(57)【要約】【課題】反応管内のガス供給口近傍におけるIII族窒化物の析出が抑制されてなるIII族窒化物の作製装置を提供する。【解決手段】作製装置１０の供給系１４は、三層構造の供給管を形成するように構成されてなる。供給管１４ａからは、金属Ａｌと第１ガスｇ１中のＨＣｌガスとの反応で生成するＡｌＣｌxガスを供給する。供給管１４ｂからはＮＨ3ガス含む第２ガスｇ２を供給する。供給管１４ｃからは、第３ガスｇ３としてＡｌＣｌxとＮＨ3との反応によるＡｌＮの生成を抑制するガス（例えばＮ2ガス）を供給する。供給管１４ａの端部１４ｅ近傍の領域において、サセプタ１２側へと供給されるＡｌＣｌxガスを取り囲むように第３ガスｇ３の流れが形成されるので、当該領域においてＡｌＣｌxガスとＮＨ3ガスとが反応することが抑制され、結果として、端部１４ｅへのＡｌＮの析出が効果的に抑制される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応管内でIII族元素のハロゲン化物含有ガスと窒素元素含有ガスとを気相反応させることによって基板の上にIII族窒化物結晶を作製する装置であって、
前記反応管内に一方端部が位置するように前記反応管に挿通されてなるハロゲン化物含有ガス導入管を通じて前記ハロゲン化物含有ガスを前記反応管内に供給するハロゲン化物含有ガス供給手段と、
前記窒素元素含有ガスを前記反応管内に供給する窒素元素含有ガス供給手段と、
前記III族窒化物の形成を補助するための補助ガスを供給する補助ガス供給手段と、
を備え、
前記ハロゲン化物含有ガス導入管から供給される前記ハロゲン化物含有ガスが前記基板近傍に向けて整流されるように前記補助ガスを供給する、
ことを特徴とするIII族窒化物結晶の作製装置。
【請求項２】
反応管内でIII族元素のハロゲン化物含有ガスと窒素元素含有ガスとを気相反応させることによって基板の上にIII族窒化物結晶を作製する装置であって、
前記反応管内に一方端部が位置するように前記反応管に挿通されてなるハロゲン化物含有ガス導入管を通じて前記ハロゲン化物含有ガスを前記反応管内に供給するハロゲン化物含有ガス供給手段と、
前記窒素元素含有ガスを前記反応管内に供給する窒素元素含有ガス供給手段と、
前記III族窒化物の形成を補助するための補助ガスを供給する補助ガス供給手段と、
前記ハロゲン化物含有ガス導入管から供給される前記ハロゲン化物含有ガスが前記基板に向かう方向とは異なる方向に拡散することを抑制するように前記補助ガスを供給する、
ことを特徴とするIII族窒化物結晶の作製装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の作製装置であって、
前記補助ガス供給手段が、前記反応管内に一方端部が位置するように前記反応管に挿通されてなる補助ガス導入管を通じて前記補助ガスを供給するように構成されてなり、
前記ハロゲン化物含有ガス導入管が前記補助ガス供給導入管の内部に挿通されてなる、
ことを特徴とするIII族窒化物結晶の作製装置。
【請求項４】
請求項３に記載の作製装置であって、
前記ハロゲン化物含有ガス導入管の前記一方端部が前記補助ガス導入管の前記一方端部から突出しないように、前記ハロゲン化物導入管と前記補助ガス導入管とが配置されてなる、
ことを特徴とするIII族窒化物結晶の作製装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の作製装置であって、
前記補助ガスが窒素ガスであることを特徴とするIII族窒化物結晶の作製装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の作製装置であって、
前記ハロゲン化物含有ガス供給手段が、前記ハロゲン化物導入管の内部でIII族元素金属とハロゲン化水素とを反応させることによって生成する前記ハロゲン化物ガスを供給する、
ことを特徴とするIII族窒化物結晶の作製装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の作製装置であって、
前記III族元素が少なくともＡｌ元素を含む、
ことを特徴とするIII族窒化物結晶の作製装置。
【請求項８】
