(57)【要約】【課題】カルーセルのような回転ドラムを使用した成膜において、カルーセルの回転軸と装置本体の軸受けの非常に微小な偏芯が製品の特性バラツキに影響を及ぼす。【解決手段】チャンバーであるチャンバー３内に円筒状または多角形状のドラムが回転可能に設けられ、該ドラムの外周面上に基板１０が格納される基板ホルダ９が取り付けられ、該ドラムが垂直な回転軸の周りを回転しながら基板１０に成膜するカルーセル型のスパッタ成膜装置において、チャンバーであるチャンバー３内壁に設けられ基板１０に成膜するターゲット７，８と、基板ホルダ９がターゲット７、８と正面に対向した位置のターゲットと基板１０との距離を測定して回転ドラムの偏芯量を測定する偏芯測定装置１３と、を備え、偏芯測定装置１３からの出力により、各基板ターゲットに対応してターゲット電力を修正する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー内に設けられたドラムと、
前記ドラムの外周面上に基板が格納される基板ホルダと、
前記チャンバーの内壁に設けられ前記基板に成膜するターゲットと、
を有するスパッタ成膜装置において、
前記基板ホルダが前記ターゲットと正面に対向した位置の前記ターゲットと前記基板との距離を測定する偏芯測定装置を有し、
前記距離に基づいて各基板ホルダに対するターゲット電力を修正することを特徴とするスパッタ成膜装置。 
【請求項２】
前記偏芯測定装置において、非接触型センサを用いて前記ターゲットと各基板との距離を測定することを特徴とする請求項１に記載のスパッタ成膜装置。 
【請求項３】
チャンバー内にドラムが回転可能に設けられ、
前記ドラムの外周面上に基板が格納される基板ホルダが設けられ、
前記ちゃんバーの内壁に前記基盤に成膜するターゲットが設けられ、
前記ドラムが垂直な回転軸の周りを回転しながら前記基板に成膜するスパッタ成膜方法において、
前記基板と前記ターゲットとの距離を測定して前記回転ドラムの偏芯量を測定する工程と、
前記偏芯量に基づいて各基盤ホルダの対するターゲット電力を制御する工程と、
を備えることを特徴とするスパッタ成膜方法。 
【請求項４】
前記基板と前記ターゲットとの距離を測定して前記回転ドラムの偏芯量を測定する工程と、
前記偏芯量に基づいて各基盤ホルダの対するターゲット電力を制御する工程と、
が、チャンバー内の真空排気中に行われることを特徴とする請求項３に記載のスパッタ成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶プロジェクター等に用いられる光学多層膜をスパッタ方式により成膜する場合の、スパッタ方式による光学多層膜の成膜装置及びスパッタ成膜方法に関するものであり、特に、カルーセル型スパッタ成膜装置のような回転式スパッタ成膜装置において成膜される光学多層膜の光学特性の安定性の改善に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学多層膜は基板上に高屈折率と低屈折率の２種類の膜の交互積層膜あるいは３種類以上の膜の積層膜で構成されている。そして、これら各層の膜厚が光学特性を決定する最も重要な要素であり、この膜厚をより正確に制御することが成膜装置では重要な事項である。現在この光学多層膜では膜厚の誤差は数％以下から厳しい仕様では１％以下に抑えることが必要とされている。そのため成膜レートの安定性が確保されなければ、透過率、透過帯の半値波長等の要求光学特性を得られない。更に、量産機で連続成膜を行うためには、前記安定性が確保できなければ、ロット間の再現性が得られない。
【０００３】
従来、光学多層膜の成膜には、真空蒸着法を利用するのが一般的であったが、付着粒子の運動エネルギーが非常に低いため、近年は緻密な微細構造を持ち、波長シフトのない薄膜を成膜するには、基板加熱やイオンアシスト蒸着法やイオンプレーティング法のようにイオンのプラズマアシストによって付着粒子にエネルギーを与えるようなＰａｓｓｉｖｅ
