(57)【要約】【課題】高アスペクト比を有する銅含有アルミニウム膜及びバリアメタル膜のドライエッチングにおいて、良好な加工形状を実現する。【解決手段】絶縁膜上に、高融点金属を含有する金属導電膜と、銅含有アルミニウム膜と、マスク層を順次形成し、ドライエッチングによってこの金属導電膜及び銅含有アルミニウム膜の配線パターンを形成するドライエッチング方法を前提とする。そして、このようなドライエッチング方法において、炭化水素系ガスを含まない塩素系ガスを用いて上記銅含有アルミニウム膜をエッチングする工程と、炭化水素系ガスを含む塩素系ガスを用いて上記金属導電膜をエッチングする工程とを備える。即ち、銅含有アルミニウム膜の側壁保護に効果のあるメタンガスを、銅含有アルミニウム膜のドライエッチングが終了した後に添加することで、サイドエッチングを防止するのである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜上に、高融点金属を含有する金属導電膜と、銅含有アルミニウム膜と、マスク層を順次形成し、ドライエッチングによって該金属導電膜及び該銅含有アルミニウム膜の配線パターンを形成するドライエッチング方法において、
炭化水素系ガスを含まない塩素系ガスを用いて上記銅含有アルミニウム膜をエッチングする工程と、
炭化水素系ガスを含む塩素系ガスを用いて上記金属導電膜をエッチングする工程と、
を備えることを特徴とする、ドライエッチング方法。
【請求項２】
上記炭化水素系ガスが、メタン、エチレンまたはプロパンである、請求項１に記載のドライエッチング方法。
【請求項３】
上記配線パターンの配線間隔に関するアスペクト比が1.5以上である、請求項１に記載のドライエッチング方法。
【請求項４】
上記銅含有アルミニウム膜の膜厚が450nm以上700nm以下である、請求項１又は３に記載のドライエッチング方法。
【請求項５】
上記金属導電膜の膜厚が100nm以上である、請求項１、３又は４に記載のドライエッチング方法。
【請求項６】
上記絶縁膜がシリコン酸化膜である、請求項１に記載のドライエッチング方法。
【請求項７】
上記マスク層が有機膜であり、ドライエッチング前における上記絶縁膜上面から該有機膜上面までの高さの、配線間隔に対するアスペクト比が5以上である、請求項１、３、４又は５記載のドライエッチング方法。
【請求項８】
上記金属導電膜をドライエッチングする際の、上記炭化水素系ガスの流量が上記塩素系ガスの流量より多い、請求項１に記載のドライエッチング方法。
【請求項９】
上記金属導電膜をドライエッチングする際の、上記炭化水素系ガスを含む塩素系ガスの圧力が6mTorrから15mTorrである、請求項１又は７に記載のドライエッチング方法。
【請求項１０】
上記金属導電膜をドライエッチングする際の、反応室内のガス滞在時間が0.15secから0.3secである、請求項１、８又は９に記載の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、半導体基板上に形成された銅含有アルミニウム膜及び金属導電膜(バリアメタル膜)を積層した配線のパターン形成方法で、特に高アスペクト比の配線パターンを、良好な仕上がり加工形状を得ながら低欠陥で微細加工するドライエッチング技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路装置の高集積化、高機能化及び高速化に伴って、銅配線を有する集積回路としてシステムLSIのみならず撮像素子もまた注目されている。しかしながら電荷結合素子(CCD : Charge Coupled Device)型の撮像素子の動画配線材料には従来の銅含有アルミニウム膜及びチタン系のバリアメタル膜が用いられている。
【０００３】
ここで動画配線とは、受光素子であるフォトダイオードに蓄積された電荷を、垂直CCD部から水平CCD部に転送する箇所で、縦横方向の画素数を上げるために、複数の画素信号をミックスさせるための配線である。この複数画素信号をミックスさせるためには、図8に示すように、縦横方向の信号振り分け部の配線ライン31が斜め配線等複雑な配線パターンになるため、この動画配線部では微細加工が重要になる。
【０００４】
