(57)【要約】【課題】半導体素子を基板に実装する工程において、主に超音波エネルギーを用いてフリップチップ方式で半導体素子の電極を基板の電極に効率良く安定して接合させる超音波ボンディング用ボンディングツールを提供する。【解決手段】半導体素子に接するツール先端部に高硬度で熱伝導率の良い材質を適用し、長寿命化とボンディング性能の高度化を同時に実現する。また、ツール先端部の表面の面粗さを適度に調整することにより、超音波エネルギーの効率的な伝播と素子の位置ずれの防止を図る。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極パターンが配された基板および半導体素子に超音波を印加することにより半導体素子をフリップチップ方式で実装する為のボンディングツールであって、超音波振動子で発生した超音波を伝達するホーン部と、ホーン部に接合されたツール先端部からなり、前記ホーン部は、ＦｅＣｏＮｉ合金、モリブデン、超硬合金、サーメットまたはステンレス鋼のいずれかから構成され、前記ツール先端部はダイヤモンド焼結体、立方晶窒化硼素焼結体、又は気相合成ダイヤモンドが被覆されたダイヤモンド焼結体、立方晶窒化硼素焼結体、超硬合金、セラミック焼結体、又はサーメットから選ばれる少なくとも１以上の物質から構成されることを特徴とする、超音波ボンディング用ボンディングツール。
【請求項２】
前記ツール先端部を構成する物質の硬度が４０００ｋｇ／ｍｍ２以上であることを特徴とする、請求項１に記載の超音波ボンディング用ボンディングツール。
【請求項３】
前記ツール先端部を構成する物質の熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする、請求項１または２に記載の超音波ボンディング用ボンディングツール。
【請求項４】
前記ホーン部とツール先端部の接合が、金属接合であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の、超音波ボンディング用ボンディングツール。
【請求項５】
電極パターンが配された基板および半導体素子に超音波を負荷することにより半導体素子をフリップチップ方式で実装する為のボンディングツールにおいて、超音波振動子で発生した超音波を伝達するホーン部がＦｅＣｏＮｉ合金、モリブデン、超硬合金またはサーメットのいずれかから構成され、該ホーン部の先端面に気相合成ダイヤモンドが被覆されていることを特徴とする、超音波ボンディング用ボンディングツール。
【請求項６】
前記ホーン部の先端面に被覆された気相合成ダイヤモンドの平均粒径が、０．５μｍ以上であることを特徴とする、請求項５に記載の超音波ボンディング用ボンディングツール。
【請求項７】
前記ホーン部の先端面に被覆された気相合成ダイヤモンドの膜厚が、１μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする、請求項５または６に記載の、超音波ボンディング用ボンディングツール。
【請求項８】
前記ホーン部の先端面に被覆された気相合成ダイヤモンドの硬度が、４０００ｋｇ／ｍｍ２以上であることを特徴とする、請求項５〜７のいずれかに記載の、超音波ボンディング用ボンディングツール。
【請求項９】
前記ホーン部の先端面に被覆された気相合成ダイヤモンドの熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする、請求項５〜８のいずれかに記載の超音波ボンディング用ボンディングツール。
【請求項１０】
ツール先端面の面粗さが最大面粗さが、０．１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の、超音波ボンディング用ボンディングツール。
【請求項１１】
ツール先端面において、ツール先端面の、半導体素子が接触する部分の外縁部分の面粗さが、それより内側の部分の面粗さよりも大きいことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の、超音波ボンディング用ボンディングツール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体製造技術において、フリップチップ方式で超音波エネルギーを半導体素子に印加して基板の電極に接合させる際に用いるボンディングツールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
