JP2001176437A - Electron beam unit - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する分野】本発明は、電子放出部の寿命を延
ばした電子ビーム装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electron beam apparatus in which the life of an electron emitting portion is extended.
【0002】[0002]
【従来の技術】電子ビーム装置として、坩堝中に収容さ
れた物質に当てることにより物質を蒸発させ、蒸発粒子
を基板上に付着等させたり、或いは、加速した電子ビー
ムをターゲットに衝突させることにより、ターゲットに
溶接等の加工を行ったりする装置がある。2. Description of the Related Art As an electron beam apparatus, a substance contained in a crucible is vaporized by being applied to the substance, and evaporated particles are attached to a substrate, or an accelerated electron beam collides with a target. There are devices for performing processing such as welding on the target.
【0003】図1は、この様な電子ビーム装置の一例と
して、電子ビーム蒸発装置の概略を示したもので、図2
は図1のA−A線断面図である。FIG. 1 schematically shows an electron beam evaporation apparatus as an example of such an electron beam apparatus.
FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG. 1.
【0004】図中1A,1Bは、永久磁石2を挟んで平
行に配置された磁極板で、前記永久磁石2によりN極と
S極に励磁されている。該磁極板間には、蒸発物質3が
収容された坩堝4が設けられている。該坩堝の下には、
電子銃5が設けられている。該電子銃はフィラメント
6,グリッド7及びアノード8から成る。9はフィラメ
ント加熱電源、10は加速電源である。尚、11はグリ
ッド支持板である。12は環状鉄心にX方向走査用偏向
コイルとY方向走査用偏向コイルが巻かれた走査用電磁
コイル体で、前記電子銃5からの電子ビームの通路上に
配置されている。尚、この走査用電磁コイル体は、例え
ば、磁極1A,1Bの間で坩堝4の近くに取り付けられ
た非磁性製のホルダー(図示せず)によって支持されて
いる。13は該走査用電磁コイル体に走査用の電流を流
すための走査用電源である。In FIG. 1, reference numerals 1A and 1B denote magnetic pole plates which are arranged in parallel with the permanent magnet 2 interposed therebetween, and are excited by the permanent magnet 2 into N and S poles. Between the magnetic pole plates, a crucible 4 containing the evaporating substance 3 is provided. Under the crucible,
An electron gun 5 is provided. The electron gun comprises a filament 6, a grid 7 and an anode 8. 9 is a filament heating power supply and 10 is an acceleration power supply. Reference numeral 11 denotes a grid support plate. Reference numeral 12 denotes a scanning electromagnetic coil body in which an X-direction scanning deflection coil and a Y-direction scanning deflection coil are wound around an annular core, and is disposed on a path of an electron beam from the electron gun 5. The scanning electromagnetic coil body is supported by, for example, a nonmagnetic holder (not shown) mounted near the crucible 4 between the magnetic poles 1A and 1B. Reference numeral 13 denotes a scanning power supply for supplying a scanning current to the scanning electromagnetic coil body.
【0005】この様な装置において、電子銃5のフィラ
メント6から発生された電子ビームは、アノード8によ
って加速され、磁極1A,1Bが作る磁場により270
°前後曲げられ坩堝4内に収容された蒸発物質3に照射
される。その際、電子銃5からの電子ビームは走査用電
磁コイル体12が作る二次元方向走査用磁場を通過する
ので、電子ビームは蒸発物質3上を二次元方向に走査す
ることになる。この結果、蒸発物質3は電子ビームによ
り加熱されて蒸発し、その蒸発粒子が、例えば、坩堝4
上方に配置された基板(図示せず)上に付着する。さ
て、この様に電子照射により蒸発物質を蒸発させる電子
銃のフィラメント(電子放出部)としては、一般に低電
圧で大電力のビーム(即ち、ビーム電流の大きいビー
ム)が得られるように、大きいものが使用されている。
例えば、図3に示す様な渦巻き状のものが用いられる。In such a device, the electron beam generated from the filament 6 of the electron gun 5 is accelerated by the anode 8 and is accelerated by the magnetic field generated by the magnetic poles 1A and 1B.
