(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧処理室内に混合ガスを導入して、前記混合ガスからガスプラズマを生成し、前記ガスプラズマによって、ハードマスクを用いてアルミニウム（Ａｌ）を含む金属膜をエッチングするドライエッチング方法において、
前記ハードマスクは、一酸化シリコン（ＳｉＯ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、窒化酸化シリコン（ＳｉＯＮ）のうちの少なくとも一種類からなり、
前記混合ガスは、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、塩素（Ｃｌ２）、メタン（ＣＨ４）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、アルゴン（Ａｒ）を含み、
前記金属膜が成膜された試料を載置する電極に高周波印加バイアスのパワー印加のオンとオフ期間を制御することが可能なＴｉｍe  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ式バイアスを印加しながら、前記金属膜をエッチングし、前記メタンと前記エチレンの割合を前記メタン：２０〜８０％、前記エチレン：８０〜２０％にすることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】
減圧処理室内に混合ガスを導入して、前記混合ガスからガスプラズマを生成し、前記ガスプラズマによって、ハードマスクを用いてアルミニウム（Ａｌ）を含む金属膜をエッチングするドライエッチング方法において、
前記ハードマスクは、一酸化シリコン（ＳｉＯ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、窒化酸化シリコン（ＳｉＯＮ）のうちの少なくとも一種類からなり、
前記混合ガスは、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、塩素（Ｃｌ２）、メタン（ＣＨ４）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、アルゴン（Ａｒ）を含み、
前記金属膜が成膜された試料を載置する電極に高周波印加バイアスのパワー印加のオンとオフ期間を制御することが可能なＴｉｍe  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ式バイアスを印加しながら、前記金属膜をエッチングし、前記メタンと前記アセチレンの割合を前記メタン：２０〜８０％、前記アセチレン：８０〜２０％にすることを特徴とするドライエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスを製造する場合に用いられる金属膜のドライエッチング方法に係わり、特に異方性形状を加工するためサイドエッチングを防止する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造工程において集積回路の金属配線を形成する場合、ドライエッチングが広く一般に採用されている。金属配線の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム銅（Ａｌ−Ｃｕ）、アルミニウムシリコン（Ａｌ−Ｓｉ）、アルミニウムシリコン銅（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ）等が主流で、マスク材料として主にフォトレジスト（ＰＲ）が使用されている。これらをエッチングする工程には、エッチングガスに塩素（Ｃｌ２）や三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）を用いるのが一般的である。
【０００３】
しかし、近年では、デバイスの高集積化に伴い素子の微細化が進んでおり、金属膜の配線ピッチが２６０ｎｍ以下（ライン１３０ｎｍ／スペース１３０ｎｍ）になるとフォトレジスト（ＰＲ）で回路を形成するのが難しく、一般に一酸化シリコン（ＳｉＯ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、窒化酸化シリコン（ＳｉＯＮ）等のハードマスクを使用する技術が採用されるようになってきた。ハードマスクを用いたサンプルを前記のエッチングガスでエッチングした場合、金属膜にサイドエッチングが生じ配線形状の維持が困難となる。
【０００４】
一方、サイドエッチングの改善には、側壁保護となる添加ガスの供給が考えられており、特許文献１では、メタン（ＣＨ４）、特許文献２では、四フッ化炭素（ＣＦ４）、二フッ化メタン（ＣＨ２Ｆ２）、三フッ化メタン（ＣＨＦ３）、フルオルメタン（ＣＨ３Ｆ）、六フッ化エタン（Ｃ２Ｆ６）、窒素（Ｎ２）、特許文献３では、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、特許文献４では、ジクロロメタン（ＣＨ２Ｃｌ２）のガスが提案されている。
【０００５】