所定の反応管内でIII族元素のハロゲン化物含有ガスと窒素元素含有ガスとを気相反応させることによって基板の上にIII族窒化物結晶を作製する方法であって、
前記反応管内に一方端部が位置するように前記反応管に挿通されてなるハロゲン化物含有ガス導入管の内部でIII族元素金属とハロゲン化水素とを反応させることによって前記ハロゲン化物含有ガスを生成させる工程と、
生成した前記ハロゲン化物含有ガスを前記ハロゲン化物含有ガス導入管から前記反応管に供給する工程と、
前記ハロゲン化物含有ガス導入管から供給される前記ハロゲン化物含有ガスが前記基板近傍に向けて整流されるように、所定の補助ガス供給源から補助ガスを供給する工程と、
を備えることを特徴とするIII族窒化物結晶の作製方法。
【請求項９】
所定の反応管内でIII族元素のハロゲン化物含有ガスと窒素元素含有ガスとを気相反応させることによって基板の上にIII族窒化物結晶を作製する方法であって、
前記反応管内に一方端部が位置するように前記反応管に挿通されてなるハロゲン化物含有ガス導入管の内部でIII族元素金属とハロゲン化水素とを反応させることによって前記ハロゲン化物含有ガスを生成させる工程と、
生成した前記ハロゲン化物含有ガスを前記ハロゲン化物含有ガス導入管から前記反応管に供給する工程と、
前記ハロゲン化物含有ガス導入管から供給される前記ハロゲン化物含有ガスが前記基板に向かう方向とは異なる方向に拡散することを抑制するように、所定の補助ガス供給源から補助ガスを供給する工程と、
備えることを特徴とするIII族窒化物結晶の作製方法。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載の作製方法であって、
前記III族元素金属が少なくともＡｌを含む、
ことを特徴とするIII族窒化物結晶の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物結晶の作製装置、特にIII族窒化物膜をエピタキシャル成長させる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物結晶は、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子を構成する材料として用いられている。
【０００３】
III族窒化物結晶の厚膜（III族窒化物厚膜）の作製方法として、所定の下地基板の上に、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法を用いてIII族窒化物結晶をエピタキシャル形成させる方法およびそのための装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。これは、金属ＡｌなどのIII族原料金属と塩化水素ガスなどのハロゲン化水素ガスを反応管内で加熱下で反応させることで、III族原料金属の塩化物を生成させ、これをアンモニアガスと気相反応させて生成したIII族窒化物を下地基板上に析出させることでIII族窒化物をエピタキシャル成長させる方法である。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２５２２４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＨＶＰＥ法によるIII族窒化物の作製装置においては、生成したIII族窒化物が、下地基板上に達する前に、上述の塩化物ガスの供給口の端部に析出することがある。高温のIII族窒化物成長部分からの熱輻射あるいは原料供給部での加熱による熱伝導のため、原料供給口の端部の温度が、III族窒化物析出温度より高くなるからである。係る析出物が存在すると、供給される原料ガスの流れに乱れが生じることとなる。また、係る析出物がパーティクルとして飛散して、成長中の結晶に付着すると、結晶品質が劣化することにもなる。すなわち、III族窒化物のエピタキシャル成長に際して、上述のような供給口の端部へのIII族窒化物の析出は、望ましくない。特に、こうした傾向は、III族元素としてＡｌを含む場合に顕著となる。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、反応管内のガス供給口近傍におけるIII族窒化物の析出が抑制されてなるIII族窒化物の作製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】
