(57)【要約】  中間気圧及び高気圧においても高い一様性と高密度、かつ低温の広幅のプラズマジェットを発生することが可能なマイクロ波励起プラズマ処理装置を提供することを課題とするものであり、該マイクロ波プラズマ処理装置は、誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の端部に設けられた該誘電体基板の厚みが徐々に小さくなる形状のテーパー部と、マイクロストリップ線路と、アース導体と、マイクロ波入力部と、前記誘電体基板内にガスを入力するためのガス入力口と、プラズマ発生部と、前記プラズマ発生部に一様な流速を持つ広幅のガス流を供給するために前記誘電体基板内部に設けられた、ガス流が進行するに従ってガス流幅が広くなるように形成されたガス流広幅化部と、ガスを前記ガス流広幅化部に供給するためのガス流路と、プラズマを吹き出させるためのノズルと、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
2015030191.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板と、
前記誘電体基板の一方の端部に設けられた該誘電体基板の厚みが徐々に小さくなる形状のテーパー部と、
前記誘電体基板の表面と裏面とのうちのいずれかの面である第１の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられたマイクロストリップ線路と、
前記誘電体基板の前記第１の面の反対側の面である第２の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられたアース導体と、
前記誘電体基板の一方の端部において、前記マイクロストリップ線路と前記アース導体との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部と、
前記誘電体基板内にガスを入力するためのガス入力口と、
前記マイクロ波入力部から入力されたマイクロ波によりプラズマを発生させるための空間であり、かつ、前記テーパー部の前記誘電体基板内に設けられた空間であるプラズマ発生部と、
前記プラズマ発生部に一様な流速を持つ広幅のガス流を供給するために前記誘電体基板内部に設けられた、ガス流が進行するに従ってガス流幅が広くなるように形成されたガス流広幅化部と、
前記ガス入力口から入力されるガスを前記ガス流広幅化部に供給するためのガス流路と、
前記プラズマ発生部に供給されるガスとマイクロ波により発生するプラズマを吐出させるためのノズルと、  
を備えることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項２】
誘電体基板と、
前記誘電体基板の一方の端部に設けられた該誘電体基板の厚みが徐々に小さくなる形状のテーパー部と、
前記誘電体基板の表面と裏面とのうちのいずれかの面である第１の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられたマイクロストリップ線路と、
前記誘電体基板の前記第１の面の反対側の面である第２の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられたアース導体と、
前記誘電体基板の一方の端部において、前記マイクロストリップ線路と前記アース導体との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部と、
前記テーパー部において、前記アース導体の端と前記マイクロストリップ線路の端とに挟まれた空間であり、前記誘電体基板の前記第２の面に形成されるマイクロ波集中の隙間と、
前記アース導体と接して、前記マイクロ波集中の隙間に一様な流速の広幅のガス流を供給するために設けられる、ガス流が進行するに従ってガス流幅が広くなるように形成されたガス流広幅化部を有するガス供給板と、
前記ガス供給板内にガスを入力するためのガス入力口と、
前記ガス供給板において、前記ガス入力口から入力されるガスを前記ガス流広幅化部に供給するためのガス流路と、
前記ガス流広幅化部から供給されるガスから、前記マイクロ波集中の隙間から放射するマイクロ波によりプラズマを発生させるための、前記ガス供給板に形成された、前記マイクロ波集中の隙間と面する空間であるプラズマ発生部と、
前記プラズマ発生部に供給するガスからマイクロ波により生成されるプラズマを吐出させるためのノズルと、
を備えることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項３】
前記ガス流広幅化部が、前記ノズルの長軸方向に沿って、一定の間隔で設けられている複数の突起状の障害物、又は柱が形成された部分であるガスシャワー部を備えている請求項１または２に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項４】
前記マイクロストリップ線路は、
一方の端部に設けられた一つの入力端と、
前記入力端から入力されたマイクロ波を分岐する分岐部と、
前記分岐部から分かれた複数のラインと、
前記複数のラインに対応する他方の端部に設けられた複数の出力端と、
を備え、
前記他方の端部の幅を徐々に狭くすることで、インピーダンスを高め、前記プラズマ発生部におけるマイクロ波電界が強くなるようにした請求項１から３のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項５】
前記ガス流広幅化部は、
一方の端部に設けられた一つの入力端と、
前記ガス流路から入力されるガス流を分岐する分岐部と、
前記分岐部から分かれ、ガス流が進行するにつれてガス流の幅が広がるように、幅が徐々に広がるように形成された複数のラインと、
前記複数のラインから流れるガス流が一つに合流する長軸形状の空間と、
を備えた、請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ装置を、前記誘電体基板と前記アース導体を共用して、横に並べることで、長い長軸のプラズマを発生させるように構成したマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに１項記載のマイクロ波プラズマ装置を、希ガス、又は反応性ガス、又は希ガスと反応性ガスの混合ガスを供給し、