但し、フォトレジストマスクとハードマスクでは、得られる形状が異なる。ハードマスクを用いたサンプルの場合、マスクから側壁保護物質となる炭素（Ｃ）が供給されないため、側壁保護物質は添加ガスのみとなり、形状制御を行うのが難しい。上記提案のメタン（ＣＨ４）では側壁保護物質であるＣＣｌｘの生成効率が悪いため、側壁保護作用が小さくサイドエッチングの発生を十分に抑制することが出来ない。また、ＣＦ含有ガス及び窒素（Ｎ２）は、プラズマ解離反応でＡｌＦｘやＡｌＮｘ等が生成され、これらの側壁保護物質はプラズマクリーニングによって除去されにくい。このため、エッチング処理室内壁上で側壁保護物質が堆積しパーティクルが発生する。半導体デバイスを製造するエッチング装置の場合、このパーティクルが多量に発生すると、エッチング中の試料上に飛来し、製品不良を発生させる問題が生じる。
【０００６】
また、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）及びエチレン（Ｃ２Ｈ４）は、側壁保護作用の強いＣＣｌｘを生成するため、順テーパ形状を形成し所定の配線幅を得ることが困難となる。また、ジクロロメタン（ＣＨ２Ｃｌ２）は、発ガン性物質のため生産が縮小される方向にあり、安全衛生上使用するのに限界が有る。
【特許文献１】特開昭６０−１６９１４０号公報
【特許文献２】特開平１１−２２３４３２号公報
【特許文献３】特開平１０−３０６３４３号公報
【特許文献４】特開平２００２−３４３７７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、金属膜の配線ピッチが２６０ｎｍ以下で、ハードマスクを用いるアルミニウム（Ａｌ）含有金属膜のエッチング方法において、サイドエッチングが発生せず、順テーパ形状にならず、パーティクルの問題が無く、将来にわたって安定供給できる手法が確立されていない。
【０００８】
本発明は、ハードマスクを用いた金属膜をプラズマエッチングする場合において、サイドエッチングを抑制し異方性形状を得ることができるエッチング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、側壁保護となる添加ガスとしてメタン（ＣＨ４）とエチレン（Ｃ２Ｈ４）を用いる。すなわち、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、塩素（Ｃｌ２）、メタン（ＣＨ４）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、アルゴン（Ａｒ）の混合ガスのプラズマによって金属膜をエッチングする。
【００１０】
また、本発明は、側壁保護となる添加ガスとしてメタン（ＣＨ４）とアセチレン（Ｃ２Ｈ２）を用いる。すなわち、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、塩素（Ｃｌ２）、メタン（ＣＨ４）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、アルゴン（Ａｒ）の混合ガスのプラズマによって金属膜をエッチングする。
【発明の効果】
【００１１】
以上、述べたように、本発明によれば、ハードマスクで形成されたアルミニウム（Ａｌ）を含有する金属膜をプラズマエッチングに使用するエッチングガスに、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、塩素（Ｃｌ２）、メタン（ＣＨ４）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、アルゴン（Ａｒ）の混合ガスもしくは、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、塩素（Ｃｌ２）、メタン（ＣＨ４）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、アルゴン（Ａｒ）の混合ガスを用いることにより、サイドエッチングが無く垂直加工が可能となり異方性形状を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、発明の実施例について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明によるエッチング方法が適用される金属膜の構成を示す断面図である。シリコンウエハ上１に二酸化シリコン（ＳｉＯ２）２が成膜される。二酸化シリコン（ＳｉＯ２）２上にはチタン（Ｔｉ）または窒化チタン（ＴｉＮ）／チタン（Ｔｉ）からなるバリアメタル層３が成膜される。バリアメタル層３上にはアルミニウム（Ａｌ）またはアルミニウム銅（Ａｌ−Ｃｕ）  またはアルミニウムシリコン（Ａｌ−Ｓｉ）  またはアルミニウムシリコン銅（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ）からなる金属膜４が成膜される。
【００１４】