フリップチップ実装方式は、半導体素子の裏面に２次元的に入出力の電極端子（バンプ）を配し、このバンプを直接基板側の電極端子に金属接合させる実装方式である。本方式は、多数の入出力端子数を短い距離で接続し、実装面積を小さくすることができるため、高速作動素子の高密度実装に適しており、本方式を用いた実装数は飛躍的に増大している。
【０００３】
このフリップチップ方式で、半導体素子を基板に実装する方法のひとつとして超音波振動により電極端子の接合面を相互に摩擦させて界面原子の拡散により接合する方法が行われている。ＳＡＷ（表面弾性波）素子や無線用の高周波発振素子の多くは超音波印加により実装されている。
【０００４】
接合時、半導体素子に超音波を印加する為のボンディングツールや超音波ホーンにはステンレス鋼や焼入れ鋼、超硬合金等の金属材質が用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来使用されてきた金属製のツールは、ツール先端面の硬度が十分でないため、実装時に、破損した半導体素子の基板材料（Ｓｉなど）の破片や、素子を切断した際に付着した切り屑などにより表面に疵がついたり、半導体素子との摺動による磨耗などが発生してツール面の形状精度が損なわれてしまいボンディングツールが短寿命であるという問題があった。
【０００６】
また、半導体素子の接合強度は印加する超音波の強度に強い相関があり、超音波強度が強いほど接合強度は強くなるが、超音波強度が大きすぎると素子が超音波振動により位置ズレを生じてしまうという問題点があった。この対策として、ボンディングツールのツール面を大きくし、半導体素子をツール面内に内包できるようにし、ツール中央部に半導体素子と同サイズの凹部を設け、位置ずれを抑制する方法などが考案されている（特開２０００−１６４６３６）。今日、基板上への素子の実装密度が上がり、複数の素子を狭い間隔で実装する場合が増えているが、こうした高密度実装基板においては、周辺に実装される素子とボンディングツールが干渉することのないよう、ボンディングツールにはなるべく素子に接触する部分以外に飛び出しの部分がないことが望まれる。
【０００７】
本発明は上記の従来技術の問題点を解決し、超音波を半導体素子に印加して基盤に実装する際に、素子の位置ずれを抑制し、半導体素子によるボンディングツールの磨耗や破損の少ない、工具寿命の長いボンディングツールを提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によるボンディングツールは、超音波振動子で発生した超音波を伝達するホーン部と、ホーン部に接合されたツール先端部からなり、前記ホーン部は、ＦｅＣｏＮｉ合金、モリブデン、超硬合金、サーメットまたはステンレス鋼のいずれかから構成され、前記ツール先端部はダイヤモンド焼結体、立方晶窒化硼素焼結体、又は気相合成ダイヤモンドが被覆されたダイヤモンド焼結体、立方晶窒化硼素焼結体、超硬合金、セラミック焼結体、又はサーメットから選ばれる少なくとも１以上の物質から構成されることを特徴とする。本願発明者は、超音波ボンディング用ボンディングツールのツール部分の先端面に好適に用いることができる材料を種々検討した結果、ボンディング性能、ツール寿命、素子の搭載位置精度などの観点から、気相合成ダイヤモンド、ダイヤモンド焼結体、立方晶窒化硼素（以下ｃＢＮと記す）焼結体が適しているとの知見を得るに至った。また、ホーン部に好適に用いることができる材料としては、ＦｅＣｏＮｉ合金、モリブデン、超硬合金、サーメットまたはステンレス鋼から選ばれる少なくとも１以上の物質が適しているとの知見を得た。これらの材質は、ヤング率が高く、超音波を高い効率で伝播し、さらに、熱膨張係数が比較的小さいので、前記ツール先端部との接合および実際の使用温度に於いて、ツール先端部との熱膨張に起因する歪が小さく、ボンディングツールとしての寿命の安定性が優れている。
【０００９】
