(57)【要約】【課題】効率よく基板上に安定して均一に成膜する。【解決手段】筐体と、成膜材料の溶液と圧縮ガスとを混合して成膜材料を微粒子化したミストを筐体の内部に噴霧する複数のスプレーノズル１２とを備える。また、圧縮ガスを圧力の異なる複数の調圧ガスに調整し、複数のスプレーノズル１２の各々に複数の調圧ガスのいずれかを導入し、かつ、複数の調圧ガスのすべてを複数のスプレーノズル１２に対して導入するガス圧調整機構を備える。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粒子化した成膜材料を基板上に堆積させて成膜する成膜装置であって、
筐体と、
前記成膜材料の溶液と圧縮ガスとを混合して前記成膜材料を微粒子化したミストを前記筐体の内部に噴霧する複数のスプレーノズルと、
前記圧縮ガスを圧力の異なる複数の調圧ガスに調整し、前記複数のスプレーノズルの各々に前記複数の調圧ガスのいずれかを導入し、かつ、前記複数の調圧ガスのすべてを前記複数のスプレーノズルに対して導入するガス圧調整機構と
を備えた、成膜装置。
【請求項２】
前記ガス圧調整機構は、前記複数のスプレーノズルのうちの基板上の膜厚の薄い領域と対向するスプレーノズルに導入する前記調圧ガスの圧力を増加させる、または、前記複数のスプレーノズルのうちの基板上の膜厚の厚い領域と対向するスプレーノズルに導入する前記調圧ガスの圧力を低下させる、請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
前記ガス圧調整機構が、個別に調整した前記複数の調圧ガスを前記複数のスプレーノズルにそれぞれ導入する、請求項１または２に記載の成膜装置。
【請求項４】
前記複数のスプレーノズルが複数の群に分けられ、
前記ガス圧調整機構が、個別に調整した前記複数の調圧ガスを前記複数の群の各々に含まれるスプレーノズル毎に導入する、請求項１または２に記載の成膜装置。
【請求項５】
前記複数のスプレーノズルの各々に導入される前記調圧ガス同士の圧力差を算出するためのセンサーをさらに備えた、請求項１から４のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項６】
前記センサーが流量計である、請求項５に記載の成膜装置。
【請求項７】
基板を搬送する搬送機構をさらに備え、
前記複数のスプレーノズルは、平面視において、前記搬送機構の基板搬送方向と交差する方向に互いに間隔を置いて位置する、請求項１から６のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項８】
基板上の膜厚を計測する膜厚計測機構をさらに備え、
前記膜厚計測機構は、前記基板搬送方向と交差する前記方向における基板上の膜厚を計測し、
前記ガス圧調整機構は、前記膜厚計測機構の計測結果に基づいて、前記複数の調圧ガスの圧力を調整する、請求項７に記載の成膜装置。
【請求項９】
前記ガス圧調整機構は、前記複数のスプレーノズルから噴霧される前記ミストの噴霧量の総量が一定に維持されるように前記複数の調圧ガスの圧力を調整する、請求項１から８のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項１０】
微粒子化した成膜材料を基板上に堆積させて成膜する成膜方法であって、
複数のスプレーノズルから基板に向けて、前記成膜材料の溶液と圧縮ガスとを混合して前記成膜材料を微粒子化したミストを噴霧する成膜工程と、
基板上の膜厚を計測する膜厚計測工程と、
前記膜厚計測工程における計測結果に基づいて、前記複数のスプレーノズルのうちの少なくとも１つのスプレーノズルに導入される前記圧縮ガスの圧力を変更する圧力変更工程と
を備える、成膜方法。
【請求項１１】
前記圧力変更工程において、前記複数のスプレーノズルのうちの基板上の膜厚の薄い領域と対向するスプレーノズルに導入される前記圧縮ガスの圧力を増加させる、または、前記複数のスプレーノズルのうちの基板上の膜厚の厚い領域と対向するスプレーノズルに導入される前記圧縮ガスの圧力を低下させる、請求項１０に記載の成膜方法。
【請求項１２】
前記圧力変更工程において、前記複数のスプレーノズルにそれぞれ導入される前記圧縮ガスの圧力を個別に調整する、請求項１０または１１に記載の成膜方法。
【請求項１３】
前記複数のスプレーノズルが複数の群に分けられ、
前記圧力変更工程において、前記複数の群の各々に含まれるスプレーノズル毎に導入される前記圧縮ガスの圧力を個別に調整する、請求項１０または１１に記載の成膜方法。
【請求項１４】
前記圧力変更工程において、前記複数のスプレーノズルの各々に導入される前記圧縮ガス同士の圧力差を算出する、請求項１０から１３のいずれかに記載の成膜方法。
【請求項１５】
前記圧力変更工程において、前記圧力差を前記複数のスプレーノズルの各々に導入される前記圧縮ガス同士の流量差から算出する、請求項１４に記載の成膜方法。
【請求項１６】
前記成膜工程において、基板を搬送しつつ、基板搬送方向に交差する方向に配置された前記複数のスプレーノズルから基板に向けて前記ミストを噴霧する、請求項１０から１５のいずれかに記載の成膜方法。
【請求項１７】
前記膜厚計測工程において、前記基板搬送方向と交差する前記方向における基板上の膜厚を計測する、請求項１６に記載の成膜方法。
【請求項１８】
前記膜厚計測工程において、前記複数のスプレーノズルから噴霧される前記ミストの噴霧量の総量が一定に維持されるように前記圧縮ガスの圧力を調整する、請求項１０から１７のいずれかに記載の成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成膜装置および成膜方法に関し、特に、２流体スプレーを用いて基板上に薄膜を形成する成膜装置および成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板上に成膜される膜は、特性に応じて種々の用途に用いられる。たとえば、透明導電膜は、透明で導電性を有するという特性から、太陽光を取り込んで電気エネルギーに変換する太陽電池、および、バックライトなどの光源からの光を効率よく透過させる必要のある液晶表示素子などの透明電極として用いられている。
