(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ基板上に積層されたコアとクラッドからなる光導波路であって、
前記コアは、ＳｉＯ2−ＧｅＯ2を主成分とし、負の熱膨張係数を有する物質を少なくとも一種類以上ドープした混合成分で構成されていて、石英ガラスからなる前記クラッドに対して比屈折率差Δが５％以上でありながら、圧縮応力を有し、
前記負の熱膨張係数を有する物質は、ＳｎＯ2、ＨｆＯ2の少なくとも一方であり、前記コアへのＳｎＯ2のドープ成分比は、０ｍｏｌ％より大きく３０．０ｍｏｌ％以下であり、前記コアへのＨｆＯ2のドープ成分比は、０ｍｏｌ％より大きく８．３ｍｏｌ％以下であることを特徴とする光導波路。
【請求項２】
Ｓｉ基板上に石英系ガラスからなるアンダークラッド層を堆積させるステップと、
前記アンダークラッド層上に、ＳｉＯ2−ＧｅＯ2を主成分とし、負の熱膨張係数を有する物質を少なくとも一種類以上ドープした混合成分で構成されていて、前記アンダークラッド層に対して比屈折率差Δが５％以上でありながら圧縮応力を有するコア膜を堆積させるステップと、
前記コア膜を光導波路パターンコアに加工するステップと、
前記加工されたコア膜を埋め込むオーバークラッド層を堆積させるステップと
を有し、
前記負の熱膨張係数を有する物質は、ＳｎＯ2、ＨｆＯ2の少なくとも一方であり、
前記コア膜へのＳｎＯ2のドープ成分比は、０ｍｏｌ％より大きく３０．０ｍｏｌ％以下であり、前記コア膜へのＨｆＯ2のドープ成分比は、０ｍｏｌ％より大きく８．３ｍｏｌ％以下であることを特徴とする光導波路作製方法。
【請求項３】
前記コア膜を堆積させるステップ後で、前記加工するステップ前の前記コア膜は、０ＭＰａより大きく２５０ＭＰａより小さい圧縮応力を有することを特徴とする請求項２に記載の光導波路作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システムおよび光信号処理システムで中心的役割を担う高性能なＰＬＣデバイスの光導波路及びその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＬＣデバイスは、石英系光ファイバとの整合性が良いことから、実用的な導波型光部品として大いに注目を集め商用化されている。この種の石英系導波路型光回路を作製するためには、数μｍから数十μｍ厚の石英系ガラス膜を堆積する技術とフォトリソグラフィーを利用して数μｍ幅のパターン形状に加工する技術とを組み合わせるようにしている。（非特許文献１参照）
従って、コア膜やクラッド層の堆積技術と微細加工技術の組み合わせで光回路の光学特性が決定されることになる。近年は特に既存デバイスの高性能化、高機能化の開発が進められている。
【０００３】
ＰＬＣデバイスの中核をなす現在の石英系光導波路のコア膜堆積技術としては、主に火炎堆積（ＦＨＤ）法、減圧化学気相堆積（ＬＰ−ＣＶＤ）法、常圧化学気相堆積（ＡＰ−ＣＶＤ）法、プラズマ化学気相堆積（Ｐ−ＣＶＤ）法などがあり、それぞれ特徴を有する堆積技術である。
【０００４】
図１に、従来の一般的な石英系光導波路作製工程を示す。多くの場合はコア膜堆積前に基板１−１にアンダークラッド層１−２を堆積し、コア膜１−３堆積後に光導波路パターン加工してコア１−４を形成し、オーバークラッド層１−５を堆積する工程を経る。特にＰＬＣデバイスの高集積化で必要となる高い比屈折率差（Δ）を有する超高Δ光導波路はデバイスサイズダウンが期待できるため近年活発な研究開発がなされている。これは、Δを高くすることによって、導波モードの光閉じ込めが強くなるために光導波路の曲げ半径を小さくすることができるためである。
【０００５】
高いΔを有するコア膜を得るためには、石英ガラス膜にＧｅＯ2をドープして、コアをＳｉＯ2−ＧｅＯ2とする方法がある。このＳｉＯ2−ＧｅＯ2をコア材料に用いる場合、２．５％−Δ以下の範囲では結晶化も起きず、通信波長帯での大きな吸収損失もなく、安定なコア膜が得られており、極めて低損失で実績のある光導波路が作製できている。（非特許文献２〜５参照）
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】“Silica waveguides on silicon and their application to integrated-optic components” M. Kawachi， Opt. Quantum Electron. Vol. 22， pp391-416， 1990.