また、本発明のボンディングツールでは、前記ホーン部に、前記ツール先端部を接合させて構成することができる。本発明のボンディングツールでは、先端部に気相合成ダイヤモンド、ダイヤモンド焼結体、立方晶窒化硼素焼結体から選ばれる少なくとも１以上の物質を用いるが、これらの物質は高価であり、大きな立体的形状を持たせることは製造コストを上昇させる。また、これらの物質は硬度が高く、複雑な加工が困難であり、単純形状に作成したツール先端部を超音波を発生するホーン部に接合することによりボンディングツール全体の製造コストを低く押えることができる。
【００１０】
本発明によるボンディングツールでは、ツール先端部を構成する物質の硬度が４０００ｋｇ／ｍｍ２以上であることが好ましい。物質の耐摩耗性は、一般的にはその硬度に依存し、硬度が高いほど耐摩耗性は高くなる。本願発明のボンディングツールの場合は、摩耗を起こす原因物質は、ほとんどの場合素子を構成しているＳｉ等の半導体物質や、電極を構成している金属物質である。従ってこれらの物質と同程度以下の硬度を持つ物質をツール先端部に使用した場合は摩耗によってツールの寿命は短くなる。一般的には、摺動接触する物質が十分な耐摩耗性を発揮するためには、摺動接触する相手材の数倍程度の硬度が必要であり、ボンディングツールの場合は４０００ｋｇ／ｍｍ２以上が好ましい。
【００１１】
また、該ボンディングツールでは、ツール先端部を構成する物質の熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。従来の１辺５ｍｍ程度までの半導体素子を実装させる超音波実装方式では、超音波印加のみで素子を基板に接合させていた。しかし、半導体素子の大面積化により、十分な接合を行う為にはさらに加熱が必要になり、基板側から補助加熱して超音波接合させる補助加熱超音波実装方式が用いられている。この場合の加熱は、１５０℃〜３００℃の範囲になることが多い。こうしたボンディングを行なう場合、ツール先端面は温度のバラツキが小さいことが望ましい。本願発明のボンディングツールにおいて、ツール先端部に熱伝導率２００Ｗ／ｍＫ以上の物質を用いることにより、ツール先端部の温度のばらつきを小さく保つことができ、ボンディング工程に好適である。
【００１２】
前記ホーン部とツール先端部の接合に於いては、両者の接合を金属接合で行なうことができる。具体的には活性ろう材を用いた直接接合や、金属の中間層を備えたろう付けなどが好適に使用できる。
【００１３】
本願発明によるボンディングツールの別の態様では、ホーン部に、ＦｅＣｏＮｉ合金、モリブデン、超硬合金またはサーメットを用い、該ホーン部の先端面に気相合成ダイヤモンドを被覆することにより構成されることを特徴とする。ホーン部に使用されるこれらの材料はヤング率が高く、超音波を高い効率で伝播するのでボンディングツールに印加される超音波エネルギーが高い効率で接合に寄与し、さらに、熱膨張係数が比較的小さいので、ツール先端面に被覆される気相合成ダイヤモンドとの熱膨張に起因する歪が小さく、ボンディングツールとしての寿命の安定性に好適である。また、気相合成ダイヤモンドをホーン部に直接、気相合成法により被覆することで、前記のような接合部のないボンディングツールを製造することができる。気相合成法としては、熱フィラメント法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、アークジェット法、燃焼炎法などのダイヤモンド気相合成プロセスを用いることができる。
【００１４】
前記ホーン部の先端面に被覆された気相合成ダイヤモンドの平均粒径は、０．５μｍ以上であることが好ましい。気相合成ダイヤモンドは、その結晶粒径が小さくなると結晶粒界が増えるため、熱伝導率および硬度の低下が見られるようになる。超音波ボンディングツールのツール先端面として使用するためにはその結晶粒径が０．５ミクロン以上であることが好適である。
【００１５】
同じく、前記ホーン部の先端面に被覆された気相合成ダイヤモンドの膜厚は、１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。膜厚が１μｍ以下の場合にはダイヤモンド層の厚さが十分でなく、ボンディングツールの寿命を十分に長期化することができない。また、膜厚が１００μｍを超えると、気相合成ダイヤモンドの被覆のためのコストが高価になるが、その一方でそれ以上の寿命の長期化の効果が発揮されない。