It is bent back and forth and irradiates the evaporated substance 3 contained in the crucible 4. At this time, the electron beam from the electron gun 5 passes through the two-dimensional scanning magnetic field created by the scanning electromagnetic coil body 12, so that the electron beam scans the evaporant 3 in two dimensions. As a result, the evaporating substance 3 is heated by the electron beam and evaporates, and the evaporated particles are, for example, crucible 4
It adheres on a substrate (not shown) arranged above. The filament (electron emitting portion) of the electron gun for evaporating the evaporating substance by electron irradiation as described above is generally a large filament so as to obtain a low-voltage, high-power beam (that is, a beam with a large beam current). Is used.
For example, a spiral shape as shown in FIG. 3 is used.
【0006】所で、電子照射による蒸発物質の蒸発時、
蒸気の一部が電子ビームの衝撃によりイオン化する。通
常、蒸発物質は金属なので、これらのイオンは+イオン
である。これらの+イオンは図2に示すフィラメント6
から坩堝4内の蒸発物質3の間の電子ビームの偏向軌道
(実質的に導体となっている)14の中心軸Oに沿って
負の電位のフィラメント6に向かう。そして、これらの
+イオンは、フィラメント6の中心部分(第3図のKの
部分)に当たり、該部分をスパッタしてしまう。その為
に、該部分が細くなるので該部分に過電流が流れ、やが
て溶断してしまい、フィラメントを新しいものに交換し
なければならない。この様な溶断が蒸着操作中に起こる
と、その蒸着膜は不良品となるばかりではなく、この様
な溶断によるフィラメントの交換は経済的にも操作的に
も著しく不利である。まして、この様な溶断が短時間で
起こると、極めて大きな問題となる。[0006] At the time of evaporation of the evaporation substance by electron irradiation,
Part of the vapor is ionized by the impact of the electron beam. Usually, these ions are + ions since the evaporating substance is a metal. These + ions are supplied to the filament 6 shown in FIG.
From the evaporating substance 3 in the crucible 4 toward the filament 6 having a negative potential along the central axis O of the deflection trajectory (substantially a conductor) 14 of the electron beam. These + ions hit the central portion of the filament 6 (portion K in FIG. 3) and sputter the portion. As a result, the portion becomes thin, and an overcurrent flows through the portion, which eventually melts, and the filament must be replaced with a new one. If such fusing occurs during the vapor deposition operation, not only will the deposited film become defective, but replacement of the filament by such fusing is also disadvantageous economically and operatively. Furthermore, if such fusing occurs in a short time, it becomes a very serious problem.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】そこで、例えば、図5
(a)に示す様に、中心部分(前記図3のKに当たる部
分)の空いたフィラメント6′を使用すれば、この様な
問題を解決することは出来るが、空いた分だけ該フィラ
メントからの電子量が不足し、蒸発物質3の蒸発が十分
に行われない恐れがある。Therefore, for example, FIG.
As shown in FIG. 3A, such a problem can be solved by using the vacant filament 6 'at the center (the portion corresponding to K in FIG. 3). There is a possibility that the amount of electrons is insufficient and the evaporating substance 3 is not sufficiently evaporated.
【0008】そこで、例えば、図5(b)に示す様に、
中心部分(前記図3のKに当たる部分)の空いたドーナ
ッ板状のフィラメント6″を使用すれば、前記イオンに
依るスパッタを避けることが出来ると同時に、電子放出
面を線状のものから面積の大きな面状のものにしたこと
で前記空いた分による電子量の不足を補うことが出来
る。Therefore, for example, as shown in FIG.
The use of the donut plate-shaped filament 6 ″ having an empty center portion (a portion corresponding to K in FIG. 3) can prevent the sputtering due to the ions, and at the same time, can reduce the area of the electron emission surface from a linear one. The large planar shape can compensate for the shortage of electrons due to the vacant portion.
【0009】しかし、この様にフィラメントの電子放出
面を板状にしたことで、以下に説明する様な新たな問題
が発生する。However, by making the electron emission surface of the filament plate-like, a new problem as described below occurs.