【非特許文献２】A. Himeno et al.， J. Sel. Top. Q. E.， Vol. 4， 1998， pp. 913-924.
【非特許文献３】Y. Hibino， IEEE CIRCUITS & DEVICES， Nov.， 2000， pp. 21-27.
【非特許文献４】T. Kominato， Y. Hida， M. Itoh， H. Takahashi， S. Sohma， T. Kitoh， and Y. Hibino:“Extremely Low-Loss (0.3 dB/m) and Long Silica-Based Waveguides with Large Width and Clothoid Curve Connection，” in Proceeding of ECOC 2004， Tu1.4.3
【非特許文献５】M. Itoh， K. Watanabe， Y. Nasu， H. Yamazaki， S. Kamei， I. Ogawa， A. Kaneko， and Y. Inoue:“1-square-inch 100 GHz 40 ch VMUX/DEMUX Based on Single-chip PLC Integration with 2.5 %-delta Silica-based Waveguides，” in Proceeding of ECOC 2007， 2-5-1.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＳｉＯ2内部にドープするＧｅＯ2濃度を高めると、熱膨張係数も増大することになる。図２に、Δに対するＳｉＯ2−ＧｅＯ2コア膜の熱膨張係数αの変化を示す。Δの上昇とともにコア膜の熱膨張係数αが大きくなり、Δが２．５％を超える領域ではＳｉ基板の熱膨張係数を上回るようになる。コア膜の熱膨張係数αがＳｉ基板の熱膨張係数を上回る領域では、膜応力は圧縮から引っ張りに変化してコアガラスに膜剥がれやクラックが生じやすくなる。この膜質劣化は歩留まりが低下することに加え、作製した光導波路の長期信頼性の面でも不利になる。現在、この材料系では、低損失で、２．５％−Δを超える超高Δ導波路を作製できる良好な膜質となるコア膜を堆積する方法は確立していない。
【０００８】
このような超高Δ光導波路作製工程において、膜剥がれやクラックのないコア膜を得て、歩留まり、長期信頼性の高い光導波路を作製するための膜質安定化のためには、引っ張り応力とは逆のなるべく大きな圧縮応力を有するコア膜を堆積することが重要である。
【０００９】
図１のような光導波路作製工程において、５％−Δを超える超高Δ光導波路を作製することを目的としてＳｉＯ2−ＧｅＯ2をコア材料に用いる場合、コア膜堆積ではベースとなる石英ガラスにＧｅＯ2をドープすることが一般的である。
【００１０】
コアのベース材料である石英ガラス膜の熱膨張係数はおよそ室温（２０−５０℃）で５．６×１０-7でありながら、融点は２０００℃以上、しかもガラス軟化点（そのガラスが７．６ポアズの粘度を有するときの温度）は約１７００℃と非常に硬い膜であり、特異な熱的安定性を示すことが知られている。そのためＳｉ基板に石英ガラスのみを堆積すると、およそ１４５ＭＰａの圧縮応力を有する安定な膜が得られる。
【００１１】
しかしながら、５％−Δを超える超高Δ膜を作製するために必要な高屈折率な上記のＧｅＯ2ドープ石英ガラスのガラス軟化点は６００−７００℃に下降して柔らかい膜となり、安定性が低下するという課題があった。また同時に、成膜されたコア膜は、ドープするＧｅＯ2濃度を高めていくと、徐々に圧縮応力から引っ張り応力に変化して膜質が劣化し易くなるという課題があった。