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、反応管内でIII族元素のハロゲン化物含有ガスと窒素元素含有ガスとを気相反応させることによって基板の上にIII族窒化物結晶を作製する装置であって、前記反応管内に一方端部が位置するように前記反応管に挿通されてなるハロゲン化物含有ガス導入管を通じて前記ハロゲン化物含有ガスを前記反応管内に供給するハロゲン化物含有ガス供給手段と、前記窒素元素含有ガスを前記反応管内に供給する窒素元素含有ガス供給手段と、前記III族窒化物の形成を補助するための補助ガスを供給する補助ガス供給手段と、を備え、前記ハロゲン化物含有ガス導入管から供給される前記ハロゲン化物含有ガスが前記基板近傍に向けて整流されるように前記補助ガスを供給する、ことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２の発明は、反応管内でIII族元素のハロゲン化物含有ガスと窒素元素含有ガスとを気相反応させることによって基板の上にIII族窒化物結晶を作製する装置であって、前記反応管内に一方端部が位置するように前記反応管に挿通されてなるハロゲン化物含有ガス導入管を通じて前記ハロゲン化物含有ガスを前記反応管内に供給するハロゲン化物含有ガス供給手段と、前記窒素元素含有ガスを前記反応管内に供給する窒素元素含有ガス供給手段と、前記III族窒化物の形成を補助するための補助ガスを供給する補助ガス供給手段と、前記ハロゲン化物含有ガス導入管から供給される前記ハロゲン化物含有ガスが前記基板に向かう方向とは異なる方向に拡散することを抑制するように前記補助ガスを供給する、ことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の作製装置であって、前記補助ガス供給手段が、前記反応管内に一方端部が位置するように前記反応管に挿通されてなる補助ガス導入管を通じて前記補助ガスを供給するように構成されてなり、前記ハロゲン化物含有ガス導入管が前記補助ガス供給導入管の内部に挿通されてなる、ことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４の発明は、請求項３に記載の作製装置であって、前記ハロゲン化物含有ガス導入管の前記一方端部が前記補助ガス導入管の前記一方端部から突出しないように、前記ハロゲン化物導入管と前記補助ガス導入管とが配置されてなる、ことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の作製装置であって、前記補助ガスが窒素ガスであることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の作製装置であって、前記ハロゲン化物含有ガス供給手段が、前記ハロゲン化物導入管の内部でIII族元素金属とハロゲン化水素とを反応させることによって生成する前記ハロゲン化物ガスを供給する、ことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の作製装置であって、前記III族元素が少なくともＡｌ元素を含む、ことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項８の発明は、所定の反応管内でIII族元素のハロゲン化物含有ガスと窒素元素含有ガスとを気相反応させることによって基板の上にIII族窒化物結晶を作製する方法であって、前記反応管内に一方端部が位置するように前記反応管に挿通されてなるハロゲン化物含有ガス導入管の内部でIII族元素金属とハロゲン化水素とを反応させることによって前記ハロゲン化物含有ガスを生成させる工程と、生成した前記ハロゲン化物含有ガスを前記ハロゲン化物含有ガス導入管から前記反応管に供給する工程と、前記ハロゲン化物含有ガス導入管から供給される前記ハロゲン化物含有ガスが前記基板近傍に向けて整流されるように、所定の補助ガス供給源から補助ガスを供給する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