(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）感光域及び電荷電圧変換域を有する第１ウェハと、
（ｂ）上記電荷電圧変換域から信号を受け取る第１増幅器を有する第２ウェハと、
（ｃ）上記電荷電圧変換域を上記第１増幅器の入力端に接続する導電接続部材と、
（ｄ）上記導電接続部材の少なくとも一部を少なくとも部分的に囲むように設けられており電気的にバイアスされるシールド部材と、
を備え、
上記第１増幅器の出力が入力される第２増幅器を備え、
上記シールド部材が当該第２増幅器の出力でバイアスされ、
上記第２増幅器の利得が１超である、
イメージセンサ。
【請求項２】
（ａ）感光域及び電荷電圧変換域を有する第１ウェハと、
（ｂ）上記電荷電圧変換域から信号を受け取る第１増幅器を有する第２ウェハと、
（ｃ）上記電荷電圧変換域を上記第１増幅器の入力端に接続する導電接続部材と、
（ｄ）上記導電接続部材の少なくとも一部を少なくとも部分的に囲むように設けられており電気的にバイアスされるシールド部材と、
を備え、
上記第１増幅器の出力が入力される第２増幅器を備え、
上記シールド部材が当該第２増幅器の出力でバイアスされ、
上記第２増幅器がチャージポンプ回路であるイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、能動素子群が形成されたウェハ複数枚で構成されるＣＭＯＳイメージセンシング装置、特にその種のイメージセンシング装置における信号雑音量の低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＣＭＯＳプロセスで形成される画素は寸法が小さいので、その性能に若干見劣りする面がある。特に、そのフォトダイオード（ＰＤ）容量が小さいことである。これは、イメージセンサのダイナミックレンジを狭める原因となっている。
【０００３】
幾らかであれＰＤ容量を大きくするには、画素の構成を図１に示す非共有型から共有型、例えば図２に示す４共有型に切り換えればよい。図１に示す非共有型画素は、光の入射に応じ電荷を発生させるフォトダイオード１に、フォトダイオード１からフローティングディフュージョン（ＦＤ）３へと電荷を転送する転送ゲート２を付加した構成である。ソースフォロワ（ＳＦ）増幅器５はその電荷を感知し、自身の出力信号をその出力端９から出力ライン８へと送出する。リセットトランジスタ４はフローティングディフュージョン３を所定信号レベルにリセットし、ローセレクトトランジスタ７は随時作動し増幅器５の出力を出力ライン８上に送出させる。
【０００４】
こうした非共有型画素と違い、図２に示す共有型画素では、リセットトランジスタ４、ＳＦ増幅器５及びローセレクトトランジスタ７が複数のフォトダイオード１１〜１４によって共用され、またそのフォトダイオード１１〜１４上の電荷が対応する転送ゲート１５〜１８によって転送されている。この構成によれば、画素１個当たりトランジスタ個数が少ない分、ＰＤ面積を拡げＰＤ容量を大きくすることができる。
【０００５】
この共有型画素に備わる短所の一つはそのＦＤ静電容量が大きいことである。これは、複数のフローティングディフュージョン１９〜２２が並列に接続されているため、同一のＦＤ配線を共有する画素の集まり（以下「カーネル」）内での加算によって、ＦＤ配線毎の寄生的な静電容量（以下「ＦＤ静電容量」）が大きくなるからである。ＦＤ静電容量が大きいとＳＦ増幅器５入力での電圧電荷変換比が小さくなって電子読出雑音が増し、その結果ダイナミックレンジが狭まってしまう。それでもなお多くの用途で共有型画素が使用されているのは、ＰＤ面積増大による正の効果がこうした負の効果を上回っているからである。
【０００６】