【００１２】
また、従来技術による石英系光導波路作製工程で、５％−Δを超えるような超高Δ膜を得るためにＳｉＯ2−Ｔａ2Ｏ5やＳｉＯＮをコア膜に用いる方法もある。しかしながら、ＳｉＯ2−Ｔａ2Ｏ5をコア膜に用いる場合、作製工程でコアガラスが結晶化することがあるので、結晶化させない工程が必要になる。またＳｉＯＮをコア膜に用いる場合、通信波長帯でＮ−Ｈ基の吸収による大きな損失が出現するため、その除去工程が必要になる。すなわち、いずれの場合にも導波路作製工程で技術工夫を導入する煩雑な追加作製工程を要するため、プロセス面での負担が大きいという課題があった。
【００１３】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、極めて低損失な光導波路作製で実績のあるＳｉＯ2−ＧｅＯ2をコアのベース材料に用いて、膜剥がれやクラックが生じ難い大きな圧縮応力を有する安定なコア膜堆積からなる光導波路とその作製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、Ｓｉ基板上に積層されたコアとクラッドからなる光導波路であって、前記コアは、ＳｉＯ2−ＧｅＯ2を主成分とし、負の熱膨張係数を有する物質を少なくとも一種類以上ドープした混合成分で構成されていて、石英ガラスからなる前記クラッドに対して比屈折率差Δが５％以上でありながら、圧縮応力を有し、前記負の熱膨張係数を有する物質は、ＳｎＯ2、ＨｆＯ2の少なくとも一方であり、前記コアへのＳｎＯ2のドープ成分比は、０ｍｏｌ％より大きく３０．０ｍｏｌ％以下であり、前記コアへのＨｆＯ2のドープ成分比は、０ｍｏｌ％より大きく８．３ｍｏｌ％以下であることを特徴とする。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、光導波路作製方法であって、Ｓｉ基板上に石英系ガラスからなるアンダークラッド層を堆積させるステップと、前記アンダークラッド層上に、ＳｉＯ2−ＧｅＯ2を主成分とし、負の熱膨張係数を有する物質を少なくとも一種類以上ドープした混合成分で構成されていて、前記アンダークラッドに対して比屈折率差Δが５％以上でありながら圧縮応力を有するコア膜を堆積させるステップと、前記コア膜を光導波路パターンコアに加工するステップと、前記加工されたコアを埋め込むオーバークラッド層を堆積させるステップとを有し、前記負の熱膨張係数を有する物質は、ＳｎＯ2、ＨｆＯ2の少なくとも一方であり、前記コア膜へのＳｎＯ2のドープ成分比は、０ｍｏｌ％より大きく３０．０ｍｏｌ％以下であり、前記コア膜へのＨｆＯ2のドープ成分比は、０ｍｏｌ％より大きく８．３ｍｏｌ％以下であることを特徴とする。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光導波路作製方法において、前記コア膜を堆積させるステップ後で、前記加工するステップ前の前記コア膜は、０ＭＰａより大きく２５０ＭＰａより小さい圧縮応力を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、極めて低損失な光導波路作製で実績のあるＳｉＯ2−ＧｅＯ2をコアのベース材料に用いて、膜剥がれやクラックが生じ難い大きな圧縮応力を有する安定なコア膜堆積からなる光導波路を高歩留まりで作製し、長寿寿命化を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の一般的な石英系光導波路作製工程を示す図である。
