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JP4592916B2 - 被処理体の載置装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被処理体の載置装置に関し、更に詳しくは、例えばプラズマ処理装置に用いられる被処理体の載置装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ処理装置としては例えばＣＶＤ装置、エッチング装置あるいはアッシング装置等が半導体製造装置として広く用いられている。プラズマ処理室内にはウエハ等の被処理体を載置する装置が設置されている。この載置装置は、例えば図８に示すように、ウエハＷを載置する載置台（ウエハチャック）１と、このウエハチャック１上面の外周縁部に配置されたフォーカスリング２とを備えている。
【０００３】
ウエハＷにプラズマ処理を施す場合には、処理室内のウエハチャック１上にウエハＷを載置した後、処理室を所定の真空度に保持した状態でウエハチャック１上にウエハＷを載置、固定し、例えばウエハチャック１に高周波電力を印加して処理室内でプラズマを発生させる。プラズマはウエハチャック１上のフォーカスリング２を介してウエハＷ上に収束し、ウエハＷに対し所定のプラズマ処理（例えば、エッチング処理）を施す。エッチングによりウエハＷの温度が高くなるが、冷却機構を用いてウエハチャック１を介してウエハＷを冷却する。この際、ウエハチャック１上面から熱伝導性に優れたヘリウムガス等のバックサイドガスをウエハＷの裏面に向けて流し、ウエハチャック１とウエハＷ間の熱伝達効率を高めウエハＷを効率良く冷却する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の被処理体の載置装置の場合には、フォーカスリング２がただ単にウエハチャック１上に載置した構造であるため、フォーカスリング２とウエハチャック１間に真空細隙があり、両者間での熱伝達が悪く、フォーカスリング２をウエハＷのようには冷却することができず、フォーカスリング２がウエハＷの温度よりもかなり高くなり、この影響でウエハＷの外周縁部がその内側よりも高温になってこの部分でのエッチング特性が悪くなり、ホール抜け性が悪化したり、エッチングの選択比が低下したりする等の問題が生じてきた。尚、ホール抜け性とは所定の深さまでエッチングにより確実に堀込むことができる特性を云う。ホール抜け性が悪いと堀込みが足りず、所定深さまでエッチングできない。
【０００５】
特に、最近ではウエハＷの大口径化、超微細化が飛躍的に進み、しかも一枚のウエハＷの無駄をなくし１個でも多くのデバイスを取る努力がなされているため、ウエハＷの外周間際までデバイスを取るようになってきている。そのため、フォーカスリング２の温度上昇はデバイスの歩留りに大きく影響するようになってきた。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、フォーカスリングの温度上昇を抑制しその近傍でのプラズマ処理特性の経時的変化をなくする共に被処理体全面で均一なプラズマを形成して被処理体全面を均一に処理することができる被処理体の載置装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の被処理体の載置装置は、被処理体を載置する冷却機構を内蔵した載置台と、この載置台の載置面の外周縁部に段差を持って形成されたリング状載置面に配置されたフォーカスリングとを備えた被処理体の載置装置において、上記リング状載置面と上記フォーカスリングとの間に導電性及び弾性を有する耐熱性熱伝達媒体を介在させたことを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の請求項２に記載の被処理体の載置装置は、請求項１に記載の発明において、上記フォーカスリングを上記載置台に対して押圧、固定する押圧手段を設けたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の請求項３に記載の被処理体の載置装置は、請求