(57)【要約】【課題】低電圧を使用し且つ磁場の影響がないシリコン光電子増倍管を提供する。【解決手段】本発明のシリコン光電子増倍管は、第１タイプのシリコン基板と、前記第１タイプのシリコン基板上に形成された第１タイプのエピタキシャル層、前記第１タイプのエピタキシャル層上に形成された第１タイプの伝導層、および前記第１タイプの伝導層上に形成された第２タイプの伝導層からなるセルと、隣接する前記セルが分離されるように前記セル同士の間に位置する分離要素と、前記第２タイプの伝導層の上面および前記分離要素の内壁に形成された反射防止コーティング層とを含み、前記第１タイプの伝導層および前記第２タイプの伝導層のいずれか一つは複数列から構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１タイプのシリコン基板と、
前記第１タイプのシリコン基板上に形成された第１タイプのエピタキシャル層、前記第１タイプのエピタキシャル層上に形成された第１タイプの伝導層、および前記第１タイプの伝導層上に形成された第２タイプの伝導層を含んでなるセルと、
隣接する前記セルが分離されるように前記セル同士の間に位置する分離要素と、
前記第２タイプの伝導層の上面および前記分離要素に形成された反射防止コーティング層とを含み、
前記第１タイプの伝導層および前記第２タイプの伝導層のいずれか一つは複数列から構成されることを特徴とする、シリコン光電子増倍管。
【請求項２】
前記反射防止コーティング層は、ポリシリコン、シリコン窒化物、リン−錫酸化物、ポリシリコンとリン−錫酸化物との混合物、およびポリシリコンとシリコン窒化物との混合物よりなる群から選ばれたいずれか一つからなり、２０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載のシリコン光電子増倍管。
【請求項３】
前記第１タイプのシリコン基板は１０１７〜１０２０ｃｍ−３のエージェント濃度を有することを特徴とする、請求項１に記載のシリコン光電子増倍管。
【請求項４】
前記第１タイプのエピタキシャル層は、１０１４〜１０１８ｃｍ−３のエージェント濃度を有し、３μｍ〜１０μｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載のシリコン光電子増倍管。
【請求項５】
前記第１タイプの伝導層は１０１５〜１０１８ｃｍ−３のエージェント濃度を有し、前記第２タイプの伝導層は１０１８〜１０２０ｃｍ−３のエージェント濃度を有することを特徴とする、請求項１に記載のシリコン光電子増倍管。
【請求項６】
前記第２タイプの伝導層に電圧を供給するために前記反射防止コーティング層上に形成された電圧分配バスと、
前記第２タイプの伝導層と前記電圧分配バスとを連結するために前記反射防止コーティング層上に形成されたシリコン抵抗器とをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のシリコン光電子増倍管。
【請求項７】
前記シリコン抵抗器は１ｋΩ〜１００ＭΩの抵抗値を有することを特徴とする、請求項６に記載のシリコン光電子増倍管。
【請求項８】
前記分離要素に充填された絶縁物質をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のシリコン光電子増倍管。
【請求項９】
前記絶縁物質は、ポリイミド、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、エチレンビニルアセテート、アクリロニトリルスチレンアクリレート、ポリメチルメタクリレート、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリカーボネート、変性ポリプロピレンオキシド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステルエラストマー、ポリフェニレンサルファイド、ポリスルホン、ポリフタル酸アミド、ポリエーテルスルホン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリアリレート、ポリテトラフルオロエチレン、およびポリシリコンのいずれか一つまたはその組み合わせであることを特徴とする、請求項８に記載のシリコン光電子増倍管。
【請求項１０】
前記分離要素の外壁に形成されたガードリングをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のシリコン光電子増倍管。
【請求項１１】
前記ガードリングは第２タイプでドーピングされ、１０１４〜１０１８ｃｍ−３のエージェント濃度を有することを特徴とする、請求項１０に記載のシリコン光電子増倍管。
【請求項１２】
前記ガードリングは、前記分離要素の外壁全体を取り囲むように形成されたことを特徴とする、請求項１０に記載のシリコン光電子増倍管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン光電子増倍管に関する。
【背景技術】
【０００２】
光を受光して電気的信号に変える光検出器は、撮像素子、医療機器、国防設備、単一光子検出分野、および高エネルギー物理分野で用いられている。