ＦＤ静電容量を効果的に低減する手段としてはフィードバックがある。例えば、図３ａに示す共有型画素では、図２に示した構成と違い、ＦＤ間を接続するＦＤ配線３１より下層に図３ｂの如くシールド配線３０が形成されており、そのシールド配線３０がＳＦ増幅器５の出力端９に導電接続されている。そこではなく出力ライン８にシールド配線３０を接続し、ローセレクトトランジスタ７の出力Ｖｏｕｔを印加するようにしてもよい。このようにすると、フローティングディフュージョン１９〜２２の電圧に対し利得ほぼ１で追従する信号が出力９に現れ、それに追従して変化する電圧がシールド配線３０上に現れる。即ち、出力Ｖｏｕｔでバイアスされているシールド配線３０によりＦＤ配線３１が遮蔽されるため、ＦＤ間相互接続に起因する寄生容量が減少し電圧電荷変換比が上昇する。
【０００７】
また、近年では、複数枚のシリコンウェハを積層配置及び導電接続して画素を形成する立体集積法が開発されている。その手法の一例を図４に示す。図２に示した構成と異なり、この図の構成では、フォトダイオード２３ａ、２３ｂ、２４ａ及び２４ｂ並びに転送ゲート２５ａ、２５ｂ、２６ａ及び２６ｂがセンサウェハ（ＳＷ）４０側に、また残りのトランジスタがＳＷ４０ではなく画素下方の回路ウェハ（ＣＷ）４１側にそれぞれ形成されている。２個の誘電体層４３及び５４で挟まれた能動層（シリコン層）４２内にフォトダイオード２３ａ、２３ｂ、２４ａ及び２４ｂを設ける一方、ＣＷ４１側の能動層（シリコン層）６７に諸トランジスタを移すことによって、ＰＤ面積を拡げることができ、ひいてはＰＤ容量を増してダイナミックレンジを拡げることができる。しかしながら、この手法には、ウェハ間接続用の導電接続部５５及び導電接続配線５２が原因で寄生的なＦＤ静電容量が増す、という否定的な側面がある。
【０００８】
図４に示した立体集積法には、更に、ＦＤ配線間静電容量が大きいため電気的なクロストークが増える、という短所もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第５１６４８３１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、上述した難点がない画素を実現する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の目的は上述した問題点（群）を克服することにある。その要点は、ＳＷ側ＦＤ・ＣＷ側トランジスタ群間を接続している導電接続配線を金属シールドで囲み、利得が１を超える増幅器にその金属シールドを接続する、というものである。この構成では、その増幅器の出力がＦＤ側電圧に追従するためＦＤ静電容量が実質的に小さくなる。更に、その金属シールドにより、ほぼ全ての不要な隣接ＦＤ間電気結合が遮られ電気的なクロストークが減少する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来の非共有型画素を示す模式図である。
【図２】従来の４共有型画素を示す模式図である。
【図３ａ】従来のＦＤ静電容量低減用フィードバック付４共有型画素を示す模式図である。
【図３ｂ】図３ａに示した画素のＡ−Ａ断面図である。
【図４】従来の積層ウェハ間導電接続型画素を示す断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態、即ち２枚のウェハ間を導電接続するワイヤを導電性のシールドで囲み、そのシールドをＳＦトランジスタの出力で駆動してＦＤ静電容量を減らした構成を示す図である。
【図６】図６におけるカーネル１個の構成を示す模式図である。
【図７】本発明の第２実施形態、即ちその電圧利得が１超の増幅器でシールドを駆動してＦＤ静電容量を更に減らした構成を示す図である。
【図８】図７におけるカーネル１個の構成を示す模式図である。
【図９】シールド駆動用電圧増幅器の一例たるチャージポンプ回路を示す図である。
【図１０】図９に示したチャージポンプ回路内のスイッチング用トランジスタに供給されるクロックのタイミング例を示す図である。
【図１１】一般の顧客に広く利用されており本発明を商業的に利用できるディジタルカメラの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