Ｅｎｅｒｇｅｔｉｃプロセスやスパッタ方式等が提案されている。また、スパッタ方式による成膜技術では、安定したプラズマの発生により高い再現性が得られ、特に膜厚モニタを設置せずとも、予め設定した成膜レートに従って所定の膜厚を成膜するのに必要な時間を算定して制御することで成膜中の各層の膜厚制御精度がますます良くなっている。従ってスパッタ方式における成膜レートは、真空蒸着法に比べると極めて安定しており、膜厚の制御は、水晶式膜厚計や光学式膜厚計等を使用しなくても時間管理の制御が可能であるという利点がある。
【０００４】
特にスパッタ方式の中でも大面積成膜が可能なカルーセル型の回転スパッタ方式による成膜技術および成膜装置が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。カルーセルと言われる回転ドラムを搭載したスパッタ成膜装置では、このカルーセルを回転させながら、金属ターゲット材及びこれとは別の金属ターゲット材を交互に放電させ、反応性スパッタもしくは酸化アシストプロセスにより光学多層膜を形成する方法が取られている。
【特許文献１】特開平８−１７６８２１号公報
【特許文献２】特開２００３−２７２２６号公報
【特許文献３】特開昭６２−２８４０７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
カルーセル型の回転スパッタ方式は、大面積の基板、又は多数の基板への成膜が可能であるが、膜厚分布のバラツキが起因する金光学特性の面内バラツキの制御が非常に困難であるといった課題がある。そのバラツキの要因としては、基板縦方向、基板横方向、基板ホルダ間、ロット間バラツキが挙げられる。
【０００６】
基板縦方向の膜厚調整は、基板とターゲット間に膜厚補正板を設けることで、ターゲットからスパッタされて基板方向へ飛散する粒子の一部を遮ることができるため、この補正板の形状を調整することにより膜厚分布を均一に補正することや場所により膜厚を変える所望の不均一膜にすることを可能にすることができる。また、基板横方向の膜厚バラツキ
としては、基板の中央部周辺と基板の両端部ではプラズマの密度が違いによるスパッタ原子の付着確率の違いから生じるためにスパッタ条件の最適化、またはカルーセルの回転速度の調整により付着確率の均一化を可能することができる。基板ホルダ間においては、カルーセルの調整による取り組み、ロット間の膜厚調整においては、成膜結果をフィードバックする取り組みでそれぞれ安定化を図っている。
しかしながら、現在この光学多層膜では益々厳しい光学仕様が必要とされており、上記の取り組みのみでは現行の面内バラツキ特性を実現するのが非常に困難になっており、中でも特に基板ホルダ間の取り組みのような機械的な寸法調整には限界がきている。現にカルーセルの回転軸と装置本体の軸受けの非常に微小な偏芯が光学特性のバラツキに影響を及ぼすといった問題が浮上してきている。本発明は、前記従来の課題を解決するもので、この基板ホルダ間の光学特性を均一にすることができるスパッタ成膜装置及びスパッタ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】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明のスパッタ成膜装置は、チャンバー内に円筒状または多角形状のドラムと、前記ドラムの外周面上に基板が格納される基板ホルダと、前記チャンバーの内壁に設けられ前記基板に成膜するターゲットと、を有するスパッタスパッタ成膜装置において、前記基板ホルダが前記ターゲットと正面に対向した位置の前記ターゲットと前記基板との距離を測定して前記回転ドラムの偏芯量を測定する偏芯測定装置を有し、前記偏芯量に基づいて各基板ホルダに対しるターゲット電力を修正することを特徴としたものである。
【０００８】
また本発明のスパッタ成膜装置は、前記偏芯測定装置において、非接触型センサを用いて前記ターゲットと各基板との距離を測定することを特徴としたものである。
【０００９】