【0010】ここで説明している電子銃は、フィラメン
トに電流を流すことによりフイラメントから電子を放出
させるわけであるが、このフイラメントの抵抗をR、フ
ィラメントに流す電量をIとすると、I2Rの電力が必
要となる。一方、このフィラメントとフィラメント加熱
電源の間をつなぐリード体の全表面積をS、このフィラ
メントの加熱温度をT、このフィラメントの輻射率をε
とすると、前記電力によりフィラメントとリード体全体
で4.88×ε×S×(T/100)4 に対応した熱
量が消費される。ここで、εとTはフィラメントの材料
により決まる数値なので、フィラメントへの電力I2R
はフィラメントとリード体全体の表面積に左右される。The electron gun described here emits electrons from the filament by passing a current through the filament. If the resistance of the filament is R and the quantity of electricity flowing through the filament is I, I 2 R Power is required. On the other hand, the total surface area of the lead body connecting the filament and the filament heating power source is S, the heating temperature of the filament is T, and the emissivity of the filament is ε.
Then, the electric power consumes a heat corresponding to 4.88 × ε × S × (T / 100) 4 in the entire filament and lead. Here, since ε and T are numerical values determined by the material of the filament, the power I 2 R
Depends on the surface area of the filament and the entire lead body.
【0011】さて、前記図5(b)に示す如き中央部の
空いた板状(ドーナッ状)のフィラメントにおいては、
面積の広い板状のフィラメントに一様に電流を流すため
にリード6La,6Lbの幅をフィラメント6″の径に
ほぼ合わせた大きさにしなければならず(もし、リード
体の幅をフィラメントの径より明確に小さくすると、フ
ィラメントを十分に暖めることが不可能になる)、フィ
ラメント及びリード体の表面,裏面及び側面の表面積を
合わせた全体の表面積が極めて大きいものとなってしま
う。その為に、この様な中央部の空いた板状(ドーナッ
状)のフィラメントにおいては、フィラメントに流すべ
き電流が極めて大きいものにしなければならず、その様
な電源の実現が難しくなる。又、譬え実現しても可成り
高価なものとなってしまう。そこで、フィラメントの厚
みを大幅に薄くしてその抵抗値を小さくする方法も考え
られるが、それではフィラメントの支持が困難となる。Now, in a plate-shaped (doughnut-shaped) filament having an empty center portion as shown in FIG.
The width of the leads 6La and 6Lb must be approximately equal to the diameter of the filament 6 ″ in order to uniformly supply current to the plate-shaped filament having a large area (if the width of the lead body is reduced by the diameter of the filament). If the filament is made smaller more clearly, it becomes impossible to sufficiently heat the filament), and the total surface area including the surface area of the front surface, the back surface and the side surface of the filament and the lead body becomes extremely large. In such a plate-shaped (doughnut-shaped) filament having an empty center portion, the current to be passed through the filament must be extremely large, and it becomes difficult to realize such a power supply. Therefore, it is conceivable to reduce the resistance of the filament by greatly reducing the thickness of the filament. Support of the filament becomes difficult.
【0012】本発明は、この様な問題点を解決する為に
なされたもので、新規な電子ビーム装置を提供すること
を目的とする。The present invention has been made to solve such a problem, and has as its object to provide a novel electron beam apparatus.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】 本発明に基づく電子ビ
ーム装置は、電子銃からの電子ビームをターゲットに当
てるようにした電子ビーム装置において、電子銃の電子
放出部は、コイル状フィラメントを環状に形成し、環の
中心軸方向に電子を取り出すように成したことを特徴と
する。An electron beam apparatus according to the present invention is an electron beam apparatus in which an electron beam from an electron gun is applied to a target. And an electron is taken out in the direction of the center axis of the ring.
【0014】[0014]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の態様の形態を詳細に説明する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
【0015】図4(a)は本発明の主要部の一例として
示した電子銃の主要部の概略図、図4(b)は図4
(a)のA−A断面図である。FIG. 4A is a schematic view of a main part of an electron gun shown as an example of a main part of the present invention, and FIG.
It is an AA sectional view of (a).