項２に記載の発明において、上記押圧手段は上記フォーカスリング上面の外周縁部に接触する接触部と、この接触部から下方に延びて上記載置台を囲む延設部と、この延設部を上記載置台に対して固定する固定部材とを有することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の請求項４に記載の被処理体の載置装置は、請求項３に記載の発明において、上記接触部及び上記延設部をセラミックにより形成したことを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の請求項５に記載の被処理体の載置装置は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、上記耐熱性熱伝達媒体を導電性シリコンゴムにより形成したことを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図６に示す実施形態に基づいて本発明を説明する。
本実施形態の被処理体の載置装置１０は、例えば図１に示すように、被処理体（例えば、ウエハ）Ｗを載置する載置台（ウエハチャック）１１と、このウエハチャック１１の外周縁部に配置されたフォーカスリング１２とを備え、ウエハチャック１１にはブロッキンブコンデンサ１３を介して８００ＫＨｚの高周波電源１４が接続されている。このウエハチャック１１は例えばアルミアルマイト、アルミナセラミック等によって電極として形成され、フォーカスリング１２は例えばシリコン、シリコンカーバイト等の導電性材料によって形成されている。この被処理体の載置装置１０は処理室（図示せず）内に配置されている。被処理体の載置装置１０の上方にはプラズマ発生手段が配置されている。プラズマ発生手段として被処理体の載置装置１０の上方に上部電極を配置した場合には、この上部電極に下部電極より周波数の高い高周波電力（例えば、２７．１２ＭＨｚ）を印加してプラズマを発生させる。従って、下部電極ではその高周波電力により自己バイアス電位が発生し、上部電極ではその高周波電力によりプラズマを発生する。
【００１６】
而して、上記ウエハチャック１１には冷媒流路１１Ｃが形成され、この冷媒流路１１Ｃ内を冷却媒体（例えば、エチレングリコール）が循環し、ウエハチャック１１を介してウエハＷを冷却する。冷媒流路１１Ｃとは別にウエハチャック１１内には熱伝達媒体としてのヘリウムガス等のバックサイドガスが通るガス流路（図示せず）が載置面１１Ａで開口して形成され、バックサイドガスを載置面１１ＡからウエハＷの裏面に向けてヘリウムガスを供給しウエハチャック１１によりウエハＷを効率よく冷却するようにしてある。
【００１７】
上記ウエハチャック１１の上面はウエハ載置面１１Ａとして形成されている。ウエハ載置面１１Ａの外側には段差を持ってリング状載置面１１Ｂが形成され、このリング状載置面１１Ｂ上にフォーカスリング１２が配置されている。フォーカスリング１２とリング状載置面１１Ｂの間にはリング状に形成された熱伝達媒体１５が介在し、この熱伝達媒体１５はリング状載置面１１Ｂとフォーカスリング１２間の熱伝達を円滑にしている。この熱伝達媒体１５は例えば導電性シリコンゴム等の耐熱性のある弾性部材により形成され、後述の押圧手段１６を介してリング状載置面１１Ｂ及びフォーカスリング１２と密着している。フォーカスリング１２の上面はウエハ載置面１１Ａ上のウエハＷの上面よりも僅かに高くなっている。フォーカスリング１２の内側には図２に示すようにその上面と段差のある薄肉部１２Ａが形成され、載置面１１Ａ上のウエハＷの外周縁部が第１薄肉部１２Ａに張り出すようになっている。また、同図に示すようにフォーカスリング１２の外側には内側と同様に第２薄肉部１２Ｂが形成され、この薄肉部１２Ｂを後述の押圧手段１６によって押圧し、フォーカスリング１２をリング状載置面１２Ｂ上に固定するようにしてある。
【００１８】
上記リング状載置面１１Ｂの外側には段差を持って張り出し部１１Ｄが形成され、この張り出し部１１Ｄに押圧手段１６が取り付けられている。リング状載置面１１Ｂと張り出し部１１Ｄの間の外周面は例えば石英等の発塵し難い耐熱性材料によって形成された円筒状の第１カバー部材１７によって被覆されている。この第１カバー部材１７の下端にはフランジ１７Ａが形成され、このフランジ１７Ａは張り出し部１１Ｄの内側に形成された溝内に収納され、張り出し部１１Ｄと面一になっている。
