(57)【要約】【課題】半導体基板において、接合時に加圧によるダメージを抑制できるとともに接合時の変形形状と接続状態とを良好に維持することができるようにする。【解決手段】配線部１６が形成された基板本体１２ｄと、基板本体１２ｄの第２表面１２ｃに突出して設けられた接合電極１２ａと、を備え、接合電極１２ａは、基板本体１２ｄの第２表面１２ｃから突出して設けられ、突出方向の基端部が配線部１６と電気的に接続された第１金属部１４と、第１金属部１４を構成する第１の金属よりも硬い第２の金属からなり、第１金属部１４の突出高さ以下の範囲に第１金属部１４と接合して設けられた第２金属部１５と、を有する複合体からなる構成とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線が形成された半導体基板本体と、
該半導体基板本体の厚さ方向の一方の面に突出して設けられた接合電極と、
を備え、
該接合電極は、
前記半導体基板本体の前記一方の面から突出して設けられ、突出方向の基端部が前記配線と電気的に接続された第１金属部と、
該第１金属部を構成する第１の金属よりも硬い第２の金属からなり、前記第１金属部の突出高さ以下の範囲に前記第１金属部と接合して設けられた第２金属部と、
を有する複合体からなる、半導体基板。
【請求項２】
前記接合電極は、
その突出方向の先端部では、前記第２金属部が前記第１金属部によって覆われている
ことを特徴とする、請求項１に記載の半導体基板。
【請求項３】
前記接合電極は、
前記半導体基板本体の前記一方の面から突出した表面の全体が前記第１金属部によって形成されている
ことを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体基板。
【請求項４】
前記第２の金属は、アルミニウムであり、
前記第１の金属は、金または銅である
ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体基板。
【請求項５】
前記第２の金属は、金であり、
前記第１の金属は、銅である
ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体基板。
【請求項６】
前記第２の金属は、インジウムであり、
前記第１の金属は、金、銅、およびアルミニウムのうちから選択された金属である
ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体基板。
【請求項７】
第２金属部は、
バリアメタル層を介して前記第１金属部と接合されている
ことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体基板。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体基板と、
該半導体基板の前記接合電極を介して接合された被接合部材と、
を備える、半導体装置。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体基板を備える、撮像素子。
【請求項１０】
請求項９に記載の撮像素子を備える、撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板、半導体装置、撮像素子、および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体デバイスウエハ同士を電気的に接続する方法として、半田バンプや金属バンプを用いて加熱したり圧着したりして接続する方法がある。これらは半導体チップ同士の実装技術として実用化されている。
しかし、近年、半導体デバイスは小型化が求められているため、接合電極のピッチはますます狭ピッチになっている。現在の半田バンプ形成技術では数μｍの大きさの半田バンプを形成することは難しいため、半田バンプを用いた接続方法では、接合時に電極同士がショートするおそれがあり、このような小型化に対応できないという問題がある。
金属バンプを用いた加熱圧着による接続方法においても、接合電極の狭ピッチ化に対応して金属バンプを微細化する必要がある。これに伴い、金属バンプの高さも微細化するため、金属バンプの製造誤差による高さのバラツキ、半導体基板を押圧する際の基板の平面度や平行度の誤差等の要因により加圧力にムラが生じやすくなる。この結果、接続不良が発生しやすくなる。しかし、接続不良を抑制するために加圧力を増大させると、半導体デバイスへの加圧によるダメージが生じやすくなる。
このような加圧ムラの改善に関連する技術として、特許文献１には、液晶パネル等のドライバＩＣの出力端子に、略蒲鉾形状（半円状の断面が一方向に延ばされたドーム形状）に成形されたアクリル樹脂等の樹脂からなる弾性部材の表面に金メッキなどによって形成された第２の導電部材を接触させた導電部材を設け、この導電部材を電極パッドに当接させることで電気接続を行う技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２５８５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来の半導体基板には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術は、接合時に樹脂製の弾性部材が弾性変形するため、導電部材の高さのバラツキや半導体基板の平面度、平行度の誤差を、弾性変形の範囲で吸収することができるものの、樹脂製の弾性部材は精度よく微細化することが難しいという問題がある。
すなわち、この技術は、例えば、ドライバＩＣのように出力端子数も少なく接合電極ピッチも広い場合に適用可能な技術であり、例えば、撮像素子の積層型半導体基板の接続など、格段に狭ピッチで配列された膨大な数の微小な接合電極同士の接合には適用することは難しいという問題がある。
万一、特許文献１に記載の構成を微細化できたとしても、弾性変形を利用するため、接合時の変形形状を接合後も保持することは難しいという問題がある。
また、弾性部材として樹脂を用いるため、変形が大きすぎると、第２の導電部材にクラックが入ったり、第２の導電部材が割れたりする。このため、経時の特性劣化や接合不良が発生するおそれがあるという問題がある。