【０００３】
透明導電膜材料としては、酸化インジウム・スズ（以下、ＩＴＯと称す）、フッ素をドープした酸化スズ（以下、ＦＴＯと称す)、または、アルミニウムもしくはガリウムをドープした酸化亜鉛などが用いられている。
【０００４】
これらのなかで、ＩＴＯ膜は、比抵抗が低く、かつ、エッチングが容易であるため、液晶表示素子の透明電極として広く用いられる。しかし、ＩＴＯ膜で用いるインジウムは資源上の制約があることから高価である。
【０００５】
一方ＦＴＯは、ＩＴＯに比べて比抵抗は低くないが、耐熱性に優れ、かつ、資源的影響が小さいため、太陽電池に用いられることが多い。また、アルミニウムまたはガリウムをドープした酸化亜鉛は、安価であるが、現状においては比抵抗が高いという問題を有している。
【０００６】
これらの透明導電膜を成膜する手段としては、減圧雰囲気を要するスパッタ法および蒸着法、または、常圧で成膜可能な熱ＣＶＤ法およびスプレー熱分解法などが挙げられる。たとえば、ＩＴＯ膜においては、スパッタ法を用いて比抵抗の小さい膜を形成している。減圧雰囲気を形成するスパッタ装置は概して高価である。そのため、スパッタ法による膜形成には、製造コストが高くなるという課題がある。よって、常圧での成膜手段を確立することが望まれる。
【０００７】
スプレー熱分解法は、加熱基板上にミストを吹き付け、溶質の熱分解および化学反応により薄膜を形成する方法である。スプレー熱分解法においては、簡便なスプレーノズルを用いて常圧にて成膜が可能であるため、成膜装置を簡素に構成することができる。そのため、スプレー熱分解法に関する種々の技術が報告されている。
【０００８】
スプレー熱分解法における技術課題の一つは、膜厚の均一性を確保することである。基板の被成膜表面上の温度を制御することにより、基板面内における膜厚のばらつきの低減を図った透明電極用基板の製造装置を開示した先行文献として、特開２００５−８５７００号公報(特許文献１)がある。
【０００９】
また、スプレー熱分解法に関する技術ではないが、基板に対してスプレーノズルを走査しながら噴霧し、走査方法を規定して膜厚の均一性の向上を図った成膜装置を開示した先行文献として、特開２０１０−６２５００号公報(特許文献２)がある。
【００１０】
さらに、スプレーノズルを複数配列するとともに、配列されたスプレーノズルを直線または回転移動させる機構を有する透明電極用基板の成膜装置を開示した先行文献として、特開２００５−１１６３９１号公報(特許文献３)がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−８５７００号公報
【特許文献２】特開２０１０−６２５００号公報
【特許文献３】特開２００５−１１６３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１に開示された技術には、基板上に噴霧されるミストの噴霧量を均一にするための配慮がない。したがって、この技術のみでは、膜厚の均一性を確保するには不十分であり、基板上に均一にミストを噴霧するための技術が必要となる。
【００１３】
特許文献２に記載された成膜装置においては、一つのスプレーノズルでレジストを噴霧するため、スプレーノズルの個体差を考慮する必要はないが、成膜する基板が大型になるにしたがって成膜処理時間が長くなるという課題を有している。
【００１４】
たとえば、薄膜太陽電池のように１ｍ角クラスの大型基板を短時間で生産効率良く成膜できる成膜装置を具現化するには、複数のスプレーノズルを具備することが望ましい。
【００１５】
特許文献３に記載された透明電極用基板の製造装置は、本願発明者らが試験した結果、膜厚を均一化する効果が不十分であることが分かった。これは、スプレーノズルを複数配置する場合、互いに隣接するスプレーノズル同士の配置関係、および、周囲の壁などの構造物の位置関係などの影響によって、ミストの流れが様々な態様をとるため、基板上に安定してミストを到達させることができないことによる。また、使用する複数のスプレーノズル間には噴霧特性に個体差があり、その影響によっても基板上に安定してミストを到達させることができない。
【００１６】
特許文献３に記載された透明電極用基板の製造装置は、上記の影響を抑制して基板上に安定して均一にミストを到達させるための構成を有していない。
【００１７】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、効率よく基板上に安定して均一に成膜できる成膜装置および成膜方法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】
【００１８】
本発明に基づく成膜装置は、微粒子化した成膜材料を基板上に堆積させて成膜する成膜装置である。成膜装置は、筐体と、成膜材料の溶液と圧縮ガスとを混合して成膜材料を微粒子化したミストを筐体の内部に噴霧する複数のスプレーノズルとを備える。また、成膜装置は、圧縮ガスを圧力の異なる複数の調圧ガスに調整し、複数のスプレーノズルの各々に複数の調圧ガスのいずれかを導入し、かつ、複数の調圧ガスのすべてを複数のスプレーノズルに対して導入するガス圧調整機構を備える。
【００１９】
本発明の一形態においては、ガス圧調整機構は、複数のスプレーノズルのうちの基板上の膜厚の薄い領域と対向するスプレーノズルに導入する調圧ガスの圧力を増加させる、または、複数のスプレーノズルのうちの基板上の膜厚の厚い領域と対向するスプレーノズルに導入する調圧ガスの圧力を低下させる。
【００２０】
本発明の一形態においては、ガス圧調整機構が、個別に調整した複数の調圧ガスを複数のスプレーノズルにそれぞれ導入する。
【００２１】