また本発明のスパッタ成膜方法は、チャンバー内に円筒状または多角形状のドラムが回転可能に設けられ、前記ドラムの外周面上に基板が格納される基板ホルダが取り付けられ、前記ドラムが垂直な回転軸の周りを回転しながら前記基板に成膜するスパッタ成膜方法において、前記基板に成膜するターゲットとの距離を測定して前記回転ドラムの偏芯量を測定する工程と、前記偏芯量に基づいて各基盤ホルダの対するターゲット電力を制御する工程と、を備えることを特徴としたものである。
【００１０】
また本発明のスパッタ成膜方法は、前記前記基板に成膜するターゲットとの距離を測定して前記回転ドラムの偏芯量を測定する工程と、前記偏芯量に基づいて各基盤ホルダの対するターゲット電力を制御する工程とが、チャンバー内の真空排気中に行われることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のスパッタ成膜装置及びスパッタ成膜方法によれば、ターゲットと基板ホルダに格納される基板間の距離によって、ターゲット電力の制御を行うことで、カルーセルの回転軸と装置本体の軸受けの偏芯による光学特性のバラツキを抑制することができる。 
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明のスパッタ成膜装置及びスパッタ成膜方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は本発明にかかるスパッタ成膜装置の構成を模式的に示す断面図で、上から見た断面図である。図２は、本発明にかかるスパッタ成膜装置に用いられるカルーセル１及び基
板ホルダ９の構成を示す斜視図である。
【００１４】
図１のスパッタ成膜装置はカールセルといわれるドラム１を出し入れする真空室２とスパッタ成膜処理をするチャンバー３とで構成されたスパッタ成膜装置である。真空室２とチャンバー３は連結されており、真空室２には、カルーセル１の搬入、搬出を行うための扉４が備えられている。また、真空室２とチャンバーであるチャンバー３の間には、各々の部屋を独立して真空化するためにゲートバルブ５が備えられている。カルーセル１は、搬送機構によって、真空室２からチャンバーであるチャンバー３、もしくはチャンバー３から真空室２へ搬送される。また、ドラム１は、チャンバー３内に設置されている回転機構６によって、回転することが出来、チャンバーの側面に対向して備え付けている２つのターゲット７、８によって、このチャンバー３内においてカルーセル１上の複数の基板ホルダ９に備えられている基板１０上にスパッタ成膜をすることができる。
【００１５】
成膜としては、スパッタガスに例えばアルゴン、反応ガスには例えば酸素を一定の圧力になるようにガスを流しながら保ち、Ａターゲット７(ここではＳｉ)を保持するスパッタカソード１１に外部から電力を印加し、反応性スパッタ状態の中をドラム１が回転機構６により回転することで、ドラム１上の基板１０上に反応性スパッタ法によってＳｉＯ２膜が形成される。次に同様にもう一方のＢターゲット８（ここではＮｂ）を保持するスパッタカソード１２にも電力を印加することでドラム１上の基板１０に反応性スパッタ法によってＮｂ２Ｏ５膜が形成される。このような繰り返しによってＳｉＯ２とＮｂ２Ｏ５の多層膜が基板１０上に形成される。なお、スパッタ方式に反応性スパッタ法を用いているが、プラズマアシスト法等の酸化物スパッタ方式でも良い。また、ターゲット７の材質はＳｉ、ターゲット８の材質にはＮｂを用いているが、他にもＴｉ、Ｔａ、Ｚｒやその酸化物、窒化物、炭化物など様々な材質をターゲットに用いることが出来る。ターゲットの数は１つでもよく、３以上であってもよい。また、このスパッタ装置には偏芯測定機構１３やターゲット電力調整機構１４が備え付けてられている。
【００１６】
図１、図２に示すように、一実施態様として、ドラム１に２４個の基板ホルダ９を取り付け、正２４面体を構成し、それぞれの基板ホルダ９には、３個の基板を格納している。
【００１７】