低気圧又は中間気圧又は高気圧においてプラズマを発生させるようにしたマイクロ波プラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波電力によりプラズマを発生させて、ウエハ等の被処理基板に、プラズマを使用したＣＶＤ（化学気相合成）、エッチング、アッシング（レジスト灰化処理）、プラズマ窒化、等の処理を施す、マイクロ波プラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、材料開発や生産技術等における多くの分野でプラズマ処理技術は不可欠なものになっている。プラズマは高い非熱平衡性を持ちながら、高密度のラジカルを生成することができるので低温ドライプロセス技術に広く使われている。【０００３】
また、従来より、中間気圧（１ｔｏｒｒ〜１００ｔｏｒｒ）から大気圧間の圧力下におけるプラズマ源の一つとして、プラズマジェットが利用されている。プラズマジェットは装置のノズルからプラズマを吹き出すので、ウエハ等の被処理基板に、プラズマを使用したＣＶＤ（化学気相合成）、エッチング、アッシング（レジスト灰化処理）、プラズマ窒化等の処理を施す、有用なものである。【０００４】
現在、プラズマジェットを生成させるには、直流アーク放電又は直流パルス放電を用いる方法がよく知られている。しかし、直流アーク放電又は直流パルス放電を用いる方法は、電極が劣化しやすいこと、反応性ガスの使用ができないこと、等の様々な問題を有している。【０００５】
また、誘電体バリア放電を用いる方法がよく知られている。しかし、誘電体バリア放電を用いる方法では、フィラメント状の放電が発生する、高密度のラジカル生成ができないこと、等の様々な問題を有している。【０００６】
また、無電極方式のプラズマジェット生成装置も知られている。例えば、ＶＨＦ帯（３０−３００ＭＨｚ）の高周波を用いた誘導結合式熱プラズマ発生装置が提案されている（特許文献１を参照）。しかし、提案されているプラズマジェット生成装置はインピーダンスマッチングが複雑であること、構造上の問題で大規模化ができないこと、かつ高電圧の電気回路を用いるので装置の製作上及び運転上における様々な限界と問題点を有している。【０００７】
一方、マイクロ波放電を用いてプラズマジェットを生成すると次のような利点がある。
（１）マイクロ波電源が安い。
（２）無電極運転が可能であり、放電維持寿命が長い。
（３）インピーダンスマッチングが簡単な素子で可能。
（４）マイクロ波とプラズマのカップリング効率がよい。
（５）外部への放射損失が少なく，必要なところに電力を集中させることができる。
（６）大気圧を含め広い圧力範囲において安定な高密度プラズマが生成する。【０００８】
ところが、従来のマイクロ波電力を用いたプラズマ発生装置ではマイクロ波伝送線路として金属管である導波管を用いており、マイクロ波伝送回路の構造が大型かつ高価になることや低電力での運転が難しい、等の問題点を有している。【０００９】
最近では、従来の導波管の代わりに、小電力用マイクロ波伝送線路であるマイクロストリップ線路を用いてプラズマジェット生成装置を製作する方法が提案されている（特許文献２と非特許文献１を参照）。【００１０】
図１９に従来のマイクロストリップ線路を用いたプラズマジェット生成装置の模式図を示す。この装置は、マイクロ波入力部３１、一方の端部にテーパー構造と内部にガス流路を設けた誘電体の基板１、マイクロ波電力伝送用のマイクロストリップ線路１１、誘電体の基板の一面を覆うアース導体１２で構成されている。【００１１】
ガスは、二つのガス入力口２１から入力されてガス流路２２を通って、テーパー部１４においてマイクロストリップ線路１１とアース導体１２の間で合流し、幅１０ｍｍのノズル２４から誘電体の基板１の外部に吹き出る。【００１２】
従来の装置では、幅１０ｍｍのノズル２４に一様な流速を持つガス流を作るために、誘電体基板１の両側面にそれぞれガス入力口２１を設け、斜めのガス流路２２を通ってガスを供給している。【００１３】
マイクロ波（２.４５ＧＨｚ）電力は、同軸用マイクロ波コネクト３１を通って誘電体基板１の内に導入され、マイクロストリップ線路１１とアース導体１２の間を伝搬し、ノズル２４のところに集中する。これにより、プラズマが発生し、ガス流と共にノズル２４から誘電体基板１の外部に吹き出る。【００１４】
一方、プラズマプロセスにおいて生産性を高めるために、大面積にプラズマ処理が可能な広い幅を持つプラズマジェットの開発が強く要求されている。マイクロストリップ線路を用いたプラズマ発生装置は構造上、マイクロストリップ線路をアレイすることにより大規模化が可能であるので、その将来性が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００３−１０９７９５号公報
【特許文献２】特開２００７−２９９７２０号公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Jaeho Kim, et. al., “Microwave-excited atmospheric-pressure plasma jets using a microstrip line”, Applied Physics Letters, Vol.93,191505(2008).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、従来のプラズマを用いた低温処理は低気圧（０.０１ｔｏｒｒ〜１ｔｏｒｒ）で行われているため、高価な高真空装置が必要で装置にコストがかかるだけでなく、処理に時間がかかり、結果として製品のコストが高くなるなど、工業的には不利であった。そのため、より高圧の中間気圧（１ｔｏｒｒ〜１００ｔｏｒｒ）で、又は高気圧（１００ｔｏｒｒ〜７６０ｔｏｒｒ）の圧力で非熱平衡プラズマを発生させる方法が要求されていた。【００１８】
また、従来では、プラズマジェットを大規模化する具体的な技術、例えば、広幅のノズルに一様なガス流を供給する方法、等が開発されておりず、広幅のプラズマジェットを提供するのは困難であった。【００１９】