光検出器が高性能放射線センサーとして使用される場合、低い照射量に対して敏感であり、単一光子に対する情報を獲得することができなければならない。一般に、単一光子検出器は、真空管型の光電子増倍管（Photomultiplier tube、ＰＭＴ）が多用されており、半導体方式のピンフォトダイオード(PIN photodiode)、アバランシェフォトダイオード(Avalanche photodiode)、およびガイガーモードアバランシェフォトダイオード(Giger mode Avalanche photodiode)などが使用されたりもする。
【０００３】
従来多く使用された真空管型の光電子増倍管（ＰＭＴ）は、体積が大きく、１ｋＶ以上の高い電圧を使用しなければならないうえ、価格が相対的に高価である。また、従来の真空管型の光電子増倍管は、磁場内において影響を受けるため、大きい磁場を使用する装備、例えばＭＲＩ(Magnetic resonance Imaging)などでは使用できないという問題点があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、本発明は、上述した問題点を解決するためのもので、その目的とするところは、低電圧を使用し、磁場の影響がないシリコン光電子増倍管を提供することにある。
【０００５】
本発明の他の目的は、隣接するセル同士の間に分離要素とガードリングを含むシリコン光電子増倍管を提供することにある。
本発明の別の目的は、第１タイプの伝導層および第２タイプの伝導層のいずれか一つが多数の配列構造を有することにより短波長光の検出効率が増大した、シリコン光電子増倍管を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係るシリコン光電子増倍管は、第１タイプのシリコン基板と、前記第１タイプのシリコン基板上に形成された第１タイプのエピタキシャル層、前記第１タイプのエピタキシャル層上に形成された第１タイプの伝導層、および前記第１タイプの伝導層上に形成された第２タイプの伝導層を含んでなるセルと、隣接する前記セルが分離されるように前記セル同士の間に位置する分離要素と、前記第２タイプの伝導層の上面および前記分離要素の内壁に形成された反射防止コーティング層とを含み、前記第１タイプの伝導層および前記第２タイプの伝導層のいずれか一つは複数列から構成されることを特徴とする。
【０００７】
また、前記反射防止コーティング層は、ポリシリコン、シリコン窒化物、リン−錫酸化物、ポリシリコンとリン−錫酸化物の混合物、およびポリシリコンとシリコン窒化物の混合物よりなる群から選ばれたいずれか一つからなり、２０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを有することを特徴とする。
【０００８】
また、前記第１タイプのシリコン基板は、１０１７〜１０２０ｃｍ−３のエージェント濃度を有することを特徴とする。
また、前記第１タイプのエピタキシャル層は、１０１４〜１０１８ｃｍ−３のエージェント濃度を有し、前記第２タイプの伝導層は１０１８〜１０２０ｃｍ−３のエージェント濃度を有することを特徴とする。
【０００９】
また、前記第２タイプの伝導層に電圧を供給するために前記反射防止コーティング層上に形成された電圧分配バス、および前記第２タイプの伝導層と前記電圧分配バスとを連結するために前記反射防止コーティング層上に形成されたシリコン抵抗器をさらに含むことを特徴とする。
また、前記シリコン抵抗器は１ｋΩ〜１００ＭΩの抵抗値を有することを特徴とする。
また、前記分離要素に充填された絶縁物質をさらに含むことを特徴とする。
【００１０】
また、前記絶縁物質は、ポリイミド、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、エチレンビニルアセテート、アクリロニトリルスチレンアクリレート、ポリメチルメタクリレート、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリカーボネート、変性ポリプロピレンオキシド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステルエラストマー、ポリフェニレンサルファイド、ポリスルホン、ポリフタル酸アミド、ポリエーテルスルホン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリアリレート、ポリテトラフルオロエチレン、およびポリシリコンのいずれか一つまたはその組み合わせであることを特徴とする。
【００１１】
また、前記分離要素の外壁に形成されたガードリングをさらに含むことを特徴とする。
また、前記ガードリングは第２タイプでドーピングされ、１０１４〜１０１８ｃｍ−３のエージェント濃度を有することを特徴とする。
また、前記ガードリングは、前記分離要素の外壁全体を取り囲むように形成されたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の特徴および利点らは、添付図面に基づいた次の詳細な説明からさらに明白になるであろう。
