(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
応力薄膜を有する成形された光学ＭＥＭＳコンポーネントの製造方法であって、
面を有する基体を設けるステップと、
前記面上に犠牲層を付着させるステップと、
前記光学ＭＥＭＳコンポーネントを画定するために前記犠牲層上にリフトオフマスクを配置するステップと、
前記犠牲層上に金属層を、当該金属層の一方の側の圧縮力から当該金属層の他方の側の張力まで変化する厚さ方向の固有の圧力勾配を有するように、付着させるステップと、
前記金属層上に反射層を形成するステップと、
前記リフトオフマスク及び該リフトオフマスク上に存在する前記金属層の一部分を除去するステップと、
前記光学ＭＥＭＳコンポーネント上にミラーを作るために、残った前記金属層の第１の部分の下に配置された前記犠牲層の部分をエッチングすることにより当該残った金属層の第１の部分を開放するステップであって、前記固有の圧力勾配により当該第１の部分が曲げられて、前記金属層の当該第１の部分の前記反射層が曲げられる、当該ステップと、
を有する、光学ＭＥＭＳコンポーネントの製造方法。
【請求項２】
前記曲げられた反射層は、球状ミラーか又は円筒形ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の光学ＭＥＭＳコンポーネントの製造方法。
【請求項３】
前記金属層を付着させるステップは、前記金属層を形成するため各々異なる固有のストレスを有する複数のＭｏＣｒ層を付着させるステップを更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の光学ＭＥＭＳコンポーネントの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学ＭＥＭＳコンポーネントの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
受動光学コンポーネントは、ＭＥＭＳ/ＭＯＥＭＳ（微小電気機械システム/微小光学電気機械システム：micro-electromechanical systems/micro-opto-electromechanical systems）の形態における光信号のリファイン及び最適化において、重要な役割を果たすことができる。光信号が変調されるとともに光学モードの品質がシステムの性能と一体である、プリントやレーザスキャン操作、データ通信における光の質的特性を制御するために、受動光学デバイスが頻繁に用いられる。故に、光学ＭＥＭＳ/ＭＯＥＭＳシステムに用いる受動光学デバイスを提供する必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
応力が制御されていないと、ＭＥＭＳコンポーネントに湾曲やバックリングを生じることがあるので、ＭＥＭＳにおいては、応力の制御が重要である。しかし、ＭＥＭＳに関しては、応力制御能力を用いて、望ましい効果を得ることができる。応力勾配材料を用いて、応力の解放を制御して、三次元構造を作ることができる。薄膜の応力を制御して、ＭＥＭＳコンポーネントの光学面を正確に形成することが可能である。例えば、張力又は応力勾配材料を用いて、ＭＥＭＳ/ＭＯＥＭＳに用いるための、円筒形及び球形のＭＥＭＳミラーや調整可能なＭＥＭＳ回折格子を作ることができる。用途としては、光通信、ビーム走査、及び分光学の領域が含まれる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様は、応力薄膜を有する成形された光学ＭＥＭＳコンポーネントの製造方法であって、面を有する基体を設けるステップと、前記面上に犠牲層を付着させるステップと、前記光学ＭＥＭＳコンポーネントを画定するために前記犠牲層上にリフトオフマスクを配置するステップと、前記犠牲層上に金属層を、当該金属層の一方の側の圧縮力から当該金属層の他方の側の張力まで変化する厚さ方向の固有の圧力勾配を有するように、付着させるステップと、前記金属層上に反射層を形成するステップと、前記リフトオフマスク及び該リフトオフマスク上に存在する前記金属層の一部分を除去するステップと、前記光学ＭＥＭＳコンポーネント上にミラーを作るために、残った前記金属層の第１の部分の下に配置された前記犠牲層の部分をエッチングすることにより当該残った金属層の第１の部分を開放するステップであって、前記固有の圧力勾配により当該第１の部分が曲げられて、前記金属層の当該第１の部分の前記反射層が曲げられる、当該ステップと、を有する、光学ＭＥＭＳコンポーネントの製造方法である。
