(57)【要約】【課題】試料より放出される２次電子の引き上げ効率を高めた電極リング及びこれを備えた電子顕微鏡を提供すること。【解決手段】中空部６を有する絶縁性筒体２と、試料に対して微小間隙を隔てて対向される端面に形成され試料と等電位とされる電圧印加用電極膜３と、他方の端面に形成され接地される接地用電極膜４と、中空部６の内面に形成され電圧印加用電極膜３と接地用電極膜４との間を接続する抵抗膜１１を備えて電極リング１が構成される。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に照射される電子ビーム及び前記試料から放出される２次電子が通過可能な中空部を有する絶縁性筒体と、
前記絶縁性筒体の２つの端面のうち前記試料に対して微小間隙を隔てて対向される一方の端面に形成され、前記試料と等電位とされる電圧印加用電極膜と、
前記絶縁性筒体の他方の端面に形成され、接地される接地用電極膜と、
前記中空部の内面に形成され、前記電圧印加用電極膜と前記接地用電極膜との間を接続する抵抗膜とを備えている
ことを特徴とする電極リング。
【請求項２】
前記試料と対向される前記端面には凹部が形成され、前記凹部に前記電圧印加用電極膜が膜厚を前記凹部の深さより小さくして形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電極リング。
【請求項３】
前記抵抗膜は、軸対称な前記中空部の前記内面に周方向に沿って連続的に形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電極リング。
【請求項４】
前記絶縁性筒体の側面に、前記電圧印加用電極膜と接続する電圧印加電極引出部と、前記接地用電極膜と接続する接地電極引出部が形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電極リング。
【請求項５】
試料との対向面側に配設される電極リングを備えた電子顕微鏡であって、
前記電極リングは、
試料に照射される電子ビーム及び前記試料から放出される２次電子が通過可能な中空部を有する絶縁性筒体と、
前記絶縁性筒体の２つの端面のうち前記試料に対して微小間隙を隔てて対向される一方の端面に形成された電圧印加用電極膜と、
前記絶縁性筒体の他方の端面に形成された接地用電極膜と、
前記中空部の内面に形成され前記電圧印加用電極膜と前記接地用電極膜との間を接続する抵抗膜とを備え、
前記電圧印加用電極膜は外部電源に接続されて前記試料と等電位とされ、前記接地用電極膜は接地される
ことを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項６】
前記試料と対向される前記絶縁性筒体の前記端面には凹部が形成され、前記凹部に前記電圧印加用電極膜が膜厚を前記凹部の深さより小さくして形成されている
ことを特徴とする請求項５に記載の電子顕微鏡。
【請求項７】
前記抵抗膜は、軸対称な前記中空部の前記内面に周方向に沿って連続的に形成されている
ことを特徴とする請求項５に記載の電子顕微鏡。
【請求項８】
前記絶縁性筒体の側面に、前記電圧印加用電極膜と接続する電圧印加電極引出部と、前記接地用電極膜と接続する接地電極引出部が形成されている
ことを特徴とする請求項５に記載の電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁性筒体に各種電極膜や抵抗膜を形成してなる電極リング及びこれを用いた電子顕微鏡に関し、更に詳しくは、深い孔底から放出される２次電子の引き上げ効率を高めた電極リング及びこれを用いた電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、半導体デバイスの高集積化、微細化が進んでいる。それに伴い、半導体デバイスの動作解析、故障解析の手段として従来の光学顕微鏡の分解能では観察が困難になってきている。そこで、光学方式に代わり走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による解析方法が有効な手段として注目されている。例えば特許文献１参照。
【０００３】
【特許文献１】