特に微細化を進めると第２の導電部材も薄肉化されるため、このような第２の導電部材の強度不足が顕著になる。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、接合時に加圧によるダメージを抑制できるとともに接合時の変形形状と接続状態とを良好に維持することができる半導体基板、半導体装置、撮像素子、および撮像装置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】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の第１の態様の半導体基板は、配線が形成された半導体基板本体と、該半導体基板本体の厚さ方向の一方の面に突出して設けられた接合電極と、を備え、該接合電極は、前記半導体基板本体の前記一方の面から突出して設けられ、突出方向の基端部が前記配線と電気的に接続された第１金属部と、該第１金属部を構成する第１の金属よりも硬い第２の金属からなり、前記第１金属部の突出高さ以下の範囲に前記第１金属部と接合して設けられた第２金属部と、を有する複合体からなる構成とする。
【０００７】
上記半導体基板では、前記接合電極は、その突出方向の先端部では、前記第２金属部が前記第１金属部によって覆われていることが好ましい。
【０００８】
上記半導体基板では、前記接合電極は、その突出方向の表面の全体が前記第１金属部によって覆われていることが好ましい。
【０００９】
上記半導体基板では、前記第２の金属は、アルミニウムであり、前記第１の金属は、金または銅であることが好ましい。
【００１０】
上記半導体基板では、前記第２の金属は、金であり、前記第１の金属は、銅であることが好ましい。
【００１１】
上記半導体基板では、前記第２の金属は、インジウムであり、前記第１の金属は、金、銅、およびアルミニウムのうちから選択された金属であることが好ましい。
【００１２】
上記半導体基板では、第２金属部は、バリアメタル層を介して前記第１金属部と接合されていることが好ましい。
【００１３】
本発明の第２の態様の半導体装置は、上記半導体基板と、該半導体基板の前記接合電極を介して接合された被接合部材とを備える構成とする。
【００１４】
本発明の第３の態様の撮像素子は、上記半導体基板を備える構成とする。
【００１５】
本発明の第４の態様の撮像装置は、上記撮像素子を備える構成とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の半導体基板、半導体装置、撮像素子、および撮像装置によれば、接合電極として、硬さの異なる金属で形成された第１金属部と第２金属部とを有する複合体を用いるため、接合時に加圧によるダメージを抑制できるとともに接合時の変形形状と接続状態とを良好に維持することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態の撮像装置のシステム構成を示すシステム構成図である。
【図２】本発明の実施形態の撮像素子の平面図、そのＡ−Ａ断面図、およびＡ−Ａ断面図におけるＢ部の詳細図である。
【図３】本発明の実施形態の撮像素子における接合電極の接合状態を説明する模式的な断面図である。
【図４】本発明の実施形態の半導体基板の接合電極の模式的な平面図、およびそのＣ−Ｃ断面図である。
【図５】本発明の実施形態の第１変形例の半導体基板の接合電極の模式的な平面図、およびそのＤ−Ｄ断面図である。
【図６】本発明の実施形態の第２変形例の半導体基板の接合電極の模式的な平面図、およびそのＥ−Ｅ断面図である。
【図７】本発明の実施形態の第３変形例の半導体基板の接合電極の模式的な部分断面図である。
【図８】本発明の実施形態の第４変形例の半導体基板の接合電極の模式的な断面図である。
【図９】本発明の実施形態の第５変形例の半導体基板の接合電極の模式的な平面図、およびそのＦ−Ｆ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施形態の半導体基板、半導体装置、撮像素子、および撮像装置について説明する。
図１は、本発明の実施形態の撮像装置のシステム構成を示すシステム構成図である。図２（ａ）は、本発明の実施形態の撮像素子の平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。図２（ｃ）は、図２（ｂ）におけるＢ部の詳細図である。図３は、本発明の実施形態の撮像素子における接合電極の接合状態を説明する模式的な断面図である。図４（ａ）は、本発明の実施形態の半導体基板の接合電極の模式的な平面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。
なお、各図面は模式図であるため、形状や寸法は誇張されている（以下の図面も同様）。
【００１９】
本発明の一態様に係る撮像装置は、撮像機能を有する電子機器であればよく、デジタルカメラのほか、デジタルビデオカメラ、内視鏡等であってもよいが、本実施形態では、一例として、デジタルカメラの場合の例で説明する。
図１に示すように、本実施形態のデジタルカメラ１０（撮像装置）は、レンズ部１、レンズ制御装置２、固体撮像素子３（撮像素子、半導体装置）、駆動回路４、メモリ５、信号処理回路６、記録装置７、制御装置８、および表示装置９を備える。
【００２０】
レンズ部１は、例えば、ズームレンズやフォーカスレンズを備えており、被写体からの光を固体撮像素子３の受光面に被写体像として結像する。レンズ制御装置２は、レンズ部１のズーム、フォーカス、絞りなどを制御する。レンズ部１を介して取り込まれた光は固体撮像素子３の受光面で結像される。
固体撮像素子３は、受光面に結像された被写体像を画像信号に変換して出力する。固体撮像素子３の受光面には、複数の画素が行方向および列方向に２次元的に配列されている。固体撮像素子３の詳細構成は後述する。
【００２１】
駆動回路４は、固体撮像素子３を駆動し、その動作を制御する。メモリ５は、画像データを一時的に記憶する。信号処理回路６は、固体撮像素子３から出力された画像信号に対して、予め定められた処理を行う。信号処理回路６によって行われる処理には、画像信号の増幅、画像データの各種の補正、画像データの圧縮などがある。
【００２２】