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記曲げられた反射層は、球状ミラーか又は円筒形ミラーであることを特徴とする。
本発明の第３の態様は、第１の態様において、前記金属層を付着させるステップは、前記金属層を形成するため各々異なる固有のストレスを有する複数のＭｏＣｒ層を付着させるステップを更に備えたことを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
光通信などの用途のために、円筒形反射ミラーを用いて、拡散光を一本の線に集束させることができる。図１及び図２は、本発明による円筒形反射ミラー１００用のＭＥＭＳ構造の一実施形態を示している。円筒形反射ミラー１００を作るには、ポリシリコンの付着及びエッチングを含む従来の表面（平面）ＭＥＭＳ設計及び製造法を用いてもよく、又は、ＳＯＩ(silicon-on-insulator)ウエハ材料を、パターンを画定するための従来のリソグラフィ工程と共に用いてもよい。
【０００６】
応力勾配層１１０は、一般的に、約５００ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さを有し、一般的に、ＭｏＣｒを、後で示す表１に記載されているように蒸着して作られる。応力勾配層１１０は、例えばポリシリコン、又はＳＯＩウエハ材料を用いる場合には単結晶デバイス層のいずれかである、構造層５３０の上に蒸着される。応力勾配層１１０は、厚さ方向に、層１１０の一方の側から構造層５３０と隣接する他方の側に向かって圧縮力から張力へと変化する、固有の応力勾配を有する。応力勾配は、３．０Ｇｐａ以上と大きくすることができる。構造層５３０が基体５１０から解放されると（図１２参照）、応力勾配層１１０の応力勾配により、解放された構造層５３０は湾曲する（図２参照）。
【０００７】
構造層５３０の下には、円筒形反射ミラー１００が共通軸に垂直な方向に湾曲するのを防止するための、共通軸に平行であり且つ約４０μｍ離間された複数の補強はり（梁）１３０が存在する。補強はり１３０の一般的な寸法は、幅が約１０μｍであり、高さが約５μｍ以下である。円筒形反射ミラー１００の一般的な寸法は、約２００μｍ×２５０μｍである。
【０００８】
円筒形反射ミラー１００の光学反射特性を高めるために、一般的にアルミニウム又は金でできている反射層１４０が、加熱蒸着又はＲＦスパッタリング技術のいずれかにより、応力勾配層１１０の上に、約２００〜５００ｎｍの厚さに蒸着される。円筒形反射ミラー１００の平面度は、応力勾配層１１０及び反射層１４０を蒸着する前に構造層５３０を化学的及び機械的に研磨することで得られる。尚、ＳＯＩウエハを用いる場合には研磨の必要はない。円筒形反射ミラー１００の曲率は、応力勾配層１１０の応力勾配及び構造層５３０の厚さによって決定される。応力勾配層１１０の応力勾配を増し、構造層５３０の厚さを減らすと、円筒形反射ミラー１００の曲率が増す。構造層５３０の厚さが約１００ｎｍ未満の場合に生じる構造層５３０における円筒形反射ミラー１００への応力の伝達を回避しつつ、必要な機械的支持を与えるための、構造層５３０の一般的な厚さは、約１００ｎｍである。構造層５３０の厚さが約１００ｎｍ未満の場合には、円筒形反射ミラー１００に、許容できないレベルの異方性の応力が存在する。厚さが約１００ｎｍを越え且つ５００ｎｍ未満の場合には、異方性応力は大きくなく、このように厚さを増しても、依然として、円筒形反射ミラー１００を適切に曲げることができる。
【０００９】
図３には、本発明による円筒形反射ミラー１００の一実施形態が示されている。円筒形反射ミラー１００は、トーションバー２２０に支持されている。円筒形反射ミラー１００の角度位置は、スライド式アクチュエータ２１０を用いて、又は、デインマンら(M. J. Daneman et al.)の「光学コンポーネントの配置用のリニア微振動モータ(Linear Microvibromotor for Positioning Optical Components)」（IEEE J. MEMs, vol. 5, no. 3, pp. 159-165,1996年9月、）に記載されているような静電気的に駆動されるコームドライブアクチュエータ（図示せず）によって調整できる。