【0016】図に示す様に、フィラメント20はコイル
状に巻かれつつリング形状を成す様に形成されているの
で、全体としては円環形状を成している。そして、その
円環部の内側の空間部20Sの中心、グリッド21の孔
21Aの中心、アノード22の孔22Aの中心が、大
体、電子ビーム軌道の中心軸O上に位置するように、フ
ィラメント20,グリッド21及びアノード22が互い
に適当な間を開けて配列されている。尚、23はフィラ
メント20にフィラメント加熱電源9から電流を流すた
めのリード線である。As shown in the figure, since the filament 20 is formed in a ring shape while being wound in a coil shape, it has an annular shape as a whole. Then, the filament 20 is positioned such that the center of the space 20S inside the annular portion, the center of the hole 21A of the grid 21, and the center of the hole 22A of the anode 22 are substantially on the center axis O of the electron beam orbit. , Grid 21 and anode 22 are arranged with an appropriate gap therebetween. Reference numeral 23 denotes a lead wire for flowing a current from the filament heating power supply 9 to the filament 20.
【0017】この様な電子銃を図1及び図2に示す電子
ビーム蒸発装置の電子銃として使用すると、フィラメン
ト20から発生された電子ビームは、アノード22によ
って加速され、磁極1A,1Bが作る磁場により270
°前後曲げられ坩堝4内に収容された蒸発物質3に照射
される。その際、電子銃5からの電子ビームは走査用電
磁コイル体12が作る二次元方向走査用磁場を通過する
ので、電子ビームは蒸発物質3上を二次元方向に走査す
ることになる。この結果、蒸発物質3は電子ビームによ
り加熱されて蒸発し、その蒸発粒子が、例えば、坩堝4
上方に配置された基板(図示せず)上に付着する。この
際、蒸気の一部が電子ビーム衝撃によりイオン化し、該
イオンが図2の14に示す電子の偏向軌道の中心軸Oに
沿って負の電位のフィラメント20方向に向かう。しか
し、フィラメント20は円環状に形成されているため
に、殆どのイオンはその円環部の内側の空間部を素通り
し、フィラメント20に衝突するイオンは極めて少な
い。従って、フィラメント20のイオンによるスパッタ
は殆ど起こらない。しかも、フィラメント20の中央部
が空いているので、一見、フィラメント20から発生さ
れる電子の量が少なくなると思われるが、該フィラメン
トの電子ビーム中心軸Oに垂直な断面が面状になってお
り、中央部が空いている分を十分補う量の電子がフィラ
メント20から発生される。When such an electron gun is used as the electron gun of the electron beam evaporator shown in FIGS. 1 and 2, the electron beam generated from the filament 20 is accelerated by the anode 22, and the magnetic field generated by the magnetic poles 1A and 1B. By 270
It is bent back and forth and irradiates the evaporated substance 3 contained in the crucible 4. At this time, the electron beam from the electron gun 5 passes through the two-dimensional scanning magnetic field created by the scanning electromagnetic coil body 12, so that the electron beam scans the evaporant 3 in two dimensions. As a result, the evaporating substance 3 is heated by the electron beam and evaporates, and the evaporated particles are, for example, crucible 4
It adheres on a substrate (not shown) arranged above. At this time, a part of the vapor is ionized by the electron beam impact, and the ions travel toward the negative potential filament 20 along the central axis O of the electron deflection orbit shown in FIG. However, since the filament 20 is formed in an annular shape, most of the ions pass through the space inside the annular portion, and very few ions collide with the filament 20. Therefore, almost no sputtering of the filament 20 due to the ions occurs. Moreover, since the center of the filament 20 is vacant, the amount of electrons generated from the filament 20 seems to be reduced at first glance, but the cross section of the filament perpendicular to the electron beam central axis O is planar. An enough amount of electrons is generated from the filament 20 to compensate for the vacancy in the center.
【0018】更に、本例のフイラメントと前記中央部の
空いた板状(ドーナッ状)のフィラメント6″の電子放
出面の大きさは殆ど変わらないが、前記中央部の空いた
板状(ドーナッ状)のフィラメント6″ではリード体が
面積の著しく大きな板状のものになってしまったが、本
例のフィラメント20は極めて細い(例えば、直径0.