本発明の一形態においては、複数のスプレーノズルが複数の群に分けられている。ガス圧調整機構が、個別に調整した複数の調圧ガスを複数の群の各々に含まれるスプレーノズル毎に導入する。
【００２２】
本発明の一形態においては、成膜装置は、複数のスプレーノズルの各々に導入される調圧ガス同士の圧力差を算出するためのセンサーをさらに備える。
【００２３】
本発明の一形態においては、上記センサーが流量計である。
本発明の一形態においては、成膜装置は、基板を搬送する搬送機構をさらに備える。複数のスプレーノズルは、平面視において、搬送機構の基板搬送方向と交差する方向に互いに間隔を置いて位置する。
【００２４】
本発明の一形態においては、成膜装置は、基板上の膜厚を計測する膜厚計測機構をさらに備える。膜厚計測機構は、基板搬送方向と交差する方向における基板上の膜厚を計測する。ガス圧調整機構は、膜厚計測機構の計測結果に基づいて、複数の調圧ガスの圧力を調整する。
【００２５】
本発明の一形態においては、ガス圧調整機構は、複数のスプレーノズルから噴霧されるミストの噴霧量の総量が一定に維持されるように複数の調圧ガスの圧力を調整する。
【００２６】
本発明に基づく成膜方法は、微粒子化した成膜材料を基板上に堆積させて成膜する成膜方法である。成膜方法は、複数のスプレーノズルから基板に向けて、成膜材料の溶液と圧縮ガスとを混合して成膜材料を微粒子化したミストを噴霧する成膜工程と、基板上の膜厚を計測する膜厚計測工程と、膜厚計測工程における計測結果に基づいて、複数のスプレーノズルのうちの少なくとも１つのスプレーノズルに導入される圧縮ガスの圧力を変更する圧力変更工程とを備える。
【００２７】
本発明の一形態においては、圧力変更工程において、複数のスプレーノズルのうちの基板上の膜厚の薄い領域と対向するスプレーノズルに導入される圧縮ガスの圧力を増加させる、または、複数のスプレーノズルのうちの基板上の膜厚の厚い領域と対向するスプレーノズルに導入される圧縮ガスの圧力を低下させる。
【００２８】
本発明の一形態においては、圧力変更工程において、複数のスプレーノズルにそれぞれ導入される圧縮ガスの圧力を個別に調整する。
【００２９】
本発明の一形態においては、複数のスプレーノズルが複数の群に分けられる。圧力変更工程において、複数の群の各々に含まれるスプレーノズル毎に導入される圧縮ガスの圧力を個別に調整する。
【００３０】
本発明の一形態においては、圧力変更工程において、複数のスプレーノズルの各々に導入される圧縮ガス同士の圧力差を算出する。
【００３１】
本発明の一形態においては、圧力変更工程において、上記圧力差を複数のスプレーノズルの各々に導入される圧縮ガス同士の流量差から算出する。
【００３２】
本発明の一形態においては、成膜工程において、基板を搬送しつつ、基板搬送方向に交差する方向に配置された複数のスプレーノズルから基板に向けてミストを噴霧する。
【００３３】
本発明の一形態においては、膜厚計測工程において、基板搬送方向と交差する方向における基板上の膜厚を計測する。
【００３４】
本発明の一形態においては、膜厚計測工程において、複数のスプレーノズルから噴霧されるミストの噴霧量の総量が一定に維持されるように圧縮ガスの圧力を調整する。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、効率よく基板上に安定して均一に成膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態１に係る成膜装置の構成を示す一部断面図である。
【図２】同実施形態に係る噴霧ボックスの構成を示す断面図である。
【図３】図２の噴霧ボックスのＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た図である。
【図４】スプレーノズルに接続される配管構成を示す側面図である。
【図５】後述する実験例で使用したスプレーノズルの特性として、ミストの噴霧量と調圧空気圧および調圧空気流量との関係を示している。
【図６】同実施形態において、複数のスプレーノズルに圧縮空気を供給するための空気供給系の構成を示す系統図である。
【図７】同実施形態の変形例において、複数のスプレーノズルに圧縮空気を供給するための空気供給系の構成を示す系統図である。
【図８】本発明の実施形態２に係る成膜装置の構成を示す側面図である。
【図９】制御部による制御を示すブロック図である。
【図１０】各スプレーノズルに導入する調圧空気の流量を条件ごとにまとめたものである。
【図１１】成膜条件ａにおいて成膜された膜の膜厚の分布を示すグラフである。
【図１２】成膜条件ｂにおいて成膜された膜の膜厚の分布を示すグラフである。
【図１３】成膜条件ｃにおいて成膜された膜の膜厚の分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の実施形態１に係る成膜装置について図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
【００３８】
(実施形態１)
＜成膜装置＞
図１は、本発明の実施形態１に係る成膜装置の構成を示す一部断面図である。本実施形態に係る成膜装置は、微粒子化した成膜材料を基板上に堆積させて成膜する。
【００３９】
図１に示すように、本実施形態に係る成膜装置は、メッシュベルト１、金属マッフル２、ヒーターブロック３およびメッシュベルト駆動部４を備えるメッシュベルト式連続熱処理炉を備えている。メッシュベルト１およびメッシュベルト駆動部４から、基板６を搬送する搬送機構が構成されている。
【００４０】
金属マッフル２は、上部の一部に開口を有する。噴霧ボックス５は、金属マッフル２の開口内に挿入され，支持部２ａにより支持されている。
【００４１】
基板６は、成膜装置の基板搬入領域７においてメッシュベルト１上に載置される。メッシュベルト１は、メッシュベルト駆動部４により駆動される。メッシュベルト１上に載置された基板６は、金属マッフル２内の加熱領域８に搬入される。