金属膜４上にはチタン（Ｔｉ）または窒化チタン（ＴｉＮ）／チタン（Ｔｉ）からなるキャップメタル層５が成膜される。キャップメタル層５上には一酸化シリコン（ＳｉＯ）からなるハードマスク６が所望のパターンで形成される。なお、ハードマスク６としては、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、窒化酸化シリコン（ＳｉＯＮ）等が使用される。
【００１５】
図２は、本発明によるエッチング方法を適用することができるＵＨＦ波プラズマエッチング装置を示す概略図である。この装置は、ＵＨＦ波１０を搭載しておりアンテナ１１よりＵＨＦ帯電磁波がエッチング処理室１２に放射される。プロセスガス１３はシャワープレート１４の中央付近よりエッチング処理室１２へと導入される。導入されたプロセスガス１３は、ソレノイドコイル１５から形成された磁場とＵＨＦ波１０の相互作用によりプラズマを生成する。エッチング処理室１２には電極１６があり、この上に試料１７を設置して、ガスプラズマによりエッチングする。エッチング処理室１２の周りには温度制御可能なヒータ１８を取り付けており、反応生成物の付着を抑制し、排気ポンプ１９によりエッチング処理室１２の外へ排気される。
【００１６】
電極１６上の試料１７は静電吸着機構により吸着され、試料の裏面には熱伝導率を高めるためにヘリウム（Ｈｅ）を充填し、電極１６に取り付けられている温調器２０により試料１７の温度制御を可能にしている。また電極１６には  Ｔｉｍｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ式バイアス（以下ＴＭバイアスと称す）電源２１が接続され、４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの高周波バイアスが印加できる構造になっている。
【００１７】
なお、エッチング装置としては、例えば誘導結合型プラズマエッチング装置、ヘリコン波プラズマエッチング装置、２周波励起平行平板型プラズマエッチング装置、マイクロ波プラズマエッチング装置等が使用される。
【００１８】
図３は、装置構成を示す。大気ローダ２２はロードロック室２３とアンロードロック室２４と連結しており、ロードロック室２３とアンロードロック室２４は真空搬送室２５と連結した構成となっている。真空搬送室２５はエッチング処理室１２と接続されている。試料１７は大気ローダ２２と真空搬送ロボット２６により搬送されエッチング処理室１２でエッチング処理される。大気ローダ２２上には、試料１７を設置する第１のカセット２７と第２のカセット２８とダミー基板を設置する第３のカセット２９とがあり、試料１７は随時エッチング処理室１２に搬送され、エッチング処理後は元の位置に戻るシステムになっている。
【００１９】
上記のように構成されたプラズマエッチング装置を用いて、図１に示す試料をエッチング処理した。なお、ここでは、１２インチ径のウエハサイズのものを使用した。エッチングガスとして、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、塩素（Ｃｌ２）、メタン（ＣＨ４）、アルゴン（Ａｒ）の混合ガスを用いた。この内、メタン（ＣＨ４）は爆発性があるため取扱いが危険であり、膨大な付帯設備が必要となる。そのため、安全面から取扱いが容易な不活性ガス等で爆発範囲以下に希釈されているものを用いた。
【００２０】
メタン（ＣＨ４）の空気中爆発範囲は５〜１５％（１ａｔｍ、常温、数字は可燃ガスの体積パーセントを示す）であるため、アルゴン（Ａｒ）９６％、メタン（ＣＨ４）４％の割合で混合されたガスを使用した。なお、不活性ガスとしては、例えばネオン（Ｎｅ）、ヘリウム（Ｈｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）等が使用される。ガス流量は、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）を４０ｍｌ／ｍｉｎ、塩素（Ｃｌ２）を８０ｍｌ／ｍｉｎ、メタン（ＣＨ４）＋アルゴン（Ａｒ）を４８０ｍｌ／ｍｉｎ（メタン１９．２ｍｌ／ｍｉｎ／アルゴン４６０．８ｍｌ／ｍｉｎ）、処理圧力を１．９Ｐａに制御してエッチングを行った。
【００２１】
加工形状の一例を図４（ａ）に示す。広ピッチのパターンでは垂直加工が出来ているのに対し、金属膜の配線ピッチが２６０ｎｍ以下（ライン１３０ｎｍ／スペース１３０ｎｍ）の狭ピッチのパターンでは金属膜４にサイドエッチングが発生している。これは、狭ピッチになるにつれ、金属膜の側壁を保護する側壁保護物質の供給が不足しているからである。
【００２２】
従来であれば、フォトレジスト（ＰＲ）マスクより炭素（Ｃ）が発生し、金属膜の側壁保護の役割を行っていたが、ハードマスクでは炭素（Ｃ）の発生が無く、添加ガスの供給に頼るしかない。しかし、メタン（ＣＨ４）では側壁保護物質であるＣＣｌｘの生成効率が悪いため、側壁保護作用が小さくサイドエッチングが発生する。
【００２３】