本発明は、以上のような事情に鑑み、低気圧に限らず中間気圧から大気圧までの高気圧でも低温の広い幅のプラズマジェットを安定して発生させることができるマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の端部に設けられた該誘電体基板の厚みが徐々に小さくなる形状のテーパー部と、前記誘電体基板の表面と裏面とのうちのいずれかの面である第１の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられたマイクロストリップ線路と、前記誘電体基板の前記第１の面の反対側の面である第２の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられたアース導体と、前記誘電体基板の一方の端部において、前記マイクロストリップ線路と前記アース導体との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部と、前記誘電体基板内にガスを入力するためのガス入力口と、前記マイクロ波入力部から入力されたマイクロ波によりプラズマを発生させるための空間であり、かつ、前記テーパー部の前記誘電体基板内に設けられた空間であるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部に一様な流速を持つ広幅のガス流を供給するために前記誘電体基板内部に設けられた、ガス流が進行するに従ってガス流幅が広くなるように形成されたガス流広幅化部と、前記ガス入力口から入力されるガスを前記ガス流広幅化部に供給するためのガス流路と、前記プラズマ発生部に供給されるガスとマイクロ波により発生するプラズマが吹き出るためのノズルと、を備えることを主要な特徴としている。【００２１】
また、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の端部に設けられた該誘電体基板の厚みが徐々に小さくなる形状のテーパー部と、前記誘電体基板の表面と裏面とのうちのいずれかの面である第１の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられたマイクロストリップ線路と、前記誘電体基板の前記第１の面の反対側の面である第２の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられたアース導体と、前記誘電体基板の一方の端部において、前記マイクロストリップ線路と前記アース導体との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部と、前記テーパー部において、前記アース導体の端と前記マイクロストリップ線路の端とに挟まれた空間であり、前記誘電体基板の前記第２の面に形成されるマイクロ波集中の隙間と、前記アース導体と接して、前記マイクロ波集中の隙間に一様な流速の広幅のガス流を供給するために設けられる、ガス流が進行するに従ってガス流幅が広くなるように形成されたガス流広幅化部を有するガス供給板と、前記ガス供給板内にガスを入力するためのガス入力口と、前記ガス供給板において、前記ガス入力口から入力されるガスを前記ガス流広幅化部に供給するためのガス流路と、前記ガス流広幅化部から供給されるガスから、前記マイクロ波集中の隙間から放射するマイクロ波によりプラズマを発生させるための、前記ガス供給板に形成された、前記マイクロ波集中の隙間と面する空間であるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部に供給するガスからマイクロ波により生成されるプラズマを吐出させるためのノズルと、を備えることを主要な特徴としている。【００２２】
更に、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、前記ガス流広幅化部が、前記ノズルの長軸方向に沿って、一定の間隔で設けられている複数の突起状の障害物、又は柱が形成された部分であるガスシャワー部を備えていることを主要な特徴としている。【００２３】
更にまた、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、前記マイクロストリップ線路は、一方の端部に設けられた一つの入力端と、前記入力端から入力されたマイクロ波を分岐する分岐部と、前記分岐部から分かれた複数のラインと、前記複数のラインに対応する他方の端部に設けられた複数の出力端と、を備え、前記他方の端部の幅を徐々に狭くすることで、インピーダンスを高め、前記プラズマ発生部におけるマイクロ波電界が強くなるようにしたことを主要な特徴としている。【００２４】
また、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、前記ガス流広幅化部は、一方の端部に設けられた一つの入力端と、前記ガス流路から入力されるガス流を分岐する分岐部と、前記分岐部から分かれ、ガス流が進行するにつれてガス流の幅が広がるように、幅が徐々に広がるように形成された複数のラインと、前記複数のラインから流れるガス流が一つに合流する長軸形状の空間とを備えたことを主要な特徴としている。【００２５】
更に、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、前記誘電体基板と前記アース導体を共用して、横に並べることで、長い長軸のプラズマを発生させるように構成したことを主要な特徴にしている。【００２６】
更にまた、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、希ガス、又は反応性ガス、又は希ガスと反応性ガスの混合ガスを供給し、低気圧又は中間気圧又は高気圧においてプラズマを発生させるようにしたことを主要な特徴にしている。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によると、低気圧に限らず中間気圧及び高気圧においても安定した広い幅のプラズマジェットの発生・維持がさせることが可能となる。また、本発明によると、以上の結果、大気圧（又は、低気圧若しくは中間気圧）で広い幅のマイクロ波励起プラズマジェットを用いた大面積表面改質、エッチング、アッシング、クリーニング、酸化・窒化及びＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）成膜等の材料プロセシングが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施の形態の実施例の一つを示すプラズマ処理装置の斜視図