【００４２】
金属マッフル２は、ヒーターブロック３によって加熱される。加熱されて高温になった金属マッフル２によって、基板６が加熱される。基板６は、所定の温度に到達した状態で噴霧ボックス５が位置する成膜領域９に搬送される。
【００４３】
噴霧ボックス５内において噴霧された成膜材料を含むミストが基板６の表面に堆積することにより、成膜処理が行なわれる。このとき、基板６は一定速度で連続的に搬送されるため、基板６の搬送方向における長さが成膜領域９の長さより長い場合にも、基板６の表面全域に成膜処理を行なうことが可能である。
【００４４】
成膜処理後の基板６は、金属マッフル２の外側の冷却領域１０に搬送される。冷却領域１０において冷却された基板６は、基板搬出領域１１に搬送される。
【００４５】
基板６の搬送は、たとえば、加熱領域８において一旦停止して加熱時間を長くするようにしてもよい。このようにした場合、加熱領域８の長さを短縮できるため、一定速度で基板６を搬送する成膜装置に比較して、成膜装置の大きさを小型化できる。
【００４６】
しかし、高い生産効率を求められる量産装置においては、処理タクトが長くなることは好ましくないため、一定の速度で基板を搬送しつつ成膜処理する成膜装置の方が好ましい。一定速度で基板６を搬送する成膜装置では、基板搬入領域７において基板６を順次載置して成膜装置内に基板６を投入することにより、複数の基板６を連続して処理できるため、処理タクトの短縮を図れる。
【００４７】
なお、上記のような連続搬送方式を採用する場合、被加熱物である基板６の熱容量などを考慮した上で、基板６の搬送速度と金属マッフル２の設定加熱温度とを調整することにより、基板６の加熱温度を制御する。同様に、基板６の搬送速度と冷却領域１０における冷却条件とを調整することにより、基板６の冷却温度を制御する。
【００４８】
＜噴霧ボックス＞
図２は、本実施形態に係る噴霧ボックスの構成を示す断面図である。図３は、図２の噴霧ボックスのＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た図である。なお、図２の噴霧ボックスは、図１と同じ方向から見た状態を示している。なお、図２，３においては、スプレーノズル１２と接続された配管を図示していない。
【００４９】
図２，３に示すように、噴霧ボックス５は、筐体５ａを有している。筐体５ａ内の上方に、冷却ジャケット１３が配置されている。冷却ジャケット１３の内部にスプレーノズル１２が配置されている。スプレーノズル１２は、下方に向けてミストを噴霧できるように配置されている。
【００５０】
本実施形態においては、９個のスプレーノズル１２が、平面視において、搬送機構の基板搬送方向と直交する方向に互いに間隔を置いて位置する。ただし、複数のスプレーノズル１２の配置は、基板搬送方向と直交する方向に限られず、平面視において基板搬送方向と交差する方向であればよい。なお、基板６上の幅方向の全域にミストが噴霧されるように９個のスプレーノズル１２が配置されている。
【００５１】
冷却ジャケット１３は、ステンレスなどの金属からなり、図示しない冷却水路を含み、冷却ジャケット全体を水冷できる構造を有している。このため、スプレーノズル１２の周囲は低温に維持される。
【００５２】
よって、噴霧ボックス５が熱処理炉からの伝熱により加熱されても、スプレーノズル１２および後述するスプレーノズル１２と接続された溶液供給配管は高温にならない。そのため、成膜材料の溶液を液体状態でスプレーノズル１２まで供給することが可能である。
【００５３】
スプレーノズル１２の搭載数は、基板６上に成膜する膜の所望の膜厚、および、成膜材料の溶液の濃度などを勘案して適宜決定されるが、本実施形態においては９個のスプレーノズル１２を搭載している。
【００５４】
冷却ジャケット１３の下方に、整流板１４が設けられている。整流板１４は、スプレーノズル１２から噴射されたミストの拡散を抑制してミストの輸送領域を規定している。
【００５５】
また、基板６の搬送方向の下流側に、基板６の表面での成膜に寄与しなかった溶液成分を回収するための排気口１５が設けられている。排気口１５は、必要であれば除害装置と接続される。
【００５６】
噴霧ボックス５と基板６との間には、所定の間隔のギャップがある。このギャップの大きさは、特に限定されないが、ギャップが大きすぎると熱処理炉内に大量のミストが拡散して反応生成物の堆積によるパーティクルが発生するため好ましくない。また、たとえば、成膜材料の溶液が酸性溶液の場合、ギャップから漏れ出たミストにより熱処理炉を溶解するなどの問題が生じる。
【００５７】
そのため、ギャップの大きさを小さくして、ミストが熱処理炉内に拡散することを抑制することが望ましい。具体的には、噴霧ボックス５の下面と基板６の上面との間のギャップを２０ｍｍ程度以下に抑えることが例として挙げられる。
【００５８】
＜スプレーノズル＞
噴霧ボックス５に搭載される９個のスプレーノズル１２は、成膜材料の溶液と圧縮ガスとを混合して成膜材料を微粒子化したミストを筐体５ａの内部に噴霧する。本実施形態においては、スプレーノズル１２は、圧縮空気と成膜材料の溶液とを混合してミストを噴霧する２流体スプレーである。
【００５９】
一般に、スプレーノズルには、液体のみをスプレーノズルに供給してこの液体をミストとして噴霧する１流体スプレーノズルと、液体と気体とをスプレーノズルに供給して混合することによりミストを噴霧する２流体スプレーノズルとがある。
【００６０】
２流体スプレーノズルは、微細なミストの生成が可能であり、基板に到達したミストの気化熱によって引き起こされる基板面内の温度分布のばらつきを低減するのに適している。
【００６１】
図４は、スプレーノズルに接続される配管構成を示す側面図である。図４に示すように、スプレーノズル１２には、成膜材料の溶液が供給されるための溶液供給配管１６、および、圧縮空気が供給されるためのエア供給配管１７が接続されている。
【００６２】