【００１０】
ＭＥＭＳ球形ミラーは光を二次元に集束させることができ、例えば、最適な結果を得るために光ビームを集束して光の強度を増す、ビーム走査や分光学等の用途に望ましい。金属薄膜の応力を制御することができれば、半球形の反射面が得られる。犠牲層５２０でコーティングされた基体５１０（図１６参照）の上に、一般的にＭｏＣｒであり制御された応力勾配を有する応力勾配層１１０が蒸着される。本発明による一実施形態では、図４は、球形ミラー３２０用の金属パターン３１０及び、一般的に約４００μｍ×４００μｍの寸法を有する解放窓３１５を示している。図５は、基体５１０から解放された、一般的に約１７５μｍの半径を有する球形ミラー３２０を示している。球形ミラー３２０の表面は、一般的に、加熱蒸着又はＲＦスパッタリング技術のいずれかによってアルミニウム又は金の反射層でコーティングされている。犠牲層５２０は解放窓３１５を介してエッチングされ、それによって金属パターン３１０が解放されて立ち上がり、球形ミラー３２０が形成される。単一のカンチレバー３２５が、球形ミラー３２０を基体５１０に固定している。金属パターン３１０（図４参照）は、解放されると、二軸性の応力の存在により球面となる。
【００１１】
立ち上がりの量及び、得られる曲率半径は、米国特許第５，９１４，２１８号に開示されているような、従来のマイクロスプリングの設計法を用いて設計することができる。例えば、パターン３１０に対して、厚さ約５００ｎｍ、内部応力勾配約３．０Ｇｐａの応力勾配層１１０をＭｏＣｒで形成するためのスパッタリング条件を、下の表１に示す。
【表１】
0004794092.tif 000002
【００１２】
円筒形反射ミラー１００及び調整可能回折格子薄膜構造４１０用の応力勾配層１１０のスパッタリング条件も、表１の記載の通りである。
【００１３】
立ち上がりが、単一のカンチレバー３２５が基体３９０から数十ミクロン上に持ち上げられる程度である場合は、球形ミラー３２０のカンチレバー３２５の下の犠牲層５２０（図１７参照）の下に埋め込まれた金属接点（図示せず）を用いて球形ミラー３２０を静電気的に動かすことができる。静電気的に動かすことで、カンチレバーの角度の正確な調整が可能になると共に、位置が移動する又は調整できる光源からの光が集められる用途において、任意に、球形ミラー３２０を光路から移動させることができる。ＳＯＩデバイス層を用いた場合、球形ミラー３２０の厚さは、一般的に、２〜３μｍ又は５〜１０μｍである。
【００１４】
球形ミラー３２０の充填比及び反射率を、本発明による一実施形態の球形ミラー３２０の花弁状部分３２１の間にウェビング（図示せず）を挿入することによって高めてもよい。応力勾配層１１０の蒸着の前に、固有の応力を有していない誘電層又は金属層を蒸着し、標準的なリソグラフィ技術を用いてパターニングする。次に、この誘電層又は金属層にドライエッチング又はウェットエッチングを施して、形状を定める。このウェビング層は、応力勾配層１１０の金属パターン３１０と同時に解放され、金属パターン３１０が解放された際の応力の緩和によって、球形に変形される。
【００１５】
ＭＥＭＳ調整可能回折格子は、分光光度計用の用途を有する。図６は、本発明の一実施形態による調整可能回折格子薄膜構造４１０を示している。基体５１０上に付着されたアモルファスシリコン又はポリシリコン層９２０の上に、一般的に５００〜１０００ｎｍの厚さの応力勾配層１１０が蒸着される。パターニングされたアモルファスシリコン又はポリシリコン層９２０を解放すると、層９２０は、応力勾配層１１０の応力によって上向きにカールし、回折格子薄膜構造４１０を形成する。基体５１０と各回折格子薄膜９４５の間に約１００ボルトを越えるバイアス電圧を印加することにより、回折格子の角度４１５を調整できる。例えば４９％フッ化水素酸での時間制御によるエッチングにより誘電層５２０を除去すると、各回折格子薄膜は解放された際に上向きにカールする。
【００１６】
式（１）は回折格子の格子条件式である。
ａ ｓｉｎθｍ＝ｍλ                  （１）
式中、ａは回折格子のピッチであり、光は回折格子に直角に入射するものとする。本発明による一実施形態では、例えば、ａ＝３μｍ及びλ＝６７０ｎｍとすると、一次回折角度θ1＝１２．９°及び二次回折角度θ2＝２６．５°となる。回折格子角度４１５が１３．２５°に調整されると、回折格子の正反射率は二次回折に一致する。回折格子角度４１５を６．４５°に調整すると、正反射率は一次回折に一致する。
