ES2332082B1 - Sistema de alineacion de patrones en un sustrato mediante litografia por estencil. - Google Patents
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Abstract
Sistema de alineación de patrones en un sustrato
mediante litografía por esténcil.
El objeto principal de la presente invención es
un sistema para alinear dos o más patrones en un sustrato
utilizando litografía por esténcil en vacío, de modo que se
consigue una precisión de alineación óptima. Más particularmente,
se trata de un sistema de alineación de patrones basado en disponer
un sensor de masa capaz de detectar el material emitido en una
posición conocida detrás del esténcil, de modo que se conoce la
posición de este último en función de la señal emitida por el
sensor.
Description
Sistema de alineación de patrones en un sustrato
mediante litografía por esténcil.
El objeto principal de la presente invención es
un sistema para alinear patrones en un sustrato utilizando
litografía por esténcil en vacío, de modo que se consigue una
precisión de alineación óptima.
La litografía por esténcil es una técnica bien
conocida para fabricar patrones en una superficie que consiste,
fundamentalmente, en la inyección o emisión de un material para su
deposición selectiva sobre un sustrato, utilizándose un esténcil o
máscara de sombra para delimitar las zonas en las que se permite el
paso del material. El artículo "Quick and clean: advances and
high resolution stencil lithography", de J. brugger et
al. publicado en la revista E-nano (8), 207, p
22-28, describe brevemente esta técnica.
Algunas aplicaciones de esta técnica están
relacionadas con la ciencia de materiales combinatoria, la
fabricación de dispositivos basados en materiales orgánicos o el
prototipado rápido de estructuras nanométricas usando deposición
por esténcil dinámica o casi-dinámica.
Las principales ventajas de la litografía por
esténcil son su limpieza, flexibilidad paralelismo y alta
resolución. Estas especiales características permiten la obtención
de superficies ultra limpias con deposiciones de alta pureza, que
permiten generar estructuras mecánicamente frágiles y químicamente
funcionalizadas, debido a la ausencia de etapas de procesos
cíclicos típicos de litografía y a la ausencia de procesos de
grabado. Además, la litografía permite el uso de una gran variedad
de materiales y superficies para depositar selectivamente, y su
paralelismo la hace más rápida que otras técnicas empleadas con el
mismo objetivo, como por ejemplo técnicas de partículas cargadas
(litografía por haz focalizado de iones o litografía por haz de
electrones).
Existen aplicaciones en las que la litografía
por esténcil se debe llevar a cabo en condiciones de vacío,
normalmente dentro de una cámara de evaporación, como en la
fabricación de circuitos integrados. En estos casos, el proceso de
definición de los patrones comprende las operaciones de: alinear el
substrato y la máscara en la cámara de vacío; ponerlos en contacto;
evaporar material a través de las aperturas nanostencil; parar la
deposición; y separar los elementos. A continuación, se puede
realizar un desplazamiento controlado, alinear y evaporar otra vez,
eventualmente con otro material. Repitiendo n veces estas
operaciones, se pueden obtener múltiples (n) patrones a escala
nanométrica de múltiples (m) materiales. Otra ventaja importante de
ésta técnica es la posibilidad de formar deposiciones de alta
pureza, ya que el vacío no se rompe entre cada etapa del proceso: se
pueden fabricar dispositivos muy específicos como "uniones
túnel" usando éste método.
Sin embargo, para conseguir precisión en los
patrones creados sobre el sustrato utilizando litografía por
esténcil es importante que las máscaras que se vayan a utilizar
estén adecuadamente situadas sobre el sustrato, de forma que los
patrones creados sobre el sustrato estén correctamente alineados. La
capacidad de alineación condiciona el uso de substratos y máscaras
a nivel de oblea completa en combinación con nanoposicionadores de
alta precisión y de amplio rango de desplazamiento usando una
aproximación casi-dinámica. El alineación debe
proporcionar al menos una de las siguientes posibilidades "in
situ" (es decir, sin romper el vacío de la cámara de
evaporación):
a) Definir un patrón usando una sola etapa de
litografía por esténcil en una superficie con patrones predefinidos
y alineado respecto a motivos preexistentes.
b) Definir un patrón usando dos o más etapas
secuenciales de litografía por esténcil, cada una con un patrón
diferente, de manera que las etapas estén alineadas entre sí.