特公平６−７８８９７号公報
【０００４】
走査型電子顕微鏡では、極めて細い電子ビームを用いるため凹凸の激しい試料表面であってもほぼ全面に焦点が合い、臨場感にあふれたミクロの世界が観察できる。走査型電子顕微鏡の分解能は電子ビームのスポット径によって決まるが、半導体デバイスの微細化に伴って分解能だけでなく、特にコンタクトホールなどのアスペクト比の大きな孔底の観察能力の向上が要求されてきている。
【０００５】
従来より、図１０に示すリターディング法により、電子ビームの照射源での加速電圧を高くして収差を小さくし分解能を向上させると共に、試料２０に負の電圧を印加してコンタクトホール２１の深い孔底などからの２次電子の放出軌跡ａ’を引き上げる工夫は行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、今後更に半導体デバイスの微細化が進みコンタクトホールが高アスペクト比になると、上記リターディング法であっても孔底の観察は困難になってくると考えられる。２次電子のエネルギーは非常に小さいので、アスペクト比の大きなコンタクトホールでは底部から放出されるほとんどの２次電子がコンタクトホールから出る前に側壁部に衝突してエネルギーを失ってしまい検出されなくなる。
【０００７】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、その目的とするところは、試料より放出される２次電子の引き上げ効率を高めた電極リング及びこれを用いた電子顕微鏡を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するにあたり、本発明の電極リングは、中空部を有する絶縁性筒体と、この絶縁性筒体の２つの端面のうち試料に対して微小間隙を隔てて対向される一方の端面に形成され試料と等電位とされる電圧印加用電極膜と、絶縁性筒体の他方の端面に形成され接地される接地用電極膜と、中空部の内面に形成され電圧印加用電極膜と接地用電極膜との間を接続する抵抗膜とを備えていることを特徴としている。
【０００９】
電子ビームは絶縁性筒体の中空部を通って試料に対して照射される。このとき、中空部内面に形成された抵抗膜上には電圧印加用電極膜から接地用電極膜にかけてゆるやかな電位分布が生じている。このため、中空部内を通過して試料上に照射される電子ビームのレンズ収差を小さくすることができる。
【００１０】
また、試料から放出される２次電子はその中空部を通って２次電子検出器へと至る。このとき、試料と対向される電極リングの端面に形成された電圧印加用電極膜は試料と等電位とされているので、試料とこれに対向する電極リング端面との間には、試料より放出された２次電子の加速を妨げるような電界が生じていない。この結果、２次電子の放出軌跡を引き上げることができ、深い孔底からの２次電子も効率よく検出できる。
【００１１】
上記電極リングを試料との対向面側に備えて本発明の電子顕微鏡が構成される。本発明の電子顕微鏡では、試料やこれを支持する支持手段なども含めた全ての構成部品を真空雰囲気下において試料の観察を行う構成としてもよいし、試料は大気圧側に設置して、電子ビームの照射源から試料に至る電子ビームの経路のみを局所的に真空雰囲気にする構成であってもよい。
【００１２】
また、電極リングにおいて、試料と対向される端面に凹部を形成し、この凹部に電圧印加用電極膜をその膜厚を凹部の深さより小さくして形成する構成とすれば、試料と電圧印加用電極膜との接触を回避できる。これにより、試料と電圧印加用電極膜とがショートすることにより試料に電流が流れて、試料が電気的に破壊されるのを防ぐことができる。特に、試料が集積回路を形成した半導体ウェーハである場合に有効である。
【００１３】
また、抵抗膜を軸対称になるように中空部の内面に形成すれば、その抵抗膜に電流が流れて磁界が生じても、対向する箇所に流れる電流による磁界どうしが打ち消し合って、中空部内に磁界が形成されない。これにより、中空部を通過する電子ビームや２次電子への磁界の影響を回避できる。
【００１４】
例えば、円柱を抜き取った空間として中空部を形成し、その中空部内面に周方向に沿って軸対称に間欠的に抵抗膜を形成する形態や、周方向に沿って連続的に形成する形態が挙げられる。連続的に形成すれば、高精度なマスクの位置合わせを必要とせずに簡単に軸対称な抵抗膜が得られる。