図２に示されるように、カルーセル１は円筒状に形成されており、そのドラム１の外周には基板ホルダ９が取り付けられている。そしてドラム１の外周に設けられた基板ホルダ９の外周の各側面には、基板１０が配列されている。このドラム１の中心軸１５とチャンバー３内の回転軸１６とは鉛直方向にのびるチャンバー３内の中心線と一致するように回転可能に設けられている。基板ホルダ９は、正２４角形筒等の多角形筒状に形成され、このドラム１をチャンバー３内で回転させることにより、基板ホルダ９および基板１０が回転軸１６を中心に回転し、チャンバー３内のターゲット７、８の前を順次通過するようになっている。なお、基板ホルダ９は正２４面体に限定されるものではなく、基板１０の形状、大きさなどにより他の多面体でも良い。基板に関しても基板ホルダ内に格納されれば、いかなる形状、サイズも問題はない。
【００１８】
偏芯測定装置１３は、チャンバー３内に取り付けられた光マイクロセンサ１８によってカルーセル１が回転軸１６に取り付けられた状態で回転動作を行い、各基板ホルダ９がターゲット７の正面に位置した時の基板１０との距離（以下、Ｔ／Ｓ間距離１７とする）を測定している。光マイクロセンサ１８は、基板ホルダ９の中心軸１５に対して垂直方向に取り付けられており、スパッタ電子の影響を受けない領域に設置されている。即ち、図１において、ターゲット７、８の配置されない側に配置される。なお、この光マイクロセンサ１８の基板ホルダ９上のセンシング領域１９は高平坦化処理、もしくは鏡面処理等を施している方が高精度な測定をするためにはなお良い。なお、Ｔ／Ｓ距離１７の測定には光マイクロセンサ１８を用いているが、他の磁気センサ等の非接触式による距離測定装置、
ならびにタッチプローブのような接触式の距離測定装置を用いても良い。  
【００１９】
次に、偏芯に伴う不都合について説明する。偏芯は、回転軸１６に取り付けられたドラム１において、回転軸１６とドラム１の中心軸１５の寸法公差、ならびに取り付け公差から生じてしまう回転時のカルーセル１のブレのことで、偏芯が生じてしまうとＴ／Ｓ間距離１７が基板ホルダ９毎に異なってしまい、基板１０上に成膜される材料の膜厚が異なってしまうので制御することが必要である。ここで、更に図３を用いて詳細に説明する。図３は、本発明にかかるスパッタ成膜装置の構成の一部を説明する図であって、図３（ａ）は基板ホルダＡがスパッタ成膜されている様子を模式的に示す断面図であり、図３（ｂ）は基板ホルダＢがスパッタ成膜されている様子を模式的に示す断面図である。図３において、偏芯が生じているとドラム１の回転軸１６とドラムの中心軸１５は一致していない。したがってターゲット７と基板ホルダＡ間の距離Ｔ１とターゲット７と基板ホルダＢ間の距離Ｔ２との関係がＴ１＞Ｔ２、もしくはＴ１＜Ｔ２となってしまう。図３においてはＴ１＜Ｔ２となっている。同様にその他の基板ホルダ９においてもＴ／Ｓ間距離１７がカルーセル１の回転に応じて変化する。そして、この各基板ホルダ９のＴ／Ｓ距離１７と偏芯量がゼロの場合のＴ/Ｓ距離の差が各基板ホルダ９の偏芯量となる。Ｔ／Ｓ間距離１７が短くなると、スパッタ電子の付着確率が大きくなり、基板１０上の膜厚も厚くなる。その結果、光学薄膜の光学特性も長波長側にシフトしてしまい、各基板ホルダ９の光学特性にも差が出る。
【００２０】
次に、ターゲット電力調整機構１４に関して説明する。ターゲット電力調整機構１４は、偏芯測定装置１３によって偏芯量を測定した後に、各基板ホルダ９の偏芯量に応じてターゲット電力プログラムを修正する機構のことで、偏芯量に応じて、予め制御ＰＣ２０内のメモリ２１に格納している偏芯量とターゲット電力の関係を用いて、各基板ホルダに対してのターゲット電力を割り当てる機能のことである。
【００２１】
