説明

電気めっき方法

【課題】たとえ銅シード層に比べて誘電率の低いRu等からなる補助金属層に覆われたビアホールや、Ru等からなる補助金属層が一部に露出したビアホールであっても、ビアホールの内部に、内部にボイド等の欠陥を生じさせることなく、銅等のめっき金属を確実に埋込むことができるようにする。
【解決手段】表面にビアホールが形成された基板を前処理液に浸漬させて前処理を行い、基板とアノードとの間に電圧を印加することなく、基板をめっき液に浸漬させてビアホール内の前処理液をめっき液に置換し、基板とアノードとの間に印加される電圧を、ビアホール内にめっき金属を埋込むのに適した電流が基板とアノードとの間を安定して流れるのに必要な電圧または該電圧より高い電圧に制御して第1段電気めっきを行い、基板とアノードとの間を流れる電流を、ビアホール内にめっき金属を埋込むのに適した電流に制御して第2段電気めっきを行う。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は電気めっき方法に関し、特に、内部に上下に貫通する多数の貫通電極(ビアプラグ)を有し、半導体チップ等のいわゆる3次元実装に使用される基板を製造する際に、基板に予め設けられたビアホール内に銅等の金属を埋込むのに使用される電気めっき方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体基板を多層に積層させる際に各層間を導通させるための手段として、基板の内部に上下に貫通する複数の銅等の金属からなる貫通電極を形成する技術が知られている。内部に銅からなる貫通電極を有する基板の製造例を図1を参照して説明する。先ず、図1(a)に示すように、シリコンウェーハ等からなる基材10の内部に、例えばリソグラフィ・エッチング技術により、上方に開口する複数のビアホール12を形成し、ビアホール12の表面を含む全表面にTi(チタン)等からなるバリア層14を、バリア層14の表面に銅シード層16をPVD等により順次形成した基板Wを用意する。ビアホール12の直径dは、例えば2〜50μm、特に10〜20μmで、深さhは、例えば20〜150μmである。
【0003】
なお、バリア層14としては、Tiの他に、Ta(タンタル)またはW(タングステン)、またはこれらの窒化物などが用いられる。このことは、以下同様である。
【0004】
次に、基板Wの表面に、銅シード層16をカソードとした電気銅めっきを施すことで、図1(b)に示すように、基板Wのビアホール12の内部にめっき金属(銅)18を埋込むとともに、銅シード層16の表面にめっき金属18を堆積させる。
【0005】
その後、図1(c)に示すように、化学的機械的研磨(CMP)等により、基材10上の余剰な銅シード層16及びめっき金属18を除去し、更に、ビアホール12内に充填しためっき金属18の底面が外部に露出する、例えば2点鎖線で示す位置まで基材10の裏面側を研磨除去する。これによって、上下に貫通する銅(めっき金属18)からなる複数の貫通電極を内部に有する基板Wを完成させる。
【0006】
ビアホール12は、直径に対する深さの比、即ちアスペクト比が一般に大きく、深さも深い。通常、このようなアスペクト比が大きく、深い深さのビアホール12内に電気めっきによって成膜される銅(めっき金属)を、内部にボイド等の欠陥を生じさせることなく完全に埋込むためには、ビアホール12の内部に優先的にめっき金属を成長させる、いわゆるボトムアップ成長が必要となる。このため、めっき液として、例えばSPS(ビス(3−スルホプロピル)ジスルファイドからなるめっき促進剤、PEG(ポリエチレングリコール)からなる抑制剤、及びPEI(ポリエチレンイミン)からなるレベラ(平滑化剤)といった各種添加剤を含むめっき液が一般に使用される。これらの添加剤は、基板の表面に吸着することでそれぞれの効果を示す。
【0007】
ここに、PVDは、一般にステップカバレッジが低い。このため、PVDによって、バリア層14の表面に連続した銅シード層16を形成するためには、銅シード層16の膜厚を、例えば800〜1000nm程度とかなり厚くする必要があり、シード層の膜厚をより薄くすることが求められている。
【0008】
このため、図2に示すように、ビアホール12の表面を含む基板Wの全表面にスパッタリング等で形成したTi等からなるバリア層14の表面に、Ru(ルテニウム)からなる補助金属層(シード層)20を、コンフォーマルなCVDにより形成し、この補助金属層20をカソードとした電気銅めっきを行って、めっき金属(銅)の埋込みを行うようにしたり(特許文献1参照)、図3に示すように、Ruからなる補助金属層20の表面に、更に銅シード層22を形成したりすることが提案されている(特許文献2参照)。なお、図3は、膜厚が100〜300nm程度の銅シード層22を、一般的なPVDで形成した状態を示している。
【0009】
出願人は、シード層とアノードとの間に、電流密度が4〜20A/dm2の直流電流を0.1〜5s通電して初期めっき膜を形成した後、シード層とアノードとの間に、電流密度0.5〜5A/dm2の直流電流を通電して二次めっき膜を形成することを提案している(特許文献3参照)。更に、出願人は、基板とアノードとの間にステップ状に変化させたステップ電圧を印加すること(特許文献4参照)や、ルテニウム膜を有する基板表面をめっき液に所定時間接触させてめっき液中の添加剤をルテニウム膜に吸着させ、しかる後、電気めっきによりルテニウム膜の表面にめっき膜を成膜することを提案している(特許文献5参照)。また、陰極電流密度5〜10A/dmで10秒〜5分間の電気めっきを行った後、陰極電流密度0.5〜3A/dmで15〜180分間の電気めっきを行うことが提案されている(引用文献6参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】特開2007−247062号公報