La solicitud de patente WO 2006/047305, de Brody
et al., describe un sistema de alineación para litografía
por esténcil con sensores térmicos y cámaras CCD. Sin embargo, este
sistema es más complejo que el de la presente invención, y además
no permite tanta precisión.
La presente invención describe un sistema de
alineación de patrones en un sustrato mediante litografía por
esténcil que permite la definición secuencial de patrones en vacío
usando varios esténciles. El sistema es útil para una gran variedad
de sustratos, aunque aplicación más directa es instalar el sistema
dentro de un equipo de evaporación de capas finas para definir
motivos de diversos tipos de materiales (metales, dieléctricos,
etc) sobre el substrato. El sistema podría instalarse igualmente en
sistemas de grabado por iones o de implantación.
Con este objetivo, la invención utiliza un
sensor de masa nanoelectromecánico con resolución espacial, basado
en una estructura mecánica resonante cuya frecuencia de resonancia
cambia cuando se deposita una pequeña cantidad de material sobre el
sensor. Así, monitorizando el cambio de frecuencia de resonancia,
se puede conocer la deposición de masa en tiempo real. La ventaja
de usar éste tipo de sensor es que permite realizar la detección de
alineación usando el flujo de átomos a través de pequeñas aperturas
en la membrana de la máscara, es decir, compartiendo los mismos
elementos que un proceso de litografía por esténcil normal,
obteniéndose además una precisión de posicionamiento a escala
micrométrica.
\global\parskip0.900000\baselineskip
De acuerdo con un primer aspecto de la
invención, se describe un sistema de alineación de patrones en un
sustrato mediante litografía por esténcil que comprende los
siguientes elementos:
a) Al menos una fuente de material que emite el
material a depositar en dirección al sustrato. Tanto el material
emitido como la fuente de material pueden ser diversos en función
de la aplicación particular a la que esté dirigido el sistema,
aunque en realizaciones preferidas de la invención los materiales
pueden ser metales, dieléctricos o haces de iones, y las fuentes de
material pueden ser aquellas utilizadas en sistemas de deposición
de capas finas o en sistemas de implantación iónica.
b) Al menos un esténcil, dispuesto entre la
fuente de material y el sustrato, que define un patrón del material
a depositar sobre el sustrato. De este modo el esténcil bloquea
selectivamente el paso del material emitido por la fuente de
material, llegando al sustrato únicamente en las zonas definidas por
el patrón del esténcil.
c) Medios de desplazamiento, que desplazan el
esténcil y/o el sustrato uno con relación a otro. Son posibles
diferentes configuraciones de los medios de desplazamiento de modo
que permitan el movimiento relativo entre esténcil y sustrato,
tanto traslacional como rotacional. También es posible que los
medios de desplazamiento puedan desplazar esténcil y/o sustrato de
modo que se modifique la distancia entre ellos. Evidentemente, para
conseguir una elevada precisión en la alineación de sustrato con
esténcil es necesario que los medios de desplazamiento sean
extremadamente precisos, como por ejemplo microposicionadores
mecánicos, microposicionadores piezoeléctricos o sistemas de
posicionamiento con control interferométrico.
Además, es necesario que el sistema conozca la
posición relativa exacta de esténcil y sustrato en cada momento.
Esa información puede obtenerse, bien directamente de los medios de
desplazamiento, o bien mediante otros medios dedicados.
d) Un medio de procesamiento, conectado a los
medios de desplazamiento y a la fuente de material, que controla el
movimiento del esténcil y la emisión de material por la fuente de
material. El medio de procesamiento recibe las señales de los
diferentes elementos del sistema y las procesa, emitiendo en
respuesta las señales de mando adecuadas. De acuerdo con
realizaciones preferidas de la invención, el medio de procesamiento
puede ser un ordenador, un microprocesador, un microcontrolador,
una FPGA, un DSP, un ASIC, etc.