ここで、偏芯量とターゲット電力の関係の導出方法について説明する。まず成膜に使用する材料のターゲット電力と成膜レート変動量との関係を調べる。成膜レート変動量とは、一秒間に成膜される成膜レートの変動量のことで、ここでは本実施の形態での基本成膜条件であるＳｉＯ２ではターゲット電力６ｋＷ、Ｎｂ２Ｏ５ではターゲット電力４．５ｋＷでの成膜レートで規格化したものである。実際に図４にＳｉＯ２とＮｂ２Ｏ５についてのターゲット電力と成膜レート変動量の関係を示す。図４に示すようにどちらの材料においてもターゲット電力と成膜レート変動量は直線上の比例関係があり、ターゲット電力を減少させることで成膜レート変動量、つまり同一時間で成膜できる膜厚を減少させることが可能であることがわかる。そして、次に膜厚変動量と偏芯量の関係を調べる。膜厚変動量とは、成膜された製品の膜厚の変動量のことで、仕様で決められた製品の総膜厚で規格化したものである。図５に膜厚変動量と偏芯量との関係を示す。膜厚変動量と偏芯量は直線上の比例関係があり、偏芯量が変わることで膜厚変動量が変化することがわかる。また、この膜厚変動量は製品の総膜厚に対するものであり、偏芯量がＳｉＯ２膜に寄与する膜厚変動量は、総膜厚変動量×ＳｉＯ２膜厚／総膜厚で、Ｎｂ２Ｏ５膜に寄与する膜厚変動量は、総膜厚変動量×Ｎｂ２Ｏ５膜厚／総膜厚で表現できる。上記のように求められたターゲット電力と成膜レート変動量の関係と各ターゲットの膜厚変動量と偏芯量との関係から、各基板ホルダの偏芯量に対するターゲット電力が決められる。そして、この関係式が予めメモリ２１に格納される。また、これらの関係式は各ターゲット、ならびに各製品に対して格納されている。
【００２２】
次に図６は本発明のスパッタ成膜方法に関するフローチャートである。まず、カルーセル１に基板ホルダ９および基板１０をセットする。次にカルーセル１を真空室２に搬入し、扉を閉めて真空排気を行う。真空室２が所定の真空度まで排気した後に、ゲートバルブ５を開放し、カルーセル１を搬送機構によってチャンバー３に搬入する。そして、ゲート
バルブ５を閉じ、チャンバー３が所定真空度まで真空排気を行う。この真空排気の間にドラム１を回転させ、偏芯測定装置１３により偏芯測定を行う。その偏芯測定結果に応じて、ターゲット電力調整機構１４を通じて各基板ホルダに対応したターゲット電力の修正を行う。その後、チャンバー３が所定真空度に排気されるとスパッタ成膜が開始し、光学多層膜が形成される。
【００２３】
ここで、ドラムはφ９６０ｍｍ、基板ホルダとしては正２４角形筒の多角形筒でサイズはＷ：２５０ｍｍ×Ｈ：５５０ｍｍ、基板はＷ：１００ｍｍ×Ｈ：１００ｍｍが縦方向に３枚格納されているものを用いた。偏芯測定時のドラムの回転速度としては７ｒｐｍ、スパッタ成膜時の回転速度としては１００ｒｐｍで行った。図７に偏芯制御をしない場合の光マイクロセンサ１８で測定した各基板ホルダ偏芯量、および成膜後の各基板の光学特性として半値波長の変化をそれぞれ示す。ここで、Ｔ／Ｓ距離１７が本来の距離である場合をゼロとし、Ｔ／Ｓ距離１７が短くなる方向を正とする。また、成膜後の基板１０の透過光量を測定し、透過光量が半分に低下する波長を半値波長とする。図７（ａ）は、２４個の基板ホルダ１０に任意のホルダから順次番号を付し、本来のＴ／Ｓ距離からのズレを偏芯量として測定したものであり、図７（ｂ）は、成膜後の基板の半値波長の測定例を示すものである。光学特性としては、各基板ホルダに格納されている３枚の基板のうちの真ん中に位置する１枚のみの測定結果を示している。図を見てわかるように回転方向にＳＩＮカーブのような特性を示し、ピークトゥピークで約４０００ｕｍの偏芯量、ピークトゥピークで約８ｎｍの半値波長の特性バラツキが見られている。このように回転方向にＳＩＮカーブのような傾向を示していることからも回転の軸ズレが原因による偏芯に起因する半値波長のバラツキが発生していることがわかる。また、図８に偏芯量と半値波長の関係を示す。偏芯量と半値波長では直線上の比例関係があり、偏芯量を減少させることで半値波長のバラツキを減少させることが可能であることがわかる。ここで図９にカルーセルの回転速度を変化させた場合の５番目の基板ホルダの偏芯量の測定結果を示す。測定としては回転速度を変えて１つの基板ホルダのみを測定した結果である。図９を見てわかるように回転速度を変化させても偏芯量は変わらないことがわかる。つまり、偏芯測定時の回転速度は装置内での許容回転速度内であればいずれの回転速度で行っても良い。