上述のものを含め本発明の目的、構成及び効果をより明らかにするため、以下、別紙図面を参照し本発明についてより詳細に説明する。
【００１４】
図５及び図６に、本発明の第１実施形態に係るイメージセンサ３９を示す。このセンサ３９はＳＷ４０及びＣＷ４１を用い形成されている。図６では感光域たるＰＤが３５及び３６の２個だけ、転送ゲートも４４及び４５の一組だけであるが、これは図示の簡略化のためであり、実際には、図５の如くそれらを複数組配列することで、構造・機能各面で繰返し性を呈する画素アレイが形成されている。図中、ＳＷ４０側には、光の入射に応じ電荷を発生させる４個の感光域例えばフォトダイオード３５〜３８や、個々のフォトダイオード３５〜３８に対応する転送ゲート４４〜４７が形成されている。ゲート４４はフォトダイオード３５上の電荷を、またゲート４５はフォトダイオード３６側の電荷を、電荷電圧変換域例えばフローティングディフュージョン４９へと転送する。こうしたＳＷ４０はＰＤ性能を高めるのに適したプロセスで形成することができる。カーネルのうちＳＷ４０上に形成されるのが、共通のフローティングディフュージョン４９に電荷を供給するフォトダイオード３５及び３６、フォトダイオード３５及び３６とフローティングディフュージョン４９との間を接続する転送ゲート４４及び４５、並びにそれらＰＤ及びＦＤと他のフォトダイオード３７及び３８との間を分離するアイソレーション５１（図５参照）だけになるからである。ゲート４４〜４７に係る配線は、ＳＷ４０上に単一のメタライゼーション層５３で形成することも、複数の金属層で形成することもできる。
【００１５】
この薄手なＳＷ４０とＣＷ４１は導電接続部５６で接続されており、前者側のフローティングディフュージョン４９と後者側のフローティングディフュージョン６５は導電接続配線６８で接続されている。そのワイヤ６８は金属シールド１００、即ち各金属層５７〜６４内の金属セグメント及びＣＷ４１上の金属層間接続導体７０〜７６からなるシールドで囲まれている。このシールド１００が導電接続配線１０１経由でＳＦ増幅器１０５の出力端１０９に導電接続されているため、実効的なＦＤ静電容量が減ることとなる。このシールド１００には、更に、隣り合いフローティングディフュージョン４９・６５間を接続する導電接続配線６８同士の容量性結合を抑え、電気的クロストークを抑圧する、という効果もある。
【００１６】
そのＣＷ４１側には、フローティングディフュージョン４９に転送されてきた電荷が電圧に変換されるようフローティングディフュージョン４９と協働するもう一つの電荷電圧変換域（この例ではＦＤ）６５、その電圧を増幅して出力ライン１０８上に送出するＳＦ増幅器１０５、その増幅器１０５の出力端１０９に現れる信号を随時ライン１０８上に送出させるローセレクトトランジスタ１０７、並びにフローティングディフュージョン６５の電圧を所定レベルにリセットするリセットゲート１０４が形成されている。
【００１７】
なお、本実施形態では２個のＰＤで１個のカーネルが形成されているが、ＳＷ４０側に形成されるＰＤの個数が、カーネル１個に付き１個だけの構成にも３個以上の構成にもすることができる。
【００１８】
また、画素１個当たり４個のトランジスタを使用する構成では、大きな静電容量を有するカラム回路を駆動するのに、図１〜図３ｂの如くＳＦ増幅器が使用されることが多い。しかし、ＳＦ増幅器の電圧増幅利得は１より大きくすることができない。そこで、図７及び図８に示す本発明の第２実施形態では、ウェハ間にある導電接続配線６８を囲む金属シールド１００に印加される電圧を増幅し、フローティングディフュージョン４９及び６５の実効的静電容量を抑えるようにしている。図５に示した構成に対しこの構成が相違している点は、そのシールド１００とＳＦ増幅器１０５の出力端１０９との間に電圧増幅器１２０が形成されていること、具体的には電圧増幅器１２０の入力端にＳＦ増幅器１０５の出力端１０９が接続されていることである。破線で示す通り、電圧増幅器１２０の入力端にローセレクトトランジスタ１０７の出力端を接続してもよい。いずれにしても、電圧増幅器１２０への入力電圧はフローティングディフュージョン４９及び６５上の電荷量に比例する値となる。こうした構成では、フローティングディフュージョン４９及び６５の実効静電容量がＣg＋Ｃs＊（１−ＡV）となる。この式中、Ｃgはフローティングディフュージョン４９の対地静電容量とフローティングディフュージョン６５の対地静電容量の合計値を、またＣsは導電接続配線６８・金属シールド１００間静電容量１１０を表している。但し、ＡVが大きすぎると実効的静電容量が負値になり回路が不安定化する。