5mm〜0.8mm程度)線状のもの(例えば、タング
ステン線)をコイル状に巻いたものなので、そのリード
線23はフィラメント20に合わせて極めて径の小さい
ものとなり、その為に前記中央部の空いた板状(ドーナ
ッ状)のフィラメント6″に比べて著しく小さな電流の
供給ですむ。Further, although the size of the electron emission surface of the filament of this embodiment and that of the empty plate-shaped (doughnut-shaped) filament 6 ″ at the center portion is almost the same, the empty plate-shaped (doughnut-shaped) hole at the center portion is not changed. In the filament 6 ″), the lead body has a plate shape with a remarkably large area, but the filament 20 of this example is extremely thin (for example, a diameter of 0.3 mm).
Since the wire (for example, tungsten wire) is wound in a coil shape, the lead wire 23 has an extremely small diameter in accordance with the filament 20. An extremely small amount of current is supplied as compared with an empty plate-shaped (donut-shaped) filament 6 ″.
【0019】例えば、電子放出面の直径を2cmとし、
リード体の長さを10cmとした場合、前述した中央部
の空いた板状(ドーナッ状)のフィラメント6″におい
ては、リード体の幅が2cm程度になるので、リード体
6L1個の表面の面積は大体、20cm2となる。それ
に対して、本例のフイラメント20のリード線は1.5
7cm〜2.512となる。前記したフィラメントへの
電流Iと、フィラメント及びリード体全体の表面積Sと
の関係から明らかなように、抵抗Rを一定とすると、I
はSの平方根にほぼ比例するので、本例のフィラメント
20は中央部の空いた板状(ドーナッ状)のフィラメン
ト6″に対して約1/4〜1/3.6の電流Iですむ。For example, if the diameter of the electron emission surface is 2 cm,
When the length of the lead body is 10 cm, the width of the lead body is about 2 cm in the plate-shaped (doughnut-shaped) filament 6 ″ having an empty center portion, so that the surface area of one lead body 6L1 Is approximately 20 cm 2 , whereas the lead wire of the filament 20 of this example is 1.5 cm 2 .
7cm~2.51 2 become. As is clear from the relationship between the current I to the filament and the surface area S of the filament and the entire lead body, assuming that the resistance R is constant, I
Is approximately proportional to the square root of S, so that the filament 20 of the present example needs only about 1/4 to 1 / 3.6 of the current I for the plate-shaped (doughnut-shaped) filament 6 "having an empty center portion.
【0020】しかも、前記中央部の空いた板状(ドーナ
ッ状)のものはフィラメント6″を成す各部分からの輻
射熱は互いに各部分に及ぼし合うことが無く、殆ど外部
へ逃げてしまうが、本例のフィラメント20は、コイル
状に形成されているので、フィラメント20を成す各コ
イル部分が互いに輻射熱を及ぼし合うので、加熱効率が
良く、その分流すべき電流が少なくて済む。Moreover, in the case of the plate-shaped (doughnut-shaped) plate having an empty center portion, the radiant heat from the respective portions forming the filament 6 "does not reach each other and almost escapes to the outside. Since the filament 20 in the example is formed in a coil shape, the respective coil portions forming the filament 20 apply radiant heat to each other, so that the heating efficiency is good and the current to be divided is small.
【0021】尚、この様な電子銃のフィラメントからは
断面がドーナツ状の電子ビームが発生されるが、蒸発物
質上では走査用電磁コイル12による二次元方向に走査
されるので、坩堝4内の蒸発物質全体が均一に電子ビー
ムで照射されるので問題ない。 又、電子銃と蒸発物質
3間の電子ビーム軌道上に電子ビーム集束用の電磁コイ
ルを配置しておけば、フィラメントからの電子ビームを
適宜絞ることが出来るので、蒸発物質上に照射される電
子ビームの断面をスポット状にする事が出来る。The filament of such an electron gun generates an electron beam having a doughnut-shaped cross section. Since the electron beam is scanned in two dimensions by the scanning electromagnetic coil 12 on the evaporating substance, There is no problem because the entire evaporated substance is uniformly irradiated with the electron beam. Further, if an electromagnetic coil for focusing an electron beam is arranged on the electron beam orbit between the electron gun and the evaporating substance 3, the electron beam from the filament can be appropriately narrowed, so that the electron beam irradiated on the evaporating substance can be reduced. The cross section of the beam can be made spot-like.