図４（ｂ）に、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、塩素（Ｃｌ２）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、アルゴン（Ａｒ）の混合ガスを用いた加工形状の一例を示す。エチレン（Ｃ２Ｈ４）も爆発性があるため、爆発範囲２．７〜３６％以下になるようアルゴン（Ａｒ）９７．５％、エチレン（Ｃ２Ｈ４）２．５％の割合で混合されたガスを使用した。ガス流量は、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）を４０ｍｌ／ｍｉｎ、塩素（Ｃｌ２）を８０ｍｌ／ｍｉｎ、エチレン（Ｃ２Ｈ４）＋アルゴン（Ａｒ）を４８０ｍｌ／ｍｉｎ（エチレン１２ｍｌ／ｍｉｎ／アルゴン４６８ｍｌ／ｍｉｎ）、処理圧力を１．９Ｐａに制御してエッチングを行った。
その結果、サイドエッチングは抑制されているが、順テーパ形状となっている。エチレン（Ｃ２Ｈ４）の分子構造Ｃ−Ｃ結合が２重結合であるため、側壁保護作用の強いＣＣｌｘを効率的に生成することが出来る。そのため、狭ピッチのパターンでもサイドエッチングを抑制することが出来る。しかし、側壁保護物質が過剰になりやすいため、順テーパ形状となり所定の配線幅を得ることが困難となる。
【００２４】
そこで本発明者は、メタン（ＣＨ４）とエチレン（Ｃ２Ｈ４）を適宜組み合わせることにより、サイドエッチングが発生することなく、垂直加工が得られることを見出した。図４（Ｃ）に、本発明の実施例を示す。エッチングガスの流量は、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）を４０ｍｌ／ｍｉｎ、塩素（Ｃｌ２）を８０ｍｌ／ｍｉｎ、メタン（ＣＨ４）＋アルゴン（Ａｒ）を２００ｍｌ／ｍｉｎ（メタン８ｍｌ／ｍｉｎ／アルゴン１９２ｍｌ／ｍｉｎ）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）＋アルゴン（Ａｒ）を２８０ｍｌ／ｍｉｎ（エチレン７ｍｌ／ｍｉｎ／アルゴン２７３ｍｌ／ｍｉｎ）、処理圧力を１．９Ｐａに制御してエッチングを行った。その結果、狭ピッチでもサイドエッチングが無く垂直加工が可能となり異方性形状が得られている。
【００２５】
図５に、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、塩素（Ｃｌ２）、メタン（ＣＨ４）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、アルゴン（Ａｒ）の混合ガス比率とサイドエッチング量およびＣＤ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）シフト量の関係を示す。三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）４０ｍｌ／ｍｉｎ、塩素（Ｃｌ２）８０ｍｌ／ｍｉｎ、メタン（ＣＨ４）＋エチレン（Ｃ２Ｈ４）＋アルゴン（Ａｒ）の総流量を４８０ｍｌ／ｍｉｎと一定とし、メタン（ＣＨ４）／エチレン（Ｃ２Ｈ４）の混合比を変更させた。図中の曲線Ａはサイドエッチング量、曲線ＢはＣＤシフト量を示す。
【００２６】
この実験結果から明らかなように、メタン（ＣＨ４）に対してエチレン（Ｃ２Ｈ４）の比率を高めることによってサイドエッチング量は低減し、逆にエチレン（Ｃ２Ｈ４）  に対してメタン（ＣＨ４）  の比率を高めることによってＣＤシフト量は低減する傾向がある。一般に配線ピッチが２６０ｎｍ以下クラスの製品デバイスでは、サイドエッチング量５ｎｍ以下、ＣＤシフト量４０ｎｍ以下の許容値が求められる。そのため、添加されるメタン（ＣＨ４）／エチレン（Ｃ２Ｈ４）の流量は、混合ガス全量に対する割合が、メタン（ＣＨ４）２０〜８０％、エチレン（Ｃ２Ｈ４）８０〜２０％の範囲であれば許容値を満足することができる。
【００２７】
図６に、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、塩素（Ｃｌ２）、メタン（ＣＨ４）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、アルゴン（Ａｒ）の混合ガス比率とサイドエッチング量およびＣＤシフト量の関係を示す。アセチレン（Ｃ２Ｈ２）  の分子構造Ｃ−Ｃ結合が３重結合であるため、エチレン（Ｃ２Ｈ４）と同様に側壁保護作用の強いＣＣｌｘを効率的に生成することが出来る。また、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）も爆発性があるため、爆発範囲２．５〜８１％以下になるようアルゴン（Ａｒ）９７．６％、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）２．４％の割合で混合されたガスを使用した。ガス流量は、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）４０ｍｌ／ｍｉｎ、塩素（Ｃｌ２）８０ｍｌ／ｍｉｎ、メタン（ＣＨ４）＋アセチレン（Ｃ２Ｈ２）＋アルゴン（Ａｒ）の総流量を４８０ｍｌ／ｍｉｎと一定とし、メタン（ＣＨ４）／アセチレン（Ｃ２Ｈ２）の混合比を変更させた。
【００２８】