スプレーノズル１２は、内部の成膜材料の溶液の経路中にエア駆動型の弁を有している。スプレーノズル１２には、この弁を駆動する圧縮空気が供給されるための弁駆動用エア配管１８がさらに接続されている。
【００６３】
図５は、後述する実験例で使用したスプレーノズルの特性として、ミストの噴霧量と調圧空気圧および調圧空気流量との関係を示している。図５においては、縦軸に、スプレーノズル１２に導入される調圧空気の圧力(以下、調圧空気圧と称する)およびその調圧空気の流量(以下、調圧空気流量と称する)を、横軸に、スプレーノズル１２から噴霧されるミストの噴霧量を示している。
【００６４】
なお、図５に示すデータは、スプレーノズルとして、いけうち社製ＢＩＭＶ８００２Ｓの耐食仕様を使用し、溶液として水を使用し、溶液の圧力を−１００ｍｍＡｑとした際のデータである。
【００６５】
使用する溶液の種類および圧力によって具体的な数値は変動するが、図５に示すように、調圧空気圧が０．２ＭＰａ以上の範囲においては、調圧空気圧の増加とともにミストの噴霧量が低下する傾向にある。これは、調圧空気圧の増加に伴って、スプレーノズル１２から噴射される成分のうち空気は多くなり成膜材料の溶液は少なくなるため、発生するミストの量が低下することによる。調圧空気圧と調圧空気流量とは比例関係にあり、調圧空気圧の増加に伴って調圧空気流量が増加する。
【００６６】
＜空気供給系＞
図６は、本実施形態において、複数のスプレーノズルに圧縮空気を供給するための空気供給系の構成を示す系統図である。図６に示すように、本実施形態においては、圧縮空気の供給源２２から９個のスプレーノズル１２に圧縮空気が供給されている。
【００６７】
具体的には、供給源２２は、ヘッダー配管２３と接続されている。ヘッダー配管２３は、９本の分岐配管２４と接続されている。９本の分岐配管の各々には、供給源２２側から順に、流量計２０とレギュレータ１９とが接続されている。１個のレギュレータ１９は、１本のエア供給配管１７を介して１個のスプレーノズル１２と接続されている。
【００６８】
本実施形態においては、９本のエア供給配管１７の各々にレギュレータ１９が接続されている。この９個のレギュレータ１９からガス圧調整機構が構成されている。
【００６９】
レギュレータ１９は、供給源２２から供給された圧縮空気を圧力の異なる調圧空気に調整し、その調圧空気をスプレーノズル１２に導入する。
【００７０】
本実施形態においては、９個のレギュレータ１９が、個別に調整した複数の調圧空気を９個のスプレーノズル１２にそれぞれ導入する。そのため、最大で９種類の調圧空気を調整することができる。最大で９種類の調圧ガスのすべては、９個のスプレーノズル１２に対して導入される。
【００７１】
レギュレータ１９の種類は特に限定されないが、基板６上の膜厚の計測結果に基づいて自動的に調圧空気の圧力制御を行なうシステムを構築する場合は、レギュレータ１９として電空レギュレータを用いることが好ましい。
【００７２】
また、ガス圧調整機構の構成は上記に限られず、たとえば、１台で複数の調圧ガスを調整可能なものでもよい。この場合、ヘッダー配管２３にガス圧調整機構が接続され、ガス圧調整機構に複数の分岐配管２４が接続される。
【００７３】
本実施形態においては、９個のスプレーノズル１２のそれぞれに供給される圧縮空気の流量を９個の流量計２０でモニターしている。したがって、各スプレーノズル１２に供給される圧縮空気の流量の増減を確認しつつ、各レギュレータ１９にて個々のスプレーノズル１２に導入する調圧空気の圧力を調整することができる。
【００７４】
仮に、レギュレータ１９としてニードル弁を用い、流量計２０を用いない場合、スプレーノズル１２に導入する調圧空気圧を定量的に把握することが難しい。そのため、複数のスプレーノズル１２を搭載した場合、各スプレーノズル１２に導入される調圧空気同士の圧力差を算出することが困難である。搭載されるスプレーノズル１２の数が多くなるほどその困難さが増す。
【００７５】
また、流量計２０を用いずにレギュレータ１９の圧力表示のみに基づいて、調圧空気の圧力を制御することも可能ではあるが、配管内に詰まりなどの異常が生じた場合の圧力変動を感知することが難しいという問題がある。
【００７６】
本実施形態に係る成膜装置においては、９個のスプレーノズル１２の各々に導入される調圧ガス同士の圧力差を算出するためのセンサーとして流量計２０を配置している。
【００７７】
流量計２０の計測結果は、空気供給系における流量計２０以降のコンダクタンスが変化しない限り調圧空気圧に相関して変化する。すなわち、各スプレーノズル１２において、上記コンダクタンスが変化しない限り、供給される圧縮ガスの流量と調圧空気圧とが比例関係にある。
【００７８】
そのため、９個の流量計２０の計測結果から９個のスプレーノズル１２の各々に導入される調圧空気同士の流量差を算出することによって、定量性をもって９個のスプレーノズル１２の各々に導入される調圧空気同士の圧力差を算出することができる。
【００７９】
また、配管内に詰まりが発生した場合またはスプレーノズル１２に目詰まりが発生した場合などの異常発生時に、調圧空気流量の低下に起因する調圧空気圧の圧力変動を感知することができる。よって、異常発生を容易に認識することが可能となる。なお、流量計２０としては、圧力に依存しない質量流量計であることが望ましい。
【００８０】
図７は、本実施形態の変形例において、複数のスプレーノズルに圧縮空気を供給するための空気供給系の構成を示す系統図である。図７に示すように、本実施形態の変形例においては、供給源２２は、ヘッダー配管２３と接続されている。ヘッダー配管２３は、３本の分岐配管２４と接続されている。３本の分岐配管の各々には、供給源２２側から順に、流量計２０とレギュレータ１９とが接続されている。１個のレギュレータ１９は、３本のエア供給配管１７を介して３個のスプレーノズル１２と接続されている。
【００８１】