一方、撮像素子のボンディングパッドの構造にも、従来の銅含有アルミニウム膜が用いられている。従来の撮像素子は、斜め配線等の微細パターンを有する動画配線部と他に比べて金属膜厚が厚いボンディングパッド部がそれぞれ異なる2つの配線用金属層を用いて形成され、銅含有アルミニウム膜を基本とした2層メタル構造となっている。また、これらの配線パターン形成には主に塩素系ガスによるプラズマドライエッチング技術が用いられる。
【０００５】
しかし、近年、低コスト化高性能化のため最新の撮像素子は、この動画配線部とボンディングパッド部とを同一配線用金属層を用いて形成する構造が提案されており、これらを一体化し銅含有アルミニウム膜を基本とした１層メタル構造では、微細な動画配線機能と厚膜ボンディングパッド機能の両方を満たす必要がある。そのため、配線は高アスペクト比を有する構造が要求されることとなり、高精度なドライエッチング加工が必要となる。
【０００６】
そこで、高アスペクト比を有する銅含有アルミニウム膜及びバリアメタル膜パターンのドライエッチングにおいて、良好な垂直形状が得られ、残渣もなく低欠陥が実現できるドライエッチング技術が提案されている。以下、下記の特許文献1に示されている、積層メタル配線のドライエッチング方法について説明する。
【０００７】
特許文献1に記載された発明では、アルミ合金膜とバリアメタル膜とで、エッチングに使用するガスを変更している。アルミ合金膜は塩素系、バリアメタル膜は臭素系としており、積層メタル配線のアルミ合金膜をエッチングするガス系と、バリアメタル膜をエッチングするガス系を変えている事が特徴である。また、アルミ合金膜のエッチング後にマスク材であるレジスト除去のアッシング工程が入っている。そのことで、良好な加工形状が得られるとしている。
【０００８】
また、下記の特許文献2に示されている、アルミニウム合金膜及びバリアメタル膜のエッチングにおいては、BCl3／Cl2系ガスとCH系のガスを混合してエッチングすることにより、Hと残留Clを反応させて残留Clを除去する。そのことで、アルミニウム膜のサイドエッチングを防止することが出来るとしている。積層メタル配線のアルミ合金膜とバリアメタル膜で、同じCH添加ガス系でエッチングしている事が特徴である。
【０００９】
また、下記の特許文献3に示されている、アルミニウム合金膜のエッチングにおいては、主エッチングガスにCH4ガスを添加すると良く、その流量は全体の10％程度と記載されている。積層メタル配線として、アルミ合金膜のみ言及しバリアメタル膜に関しては述べられていない。以上のようなドライエッチング方法を用いることにより、良好な断面形状を有するアルミニウム膜配線を形成している。
【特許文献１】特開平５−６７６１４号公報
【特許文献２】特開平６−１０４２２２号公報
【特許文献３】特開昭６０−１６９１４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、撮像素子の配線構造は、上に述べたように低コスト化のために動画配線部とボンディングパッド部を同一配線層で形成するメタル配線構造が必須であるとされている。ところが、このように銅含有アルミニウム膜を基本とした１層メタル構造では、微細な動画配線機能パターンと厚膜のボンディングパッド機能の両方を満たす必要がある。このため、動画配線の間隔は狭くなり且つ膜厚が厚くなるため、従来のメタル配線デザインルールに比べて著しく(メタル配線膜厚／配線間隔)で表されるアスペクト比が高くなる。
【００１１】
このような高アスペクト比の配線間隔を加工する場合、従来のドライエッチング方法では、側壁保護を必要とするメタル配線膜厚に対して、配線間から発生する側壁保護成分であるドライエッチング反応生成物の割合が小さくなる。よって、ドライエッチング中に、銅含有アルミニウム膜の側壁保護効果が得られにくくなり、従来のドライエッチング方法では、概ねアスペクト比が1.5以上になると、仕上がりがサイドエッチング等の不良形状になってしまうという問題があった。
【００１２】
具体的な従来例では、特許文献1においては、アルミ合金膜の側壁表面が臭素系ガスに曝されるため、サイドエッチングを増殖し良好な加工形状が得られない。