図中の曲線Ｃはサイドエッチング量、曲線ＤはＣＤシフト量を示す。この実験結果から、添加されるメタン（ＣＨ４）／アセチレン（Ｃ２Ｈ２）の流量は、混合ガス全量に対する割合が、メタン（ＣＨ４）２０〜８０％、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）８０〜２０％の範囲であれば、製品デバイスの許容値を満足することができる。
【００２９】
図７に、各混合ガスのプラズマによって図１に示す試料をエッチングした場合のパーティクル発生量とウエハ処理枚数の関係を示す。なお、ここでは、１２インチ径のウエハサイズのものを使用した。曲線Ｅは、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、塩素（Ｃｌ２）、メタン（ＣＨ４）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、アルゴン（Ａｒ）の混合ガス、曲線Ｆは、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、塩素（Ｃｌ２）、メタン（ＣＨ４）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、アルゴン（Ａｒ）の混合ガスである。但し、各ウエハ処理の間には、酸素（Ｏ２）プラズマ放電によるエッチング処理室内のプラズマクリーニングを実施している。その結果、いずれの混合ガスも処理枚数５０００枚を行っても、パーティクル粒径０．１３μｍ以上が３０ヶ以下に推移しており、狭ピッチを有する製品デバイスに十分量産適用が可能と考えられる。
【００３０】
図８に、高周波印加バイアスを連続バイアス及びＴＭバイアスを用いた時のエッチング形状比較を示す。表１に、エッチング条件を示す。（Ａｌ−Ｃｕ膜エッチング条件のみ開示。）エッチングガスは、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、塩素（Ｃｌ２）、メタン（ＣＨ４）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、アルゴン（Ａｒ）の混合ガス、処理圧力は１．９Ｐａ、ＵＨＦ波電力は６００Ｗ、高周波バイアス電力は、連続バイアス時が８０Ｗ、ＴＭバイアス時が４００Ｗ、電極温度は５０℃とした。
【表１】
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【００３１】
その結果、ＴＭバイアスを用いた方が二酸化シリコン（ＳｉＯ２）マスクがより多く残っており、対マスク選択比が高いことがわかる。これは、高周波バイアスの電力印加のオンとオフ期間を制御することにより、マスクに対する選択性が向上している。つまり、アルミニウム銅（Ａｌ−Ｃｕ）の表面では、アルミニウム（Ａｌ）と塩素（Ｃｌ２）ラジカルが反応し、高周波バイアス電力印加のオン、オフ期間に係わらずエッチングが進行する。
【００３２】
一方、一酸化シリコン（ＳｉＯ）は、イオン性エッチングが主体となるため、高周波バイアス電力印加のオン期間は、エッチングが進行するが、オフ期間はほとんどエッチングされない。この差によって、対一酸化シリコン（ＳｉＯ）選択比が向上する。またＴＭバイアスは、オン期間にイオン加速エネルギ−を増加させイオンの垂直入射性を向上させることにより、高異方性加工が得られやすい特徴もある。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施例である金属膜の構成図。
【図２】本発明の実施例である処理装置の概略図。
【図３】本発明の実施例である処理装置の装置構成を示す図。
【図４】本発明の実施例である加工形状の一例を示す図。
【図５】本発明の実施例である混合ガス比率とサイドエッチング量およびＣＤシフト量の関係を示す図。
【図６】本発明の実施例である混合ガス比率とサイドエッチング量およびＣＤシフト量の関係を示す図。
【図７】本発明の実施例であるパーティクル発生量とウエハ処理枚数の関係を示す図。
【図８】本発明の実施例である加工形状の一例を示す図。
【符号の説明】
【００３４】
１    シリコンウエハ
２    二酸化シリコン（ＳｉＯ２）
３    バリアメタル層
４    金属膜
５    キャップメタル層
６    ハードマスク
１０    ＵＨＦ波
１１    アンテナ
１２    エッチング処理室
１３    プロセスガス
１４    シャワープレート
１５    ソレノイドコイル
１６    電極
１７    試料
１８    ヒータ
１９    排気ポンプ
２０    温調器
２１    ＴＭバイアス電源
２２    大気ローダ
２３    ロードロック室
２４    アンロードロック室
２５    真空搬送室
２６    真空搬送ロボット
２７    第１のカセット
２８    第２のカセット
２９    第３のカセット
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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