【図２】比屈折率差（Δ）に対するＳｉＯ2−ＧｅＯ2コア膜の熱膨張係数αの変化を示す図である。
【図３】本発明の光導波路作製方法で作製された２．５μｍ幅の光導波路の伝搬損失スペクトルを示す図である。
【図４】従来のＳｉＯ2−ＧｅＯ2コア膜および本発明のＳｉＯ2−ＳｎＯ2−ＧｅＯ2膜のΔと熱膨張係数αの関係を示す図である。
【図５】本発明のＳｉＯ2−ＳｎＯ2−ＧｅＯ2膜のΔと膜圧縮応力の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
従来の５％−Δを超える超高Δ光導波路作製工程においてＳｉＯ2−ＧｅＯ2をコア材料に用いる場合に堆積コア膜が大きな引っ張り応力を有するため膜剥がれやクラックが生じやすく歩留まりが低下することに加え、作製した光導波路の長期信頼性の面でも不利になっていたが、これはＳｉ基板と堆積膜の熱膨張係数差の変化に起因するためと考えられる。
【００２４】
Ｓｉの熱膨張係数はおよそ２．６×１０-6（２０−５０℃）で、石英ガラスの熱膨張係数はおよそ５．６×１０-7（２０−５０℃）であり、およそ４．６倍も小さいのに対して、ＧｅＯ2の熱膨張係数はおよそ７．５×１０-6（２０−５０℃）とＳｉ基板よりも大きい。そのため、コア膜にドープするＧｅＯ2濃度を高め、Δが高くなると図２のような変化となり、熱膨張係数差に起因して徐々に圧縮応力から引っ張り応力に変化すると考えられる。
【００２５】
そこで、堆積コア膜に負の熱膨張係数材料をドープすることで熱膨張係数差を増大させたところ、大きな圧縮応力を有する堆積コア膜を作製することに成功した。引っ張り応力とは逆のなるべく大きな圧縮応力を有するコア膜を堆積するために、屈折率が高くかつ負の熱膨張係数を有する材料を石英ガラスにドープして、熱膨張係数差を増大させることは膜質劣化を抑制する有力な解決方法の１つとなった。例えばＳｎＯ2やＨｆＯ2の単独の室温（２０−５０℃）での熱膨張係数は、それぞれ、およそ−４．５×１０-6、−１０．０×１０-6であり、Ｓｉ基板の熱膨張係数と同じオーダーでかつ負である。そのため、これらを石英ガラスにドープする濃度に依存して、Ｓｉ基板との熱膨張係数差を増大させる方向に熱膨張係数が変化するため、堆積コア膜が大きな圧縮応力を得ることができ、膜質の安定化が図れる。
【００２６】
このように本発明は、堆積コア膜に負の熱膨張係数材料をドープすることで大きな圧縮応力を有する堆積コア膜を作製することを可能にし、これによって、高歩留まり、長寿命化が実現された光導波路の提供を可能としている。
【００２７】
更に本発明は、結晶化や通信波長帯での大きな吸収損失もないため、ＳｉＯ2−Ｔａ2Ｏ5やＳｉＯＮをコア膜に用いた場合のように煩雑な追加作製工程を必要としない。
【００２８】
以下、本発明の実施形態の一例として石英ガラスにＳｎＯ2とＧｅＯ2をドープしたコア膜を堆積した５％−ΔＳｉＯ2−ＳｎＯ2−ＧｅＯ2光導波路の作製法を述べる。
【００２９】
（実施例１）
まず、Ｓｉ基板上にＦＨＤ法でＳｉＯ2アンダークラッド層を１５μｍ堆積し、続いて、スパッタ成膜法によってコア膜として５％−ΔＳｉＯ2−ＳｎＯ2−ＧｅＯ2膜を２．３μｍ堆積した。成膜はターゲットにＳｉ、ＳｎＯ2、Ｇｅを用いた反応性スパッタで、ガスはＡｒ、Ｏ2を使用した。ここで成分比（ｍｏｌ％）はＳｉＯ2：ＳｎＯ2：ＧｅＯ2＝７７．７：１０．８：１１．５となるようにした。