これに先立ち、本明細書および請求の範囲に使用された用語または単語は、通常的かつ辞典的な意味で解釈されてはならず、発明者が自分の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に基づき、本発明の技術的思想に符合する意味と概念で解釈されなければならない。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るシリコン光電子増倍管は、第１タイプの伝導層および第２タイプの伝導層のいずれか一つが複数列の形状を持つことにより、短波長光の検出効率が増加する。
また、本発明によれば、複数列形状の伝導層を形成すると、均一な伝導層を持つことができるため、光検出効率が増加する。
【００１４】
また、本発明によれば、ＰＮ接合の深さを調節して降伏電圧を低めることができ、それにより作動電圧が低くなる。
また、本発明によれば、分離要素、分離要素に充填された絶縁物質、分離要素の外壁に形成されたガードリングは光雑音を減少させることにより、シリコン光電子増倍管がさらに安定的に作動するようにする。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の好適な第１実施例に係るシリコン光電子増倍管の断面図である。
【図２】本発明の好適な第２実施例に係るシリコン光電子増倍管の断面図である。
【図３】本発明の好適な第３実施例に係るシリコン光電子増倍管の断面図である。
【図４】本発明の好適な第３実施例に係るシリコン光電子増倍管の光検出効率に対するシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】本発明の好適な第４実施例に係るシリコン光電子増倍管の断面図である。
【図６】本発明の好適な第５実施例に係るシリコン光電子増倍管の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の目的、特定の利点および新規の特徴は添付図面に連関する以下の詳細な説明と好適な実施例からさらに明白になるであろう。本発明において、各図面の構成要素に参照番号を付加するにおいて、同一の構成要素については、他の図面上に表示されても、出来る限り同一の番号を付することに留意すべきであろう。なお、本発明を説明するにおいて、関連した公知の技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を無駄に乱すおそれがあると判断される場合、その詳細な説明は省略する。
【００１７】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例に係るシリコン光電子増倍管の断面図、図２は本発明の第２実施例に係るシリコン光電子増倍管の断面図である。これらの図面を参照して本実施例に係るシリコン光電子増倍管について説明すると、下記のとおりである。
【００１８】
図１を参照すると、多数のセルからなるシリコン光電子増倍管は、第１タイプのシリコン基板１１と、第１タイプのエピタキシャル層１２、第１タイプの伝導層１３および第２タイプの伝導層からなるセルと、隣接するセルを分離する分離要素１５と、第２タイプの伝導層１４の上面および分離要素１５の内壁に形成された反射防止コーティング層１６とを含んでなる。
【００１９】
ここで、第１タイプと第２タイプは、ドーピング物質によって分けられるＰ型とＮ型を区分して表現するための用語として使われている。図１において、第１タイプはＰ型を示しており、第２タイプはＮ型を示している。但し、図１に示したシリコン光電子増倍管は、一つの例示に過ぎず、第１タイプがＮ型であり、第２タイプはＰ型であるシリコン光電子増倍管の実施も可能である。次に、説明の便宜上、第１タイプはＰ型、第２タイプはＮ型のシリコン光電子増倍管を一例として説明する。
この際、第１タイプのシリコン基板１１は、シリコン光電子増倍管の基盤を成し、１０１７〜１０２０ｃｍ−３のドーピングエージェント濃度を有する。それにより、第１タイプのシリコン基板１１上には同一タイプのエピタキシャル層を成長させることができる。
【００２０】
上述した第１タイプのシリコン基板１１を基盤としてその上に複数のセルが形成される。一つのセルは第１タイプのエピタキシャル層１２、第１タイプの伝導層１３および第２タイプの伝導層１４を含んでなる。
まず、第１タイプのシリコン基板１１上に第１タイプのエピタキシャル層１２が形成される。その厚さは３μｍ〜１０μｍであることが好ましい。この際、第１タイプのエピタキシャル層１２は１０１４〜１０１８ｃｍ−３のドーピングエージェント濃度を有する。
【００２１】
また、第１タイプのエピタキシャル層１２上に第１タイプの伝導層１３が形成される。このような第１タイプの伝導層１３は１０１５〜１０１８ｃｍ−３のドーピングエージェント濃度を有することが好ましい。
また、第１タイプの伝導層１３上に第２タイプの伝導層１４が形成される。このような第２タイプの伝導層１４は１０１８〜１０２０ｃｍ−３のドーピングエージェント濃度を有することが好ましい。
但し、第１タイプのエピタキシャル層１２、第１タイプの伝導層１３、および第２タイプの伝導層１４のドーピングエージェント濃度は変形できる。
