JPH1130623A - Scanning capacitance type microscope - Google Patents
Scanning capacitance type microscopeInfo
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- JPH1130623A JPH1130623A JP9186665A JP18666597A JPH1130623A JP H1130623 A JPH1130623 A JP H1130623A JP 9186665 A JP9186665 A JP 9186665A JP 18666597 A JP18666597 A JP 18666597A JP H1130623 A JPH1130623 A JP H1130623A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、静電容量を検出す
ることのできる走査型プローブ顕微鏡に関するものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscope capable of detecting capacitance.
【0002】[0002]
【従来の技術】先端の鋭い探針により試料表面を走査す
ることで、試料表面の情報を原子レベルの高空間分解能
で調べる技術として、様々なタイプの走査型プローブ顕
微鏡が提案されている。走査型プローブ顕微鏡の代表的
なものとしては、探針と試料間のトンネル電流を利用す
る走査型トンネル顕微鏡(STM)や、探針と試料間に
働く微小な力を使用する原子間力顕微鏡(以下、「AF
M」と称す)や、探針と試料との間の静電容量を計測す
る走査型静電容量顕微鏡等がある。走査型静電容量顕微
鏡は、主としてAFMをベースにしており、AFMによ
り探針を試料表面に走査させながら同時に静電容量の情
報を取得するが、静電容量情報は発振回路、共振回路、
検波回路からなるキャパシタンスセンサーにより探針−
試料間のキャパシタンス変化をLC共振回路の共振周波
数変化として検出する。2. Description of the Related Art Various types of scanning probe microscopes have been proposed as a technique for examining information on a sample surface at a high atomic-level spatial resolution by scanning the sample surface with a sharp tip. Typical examples of the scanning probe microscope include a scanning tunneling microscope (STM) using a tunnel current between a probe and a sample and an atomic force microscope (STM) using a small force acting between the probe and the sample. Hereinafter, “AF
M "), and a scanning capacitance microscope for measuring the capacitance between the probe and the sample. Scanning capacitance microscopes are mainly based on the AFM, and simultaneously acquire capacitance information while scanning the probe surface with the AFM using the AFM.
Probe with capacitance sensor consisting of detection circuit-
A change in capacitance between samples is detected as a change in resonance frequency of the LC resonance circuit.
【0003】キャパシタンスセンサーにおける発振周波
数は、発振回路中の可変容量コンデンサのトリマーをド
ライバー等を用いて回すことでおよそ930〜1050
MHzの範囲で変化する。また、キャパシタンスセンサ
ーのLC共振回路中にはバリキャップダイオードがあり
ここに検波回路からの電圧をフィードバックして共振周
波数を調節するする機構を有している。The oscillation frequency of a capacitance sensor is approximately 930 to 1050 by turning a trimmer of a variable capacitor in an oscillation circuit using a driver or the like.
It changes in the range of MHz. Further, a varicap diode is provided in the LC resonance circuit of the capacitance sensor, and has a mechanism for adjusting the resonance frequency by feeding back a voltage from the detection circuit.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】走査型静電容量顕微鏡
では、LC共振回路の傾きが急なところで測定した場合
にもっとも感度がよいが、LC共振回路の共振周波数は
用いるカンチレバーや測定する試料もしくはそれらの位
置関係により順次変化してしまうためその都度発振周波
数を設定する必要があるが、そのためには、共振回路特
性を知るために何らかの信号をモニターする必要があ
る。従来は検波回路においてピーク検波した直流電圧を
モニターしていたが、直流であるためにS/Nが悪いと
いう問題があった。The scanning capacitance microscope has the highest sensitivity when measured at a steep slope of the LC resonance circuit. However, the resonance frequency of the LC resonance circuit depends on the cantilever used, the sample to be measured and The oscillation frequency needs to be set each time because the frequency changes sequentially due to the positional relationship. For that purpose, it is necessary to monitor some signal to know the resonance circuit characteristics. Conventionally, a DC voltage peak-detected by a detection circuit is monitored, but there is a problem that S / N is poor due to DC.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明は以上の点を考慮
したものであり、発振回路と共振回路と検波回路からな
る容量センサーを有する走査型静電容量顕微鏡におい
て、共振回路特性の変化を読みとる手段と、測定感度が
最適となるように、発振回路の発振周波数もしくは共振
回路の共振周波数を調整する手段を有するとともに発振
周波数を変調する手段を有することを特徴とする走査型
静電容量顕微鏡を提供する。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above points, and provides a scanning capacitance microscope having a capacitance sensor including an oscillation circuit, a resonance circuit, and a detection circuit. A scanning capacitance microscope comprising: means for reading; means for adjusting the oscillation frequency of the oscillation circuit or the resonance frequency of the resonance circuit so as to optimize the measurement sensitivity; and means for modulating the oscillation frequency. I will provide a.