【図２】図１に示すプラズマ処理装置の垂直方向の断面図
【図３】図１に示すプラズマ処理装置の水平方向の断面図
【図４】本発明のマイクロストリップ線路の構成図
【図５】本発明の第１の実施の形態の実施例の一つを示すプラズマ処理装置の模式図
【図６】本発明における第１の実施の形態の実施例の一つを示すプラズマ処理装置の模式図
【図７】図３に示すプラズマ処理装置におけるガス流の流速分布を示す図
【図８】図３に示すプラズマ処理装置において、ノズル２４の長軸方向におけるガス流の流速分布を示す図
【図９】本発明の第２の実施の形態の実施例を示すプラズマ処理装置における水平方向の断面図
【図１０】図９に示すプラズマ処理装置におけるガス流の流速分布を示す図
【図１１】本発明の第２の実施の形態の実施例を示すプラズマ処理装置により、大気圧空気中に発生した広幅のプラズマジェットの写真
【図１２】本発明における第２の実施の形態の実施例を示すプラズマ処理装置により、大気圧空気中に発生したプラズマジェットの発光からの分光スペクトル
【図１３】本発明における第２の実施の形態の実施例を示すプラズマ処理装置により発生した広幅の窒素プラズマジェットの写真
【図１４】本発明における第２の実施の形態の実施例を示すプラズマ処理装置により発生したプラズマジェットの着火、及び維持に必要な最少マイクロ波電力を示す図
【図１５】本発明の第３の実施の形態の実施例の一つを示すプラズマ処理装置の模式図
【図１６】図１５に示すプラズマ処理装置の垂直方向の断面図
【図１７】図１５に示すプラズマ処理装置の水平方向の断面図
【図１８】発明の第３の実施の形態のプラズマ処理装置
【図１９】従来のマイクロストリップ線路を用いたプラズマ発生装置の説明斜視図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
＜実施形態１＞
【００３０】
図１と図２と図３は、本発明における第１の実施の形態を示す実施例の一つのプラズマ処理装置の構成を示す図である。図１はプラズマ処理装置の斜視図で、図２は垂直方向の断面図で、図３は水平方向の断面図である。
【００３１】
本実施の形態のプラズマ処理装置は、誘電体基板１、マイクロ波入力部１３、マイクロストリップ線路１１、アース導体１２、テーパー部１４、ガス入力口２１、ガス流路２２、ガス流広幅化部２３、プラズマ発生部２、ノズル２４を備える。
【００３２】
誘電体基板１は、マイクロ波の誘電損失が少なく、熱伝導率が高い材質が望ましい。誘電体基板１は、例えば、アルミナ、石英、サファイア等の適宜の材料が用いられる。誘電体基板１は、曲げられる（フレキシブル）材料、例えば、ポリスチロール系、ポリスチレン系等の適宜の材料でもよい。誘電体基板１の誘電率と厚みはマイクロ波伝搬回路の特性インピーダンスに影響する。誘電体基板１はマイクロ波伝搬特性やプラズマ処理装置の形状やプラズマ処理装置の熱特性等を考慮して適宜のものを使うことができる。誘電体基板１は、一枚の基板を用いても良いし、複数の基板を重ねたものでも良い。誘電体基板１は、材質が異なる複数の基板を重ねたものでも良い。
【００３３】
マイクロ波入力部１３は、誘電体基板１の一方の端部において、マイクロストリップ線路１１とアース導体１２との間にマイクロ波を励起するためのものである。例えば、マイクロ波同軸ケーブル用であるＳＭＡコネクト、ＳＭＢコネクト、Ｎコネクト、ＢＮＣコネクト、ＯＳＭコネクト等を用いることができる。
マイクロ波入力部１３は、アース導体１２の孔を作り、マイクロ波コネクトを取り付けることで構成することもできる。
【００３４】
マイクロストリップ線路１１は、誘電体基板１の第１の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられる。なお、ここでは、一例として、マイクロストリップという語句を用いたが、マイクロ波を伝搬するためのものであれば他の導体を適宜用いることができる。
【００３５】
マイクロストリップ線路１１の形状は、マイクロ波回路のインピーダンス、電界分布、マイクロ波電力の分配率等の特性を決める重要な因子である。一様なプラズマジェットの発生を実現するためには、マイクロストリップ線路１１の形状を最適化する必要がある。マイクロストリップ線路１１のマイクロ波回路の設計において、マイクロ波電力の均一な分配、特性インピーダンスの合わせ、インピーダンスのマッチング等については無線通信技術として既に技術が確立されているので、それらを適宜に用いることができる。
【００３６】
図４に本発明における実施例の一つである、マイクロストリップ線路１１の構成図を示す。マイクロストリップ線路１１は、一方の端部に一つの入力端１５と、前記入力端から入力されたマイクロ波を分岐する分岐部１６と、分岐部１６から分かれた複数のライン１７と、複数のライン１７に対応する他方の出力側の端部１８に複数の出力端１９と、により構成される。
【００３７】
図１に示す本発明の実施例のプラズマ処理装置では、一つのマイクロ波入力部１３からマイクロ波伝送線路を二回分岐して、四つのライン１７に分岐することで、５０ｍｍ幅のプラズマ発生部２にマイクロ波電力を均一に供給することができるように設けられている。
【００３８】
図４に示すように、マイクロストリップ線路１１の出力側の端部１８と出力端１９は、プラズマ発生部２（図３参照）におけるマイクロ波電界の空間分布が一様に、かつ電界強度が強くなるように適宜な形状にすることができる。
【００３９】
本実施例では、図１に示すようにマイクロストリップ線路１１の端部１８は、その幅が徐々に狭くなる形状となり、それぞれに対応する長軸形状の出力端１９につながっている。マイクロストリップ線路１１の幅が狭くなるとマイクロ波伝搬回路の特性インピーダンスが高くなる。特性インピーダンスが高くなると、一定のマイクロ波電力に対し、マイクロストリップ線路１１とアース導体１２にかかる電圧は高くなる。その結果、下記の数式１によりマイクロストリップ線路１１とアース導体１２との間におけるマイクロ波の電界がより強くなる。