記録装置７は、画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリなどによって構成されており、着脱可能な状態でデジタルカメラ１０に内蔵される。表示装置９は、動画像（ライブビュー画像）の表示、静止画像の表示、記録装置7に記録された動画像や静止画像の表示、デジタルカメラ１０の状態の表示などを行う。
【００２３】
制御装置８は、デジタルカメラ１０全体の制御を行う。制御装置８の動作は、デジタルカメラ１０が内蔵するＲＯＭに格納されているプログラムに規定されている。制御装置８は、このプログラムを読み出して、プログラムが規定する内容に従って、各種の制御を行う。
【００２４】
次に、固体撮像素子３の詳細構成について説明する。
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、固体撮像素子３は、平面視矩形状の外形を有し、第１基板１２（半導体基板）と第２基板１１（被接合部材）とが貼り合わせて構成された積層型の半導体装置からなる。
装置外側に向いた第１基板１２の表面である第１表面１２ｂの中心部には、光電変換の画素に対応する複数のフォトダイオードからなる受光部Ｐが互いに間隔をあけて形成されている。本実施形態では、受光部Ｐは、固体撮像素子３の平面視の外形の長辺（図２（ａ）における図示横方向に延びる辺）、短辺（図２（ａ）における図示縦方向に延びる辺）に平行な配列方向を有する２次元格子状に配置されている。
なお、見にくくなるため図示は省略するが、各受光部Ｐ上には、被写体の像を取得するための入射光Ｌ（図２（ｂ）参照）の色分解を行うオンチップカラーフィルタや、入射光Ｌを受光部Ｐ上に集光するオンチップマイクロレンズが形成されている。また、受光部Ｐが配置された領域の外側には、必要に応じて、画像ノイズとなる可能性のある不要光を遮光するための遮光膜が設けられている。
【００２５】
図２（ｂ）に示すように、固体撮像素子３の厚さ方向の断面構成は、第１基板１２、接合層部１３、および第２基板１１がこの順に積層されている。
第１基板１２は、図２（ｃ）に示すように、半導体製造プロセスによってウエハ基板上に拡散層や単層もしくは複層の配線を形成した回路部を有する半導体デバイスが形成された基板本体１２ｄ（半導体基板本体）と、第２基板１１と接合して電気的な接続を行うための複数の接合電極１２ａとを備える。接合電極１２ａは、基板本体１２ｄにおいて第１表面１２ｂと反対側の第２表面１２ｃ（半導体基板本体の厚さ方向の一方の面）に設けられている。
第２基板１１は、半導体製造プロセスによってウエハ基板上に拡散層や単層もしくは複層の配線を形成した回路部を有する半導体デバイスが形成された基板本体１１ｄ（半導体基板本体）と、第１基板１２と接合して電気的な接続を行うための複数の接合電極１２ａとを備える。接合電極１１ａは、基板本体１１ｄにおいて厚さ方向の一方の面である第１表面１１ｃにおいて第１基板１２の接合電極１２ａと対向する位置に設けられ、接合電極１２ａと密着して接合されている。
基板本体１１ｄにおいて、第１表面１１ｃの裏面側の第２表面１１ｂは、固体撮像素子３において、装置外側に向いており、第１表面１２ｂと反対側の固体撮像素子３の表面を構成している。また、第２表面１２ｃと第１表面１１ｃとは、接合層部１３を介して互いに対向している。
【００２６】
基板本体１２ｄ、１１ｄに形成された回路部としては、例えば、受光部Ｐで発生した電荷を転送して画像信号として取り出すため、配線、電極、回路要素を含む駆動回路等の回路部の例を挙げることができる。
各回路部の図示は省略するが、基板本体１２ｄ、１１ｄに適宜振り分けて配置されている。
接合電極１２ａ、１１ａは、これら基板本体１２ｄ、１１ｄに振り分けられた図示略の回路部の配線に接続されており、各回路部を電気的に接続している。
【００２７】
接合層部１３は、図２（ｃ）に示すように、基板本体１２ｄの第２表面１２ｃと基板本体１１ｄの第１表面１１ｃとが互いに対向して形成された間隙に形成されている。
接合層部１３は、第２基板１１の第１表面１１ｃに設けられた接合電極１１ａと、第１基板１２の第２表面１２ｃに設けられた接合電極１２ａと、第１表面１１ｃおよび第２表面１２ｃの間の隙間に充填後に固化され、第２基板１１および第１基板１２を互いに接合する接着剤層１３ａとを備える。
【００２８】
図３に、接合状態の接合電極１１ａ、１２ａ、およびそれらの近傍の模式的な断面を示す。ただし、図３の図示では、図２（ｃ）と上下の位置関係を反転している。
接合電極１１ａ、１２ａは、本実施形態では、それぞれ第２表面１１ｂ、第１表面１２ｂから突出して設けられ、それぞれの突出方向の先端で互いに当接している。
接合電極１２ａは、接合時の加圧力によって容易に塑性変形して突出高さが変化するようになっている。図３では、接合電極１２ａの変形後の形状の一例を模式的に示している。
【００２９】
接合電極１１ａは、層状の接合パッドを構成するもので、図３に詳細を示すように、接合電極１２ａの先端部よりも広い大きさの金属層として、第２表面１１ｂ上に形成されている。
接合電極１１ａの材質は、半導体基板の電極に用いられる適宜の金属、例えば、アルミニウム、金、銀、銅、ニッケル、白金、タングステン、チタンなどからなる金属を採用することができる。
なお、本明細書では、特に断らない限り、「金属」を広義の意味で用いており、金属元素からなる純金属、複数の金属元素を含む導電性を有する合金が含まれる。このため、例えば、単に、「アルミニウム」と称する場合、特に断らない限り、純アルミニウムでもよいし、アルミニウム合金でもよいことを意味する。
【００３０】
接合電極１１ａの下層側（図３における図示上側）近傍の基板本体１１ｄの内部には、基板本体１１ｄの図示略の回路部の一部を構成する配線部１７（配線）が設けられている。
配線部１７は、パターニングされた配線本体１７ｃと、接合電極１１ａの下層側（図３における図示上側）に位置する配線本体１７ｃと接合電極１１ａとを電気的に接続する複数の柱状の接続部１７ａを備える。
このため、接続部１７ａは、接合電極１１ａと配線本体１７ｃとの間に積層された絶縁層１１ｅを貫通するように設けられている。
接続部１７ａの配置位置および個数は、接合電極１１ａと配線本体１７ｃとを電気的に接続できれば、特に限定されない。
配線本体１７ａ、および接続部１７ａの材質は、いずれも、半導体基板の配線に用いられる適宜の金属、例えば、アルミニウム、銅、タングステンなどからなる金属を採用することができる。
さらに、配線部１７は複数層あってもよい。
