(57)【要約】【課題】  膜厚測定装置において，膜厚の厚みに関わらず膜厚を測定することが可能とする。【解決手段】  交流電源３からの電力の供給によって励振するピエゾ素子４が支持部２に取り付けられている。ピエゾ素子４には，測定部６を有するカンチレバー５の一端部が固定される。カンチレバー５内には，ピエゾ抵抗素子７とヒータ８が内蔵されている。ピエゾ素子４を励振させ，測定部６表面に形成される膜の膜厚の増大によって変化するカンチレバー５の共振周波数を信号処理装置１１によって観測する。記憶装置１３には，カンチレバー５に形成される膜の膜厚とカンチレバー５の共振周波数との関係のデータが予め記憶されており，このデータと観測した共振周波数とを演算装置１４によって比較照合することで，測定部６の膜厚や膜厚形成レートを測定できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーに形成される膜の厚さを測定する方法であって，
交流電力の供給によって励振するピエゾ素子によって，当該ピエゾ素子に取り付けられたカンチレバーを振動させてその共振周波数を測定し，
予め求めておいた前記カンチレバーに形成される膜の膜厚とカンチレバーの共振周波数との関係に，前記測定した共振周波数を照合することで，前記カンチレバー表面に形成された膜の膜厚を求めることを特徴とする，膜厚測定方法。
【請求項２】
カンチレバーに形成される膜の厚さを測定する装置であって，
交流電力の供給によって励振するピエゾ素子と，
前記ピエゾ素子に取り付けられたカンチレバーと，
前記カンチレバーに設けられたピエゾ抵抗素子と，
前記ピエゾ抵抗素子が受けた歪みに基づいてカンチレバーの振動周波数を観測する観測装置とを有することを特徴とする，膜厚測定装置。
【請求項３】
前記カンチレバーに形成される膜の膜厚とカンチレバーの共振周波数との関係を記憶した記憶装置と，
前記観測装置で観測された共振周波数と，前記記憶装置に記憶されたデータとを比較照合する演算装置とをさらに有することを特徴とする，請求項２に記載の膜厚測定装置。
【請求項４】
カンチレバーを加熱するヒータをさらに有することを特徴とする，請求項２または３に記載の膜厚測定装置。
【請求項５】
処理容器内で保持された基板に蒸着材料を蒸着する装置であって，
請求項２〜４のいずれかに記載の膜厚測定装置が，前記基板の周辺部に配置されたことを特徴とする，蒸着装置。
【請求項６】
前記膜厚測定装置によって測定された膜厚または膜厚形成レートに基づいて，蒸着材料を気化又は昇華させる蒸着源を制御する制御装置をさらに有することを特徴とする，請求項５に記載の蒸着装置。
【請求項７】
処理容器内で保持された基板に蒸着材料を蒸着する装置であって，
収容部に収容された蒸着材料を気化又は昇華させる蒸着源と，
前記蒸着源から生じた蒸着材料の蒸気を前記基板に向けて誘導する誘導路と，
前記誘導路からの蒸気を基板に向けて放出する放出口と，
前記誘導路を経て前記放出口から放出される蒸着材料の蒸気の流量を制御するダンパと，
前記放出口に設けられた請求項２〜４のいずれかに記載の膜厚測定装置と，
前記膜厚測定装置によって測定された膜厚または膜厚形成レートに基づいて，前記ダンパを制御する制御装置をさらに有することを特徴とする，蒸着装置。
【請求項８】
処理容器内で保持された基板に蒸着材料を蒸着する装置であって，
収容部に収容された蒸着材料を気化又は昇華させる蒸着源と，
前記蒸着源から生じた蒸着材料の蒸気を前記基板に向けて誘導する誘導路と，
前記誘導路からの蒸気を基板に向けて放出する放出口と，
前記蒸着源における前記誘導路へと続く流路に設けられた請求項２〜４のいずれかに記載の膜厚測定装置と，
前記流路を通過する蒸着材料の蒸気の流量を制御する流量調整器と，
前記膜厚測定装置によって測定された膜厚または膜厚形成レートに基づいて，前記流量調整器を制御する制御装置をさらに有することを特徴とする，蒸着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，膜厚測定方法，膜厚測定装置及び当該膜厚測定装置用いた蒸着装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば蒸着材料を気化あるいは昇華させてその蒸気を基板に蒸着させる蒸着装置においては，基板表面に蒸着して堆積する膜の厚さを正確に測定する必要がある。