【００１９】
上記押圧手段１６は、図１に示すように、第１カバー部材１７の外面を被覆する筒状部材１８と、この筒状部材１８の下端に配置されたリング状部材１９と、このリング状部材１９に筒状部材１８を連結する第１ネジ部材２０と、リング状部材１９を張り出し部１１Ｄに締結する第２ネジ部材２１とを有し、フォーカスリング１２をリング状載置面１２Ｂに向けて押圧するようにしている。図１、図２に示すように筒状部材１８の上端の内側にはフランジ１８Ａが形成され、このフランジ１８Ａがフォーカスリング１２の第２薄肉部１２Ｂと係合する。筒状部材１８は例えばアルミナセラミック製の発塵し難い耐熱性材料によって形成され、リング状部材１９はアルミアルマイトによって形成されている。
【００２０】
上記筒状部材１８には周方向等間隔に軸芯方向に貫通する貫通孔が形成されている。各貫通孔は、上半部が下半部より半径が大きく形成されている。また、リング状部材１９には上記貫通孔に対応する雌ネジが形成され、貫通孔の下半部に装着された第１ネジ部材２０がリング状部材１９の雌ネジと螺合している。また、貫通孔の上半部には柱状部材２２が装着され、柱状部材２２によって貫通孔の上半部を埋め、筒状部材１８を補強している。この柱状部材２２は筒状部材１８と同一の材料によって形成されている。
【００２１】
また、上記張り出し部１１Ｄの外周縁部には第２カバー部材２３が固定され、第２カバー部材２３によってリング状部材１９の外側に形成された薄肉部１９Ａを被っている。そして、第２ネジ部材２１を介してリング状部材１９を第２カバー部材２３へ締結し、ひいては押圧手段１６をウエハチャック１１に固定している。そして、上記押圧手段１６の外面は第３カバー部材２４によって被覆されている、このカバー部材２４はウルテム（商品名）等の耐熱性樹脂によって形成されている。
【００２２】
次に、動作について説明する。処理室内の載置装置１０においてウエハＷを受け取ると、処理室が他から遮断されて密閉される。処理室内を所定の真空度に保ち、高周波電源１４からブロッキングコンデンサ１３を介してウエハチャック１１に高周波電力を印加すると共に上部電極により周波数の高い高周波電力を印加してエッチング用ガスを導入すると、処理室内ではエッチング用ガスのプラズマを発生する。プラズマはウエハチャック１１のフォーカスリング１２によりウエハチャック１１上のウエハＷに収束し、ウエハＷの表面に所定にエッチング処理を施す。
【００２３】
この際、ウエハＷはプラズマの攻撃によりエッチングが施されると共にその温度が上昇する。この際、冷却機構を構成する冷媒流路１１Ｃを流れるエチレングリコールによってウエハチャック１１を冷却しているために、ウエハチャック１１を介してウエハＷを冷却する。しかもバックサイドガスの働きによりウエハチャック１１の載置面１１ＡとウエハＷ間の熱伝達を円滑に行い、ウエハＷを効率良く冷却し、所定温度以上に上昇させることなく一定の温度に維持する。
【００２４】
一方、ウエハチャック１１の外周縁部のフォーカスリング１２もウエハ同様にプラズマの攻撃を受け、温度が上昇する。この際、フォーカスリング１２とリング状載置面１１Ｂ間に弾性のある導電性シリコンゴムによって形成された熱伝達媒体１５が介在し、しかも押圧手段１６によってフォーカスリング１２をリング状載置面１１Ｂに向けて押圧しているため、熱伝達媒体１５の上下両面がフォーカスリング１２及びリング状載置面１１Ｂと密着し、ウエハチャック１１、熱伝達媒体１５、フォーカスリング１２を同電位としてウエハＷ上に均一なプラズマを形成することができると共に、フォーカスリング１２とウエハチャック１１間の熱伝達を促し、フォーカスリング１２をウエハＷと同様に冷却し、ウエハＷと略同一の温度に維持し、両者間で殆ど温度差を生じることがないか、温度差があるとしても極めて僅かである。
【００２５】