【００１５】
また、絶縁性筒体の側面に、電圧印加用電極膜と接続する電圧印加電極引出部と、接地用電極膜と接続する接地電極引出部を形成すれば、端面側に十分な空間がない場合（例えば、電圧印加用電極膜を形成した端面と試料との間の間隙が非常に狭い場合など）でも、容易に各電極膜と外部との接続を行える。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一例としての実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は本実施の形態に係る電極リング１の一方の端面の平面図を示す。図２は図１における［２］−［２］線方向の断面図を示す。図３は図１における［３］−［３］線方向の側面図を示す。図４は電極リング１の他方の端面の平面図を示す。図５は図４における［５］−［５］線方向の側面図を示す。図６は図４における［６］−［６］線方向の側面図を示す。
【００１８】
電極リング１は、絶縁性筒体２の一方の端面に電圧印加用電極膜３が、他方の端面に接地用電極膜４が、中空部６に抵抗膜１１が形成されてなる。
【００１９】
絶縁性筒体２は、接地用電極膜４が形成される端面側にフランジ部５を有する略円筒形状を呈している。また、絶縁性筒体２の側面は部分的に切り欠かれて平面部１２ａ、１２ｂが形成され、この平面部１２ａ、１２ｂに後述する電圧印加電極引出部９と接地電極引出部１０が、上記切欠きによって径外方に突出するように残された突出部８を挟んで隣り合って形成される。
【００２０】
絶縁性筒体２において、電圧印加用電極膜３が形成される端面側には凹部７が形成されている。凹部７は中空部６と同心的なリング状部分と、このリング状部分と一体的に接続され電圧印加電極引出部９が形成される平面部１２ａへと向かって径外方に延在する延在部とからなる（図１参照）。凹部７の深さは例えば１００μｍほどである。
【００２１】
絶縁性筒体２の中空部６は真円の直径を内径とし軸方向に関してその内径は一定である。したがって中空部６の内面は軸対称な曲面となっている。
【００２２】
絶縁性筒体２は例えばアルミナなどのセラミック材料からなるが、これに限らず非磁性且つ絶縁性の材料を用いることができる。
【００２３】
凹部７の底面には電圧印加用電極膜３が形成されている。電圧印加用電極膜３は中空部６と同心的なリング状部分と、このリング状部分と一体的に接続され上記凹部７の延在部を被覆する部分とからなる。電圧印加用電極膜３は例えばチタン材料からなるが、その他の金属材料を用いてもよい。チタン材料を用いれば、腐食に強い、耐久性に富む、絶縁性筒体２を構成するセラミック材料との密着性がよい、スパッタリングによる膜厚ばらつきが小さいなどの利点が得られる。なお、密着性を高めるために絶縁性筒体２との間にＴｉＮ膜を介在させてもよい。
【００２４】
電圧印加用電極膜３が形成される側の端面は、後述するように電極リング１が電子顕微鏡に組み込まれた際に試料と微小間隙を隔てて対向される端面である。そして、凹部７の深さ約１００μｍに対して電圧印加用電極膜３の膜厚は約１μｍであり、電圧印加用電極膜３は凹部７内に収まっている。このような構成のため、凹部７の外周側に位置する絶縁性筒体２の端面縁部が試料と接触することはあっても、凹部７内の電圧印加用電極膜３は試料との接触が回避され、試料と電圧印加用電極膜３がショートして試料に電流が流れ試料を電気的に破壊してしまうことを防止できる。
【００２５】
絶縁性筒体２の他方の端面には接地用電極膜４が形成されている（図４参照）。接地用電極膜４は中空部６と同心的なリング状部分と、このリング状部分と一体的に接続され接地電極引出部１０が形成される平面部１２ｂへと向かって径外方に延在する部分とからなる。接地用電極膜４は電圧印加用電極膜３と同様に例えばチタン材料からなるが、その他の金属材料を用いてもよい。また、接地用電極膜４の膜厚は約１μｍである。
【００２６】
絶縁性筒体２の軸方向に関して、電圧印加用電極膜３と接地用電極膜４との間隔Ｌ（図２参照）は例えば２ｍｍとなっている。
【００２７】