【００１９】
図９に本発明の第３実施形態を示す。図８に示した構成に対しこの構成が相違している点は、電圧増幅器１２０に代わり、回路要素１１１及び１４０〜１４３からなるチャージポンプ回路が用いられていることである。こうしたチャージポンプ回路には、演算増幅器を使用する他種回路に比べ小型である、演算増幅器無しで１超の利得が得られる、といった長所がある。図１０に、トランジスタ１４１〜１４３（ｐｈｉ＿１〜ｐｈｉ＿３）がスイッチングされるタイミングを示す。まず、フローティングディフュージョン４９及び６５に電荷が転送されているとき、トランジスタ１４１（ｐｈｉ＿１）及び１４３（ｐｈｉ＿３）はオン、トランジスタ１４２（ｐｈｉ＿２）はオフしている。ＳＦ増幅器１０５の利得が１超の場合、ＳＦトランジスタからの初期出力電圧は、ＦＤ上の電荷ＱFD及び実効的ＦＤ静電容量（対シールド静電容量を除く）ＣFDを用い、ＱFD／ＣFDと表すことができる。次いで、シールドに印加される電圧を上昇させるため、チャージポンプ回路内のトランジスタ１４１（ｐｈｉ＿１）をオフさせ、トランジスタ１４３（ｐｈｉ＿３）をオフさせ、そしてトランジスタ１４２（ｐｈｉ＿２）をオンさせる。このときＳＦ増幅器１０５から得られる出力電圧は、（１＋ＣSH＊ＣSG／（（ＣSH＋ＣSG）＊ＣFD））＊ＱFD／ＣFDと表すことができる。この式中、ＣSHはＦＤ・シールド間寄生容量１１１を、またＣSGは静電容量１４０を表している。図１０中、ＳＨＲはサンプル・ホールド・リセット、ＳＨＳはサンプル・ホールド・サンプルの略である。
【００２０】
図１１に、本発明に係るイメージセンサを使用可能なイメージングシステム１２００のブロック構成を示す。システム１２００を構成しているのは情報処理装置１２０４及びディジタルカメラ付携帯電話１２０２である。携帯電話１２０２は、本発明の一実施形態に係るイメージセンサ３９が組み込まれる装置の例である。ほかの種類の撮像装置、例えばディジタルスチルカメラ、ディジタルビデオカメラ等にて本発明を実施することもできる。
【００２１】
携帯電話１２０２は本発明に従い且つバッテリで作動する可搬・携帯型の装置であり、取得したディジタル画像が保存されるメモリ１２０６を備えている。そのメモリ１２０６としては、内蔵フラッシュＥＰＲＯＭ、着脱式メモリカード等のほか、磁気ハードディスク、磁気テープ、光ディスク等の他種ディジタル画像保存媒体も使用することができる。
【００２２】
レンズ１２０１は、図示しない光景から携帯電話１２０２に到来する光を、能動画素センサ１２１２内のイメージセンサ３９上に合焦させる。このセンサ３９は本発明に従い動作し、ベイヤパターンの色フィルタを用いカラー画像情報を生成する。タイミング発生器１２１４は、センサ３９を制御するほか、外光輝度が低いときに光景が照明されるようフラッシュ１２１６も制御している。
【００２３】
イメージセンサ３９から出力されるアナログ信号は、増幅の後、アナログディジタル（Ａ／Ｄ）変換回路１２１８によってディジタルデータに変換され、バッファメモリ１２２０内に格納される。ディジタルプロセッサ１２２２は、メモリ１２２０上のディジタルデータを処理し、生成したディジタル画像ファイルをメモリ１２０６内に保存する。メモリ１２０６にはその他のデータ、例えば音楽ファイル（ＭＰ３ファイル等）、呼出音、電話番号、カレンダ、ｔｏｄｏリスト等も保存することができる。プロセッサ１２２２は、ファームウェアメモリ１２２４例えばフラッシュＥＰＲＯＭ上のファームウェアに従い動作しており、また携帯電話１２０２及びそのプロセッサ１２２２が省電力状態であっても日時がわかるようリアルタイムクロック１２２６を内蔵している。
