマ処理装置の異常放電検出装
置。 - 【請求項3】 プラズマを発生させるプラズマ処理装置
に取り付けた超音波センサの超音波検出出力を処理して
異常放電を検知するプラズマ処理装置の異常放電検出方
法において、前記超音波検出出力の一部を相対的に低周
波数側の信号のみを透過する第1のフィルタを介して検
出するとともに、前記超音波検出出力の一部を相対的に
高周波数側の信号のみを透過する第2のフィルタを介し
て検出し、両者の検出出力を比較して、その比率から異
常放電による超音波の発生を判定することを特徴とする
プラズマ処理装置の異常放電検出方法。 - 【請求項4】 上記相対的に低周波数側の信号のみを透
過する第1のフィルタが透過帯域が4〜6kHzのバン
ドパスフィルタであり、上記相対的に高周波数側の信号
のみを透過する第2のフィルタが透過帯域が180〜2
20kHzのバンドパスフィルタであることを特徴とす
る請求項3記載のプラズマ処理装置の異常放電検出方
法。 - 【請求項5】 上記第1のフィルタ及び第2のフィルタ
からの検出出力を増幅する際に、増幅された各検出出力
の振幅の最大値が後段に設けたアナログ−デジタル変換
器の最大入力レンジになるように各増幅率を設定するこ
とを特徴とする請求項3または4に記載のプラズマ処理
装置の異常放電検出方法。 - 【請求項6】 上記超音波センサの超音波検出出力の一
部をフィルタを介することなく検出し、この検出出力が
予め定めた基準値以上の場合のみに、上記の異常放電に
よる超音波の発生の判定を行うことを特徴とする請求項
3乃至5のいずれか1項に記載のプラズマ処理装置の異
常放電検出方法。 - 【請求項7】 上記超音波センサとして、相対的に低周
波数側の信号に対する感度の高い超音波センサと、相対
的に高周波数側の信号に対する感度の高い超音波センサ
とを用いて、前記相対的に低周波数側の信号に対する感
度の高い超音波センサからの出力を上記第1のフィルタ
を介して検出するとともに、前記相対的に高周波数側の
信号に対する感度の高い超音波センサからの出力を上記
第2のフィルタを介して検出することを特徴とする請求
項3乃至6のいずれか1項に記載のプラズマ処理装置の
異常放電検出方法。 - 【請求項8】 上記超音波センサを上記プラズマ処理装
置に複数個取り付けるとともに、複数の超音波センサの
内の少なくとも一つの超音波センサの超音波検出出力を
用いて異常放電による超音波の発生の判定を行うことを
特徴とする請求項3乃至6のいずれか1項に記載のプラ
ズマ処理装置の異常放電検出方法。 - 【請求項9】 請求項1または2のいずれかに記載の異
常放電検出装置を備えたことを特徴とするプラズマ処理
装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001370610A JP3653667B2 (ja) | 2001-12-04 | 2001-12-04 | 異常放電検出装置、異常放電検出方法、及び、プラズマ処理装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001370610A JP3653667B2 (ja) | 2001-12-04 | 2001-12-04 | 異常放電検出装置、異常放電検出方法、及び、プラズマ処理装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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