すなわち、９個のスプレーノズルが３つの群に分けられている。ガス圧調整機構を構成する３個のレギュレータ１９は、、個別に調整した調圧ガスを３つの群の各々に含まれるスプレーノズル１２毎に導入する。この構成により、空気供給系の配管数を低減することができる。
【００８２】
＜膜厚均一化＞
基板６の膜厚計測結果に基づいて、必要に応じてガス圧調整機構により調圧空気の圧力を変更する。基板６の膜厚計測は、成膜処理後に行なってもよいし、成膜処理と同時に行なってもよい。
【００８３】
成膜処理後に膜厚計測を行なう場合には、膜厚計測された基板６に続いて成膜処理される基板６の成膜処理時に膜厚の均一化が図られる。成膜処理と同時に膜厚計測を行なう場合には、膜厚計測されている基板６の成膜処理時に膜厚の均一化が図られる。
【００８４】
また、膜厚測定は、成膜装置とは別の測定器を用いて行なってもよいし、成膜装置に膜厚測定機構を設けて自動で行なうようにしてもよい。
【００８５】
本実施形態に係る成膜装置においては、基板６を搬送しつつ成膜処理を行なうため、基板搬送方向における膜厚のばらつきは相対的に小さい。一方、基板搬送方向と直交する方向においては、９個のスプレーノズル１２間の個体差、および、噴霧ボックス５の両側の内壁などの影響を受けるため、膜厚のばらつきが相対的に大きい。
【００８６】
本実施形態に係る成膜装置においては、基板搬送方向と直交する方向における膜厚のばらつきを低減させることにより膜厚の均一化を図る。
【００８７】
具体的には、膜厚の計測結果に基づいて膜厚の薄い領域を確認する。ガス圧調整機構によって、膜厚の薄い領域に対向するスプレーノズル１２に導入する調圧空気の圧力を増加させる。
【００８８】
調圧空気圧は、図５に示すように調圧空気圧と調圧空気流量とが比例関係にある、０．２ＭＰａ以上０．４ＭＰａ以下程度の範囲で調整されることが好ましい。また、流量計２０の計測結果から算出された９個のスプレーノズル１２の各々の調圧空気圧を相互に比較して、増加させる調圧空気圧を決定することが好ましい。
【００８９】
このようにして、膜厚の薄い領域に対向するスプレーノズル１２に導入する調圧空気流量を増加させることにより、基板６上の膜厚の薄い領域の膜厚が厚くなることを実験により確認している。
【００９０】
上記の効果は以下の現象に基づいて生じるものと考えられる。
スプレーノズル１２から気体が噴射されるとその周辺に負圧が生じるため、スプレーノズル１２から噴射された気体はその周辺の気体を巻き込む流れを形成する。互いに隣接する２つのスプレーノズル１２においては、それぞれから噴射された気体の流速が大きい方に流速が小さい方の気体が引き込まれる挙動を示す。
【００９１】
スプレーノズル１２から噴霧されるミストは、上記気体の流れに乗って輸送されるため、流速の大きい方のスプレーノズル１２側に、流速の小さい方のスプレーノズル１２から噴霧されたミストが引き寄せられて輸送される。スプレーノズル１２から噴射される気体の流速は、通常、スプレーノズル１２に導入する調圧ガスの圧力に比例する。
【００９２】
すなわち、一方のスプレーノズル１２に導入する調圧空気の圧力を他方のスプレーノズル１２に導入する調圧空気の圧力より大きくすることにより、調圧空気の圧力を大きくした側のスプレーノズル１２に対向する基板領域により多くのミストを輸送することができる。
【００９３】
当然ながら、スプレーノズル１２が３つ以上であっても同様の効果を得ることができる。一つのスプレーノズル１２から噴射される空気流量が、このスプレーノズル１２の周囲に位置するスプレーノズル１２から噴射される空気流量よりも大きい場合、周囲に位置するスプレーノズル１２から噴霧されたミストの一部は、上記一つのスプレーノズル１２から噴射される空気の流れに巻き込まれて、上記一つのスプレーノズル１２と対向する基板領域に到達する。その結果、上記一つのスプレーノズル１２と対向する基板領域に成膜される膜の膜厚が、その周辺の領域に成膜される膜の膜厚より厚くなる。
【００９４】
なお、図５に示すように０．２ＭＰａ以上まで調圧空気圧を増加させると、ミストの噴霧量が低下する。そのため、スプレーノズル１２を単独で配置した場合には、調圧空気圧を増加させることにより、スプレーノズル１２と対向する基板領域に到達するミストの量が低下する。
【００９５】
しかし、複数のスプレーノズル１２を配置した場合には、上記の気流現象により、調圧空気圧を増加させたスプレーノズル１２と対向する基板領域に到達するミストが増加する。すなわち、複数のスプレーノズル１２を配置した場合、調圧空気圧を低下させてミストの噴霧量を増加させたスプレーノズル１２と対向する基板領域の膜厚は厚くならず、調圧空気圧を増加させてミストの噴霧量を低下させたスプレーノズル１２と対向する基板領域の膜厚が厚くなる。
【００９６】
ここで、調圧空気圧を増加させる、または、低下させるという制御は、周囲に位置するスプレーノズル１２との相対的な関係が変わることによって効果を生じる。このため、たとえば、膜厚が局所的に薄い領域が存在する場合に、当該領域に対向するスプレーノズル１２に導入する調圧空気の圧力のみを増加させることと、当該領域に対向するスプレーノズル１２以外のすべてのスプレーノズル１２に導入する調圧空気の圧力を低下させることとは同様の効果を有する。
【００９７】
つまり、膜厚のばらつきを低減するために採り得る制御には自由度があり、調圧空気圧を増加させる、または、低下させるのいずれの制御を採ることも可能である。
【００９８】
ただし、図５に示すように、スプレーノズル１２の噴霧特性においては、調圧空気圧の大きさによってミストの噴霧量が異なる。一つのスプレーノズル１２に導入する調圧空気の圧力だけを０．２ＭＰａ以上に増加させると、そのスプレーノズル１２からのミストの噴霧量が低下するため、９個のスプレーノズル１２からのミストの噴霧量の総量が低下する。その結果、基板６上の平均膜厚が低下する。
【００９９】
よって、膜厚のばらつきを低減するために調圧空気圧を変更する場合は、一つのスプレーノズル１２に導入する調圧空気の圧力を増加させるとともに、他のスプレーノズル１２に導入する調圧空気の圧力を下げて、９個のスプレーノズル１２のミストの噴霧量の総量を一定に維持することが望ましい。