【００１７】
図７〜図１２は、本発明の一実施形態による円筒形ミラー１００の製造工程を示している。図７は、バルクシリコン基体５１０を示す。図８は、シリコン基体５１０上の犠牲層５２０の、一般的にスパッタリング又はプラズマ化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）のいずれかによる蒸着及びパターニングを示す。犠牲層５２０の一般的な組成はＳｉＯ2であるが、バルクシリコン基体５１０にＳＯＩを用いない場合は、Ｓｉ3Ｎ4等の他の材料を用いても良い。補強ビーム１３０を作るために、犠牲層５２０上にマスク６１０が配置される。図９は、４５％ＫＯＨ（水酸化カリウム）溶液でエッチングした後のシリコン基体５１０を示す。図１０は、犠牲層５２５及びポリシリコン層５３０の蒸着を示す。ポリシリコン層５３０上に、図１４に示されているリフトオフマスク６２０が配置される。リフトオフマスク６２０の開口した中央部は、リフトオフマスク６２０が除去された際に、例えばＭｏＣｒ層である応力勾配層１１０がシリコン基体５１０上に残る場所を示す。図１１は、上記の表１に記載されているＭｏＣｒ層１１０の蒸着を示す。最後に、図１２は、ＳｉＯ2犠牲層５２０及び５２５を除去するために４９％ＨＦ（フッ化水素酸）ウェットエッチングを用いた、層５３０の解放を示す。層５３０を解放すると、円筒形ミラー１００が解放される。
【００１８】
図１５〜図１９は、本発明の一実施形態による球形ミラー３２０の製造工程を示している。図１５は、バルクシリコン基体５１０を示す。図１６に示されるように、シリコン基体５１０上に、一般的にＳｉＯ2である犠牲層５２０が蒸着される。図２０には、フォトレジストリフトオフマスク７１０の平面図が示されている。図１７に示されるように、フォトレジストリフトオフマスク７１０を用いてシリコン基体５１０がパターニングされると、次に、一般的にＭｏＣｒである応力勾配層１１０が表１に記載されているように蒸着される。続いて、アセトン浸漬リフトオフ処理で、リフトオフマスク７１０が、応力勾配層１１０の余分なＭｏＣｒと共に除去される。最後に、スピン−オン技術を用いて、図２１に平面図で示されているフォトレジストマスク７２０が、応力勾配層１１０の解放されない部分を覆うように応力勾配層１１０上に付着される。応力勾配層１１０の露出された領域は、４９％ＨＦ（フッ化水素酸）ウェットエッチングを用いて犠牲層５２０を除去することで、解放される。球形ミラー３２０を解放するためのＨＦエッチングの持続時間は、一般的に約１５分間である。フォトレジストマスク７２０により、球形ミラー３２０の花弁状部分３２１をアンダーエッチングしつつ、球形ミラー３２０の残りの部分をエッチングから保護することができる。上述したように、花弁状部分３２１の間にウェビング材料を導入することにより、球形ミラー３２０の効率を高めてもよい。
【００１９】
図２１〜図２７は、本発明の一実施形態による調整可能回折格子薄膜構造４１０の製造工程を示している。図２１に示されるように、ガラス又はバルクシリコン基体５１０上に、犠牲層５２０が約５μｍの厚さに蒸着される。犠牲層５２０は一般的にＳｉＯ2であるが、例えば窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）又は酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮX）であってもよい。図２３に示されるように、犠牲層５２０は、マスク９９９（図２８参照）を用いた標準的なリソグラフィを用いて、個々の回折格子９８８の固定位置９５０を露出するためにパターニングされる。図２４に示されるように、化学蒸着法を用いて、犠牲層５２０上にポリシリコン又はアモルファスシリコン層９２０が付着される。ポリシリコン又はアモルファスシリコン層９２０は、個々の回折格子薄膜９４５に対する機械的支持層として機能する。層９２０は図２８に示されたマスク９９９を用いてパターニングされ、露出部分はドライエッチングを施されて犠牲層５２０が部分的に露出され、図２５に示されるように、ポリシリコン層９２０内の個々の回折格子９４５が画定される。ＭｏＣｒリフトオフ処理のために、層９２０は標準的なリソグラフィを用いて再びパターニングされる。図２６に示されるように、表１に記載されている処理を用いてＭｏＣｒ層１１０が蒸着され、リフトオフ処理で過剰なレジストが除去されると、個々の回折格子９８８上だけにＭｏＣｒ層１１０が残る。一般的に４９％フッ化水素酸であるウェットエッチング液を用いて、犠牲層５２０が除去される。図２７に示されるように、一般的に１００μｍの長さを有する個々の回折格子薄膜９４５が基体５１０に固定された状態で残り、図４に示されるように回折格子薄膜９４５が上向きにカールする。