【０００３】
これに関し従来は，水晶振動子の表面に膜を堆積させ，当該膜の質量を水晶振動子の質量増加分と等しいものとみなし，水晶振動子の共振周波数の変化から当該膜の膜厚を検出するようにしていたが，水晶振動子によって検出する膜の膜厚には限界があるため，最近では水晶振動子を加熱し，水晶振動子上の成膜速度を成膜対象物よりも意図的に低下させ，あらかじめ求めておいた薄膜の成膜温度と成膜速度との関係から，成膜対象物の温度と水晶振動子の温度から成膜速度の比を求めて水晶振動子の表面の膜厚を検出することで，成膜対象物上の膜厚を算出することが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１１１１２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながらそのように水晶振動子のみを加熱して意図的に成膜速度を遅くしても，やはり堆積した膜がある一定以上の厚みになると計測不能になることが予想される。また依然として水晶振動子を採用している関係上，加熱の温度には限界があり，堆積する膜を蒸発するほどまでには加熱することができず，結局水晶振動子の洗浄を頻繁に行わなければならず，装置の稼働率に影響を与える。
【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり，膜厚測定装置において，膜厚の厚みに関わらず膜厚を測定することが可能で，しかも堆積膜を蒸発させることが容易で，メンテナンスサイクルを長くすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため，本発明は，カンチレバーに形成される膜の厚さを測定する方法であって，交流電力の供給によって励振するピエゾ素子によって，当該ピエゾ素子に取り付けられたカンチレバーを振動させてその共振周波数を測定し，予め求めておいた前記カンチレバーに形成される膜の膜厚とカンチレバーの共振周波数との関係に，前記測定した共振周波数を照合させることで，前記カンチレバーに形成された膜の膜厚を求めることを特徴としている。
【０００８】
本発明によれば，水晶振動子を用いずに，ピエゾ素子によるカンチレバーの共振周波数に基づいてカンチレバー表面に形成される膜の厚さを測定するので，形成される膜の厚みに関わらず，これを測定することが可能である。
【０００９】
また本発明の別な観点によれば，本発明の膜厚測定装置は，交流電力の供給によって励振するピエゾ素子と，前記ピエゾ素子に取り付けられたカンチレバーと，前記カンチレバーに設けられたピエゾ抵抗素子と，前記ピエゾ抵抗素子が受けた歪みに基づいてカンチレバーの振動周波数を観測する観測装置とを有することを特徴としている。
【００１０】
かかる本発明によれば，例えばカンチレバーを，表面に形成される膜厚の測定対象物の近傍に配置することで，当該測定対象物表面に形成される膜と同じ膜の厚さをリアルタイムで測定することが可能である。
【００１１】
本発明の膜厚測定装置においては，前記カンチレバーに形成される膜の膜厚とカンチレバーの共振周波数との関係を記憶した記憶装置と，前記観測装置で観測された共振周波数と，前記記憶装置に記憶されたデータとを比較照合する演算装置とをさらに有するようにしてもよい。
【００１２】
さらにまたカンチレバーを加熱するヒータをさらに付加すれば，カンチレバー表面に形成された膜成分を蒸発させることができ，メンテナンスサイクルを長くすることができる。
【００１３】
さらにまた本発明の別な観点によれば，本発明の蒸着装置は，上記したいずれかの膜厚測定装置が，基板の周辺部に配置されたことを特徴としている。かかる場合，膜厚測定装置によって測定された膜厚または膜厚形成レートに基づいて，蒸着材料を気化又は昇華させる蒸着源を制御する制御装置をさらに有するようにすれば，所定の膜厚を基板表面に形成することが自動的になされる。