【００３０】
ここでコア膜の膜応力を測定すると圧縮で２３７．６ＭＰａとなり、十分大きな圧縮応力を有するコア膜が堆積されたウェハであることを確認した。続いてコア膜の膜質安定化のために９００℃の熱処理を行い、この後、光学顕微鏡でウェハ全面を観察した。通常ＧｅＯ2ドープ膜を用いた場合、ウェハ外周部や中央部にわずかな膜剥がれや斜めに数本のクラックが見られることが多いが、今回は膜剥がれやクラックのないコア膜が得られていることを確認した。
【００３１】
次にフォトリソグラフィーとドライエッチングにより光導波路パターンのコア加工を行った。オーバークラッドはＡＰ−ＣＶＤ法によってＢＰＳＧ層を１０μｍ堆積し、引き続き９００℃で熱処理を行った。
【００３２】
図３に、本発明の光導波路作製方法で作製された２．５μｍ幅の光導波路の伝搬損失スペクトルを示す。伝搬損失は、通信波長帯を含む波長帯１２００−１７００ｎｍで最大約０．０８６ｄＢ／ｃｍとなり、実用的なＰＬＣデバイスとしての一つの目安となる損失、０．１ｄＢ／ｃｍ以下となる、非常に低損失な超高Δ光導波路を実現することができた。
【００３３】
この効果を確認するためにＳｎＯ2ドープ濃度の異なる超高Δコア膜を得て、超高Δ光導波路を作製した。同様にスパッタ成膜法によって成分比（ｍｏｌ％）をＳｉＯ2：ＳｎＯ2：ＧｅＯ2＝８１．１：７．０：１１．９として、３％−ΔＳｉＯ2−ＳｎＯ2−ＧｅＯ2膜を２．８μｍ堆積した。また成分比（ｍｏｌ％）をＳｉＯ2：ＳｎＯ2：ＧｅＯ2＝７９．４：８．９：１１．７として、４％−ΔＳｉＯ2−ＳｎＯ2−ＧｅＯ2膜を２．１μｍ堆積した。また成分比（ｍｏｌ％）をＳｉＯ2：ＳｎＯ2：ＧｅＯ2＝６６．６：１４．３：１９．１として、８％−ΔＳｉＯ2−ＳｎＯ2−ＧｅＯ2膜を１．７μｍ堆積した。更に成分比（ｍｏｌ％）をＳｉＯ2：ＳｎＯ2：ＧｅＯ2＝５９．４：１６．５：２４．１として、１０％−ΔＳｉＯ2−ＳｎＯ2−ＧｅＯ2膜を１．５μｍ堆積した。Δの調整は反応性スパッタでＳｉ、Ｇｅの放電パワーを固定して、ＳｎＯ2の放電パワーのみ変えることによってＳｎＯ2濃度を変化させる方式を用いた。
【００３４】
図４に、従来のＳｉＯ2−ＧｅＯ2コア膜および本発明のＳｉＯ2−ＳｎＯ2−ＧｅＯ2膜のΔと熱膨張係数αの関係を示し、図５に、本発明のＳｉＯ2−ＳｎＯ2−ＧｅＯ2膜のΔと膜圧縮応力の関係を示す。尚、図４、５の本発明のＳｉＯ2−ＳｎＯ2−ＧｅＯ2膜に関する値は上記の実験によって得られたものである。
【００３５】
ここで、膜応力を測定するといずれも圧縮応力でそれぞれ２０９．５ＭＰａ、２２３．２ＭＰａ、２０５．７ＭＰａ、１７２．９ＭＰａとなり、十分大きな圧縮応力を有するコア膜が堆積されたウェハであることを確認した。これらの光導波路はいずれも波長帯１２００−１７００ｎｍで０．１ｄＢ／ｃｍ以下となる、非常に低損失な超高Δ光導波路を実現することができた。
【００３６】
更にＳｎＯ2ドープ濃度を様々に変化させた超高Δ膜を作製して光導波路を作製した。また、ＳｎＯ2ドープをしない場合、成分比（ｍｏｌ％）をＳｉＯ2：ＳｎＯ2：ＧｅＯ2＝７１．０：０：２９．０として２．５％−ΔＳｉＯ2−ＳｎＯ2−ＧｅＯ2光導波路（ＳｎＯ2が０の場合はＳｉＯ2−ＧｅＯ2光導波路となる）が作製できる。
【００３７】
次にＳｎＯ2のかわりにＨｆＯ2をドープした超高ΔＳｉＯ2−ＨｆＯ2−ＧｅＯ2光導波路を作製した。続いてＳｎＯ2、ＨｆＯ2を両方含んだ１０％−ΔＳｉＯ2−ＳｎＯ2−ＨｆＯ2−ＧｅＯ2光導波路（成分比（ｍｏｌ％）ＳｉＯ2：ＳｎＯ2：ＨｆＯ2：ＧｅＯ2＝５９．４：１１．３：５．２：２４．１）を作製した。