【００２０】
図２９〜図３３は、本発明の一実施形態による球形ミラー３２０の製造工程を示している。図２９は、製造の開始点として、単結晶シリコン（ＳＣＳ）層１１２０を有する、絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）ウエハ１１００を示す。先に述べたように、ＳＯＩウエハ１１００を、本発明に従ったシリコン基体５１０の代わりに用いてもよい。市販のＳＯＩウエハ１１００を用いることで処理工程の数が減るとともに、ポリシリコン材料よりも高い光学的及び機械的品質を備えるＳＣＳ層１１２０が与えられる。単結晶シリコン（ＳＣＳ）層１１２０の厚さは一般的に１００ｎｍであり、犠牲層５２０の厚さは一般的に２μｍである。図３０は、マスク７１０（図２０参照）の写真ネガ及びエッチング液を用いた、ＳＣＳ層１１２０のリソグラフィパターニングを示す。図３１に示されるように、次のＳＣＳ層１１２０のエッチングでは、ＳＣＳ層１１２０上にフォトレジストマスク７１０（図２０参照）が配置され、応力勾配層１１０が表１に記載されているように蒸着される。次に、アセトン溶媒を用いたリフトオフ処理で、応力勾配層１１０の不要な部分が除去される。最後に、図３２に示されるように、スピン−オン技術を用いて、図２１に平面図が示されているフォトレジストマスクが、応力勾配層１１０の解放されない部分を覆うように、応力勾配層１１０上に配置される。図３３に示されるように、応力勾配層１１０の露出されている領域は、４９％ＨＦ（フッ化水素酸）ウェットエッチングを用いて犠牲層５２０を除去することで、解放される。球形ミラー３２０を解放するためのＨＦエッチングの持続時間は、一般的に約１５分間である。フォトレジストマスク７２０により、球形ミラー３２０の花弁状部分３２１（図５参照）をアンダーエッチングしつつ、球形ミラー３２０の残りの部分をエッチングから保護することができる。ここでも、上述したように、花弁状部分３２１の間にウェビング材料を導入することにより、球形ミラー３２０の効率を高めてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による円筒形ＭＥＭＳミラーの一実施形態を示す図である。
【図２】本発明による円筒形ＭＥＭＳミラーの一実施形態を示す図である。
【図３】本発明による円筒形ＭＥＭＳミラーの一実施形態を示す図である。
【図４】本発明による一実施形態における球形ＭＥＭＳミラーの金属パターンを示す図である。
【図５】本発明による球形ＭＥＭＳミラーの一実施形態を示す図である。
【図６】本発明によるＭＥＭＳ回折格子の一実施形態を示す図である。
【図７】本発明による円筒形ＭＥＭＳミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図８】本発明による円筒形ＭＥＭＳミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図９】本発明による円筒形ＭＥＭＳミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図１０】本発明による円筒形ＭＥＭＳミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図１１】本発明による円筒形ＭＥＭＳミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図１２】本発明による円筒形ＭＥＭＳミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図１３】図８に示される工程で用いられるマスクを示す図である。
【図１４】図１０に示される工程で配置されるリフトオフマスクを示す図である。