e) Un sensor de masa, ubicado detrás del
esténcil y conectado al medio de procesamiento, que detecta, cuando
el esténcil está en una posición de alineación, el paso de material
emitido a través de al menos un primer orificio de alineación de
dicho esténcil. Así, el sensor de masa, que de acuerdo con
realizaciones preferidas de la invención puede ser de tipo mecánico,
piezoeléctrico, de cristal de cuarzo, va enviando al medio de
procesamiento señales indicativas de la cantidad de material que se
deposita sobre dicho sensor de masa. A partir de esta información,
el medio de procesamiento calcula cuándo el primer orificio de
alineación del esténcil está situado encima de dicho sensor.
Preferiblemente, el primer orificio de
alineación del esténcil tiene forma rectangular parecida a una
ranura, y más preferiblemente el esténcil comprende además un
segundo orificio rectangular de alineación, también con forma de
ranura, situado a 90º del primero. Esta forma rectangular es
especialmente adecuada para la alineación del esténcil con el
sustrato.
De acuerdo con realizaciones preferidas de la
invención, el sensor de masa puede estar situado delante, detrás o
coplanar con el sustrato. En estos dos últimos casos, el sustrato
debe tener también un orificio de sensor o alojamiento para el
sensor para no tapar la llegada de material.
Además, en otra realización preferida de la
invención el sistema de alineación descrito comprende un medio de
bloqueo del material emitido por la fuente de material. El medio de
bloqueo evita que se emita material en áreas no deseadas del
sustrato.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente
invención, se define un procedimiento de alineación de patrones en
un sustrato mediante litografía por esténcil, donde un esténcil
bloquea selectivamente el material emitido por una fuente de
material en dirección al sustrato, caracterizado porque comprende
las siguientes operaciones:
1. Realizar mediante unos medios de
desplazamiento un movimiento de translación relativa entre el
esténcil y el sustrato, manteniéndolos paralelos, deteniendo el
movimiento cuando la señal de un sensor de masa ubicado detrás del
esténcil que detecta el paso de material emitido por la fuente de
material a través de un orificio de alineación del esténcil alcanza
un primer valor determinado.
Así, en función de la señal del sensor de masa
el medio de procesamiento calcula cuándo el esténcil está situado
en la posición deseada, es decir, cuando el primer orificio de
alineación del esténcil está inmediatamente encima del sensor de
masa. Normalmente es el esténcil el que es desplazado, por ejemplo
realizando barridos longitudinales. En una realización preferida de
la invención, esta operación se realiza primero una velocidad
rápida, para conseguir un primer posicionamiento tosco del esténcil,
y posteriormente se afina a una segunda velocidad más lenta.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Los movimientos realizados en esta primera
operación son únicamente de translación, y por lo tanto aún puede
haber una incongruencia angular en la alineación.
2. Realizar mediante unos medios de
desplazamiento un movimiento de rotación relativa entre el esténcil
y el sustrato, manteniéndolos paralelos, deteniendo el movimiento
cuando la señal de un sensor de masa ubicado detrás del esténcil
que detecta el paso de material emitido por la fuente de material a
través de un primer orificio de alineación del esténcil alcanza un
segundo valor determinado. Así, en esta segunda operación se alinea
angularmente el esténcil. Normalmente, el orificio u orificios de
alineación tienen forma de ranura delgada, de modo que se facilita
en gran medida la alineación del orificio de alineación.
También en este caso es posible realizar una
primera alineación tosca a una primera velocidad, y luego afinar la
alineación a una segunda velocidad más lenta.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como
parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
Figura 1.- Esquema general de un primer ejemplo
particular del sistema de alineación, donde el sensor es coplanar
con el sustrato.
Figuras 2 y 3.- Perfil y alzado del sistema de
un segundo ejemplo particular del sistema de alineación, donde el
sensor está ubicado detrás del sustrato.
Figura 4.- Esquema general más detallado de un
tercer ejemplo particular del sistema de la invención que además
comprende un emisor de material adicional.
Figura 5.- Comparación entre los resultados de
un procedimiento de alineación si corrección angular y con
ella.