【００３１】
次に、接合電極１２ａの構成について、塑性変形する前の形状に基づいて説明する。
接合電極１２ａは、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、第２表面１２ｃに設けられた導電性を有する突起部であり、本実施形態では、第２表面１２ｃ上に底面１５ａが密着して形成された直方体状の第２金属部１５と、第２金属部１５の外周側の第２表面１２ｃから突出され、第２金属部１５の側面１５ｂ、および上面１５ｃを覆うように形成された第１金属部１４との複合体で構成される。
このため、第１金属部１４は、突出方向の基端部において第２金属部１５の側方を囲む範囲で第２表面１２ｃと密着された平面視矩形状の配線接続部１４ｂと、配線接続部１４ｂ上で配線接続部１４ｂの平面視外形より小さい四角柱状に突出された突状部１４ａとを有している。
【００３２】
突状部１４ａの突出方向の先端には、第２表面１２ｃと略平行な（平行の場合を含む）平面視矩形状の先端面１４ｄが形成されている。先端面１４ｄは、第２基板１１と接合される際に、第２基板１１の接合電極１１ａと当接して接合する部位になる。
また、第１金属部１４の内壁部１４ｃは、第２金属部１５の側面１５ｂおよび上面１５ｃと密着された有底の角穴状の形状を有する。
【００３３】
第１金属部１４、第２金属部１５に用いることができる材料としては、半導体製造プロセスにおいて使用可能な適宜の金属を採用することができる。
第１金属部１４を構成する第１の金属としては、例えば、アルミニウム（ＨＶ２５、融点６６０℃）、金（ＨＶ２６、融点１０６３℃）、銀（ＨＶ２６、融点９６１℃）、銅（ＨＶ４６、融点１０８３℃）、ニッケル（ＨＶ９６、融点１４５３℃）、白金（ＨＶ４１、融点１７６９℃）、タングステン（ＨＶ１００〜３５０、融点３３８０℃）、およびチタン（ＨＶ１２０、融点１６６８℃）を好適に用いることができる。
ここで、ＨＶはビッカース硬さを示す。また、融点は純金属の融点である。
【００３４】
第２金属部１５を構成する第２の金属としては、第１金属部１４に使用可能な金属のうち、第１金属部１４に用いられた第１の金属よりは硬度が低い金属を採用する。
また、第２の金属は、第１金属部１４に用いられた第１の金属よりも硬度が低ければ、第１の金属として好適でないような低硬度の金属も採用することができる。
また、金属は熱処理によっても硬度が変わるため、第２の金属として第１金属部１４に用いる第１の金属と同じ金属を用いることも可能である。この場合、第２金属部１５を形成した後に、硬度を低減するための熱処理を行ってから、第１金属部１４を形成することによって硬度が異なる複合体を形成することができる。
【００３５】
第２の金属の好ましい例としては、第１の金属と同様、アルミニウム、金、銀、銅、ニッケル、白金、タングステン、およびチタンを挙げることができる。
第２の金属として好ましい低硬度の金属としては、例えば、インジウム（融点１５７℃）、スズ（融点２３１℃）、スズ半田合金（融点２３１℃）を挙げることができる。
これら低硬度の金属のビッカース硬度は、温度によっても異なるが、上記の第１の金属に好適な金属群のいずれとも組み合わせることが可能である。
【００３６】
第１金属部１４および第２金属部１５の材料の組合せの例としては、例えば、第２の金属としてアルミニウムを採用した場合、第１の金属は、金、銀、銅、ニッケル、およびタングステンのうちから選択することができる。このうちで、特に好ましいのは、金または銅である。
また、第２の金属として金を採用した場合、第１の金属は、銀、銅、ニッケル、およびタングステンのうちから選択された金属を採用することができる。このうちで、特に好ましいのは、銅である。
また、第２の金属としてインジウムを採用した場合、第１の金属は、金、銅、およびアルミニウムのうちから選択された金属を採用することが特に好ましい。
【００３７】
第１金属部１４および第２金属部１５の各部の寸法は、これらの複合体である接合電極１２ａの硬さが、第１基板１２を第２基板１１に接合する際に必要な条件を満たすような寸法とする。
すなわち、接合電極１２ａの外形は、従来と同様、各接合電極１２ａの配列間隔、接合相手である接合電極１１ａの大きさや、基板本体１２ｄ、１１ｄの間の好ましい基板間隔などによって決まる。
そして、接合電極１２ａの硬さは、第２基板１１および第１基板１２の半導体デバイス等を損傷させない許容加圧力によって、第２基板１１との接合時の製造誤差バラツキによって決まる最大変形量だけ接合電極１２ａを塑性変形させることができる硬さに設定する。
ここで、接合時の製造誤差バラツキとは、例えば、接合電極１２ａの突出高さの製造バラツキ、第２基板１１および第１基板１２の平面度誤差、押圧時の第２基板１１および第１基板１２の平行度誤差などを挙げることができる。すなわち、このような製造誤差があると、一部の接合電極１１ａ、１２ａの間に隙間が生じるため、すべての接合電極１１ａ、１２ａを電気的に接続するためには、この隙間が解消するまで、当接済みの他の接合電極１１ａを変形させる必要がある。
そこで、許容加圧力の範囲で、接合電極１２ａが必要な最大変形量だけ変形するように硬さを調整する。
【００３８】
接合電極１２ａの硬さは、低硬度の第２金属部１５と高硬度の第１金属部１４との割合を変えることで適宜調整することができる。例えば、突状部１４ａの肉厚を薄くしていくと、第２金属部１５の体積が第１金属部１４の体積に対して相対的に増えるため、複合体である接合電極１２ａとしての硬度を低減することができる。
具体的には、例えば、数値計算による変形解析を行うことにより、必要な硬度を実現する細部形状を決定することができる。その際、突状部１４ａの肉厚は全体的に変更する以外にも、部分的に変更すること可能である。
【００３９】
このような構成の接合電極１２ａの下層側の基板本体１２ｄの内部には、基板本体１２ｄの図示略の回路部の一部を構成する配線部１６（配線）が設けられている。
配線部１６は、パターニングされた配線本体１６ｃと、接合電極１２ａの下層側に位置する配線本体１６ｃと接合電極１１ａとを電気的に接続する複数の柱状の接続部１６ａ、１６ｂを備える。
接続部１６ａは、配線本体１６ｃと第１金属部１４とを電気的に接続するもので、配線接続部１４ｂと配線本体１６ｃとの間に積層された絶縁層１２ｅを貫通するように設けられている。