【0006】[0006]
【発明の実施の形態】まず最初に、図2を用いて共振特
性計測機構について説明する。図2(a)は発振回路、
共振回路、検波回路からなる静電容量測定機構の概略図
である。発振回路で発生した高周波信号は、共振回路を
経て検波回路へと伝わり、高周波の振幅がピーク検波さ
れる。図2(b)は共振回路の共振特性を示しており、
横軸は高周波信号の周波数、縦軸はピーク検波される高
周波信号の振幅である。検波回路に伝わる高周波信号の
振幅は高周波信号の周波数が共振回路の共振周波数(ω
r)に一致したときに最大であり、高周波信号の周波数
が共振周波数からずれるに従って小さくなる。例えば、
高周波信号の発振周波数をωoとすると、図2(b)中
に示したωoにおいて共振特性のカーブは右下がりの傾
きを有しており、共振回路中のキャパシタンスの増加に
より共振周波数および共振特性のカーブが左(低周波)
側にシフトし検波される振幅は小さくなる。一方、発振
周波数(ωo)が共振周波数(ωr)よりも左側にある
ときにはキャパシタンスの増加により検波される振幅が
逆に大きくなる。また、キャパシタンス変化を検出する
感度は共振特性のカーブの傾きが急なところほど高くな
る。図2(c)は、図2(b)の共振特性を有する共振
回路中の可変容量ダイオードに、交流電圧を印加したと
きにロックスインアンプにより検出される交流電圧の周
波数における容量変化の様子(dC/dV)を示してい
るが、これはすなわち、図2(b)の微分値を示してい
る。ロックインアンプで検出される容量変化は図2
(b)において共振特性のカーブの傾きの大きいところ
ほど大きな絶対値を有しており、この点において、走査
型容量顕微鏡としての感度が最大となる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, a resonance characteristic measuring mechanism will be described with reference to FIG. FIG. 2A shows an oscillation circuit,
FIG. 3 is a schematic diagram of a capacitance measuring mechanism including a resonance circuit and a detection circuit. The high-frequency signal generated by the oscillation circuit is transmitted to the detection circuit via the resonance circuit, and the high-frequency amplitude is peak-detected. FIG. 2B shows the resonance characteristics of the resonance circuit.
The horizontal axis represents the frequency of the high-frequency signal, and the vertical axis represents the amplitude of the high-frequency signal subjected to peak detection. The amplitude of the high-frequency signal transmitted to the detection circuit is represented by the frequency of the high-frequency signal equal to the resonance frequency (ω) of the resonance circuit.
r), and becomes the maximum when the frequency of the high frequency signal deviates from the resonance frequency. For example,
Assuming that the oscillation frequency of the high-frequency signal is ωo, the curve of the resonance characteristic has a downward-sloping slope at ωo shown in FIG. 2B, and the resonance frequency and the resonance characteristic are increased by the increase of the capacitance in the resonance circuit. Curve left (low frequency)
And the detected amplitude becomes smaller. On the other hand, when the oscillation frequency (ωo) is on the left side of the resonance frequency (ωr), the detected amplitude increases conversely due to an increase in capacitance. Further, the sensitivity of detecting a change in capacitance increases as the slope of the resonance characteristic curve becomes steeper. FIG. 2C shows a state of the capacitance change at the frequency of the AC voltage detected by the rocks-in amplifier when the AC voltage is applied to the variable capacitance diode in the resonance circuit having the resonance characteristic of FIG. 2B ( dC / dV), which is the differential value of FIG. 2B. Figure 2 shows the change in capacitance detected by the lock-in amplifier.