また特許文献2においては、アルミニウム膜をエッチングする時から側壁保護効果を有するCH系のガスを添加しているので、サイドエッチングは防止出来るが、側壁保護膜であるC成分が増加する。このため、高アスペクト比を有する銅含有アルミニウム膜及びバリアメタル膜の配線では、そのラインアンドスペース部は孤立した配線部に比べると、反応生成物堆積効果の差異により、エッチングレートが遅くなる。すなわちローディング効果が顕著となり、場合によってはエッチングの停止が発生してしまうことになる。
【００１３】
また特許文献3においては、銅含有アルミニウム膜のエッチングにCH4ガスを添加すると記載されているが、例えばガス流量の割合が、BCl3＝40sccm／Cl2＝40sccm／CH4＝10sccmのように、CH4ガスの総流量に対する割合が10％以上の時にはエッチングの停止が起こる。その理由は、この技術では、反応室内の圧力が33Pa(約248mTorr)と高くガス滞在時間が長いため(ガス滞在時間＝圧力×反応室容積÷ガス総流量、の計算式で示されるため、圧力が高いとガス滞在時間は長くなる。)、反応生成物の排気が促進され難いためである。
【００１４】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、高アスペクト比を有する銅含有アルミニウム膜及びバリアメタル膜のドライエッチングにおいて、良好な加工形状を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するため、本発明では、以下のような手段を採用している。
【００１６】
まず、本発明は、絶縁膜上に、高融点金属を含有する金属導電膜と、銅含有アルミニウム膜と、マスク層を順次形成し、ドライエッチングによってこの金属導電膜及び銅含有アルミニウム膜の配線パターンを形成するドライエッチング方法を前提としている。
【００１７】
そして、このようなドライエッチング方法において、炭化水素系ガスを含まない塩素系ガスを用いて上記銅含有アルミニウム膜をエッチングする工程と、炭化水素系ガスを含む塩素系ガスを用いて上記金属導電膜をエッチングする工程とを備える。即ち、銅含有アルミニウム膜の側壁保護に効果のあるメタンガスを、銅含有アルミニウム膜のドライエッチングが終了した後に添加することで、サイドエッチングを防止するのである。
【００１８】
ここで、上記炭化水素系ガスは、メタン、エチレンまたはプロパンが好適である。そして、上記配線パターンの配線間隔に対するアスペクト比は1.5以上である。また、上記銅含有アルミニウム膜の膜厚は450nm以上700nm以下である。
【００１９】
さらに、上記金属導電膜の膜厚は100nm以上とし、上記絶縁膜はシリコン酸化膜とする。また、上記マスク層を有機膜とし、ドライエッチング前における上記絶縁膜上面からこの有機膜上面までの高さの、配線間隔に関するアスペクト比を5以上とする。
【００２０】
そして、上記金属導電膜をドライエッチングする際には、上記炭化水素系ガスの流量が上記塩素系ガスの流量より多いようにし、これらの混合ガスの圧力は6mTorrから15mTorrとし、反応室内のガス滞在時間は0.15secから0.3secとする。これにより、エッチングの停止が起こることを防止できるのである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係るドライエッチング方法によると、銅含有アルミニウム膜をエッチングの停止を起こさずにエッチングすることが可能であり、これに続いて金属導電膜(バリアメタル膜)をエッチングしつつ銅含有アルミニウム膜の側壁を保護することができる。従って、サイドエッチングを発生させることなく良好な加工形状が得られ、撮像素子等の様な高アスペクト比を有するメタル配線構造の、高精度ドライエッチング微細加工が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態に係るドライエッチング方法について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
図8に、CCD(Charge Coupled Device)撮像素子で使用される1層メタル動画配線のレイアウト例を示す。配線31の膜厚は700nm及び幅は400nm、配線間隔32の幅は450nmである。
【００２４】