【００１４】
蒸着装置のタイプとしては，例えば収容部に収容された蒸着材料を気化又は昇華させる蒸着源と，前記蒸着源から生じた蒸着材料の蒸気を前記基板に向けて誘導する誘導路と，前記誘導路からの蒸気を基板に向けて放出する放出口と，
前記誘導路を経て前記放出口から放出される蒸着材料の蒸気の流量を制御するダンパとを備え，この放出口に上記した膜厚測定装置を備え，当該膜厚測定装置によって測定された膜厚または膜厚形成レートに基づいて，前記ダンパを制御する制御装置をさらに有する構成としてもよい。
【００１５】
また処理容器内で保持された基板に蒸着材料を蒸着する装置であって，収容部に収容された蒸着材料を気化又は昇華させる蒸着源と，前記蒸着源から生じた蒸着材料の蒸気を前記基板に向けて誘導する誘導路と，前記誘導路からの蒸気を基板に向けて放出する放出口と，前記蒸着源における前記誘導路へと続く流路に上記した膜厚測定装置を備え，前記流路を通過する蒸着材料の蒸気の流量を制御する流量調整器と，前記膜厚測定装置によって測定された膜厚または膜厚形成レートに基づいて，前記流量調整器を制御する制御装置をさらに有する構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば，形成される膜厚の厚みの如何に関わらず膜厚を測定することができる。またヒータによって加熱し，カンチレバーに形成された膜の成分を蒸発させてこれを除去することができるので，メンテナンスのサイクルを従来よりも長くすることができ，装置の稼働率を向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下，本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は，実施の形態にかかる膜厚測定装置１の構成の概略を示しており，支持部２には，交流電源３から供給される交流電力によって励振するピエゾ素子４が取り付けられている。このピエゾ素子４では，例えば定常周波数１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの振動が発生する。
【００１８】
ピエゾ素子４には，カンチレバー５の一端部が固定され，他端部は自由端となっている。カンチレバー５は例えばシリコンからなる。カンチレバー５の特定面，例えば下面は測定部６を構成している。カンチレバー５の内部には，ピエゾ抵抗素子７が設けられている。さらにカンチレバー５には，ヒータ８が設けられている。本実施の形態では，カンチレバー５の内部にヒータ８が設けられている。ヒータ８は，加熱用電源９からの電力の供給によって発熱する。加熱用電源９は，前記交流電源３と共用してもよい。
【００１９】
カンチレバー５内にピエゾ抵抗素子７，ヒータ８を収蔵して一体化するには，例えばメムス技術を用いることができる。
【００２０】
ピエゾ抵抗素子７は，カンチレバー５の振動に伴って抵抗素子自体が受けた歪みによってその抵抗値が変化し，それに基づいた電気信号を適宜の回路によって得ることができる。したがって，ピエゾ素子４の励振によってカンチレバー５が振動したときの振動周波数，つまりカンチレバー５の共振周波数をピエゾ抵抗素子７からの信号によって測定することができる。
【００２１】
カンチレバー５の振動によるピエゾ抵抗素子７からの抵抗値の変動信号は，信号処理装置１１によって，周波数信号に変換され，この信号処理装置１１によって観測することができる。したがって本実施の形態では，信号処理装置１１は観測装置としても機能している。
【００２２】
信号処理装置１１からの周波数信号，すなわちカンチレバー５の共振周波数は，処理装置１２へと出力される。処理装置１２は，例えばパソコン等を使用できる。処理装置１２内には，予め調べておいた，カンチレバー５の測定部６に形成される膜の膜厚と，カンチレバー５の共振周波数との関係をデータとして記憶した記憶装置１３と，前記信号処理装置１１からの共振周波数と，記憶装置１３に記憶されたデータとを比較照合する演算装置１４とを有している。