【０１００】
そのために、使用するスプレーノズル１２および成膜材料の溶液において、調圧空気圧とミストの噴霧量との関係を予めデータベース化しておき、使用する全てのスプレーノズル１２からのミストの噴霧量の総量が一定となるように調圧空気圧を個々に調整できるように成膜装置を構成することが好ましい。
【０１０１】
本実施形態においては、９個のレギュレータ１９は、９個のスプレーノズル１２のうちの基板６上の膜厚の薄い領域と対向するスプレーノズル１２に導入する調圧ガスの圧力を増加させる、または、９個のスプレーノズルのうちの基板６上の膜厚の厚い領域と対向するスプレーノズル１２に導入する調圧ガスの圧力を低下させる。
【０１０２】
また、９個のレギュレータ１９は、９個のスプレーノズル１２から噴霧されるミストの噴霧量の総量が一定に維持されるように調圧ガスの圧力を調整する。
【０１０３】
上記の構成により、複数のスプレーノズル１２を用いて効率よく基板６上に安定して均一に成膜することができる。
【０１０４】
以下、本発明の実施形態２に係る成膜装置について図を参照して説明する。なお、本実施形態に係る成膜装置は、膜厚計測機構を備えて自動的にガス圧調整機構を制御する点のみ実施形態１に係る成膜装置と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
【０１０５】
(実施形態２)
図８は、本発明の実施形態２に係る成膜装置の構成を示す側面図である。図８に示すように、本発明の実施形態２に係る成膜装置においては、冷却領域１０と基板搬出領域１１との間に膜厚計測機構である光干渉型の膜厚計測器２１が設けられている。
【０１０６】
膜厚計測器２１は、基板６上に光を照射する光源２１ａと、基板６上からの反射光を検出する検出部２１ｂとを有している。本実施形態においては、光源２１ａおよび検出部２１ｂが、基板搬送方向に直交する方向にライン状に配置されている。膜厚計測器２１として、たとえば、Ｄｒ．Ｓｃｈｅｎｋ社製のＳｏｌａｒＩｎｓｐｅｃｔシリーズの検査装置を用いることができる。
【０１０７】
膜厚計測器２１は、基板搬送方向と直交する方向における基板６上の膜厚を計測する。具体的には、基板搬送方向に直交する方向にライン状に配置された光源２１ａから、基板６上の幅方向の全域に光を照射する。基板６上で反射された光を基板搬送方向に直交する方向にライン状に配置された検出部２１ｂで検出する。
【０１０８】
基板６上に成膜された膜の膜厚の違いにより反射光の強度が異なるため、基板搬送方向に直交する方向における基板６上の膜厚を計測することができる。膜厚計測器２１の計測結果は制御部に送られる。
【０１０９】
図９は、制御部による制御を示すブロック図である。図９に示すように、膜厚計測器２１による計測結果は、制御部２６の入力部２６Ａに入力される。制御部２６は、入力部２６Ａに入力された基板６上の膜厚計測結果から膜厚のばらつきを認識する。
【０１１０】
次に、制御部２６は、記憶部２６Ｃに記憶されている、使用するスプレーノズル１２および成膜材料の溶液における調圧空気圧とミストの噴霧量とに関するデータベースを読み込む。
【０１１１】
制御部２６は、演算部２６Ｂにおいて、記憶部２６Ｃから読み込んだデータベースに基づいて、膜厚のばらつきを低減するために各スプレーノズル１２に導入する調圧空気圧力を算出する。
【０１１２】
制御部２６は、演算部２６Ｂにより算出された調圧空気圧力となるように各レギュレータ１９に制御信号を送信する。制御信号が入力された各レギュレータ１９は、調圧空気の圧力を制御信号に従ってそれぞれ調節する。
【０１１３】
上記の構成により、成膜処理された基板６の膜厚計測結果に基づいて、各スプレーノズル１２に導入される調圧空気の圧力が調整されるため、次に成膜処理される基板６においては、均一な膜厚で成膜することができる。このように、連続して基板６を成膜処理することにより、効率よく基板６上に安定して均一に成膜することができる。
【０１１４】
また、スプレーノズル１２が劣化するなどの何らかの原因でミストの到達領域が変化する異常が発生した場合において、膜厚のばらつきをある程度抑制することができる。
【０１１５】
以下、本発明の成膜装置を用いて、薄膜太陽電池用透明導電膜としてＳｎＯ2膜を成膜した実験例について説明する。
【０１１６】
(実験例)
成膜条件は以下の通りである。
【０１１７】
基板６としては、基板サイズが１．４ｍ×１．０ｍ、厚さが３．９ｍｍの白板ガラスからなるガラス基板を用いた。ガラス基板上には、本成膜前に予めアルカリバリアとしてＳｉＯ2膜が成膜されている。
【０１１８】
ガラス基板の長辺方向が基板搬送方向となるように、メッシュベルト１上にガラス基板を載置した。加熱領域８において、ガラス基板の搬送を一時停止し、基板温度が５５０℃になるまでガラス基板を加熱した。
【０１１９】
噴霧ボックス５を通過する際の基板搬送速度を２４ｃｍ／ｍｉｎの一定に維持して搬送しつつガラス基板に成膜処理を行なった。スプレーノズル１２としては、いけうち社製ＢＩＭＶ８００２Ｓの耐食仕様(材質：ハステロイＢ)を用いた。
【０１２０】
成膜材料の溶液としては、０．９ｍｏｌ／ＬのＳｎＣｌ4・５Ｈ2Ｏと、０．３ｍｏｌ／ＬのＮＨ4Ｆと、３０ｖｏｌ％のＨＣｌと、２．５ｖｏｌ％のメタノールとを含む水溶液を用いた。
【０１２１】
溶液供給配管１６としては、ＰＦＡ(ポリテトラフルオロエチレン)製のチューブを使用した。密閉した圧力容器内で圧力調整を行なった溶液タンクから、成膜材料の溶液を供給した。なお、溶液圧力は水頭差分を勘案した上で、スプレーノズル１２において−１００ｍｍＡｑに設定した。
【０１２２】
流量計２０としては、ＣＫＤ社製小型流量センサーＦＳＭ２シリーズの流量計を用いた。レギュレータ１９としては、ＣＫＤ社製の小型レギュレータＲＢ５００を用いた。
【０１２３】