Un sistema de litografía por esténcil
casi-dinámico se basa en la creación de patrones
usando esténciles (4) mediante un proceso de paso-y-
repetición. Éste proceso consiste en la evaporación de uno o más
materiales dentro de una cámara de vacío (12), que forman patrones
en un substrato (3). Es muy importante para la creación de patrones
complejos que el substrato (3) y el esténcil (4) estén
correctamente alineados. Además puede ser necesario usar diferentes
esténciles (4) sin exponer el substrato (3) al aire, de manera que
se requiere un sistema (1) de alineación.
El sistema (1) de alineación de la invención
comprende un sensor de masa (5) situado detrás del esténcil (4), el
cual tiene un primer y un segundo orificios de alineación (10, 14).
Se utiliza el propio material de creación de patrones que atraviesa
dichos primero y segundo orificios de alineación (10, 14) para
alinear el esténcil (4) y el substrato (3). En estos ejemplos se ha
usado un sensor de masa (5) con desplazamiento de frecuencia y
resolución espacial, cuya frecuencia de resonancia varía cuando se
deposita material sobre él.
Así, la figura 1 muestra un primer ejemplo de un
sistema (1) de alineación que comprende los siguientes
elementos:
- Un sustrato (3), situado sobre una base (2),
que a su vez está fijada a la cámara de evaporación (12).
- Un esténcil (4), con un primer orificio de
alineación (10) y un segundo orificio de alineación (14), ambos con
forma de ranura rectangular que forman 90º entre sí. El esténcil
(4) también tiene unos orificios (11) que forman parte del patrón a
formar sobre el sustrato (3). El esténcil (4) está situado en
paralelo con respecto al sustrato (3).
- Unos medios de desplazamiento (7), que en este
ejemplo sirven para desplazar el esténcil (4), y que están fijados
a la cámara de evaporación (12). En este ejemplo se trata de un
posicionador X/Y/Z.
- Un sensor de masa (5) para detectar el flujo
de átomos a través de los orificios de alineación (10, 14). En este
primer ejemplo el sensor de masa (5) está situado coplanar con el
sustrato (3).
- Una o más fuentes (6, 6') de material, que
emiten el material a depositar en dirección al sustrato.
- Un medio de bloqueo del flujo (8), que bloquea
parte del flujo emitido por la/las fuentes (6, 6') de material, de
manera que el material no impacta en el esténcil (4) ni en el
sustrato (3). También puede ser útil para depositar materiales
diferentes en el mismo substrato (3), y para proteger partes
específicas del substrato (3) durante el proceso de alineación.
\newpage
- Un medio de procesamiento (9), conectado a los
diferentes elementos del sistema (1) de alineación. El medio de
procesamiento (9) puede ser un ordenador o conjunto de
controladores individuales, y también puede proporcionar
monitorización o un interfaz de control.
El funcionamiento de este sistema (1) de
alineación sería el siguiente: en primer lugar los medios de
desplazamiento (7) desplazan longitudinalmente el esténcil (4) en
un primer barrido a una velocidad rápida, mientras el sensor de
masa (5) envía la información acerca de su frecuencia de resonancia
en cada momento al medio de procesamiento (9), el cual deduce de esa
información en qué momento el primer y segundo orificios de
alineación (10, 14) están situados encima del sensor de masa (5).
Una vez hecho esto, se realiza un segundo barrido, más lento, que
afina la alineación del primer y segundo orificios de alineación
(10, 14) con el sensor de masa (5).
En segundo lugar, los medios de desplazamiento
(7) hacen girar el esténcil (4), recibiendo igualmente el medio de
procesamiento (9) la información del sensor de masa (5) hasta
conseguir también una alineación angular precisa.
En las figuras 2, y 3 se representan sendas
vistas de un segundo ejemplo de un sistema (1') de alineación donde
el sensor de masa (5) está situado detrás del sustrato (3). En las
figuras 2 y 3 se aprecian con detalle el primer y el segundo
orificios de alineación (10, 14) y los orificios (11) de definición
de patrones. El sensor de masa (5) detecta cuándo los orificios de
alineación (10, 14) del esténcil (4) están exactamente sobre él,
proporcionando una referencia de posición. La exactitud depende de
las dimensiones de los orificios de alineación (10, 14) del
esténcil (4) y de las dimensiones del sensor de masa (5): cuanto
más pequeños sean, más exacta será la detección de la posición.