接続部１６ｂは、配線本体１６ｃと第２金属部１５とを電気的に接続するもので、第２金属部１５の底面１５ａと配線本体１６ｃとの間に積層された絶縁層１２ｅを貫通するように設けられている。
接続部１６ａ、１６ｂの配置位置および個数は、それぞれ第１金属部１４、第２金属部１５と、配線本体１６ｃとを電気的に接続できれば、特に限定されないが、本実施形態では、一例として、図４（ａ）に破線で示すように、合計１２個の接続部１６ａが矩形状に配列され、合計４個の接続部１６ｂが矩形状をなして接続部１６ａが整列された矩形の中心部に配列されている。
配線本体１６ｃおよび接続部１６ａ、１６ｂの材質は、いずれも、例えば、タングステン、アルミニウムなどからなる金属を採用することができる。
【００４０】
このような構成により、各接続部１６ａは、第１金属部１４の配線接続部１４ｂを介して第１金属部１４と電気的に接続されている。また、各接続部１６ｂは、第２金属部１５の底面１５ａを介して第２金属部１５と電気的に接続されている。
さらに、第１金属部１４と第２金属部１５とは、内壁部１４ｃと、側面１５ｂおよび上面１５ｃとの間で互いに電気的に接続されている。
【００４１】
このような接合電極１２ａは、半導体製造プロセスにより、第１基板１２に回路部と配線部１６を形成した後に、接続部１６ｂ上に第２金属部１５を設けてから、第１金属部１４を形成することにより製造することができる。
例えば、第２金属部１５を設けるには、第２表面１２ｃ上に、例えば、スパッタリング、蒸着、メッキなどによって第２の金属からなる金属層を形成し、フォトリソグラフィによって第２金属部１５のパターンを形成すればよい。
第１金属部１４を設けるには、第２表面１２ｃおよび第２金属部１５上に、例えば、スパッタリングや蒸着によって第１の金属からなる金属層を形成し、フォトリソグラフィによって、第１金属部１４のパターンを形成すればよい。
【００４２】
このような固体撮像素子３を製造するには、例えば、半導体製造プロセスにより、第２基板１１と、第１基板１２とを製造した後、接合電極１１ａ、１２ａを有する第１表面１１ｃ、第２表面１２ｃの表面活性化処理を行う。
次に、各各接合電極１２ａが対応する接合電極１１ａに対向するように、位置合わせして、第２基板１１および第１基板１２を対向させる。そして、真空雰囲気または大気雰囲気において、接合電極１１ａ、１２ａを加熱しつつ、第２基板１１および第１基板１２を対向方向に押圧する。
このとき、接合電極１２ａの突出高さの製造バラツキや、第２基板１１および第１基板１２の平面度誤差や、押圧時の第２基板１１および第１基板１２の平行度誤差などがあると、接合電極１１ａ、１２ａとの当接状態にバラツキが生じてしまう。
しかし、本実施形態では、接合電極１２ａが低硬度の第２金属部１５と高硬度の第１金属部１４との複合体からなるため、接合電極１２ａ全体が第１の金属からなる場合に比べて低い加圧力で、先に当接した接合電極１２ａが塑性変形し、許容加圧力の範囲で、すべての接合電極１２ａを対向する接合電極１１ａに当接させることができる。
互いに密着した接合電極１２ａ、１１ａの先端部はそれぞれ表面活性化処理されているため、強固に接合される。
また、低硬度の接合電極１２ａは、容易に塑性変形するため、加圧力を解除しても、変形状態が維持され、第１表面１２ｂ、第２表面１１ｂの間の間隙の変化を抑制できる。
【００４３】
このとき、相対的に高硬度の第１金属部１４は、応力の大きさによっては、クラックが入ったり、割れたりするおそれもあるが、図３に示すように、内壁部１４ｃが第２表面１２ｃより上側の第２金属部１５の表面全体と密着しているため、万一第１金属部１４にクラックや割れが発生したとしても、第２金属部１５から剥離することを防止できる。
これにより、仮に、第１金属部１４の一部が断線した状態になっても、第１金属部１４と第２金属部１５との電気的接続状態は変わらない。このため、接合電極１２ａとしては、断線状態になることはなく、接続抵抗の変化も抑制される。
【００４４】
また、内壁部１４ｃが第２金属部１５の第２表面１２ｃより上側の表面全体と密着することで、第２金属部１５を等方的な拘束しているため、変形時に特定の方向への接合電極１２ａの倒れが発生しにくい。
これにより、接合の際の加圧時に第２基板１１と第１基板１２とを対向方向と交差する方向にずらす力が発生しにくくなるため、対向方向と交差する方向への、第２基板１１および第１基板１２の位置ずれを抑制することができる。この結果、接合電極１２ａ、１１ａが狭ピッチで配置された場合でも、良好に接合させることができる。
【００４５】
このようにして、加圧が終了したら、第１表面１２ｂと第２表面１１ｂとの間の間隙に、接着剤層１３ａを充填して固化させる。
その後、必要に応じて、スクライビングすることにより、固体撮像素子３が製造される。
【００４６】
本実施形態の第１基板１２によれば、接合電極１２ａとして、硬さの異なる金属で形成された第１金属部１４と第２金属部１５とを有する複合体を用いるため、第２基板１１との接合時に加圧によるダメージを抑制できるとともに接合時の変形形状と接続状態とを良好に維持することができる。
このような接合電極１２ａは、半導体製造プロセスによって形成することができるため、微細化することが可能であり、配線間隔が狭い半導体基板にも高精度に設けることができる。このため、第１基板１２は、例えば、固体撮像素子３のような多数の接合電極が必要となり、配線密度も高い半導体装置を製造する半導体基板として好適である。
【００４７】
［第１変形例］
次に、本実施形態の第１変形例の半導体基板について説明する。
図５（ａ）は、本発明の実施形態の第１変形例の半導体基板の接合電極の模式的な平面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図である。
【００４８】
図２に示すように、本変形例の第１基板２２は、上記実施形態の第１基板１２に代えて、固体撮像素子３に用いることができる半導体基板である。
第１基板２２は、上記実施形態の第１基板１２の接合電極１２ａに代えて、接合電極２２ａを備える。
以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００４９】
図５（ａ）、（ｂ）に変形前の形状を示すように、接合電極２２ａは、上記実施形態の接合電極１２ａの第１金属部１４に代えて、第１金属部２４を備える。