絶縁性筒体２の中空部６内面には全面にわたって抵抗膜１１が形成されている。抵抗膜１１は両端面に形成された電圧印加用電極膜３と接地用電極膜４とを接続して形成されている。抵抗膜１１は、例えば電気抵抗値が約３０ＭΩ〜１００ＭΩのＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）材料からなる高抵抗膜であるが、ＤＬＣに限らず例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）などを用いてもよい。また、電気抵抗値も構成材料の組成比などの制御により容易に所望の値にすることができる。抵抗膜１１の膜厚は約１μｍである。
【００２８】
絶縁性筒体２の側面に形成された上記平面部１２ａ、１２ｂには、それぞれ電圧印加電極引出部９と接地電極引出部１０が形成されている。電圧印加電極引出部９は電圧印加用電極膜３と同材料、同膜厚で形成され、電圧印加用電極膜３のリング状部分から延在する部分と接続される。接地電極引出部１０は接地用電極膜４と同材料、同膜厚で形成され、接地用電極膜４のリング状部分から延在する部分と接続される。
【００２９】
後述するように、電圧印加電極引出部９は外部電源と接続されて負電圧が印加され、接地電極引出部１０は接地される。よって、電圧印加用電極膜３は電圧印加電極引出部９を介して負電圧が印加され、接地用電極膜４は接地電極引出部１０を介して接地される。
【００３０】
絶縁性筒体２の中空部６の内径は、電圧印加用電極膜３及び接地用電極膜４のリング状部分の内径と同じでＬ１とする。電圧印加用電極膜３及び接地用電極膜４のリング状部分の外径をＬ２とすると、中空部６が外部環境からのノイズの影響を受けないようにするためにＬ２はＬ１の２倍以上の寸法とすることが好ましい。例えば、Ｌ１が４ｍｍならばＬ２は８ｍｍ以上とする。
【００３１】
すなわち、電圧印加用電極膜３及び接地用電極膜４を、電子ビーム及び２次電子が通過する領域である中空部６に不所望の電界または磁界が形成されないようにするためのシールド材として機能させることになる。Ｌ２がＬ１の２倍以上であれば電圧印加用電極膜３及び接地用電極膜４は円形リング状でなくても構わない。
【００３２】
次に、以上のように構成される電極リング１の製造方法について説明する。先ず、例えばアルミナ材料からなる絶縁性筒体２を準備する。このとき、絶縁性筒体２には予め上記凹部７や、電圧印加電極引出部９と接地電極引出部１０形成のための平面部１２ａ、１２ｂを形成しておく。
【００３３】
このような絶縁性筒体２の中空部６内面の全面に、例えばＤＬＣ材料からなる抵抗膜１１がＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成される。この後、例えばチタン材料からなる膜を、一方の端面側に形成された凹部７、他方の端面、及び平面部１２ａ、１２ｂの所定位置に例えばスパッタリング法により形成する。
【００３４】
次に、以上のように構成される電極リング１を備えた電子顕微鏡について説明する。図７は、本実施の形態に係る電子顕微鏡の要部の拡大図を示す。
【００３５】
上述した電極リング１は対物レンズ２３と試料２０との間に配設される。対物レンズ２３と試料２０との間の間隙は従来と同様例えば２ｍｍ〜３ｍｍほどであり、その間隙に、電圧印加用電極膜３を形成した端面を試料２０に対向させて、接地用電極膜４を形成した端面を対物レンズ２３に対向させて、更に中空部６を、試料２０へと照射される電子ビームの通過経路上に位置させて配設される。このとき、電圧印加用電極膜３を形成した端面と試料２０との間の間隙は数十μｍ〜数百μｍとされる。このため、電圧印加用電極膜３に接続される電線を試料２０と電極リング端面との間の間隙から引き出すことは困難である。
【００３６】
そこで、絶縁性筒体２の側面に形成した電圧印加電極引出部９に電線３０ａを例えば真空用導電性接着剤などで接合して外部に引き出して電源２２に接続させる。接地用電極膜４についても同様に絶縁性筒体２の側面に形成した接地電極引出部１０に電線３０ｂが例えば真空用導電性接着剤などで接合され、この電線３０ｂは接地される。また、試料２０には電源２２より負電圧が印加され、対物レンズ（静電レンズ）２３は接地されている。