【００２３】
膜厚測定装置１は以上のような主たる構成を有しており，カンチレバー５の測定部６に対して，例えば蒸着材料の蒸発による蒸着によって膜が形成される場合，時間の経過によって測定部６の表面に膜が堆積していき，膜厚が増大する。このときカンチレバー５の共振周波数も変化することが発明者らの知見によってわかっている。
【００２４】
すなわち図２に示したように，例えば膜厚０［ｎｍ］のときの共振周波数をｆ０とすると，膜厚がｘ［ｎｍ］に増大するとそれに伴って共振周波数はｆ１に変化する。したがって，予めカンチレバー５の例えば測定部６における膜厚と共振周波数との関係を予め求めておくことにより，信号処理装置１１で観測された共振周波数と，予め求めた当該関係とを照合することで，測定部６の形成された膜の膜厚を測定することが可能である。したがって，演算装置１４において，記憶装置１３に記憶されたデータと信号処理装置１１からの観測データとを比較照合することで，リアルタイムで測定部６の表面に形成される膜の膜厚や膜厚形成レートなどを測定することができる。
【００２５】
また発明者らの知見によれば，膜厚−共振周波数の関係は，膜厚の厚さが増大するに伴って，共振周波数が変化する関係を有するので，形成された膜厚の厚さに関係なく，測定部６表面の膜厚を測定することが可能である。
【００２６】
しかもカンチレバー５内にはヒータ８が内蔵され，カンチレバー５の測定部６を加熱することが可能であるので，形成された膜を加熱してこれを蒸発させることができる。したがって，膜種変更の際のクリーニングを省略することができ，全体してのメンテナンスサイクルを長くとることができる。
【００２７】
次に前記膜厚測定装置１を用いた蒸着装置について説明する。図３は，第１の実施の形態にかかる蒸着装置３１の構成の概略を示しており，この蒸着装置３１は，内部に処理空間３２ａを形成する処理容器３２を有している。処理容器３２内の上部には，ガイド部材３３と，このガイド部材３３に沿って適宜の駆動源（図示せず）によって移動する支持部材３４が設けられている。支持部材３４には，例えば静電チャックなどの基板保持部３５が取り付けられており，成膜対象である基板Ｗは基板保持部３５に水平に保持される。処理容器３２の側壁３２ｂには，基板Ｗの搬入出口３５が形成されている。搬入出口３５にはゲートバルブ３６が設けられている。
【００２８】
処理容器３２の下部には，排気管３７に通ずる排気口３８が設けられている。排気管３７は，ポンプなどの排気手段に通じており，処理容器３２内の雰囲気は，この排気口３８をから処理容器３２外へ排気される。
【００２９】
処理容器３２内の底部には，蒸着源４１が設置されている。この蒸着源４１は，蒸着材料Ｓを収容する容器４１ａと，容器４１ａを加熱するヒータ４１ｂを有している。ヒータ４１ｂは，処理容器３２外の電源４２からの電力の供給によって容器４１ａを加熱し，蒸着材料Ｓを気化又は昇華させる。そして気化又は昇華した蒸着材料Ｓは，処理空間３２ａに滞留し，基板保持部３５に保持された基板Ｗの表面（下面）に蒸着して，所定の蒸着膜が基板表面に形成される。
【００３０】
膜厚測定装置１は，図３に示したように，基板Ｗ近傍の基板保持部３５に取り付けられる。これによって，測定部６の表面に形成される蒸着膜の膜厚は，基板Ｗの表面に形成される蒸着膜の膜厚とみなすことができる。そして信号処理装置１１，処理装置１２を経て得られた測定部６の膜厚は，基板Ｗの膜厚として制御装置４３へと出力される。制御装置４３では，そのようにして入力された膜厚信号に基づいて，電源４２を制御し，例えば電源のＯＮ−ＯＦＦやヒータ４１ｂの温度を制御することが可能である。
【００３１】
かかる構成を有する蒸着装置３１によれば，基板Ｗ表面に形成される蒸着膜の膜厚や膜厚形成レート（蒸着レート）をリアルタイムで測定することが可能であり，またそれに基づいて蒸着源４１を制御して，基板Ｗの表面に所定の膜厚の膜を形成することが容易である。しかも前記したように，膜厚測定装置１のメンテナンスサイクルは従来よりも長くなっているので，蒸着装置３１の稼働率は向上している。さらにまた従来この種の蒸着装置において使用されてきたレーザなどを使用する光学系の膜厚測定装置と比べると，例えば光学系が汚れるなど処理容器３２内の雰囲気によって測定精度が影響を受けることはなく，長期間にわたって正確に測定と，それに基づいた正確な膜厚制御を実施することが可能である。