In (b), the greater the slope of the resonance characteristic curve, the greater the absolute value. At this point, the sensitivity as a scanning capacitance microscope is maximized.
【0007】以下に、図1により本発明の実施の形態で
ある走査型容量顕微鏡を説明するが、本発明はこの形態
に限られるものではない。ところで、本発明の実施の形
態である走査型静電容量顕微鏡は、カンチレバー1とカ
ンチレバーホルダー2と導線3とキャパシタンスセンサ
ー4と試料5と試料ホルダー6とチューブ型ピエゾ素子
7と半導体レーザー8と2分割光検出器9とインターフ
ェースボックス10とロックインアンプ11とピエゾ駆
動電源12とコンピュータ13とCRT14とからな
る。A scanning capacitance microscope according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. 1, but the present invention is not limited to this embodiment. The scanning capacitance microscope according to the embodiment of the present invention includes a cantilever 1, a cantilever holder 2, a conducting wire 3, a capacitance sensor 4, a sample 5, a sample holder 6, a tube-type piezo element 7, and semiconductor lasers 8 and 2. It comprises a split photodetector 9, an interface box 10, a lock-in amplifier 11, a piezo drive power supply 12, a computer 13 and a CRT 14.
【0008】カンチレバー1は先端付近に探針を有する
シリコン製のカンチレバーにコバルトならびにクロムを
コートしたものであり、導線3によりキャパシタンスセ
ンサー4に電気的に接続されている。カンチレバーホル
ダー2は浮遊容量の低減のため絶縁物であるポリカーボ
ネートからなるが、セラミック等の他の絶縁物で作って
もよい。試料5はシリコン基板であり、表面は酸化膜で
覆われており裏面にはアルミニウムの電極が形成されて
いる。試料5は導電性ペーストによりアルミニウム製の
試料ホルダー6に取り付けられており、さらに試料ホル
ダー6は試料5をカンチレバー1に対して走査させるた
めのチューブ型ピエゾ素子7に取り付けられている。カ
ンチレバー1の撓みは半導体レーザー8および2分割光
検出器9を用いて光てこ法により検出する。試料5は、
ピエゾ駆動電源12によりチューブ型ピエゾ素子7に電
圧を印加することによりカンチレバー1に対して走査さ
せるが、2分割光検出器9の信号によりカンチレバー1
の撓みが一定になるようにチューブ型ピエゾ素子7にフ
ィードバック電圧を印加する。このとき得られる試料5
の表面形状の情報は静電容量の情報とともにコンピュー
タ13に取り込まれる。The cantilever 1 is formed by coating a silicon cantilever having a probe near the tip with cobalt and chromium, and is electrically connected to a capacitance sensor 4 by a conducting wire 3. The cantilever holder 2 is made of polycarbonate which is an insulator for reducing the stray capacitance, but may be made of another insulator such as ceramic. The sample 5 is a silicon substrate, the front surface of which is covered with an oxide film, and the back surface of which is formed with an aluminum electrode. The sample 5 is attached to a sample holder 6 made of aluminum by a conductive paste, and the sample holder 6 is attached to a tube type piezoelectric element 7 for scanning the sample 5 with respect to the cantilever 1. The bending of the cantilever 1 is detected by an optical lever method using a semiconductor laser 8 and a two-part photodetector 9. Sample 5 is
The cantilever 1 is scanned by applying a voltage to the tube-type piezo element 7 by the piezo drive power supply 12.
A feedback voltage is applied to the tube-type piezo element 7 so that the bending of the piezo element becomes constant. Sample 5 obtained at this time
The information on the surface shape is taken into the computer 13 together with the information on the capacitance.