【００４０】
【数１】
2015030191.tif 000003
ここで、Ｅは電界、Ｖとｄはそれぞれマイクロストリップ線路１１とアース導体１２との間の電圧と距離である。マイクロストリップ線路１１の端部は、図５に示すようにマイクロストリップ線路１１の出力側の端部１８の幅が徐々に広がる形状にすることもできる。
【００４１】
又は、マイクロストリップ線路１１における、出力端１９は、複数に分岐された複数のライン１７に対応してそれぞれ分かれて設けても良いし、図６に示すように複数の出力端１９が一つに繋がった形状でも良い。
【００４２】
図１，図２に示すように、アース導体１２は、誘電体基板１の第１の面（マイクロストリップ線路１１が形成された面）の反対側の面である第２の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられる。アース導体１２は、誘電体基板１の第２の面全体を覆う導体で構成してもよいし、第２の面の一部に形成された導体で構成してもよい。
【００４３】
マイクロストリップ線路１１とアース導体１２は、例えば、銅、金、銀、アルミニウム、ニッケル等の適宜の導体材料が用いられる。マイクロストリップ線路１１とアース導体１２は、誘電体基板１に金属の蒸着、エッチング等の通常のＩＣ製作技術を用いて作成することができる。または、マイクロストリップ線路１１とアース導体１２は、適宜の導体板を誘電体基板１の表面に接着材を用いて貼ることで作っても良い。
【００４４】
テーパー部１４は、誘電体基板１の一方の端部において誘電体基板１の厚みが徐々に小さくなる形状にすることで設けられる。テーパー部１４は、誘電体基板１の第１の面の斜面の傾きと第２の面の斜面の傾きを同じにする形状で良いし、誘電体基板１の第１の面、又は、第２の面のどちらかの一方の面だけに斜面を設けた形状でも良い。
【００４５】
マイクロストリップ線路１１とアース導体１２との間におけるマイクロ波の電界は、誘電体基板１の厚みが薄くなる程、すなわち、マイクロストリップ線路１１とアース導体１２との間の距離が短くなる程、強くなる（数１を参照）。この原理により、テーパー部１４では、マイクロ波電界が強くなる。
【００４６】
テーパー部１４の長さは、誘電体基板内に形成されるマイクロ波の定在波の１／４波長の長さで設けると良い。又は、テーパー部１４の長さは、テーパー部１４の形状の傾きの角度や特性インピーダンス、等を考慮し、適宜にすることもできる。また、テーパー部１４の形状の傾きの角度と長さを適宜にすることにより、プラズマから反射されるマイクロ波の反射波を大きく抑えることができる。
【００４７】
ガス入力口２１と、ガス流路２２は、ガスをガス流広幅化部２３（図３）へ供給するために設けられたもので、プラズマ処理装置の形状や大きさ等を考慮して適宜の数と形にすることができる。
【００４８】
ガス入力口２１は、誘電体基板１の一方の端部に設けることができるし、又は、誘電体基板１のその他の面に設けることもできる。ガス入力口２１に繋ぐガスパイプ２６とガスコネクトの材質は、絶縁体が望ましいが、金属製でも良い。金属製のガスパイプ２６とガスコネクトを用いる場合は、マイクロ波伝搬への影響を考慮して適宜な位置に設ける必要がある。
【００４９】
ガス流広幅化部２３（図３）は、ガス流路２２から供給されるガスを一様に広げてプラズマ発生部２に供給するために設ける。ガス流広幅化部２３は、一方の端部に一つの入力端と、ガス流路２２から入力されるガス流を分岐する分岐部と、前記分岐部から分かれ、ガス流の幅が広がるように、幅が徐々に広がる複数のラインと、前記複数のラインから流れるガス流が一つに合流する長軸形状の空間と、を備えており、ガス入力口から入力されるガスがガス流広幅化部２３を通ると一様な流速で長軸形状に広がるようになる。
【００５０】
本発明のガス流広幅化部２３に関する実施例を図３に示す。この実施例では、ガスは二つのガス入力口２１からそれぞれガス流路２２に入力される。入力したガスの流れは、ガス流広幅化部２３のところでそれぞれ二つに分岐される。また、ガスの流れの幅はガス流広幅化部２３のところで徐々に拡大される。その後、分岐された四つのガスの流れは、プラズマ発生部２のところで一つに合流する。これによりガスの流れを幅５０ｍｍに一様に広げてプラズマ発生部２に供給することができる。
【００５１】
図７に、図３に示す実施例のガス流広幅化部２３におけるガス流の流速分布をシミュレーションで求めた結果を示す。シミュレーションの条件として、ガス種は窒素、二つのガス入力口２１に入れるガス流量の合計は３００ｓｃｃｍ、周囲の圧力は大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）、ガス入力口２１の断面積は幅１ｍｍ、プラズマ発生部２とノズル２４の長幅は５０ｍｍ、ガス入力口２１とガス流広幅化部２３とプラズマ発生部２とノズル２４の高さは０.５ｍｍである。
【００５２】
ガス入力口２１とガス流路２２を通ってガス流広幅化部２３に入力されたガスは、ガス流広幅化部２３を通る間、一様な流速で幅５０ｍｍへ広幅化し、プラズマ発生部２を通ってノズル２４から外部に吹き出ている。
【００５３】
ガス流路２２からガス流広幅化部２３に入力するガスの流速は約１２.０ｍ／ｓｅｃである。ノズル２４におけるガス流速は、ノズル２４の長軸方向における流速の分布が０.３３〜０.３５ｍ／ｓｅｃであり、一様な分布に広がってある。ノズル２４の長軸に対するガス流速の分布を図８に示す。
【００５４】
ガス流路２２からガス流広幅化部２３に入力するガスの流速がさらに速くなると、ノズル２４におけるガス流速の一様性は悪くなる。ガス流路２２からガス流広幅化部２３に入力するガスの流速は、ガス入力口２１に入力するガス流量と、ガス流路２２の断面積と、ノズル２４の外側の圧力と、等に大きく依存する。
【００５５】
ガス流広幅化部２３に入力するガス流速の最大値に対応して適宜な形状のガス流広幅化部２３を設けることで、例えば、ガス流広幅化部２３をより長く設けることで、プラズマ発生部２及びノズル２４に一様は広幅のガス流れを供給することができる。
【００５６】