図7（a）に、1層メタル配線にした場合の配線構造の断面図を示す。層間絶縁膜43内部において、ゲート電極41が、コンタクト42により上層の配線と接続されており、このコンタクト42の内部にはタングステンが埋め込まれている。そして、層間絶縁膜43上にメタル1層構造でのメタル配線膜44が形成される。メタル1層構造でのメタル配線膜44の膜厚は700nmであり、幅は400nmである。
【００２５】
また図7（b）に、2層メタル配線にした場合の配線構造の断面図を示す。配線間層間絶縁膜47内部において、メタル2層構造での下層メタル配線膜45の上部に、メタル配線間を接続するコンタクト46が形成され、このコンタクト46の内部にはタングステンが埋め込まれている。配線間層間絶縁膜47の上には、メタル2層構造での2層目パッド配線膜48が形成される。このメタル2層構造での下層メタル配線膜45の膜厚は130nm、幅は400nmであり、また2層目パッド配線膜48の膜厚は570nm、幅は2000nmである。
【００２６】
図7における2種類の配線構造からわかるように、2層配線を用いる場合には下層メタル配線45の膜厚を薄くでき、配線同士が接近していても配線間隔に対するアスペクト比は大きくならない。しかし、1層メタル配線構造ではメタル配線44の膜厚が大きくなるので配線同士が接近していると配線間隔に対するアスペクト比が大きくなる。
【００２７】
まず、図1に、図7（a）に示す１層メタル配線構造において、配線同士が接近して複数形成されるときの、メタル配線構造のドライエッチング工程断面図を示す。
【００２８】
図1（a）は、シリコン基板11上に、絶縁膜12、TiN／Ti金属導電膜(バリアメタル膜)13、銅含有アルミニウム膜14（銅含有率1％）が形成されている。本実施形態では、この配線構造の上に形成される保護膜への銅の拡散を防止するために、銅含有アルミニウム膜14の上に、バリアメタル膜であるTiN膜15を形成している。TiN膜15上には、これらTiN／Tiバリアメタル膜13、銅含有アルミニウム膜14及びTiN膜15をパターニングするためのレジスト膜16が形成されている。ここで、レジスト膜16には有機膜を用いる。その理由は、エッチング中のこの有機膜との反応生成物であるC成分が、銅含有アルミニウム膜14の側壁保護に寄与するためである。
【００２９】
図1（b）は、ドライエッチング工程において、銅含有アルミニウム膜14までをエッチングした様子である。図1（c）は、さらにTiN／Tiバリアメタル膜13までをエッチングした様子であり、下地である絶縁膜12（例えば、シリコン酸化膜もしくは窒化膜）が露出している。
【００３０】
本実施形態のドライエッチングには、図2に示すような誘導結合型プラズマ（Inductively  Coupled  Plasma；以降ICPと略す）を用いている。反応室21内に被エッチングウエハー22を設置する下部電極23を備え、これがバイアス高周波電源24に接続されている。また、ICPコイル25が被エッチングウエハー22に対向して反応室21上部に設定されており、高周波電源26に接続されている。
【００３１】
以下本発明のドライエッチング方法について説明する。
【００３２】
被エッチングウエハー22のメタル膜構成は、図1(a)の通りである。実際には、配線設計によりさらに多数のメタル配線が並んでいる。それぞれの膜厚は、レジスト膜16が1.6μm、TiN膜15が20nm、銅含有アルミニウム膜14が550nm、TiN／Tiバリアメタル膜13がTiN部分100nm、Ti部分30nm、絶縁膜12が300nmである。また寸法は、配線幅が350nm、配線間隔が450nmであり、メタル配線の配線間隔に対するアスペクト比は、(20＋550＋(100＋30))／450＝1.56である。また、絶縁膜12の上面からレジスト膜16上面までの全体の高さの配線間隔に対するアスペクト比は、(1600＋20＋550＋(100＋30))／450＝5.11である。
【００３３】
本発明のドライエッチング方法は、このようなメタル配線の配線間隔に対するアスペクト比が1.5以上、全体の高さの配線間隔に対するアスペクト比が5以上といった高アスペクト比の場合に特に効果がある。即ち、アスペクト比が高くなると、エッチングに用いるガスが銅含有アルミニウム膜14に届く比率が少なくなる。即ち、イオンアシストによるエッチング成分が少なくなる。このため、銅含有アルミニウム膜14のエッチングの進行が滞ることになる。そこで、本発明では、下記の通り、銅含有アルミニウム膜14のエッチングには、炭化水素系ガスを含まない塩素系ガスを用い、その後のエッチングには炭化水素系ガスを含まない塩素系ガスを用いることにしている。