【0022】又、該フィラメント20の奥のイオンが衝
突する箇所にイオン衝撃に強い金属板などを配置してお
くと、電子銃の奥の部分がイオンによってスパッタされ
ることが避けられる。If a metal plate or the like resistant to ion bombardment is arranged at a location where the ions at the back of the filament 20 collide, the back of the electron gun is prevented from being sputtered by the ions.
【0023】尚、前記フィラメント20は必ずしも円環
状に形成されている必要はない。例えば、コイル状のフ
ィラメントを楕円環状に形成しても良い。The filament 20 need not necessarily be formed in an annular shape. For example, a coil-shaped filament may be formed in an elliptical ring shape.
【0024】又、前記例では、フィラメント20はコイ
ル状に巻かれつつリング形状を成す様に形成されている
が、完全なリング状にしなくても良い。例えば、3/4
程度までリング状に形成しても良いし、放出される電子
の量が許容限度以下にならなければ、半リング状でも良
い。In the above example, the filament 20 is formed in a ring shape while being wound in a coil shape. However, the filament 20 need not be formed in a complete ring shape. For example, 3/4
It may be formed in a ring shape to the extent, or a half ring shape as long as the amount of emitted electrons does not fall below the allowable limit.
【0025】又、本発明の電子ビーム装置として電子ビ
ーム蒸発装置を例に上げたが、電子ビーム溶接装置等の
加工装置等にも本発明は適用出来ることはいうまでもな
い。Although an electron beam evaporator has been described as an example of the electron beam apparatus of the present invention, it goes without saying that the present invention can be applied to a processing apparatus such as an electron beam welding apparatus.
【図1】 電子ビーム装置の一例として、電子ビーム蒸
発装置の概略を示したものである。FIG. 1 schematically shows an electron beam evaporation apparatus as an example of an electron beam apparatus.
【図2】 図1のA−A線断面図である。FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG.
【図3】 従来のフィラメントの一概略例を示したもの
である。FIG. 3 shows a schematic example of a conventional filament.
【図4】 本発明のフィラメントの一概略例を示したも
のである。FIG. 4 shows a schematic example of the filament of the present invention.
【図5】 従来のフィラメントの一概略例を示したもの
である。FIG. 5 shows a schematic example of a conventional filament.
1A,1B…磁極片 2…永久磁石 3…蒸発物質 4…坩堝 5…電子銃 6,20…フィラメント 7,21…グリッド 8,22…アノード 9…フィラメント加熱電源 10…加速電源 11…グリッド支持板 12…走査用電磁コイル体 13…走査用電源 23…リード線 1A, 1B: magnetic pole piece 2: permanent magnet 3: evaporating substance 4: crucible 5: electron gun 6, 20: filament 7, 21: grid 8, 22: anode 9: filament heating power supply 10: acceleration power supply 11: grid support plate 12: scanning electromagnetic coil 13: scanning power supply 23: lead wire
Claims (3)
当てるようにした電子ビーム装置において、電子銃の電
子放出部は、コイル状フィラメントを環状に形成し、環
の中心軸方向に電子を取り出すように成したことを特徴
とする電子ビーム装置。In an electron beam apparatus in which an electron beam from an electron gun is applied to a target, an electron emission portion of the electron gun forms a coil-shaped filament in a ring shape and takes out electrons in a central axis direction of the ring. An electron beam apparatus characterized in that:
ラメントから成る請求項2記載の電子ビーム装置2. An electron beam apparatus according to claim 2, wherein said electron emitting portion of said electron gun comprises an annular filament.
1乃至2の何れかに記載の電子ビーム装置。3. The electron beam apparatus according to claim 1, wherein the target is an evaporating substance.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP35864299A JP3814114B2 (en) | 1999-12-17 | 1999-12-17 | Electron beam equipment |
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JP35864299A JP3814114B2 (en) | 1999-12-17 | 1999-12-17 | Electron beam equipment |
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- 1999-12-17 JP JP35864299A patent/JP3814114B2/en not_active Expired - Lifetime
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