プラズマ発生部２（図３）は、ガス流広幅化部２３から供給されたガスがマイクロ波電界によりプラズマ状態になる空間である。プラズマ発生部２は、広幅のプラズマが一様に発生するように一つの空間として設けるのが望ましい。プラズマ発生部２の空間は、プラズマ処理装置の応用を考慮して複数の空間で構成することもできる。
【００５７】
ノズル２４は、プラズマ発生部２で発生したプラズマがガスと共に誘電体基板１の外部に吹き出る口である。ノズル２４は、広幅のプラズマが一様に吹き出るように一つを設けるのが望ましい。ノズル２４は、望むプラズマジェットの断面の形状に応じて適宜の形状にすることができる。
【００５８】
＜プラズマ発生の原理＞
マイクロ波入力部１３から、マイクロストリップ線路１１とアース導体１２との間の誘電体基板１に導入されたマイクロ波は、マイクロストリップ線路１１に沿って伝搬、及び分岐される。このマイクロ波の電界は、テーパー部１４のところで、マイクロストリップ線路１１とアース導体１２との距離が狭くなっているので徐々に強くなり、マイクロストリップ線路１１の端とアース導体１２の端との間で最大値になる。この集中したマイクロ波の電界が、プラズマ発生部に供給されるガスを励起し、プラズマが発生する。発生したプラズマはガスの流れと共にノズル２４から吹き出る。これにより、一様な広幅のプラズマジェットを供給できる。
【００５９】
＜実施形態２＞
本発明における第２の実施の形態を示すプラズマ処理装置は、上記の第１の実施の形態を示すプラズマ処理装置において、図９に示すように、ガス流広幅化部２３にガス流を一様に広げるためにガスシャワー部２５が設けられた装置である。
【００６０】
ガス流広幅化部２３と、マイクロストリップ線路１１との重なる領域が広いと、マイクロ波伝搬回路の特性インピーダンスへ影響が大きくなるし、プラズマ発生領域２がガス流広幅化部２３の領域に広がりやすくなるという問題がおこる。この問題を抑えるため、ガス流路２２を長くし、ガス流広幅化部２３を短くすることができる。
【００６１】
一方、ガス流広幅化部２３が短くなると、速い流速のガス流に対しては一様に広げることが難しくなる。そこで、ガスシャワー部２５を設けることにより、速い流速のガス流に対しても、一様に広げることができる。
【００６２】
ガスシャワー部２５は、ノズル２４の長軸方向に沿って、複数の突起状の障害物を一定の間隔で形成することにより設けられる。ガスシャワー部２５は、複数の柱を一定の間隔で形成することによっても設けることができる。
ガスシャワー部２５における上記の突起状の障害物と上記の柱は、別途に設けても良いし、誘電体基板１を加工して形成しても良い。前記の突起状の障害物と前記の柱の断面形状は、円形でも良いし、又は、三角形、四角形、等でも良い。
上記の突起状の障害物と上記の柱の形成される間隔と断面積は、気体粒子の平均自由行程（気体粒子が別の気体粒子に衝突してから次に衝突するまでの飛行距離の平均値）を考慮し、適宜に決めることができる。
【００６３】
図９に本発明の第２の実施の形態のプラズマ処理装置の水平方向断面図を示す。第２の実施の形態のプラズマ処理装置に設けられたガスシャワー部２５は、誘電体基板１を加工して、直径２ｍｍの円形の柱を３ｍｍ間隔（柱の中心から隣の柱の中心までの距離）で複数形成することによって設けられた。
【００６４】
図１０に、図９に示す第２の実施の形態のプラズマ処理装置のガス流の流速分布をシミュレーションで求めた結果を示す。シミュレーションの条件として、ガス種は窒素、二つのガス入力口２１に入れるガス流量の合計は４００ｓｃｃｍ、周囲の圧力は大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）、ガス入力口２１の断面積は幅１ｍｍ、プラズマ発生部２とノズル２４の長幅は５０ｍｍ、ガス入力口２１とガス流広幅化部２３とプラズマ発生部２とノズル２４の高さは０.５ｍｍとした。ガスシャワー部における円形の柱は、直径２ｍｍで、柱の間の間隔は３ｍｍとした。
【００６５】
ガス流路２２からガス流広幅化部２３に入力するガスの流速は約１８.０ｍ／ｓｅｃとなった。ノズル２４におけるガス流速は、ノズル２４の長軸方向における流速の分布が０.４４〜０.５０ｍ／ｓｅｃであり、一様な分布に広がっている。
【００６６】
ガス入力口２１とガス流路２２を通ってガス流広幅化部２３に流入したガスは、ガス流広幅化部２３を通る間、一様な流速で幅５０ｍｍへ広幅化し、プラズマ発生部２を通ってノズル２４から外部に吹き出ている。
【００６７】
本発明におけるプラズマ処理装置は、低気圧に限らず中間気圧及び高気圧においても安定して発生・維持する広幅のプラズマジェットを提供することが可能となる。
次に、広幅のプラズマジェットの発生の実験について説明する。本発明における第２の実施の形態のプラズマ処理装置を用いて、大気圧空気中に発生させたプラズマジェットの写真を図１１に示す。
【００６８】
大気圧下では、プラズマを安定に発生・維持するために運転ガスとしてアルゴン（Ａｒ）ガスを用いている。大気圧中に５０ｍｍの広幅のプラズマが安定に吹き出ている。運転条件として、Ａｒガスの流量は０.１Ｌ／ｍｉｍ〜１０Ｌ／ｍｉｍ、マイクロ波の周波数は２.４５ＧＨｚ、マイクロ波電力は３０Ｗ〜１００Ｗである。運転ガスとしてＡｒガスの代わりに、ヘリウム（Ｈｅ）、又はネオン（Ｎｅ）等の希ガスを用いても良い。
【００６９】
この広幅のプラズマジェットにより、大気圧において様々なプラズマ処理が可能となる。例えば、Ａｒガスのプラズマジェットを空気中においた被処理基板の表面に吹き出すことにより、被処理基板の表面改質（親水性や密着性等の向上）を行うことができる。
【００７０】
Ａｒガスのプラズマジェットが、吹き出る際に周囲の空気（Ｎ2、Ｏ2、Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等が含まれている）を巻き込み、空気をプラズマ化するので、酸素系及び窒素系等の化学反応種（ラジカル）が生成するためである。
【００７１】