【００３４】
次に、本実施形態のドライエッチング工程の条件を表1から3に示す。これらの表において、メインエッチとは、TiN膜15及び銅含有アルミニウム膜14までのエッチングを指し、オーバーエッチとはさらにTiN／Tiバリアメタル膜13までのエッチングを指す。また、ICPパワーとはICPコイル25に印加する電力であり、RFパワーとは下部電極23に印加する電力である。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
表1は、メインエッチ及びオーバーエッチ共にCH4ガス添加なしの条件である。
【００３７】
【表２】
2009054682.tif 000004
【００３８】
表2は、メインエッチはCH4ガス添加なしでオーバーエッチはCH4添加ありの条件である。
【００３９】
【表３】
2009054682.tif 000005
【００４０】
表3は、メインエッチ及びオーバーエッチ共にCH4ガス添加ありの条件である。
【００４１】
以上の中で、本発明のドライエッチング方法は、表2の場合である。
【００４２】
表1,2,3の各条件で実際にドライエッチングした結果を図3に示す。図3（a）は、表1の条件での断面形状である。メインエッチ及びオーバーエッチ共にCH4ガスの添加が無い場合は、銅含有アルミニウム膜14側壁にサイドエッチングが発生しており良好な形状は得られない。それは、C系の側壁保護成分が不足しているためである。
【００４３】
図3（b）は、表2の条件での断面形状であり、本発明の実施形態によるエッチングの結果である。メインエッチ時にはCH系ガスの添加がないが、オーバーエッチ時には堆積性のCH系ガスが添加されている。これにより、TiN／Tiバリアメタル膜13のエッチング時に、CH系ガスからのCを含有する反応生成物が銅含有アルミニウム膜14側壁を保護するためにほぼ垂直な断面形状を保持する。一方、TiN／Tiバリアメタル膜13は薄いのでエッチング時間が短く、Cを含有する反応生成物に起因するエッチングの停止も発生しない。なお、このCH系ガスとしては、メタン、エチレンまたはプロパンが好適である。それは、ガスの値段が比較的安価であるため低コストで量産性が高いためである。また、オーバーエッチ時にはCH系ガスの流量をCl系ガスの流量よりも多くするのが望ましい。これは、銅含有アルミニウム膜14の側壁サイドエッチングを抑制するためであり、良好な銅含有アルミニウム膜14の垂直形状を実現出来るからである。
【００４４】
図3（c）は、表3の条件での断面形状である。メインエッチのときから堆積性のCH4ガスが添加されているため、過剰なC成分による堆積成分が生じる。この堆積成分が、エッチング途中の銅含有アルミニウム膜14の側壁やエッチング底面に付着するため、銅含有アルミニウム膜14が途中からドライエッチングが進行しておらず、エッチングの停止が発生している。以上のように、表1、表3の条件では、良好なメタル配線膜のドライエッチング加工は実現できない。
【００４５】
次に、図4に、本発明による表2の条件を用いたときに得られるエッチング性能の、オーバーエッチ段階における反応室21内の圧力依存性を示す。圧力6mTorr以下ではイオンの被エッチング膜表面に対する入射垂直成分が強いため、マスクであるレジスト膜16に対する選択比R（＝銅含有アルミニウム膜14のエッチング速度／レジスト膜16のエッチング速度）が低くなる(実線)。
【００４６】
このため、レジスト膜16の一部がエッチングされ、図6に示すようにメタル配線の上部であるTiN膜15及び銅含有アルミニウム膜14の形状が崩れてしまう。また圧力15mTorr以上ではイオンに対するラジカルの割合が多くなり、またイオンの配線側壁への斜め入射成分も増えるため、サイドエッチングが発生してしまう。この結果から、オーバーエッチ段階におけるエッチングガスの圧力は6mTorr以上15mTorr以下の範囲が望ましい。この範囲内ではTiN膜15−銅含有アルミニウム膜14−TiN／Ti膜13のエッチング側壁と基板下地膜とのなす角(図3(b)の角度θ)を90°〜88°という良好な形状にすることができる(一点鎖線)。
【００４７】