第１金属部２４は、上記実施形態の第１金属部１４の突状部１４ａに代えて、突状部２４ａを備える。突状部２４ａは、突状部１４ａの第２金属部１５の上面１５ｃより上側の部分を削除した形状を有する点のみが異なり、第１金属部１４と同様の第１の金属で形成されている。
このため、第１金属部２４の突出方向の先端部である先端面２４ｄは、第２金属部１５の上面１５ｃ整列しており、第２表面１２ｃからの高さは上面１５ｃと等しく、かつ第２表面１２ｃと略平行（平行の場合を含む）である。
ただし、第２表面１２ｃから先端面２４ｄまでの高さは、接合時に必要な高さであり、例えば、接合電極１２ａにおける第２表面１２ｃから先端面１４ｄまでの高さと同一の高さである。
先端面２４ｄの平面視矩形状は、上面１５ｃの外周を周回する角環状である。
先端面２４ｄは、第２基板１１と接合される際に、第２金属部１５の上面１５ｃとともに、第２基板１１の接合電極１１ａと当接して接合する部位になる。
第１金属部２４の角穴状の内壁部２４ｃは、第２金属部１５の側面１５ｂと密着されている。
【００５０】
このような構成の接合電極２２ａは、第１金属部２４の形状が上記実施形態の接合電極１２ａの第１金属部１４と異なるのみであるため、接合電極１２ａと同様に第２金属部１５と第１金属部２４との形状や体積を変化させて硬度を調整することができ、接合電極１２ａと同様の半導体製造プロセスによって形成することができる。
また、上記実施形態と同様にして、第１金属部２４を第２基板１１と接合することができる。
【００５１】
本変形例の第１基板２２によれば、接合電極２２ａとして、硬さの異なる金属で形成された第１金属部１４と第２金属部１５とを有する複合体を用いるため、第２基板１１との接合時に加圧によるダメージを抑制できるとともに接合時の変形形状と接続状態とを良好に維持することができる。
このような接合電極２２ａは、半導体製造プロセスによって形成することができるため、微細化することが可能であり、配線間隔が狭い半導体基板にも高精度に設けることができる。このため、第１基板２２は、例えば、固体撮像素子３のような多数の接合電極が必要となり、配線密度も高い半導体装置を製造する半導体基板として好適である。
【００５２】
本変形例の接合電極２２ａでは、上面１５ｃが第１の金属によって覆われておらず、接合電極２２ａの先端部に露出しているため、本変形例の第２金属部１５は、上記実施形態の場合に比べると、第１金属部２４から受ける拘束が緩くなっている。
このため、接合電極１２ａと同程度の硬度を得る場合に、第１金属部２４の突状部２４ａの肉厚を、上記実施形態の突状部１４ａの肉厚よりも厚くすることが可能である。
【００５３】
また、内壁部２４ｃが第２金属部１５の側面１５ｂと密着することで、第２表面１２ｃの面方向において、第２金属部１５を等方的に拘束しているため、変形時に特定の方向への接合電極２２ａの倒れが発生しにくい。
これにより、接合の際の加圧時に第２基板１１と第１基板２２とを対向方向と交差する方向にずらす力が発生しにくくなるため、対向方向と交差する方向への、第２基板１１および第１基板２２の位置ずれを抑制することができる。この結果、接合電極２２ａ、１１ａが狭ピッチで配置された場合でも、良好に接合させることができる。
【００５４】
［第２変形例］
次に、本実施形態の第２変形例の半導体基板について説明する。
図６（ａ）は、本発明の実施形態の第２変形例の半導体基板の接合電極の模式的な平面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）におけるＥ−Ｅ断面図である。
【００５５】
図２に示すように、本変形例の第１基板３２は、上記実施形態の第１基板１２に代えて、固体撮像素子３に用いることができる半導体基板である。
第１基板３２は、上記実施形態の第１基板１２の接合電極１２ａに代えて、接合電極３２ａを備える。
以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００５６】
図６（ａ）、（ｂ）に変形前の形状を示すように、接合電極３２ａは、上記実施形態の接合電極１２ａの第１金属部１４に代えて、第１金属部３４を備える。
第１金属部３４は、第２表面１２ｃから突出され、第２金属部１５の上面１５ｃと、側面１５ｂの１つを覆うように形成されている。
すなわち、第１金属部３４は、第２金属部１５の基端部において側面１５ｂの１つの側方の第２表面１２ｃ上に密着して延ばされた平面視矩形状の配線接続部３４ｂと、配線接続部３４ｂ上で側面１５ｂを覆うとともに上面１５ｃを覆う側面視Ｌ字状の突状部３４ａとを有している。
突状部３４ａの突出方向の先端には、第２表面１２ｃと略平行な（平行の場合を含む）平面視矩形状の先端面３４ｄが形成されている。先端面３４ｄは、第２基板１１と接合される際に、第２基板１１の接合電極１１ａと当接して接合する部位になる。
このため、接合電極３２ａにおける第２金属部１５は、突状部３４ａによって側面１５ｂの１つと上面１５ｃが覆われ、他の三方の側面１５ｂは側方に露出されている。
【００５７】
このような構成の接合電極３２ａの下層側の基板本体１２ｄの内部には、上記実施形態の配線部１６に代えて、基板本体１２ｄの図示略の回路部の一部を構成する配線部３６（配線）が設けられている。
配線部３６は、上記実施形態の配線部１６と同様に、配線本体１６ｃ、および接続部１６ａ、１６ｂを備える。
配線部３６においては、配線本体１６ｃが第２金属部１５と第１金属部３４の配線接続部３４ｂとに重なる範囲に設けられ、接続部１６ａが配線本体１６ｃと第１金属部３４とを電気的に接続する点が上記第１の実施形態と異なる。
このため、本変形例の接続部１６ａは、配線接続部３４ｂと配線本体１６ｃとの間に積層された絶縁層１２ｅを貫通するように設けられている。
本変形例の接続部１６ａは、一例として、図６（ｂ）に破線で示すように、合計４個が矩形状をなして配列されている。
【００５８】
このような構成の接合電極３２ａは、第１金属部３４の形状が上記実施形態の接合電極１２ａの第１金属部１４と異なるのみであるため、接合電極１２ａと同様に第２金属部１５と第１金属部３４との形状や体積を変化させて硬度を調整することができ、接合電極１２ａと同様の半導体製造プロセスによって形成することができる。
また、上記実施形態と同様にして、第１金属部３４を第２基板１１と接合することができる。