【００３７】
次に、上記電極リング１及びこれを備えた電子顕微鏡の作用について説明する。
【００３８】
例えば、図７に示すように、半導体ウェーハなどの試料２０に形成されたコンタクトホール２１を観察する場合を例にして考える。電子銃などの照射源（図示せず）から照射された電子ビーム（図において実線の矢印で示す）が、対物レンズ２３及び電極リング１の中空部６を通過して試料２０のコンタクトホール２１に照射されると、その被照射部の表面から２次電子（図において１点鎖線の矢印で示す）が放出される。
【００３９】
試料２０には負電圧が印加されているため、２次電子は試料２０から反発するようにして放出される。このとき、電極リング１において試料２０と対向する端面側に形成された電圧印加用電極膜３にも負電圧が印加されて試料２０と等電位とされているので、試料２０とこれに対向する電極リング端面との間には、放出された２次電子の加速を妨げるような電界は発生していない。
【００４０】
これにより、２次電子の放出軌跡ａ（図７において２点鎖線で示す）を、図１０に示す従来の構成（対物レンズ２３と試料２０との間に上記電極リング１を介在させない構成）における放出軌跡ａ’に比べて引き上げることができる。この結果、コンタクトホール２１底部からの２次電子をコンタクトホール２１の側壁部に吸収されることなく放出させることができる。これは特に、半導体集積回路の微細化が進み高アスペクト比のコンタクトホールなどの底部を観察する場合に非常に有効となる。
【００４１】
放出された２次電子は電極リング１の中空部６、及び対物レンズ２３を通り、図示しない２次電子検出器に印加された正の電位に引かれてその２次電子検出器表面に塗布された蛍光面に衝突して光に変換され、この光は光電子増倍管で増幅される。この信号はさらに増幅された後、表示装置に表示される。
【００４２】
また、電極リング１の電圧印加用電極膜３に負電圧が印加されると、抵抗膜１１には、電圧印加用電極膜３から接地用電極膜４にかけて図８に示すような電位分布が生じる。図８に示すように、電圧印加用電極膜３に近い位置に生じる電位−Ｖｐをピークとして、接地用電極膜４に向けて徐々に電位が減少し電位０に近づく。上述のように、抵抗膜１１は大きな抵抗値を有するので全体の電位分布の変化はゆるやかになる。
【００４３】
図１１は従来の代表的な円筒型静電レンズを用いた構成を示す。このような構成の静電レンズは、一般にアインツェルレンズと呼ばれており、３枚の円筒状の電極２５、２６、２７から構成される。上下両端の電極２５、２７は接地され、中央の電極２６は電源２２に接続されて負電圧が印加される。電子ビームは電子銃またはクロスオーバ位置２４からある開き角をもって出射され、電極２５、２６、２７内の電界により収束されて試料２０に対して照射される。
【００４４】
このように複数の円筒電極を用いた構成において、本実施の形態の電極リング１と同等の電圧を印加した場合についての軸方向の電位分布を図９に示す。すなわち、図１２に示すように、２つの独立した円筒電極２８、２９のうち、試料２０側に対向して配置される電極２９に電源２２より負電圧を印加し、他方の電極２８を接地させた構成の場合には、図９に示すように中心軸上の電位分布は負電圧が印加された電極２９の近傍で大きく変化している。
【００４５】
これに対して本実施の形態では、図８に示したように電極リング１における中空部６内面の軸方向の電位分布の変化をゆるやかにすることができる。電位分布の変化がゆるやかであるほどレンズ収差を小さくすることができる。この電位分布の変化は、抵抗膜１１の厚さや電極リング１の高さなどを調整することで最適化が図れる。
【００４６】
以上のことにより、本実施の形態の電極リング１によれば、コンタクトホール２１の深い孔底などからの２次電子の放出軌跡を引き上げることができるばかりでなく、試料２０に対して照射される電子ビームのレンズ収差の低減も図ることができる。
【００４７】
なお、電圧印加用電極膜３から、中空部６内面の抵抗膜１１を介して、接地された接地用電極膜４に向けて微小電流が流れるが、中空部６内面は軸対称に形成され、その内面全面に抵抗膜１１が形成されているので、抵抗膜１１の軸方向を流れる電流によって生じる磁界は対向する箇所に流れる電流によって生じる磁界と打ち消し合って、中空部６には磁界が発生しない。これにより、試料２０に照射される電子ビームや試料２０から放出される２次電子が中空部６内を通過する際に磁界の影響を受けることが回避できる。