項９の発明は、所定の反応管内でIII族元素のハロゲン化物含有ガスと窒素元素含有ガスとを気相反応させることによって基板の上にIII族窒化物結晶を作製する方法であって、前記反応管内に一方端部が位置するように前記反応管に挿通されてなるハロゲン化物含有ガス導入管の内部でIII族元素金属とハロゲン化水素とを反応させることによって前記ハロゲン化物含有ガスを生成させる工程と、生成した前記ハロゲン化物含有ガスを前記ハロゲン化物含有ガス導入管から前記反応管に供給する工程と、前記ハロゲン化物含有ガス導入管から供給される前記ハロゲン化物含有ガスが前記基板に向かう方向とは異なる方向に拡散することを抑制するように、所定の補助ガス供給源から補助ガスを供給する工程と、備えることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項１０の発明は、請求項８または請求項９に記載の作製装置であって、前記III族元素金属が少なくともＡｌを含む、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１ないし請求項１０の発明によれば、作製装置の反応管内において、III族元素のハロゲン化物含有ガスを供給するハロゲン化物含有ガス導入管の端部にIII族窒化物が析出することが、補助ガス供給手段によって、該ハロゲン化物含有ガスと窒素元素含有ガス供給手段によって供給される窒素元素含有ガスとの間に補助ガスを供給するようにすることで、効果的に抑制される。これにより、作製装置において良好な結晶品質を有するIII族窒化物を効率的に生成することができる。
【００１８】
特に、請求項１の発明によれば、補助ガスを供給することによって、ハロゲン化物含有ガス導入管の端部近傍においてハロゲン化物含有ガスが基板近傍に向けて整流されるので、ハロゲン化物含有ガス導入管の端部におけるIII族窒化物の析出が抑制される。
【００１９】
特に、請求項２の発明によれば、補助ガスを供給することによって、ハロゲン化物含有ガス導入管の端部近傍においてハロゲン化物含有ガスが基板に向かう方向とは異なる方向に拡散することが抑制されるので、ハロゲン化物含有ガス導入管の端部におけるIII族窒化物の析出が抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態に係るIII族窒化物結晶の作製装置１０の構造を概念的に示す図である。作製装置１０は、略水平方向に長手方向を有する、例えば石英製やＳＵＳステンレス製の反応管１１を備える。図１（ａ）は、反応管１１の長手方向に沿った作製装置１０の断面模式図であり、図１（ｂ）は、位置Ａ−Ａ’における、該長手方向と垂直な面の断面図である。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、反応管１１の内部には、略水平な載置面を有するサセプタ１２が設けられてなる。サセプタ１２の載置面上に下地基板１３を載置した状態で、反応管１１の一方端側に備わる供給系１４から所定のガスを供給し、下地基板１３の上方の空間で所定の気相反応を生じさせることによって、下地基板１３の上にIII族窒化物結晶をエピタキシャル形成させることができる。なお、以下の説明においては、III族窒化物結晶としてＡｌＮを作製する場合を例に説明しているが、作製装置１０は、他のIII族元素（Ｂ、Ｇａ、Ｉｎなど）を含むIII族窒化物結晶を作製する場合にも、適用可能である。
【００２２】
また、反応管１１の外周部分には、供給系１４のうち少なくとも後述するボート１５を含む部分を、反応管１１の外部から加熱する第１ヒータ１６が備わっている。第１ヒータ１６は、抵抗加熱ヒータである。さらには、下地基板１３へのエピタキシャル成長を行わせるべく、サセプタ１２の上に載置された下地基板１３を加熱するための第２ヒータ１７も備わっている。第２ヒータ１７は、ＲＦ加熱ヒータである。ＡｌＮをエピタキシャル形成する場合には、第１ヒータ１６の加熱温度を４００℃以上、第２ヒータの加熱温度を１４００℃以上とすることが望ましい。第１ヒーター１６の加熱温度は、Ａｌ金属を効率よくハロゲン化水素と反応させるために必要な温度であり、第２のヒーター温度１７は、ＡｌＮの結晶品質を向上させるために必要な温度である。ハロゲン化水素ガスを塩化水素ガスとし、第１ヒーター１６の加熱温度を５５０℃とし、第２ヒータ１７の加熱温度を１５００℃とするのが好適な一例である。