従って、ウエハＷの外周縁部はフォーカスリング１２の温度による影響を受けることがなく、ウエハＷ全面で一定のエッチング処理を行うことができ、従来のようにホール抜け性が悪化したり、エッチングの選択比が悪化したりすることがない。
【００２６】
以上説明したように本実施形態によれば、ウエハチャック１１とフォーカスリング１２との間に熱伝達媒体１５を介在させると共にフォーカスリング１２をウエハチャック１１に対して押圧、固定する押圧手段１６を設けたため、冷却されたウエハチャック１１が熱伝達媒体１５を介してフォーカスリング１２から熱を円滑に奪い、フォーカスリング１２を効率良く冷却し、フォーカスリング１２とウエハＷと殆ど温度差がなく、ウエハＷ外周縁部でのホール抜け性やエッチングの選択比の悪化を防止し、ウエハＷの外周縁部をその内側と同様に均一にエッチングすることができ、歩留りを高めることができる。
【００２７】
また、本実施形態によれば、熱伝達媒体１５を導電性シリコンゴム等の耐熱性のある弾性部材により形成したため、ウエハチャック１１のリング状載置面１１Ｂとフォーカスリング１２を熱伝達媒体１５を介して密着させることができ、ウエハチャック１１によるフォーカスリング１２の冷却効率を一層高めることができる。また、押圧手段１６はフォーカスリング１２の第２薄肉部１２Ｂの上面に接触するフランジ１８Ａと、このフランジ１８Ａから下方に延びてウエハチャック１１を囲む筒状部材１８と、この筒状部材１８をリング状部材１９を介してウエハチャック１１の張り出し部１１Ｂに対して固定する第２ネジ部材２１とを有するため、押圧手段１６によってフォーカスリング１２を全周に亘ってリング状載置面１１Ｂに対して押圧固定することができる。また、フランジ１８Ａを有する筒状部材１８、リング状部材１９を耐熱性のあるセラミックにより形成したため、高温下でもフォーカスリング１２を安定的に固定することができ、高周波放電を確実に防止することができる。
【００２８】
次に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
本実施例では、平行平板型の上下の電極に高周波電力を印加し、載置装置１０を用いて下記条件でウエハのエッチングを行って直径０．６μｍの穴を形成した。エッチング中のフォーカスリングの表面温度は図３のグラフ▲１▼に示すように５０℃前後で推移し、２５枚目のウエハの穴の断面を図４の（ｂ）に示した。また、比較のために図４の（ａ）は標準的なフォーカスリングを装着した従来の載置装置を用いてウエハに穴を形成した時の１枚目（フォーカスリングの温度が上昇する前）の穴の断面を示している。尚、同図の（ａ）、（ｂ）においては、左側はウエハの中心の穴のエッチング状態を示し、中央は中心と外周との中間位置の穴のエッチング状態を示し、右側はフォーカスリングから５ｍｍ離れた位置に形成された穴のエッチング状態を示している。
図３のグラフ▲１▼及び図４の（ｂ）に示す結果から本実施形態のフォーカスリングを用いた載置装置はフォーカスリングの表面温度がウエハＷの温度と殆ど温度差がなく、また、フォーカスリングの表面温度が上昇する前の穴を示す（ａ）と同様にウエハＷ全面で均一なエッチング処理を行うことができた。
上部電極の印加電力 ：２７．１２ＭＨｚ、２０００Ｗ
下部電極の印加電力 ：８００ＫＨｚ、１４００Ｗ
上下電極の間隔 ：１７ｍｍ
ウエハチャック ：アルミナセラミック製
ウエハチャック設定温度：３０℃（但し、底部は−２０℃）
ウエハ設定温度 ：５０℃
フォーカスリング ：導電性シリコン製
フォーカスリング温度 ：図３にグラフ▲１▼で示す
処理室内の真空度 ：５．３３Ｐａ（＝４０ｍTorr）
エッチング用ガスの条件：Ｃ４Ｈ８／Ａｒ／Ｏ２＝２１／５１０／１１(sccm)
【００２９】
［比較例１］
本比較例では、図４の（ａ）の場合と同一の条件で後続のウエハに穴を形成した。この場合にはフォーカスリングの表面温度が図３のグラフ▲２▼に示すように急激にフォーカスリングの表面温度が上昇し、フォーカスリングの表面温度は２００〜２５０℃の範囲で推移した。また、図４の（ｃ）に示すように２５枚目の穴はフォーカスリングの近傍ではホール抜けせず、途中でエッチングが停止した。
【００３０】