また図5に、本発明による表2の条件を用いたときに得られるエッチング性能の、オーバーエッチ段階における反応室21内のガス滞在時間(＝圧力×反応室容積÷ガス総流量)依存性を示す。なお、ここで定義するガスとは、反応性ガス及び反応生成ガスを指している。そして、ガス滞在時間0.15sec以下では、銅をエッチングする作用があり、反応生成ガスであるAlClxの滞在時間が短いため配線間に銅残渣が出やすくなる。図5の実線は銅残渣の個数Mの変化を示している。
【００４８】
また一方で、ガス滞在時間0.30sec以上ではClガスが長く滞在して過多となるためClラジカルリッチとなり側壁保護成分が相対的に不足するため、サイドエッチングが入りやすくなる。この結果からオーバーエッチ段階におけるガスの滞在時間は0.15sec以上0.30sec以下となるように制御することが望ましい。なお、この範囲内では、上記図3(b)の角度θを90°〜88°という良好な形状にすることができる(一点鎖線)。
【００４９】
以上説明したように、本発明によるドライエッチング方法では、銅含有アルミニウム膜14の側壁保護に効果のあるCH4ガスを、銅含有アルミニウム膜14のドライエッチングが終了した後の、TiN／Tiバリアメタル膜１３のドライエッチングの際に添加する。このことで、アスペクト比（＝メタル配線膜厚／配線間隔）1.5以上を有する高アスペクト比メタル配線構造の形状が良好なドライエッチング加工が可能となる。
【００５０】
なお、本実施形態ではCH系の添加ガスとしてCH4を用いたが、それ以外のCH系ガスであるC2H4等を用いた場合でも、同様の効果が得られることは言うまでもない。また、ドライエッチング装置として、高真空高密度プラズマであるICPを用いたが、UHF領域の2周波、3周波RIE(Reactive Ion Etching)等の高周波プラズマ源を用いた場合でも、同様の効果が得られる。さらに、採用デバイスとして、上記実施形態ではCCD型撮像素子の銅含有アルミニウム膜配線の微細加工に適用したが、フラッシュメモリーの、同じく高アスペクト比の配線間隔になりやすい銅含有アルミニウム膜配線の微細加工にも有用である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明に係るドライエッチング方法は、銅含有アルミニウム膜をエッチングの停止を起こさずにエッチングすることが可能であり、これに続いて金属導電膜(バリアメタル膜)をエッチングしつつ銅含有アルミニウム膜の側壁を保護することができる。従って、サイドエッチングを発生させることなく良好な加工形状が得られるため、撮像素子等の様な高アスペクト比を有するメタル配線構造の、高精度ドライエッチング微細加工方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】メタル配線構造のドライエッチング工程断面図。
【図２】本発明に用いた誘導結合型(ICP)ドライエッチング装置図。
【図３】ドライエッチング後の配線パターンの断面図。
【図４】ドライエッチング特性の圧力依存性。
【図５】ドライエッチング特性のガス滞在時間依存性。
【図６】配線パターンの崩れを示す断面図。
【図７】配線構造の断面図。
【図８】動画配線のレイアウト例。
【符号の説明】
【００５３】
11  シリコン基板
12  絶縁膜
13  TiN/Tiバリアメタル膜
14  銅含有アルミニウム膜
15  TiN膜
16  レジスト膜
21  反応室
22  被エッチングウエハー
23  下部電極
24  バイアス高周波電源
25  ICPコイル
26  ICP高周波電源
31  配線ライン
32  配線間スペース
41  ゲート電極
42  ゲート配線間コンタクト
43  ゲート配線間層間絶縁膜
44  メタル1層構造でのメタル配線膜
45  メタル2層構造での1層目メタル配線膜
46  メタル配線間コンタクト
47  配線間層間絶縁膜
48  メタル2層構造での2層目パッド配線膜
【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】
2009054682.tif 000011
【図７】
2009054682.tif 000012
【図８】
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