【００２３】
さらには、反応管１１の内部からの排気を行うための排気系１８も備わっている。
【００２４】
このような構成を有する作製装置１０においては、図示しない制御手段によって、供給系１４からのガスの供給態様の制御と、第１ヒータおよび第２ヒータ１７の加熱態様の制御とを適宜に行うことにより、所望のIII族窒化物結晶をＨＶＰＥ法によって作製することが可能とされてなる。
【００２５】
供給系１４は、図１（ｂ）に示すように、反応管１１の内壁面を含めて、反応管１１の内部にて同軸状にあたかも三層構造の供給管を形成するように構成されてなる。ここで、反応管１１の長手方向の軸中心部分を供給管１４ａと、該三層構造の最外周部分を供給管１４ｂと、両者の間を供給管１４ｃと称することとする。換言すれば、供給系１４は、反応管１１と内壁を共通にする供給管１４ｂの内部に供給管１４ｃが挿通され、さらにその内部に供給管１４ａが挿通された構成を有する。供給管１４ａ、１４ｂ、および１４ｃは、いずれも先端部分（供給口）がサセプタ１２の近傍にまで達するように設けられてなる。ただし、供給管１４ａは、供給管１４ｂの端部よりもややサセプタ１２から遠い位置（図１における水平方向右寄りに）に、端部１４ｅが位置するように設けられてなる。
【００２６】
供給管１４ａには、所定のキャリアガス（例えばＮ2ガス）とともにＨＣｌが供給される。このＨＣｌを含むガスを第１ガスｇ１と称することとする。なお、第１ガスｇ１を供給する供給管１４ａの途中には、金属Ａｌ粉末あるいはペレットを載置するためのボート１５が設けられてなる。第１ヒータ１６によってボート１５を含む領域を加熱しつつ第１ガスｇ１を供給することにより、供給管１４ａにおいては、金属Ａｌ粉末あるいはペレットとＨＣｌとの反応によってＡｌＣｌxガスし、係るＡｌＣｌxガスがさらにキャリアガスにより運ばれて、サセプタ１２の近傍に向けて供給されることになる。
【００２７】
供給管１４ｂには、該キャリアガスとともにＮＨ3が供給される。このＮＨ3を含むガスを第２ガスｇ２と称することとする。係るＮＨ3と供給管１４ａから供給されるＡｌＣｌxとが反応することで生じるＡｌＮが、順次に下地基板１３に析出することで、ＡｌＮのエピタキシャル成長が実現される。
【００２８】
供給管１４ｃには、上述したＡｌＣｌxとＮＨ3との反応によるＡｌＮの生成およびその析出を抑制するガス（反応抑制性ガス）が供給される。このガスを第３ガスｇ３と称することとする。第３ガスｇ３としては、例えば、ＡｌＣｌxとＮＨ3とのいずれとも反応しないガスを用いることができる。具体的には、第１ガスｇ１および第２ガスｇ２においてキャリアガスとして用いられるガスを用いることができる。特に、拡散係数が低いガスが望ましいため、窒素ガス、あるいは、Ｎｅより質量数の大きい希ガスが好ましく、コスト上の観点を加味すると、窒素ガスが好ましい。
【００２９】
作製装置１０において、このような第３ガスｇ３を供給管１４ａと供給管１４ｂとの間に位置する供給管１４ｃから供給するのは、供給管１４ａの端部１４ｅにおけるＡｌＮの析出を抑制するためである。具体的に言えば、ＡｌＮを生成させるべく上述した温度条件で加熱を行うと、供給管１４ａの端部１４ｅの温度がＡｌＮの析出温度以上となってしまうため、何らかの強制的な冷却機構を設ける場合は別として、温度条件的には端部１４ｅにおいてＡｌＮが析出し得る。この状況は、含有されるIII族元素のうちＡｌ元素の含有率が５０％以上のIII族窒化物を作製しようとする場合にも顕著に起こり得る。しかしながら、作製装置１０においては、端部１４ｅ近傍の領域において、供給管１４ａ内で生成されてサセプタ１２側へと供給されるＡｌＣｌxガスを取り囲むように第３ガスｇ３の流れを形成することにより、当該領域においてＡｌＣｌxガスと供給管１４ｂから供給される第２ガスｇ２に含まれるＮＨ3ガスとが反応することを抑制してなる。これはすなわち、端部１４ｅの近傍においては、第３ガスｇ３が、ＡｌＣｌxガスを整流する作用を有しているともいえる。係る作製装置１０においては、係る整流作用が好適に発揮されるように、各ガスの供給流量や供給圧力などが、適宜に調整され、設定される。例えば、反応管内圧力を４０Ｔｏｒｒに保ちつつ、第１ガスｇ１および第３ガスｇ３を（第３ガスｇ３の流量）≧（第１ガスｇ１の流量）なる関係をみたすように供給するのがその好適な一例である。反応抑制ガスとして作用する第３ガスｇ３の流量を多くした場合、より効率的に反応抑制を行うことができる。