図５は本発明の他の実施形態の要部を示す断面図である。本実施形態の被処理体の載置装置３０は、図５に示すように、ウエハＷを載置するウエハチャック３１と、このウエハチャック３１の外周縁部に配置されたフォーカスリング３２とを備え、図１に示す装置に準じて構成されている。ウエハチャック３１の上面はウエハ載置面３１Ａとして形成されている。ウエハ載置面３１Ａの外側には段差を持ってリング状載置面３１Ｂが形成され、このリング状載置面３１Ｂ上にフォーカスリング３２が配置されている。このフォーカスリング３２の内周縁部には図５に示すように上面側が欠けた薄肉部３２Ａが形成され、この薄肉部３２Ａの厚さがウエハ載置面３１Ａの高さと概ね等しくなっている。フォーカスリング３２の厚肉部３２Ｂはウエハ載置面３１Ａ上のウエハＷと略面一になっている。
【００３１】
上記フォーカスリング３２とリング状載置面３１Ｂの間にはリングプレート状に形成された熱伝達媒体３５が介在し、この熱伝達媒体３５はリング状載置面３１Ｂとフォーカスリング３２間の熱伝達を円滑にしている。この熱伝達媒体３５は導電性シリコンゴム等の耐熱性のある導電性部材により形成され、リング状載置面３１Ｂに貼着されている。従って、ウエハチャック３１、熱伝達媒体３５、フォーカスリング３２を同電位としてウエハＷ上に均一なプラズマを形成することができる。このフォーカスリング３２はリング状載置面３１Ｂに配置された状態でその内周面とウエハ載置面３１Ａとの間に隙間が形成されている。この隙間には充填部材３５Ａが充填され、この充填部材３５Ａによってプラズマの隙間への回り込みを防止し、ウエハ載置面３１Ａの外周面及び熱伝達媒体３５がプラズマにより損傷しないようにしてある。充填部材３５Ａは熱伝達媒体３５と同一材料または適宜の合成樹脂によって形成されている。充填部材３５Ａは予め隙間を埋めるリング形状に形成されたものであっても、コンパウンドのように埋めるものであっても良い。本実施形態においても図１に示す被処理体の載置装置１０に準じた作用効果を期することができる。
【００３２】
図６は本発明の更に他の実施形態の要部を示す断面図である。本実施形態の被処理体の載置装置４０はフォーカスリング４２の断面形状が図５に示すものと相違する以外は図５に準じて構成されている。フォーカスリング４２の内周縁部には図６に示すように上面側及び下面側がそれぞれ欠けた薄肉部４２Ａが形成され、この薄肉部４２Ａの上面の高さがウエハ載置面４１Ａの高さと概ね等しくなっている。このフォーカスリングの内径はウエハ載置台４１Ａの外径より若干大きく形成されているが、両者間には隙間が殆どない状態になっている。フォーカスリング４２の厚肉部４２Ｂはウエハ載置面４１Ａ上のウエハＷと略面一になっている。そして、リング状載置面４１Ｂとフォーカスリング４２間に介在する熱伝達媒体４５はリング状載置面４１Ｂに対して貼着されている。また、フォーカスリング４２の内周縁部とリング状載置面４１Ｂの間には図６に示すように隙間が形成され、この隙間に充填部材４５Ａが充填され、ウエハ載置面４１Ａとフォーカスリング４２間にプラズマが回り込まないようになっている。本実施形態においても図１に示す被処理体の載置装置１０に準じた作用効果を期することができる。
【００３３】
図７は本発明の更に他の実施形態の要部を示す断面図である。本実施形態の被処理体の載置装置５０はフォーカスリング５２の取付構造が図６に示す実施形態と異にしている。即ち、フォーカスリング５２の裏面には熱伝導性に優れたアルミニウム等の金属あるいは窒化アルミニウム等のセラミックからなる補強材５５が熱伝導性に優れたエポキシ系またはシリコン系等の接着剤を介して貼り合わされている。従って、フォーカスリング５２は熱伝達媒体からなる補強材５５によって機械的強度が補強されている。補強材５５は外径がフォーカスリング５２の外径よりも大きく、フォーカスリング５２からはみ出した部分でネジ部材５６Ａを介してリング状載置面５１Ｂに締結されている。また、リング状載置面５１Ｂにはヘリウムガス等のバックサイドガスの流路５１Ｃが開口している。この開口部５１Ｄは補強材５５全周に渡って形成され、バックサイドガスが補強材５５で封止された空間に充満し、冷却された載置台５１の冷熱でフォーカスリング５２を効率良く冷却する。開口部５１ＤはＯリング５１Ｅによってシールされている。