【００４８】
また、抵抗膜１１を電流が流れるので電子ビームが抵抗膜１１に照射されてしまった場合でも、抵抗膜１１における帯電の問題を回避することができる。
【００４９】
また、本実施の形態の電極リング１は、絶縁性筒体２に電圧印加用電極膜３と接地用電極膜４および抵抗膜１１を被覆することにより得られ、図１２に示す２つの独立した円筒電極２８、２９から構成される場合に比べ、電子顕微鏡への組み込みを簡単に行える。
【００５０】
すなわち、複数の円筒電極２８、２９から構成される場合には、１つ１つの円筒電極の位置精度はもちろん互いの円筒電極どうしの位置精度についても精度良くして組み込む必要がある。
【００５１】
本実施の形態では、径が軸方向に関して一定な絶縁性筒体２の中空部６を基準にして両端面それぞれにリング状に電圧印加用電極膜３と接地用電極膜４を形成することで、両電極膜３、４間の位置ずれを防ぐことができる。すなわち、電極リング１の組み込みの際には両電極膜３、４間の位置合わせを行う必要がない。
【００５２】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００５３】
絶縁性筒体２としてアルミナ材料を用いた例を示したが、これに限らず、加工精度がよくかつ真空中で使用可能な他のマシナブルセラミック材料などを用いてもよい。また、絶縁性筒体２は円筒状のものに限らず、四角筒状、多角筒状のものであってもよい。
【００５４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、電子ビーム及び２次電子が通過可能な中空部を有する絶縁性筒体の２つの端面のうち試料に対して微小間隙を隔てて対向される一方の端面に試料と等電位とされる電圧印加用電極膜を形成し、他方の端面に接地される接地用電極膜を形成し、中空部の内面に電圧印加用電極膜と接地用電極膜との間を接続する抵抗膜を形成したので、試料へと照射される電子ビームのレンズ収差を損なうことなく、試料より放出される２次電子の放出軌跡を引き上げて、深い孔底などの観察能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る電極リングにおいて、試料と対向される側の端面の平面図である。
【図２】図１における［２］−［２］線方向の断面図である。
【図３】図１における［３］−［３］線方向の側面図である。
【図４】同電極リングにおいて他方の端面の平面図である。
【図５】図４における［５］−［５］線方向の側面図である。
【図６】図４における［６］−［６］線方向の側面図である。
【図７】同電極リングの試料に対する配置関係及び各電極膜の電気的接続関係を示す模式図である。
【図８】同電極リングの中空部において軸方向の電位分布を示すグラフである。
【図９】図１２で示す２つのリング状電極の軸方向の電位分布を示すグラフである。
【図１０】従来のリターディング法を説明する模式図である。
【図１１】従来のアインツェルン静電レンズの構造を示す模式図である。
【図１２】従来の静電レンズ構造を示す模式図である。
【符号の説明】
１…電極リング、２…絶縁性筒体、３…電圧印加用電極膜、４…接地用電極膜、６…中空部、７…凹部、９…電圧印加電極引出部、１０…接地電極引出部、１１…抵抗膜、２０…試料、２１…コンタクトホール、２２…電源、２３…対物レンズ、３０ａ，３０ｂ…電線。
【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】
2004327303.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004327303.tif 000011
【図１０】
2004327303.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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