【００２４】
例えば、この例の携帯電話１２０２で静止画を撮影する場合、プロセッサ１２２２は、色補間及びそれに次ぐ色／階調補正を通じたレンダリングでｓＲＧＢ（登録商標）画像データを生成する。生成された画像データは圧縮され、画像ファイルとしてメモリ１２０６上に格納される。画像データの圧縮は、例えばＥｘｉｆ（登録商標）データ付のＪＰＥＧフォーマットに従い実行される。既知の通り、Ｅｘｉｆ（登録商標）データは、種々のＴＩＦＦタグにより具体的に記述された画像メタデータがセットされるＥｘｉｆ（登録商標）アプリケーションセグメントを含んでいる。個別のＴＩＦＦタグを用い、撮影日時や、レンズのｆ／値を初めとするカメラセッティングや、画像に付する字幕等を保存することもできる。
【００２５】
この例では、ユーザが指定するサイズでプロセッサ１２２２が画像を生成する。指定されうるサイズの一例は低解像度のサムネイルサイズである。サムネイルサイズ画像の生成については、本願出願人を譲受人とする特許文献１（名称：多フォーマットフル解像度／低解像度画像保存機能付電子スチルカメラ(Electronic Still Camera Providing Multi-Format Storage Of Full And Reduced Resolution Images)，発明者：Kuchta et al.）の記載を参照されたい。生成されたサムネイルサイズ画像はＲＡＭ１２２８に保存され、またアクティブマトリクスＬＣＤ、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）等からなるカラーディスプレイ１２３０に供給される。生成されたサムネイルサイズ画像がディスプレイ１２３０の画面上に表示されるので、撮影済の画像を迅速に閲覧することができる。
【００２６】
また、この例の携帯電話１２０２でビデオクリップを撮影し保存することができる。ビデオクリップを生成する際には、イメージセンサ３９を構成する複数の画素間での総和、例えばセンサ３９上の４カラム×４ロー領域毎の同一色画素間総和を通じ低解像度の動画フレームを生成する。その動画フレームはイメージセンサアレイ１２１０から一定周期、例えば１５フレーム毎秒の読出速度で読み出される。
【００２７】
プロセッサ１２２２には更に音声コーデック１２３２が接続されている。コーデック１２３２はマイクロフォン（マイク）１２３４から音声信号を受領し、またスピーカ１２３６に音声信号を供給する。これらの部材は、電話での送受話や音声トラックの録再に使用される。それと並行して動画や静止画を録再することもできる。
【００２８】
この例におけるスピーカ１２３６は、ユーザに対する電話呼の通知にも使用されている。その際の呼出音としては、ファームウェアメモリ１２２４上に登録されている標準的な呼出音を用いてもよいし、携帯電話網１２３８経由でダウンロードしメモリ１２０６に保存しておいたカスタムの呼出音を用いてもよい。図示しないが、バイブレーション装置を用い静寂に（例えば無音で）電話呼を通知するようにしてもよい。
【００２９】
プロセッサ１２２２には、携帯電話１２０２が無線回線１２４２経由で情報を送受信できるようワイヤレスモデム１２４０が接続されている。モデム１２４０・携帯電話網１２３８間の通信に、図示しない別の無線リンク、例えば３ＧＳＭ網を用いることもできる。網１２３８にはフォトサービスプロバイダ１２４４も接続されているので、携帯電話１２０２からプロバイダ１２４４へと画像をアップロードし保存させることもできる。その画像に対しては、他の装置例えば情報処理装置１２０４からもインターネット１２４６経由でアクセスすることができる。更に、網１２３８は図示しない通常の電話網にも接続されているので、この例では通常の電話サービスも享受することができる。
【００３０】