この際、第１タイプの伝導層１３と第２タイプの伝導層１４との間ではＰＮ接合が生じて空乏層が形成される。本実施例に係る空乏層の深さは０．３μｍ〜０．８μｍであることが好ましい。このような薄い空乏層を形成すると、ＰＮ接合付近の電場は１０５Ｖ／ｃｍと大きくなり、光増倍は多く発生する。
【００２２】
また、伝導層１３、１４の濃度に応じて前記空乏層の深さを調節することにより、  降伏電圧(breakdown voltage)を調節することができる。すなわち伝導層１３、１４が高濃度でドープできるように空乏層の深さが短くなり、これにより降伏電圧も減少する。一般に、降伏電圧以上で作動電圧(bias voltage)が形成されるので、降伏電圧が減少するというのは作動電圧が減少することを意味する。
したがって、前記それぞれの伝導層１３、１４の濃度、特に第１タイプの伝導層１３の濃度を調節することにより、作動電圧を減少させることができる（たとえば、２０Ｖ以下に減少させることができる）。そして、作動電圧が減少すると、シリコン光電子増倍管内の雑音であるダークレート(dark-rate)も減少できる。
【００２３】
上述した第１タイプの伝導層１３と第２タイプの伝導層１４のいずれか一つは複数列から構成される。図１には第１タイプの伝導層１３が３列から構成されている。この際、第１タイプまたは第２タイプの伝導層が持つ列の数は、例えば２列または４列に変形できる。
【００２４】
また、図２に示すように、第１タイプの伝導層内に３列の第２タイプの伝導層が配列された構造を持つことができる。このような配列を持つ場合も、図１に示した配列と同様の効果が発生する。
第１タイプの伝導層１３と第２タイプの伝導層１４のいずれか一つが複数列から構成される場合、短波長領域の光検出効率を増大させることができる。その詳細な説明は図４を参照して後述する。
【００２５】
また、シリコン光電子増倍管は、複数のセルを含むが、それぞれのセルを分離する分離要素１５も含む。前記分離要素１５は、図１に示すように、トレンチからなることが好ましい。但し、トレンチの形状は限定されない。
このような分離要素１５は、後述するように、セルにおいてガイガー放電の２次光子によって生成される光電子が隣接セルの感度領域へ浸透する現象を防止する。よって、分離要素１５は、第１タイプのエピタキシャル層１２を貫いて第１タイプのシリコン基板１１に達するように形成されることが好ましい。
【００２６】
シリコン光電子増倍管は、第２タイプの伝導層１４の上面および分離要素１５の内壁に反射防止コーティング層１６をさらに含んで構成できる。
外部の光は、第２タイプの伝導層１４および分離要素１５に向かって入射するが、反射防止コーティング層１６は反射される光の量を減少させてセルの感度を増加させ、増加したセルの感度は広い帯域の波長に対する光検出効率を高めることができる。
このような反射防止コーティング層１６は、主にシリコンオキサイド層であり、ポリシリコン、シリコン窒化物（Ｓｉ３Ｎ４）およびリン−錫酸化物（ＩＴＯ、Indium Tin Oxide）のいずれか一つ、或いはポリシリコンとリン−錫酸化物との混合物、ポリシリコンとシリコン窒化物との混合物のいずれか一つからなり、約２０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを持つことが好ましい。
また、シリコン光電子増倍管は、電圧分配バス１７とシリコン抵抗器１８をさらに含むことができる。
【００２７】
電圧分配バス１７は、第２タイプの伝導層１４に形成された反射防止コーティング層１６上に形成され、第２タイプの伝導層１４に電圧を供給する。電圧分配バス１７はアルミニウムなどの金属から構成される。
また、シリコン抵抗器１８も第２タイプの伝導層１４に形成された反射防止コーティング層１６上に形成され、電圧分配バス１７に連結されて第２タイプの伝導層１４へ電圧を伝達する。このようなシリコン抵抗器１８は１ｋΩ〜１００ＭΩの抵抗値を有することが好ましい。
【００２８】
図３は本発明の第３実施例に係るシリコン光電子増倍管の断面図である。以下、図３を参照して本実施例に係るシリコン光電子増倍管について説明する。但し、図１および図２を参照して説明したシリコン光電子増倍管と同一の構成要素についての詳細な説明は省略する。
【００２９】
図３に示すように、本実施例に係るシリコン光電子増倍管は、分離要素１５に充填された絶縁物質１９をさらに含むことを特徴とする。分離要素１５の内部を空いた状態で置かずに絶縁物質で充填することにより、さらに堅固なセル構造を持つシリコン光電子増倍管を提供することができる。
【００３０】
このような絶縁物質は、例えば、ポリイミド、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、エチレンビニルアセテート(ＥＶＡ)、アクリロニトリルスチレンアクリレート（ＡＳＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエステルエラストマー、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリスルホン、ポリフタル酸アミド、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリアリレート、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＥＦＥ）、およびポリシリコンのいずれか一つまたはその組み合わせを含むことができる。