【００１６】
前記ホーン部の先端面に被覆された気相合成ダイヤモンドの硬度は、前記の態様においてボンディングツールの先端部にろう付けされるツール先端部と同様の理由で、４０００ｋｇ／ｍｍ２以上であることが望ましい。実装する半導体素子の材質の硬度が高い場合には、ボンディングツールの先端部の材料にも、より高い硬度が要求される。気相合成ダイヤモンドにおいては、気相合成の条件の選択により、より高い高度のダイヤモンドを合成することができるので、サファイアなどの高度の高い半導体素子を実装する場合には、ホーン部の先端面に被覆された気相合成ダイヤモンドの硬度は、６０００ｋｇ／ｍｍ２以上であることがより好ましい。
【００１７】
さらに、本願発明のボンディングツールでは、ツール先端面の面粗さが最大面粗さ（Ｒｔ：測定曲線を基準長さごとに区切り、各基準長さ間で平均線から最も深い谷までの深さを求めたものの最大値である最大谷深さと、各基準長さ間で平均線から最も高い山の高さを求めたものの最大値である最大山高さの和）で０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。ツール先端面の面粗さがＲｔで０．１μｍ未満では、ボンディング時にボンディングツールのツール面と、接合される素子もしくは電極の間で位置ずれが発生しやすくなる。また、ツール先端面の面粗さがＲｔで１０μｍを超えると、ツール先端面によって、接合される素子もしくは電極に傷がつき、製造上好ましくない結果となる。また、ボンディングツールのツール先端面の面粗さは、ボンディングツールから、接合される素子もしくは電極への超音波エネルギーの伝播効率に大きく影響を及ぼす。効率よく超音波エネルギーを伝播するためには、ツール面の面粗さＲｔは、好ましくは０．２μｍ以上５μｍ以下、さらに好ましくは０．５μｍ以上３μｍ以下であることが好適である。
【００１８】
接合される素子もしくは電極がボンディング中に位置ずれを起こさないようにするためには、ボンディングツール先端面において、ツール先端面の、半導体素子に接触する部分の外縁部分が、それより内側の部分の面粗さよりも大きい構成をとることが好ましい。更に前記外縁部分は、ツール先端面の半導体素子に接触する部分の面積の２０％以上３０％以下であることが好ましい。面粗さが大きい部分は、接合される素子もしくは電極がより強固に把持されるので、こうした面粗さの大きな部分をツール先端面の周辺部分に設けることにより、ボンディング時の素子もしくは電極の位置ずれが起こりにくくなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、実施例を用いて、本発明の超音波ボンディング用ボンディングツールを説明する。
【００２０】
【実施例１】
ツール先端部材料として、焼結ダイヤモンド、気相合成ダイヤモンドを被覆したセラミックス成形体、および立方晶窒化硼素焼結体、をもつ超音波ボンディングツールを作成した。ツール先端部は、必要形状に成形後、ツール面の面粗さの調整を行なった。ツール面の面粗さがＲｔ０．２μｍ以下のものは、ツール面表面を研磨したものであり、Ｒｔが０．２μｍより大きく５μｍ以下のものはツール面表面を平面研削加工により仕上げとしたものである。Ｒｔが５μｍ以上のものはツール面表面の平面研削加工後、レーザ加工により面を粗くする処理を行った。ホーン部としては、ＦｅＮｉＣｏ合金、モリブデン、超硬合金、ステンレス鋼、およびサーメット、をそれぞれ超音波ホーンの形状に加工した。
【００２１】
上記ツール先端部とホーン部を真空炉内で活性ロウ材により金属接合させ、超音波ツールとした。ツール先端部とホーン部の材質の組合せとしては、表１に示したものを作製した。接合後、さらに、ワイヤ放電加工、ダイヤモンド砥石による平面研削加工により、必要な寸法精度および角度精度に形状を整えた。これらの加工後、半導体素子を吸着する為の貫通穴を、放電加工及びＹＡＧレーザ加工により作製した。尚、ツールの先端面のサイズは実装する半導体素子と同サイズにした。また、比較のため、ツール先端部材料としてＳｉＣセラミックスを使用したもの、およびツール先端部を特に用いず、モリブデン製のホーン部をツール先端部まで延長した従来型のボンディングツールを作成した。製造した各ボンディングツールの仕様を表１に示す。
【００２２】