【0009】静電容量の計測は、直流バイアスならびに
〜100kHzのモジュレーション電圧を発振器を内蔵
するロックインアンプ11よりインターフェースボック
ス10および試料ホルダー6を介して試料5に印加し、
アース電位のカンチレバー1との間の電圧により試料5
中に形成される空乏層の厚みの変化に伴う探針−試料間
のモジュレーション周波数での静電容量変化をキャパシ
タンスセンサー4ならびにロックインアンプ11により
検出する。ロックインアンプ11は、〜100kHzの
交流電圧出力ならびに4つの−10.5V〜+10.5
Vの直流出力を有しているものを使用した。また、この
ロックインアンプ11は2相ロックインアンプであるの
で、2つの信号出力を有しており、チャンネル1(CH
1)にはXもしくは振幅(R)をチャンネル2(CH
2)にはYもしくは位相を選択することができる。な
お、本発明者らは、ロックインアンプ11として、Stan
ford Reseach Systems社のModel SR830 DSP Lock-in am
plifierを用いている。To measure the capacitance, a DC bias and a modulation voltage of 100 kHz are applied to the sample 5 from the lock-in amplifier 11 having a built-in oscillator through the interface box 10 and the sample holder 6.
The sample 5 is applied by the voltage between the cantilever 1 and the ground potential.
A capacitance change at a modulation frequency between the probe and the sample due to a change in the thickness of a depletion layer formed therein is detected by the capacitance sensor 4 and the lock-in amplifier 11. The lock-in amplifier 11 has an AC voltage output of 100 kHz and four -10.5 V to +10.5
Those having a DC output of V were used. Further, since the lock-in amplifier 11 is a two-phase lock-in amplifier, it has two signal outputs, and
X) or amplitude (R) is assigned to channel 2 (CH)
In 2), Y or phase can be selected. Note that the present inventors have made the lock-in amplifier 11
Model SR830 DSP Lock-in am from ford Reseach Systems
plifier is used.
【0010】次に図3により、キャパシタンスセンサー
4と試料5とインターフェースボックス10とロックイ
ンアンプ11との間の信号の往来について説明する。キ
ャパシタンスセンサー4は発振回路中に可変容量ダイオ
ードを有しており、発振周波数を外部電圧により変化さ
せる機能を有している。なお、この技術は、本出願人が
出願した未公開の技術である特願平9−101665号
に詳細に記載されている。共振回路中の可変容量ダイオ
ードは、外部回路からプラスの電圧をかけたときに空乏
層が生じるように取り付けられている。このため、ロッ
クインアンプ11の直流出力1からの電圧にインターフ
ェースボックスにおいて+10Vを加えた電圧を可変容
量ダイオードに対して印加する。発振回路中の可変容量
ダイオードは、外部回路からプラスの電圧をかけたとき
に空乏層が生じるように取り付けられているため、ロッ
クインアンプ11の直流出力2からの電圧にインターフ
ェースボックスにおいて+10Vを加えた電圧を可変容
量ダイオードに対して印加する。また、インターフェー
スボックス11中のスイッチの切り替えによりにより発
振回路中の可変容量ダイオードに対して直流電圧ととも
に交流電圧を印加することも可能である。ここで、スイ
ッチはロックインアンプ11からの交流電圧出力を共振
回路もしくは試料のいずれかに選択して印加するための
機能を備えている。なお、本発明の実施の形態である走
査型静電容量顕微鏡は、試料に対しては直流電圧出力3
と交流電圧出力を加えた電圧が印加することが可能であ
る。また、キャパシタンスセンサー4の信号出力は、イ
ンターフェースボックス10を介してロックインアンプ
11の信号入力端子に接続されている。Next, referring to FIG. 3, a description will be given of a signal flow between the capacitance sensor 4, the sample 5, the interface box 10, and the lock-in amplifier 11. The capacitance sensor 4 has a variable capacitance diode in the oscillation circuit, and has a function of changing the oscillation frequency by an external voltage. This technique is described in detail in Japanese Patent Application No. 9-101665, which is an undisclosed technique filed by the present applicant. The variable capacitance diode in the resonance circuit is mounted such that a depletion layer is generated when a positive voltage is applied from an external circuit. Therefore, a voltage obtained by adding +10 V to the voltage from the DC output 1 of the lock-in amplifier 11 in the interface box is applied to the variable capacitance diode. Since the variable capacitance diode in the oscillation circuit is mounted so that a depletion layer is generated when a positive voltage is applied from an external circuit, +10 V is applied to the voltage from the DC output 2 of the lock-in amplifier 11 in the interface box. The applied voltage is applied to the variable capacitance diode. Further, by switching a switch in the interface box 11, it is possible to apply an AC voltage together with a DC voltage to the variable capacitance diode in the oscillation circuit. Here, the switch has a function of selecting and applying the AC voltage output from the lock-in amplifier 11 to either the resonance circuit or the sample. Note that the scanning capacitance microscope according to the embodiment of the present invention has a DC voltage output of 3
And an AC voltage output can be applied. A signal output of the capacitance sensor 4 is connected to a signal input terminal of the lock-in amplifier 11 via the interface box 10.