【００２４】
図１０に本実施例で成膜したＬｏｎｇ Ｗａｖｅ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ膜（以下ＬＷＰＦ膜と略記する）の構成図を示す。表１に本実施例で成膜したＬＷＰＦ膜の各層の膜厚を示す。ガラス基板２２上に、Ｎｂ２Ｏ５層２３とＳｉＯ２２４層を交互に各１５層（全部で３０層）を、表１に示す膜圧にて積層した。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
図１１に本実施例に使用したＬＷＰＦの総膜厚：２００７ｎｍ（内訳は、ＳｉＯ２膜厚：１２４６ｎｍ、Ｎｂ２Ｏ５膜厚：７６１ｎｍ）において、導出された各基板ホルダに対応したターゲット電力を示す。このように偏芯量に応じて基板ホルダ毎にターゲット電力
を変化させることがわかる。
【００２７】
図１２に従来の場合と本発明の偏芯測定機構１３とターゲット電力調整機構１４によって修正して成膜を行ったＬＷＰＦの半値波長を示す。半値波長はピークトゥピークで従来の場合では８ｎｍであったものが、本発明の場合では１ｎｍ以下と改善されていることがわかる。本実施のようにターゲット電力を変化させることで、光学特性のバラツキを低減することができた。
【００２８】
このようにして、スパッタ成膜前に基板ホルダ毎のＴ／Ｓ距離を測定し、それに応じてターゲット電力を制御することにより、基板上の光学特性分布を均一にすることができる。なお、本発明の実施の形態は例示であり、基板サイズ、ターゲット材に応じて、好適なターゲット電力の設定を行う。
【００２９】
なお、本実施例においては、図２に示すとおり、円筒形のドラムを用いたが、このドラムの形状は、ターゲット７と基板１０との距離が測定できる形状であればよく、例えば、正多角形や、円錐形のドラムを用いても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明にかかるスパッタ成膜装置及びスパッタ成膜方法は、ターゲットと基板間の距離に応じてターゲット電力の調整を行うことで、偏芯による光学特性の面内バラツキを抑制し、このような均一な光学特性を持つ映像機器等の光学フィルタの成膜装置、及び成膜方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施例におけるスパッタ成膜装置の構成を模式的に示す上面図
【図２】本発明の実施例におけるドラム及び基板ホルダの構成を示す斜視図
【図３】本発明にかかるスパッタ成膜装置の構成の一部を説明する図
【図４】本実施例におけるターゲット電力と成膜レート変動の関係を示す図
【図５】本実施例における膜厚変動と偏芯量の関係を示す図
【図６】本発明の実施例におけるスパッタ成膜方法を示すフローチャート
【図７】従来の各基板ホルダ偏芯量および各基板の光学特性として半値波長の変化を示す図
【図８】本実施例におけるドラムの回転速度と偏芯量を示す図
【図９】本実施例における偏芯量と半値波長の関係を示す図
【図１０】実施例で成膜したＬＷＰＦ膜の構成図
【図１１】本実施例における各基板ホルダに対応したターゲット電力の関係を示す図
【図１２】従来と本実施例における光学特性を示す図
【符号の説明】
【００３２】
１  カルーセル
２  真空室
３  チャンバー
４  扉
５  ゲートバルブ
６  回転機構
７、８  ターゲット
９  基板ホルダ
１０  基板
１１、１２  スパッタカソード
１３  偏芯測定機構
１４  ターゲット電力調整機構
１５  中心軸
１６  回転軸
１７  Ｔ／Ｓ間距離
１８  光マイクロセンサ
１９  センシング領域
２０  制御ＰＣ
２１  メモリ
【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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