上記の構成で準備した超音波ボンディングツールを用いて、半導体素子のボンディングを行なった。図１に実装時の模式図を示す。ボンディングは以下の工程で実施した。ボンディングツールにより半導体素子の裏面を真空吸着して、接合ステージ上に配された基板上に運搬する。半導体素子の電極端子（バンプ）と基板電極端子の位置合わせを行い、ツールを降下させて電極端子同士が接触したところで超音波を印加し、半導体素子の全電極端子を基板上の端子に一括して実装させた。このときの超音波出力は２０Ｗ　周波数は６０ＫＨｚで約１秒間印加した。本条件で、１−１〜１−５、１−８および１−９のボンディングツールは５×５ｍｍのＳｉチップを実装し、１−６、１−７のボンディングツールは１×１ｍｍのＧａＡｓチップを、それぞれ実装させ、半導体素子の各バンプの実装状態及び、ボンディングツールの損傷状況を確認し、最大２００，０００個まで実装を行なった。尚、サイズが大きい５×５ｍｍのチップの実装は、超音波印加のみでなく接合ステージに内蔵されたヒーターにより裏面から約２００℃に加熱しながら実装した。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
本発明のボンディングツールである１−１〜１−７はボンディングツールの工業的な期待寿命とされる１００，０００個の２倍の２００，０００個の素子の実装を行なった時点まで、ツール表面の劣化破損がほとんど見られず、半導体素子の実装においても良好な接合状態が得られた。これに対し、１−８では、２０，０００個実装した時点で、ツール面の面粗さが粗くなり、外周部の電極の接合状態が悪くなっていた。これはツール外周部で、素子との摺動による摩耗が進んだ為、ツール面の平面度が悪くなり、素子の全バンプに均一に超音波が伝達できなくなったためと考えられる。ツール先端部にホーン部のモリブデンをそのまま使用した１−８では５，０００個の実装でツール先端の摩耗が進み、外周部の電極の接合ができなくなった。
【００２５】
１−１を用いて実装した半導体素子の中に、電極の接続という意味では問題はないが、位置ずれを起こしているものが見られた。これは、１−１のツール面の面粗度が小さく、実装中にボンディングツールと素子の間に位置ずれが発生したためと考えられる。また、２００，０００個の実装の後にツール先端面の平坦度を測定したところ、１−１中央部が約５μｍ凸状に変形していた。１−２〜１−７には平坦度の変化は見られなかった。この原因は、ステンレス鋼と焼結ダイヤモンドとの熱膨張係数の差による熱歪の影響と考えられる。また、１５，０００個程度の実装の途中でボンディングツール先端面の温度のバラツキを赤外線輻射温度計で測定したところ、１−２のツール先端面にはステージの設定温度２００℃に対して１５０℃±２０℃の温度のバラツキが見られ、周辺部の温度が特に低かった。それ以外の１−１および１−３〜１−７のツールではいずれもツール先端面の温度のバラツキは同じくステージの設定温度２００℃に対して１５０℃±５℃以内であった。実装後の半導体素子の表面を観察したところ、１−３のツールを使用して実装を行なったものについては、素子の表面に微小な擦過疵が見られるものがあったが、１−１〜１−２および１−４〜１−７のツールを使用して実装を行なったものについては、そのような疵は見られなかった。
【００２６】
【実施例２】
ＦｅＮｉＣｏ合金、モリブデン、超硬合金、およびサーメット、を用いて、超音波ボンディングツールのホーン部を作製し、これらのホーン部の先端面に気相合成法でダイヤモンド膜を被覆した。気相合成法としては、熱フィラメントＣＶＤ法を用いた。
【００２７】
熱フィラメントＣＶＤ法の合成条件は、原料ガスの流量を、Ｈ２：１０〜１００ｓｃｃｍ、ＣＨ４：１〜５ｓｃｃｍ、フィラメント温度を１５００〜２２００℃、基板温度：５００〜９００℃、圧力：１０〜５００Ｔｏｒｒとし、必要な膜厚に応じて合成時間を変えて合成した。ダイヤモンド膜を被覆した後、ダイヤモンドの膜厚が厚く、ダイヤ面の平面度および面粗さが必要精度に満たないものは、ダイヤモンド砥石による研削・研磨により必要な形状に加工した。また、比較のためステンレス鋼でホーン部を作製し、このツール先端面に気相合成法でダイヤモンド膜を被覆して、上記と同じ工程でボンディングツールを作製した。
【００２８】