更に、フォーカスリング５２の外周縁部及び補強材５５の外周縁部は石英製のカバー部材５４によって被覆され、カバー部材５４によって載置台５１、フォーカスリング５２及び補強材５５の外周面をプラズマから保護している。尚、図７において、５６Ｂはウエハチャック５１を冷却、加熱を有する温調機構に締結するネジ部材である。本実施形態においても図１に示す被処理体の載置装置１０に準じた作用効果を期することができる。
【００３４】
尚、本発明は上記各実施形態に何等制限されるものではない。要は、フォーカスリングとウエハチャック間に熱伝達媒体が介在し、両者間の熱伝達を円滑に行うようにしてあれば良い。従って、熱伝達媒体はリング状載置面に対して貼着しても良く、また単にリング状載置面上に載置するだけでも良い。フォーカスリングと熱伝達媒体はフォーカスリングに対して貼着してもしなくても良い。充填部材も熱伝達媒体に準じてリング状載置面に取り付けることができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、フォーカスリングの温度上昇を抑制しその近傍でのプラズマ処理特性の経時的変化をなくする共に被処理体全面で均一なプラズマを形成して被処理体全面を均一に処理することができる被処理体の載置装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の被処理体の載置装置の一実施形態を示す要部断面図である。
【図２】図１に示すフォーカスリングを中心に拡大して示した断面図である。
【図３】エッチング時のフォーカスリングの表面温度の経時的変化を示すグラフである。
【図４】（ａ）は従来のフォーカスリングを用いた時の最初のエッチング状態を示す断面図、（ｂ）は図１、図２に示すフォーカスリングを用いた時の２５枚目のウエハのエッチング状態を示す（ａ）に相当する断面図、（ｃ）は従来のフォーカスリングを用いた時の２５枚目のウエハのエッチング状態を示す（ａ）に相当する断面図である。
【図５】本発明の被処理体の載置装置の他の実施形態を示す要部断面図である。
【図６】本発明の被処理体の載置装置の更に他の実施形態を示す要部断面図である。
【図７】本発明の被処理体の載置装置の更に他の実施形態を示す要部断面図である。
【図８】従来の被処理体の載置装置の一例を示す図１に相当する断面図である。
【符号の説明】
１０、３０、４０、５０ 被処理体の載置装置
１１、３１、４１、５１ ウエハチャック（載置台）
１１Ａ、３１Ａ、４１Ａ、５１Ａ ウエハ載置面
１１Ｂ、３１Ｂ、４１Ｂ、５１Ｂ リング状載置面
１１Ｃ 冷媒流路（冷却機構）
１２、３２、４２、５２ フォーカスリング
１５、３５、４５、５５ 熱伝達媒体
１６ 押圧手段

Claims (5)

  1. 被処理体を載置する冷却機構を内蔵した載置台と、この載置台の載置面の外周縁部に段差を持って形成されたリング状載置面に配置されたフォーカスリングとを備えた被処理体の載置装置において、上記リング状載置面と上記フォーカスリングとの間に導電性及び弾性を有する耐熱性熱伝達媒体を介在させたことを特徴とする被処理体の載置装置。
  2. 上記フォーカスリングを上記載置台に対して押圧、固定する押圧手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の被処理体の載置装置。
  3. 上記押圧手段は上記フォーカスリング上面の外周縁部に接触する接触部と、この接触部から下方に延びて上記載置台を囲む延設部と、この延設部を上記載置台に対して固定する固定部材とを有することを特徴とする請求項２に記載の被処理体の載置装置。
  4. 上記接触部及び上記延設部をセラミックにより形成したことを特徴とする請求項３に記載の被処理体の載置装置。
  5. 上記耐熱性熱伝達媒体を導電性シリコンゴムにより形成したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の被処理体の載置装置。
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