【0011】ところで、キャパシタンスセンサー4は、
図2により説明した回路構成を有するものである。キャ
パシタンスセンサー4内の共振回路は導線3ならびにカ
ンチレバー1に接続されており、カンチレバー1と周囲
との浮遊容量により共振回路の共振周波数が変化する。
このため、共振周波数および共振特性を計測し、その共
振特性に対応させて発振周波数を決定する必要がある。
以下に、最適な測定条件を得るための発振周波数ならび
に共振回路特性のチューニング過程について説明する。By the way, the capacitance sensor 4 is
It has the circuit configuration described with reference to FIG. The resonance circuit in the capacitance sensor 4 is connected to the conducting wire 3 and the cantilever 1, and the resonance frequency of the resonance circuit changes due to the stray capacitance between the cantilever 1 and the surroundings.
Therefore, it is necessary to measure the resonance frequency and the resonance characteristics and determine the oscillation frequency in accordance with the resonance characteristics.
Hereinafter, the tuning process of the oscillation frequency and the resonance circuit characteristics for obtaining the optimum measurement conditions will be described.
【0012】まず、カンチレバー1の探針と試料5とを
近接させた状態で、図3に示されるスイッチにより発振
回路中の可変容量ダイオードに対して例えば、100k
Hz、100mVp−pの交流電圧を印加する。この状
態で、発振回路中の可変容量ダイオードに加える直流電
圧をスイープさせ、その時ロックインアンプ11のCH
1において、キャパシタンスセンサー4の信号の100
kHz成分をモニターする。ロックインアンプ11で検
出される信号の大きい発振周波数を選択し、図3中に示
されるスイッチにより試料に交流電圧を印加するととも
に、探針と試料5とを接触させて試料5の測定を行う。First, in a state where the probe of the cantilever 1 and the sample 5 are brought close to each other, the switch shown in FIG.
Hz, an AC voltage of 100 mVp-p is applied. In this state, the DC voltage applied to the variable capacitance diode in the oscillation circuit is swept,
At 1, the signal of the capacitance sensor 4
Monitor the kHz component. A large oscillation frequency of a signal detected by the lock-in amplifier 11 is selected, an AC voltage is applied to the sample by a switch shown in FIG. 3, and the sample 5 is measured by bringing the probe into contact with the sample 5. .
【0013】また、発振回路中の可変容量ダイオードに
対して加える直流電圧を一定にしておいて、共振回路中
の可変容量ダイオードに対して加える直流電圧を変化さ
せることにより、最適な測定条件を求めることも可能で
ある。[0013] Further, by keeping the DC voltage applied to the variable capacitance diode in the oscillation circuit constant and changing the DC voltage applied to the variable capacitance diode in the resonance circuit, an optimum measurement condition is obtained. It is also possible.
【0014】[0014]
【発明考案の効果】本発明により、キャパシタンスセン
サーの共振回路の共振特性を効率よく測定し、共振特性
に対応させて発振周波数もしくは共振回路の共振周波数
を設定する機能が提供される。According to the present invention, the function of efficiently measuring the resonance characteristics of the resonance circuit of the capacitance sensor and setting the oscillation frequency or the resonance frequency of the resonance circuit in accordance with the resonance characteristics is provided.