Disminuyendo estas dimensiones se reduce también la cantidad de
señal (material) que llega al sensor de masa (5), requiriendo
sensores de alta sensibilidad (masa).
El esténcil (4) y el substrato (3) deben estar
muy próximos para realizar patrones de alta resolución, y en
algunos casos puede no ser posible tener el sensor de masa (5)
co-planar con el substrato. Este segundo ejemplo de
sistema (1') de alineación muestra una solución a este problema, que
consiste en practicar uno o varios orificios de sensor (13) en el
substrato (3) que conservan la resolución espacial de la
alineación.
La figura 4 describe un tercer ejemplo de un
sistema (1'') de alineación con mayor detalle, apreciándose los
medios de desplazamiento (7): uno horizontal que proporciona una
forma de desplazar el esténcil (4) paralelamente al substrato (3),
y uno vertical que permite controlar el espacio entre el esténcil
(4) y el substrato (3). Ambos medios de desplazamiento (7)
horizontal y vertical están controlados por un primer controlador
(15). Además, los elementos directamente relacionados con la
evaporación (esto es, las fuentes (6, 6') de material y el medio de
bloqueo (8)), son controlados por un segundo controlador (16).
En este ejemplo, el medio de procesamiento (9)
monitoriza y controla las diferentes partes, es decir el sensor de
masa (5), el primer controlador (15) y el segundo controlador (16).
La realimentación entre todos los elementos del sistema (1'') es
importante para el proceso de alineación, ya que los medios de
desplazamiento (7) deben ser controlados en tiempo real dependiendo
de la posición relativa entre esténcil (4) y substrato (3). Para
ello se necesita un software específico que proporcione
monitorización, control e incluso interacción humana.
Finalmente, la Fig. 5a muestra el resultado de
tres deposiciones sucesivas en un substrato (3) sin
pre-alineación del esténcil (4) respecto los ejes
X/Y de los medios de desplazamiento (7) (se puede asumir que el
substrato (3) está perfectamente alineado con los ejes XY). El
resultado es un patrón desconectado. La Fig. 5b muestra la señal
proveniente de sensor de masa (5)
nano-electromecánico mientras el esténcil (4) se
desplaza en la dirección X en dos posiciones Y distintas. Como se
muestra en el dibujo adyacente, el punto del desplazamiento en X
donde ocurre el cambio de la frecuencia de resonancia depende del
ángulo relativo entre el esténcil (4) y el movimiento X/Y de los
medios de desplazamiento (7). Si se conoce éste valor; se puede
corregir mediante software, de manera que la siguiente deposición
muestre patrones alineados. La Fig. 5c muestra la segunda deposición
usando corrección angular, donde los patrones están correctamente
posicionados y conectados.
Claims (15)
1. Sistema (1) de alineación de patrones en un
sustrato (3) mediante litografía por esténcil (4) que
comprende:
al menos una fuente (6) de material, que emite
el material a depositar en dirección al sustrato (3);
al menos un esténcil (4), dispuesto entre la
fuente (6) de material y el sustrato (3), que define un patrón del
material a depositar sobre el sustrato (3);
medios de desplazamiento (7), que desplazan el
esténcil (4) y/o el sustrato (3) uno con relación a otro;
un medio de procesamiento (9), conectado a los
medios de desplazamiento (7) y a la fuente (6) de material, que
controla el movimiento del esténcil (4) y la emisión de material
por la fuente (6) de material;
caracterizado porque además comprende un
sensor de masa (5), ubicado detrás del esténcil (4) y conectado al
medio de procesamiento (9), que detecta, cuando el esténcil (4)
está en una posición de alineación, el paso de material emitido a
través de al menos un primer orificio de alineación (10) de dicho
esténcil (4).