膜厚計測器２１としては、ＢｒｉｇｈｔＶｉｅｗ  Ｓｙｓｔｅｍｓ社製のＩｎｓｉｇｈｔ  Ｍ５を用いて、光学干渉法により基板６上の膜厚を計測した。
【０１２４】
なお、平面視において、基板搬送方向をＹ方向、基板搬送方向と直交する方向をＸ方向とする。また、基板搬送時の基板先頭の端面をＹ方向における基板位置の原点とし、基板搬送方向に向いて後方から基板を見た際の左端面をＸ方向における基板位置の原点とする。
【０１２５】
噴霧ボックス５内に、ノズル番号がＮｏ．１〜Ｎｏ．９の９個のスプレーノズル１２を配置した。噴霧ボックス５の下方を通過するガラス基板に対して、Ｎｏ．１のスプレーノズルは、Ｘ＝２０ｍｍの基板位置に対向するように配置されている。Ｎｏ．２のスプレーノズルは、Ｘ＝１４０ｍｍの基板位置に対向するように配置されている。Ｎｏ．３のスプレーノズルは、Ｘ＝２６０ｍｍの基板位置に対向するように配置されている。
【０１２６】
Ｎｏ．４のスプレーノズルは、Ｘ＝３８０ｍｍの基板位置に対向するように配置されている。Ｎｏ．５のスプレーノズルは、Ｘ＝５００ｍｍの基板位置に対向するように配置されている。Ｎｏ．６のスプレーノズルは、Ｘ＝６２０ｍｍの基板位置に対向するように配置されている。
【０１２７】
Ｎｏ．７のスプレーノズルは、Ｘ＝７４０ｍｍの基板位置に対向するように配置されている。Ｎｏ．８のスプレーノズルは、Ｘ＝８６０ｍｍの基板位置に対向するように配置されている。Ｎｏ．９のスプレーノズルは、Ｘ＝９８０ｍｍの基板位置に対向するように配置されている。
【０１２８】
図１０は、各スプレーノズルに導入する調圧空気の流量を条件ごとにまとめたものである。本実験例においては、成膜条件ａ，ｂ，ｃの３条件で成膜処理を行なった。図１０に示すように、成膜条件ａにおいては、調圧空気流量をすべてのスプレーノズルで２０Ｌ／ｍｉｎとした。
【０１２９】
成膜条件ｂにおいては、調圧空気流量を、Ｎｏ．１のスプレーノズルで２２Ｌ／ｍｉｎ、Ｎｏ．２のスプレーノズルで２０Ｌ／ｍｉｎ、Ｎｏ．３のスプレーノズルで１６Ｌ／ｍｉｎ、Ｎｏ．４のスプレーノズルで１６Ｌ／ｍｉｎ、Ｎｏ．５のスプレーノズルで１６Ｌ／ｍｉｎ、Ｎｏ．６のスプレーノズルで１６Ｌ／ｍｉｎ、Ｎｏ．７のスプレーノズルで１６Ｌ／ｍｉｎ、Ｎｏ．８のスプレーノズルで２０Ｌ／ｍｉｎ、Ｎｏ．９のスプレーノズルで２２Ｌ／ｍｉｎとした。
【０１３０】
成膜条件ｃにおいては、調圧空気流量を、Ｎｏ．１のスプレーノズルで２２Ｌ／ｍｉｎ、Ｎｏ．２のスプレーノズルで２０Ｌ／ｍｉｎ、Ｎｏ．３のスプレーノズルで１８Ｌ／ｍｉｎ、Ｎｏ．４のスプレーノズルで１６Ｌ／ｍｉｎ、Ｎｏ．５のスプレーノズルで１４Ｌ／ｍｉｎ、Ｎｏ．６のスプレーノズルで１６Ｌ／ｍｉｎ、Ｎｏ．７のスプレーノズルで１８Ｌ／ｍｉｎ、Ｎｏ．８のスプレーノズルで２０Ｌ／ｍｉｎ、Ｎｏ．９のスプレーノズルで２２Ｌ／ｍｉｎとした。
【０１３１】
図１１は、成膜条件ａにおいて成膜された膜の膜厚の分布を示すグラフである。図１２は、成膜条件ｂにおいて成膜された膜の膜厚の分布を示すグラフである。図１３は、成膜条件ｃにおいて成膜された膜の膜厚の分布を示すグラフである。
【０１３２】
なお、図１１〜１３においては、縦軸に膜厚(ｎｍ)、横軸にＸ方向における基板上の位置(ｍｍ)を示している。また、Ｙ＝２００ｍｍの位置、Ｙ＝７００ｍｍの位置、Ｙ＝１２００ｍｍの位置での計測結果を示している。
【０１３３】
図１０に示すように、成膜条件ａにおいては、すべてのスプレーノズルにおいて調圧空気流量を均一に設定しているにも関わらず、図１１に示すように、Ｘ方向において両端付近で膜厚が薄くなっている。
【０１３４】
図１０に示すように、成膜条件ｂにおいては、Ｘ方向における両端に位置するＮｏ．１，９のスプレーノズル１２に導入する調圧空気の流量を増加させ、中央側に位置するＮｏ．３〜Ｎｏ．７のスプレーノズル１２に導入する調圧空気の流量を均一に低下させるように設定している。図１２に示すように、成膜条件ｂでは、成膜条件ａに比較して、Ｘ方向における両端付近で膜厚が厚くなり、基板上の膜厚のばらつきが低減されている。
【０１３５】
図１０に示すように、成膜条件ｃにおいては、Ｘ方向において両端に位置するスプレーノズルに導入する調圧空気の流量を増加させ、中央に位置するほどスプレーノズルに導入する調圧空気の流量を段階的に低下させるように設定している。図１３に示すように、成膜条件ｃでは、Ｘ方向の全域において膜厚のばらつきがさらに低減されていた。
【０１３６】
なお、平均膜厚に対する膜厚のばらつきは、成膜条件ａで±５７％、成膜条件ｂで±２４％、成膜条件ｃで±２３％であった。
【０１３７】
上記の実験結果から、複数の２流体スプレーを用いた成膜装置において、調圧空気流量を調整することにより、基板上の膜厚のばらつきを低減することができることが確認された。調圧空気流量は調圧空気圧に比例するため、調圧空気圧を調整することにより基板上の膜厚のばらつきを低減することができる。
【０１３８】
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１３９】
１  メッシュベルト、２  金属マッフル、２ａ  支持部、３  ヒーターブロック、４  メッシュベルト駆動部、５  噴霧ボックス、５ａ  筐体、６  基板、７  基板搬入領域、８  加熱領域、９  成膜領域、１０  冷却領域、１１  基板搬出領域、１２  スプレーノズル、１３  冷却ジャケット、１４  整流板、１５  排気口、１６  溶液供給配管、１７  エア供給配管、１８  弁駆動用エア配管、１９  レギュレータ、２０  流量計、２１  膜厚計測器、２１ａ  光源、２１ｂ  検出部、２２  供給源、２３  ヘッダー配管、２４  分岐配管、２６  制御部、２６Ａ  入力部、２６Ｂ  演算部、２６Ｃ  記憶部。
【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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