【００５９】
本変形例の第１基板３２によれば、接合電極３２ａとして、硬さの異なる金属で形成された第１金属部３４と第２金属部１５とを有する複合体を用いるため、第２基板１１との接合時に加圧によるダメージを抑制できるとともに接合時の変形形状と接続状態とを良好に維持することができる。
このような接合電極３２ａは、半導体製造プロセスによって形成することができるため、微細化することが可能であり、配線間隔が狭い半導体基板にも高精度に設けることができる。このため、第１基板３２は、例えば、固体撮像素子３のような多数の接合電極が必要となり、配線密度も高い半導体装置を製造する半導体基板として好適である。
【００６０】
本変形例の接合電極３２ａでは、第２金属部１５の側面１５ｂのうち３面が第１の金属によって覆われておらず、側方側に露出しているため、本変形例の第２金属部１５は、接合電極１２ａの場合に比べると、第１金属部３４から受ける拘束が緩くなっている。
このため、接合電極３２ａは、接合電極１２ａに比べてより低硬度の構成とすることが容易となる。
【００６１】
［第３変形例］
次に、本実施形態の第２変形例の半導体基板について説明する。
図７（ａ）は、本発明の実施形態の第３変形例の半導体基板の接合電極の模式的な部分断面図である。
【００６２】
図２に示すように、本変形例の第１基板４２は、上記実施形態の第１基板１２に代えて、固体撮像素子３に用いることができる半導体基板である。
第１基板４２は、上記実施形態の接合電極１２ａに代えて、接合電極４２ａを備える。
以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００６３】
図７に変形前の形状を示すように、接合電極４２ａは、上記実施形態の第１基板１２の第１金属部１４と第２金属部１５とをバリアメタル層４０を介して接合したものである。
バリアメタル層４０は、第１金属部１４における第１の金属と、第２金属部１５における第２の金属との間で、拡散が起こることを抑制する金属層である。
バリアメタル層４０の材質としては、第１の金属および第２の金属の組合せに応じて、拡散を防止に好適な適宜の金属を採用することができる。例えば、上記実施形態に例示した金属同士の組合せでは、チタン、クロム、タンタルなどを好適に採用することができる。
【００６４】
本変形例の第１基板４２によれば、バリアメタル層４０を介して第１金属部１４と第２金属部１５とを接合するため、拡散により発生する接合電極４２ａの経時性能の劣化を防止することができる。
【００６５】
［第４変形例］
次に、本実施形態の第４変形例の半導体基板について説明する。
図８は、本発明の実施形態の第４変形例の半導体基板の接合電極の模式的な断面図である。
【００６６】
図２に示すように、本変形例の第１基板５２は、上記実施形態の第１基板１２に代えて、固体撮像素子３に用いることができる半導体基板である。
第１基板５２は、上記実施形態の第１基板１２の接合電極１２ａに代えて、接合電極５２ａを備える。
以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００６７】
図８に変形前の形状を示すように、接合電極５２ａは、上記実施形態の接合電極１２ａの第２金属部１５、第１金属部１４に代えて、第２金属部５５、第１金属部５４を備える。
第２金属部５５は、第２表面１２ｃに設けられた導電性を有する突起部であり、第２表面１２ｃ上に底面５５ａが密着して形成された半球状とされている。
第２金属部５５は、上記実施形態の第２金属部１５と同様の第２の金属で形成されている。
第１金属部５４は、第２金属部５５の基端部の外周側に延ばされ、第２表面１２ｃに密着された平面視円環状の層状部からなる配線接続部５４ｂと、第２金属部５５の半球状の表面を覆って密着するとともに、配線接続部５４ｂに接続した半球状の突状部５４ａとを有している。
突状部５４ａの突出方向の先端の頂部５４ｄは、第２基板１１と接合される際に、第２基板１１の接合電極１１ａと当接して接合する部位になる。
【００６８】
このような構成の接合電極５２ａの下層側の基板本体１２ｄの内部には、上記実施形態の配線部１６に代えて、基板本体１２ｄの図示略の回路部の一部を構成する配線部５６（配線）が設けられている。
配線部５６は、上記実施形態の配線部１６と同様に、配線本体１６ｃ、および接続部１６ａ、１６ｂを備える。
配線部５６においては、配線本体１６ｃが第２金属部５５と第１金属部５４の配線接続部５４ｂとに重なる範囲に設けられ、接続部１６ｂが配線本体１６ｃと第２金属部５５とを、接続部１６ａが配線本体１６ｃと第１金属部５４とを電気的に接続する点が上記実施形態と異なる。
このため、本変形例の接続部１６ｂ、１６ａは、それぞれ、第２金属部５５の底面５５ａと第１金属部５４の配線接続部５４ｂとの間に積層された絶縁層１２ｅを貫通するように設けられている。
本変形例の接続部１６ｂ、１６ａの配置位置および個数は特に限定されず、例えば、複数のものが、接合電極５２ａの中心軸線の同心円の円周上に適宜間をあけて配置されている。
【００６９】
このような構成の接合電極５２ａは、は、第１金属部５４、第２金属部５５の形状が上記実施形態の接合電極１２ａの第１金属部１４、第２金属部１５と異なるのみであるため、接合電極１２ａと同様に第２金属部５５と第１金属部５４との形状や体積を変化させて硬度を調整することができ、接合電極１２ａと同様の半導体製造プロセスによって形成することができる。
第２金属部５５の半球状の形状を形成するには、例えば、第２金属部５５を形成する位置に、第２の金属を円状のパターンを形成し、この第２の金属を加熱溶融した後に硬化させる。この場合、溶融時の表面張力によって半球状の形状が形成される。
このように一度溶融させると、熱処理されたのと同様であるため、溶融前よりも硬度を低減することができる。
また、上記実施形態と同様にして、第１基板５２を第２基板１１と接合することができる。
【００７０】
本変形例の接合電極５２ａは、上記実施形態の接合電極１２ａの突状部１４ａによる外形が四角柱状であったのに対して、突状部５４ａの外形が半球状である点が異なるのみであるため、上記実施形態と同様に、第２基板１１との接合時に加圧によるダメージを抑制できるとともに接合時の変形形状と接続状態とを良好に維持することができる。