【００３２】
次に膜厚測定装置１を使用した第２の実施の形態にかかる蒸着装置について説明する。図４は，第２の実施の形態にかかる蒸着装置５１の構成の概略を示しており，この蒸着装置５１は，内部に処理空間５２ａを形成する処理容器５２を有している。処理容器５２内の上部には，ガイド部材５３と，このガイド部材５３に沿って適宜の駆動源（図示せず）によって移動する支持部材５４が設けられている。支持部材５４には，静電チャックなどの基板保持部５５が取り付けられており，成膜対象である基板Ｗは基板保持部５５に水平に保持される。また基板Ｗの周縁部は，マスク５６によって覆われる。処理容器５２の側壁３２ｂには，基板Ｗの搬入出口５７が形成されている。搬入出口５７にはゲートバルブ５８が設けられている。
【００３３】
また搬入出口５７と基板保持部５５との間には，アライメント装置５９が設けられている。このアライメント装置５９は，Ｘ，Ｙ，Ｚ，θ方向に移動可能なステージ５９ａを備えており，搬入出口５７から処理容器５２内に搬入された基板Ｗは，まずこのステージ５９ａに載置され，そこで所定のアライメントが行われた後，ステージ５９ａが上昇して，基板保持部５５に基板Ｗが受け渡されるようになっている。
【００３４】
本実施の形態にかかる蒸着装置５１においては，３台の蒸着源６１，６２，６３を備えている。いずれも同一構成であるから，例えば蒸着源６１を例にとって，図５に基づいて説明すると，筒状の本体６１ａ内の下部には，蒸着材料を収容する蒸発皿６１ｂを有し，さらにこの蒸発皿６１ｂの下方には，ヒータ６１ｃを有している。ヒータ６１ｃは，図４に示した電源６４からの電力の供給によって発熱し，蒸発皿６１ｂを所定の温度に加熱することが可能である。本体６１ａの上部には，流路６１ｄを形成する突部６１ｅが設けられている。
【００３５】
各蒸着源６１，６２，６３の各流路６１ｄ，６２ｄ，６３ｄは，誘導路６５に通じている。そしてこの誘導路６５の一端部上方には，放出口６６が設けられている。放出口６６は，基板保持部５５に保持された基板Ｗに向けられている。放出口６６は，ダンパ６７によって開閉可能である。本実施の形態においては，ダンパ６７は例えば駆動部材６８によって上下に昇降して放出口６６を閉鎖，開放するように構成されている。この駆動部材６８及び前記した電源６４は，制御装置６９によって制御されるようになっている。
【００３６】
そして本実施の形態においては，膜厚測定装置１は，放出口６６の内壁部６６ａに取り付けられている。また膜厚測定装置１，信号処理装置１１，処理装置１２を経て得られた膜厚信号は制御装置６９へと出力される。制御装置６９では，そのようにして入力された膜厚信号に基づいて，電源６４を制御し，例えば電源６４のＯＮ−ＯＦＦやヒータ６１ｃ，６２ｃ、６３ｃの温度を制御することが可能である。また制御装置６９は，前記膜厚信号に基づいて駆動部材６８を介してダンパ６７を制御する。
【００３７】
放出口６６の先端周囲の雰囲気は，排気路７１，７２を通じて，図４に示したように，処理容器５２内の雰囲気と共に，排気口７３から排気管７４を通じて，ポンプなどの排気手段７５によって，処理容器５２の外部へと排気される。また誘導路６５内の雰囲気も，ダンパ６７の下方の排気路７６を通じて，排気口７７から，排気管７４から処理容器５２の外部へと排気されるようになっている。
【００３８】
本実施の形態にかかる蒸着装置５１は以上のように構成されており，３台の蒸着源６１，６２，６３からの蒸着材料は，各々の流路６１ｄ，６２ｄ，６３ｄから誘導路６５を経て，放出口６６から，基板保持部５５に保持されている基板Ｗの表面に放出され，基板Ｗの表面に所定の膜が形成される。また蒸着装置５１は３台の蒸着源６１，６２，６３を備えているので，これらに対応した３種類の蒸着材料の蒸気は誘導路６５において混合され，当該３種類の蒸着材料が混合された蒸着膜を基板Ｗの表面に形成することができる。