図１２に大気圧空気中に吹き出るＡｒガスのプラズマジェットからの分光スペクトルを示す。Ａｒの他に、ＯＨと、Ｏと、Ｎ2励起種、等の発光スペクトルが表れている。その内、特にＯＨラジカルは、表面改質等のプラズマ処理において重要なラジカルの一つである。図１２に示しているように、波長３０９ｃｍ-1付近のＯＨラジカルの発光スペクトルのピークがＮ2分子の２ｎｄ  Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｓｙｓｔｅｍの内で一番強いピーク（３３７ｃｍ-1付近）に比べて３.４倍強い。これは、ＯＨラジカルが他のラジカルに比べて高密度に生成していることを示す。一方、通常よく使われている誘電体バリア放電を用いた大気圧プラズマジェット（運転ガスとして、Ａｒガス又はＨｅガス使用）の場合は、ＯＨラジカルの発光スペクトルがＮ2分子発光スペクトルより低い。
【００７２】
これは、本発明のプラズマ処理装置の特徴であり、本発明のプラズマ処理装置が、マイクロストリップ線路を用いて効率よくマイクロ波電力をプラズマ発生部のプラズマ発生空間に集中させることができ、高密度のプラズマを安定に発生させる性能を持っているために得られる特性である。
【００７３】
本実施例のＡｒガスのプラズマジェットを用いることにより、大気中でポリカーボネート基板、ポリイミドフィルム、ガラス基板、印刷用紙、等の表面を処理して超親水性等の優れた実験成果が得られている。また、本実施例のＡｒガスのプラズマジェットを用いて、大気中でレジストを剥離するプラズマアッシング実験を行い、低温かつ高速処理ができることが確認されている。
【００７４】
本発明のプラズマ処理装置は、運転ガスであるＡｒガスに少量の反応ガスを混ぜて運転することもできる。例えば、上記の表面改質とアッシング処理では、Ａｒガスに少量の酸素、又は空気を混ぜて供給することにより、より処理時間が短くなった。
【００７５】
本発明のプラズマ処理装置は、運転ガスであるＡｒガスに少量のメタン（ＣＨ4）ガスと水素（Ｈ2）ガス等を適宜の比率で混ぜて供給することにより、ＤＬＣ（ｄｉａｍｏｎｄ  ｌｉｋｅ  ｃａｒｂｏｎ）薄膜やナノクリスタルダイヤモンド薄膜、グラフェン膜、等のカーボン材料合成用の大気圧プラズマＣＶＤへの応用も可能となる。本発明のプラズマ処理装置は、広幅のプラズマジェットの下部に移動式の基板ステージを設けることにより、被処理の連続処理が可能となる。
【００７６】
本発明のプラズマ処理装置は、低気圧及び中間気圧においては、ＡｒガスとＨｅガス等の希ガスの運転ガスを使わず、反応ガスのプラズマを発生することができる。プラズマの安定性や一様性を改善するため、または、運転電力を下げるために、ＡｒガスとＨｅガス等の希ガスの運転ガスを用いることもできる。
【００７７】
本発明のプラズマ処理装置を用いて、中間気圧においてプラズマ発生実験を行った。本発明における第２の実施の形態を示すプラズマ処理装置を、真空容器内に設置して、フランジを通ってマイクロ波電力とガスをプラズマ処理装置に供給した。ガスとしては、上記運転ガスは使わず、Ｎ2ガスのみを用いた。真空容器内のガス圧力の制御は、Ｎ2ガスの流量を５００ｓｃｃｍと固定し、真空容器の排気バルブを制御することで行った。
【００７８】
プラズマは自己着火し、維持された。図１３に１０Ｔｏｒｒで発生した広幅のプラズマジェット写真を示す。写真はプラズマジェットの正面から撮影した。写真のプラズマ発光から分かるように一様な広幅のプラズマが生成されている。
【００７９】
図１４にプラズマの着火、及びプラズマの維持に必要な最少マイクロ波電力と容器内の圧力（３Ｔｏｒｒ〜５０Ｔｏｒｒ）に対して調べた結果を示す。真空容器内の圧力３Ｔｏｒｒにおいては、プラズマはマイクロ波電力２２Ｗで着火し、１３Ｗまで維持された。プラズマ着火とプラズマ維持に必要な最少電力は、容器内の圧力の増加に伴い、高くなった。真空容器内の圧力５０Ｔｏｒｒにおいては、プラズマはマイクロ波電力５２Ｗで着火し、５０Ｗまで維持された。
【００８０】
これらの実施例が示すように、本発明のプラズマ処理装置は、低電力で安定した窒素プラズマを発生することができる。この窒素プラズマは、銅等の金属表面の窒化処理や窒化物半導体の製作、等のプラズマ窒化処理への応用が期待される。
【００８１】
＜実施形態３＞
本発明における第３の実施の形態を示すプラズマ処理装置は、上記の第１の実施の形態のプラズマ処理装置において、誘電体基板１の内部に設けられたガス入力口２１と、ガス流路２２と、ガス流広幅化部２３と、プラズマ発生部２と、ノズル２４と、が誘電体基板１の外部に設けられたプラズマ処理装置である。ガス入力口２１と、ガス流路２２と、ガス流広幅化部２３と、プラズマ発生部２と、ノズル２４と、がアース導体１２と接して設けられたガス供給板２７に設けられる。
【００８２】
図１５と図１６と図１７は、本発明における第３の実施の形態を示すプラズマ処理装置の構成図である。図１５のプラズマ処理装置の斜視図で、図１６は垂直方向の断面図で、図１７は、ガス供給板２７の水平方向の断面図である。
【００８３】
本実施形態では、誘電体基板１におけるテーパー部１４は、誘電体基板１の第１の面だけに斜面を設けた形状で形成された。テーパー部１４は、誘電体基板１の第１の面の斜面の傾きと第２の面の斜面の傾きを同じにする形状で良いし、誘電体基板１の第１の面、又は、第２の面のどちらかの一方の面だけに斜面を設けた形状でも良い。この場合は、アース導体１２とガス供給板２７の形状を誘電体基板１の形状に適宜に合わせる必要がある。
【００８４】
マイクロストリップ線路１１とアース導体１２は、それぞれ誘電体基板１の第１の面と、その反対側の面である第２の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられ、前記アース導体の端と前記マイクロストリップ線路の端とに挟まれた誘電体基板１の表面においてマイクロ波集中の隙間３を形成している。
【００８５】
マイクロストリップ線路１１とアース導体１２との間の誘電体を伝搬して来たマイクロ波は、マイクロ波集中の隙間３において電界の強度が最大となり、誘電体基板１の外部に強く放射する。この強いマイクロ波の電界によりプラズマが発生・維持することになる。マイクロ波集中の隙間３の幅、すなわち、マイクロストリップ線路１１の端とアース導体１２との距離は、マイクロ波の電界強度、及びマイクロ波放電特性の決める大事な因子であり、プラズマ処理装置の運転特性に合わせて適宜に調整する必要がある。
【００８６】