上記工程で作製したボンディングツールを用いて、実施例１の１−１〜１−５と同様の方法で半導体素子を各２００，０００個ボンディングした。素子のサイズは５×５ｍｍで、ツール先端面のサイズもこれと同じに揃えた。コーティングしたダイヤモンド膜の粒径、厚み、表面粗さ及び硬度とを第２表にまとめる。尚、ダイヤモンド膜の熱伝導率及び硬度は同条件で粒径を合わせて約１００μｍ厚に合成したテスストサンプルで測定した。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
本願発明のボンディングツールである２−１〜２−７では、２００，０００個の実装の後も、ツール面の劣化は無く、良好な実装結果となった。２−８では　ホーン部に熱膨張率の大きいステンレス鋼を用いた為、合成後多結晶ダイヤモンドが剥離してしまい実装に至らなかった。２−１では、２００，０００個の実装の後にボンディングツールの先端面の一部にホーン部のモリブデンが露出している部分があった。被覆したダイヤモンドの膜厚が薄かったためと考えられるが、実装そのものに支障はなかった。２−２のツールを使用して実装したでは、半導体素子全面のバンプが良好に接続された状態は得られなかった。これは、１−１と同様、ツール先端面の面粗さが小さいために、ボンディングツールと半導体素子が微小な位置ずれを起こしたためと考えられる。２−３では２００，０００個の実装後に、ツール先端面の特に周辺部に軽度の摩耗による変形が観察された。
【００３１】
【実施例３】
実施例１の１−１で試作したものと同じ仕様のボンディングツールの先端面を、レーザ加工により部分的に粗さを変えたツールを５種類製作し、実施例１と同様の方法で半導体素子５０００個のボンディングを実施した。作製したボンディングツールは、いずれもツール先端面の外周部分の面粗さを中央部より大きくしており、面粗さが大きい部分のツール先端面全面の面積に対する比率を変えた。比較例として粗面を設けなかったツールも作製し、同様の実装評価を行った。図２に作製したボンディングツールのツール先端面の平面模式図を示す。ボンディングの結果を表３に示す。
【００３２】
【表３】
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【００３３】
いずれのボンディングツールに於いても、ボンディング条件を適当に選択することにより、ボンディングが可能であったが、３−１では、超音波出力４０Ｗ以上では、一部の半導体素子のバンプと基板の電極が接合されかけたところで、素子とツールの位置ずれが生じ、電気接合は得られているものの、素子が所定の位置からすこしズレて接合された。３−２および３−３では、良好な接続が得られら。３−４および３−５では、超音波出力を大きくすると、素子のツール面と接触する部分の一部に削過痕が残るものがあった。面粗度を粗くした部分のない３−６では、３−１よりも小さな超音波エネルギーで素子の位置ずれが発生した。この結果より、粗面比率が２０〜３０％の範囲が最も広い接合条件に適合できることが分かる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の超音波ボンディングツールは、半導体素子に接するツール先端部に高硬度で熱伝導率の良い材質を適用したことにより、ボンディングツールの長寿命化とボンディング性能の高度化が同時に実現される。また、ツール先端面の面粗さを適度に調整することにより、超音波エネルギーの効率的な伝播と素子の位置ずれの防止を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における超音波ボンディングツールの概念図
【図２】実施例３における超音波ボンディングツールのツール先端面の説明図
【符号の説明】
１　ツール先端部
２　超音波ホーン部
３　超音波発生装置
４　ＸＹＺ軸駆動機構
５　ボンディングツール支持アーム
６　半導体素子
７　基板
８　加熱機構を含むステージ
１１　粗面部分
１２　中央部分
１３　半導体素子吸着穴
【図１】
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【図２】
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