分離要素１５に充填された絶縁物質１９は、分離要素１５と共に、隣接するセルから発生した光電子が他のセルの感度領域に浸透する現象を防止する。
【００３１】
図４は本発明の第３実施例 に係るシリコン光電子増倍管の光検出効率に対するシミュレーション結果を示すグラフである。
図４に示した光検出効率を有するシリコン光電子増倍管によれば、第２タイプの伝導層１４は３×１０１２ｃｍ−３のドーズが注入され、第１タイプの伝導層１３は２×１０１２ｃｍ−３のドーズが注入され、第１タイプのエピタキシャル層は２×１０１５ｃｍ−３のドーピングエージェント濃度を有し、セルの幅は３０μｍであり、３列に配列された第１タイプの伝導層における隣接する伝導層間の幅は０．５μｍである。これは、一体の第１タイプの伝導層を有するシリコン光電子増倍管の光検出効率と比較したとき、約５００ｎｍの波長を有する短波長光に対する検出効率が増加することが分かる。
【００３２】
本実施例に係るシリコン光電子増倍管は、短波長の光を検出して電気的信号に変える効率が増加するので、外部からブルー系列の光が照射される場合、本実施例に係るシリコン光電子増倍管の効用性は高くなる。
【００３３】
図５は本発明の第４実施例に係るシリコン光電子増倍管の断面図、図６は本発明の第５実施例に係るシリコン光電子増倍管の断面図である。以下、これらの図面を参照して本実施例に係るシリコン光電子増倍管を説明する。但し、図１および図３を参照して説明したシリコン光電子増倍管と同一の構成要素についての詳細な説明は省略する。
【００３４】
図５に示すように、本実施例に係るシリコン光電子増倍管は、分離要素１５の外壁に形成されたガードリング２０をさらに含むことを特徴とする。
このようなガードリング２０は、分離要素１５を形成した後、インプラント工法を用いて第２タイプのガードリング２０を形成する。この際、前記第２タイプのガードリング２０は１０１４〜１０１８ｃｍ−３のドーピングエージェント濃度を有する。このようなガードリング２０は、分離要素１５および分離要素の内部に充填された絶縁物質と共に、隣接するセルから発生した光電子が他のセルの感度領域に浸透する現象を防止する。
【００３５】
このようなガードリング２０は、分離要素１５の一部を取り囲むように形成できる。図５に示すように、ガードリング２０は、分離要素１５の下端を取り囲むように形成できる。但し、これは一つの例示に過ぎず、分離要素１５の外壁を一部取り囲むように形成できる。また、その形状は楕円形であってもよく、分離要素５の形状に対応する形状であってもよい。
【００３６】
図６に示すように、ガードリング２０−２は、分離要素１５の外壁全体を取り囲むように形成できる。このようなガードリング２０−２は、図５に示したガードリング２０より光学的分離度がさらに向上し、第１タイプの伝導層２３と分離要素との間から発生しうるダークレートを減少させることができる。
ガードリング２０、２０−２は、分離要素１５に結合している形態なので、分離要素１５自体の間隔を狭くしても高い光学的分離度を提供することができ、セル以外の領域においてサイズを減少させることができるため、全体的なシリコン光電子増倍管の小型化が可能である。
【００３７】
本発明では、説明の便宜上、単一光子を検出することが可能なシリコン光電子増倍管について説明したが、上述したようなセル構造を持つシリコン光電子増倍管をアイレ形態で製作することにより、大面積の光入射を行って精密な光検出が可能である。このようなアレイの形態は例えば２×２、３×３、４×４、８×８および１６×１６などの形態にすることができる。
【００３８】
また、本発明では、説明の便宜上、第１タイプの基板上に生成される第１タイプのエピタキシャル層、前記エピタキシャル層に形成される第１タイプの伝導層、第２タイプの伝導層および第２タイプのガードリングを含むシリコン光電子増倍管を例として挙げたが、その反対タイプのシリコン光電子増倍管の逆実施例も可能であり、このような逆実施例も上述したような同一の効果を持つことができるのは勿論である。
【００３９】
一方、本発明は記載された実施例に限定されるものではない。本発明の思想および範囲から逸脱することなく多様な修正および変形を加え得ることは、当該技術分野における通常の知識を有する者には自明である。よって、それらの変形例または修正例は本発明の特許請求の範囲に属するものと理解すべきであろう。
【符号の説明】
【００４０】
１１    第１タイプのシリコン基板
１２    第１タイプのエピタキシャル層
１３    第１タイプの伝導層
１４    第２タイプの伝導層
１５    分離要素
１６    反射防止コーティング層
１７    電圧分配バス
１８    シリコン抵抗器
１９    絶縁物質
２０、２０−２    ガードリング
【図１】
2011071455.tif 000003
【図２】
2011071455.tif 000004
【図３】
2011071455.tif 000005
【図４】
2011071455.tif 000006
【図５】
2011071455.tif 000007
【図６】
2011071455.tif 000008