【００３８】
尚、コア膜堆積後の膜応力はいずれの場合も２５０ＭＰａを超えることはなかった。
【００３９】
以上、成分比（ｍｏｌ％）は、ＳｉＯ2：５９．４〜７９．４ｍｏｌ％、ＧｅＯ2：０．１〜２４．１ｍｏｌ％、ＳｎＯ2：１６．５ｍｏｌ％以下、ＨｆＯ2：８．３ｍｏｌ％以下として、波長帯１２００−１７００ｎｍで０．１ｄＢ／ｃｍ以下となる、非常に低損失な超高Δ光導波路を実現できることを確認した。
【００４０】
（実施例２）
ＰＬＣデバイス作製の後工程において、より厳密にΔ調整精度が求められる場合に次のような工程で光導波路を作製した。実施例１と同様に、まずＳｉ基板上にＦＨＤ法でＳｉＯ2アンダークラッド層を１５μｍ堆積し、続いて、ＳｉＯ2にＧｅＯ2が０．１ｍｏｌ％、ＳｎＯ2が３０ｍｏｌ％ドープされている焼結体ターゲットとＳｉＯ2ターゲットを用いて、共スパッタ成膜法によってコア膜として５％−ΔＳｉＯ2−ＳｎＯ2−ＧｅＯ2膜を２．３μｍ堆積した。
【００４１】
ここで膜応力を測定すると圧縮で２３８．７ＭＰａとなり、十分大きな圧縮応力を有する膜が堆積されたウェハであることを確認した。続いてコアの膜質安定化のために９００℃の熱処理を行い、この後、光学顕微鏡でウェハ全面を観察した。実施例１と同様、膜剥がれやクラックのないコア膜が得られていることを確認した。
【００４２】
次にフォトリソグラフィーとドライエッチングにより光導波路パターンのコア加工を行った。オーバークラッドはＡＰ−ＣＶＤ法によってＢＰＳＧ層を１０μｍ堆積し、引き続き９００℃で熱処理を行った。
【００４３】
以上の工程で作製した２．５μｍ幅の光導波路の伝搬損失を評価すると通信波長帯を含む波長帯１２００−１７００ｎｍで最大約０．０８９ｄＢ／ｃｍとなり、実施例１と同様、非常に低損失な超高Δ光導波路を実現することができた。
【００４４】
尚、ベースとなるＳｉＯ2−ＧｅＯ2ガラスにＳｎＯ2を３０ｍｏｌ％より高濃度、ＨｆＯ2を８．３ｍｏｌ％より高濃度のドーピングを行うと、導波路内部に結晶化が生じて伝搬損失が０．１ｄＢ／ｃｍより高くなる。そのため、実用的な低損失光導波路作製のためにはドーピング濃度は確認できているこれらの濃度以下である必要がある。
【００４５】
本実施例では一例としてＳｉＯ2−ＧｅＯ2ガラスにＳｎＯ2、ＳｎＯ2のかわりにＨｆＯ2、またはＳｎＯ2とＨｆＯ2を両方ドープしたコア膜を堆積した超高ΔＳｉＯ2−ＳｎＯ2−ＧｅＯ2光導波路、超高ΔＳｉＯ2−ＨｆＯ2−ＧｅＯ2光導波路、超高ΔＳｉＯ2−ＳｎＯ2−ＨｆＯ2−ＧｅＯ2光導波路の作製を目的として、アンダークラッド層にＦＨＤ法、コア膜にスパッタ成膜法、オーバークラッド層にＡＰ−ＣＶＤ法を用いて堆積させた。しかし、本発明の特徴を有するコア膜であれば、これら各ステップの成膜法については限定されず、他の堆積法も加えて自由に組み合わせて良い。また熱処理温度については、今回は９００℃で行ったが、材料系と成分比によってそれぞれ適切な温度を選択することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１−１  基板
１−２  アンダークラッド層
１−３  コア膜
１−４  コア
１−５  オーバークラッド層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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