【００３０】
なお、第３ガスｇ３の流れが端部１４ｅ近傍でのＡｌＮの反応生成を抑制しているということは、微視的な観点からみれば、第３ガスｇ３の流れが、端部１４ｅから流れ出たＡｌＣｌxの気体粒子が基板に向かう方向とは異なる方に向けて拡散することを、より具体的には、第２ガスｇ２の方に向けて拡散することを、抑制する作用を備えている、ということもできる。
【００３１】
なお、このように第３ガスｇ３を供給する態様であっても、端部１４ｅからサセプタ１２に近づくにつれて、上述のような第３ガスｇ３による整流作用は弱まっていき、サセプタ１２の上部近傍においてはＡｌＣｌxとＮＨ3との反応は十分に起こるので、下地基板１３上へのＡｌＮのエピタキシャル成長が妨げられることはない。一方で、供給系１４から連続的にガスが供給されることで、反応管１１内全体のガスの流れは一方向（図１においては水平方向右から左）に保たれるので、サセプタ１２の上部近傍における反応生成したＡｌＮの端部１４ｅへの付着が生じることもほとんどない。第３ガスｇ３は、サセプタ１２上におけるＡｌＮの確実な反応生成の実現を補助する補助ガスとして作用するものであるともいえる。
【００３２】
以上、説明したように、本実施の形態に係るIII族窒化物結晶の作製装置によれば、ＡｌＣｌxガスを供給する供給管の端部にIII族窒化物が析出することが、ＡｌＣｌxガスとＮＨ3ガスとの間に供給される反応抑制ガスの作用によって効果的に抑制されるので、良好な結晶品質を有するIII族窒化物を効率的に生成することができる。
【００３３】
＜変形例＞
上述の実施の形態においては、反応管１１が水平方向に長手方向を有する横型構造の作製装置１０を対象として説明を行っているが、本発明の効果を得ることができる作製装置はこれに限定されるものではない。図２は、本発明の変形例としての作製装置２０を示す図である。なお、作製装置２０において第１の実施の形態に係る作製装置１０と同様の作用効果を奏する構成要素については、図１と同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３４】
作製装置２０は、垂直方向に長手方向を有する反応管２１を備える。また、反応管２１の内部には、略水平な載置面を有するサセプタ２２が設けられてなる。すなわち、作製装置２０は、上述の実施形態に係る横型構造の作製装置とは異なり、縦型構造を有するものである。
【００３５】
係る作製装置２０においても、供給系１４は作製装置１０と同様に構成されてなる。これにより、供給管１４ａの端部におけるＡｌＮの析出が抑制される。また、サセプタ２２の上部近傍においてはＡｌＣｌxとＮＨ3との反応は十分に起こるので、下地基板１３上へのＡｌＮのエピタキシャル成長が妨げられることはない。一方で、反応管２１内全体のガスの流れは一方向（図２においては垂直方向上から下）に保たれるので、サセプタ２２の上部近傍における反応生成したＡｌＮの供給管１４ａの端部への付着が生じることもほとんどない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】III族窒化物結晶の作製装置１０の構造を概念的に示す図である。
【図２】変形例に係る作製装置２０を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０、２０  （III族窒化物結晶の）作製装置
１１、２１  反応管
１２、２２  サセプタ
１３  下地基板
１４  供給系
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ  供給管
１４ｅ  （供給管１４ａの）端部
１５  ボート
１６  第１ヒータ
１７  第２ヒータ
１８  排気系
【図１】
2007317949.tif 000003
【図２】
2007317949.tif 000004