【図１５】本発明による球形ＭＥＭＳミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図１６】本発明による球形ＭＥＭＳミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図１７】本発明による球形ＭＥＭＳミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図１８】本発明による球形ＭＥＭＳミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図１９】本発明による球形ＭＥＭＳミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図２０】図１６に示される工程で配置されるリフトオフマスクを示す図である。
【図２１】図１８に示される工程で配置されるリフトオフマスクを示す図である。
【図２２】本発明によるＭＥＭＳ回折格子の一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図２３】本発明によるＭＥＭＳ回折格子の一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図２４】本発明によるＭＥＭＳ回折格子の一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図２５】本発明によるＭＥＭＳ回折格子の一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図２６】本発明によるＭＥＭＳ回折格子の一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図２７】本発明によるＭＥＭＳ回折格子の一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図２８】図２５に示される工程で配置されるリフトオフマスクを示す図である。
【図２９】本発明の一実施形態による球形ミラーの製造工程の一部を示す図である。
【図３０】本発明の一実施形態による球形ミラーの製造工程の一部を示す図である。
【図３１】本発明の一実施形態による球形ミラーの製造工程の一部を示す図である。
【図３２】本発明の一実施形態による球形ミラーの製造工程の一部を示す図である。
【図３３】本発明の一実施形態による球形ミラーの製造工程の一部を示す図である。
【符号の説明】
１００    円筒形反射ミラー
１１０    応力勾配層
３２０    球形ミラー
４１０    回折格子薄膜構造
５１０    基体
５２０    犠牲層
【図１】
0004794092.tif 000003
【図２】
0004794092.tif 000004
【図３】
0004794092.tif 000005
【図４】
0004794092.tif 000006
【図５】
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【図６】
0004794092.tif 000008
【図７】
0004794092.tif 000009
【図８】
0004794092.tif 000010
【図９】
0004794092.tif 000011
【図１０】
0004794092.tif 000012
【図１１】
0004794092.tif 000013
【図１２】
0004794092.tif 000014
【図１３】
0004794092.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
0004794092.tif 000017
【図１６】
0004794092.tif 000018
【図１７】
0004794092.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
0004794092.tif 000022
【図２１】
0004794092.tif 000023
【図２２】
0004794092.tif 000024
【図２３】
0004794092.tif 000025
【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
0004794092.tif 000029
【図２８】
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【図２９】
0004794092.tif 000031
【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
0004794092.tif 000035