2. Sistema (1) de alineación de patrones de
acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el
primer orificio de alineación (10) es rectangular.
3. Sistema (1) de alineación de patrones de
acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque además
comprende din segundo orificio rectangular de alineación (14) que
forma un ángulo de 90º con el primer orificio de alineación
(10).
4. Sistema (1) de alineación de patrones de
acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el
sensor de masa (5) está ubicado delante del sustrato (3).
5. Sistema (1) de alineación de patrones de
acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el
sensor de masa (5) está ubicado coplanar con el sustrato (3).
6. Sistema (1) de alineación de patrones de
acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el
sensor de masa (5) está ubicado detrás del sustrato (3),
comprendiendo dicho sustrato (3) al menos un orificio (13) de
sensor.
7. Sistema (1) de alineación de patrones de
acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque además
comprende al menos un medio de bloqueo (8) del material emitido por
la fuente (6) de material.
8. Sistema (1) de alineación de patrones de
acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el
sensor de masa (5) se elige de la siguiente lista: mecánicos,
piezoeléctricos, de cristal de cuarzo.
9. Sistema (1) de alineación de patrones de
acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los
medios de desplazamiento (7) se eligen de la siguiente lista:
microposicionadores mecánicos, microposicionadores piezoeléctricos
o sistemas de posicionamiento con control interferométrico.
10. Sistema (1) de alineación de patrones de
acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el
material se elije de la siguiente lista: metales, dieléctricos o
haces de iones.
11. Sistema (1) de alineación de patrones de
acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el
emisor de material es igual que el utilizado en sistemas de
deposición de capas finas o en sistemas de implantación iónica.
12. Sistema (1) de alineación de patrones de
acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el
medio de procesamiento (9) se elige de la siguiente lista: un
ordenador, un microprocesador, un microcontrolador, una FPGA, un
DSP y un ASIC.
13. Procedimiento de alineación de patrones en
un sustrato (3) mediante litografía por esténcil (4), donde un
esténcil (4) bloquea selectivamente el material emitido por una
fuente (6) de material en dirección al sustrato (3),
caracterizado porque comprende las siguientes
operaciones:
realizar mediante unos medios de desplazamiento
(7) un movimiento de translación relativa entre el esténcil (4) y
el sustrato (3), manteniéndolos paralelos, deteniendo el movimiento
cuando la señal de un sensor de masa (5) ubicado detrás del
esténcil (4) que detecta el paso de material emitido por la fuente
(6) de material a través de un primer orificio de alineación (10)
del esténcil (4) alcanza un primer valor determinado; y
realizar mediante unos medios de desplazamiento
(7) un movimiento de rotación relativa entre el esténcil (4) y el
sustrato (3), manteniéndolos paralelos, deteniendo el movimiento
cuando la señal de un sensor de masa (5) ubicado detrás del
esténcil (4) que detecta el paso de material emitido por la fuente
(6) de material a través de un primer orificio de alineación (10)
del esténcil (4) alcanza un segundo valor determinado.
14. Procedimiento de alineación de patrones de
acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque las
operaciones de realizar movimientos de translación y rotación
relativa entre el esténcil (4) y el sustrato (3) se realizan varias
veces a diferentes velocidades.
15. Procedimiento de alineación de patrones de
acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque el
esténcil (4) comprende dos orificios de alineación (10, 14).
Priority Applications (2)
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PCT/ES2009/070311 WO2010010224A1 (es) | 2008-07-24 | 2009-07-24 | Sistema de alineación de patrones en un sustrato mediante litografía por esténcil |
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ES200802208A ES2332082B1 (es) | 2008-07-24 | 2008-07-24 | Sistema de alineacion de patrones en un sustrato mediante litografia por estencil. |
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JULIEN ARCONE; "{}INTEGRATION OF NANOMECHANICAL SENSORS ON CMOS BY NANOPATTERING METHODS"{}. PhD DISSERTATION. 23.07.2007. Depósito Legal / ISBN: B-57104-2007 / 978-84-690-9325-2; páginas 179-223; figuras. URL: http://www.tdx.cat/TDX-1205107-160135 * |
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