マイクロ波集中の隙間３の幅は、例えば、マイクロストリップ線路１１は固定しておいて、アース導体１２の端と誘電体基板１の端との間の距離を変えることにより簡単に制御できる。ガス供給板２７は、アース導体１２と接して設けており、材質はアース導体と同じ材質の金属で良いし、アース導体１２と異なる金属材料でも良いし、誘電体材料でも良い。例えば、アルミナ、石英等の適宜の材料も使える。ガス供給板２７には、前記本発明における第１の実施の形態を示すプラズマ処理装置のガス入力口２１と、ガス流路２２と、ガス流広幅化部２３と、プラズマ発生部２と、ノズル２４が設けられている。
【００８７】
本実施形態におけるガス流広幅化部２３は、本発明における第１の実施の形態、又は、第２の実施の形態を示すプラズマ処理装置に用いる形状のものが使える。ガス入力口２１と、ガス流路２２は、ガス流広幅化部２３にガスを供給するために適宜な位置と構造でガス供給板２７に設けられる。ガス供給板２７に設けるプラズマ発生部２の一方の面は、全部、又は一部が開けられており、マイクロ波集中の隙間３が配置されるように設けられる。ノズル２４は、図１７に示すようにガス供給板２７の端と誘電体基板１の端により形成される。
【００８８】
＜実施形態４＞
本発明における第４の実施の形態を示すプラズマ処理装置は、上記の第３の実施の形態のプラズマ処理装置において、ガス流広幅化部２３にガス流を一様に広げるためにガスシャワー部２５が設けられた装置である。ガスシャワー部２５を設けることにより、より速い流速のガス流に対しても、ガス流を一様に広幅化することができる。
【００８９】
＜アレイ化によるプラズマジェットの大規模化＞
本発明における第１と、第２と、第３と、第４の実施の形態に、アレイ化する技術を用いることにより、プラズマジェットを大規模化することができる。
【００９０】
本発明における第１の実施の形態のプラズマ処理装置の大規模化は、テーパー部１４が設けられた一つの長軸の誘電体基板１において、複数のマイクロストリップ線路１１と、一つのアース導体１２と、複数のガス入力口２１と、複数のガス流路２２と、複数のガス流広幅化部２３と、一つの長軸のプラズマ発生部と、一つの長軸のノズルとを適宜に設けることにより可能となる。
【００９１】
本発明における第２の実施の形態の大規模化は、前記第１の実施の形態を示すプラズマ処理装置の大規模化において、ガスシャワー部２５を長軸のノズル２４に沿って適宜に設けることで成し遂げることができる。
【００９２】
本発明における第３の実施の形態を示すプラズマ処理装置の大規模化は、テーパー部１４が設けられた一つの長軸の誘電体基板１に複数のマイクロストリップ線路１１と一つのアース導体１２とを設け、一つの長軸のガス供給板２７に複数のガス入力口２１と、複数のガス流路２２と、複数のガス流広幅化部２３と、一つの長軸のプラズマ発生部と、一つの長軸のノズルとを適宜に設ける、ことにより可能となる。
【００９３】
本発明における第４の実施の形態の大規模化は、前記第２の実施の形態を示すプラズマ処理装置の大規模化において、ガスシャワー部２５を長軸のノズル２４に沿って適宜に設けることで成し遂げることができる。
【００９４】
また、大規模化において、マイクロストリップ線路１１と、ガス流路２２と、ガス流広幅化部２３は、複数をアレイする代わりに、それらを複数に分岐させることにより大規模化をすることもできる。
【００９５】
本発明の大規模化する技術を用いると、長軸のプラズマ発生部２と長軸のノズル２４に、長軸方向に沿って一様な分布を持つマイクロ波電界と一様な流速を持つガス流が供給できるようになり、一様は広幅のプラズマジェットを発生するプラズマ処理装置を提供することができる。
【００９６】
図１８（ａ）と図１８（ｂ）に本発明の他の実施形態を示す。図１８（ａ）と図１８（ｂ）はそれぞれアレイ化により大規模化したプラズマジェット発生装置の斜視図と、ガス流広幅化部２３における水平方向の断面図である。
【００９７】
本実施形態は、本発明における第２の実施の形態を示すプラズマ処理装置を四つアレイすることにより、幅２００ｍｍの広幅プラズマジェットが提供できる装置である。
大規模化は、一枚の長軸（幅２１０ｍｍ、厚み６ｍｍ）の誘電体基板１に、四つのマイクロ波入力部１３と、四つのマイクロストリップ線路１１と、一つの長軸（２１０ｍｍ）のアース導体１２と、八つのガス入力口２１と、八つのガス流路２２と、四つのガス流広幅化部２３と、一つの長軸（２００ｍｍ）のプラズマ発生部２と、ガス流広幅化部２３とプラズマ発生部２との間に設けられたガスシャワー部２５と、一つの長軸（２００ｍｍ）のノズル２４とを設けることにより成し遂げられた。これにより、幅２００ｍｍの広幅プラズマジェットを発生させ維持することができた。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明は、装置の製作と運転コストが安く、低気圧に限らず中間気圧及び高気圧において低温の広い幅のプラズマジェットが提供でき、かつ、高密度のラジカル生成ができるので、工業用の大量生産プロセスとして利用することができる。
材料表面プロセスや、材料合成や、環境応用や、医療応用などに大規模プラズマ発生システムとして利用することができる。
【符号の説明】
【００９９】
１  誘電体基板
２  プラズマ発生部
３  マイクロ波集中の隙間
１１  マイクロストリップ線路
１２  アース導体
１３  マイクロ波導入部
１４  テーパー部
１５  マイクロストリップ線路の入力端
１６  マイクロストリップ線路の分岐部
１７  マイクロストリップ線路の出力側の端部
１８  マイクロストリップ線路の分岐されたライン
１９  マイクロストリップ線路の出力端
２１  ガス入力口
２２  ガス流路
２３  ガス流広幅化部
２４  ノズル
２５  ガスシャワー部
２６  ガスパイプ
２７  ガス供給板
３１  マイクロ波コネクト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2015030191.tif 000018
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2015030191.tif 000022
【国際調査報告】
2015030191.tif 000023
2015030191.tif 000024
2015030191.tif 000025
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