図示しないが、ディスプレイ１２３０の画面上にはグラフィカルユーザインタフェースが表示される。その操作にはユーザ操作部１２４８を使用することができる。この例で操作部１２４８として使用することができるのは、電話番号入力専用の押しボタン群例えば電話用キーパッド、「電話」「カレンダ」「カメラ」等のモードを指定するための操作部、上下左右を指定可能な４ウェイ操作子の中央に押しボタン式のＯＫスイッチ又は選択スイッチを設けたジョイスティックコントローラ等である。
【００３１】
ドック１２５０は、携帯電話１２０２に搭載されている図示しない電池の再充電や、ドックインタフェース１２５２を介した携帯電話１２０２・情報処理装置１２０４間の接続に使用されている。この例では、そのインタフェース１２５２として、ＵＳＢ等の有線インタフェースのほか、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＩＥＥＥ  ８０２．１１ｂインタフェース等の無線インタフェースも使用することができる。インタフェース１２５２を利用することで、携帯電話１２０２内のメモリ１２０６から情報処理装置１２０４へと画像を転送することや、逆に情報処理装置１２０４からメモリ１２０６へとカレンダ情報を転送することができる。
【００３２】
以上、三種類の好適な実施形態を参照しながら本発明について説明してきたが、本件技術分野で習熟を積まれた方々（いわゆる当業者）には自明な通り、それらに対し本発明の技術的範囲から逸脱しないで様々な改変や修正を施すことができる。
【符号の説明】
【００３３】
１，１１〜１４，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，３５〜３８  感光域たるフォトダイオード（ＰＤ）、２，１５〜１８，２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂ，４４〜４７  転送ゲート、３，１９〜２２  フローティングディフュージョン（ＦＤ）、４，１０４  リセットゲートたるトランジスタ、５，１０５  ソースフォロワ（ＳＦ）増幅器、７，１０７  ローセレクトトランジスタ、８，１０８  出力ライン、９，１０９  ＳＦ増幅器の出力端、３０  シールド配線、３１  ＦＤ配線、３９  イメージセンサ、４０  センサウェハ（ＳＷ）、４１  回路ウェハ（ＣＷ）、４２，６７  能動層、４３，５４  誘電体層、４９，６５  電荷電圧変換域たるＦＤ、５１  アイソレーション、５２，６８，１０１  導電接続配線、５３  メタライゼーション層、５５，５６  導電接続部、５７〜６４  金属層、７０〜７６  金属層間接続導体、１００  金属シールド、１１０  静電容量、１１１，１４０〜１４３  チャージポンプ回路構成要素、１２０  電圧増幅器、１２００  イメージングシステム、１２０１  レンズ、１２０２  ディジタルカメラ付携帯電話、１２０４  情報処理装置、１２０６  メモリ、１２１０  イメージセンサアレイ、１２１２  能動画素センサ、１２１４  タイミング発生器、１２１６  フラッシュ、１２１８  Ａ／Ｄ変換回路、１２２０  バッファメモリ、１２２２  ディジタルプロセッサ、１２２４  ファームウェアメモリ、１２２６  リアルタイムクロック、１２２８  ＲＡＭ、１２３０  カラーディスプレイ、１２３２  音声コーデック、１２３４  マイクロフォン、１２３６  スピーカ、１２３８  携帯電話網、１２４０  ワイヤレスモデム、１２４２  無線回線、１２４４  フォトサービスプロバイダ、１２４６  インターネット、１２４８  ユーザ操作部、１２５０  ドック、１２５２  ドックインタフェース。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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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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