【図1】は、本発明の走査型静電容量顕微鏡の概略図で
ある。FIG. 1 is a schematic diagram of a scanning capacitance microscope of the present invention.
【図2】は、キャパシタンスセンサーならびに共振特性
計測機能の原理を説明するための概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the principle of a capacitance sensor and a resonance characteristic measuring function.
【図3】は、本実施例の回路構成を説明するための概略
図である。FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a circuit configuration of the present embodiment.
1・・・カンチレバー 2・・・カンチレバーホルダー 3・・・導線 4・・・キャパシタンスセンサー 5・・・試料 6・・・試料ホルダー 7・・・チューブ型ピエゾ素子 8・・・半導体レーザー 9・・・2分割光検出器 10・・インターフェースボックス 11・・ロックインアンプ 12・・ピエゾ駆動電源 13・・コンピュータ 14・・CRT(モニター) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cantilever 2 ... Cantilever holder 3 ... Lead wire 4 ... Capacitance sensor 5 ... Sample 6 ... Sample holder 7 ... Tube type piezo element 8 ... Semiconductor laser 9 ... -2 split photodetector 10-Interface box 11-Lock-in amplifier 12-Piezo drive power supply 13-Computer 14-CRT (monitor)
Claims (5)
ャパシタンスセンサーを有する走査型静電容量顕微鏡に
おいて、前記共振回路特性の変化を読みとる手段と、測
定感度が最適となるように、発振回路の発振周波数もし
くは共振回路の共振周波数を調整する手段を有するとと
もに発振周波数を変調する手段を有することを特徴とす
る走査型静電容量顕微鏡。In a scanning capacitance microscope having a capacitance sensor including an oscillation circuit, a resonance circuit, and a detection circuit, a means for reading a change in the resonance circuit characteristic and a circuit for controlling the oscillation circuit so that measurement sensitivity is optimized. A scanning capacitance microscope comprising: means for adjusting an oscillation frequency or a resonance frequency of a resonance circuit; and means for modulating the oscillation frequency.
発振回路中の可変容量ダイオードに直流ならびに交流電
圧を印加することにより行うことを特徴とする走査型静
電容量顕微鏡。2. The method according to claim 1, wherein the oscillation frequency is modulated.
A scanning capacitance microscope, wherein the scanning is performed by applying a direct current and an alternating voltage to a variable capacitance diode in an oscillation circuit.
ンサーの出力信号変化をロックインアンプにより検出す
る機能を有することを特徴とする走査型静電容量顕微
鏡。3. The scanning capacitance microscope according to claim 1, further comprising a function of detecting a change in an output signal of the capacitance sensor at a modulation frequency by a lock-in amplifier.
させながらロックインアンプの出力を記憶装置に取り込
み、発振周波数に対する検波回路でピーク検波される信
号変化を表示装置上に表示し、それにより最適な発振周
波数を選択出来る機能を有することを特徴とする走査型
静電容量顕微鏡。4. The method according to claim 3, wherein the output of the lock-in amplifier is fetched into a storage device while sweeping the oscillation frequency, and a signal change peak detected by a detection circuit with respect to the oscillation frequency is displayed on a display device. A scanning capacitance microscope having a function of selecting a suitable oscillation frequency.
しくは試料に印加する切り替え手段を有することを特徴
とする走査型静電容量顕微鏡。5. The scanning capacitance microscope according to claim 3, further comprising switching means for applying an AC voltage to the oscillation circuit or the sample.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9186665A JPH1130623A (en) | 1997-07-11 | 1997-07-11 | Scanning capacitance type microscope |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9186665A JPH1130623A (en) | 1997-07-11 | 1997-07-11 | Scanning capacitance type microscope |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1130623A true JPH1130623A (en) | 1999-02-02 |
Family
ID=16192534
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP9186665A Pending JPH1130623A (en) | 1997-07-11 | 1997-07-11 | Scanning capacitance type microscope |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH1130623A (en) |
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-
1997
- 1997-07-11 JP JP9186665A patent/JPH1130623A/en active Pending
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