また、このような接合電極５２ａは、配線間隔が狭い半導体基板にも高精度に設けることができ、例えば、固体撮像素子３のような多数の接合電極が必要となり、配線密度も高い半導体装置を製造する半導体基板として好適である。
【００７１】
特に接合電極５２ａは、先端部の外形が半球状であるため、接合電極１１ａとの当接時に頂部５４ｄに応力が集中し、変形がさらに容易となる。
また、製造誤差や加圧時の平行度誤差などによって、接合電極１１ａに、接合電極５２ａが傾斜して押圧されても、当接距離が変わらないため、円滑に当接させることが可能となる。
【００７２】
［第５変形例］
次に、本実施形態の第５変形例の半導体基板について説明する。
図９（ａ）は、本発明の実施形態の第５変形例の半導体基板の接合電極の模式的な平面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）におけるＦ−Ｆ断面図である。
【００７３】
図２に示すように、本変形例の第１基板６２は、上記実施形態の第１基板１２に代えて、固体撮像素子３に用いることができる半導体基板である。
第１基板６２は、上記実施形態の第１基板１２の配線部１６に代えて、配線部６６（配線）を備える。
以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００７４】
図９（ａ）、（ｂ）に変形前の形状を示すように、配線部６６は、上記実施形態の配線部１６に、接合電極１２ａの下面と、第２表面１２ｃおよび接続部１６ａ、１６ｂとの間にベタパターンの接続電極６６ｄを追加したものである。
このため、各接続部１６ａ、１６ｂは、いずれも接続電極６６ｄと電気的に接続されている。
また、接続電極６６ｄは、第１金属部１４の下面および第２金属部１５の底面１５ａの全面と密着して接合されている。
接続電極６６ｄの材質は、半導体基板の配線に用いられる適宜の金属、例えば、アルミニウム、銅、金などからなる金属を採用することができる。
【００７５】
このような構成によれば、接合電極１２ａとの電気的な接続の信頼性を高めることができる。
また、第２金属部１５、第１金属部１４は、接続電極６６ｄを形成してから、その上層に形成されることになる。このため、メッキによって製造することも可能になるため、第２金属部１５、第１金属部１４を接続電極６６ｄ上に、選択的に形成できる。
【００７６】
なお、上記実施形態および各変形例の説明では、接合電極の突状部が四角柱状または半球状の場合の例で説明したが、接合電極の突状部の形状はこれらには限定されない。例えば、四角柱以外の多角柱、円柱、楕円柱、角錘、角錐台、円錐、円錐台、半円状断面が一方向に延ばされたドーム形状などの形状を採用することができる。
【００７７】
また、上記実施形態および各変形例の説明では、第２金属部の形状が、直方体状または半球状の場合の例で説明したが、第２金属部の形状はこれらには限定されない。例えば、多角柱、円柱、楕円柱、角錘、角錐台、円錐、円錐台、半円状断面が一方向に延ばされたドーム形状などの形状を採用することができる。
また、第２金属部は、半導体基板本体の表面と接していることは必須ではない。このため、第２金属部は、第１金属部によって全外周が覆われていることが可能である。
よって、第２金属部は、球体、楕円体などの形状も採用することが可能である。
【００７８】
また、上記実施形態および各変形例の説明では、配線部が、第１金属部および第２金属部にそれぞれの接続部を介して直接接続されている場合の例で説明したが、第２の金属部が配線部に直接接続されることは必須ではない。
ただし、接合電極をより確実に電気的に接続し、かつ経時的に電気接続を維持しやすくなるため、第２金属部が配線部に直接接続されていることが好ましい。
【００７９】
また、上記実施形態および各変形例の説明では、受光部Ｐが設けられた第１基板が、第１金属部と第２金属部との複合体である接合電極を備える本発明の半導体基板であり、第２基板が被接合部材である場合の例で説明したが、第２基板を本発明の半導体基板として第１金属部と第２金属部との複合体である接合電極を設け、第１基板の接合電極は接合パッドのみの被接合部材とすることも可能である。
また、被接合部材の接合電極が接合パッドであることは必須ではなく、被接合部材にも、第１金属部と第２金属部との複合体である接合電極を設けてもよい。すなわち、第１金属部と第２金属部との複合体である接合電極を設けた本発明の半導体基板同士を互いに接合した半導体装置、撮像素子を構成してもよい。
【００８０】
また、上記に説明したすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせを代えたり、削除したりして実施することができる。
例えば、上記第３変形例のバリアメタル層４０は、上記第１、２、４、５変形例における第１金属部と第２金属部との間に設けることが可能である。
また、上記第５変形例の接続電極６６ｄは、上記第１〜４変形例の配線部に設けることが可能である。
【符号の説明】
【００８１】
３  固体撮像素子（撮像素子）
１０  デジタルカメラ（撮像装置）
１１  第２基板（被接合部材）
１１ａ、１２ａ、２２ａ、３２ａ、４２ａ、５２ａ  接合電極
１１ｃ  第１表面（半導体基板本体の一方の表面）
１１ｄ  基板本体
１２、２２、３２、４２、５２  第１基板（半導体基板本体）
１２ｄ  基板本体
１３  接合層部
１３ａ  接着剤層
１４、２４、３４、５４  第１金属部
１４ａ、２４ａ、３４ａ、５４ａ  突状部
１４ｂ、３４ｂ、５４ｂ  配線接続部
１４ｄ、２４ｄ、３４ｄ  先端面
１５、５５  第２金属部
１６、３６、５６、６６  配線部（配線）
１６ａ、１６ｂ  接続部
１６ｃ  配線本体
１７  配線部
４０  バリアメタル層
５４ｄ  頂部
６６ｄ  接続電極
Ｐ  受光部
【図１】
2014157884.tif 000003
【図２】
2014157884.tif 000004
【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】
2014157884.tif 000009
【図８】
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【図９】
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