【００３９】
そして放出口６６の内壁６６ａには，膜厚測定装置１が取り付けられているので，上記３種類の蒸着材料が混合された蒸着膜の膜厚や膜厚形成レートをリアルタイムで測定することが可能であり，またそれに基づいてダンパ６７を制御して，基板Ｗの表面に所定の膜厚の膜を形成することが容易である。また蒸着源６１，６２，６３のヒータ６１ｃ，６２ｃ，６３ｃを個別に制御して，３種類の蒸着材料の混合比を制御することも可能である。
【００４０】
しかも前記したように，膜厚測定装置１のメンテナンスサイクルは従来よりも長くなっているので，蒸着装置５１自体の稼働率は向上している。もちろん膜厚測定装置１は光学系の膜厚測定装置ではないので，長期間にわたって正確に測定と，それに基づいた正確な膜厚制御を実施することが可能である。
【００４１】
なお蒸着源６１，６２，６３の３種類の蒸着材料の混合比や，各々の蒸着材料の蒸着形成レートを独自に測定して，これを制御するには，各蒸着源６１，６２，６３からの蒸着材料の蒸着膜の形成レートを独立して測定し，これを制御することがより好ましい。それには例えば図６に示した蒸着源６１のように，膜厚測定装置１を突部６１ｅに取り付け，流路６１ｄ内を流れる蒸着材料の蒸気による蒸着レートを測定すればよい。
【００４２】
そして流路６１ｄ内を流れる蒸着材料の蒸気の流量を調節する流量調節器６１ｆを流路６１ｄに設け，当該流量調節器６１の制御を，前出制御装置６９によって行うように構成すればよい。こうすることで，流路６１ｄ内を流れる蒸着材料の蒸気による蒸着レートの測定結果に基づいて，流路６１ｄ内を流れる蒸着材料の蒸気の流量を制御することが可能である。もちろんヒータ６１ｃについても同様に，流路６１ｄ内を流れる蒸気の蒸着レートに基づいて個別に制御するようにしてもよい。
【００４３】
なお流路６１ｄは，蒸発皿６１ｂ，ヒータ６１ｃに近接しているので，必要に応じて，膜厚測定装置１自体を冷却する冷却装置，例えばペルチェ素子６１ｇを膜厚測定装置１に設けてもよい。
【００４４】
その他，図７に示したように，膜厚測定装置１を，各蒸着源６１，６２，６３の流路６１ｄ，６２ｄ，６３ｄの出口付近に設けて，各蒸着源６１，６２，６３からの膜厚形成レートを測定するようにしてもよい。
【００４５】
また図６，図７に示したように構成して，各蒸着源６１，６２，６３からの膜厚形成レートを独立して測定したり，制御する場合でも，混合蒸気による膜形成レートを測定する図５のように，放出口６６に膜厚測定装置１を設けてダンパ６７を制御する方式を併用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施の形態にかかる膜厚測定装置の構成の概略を示す説明図である。
【図２】膜厚変化に伴う共振周波数の変化を示すグラフである。
【図３】第１の実施の形態にかかる蒸着装置の構成の概略を示す説明図である。
【図４】第２の実施の形態にかかる蒸着装置の構成の概略を示す説明図である。
【図５】図４の蒸着装置における蒸着源付近の拡大説明図である。
【図６】膜厚測定装置を流路に設けた場合の説明図である。
【図７】膜厚測定装置を流路の出口に設けた場合の説明図である。
【符号の説明】
【００４７】
１    膜厚測定装置
２    支持部
３    交流電源
４    ピエゾ素子
５    カンチレバー
６    測定部
７    ピエゾ抵抗素子
８    ヒータ
１１    信号処理装置
１２    処理装置
１３    記憶装置
１４    演算装置
３１，５１    蒸着装置
【図１】
2007024814.tif 000003
【図２】
2007024814.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007024814.tif 000007
【図６】
2007024814.tif 000008
【図７】
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