【特許文献2】特開2008−244298号公報
【特許文献3】特許第3641372号
【特許文献4】特開2005−97732号公報
【特許文献5】特開2009−30167号公報
【特許文献6】特許第3780302号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
電気めっきによって形成されるめっき金属(めっき膜)の膜厚は、めっき中の電流密度に比例する。このため、電気めっきでビアホールの内部にめっき金属を埋込む時には、この埋込みに適した電流がビアホールを覆うシード層とアノードとの間を流れるように、電流を制御することが一般に行われている。また、めっき液として、前述のように、各種添加剤を含むものが使用される。
【0012】
しかしながら、例えば、図2に示す、アスペスト比が高く、深さの深い、Ruからなる補助金属層(シード層)20で覆われたビアホール12の内部に、内部にボイド等の欠陥が生じることを防止しつつ、電気めっきで銅等のめっき金属を確実に埋込むことは、たとえ各種添加剤を含むめっき液を使用したとしても、かなり困難であった。銅シード層で覆われたビアホールであれば、所定の電流密度でめっきすることにより、めっき金属をボイドなくビアホール内に埋込むことができるが、Ruからなる補助金属層(シード層)20の上に金属(銅)の埋込みを行うと、ビアホール内に埋込まれためっき金属中にボイドが生じてしまう。
【0013】
また、図3に示すように、Ruからなる補助金属層20の表面に、例えば膜厚が100〜300nm程度の銅シード層22を、一般的なPVDで形成すると、補助金属層20の全表面を銅シード層22で覆うことができず、ビアホール12の底部でRuからなる補助金属層20が外部に露出する。このような状態で、補助金属層20及び銅シード層22をカソードとして、電気めっきでめっき金属の埋込みを行うと、ビアホール内に埋込まれためっき金属中にボイドが生じてしまう。これは、補助金属層20のシート抵抗が銅シード層22に比べて高く、補助金属層20の表面にめっき金属が均一に析出しないためであると考えられる。
【0014】
本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、たとえ銅シード層に比べて導電率の低いRu等からなる補助金属層に覆われたビアホールや、Ru等からなる補助金属層が一部に露出したビアホールであっても、ビアホールの内部に、内部にボイド等の欠陥を生じさせることなく、銅等のめっき金属を確実に埋込むことができるようにした電気めっき方法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】
【0015】
上記目的を達成するため、本発明の電気めっき方法は、表面にビアホールが形成された基板を用意し、基板を前処理液に浸漬させて前処理を行い、基板と該基板と対向する位置に配置されるアノードとの間に電圧を印加することなく、基板をめっき液に浸漬させて前記ビアホール内の前処理液をめっき液に置換する。そして、基板と前記アノードとの間に印加される電圧を、前記ビアホール内にめっき金属を埋込むのに適した電流が基板と前記アノードとの間を安定して流れるのに必要な電圧または該電圧より高い電圧に制御して第1段電気めっきを行い、しかる後、基板と前記アノードとの間を流れる電流を、前記ビアホール内にめっき金属を埋込むのに適した電流に制御して第2段電気めっきを行う。
【0016】
ビアホール内にめっき金属を埋込むのに適した電流が基板とアノードとの間を安定して流れるのに必要な電圧または該電圧より高い電圧に制御して第1段電気めっきを行うと、基板とアノードとの間を流れる電流がめっき初期に一時的に高くなる。これによって、例えばRuからなる補助金属層の表面にめっき金属を均一に析出させることができる。これは、ビアホール内部の補助金属層表面のめっき成長が始まった部分にめっきを抑制する添加剤が優先的に吸着し、まだめっき成長が始まっていない補助金属層表面のめっき成長を促すためであると考えられる。そして、例えばRuからなる補助金属層の表面にめっき金属が均一に析出して、基板とアノードとの間を流れる電流が安定した後、基板とアノードとの間を流れる電流を、ビアホール内にめっき金属を埋込むのに適した電流に制御して第2段電気めっきを行うことで、めっき時間によってめっき析出量を管理しながら、ビアホールの底部から優先的に銅等のめっき金属が析出する、安定したボトムアップ成長を起こさせて、ビアホール内にボイド等の欠陥のないめっき金属を埋込むことができる。
【0017】
前記基板とアノードとの間に電圧を印加することなく基板をめっき液に浸漬させる時間は、好ましくは、10〜60秒である。
例えばビアホールを銅シード層で覆っている基板の場合、基板とアノードとの間に電圧を印加することなく基板をめっき液に浸漬させる時間が長いと、銅シード層がめっき液によってダメージを受ける。このため、基板とアノードとの間に電圧を印加することなく基板をめっき液に浸漬させる時間は、サイズの小さなビアホール(例えば10〜50μm)を有する基板に対しては10〜20秒程度、サイズの大きなビアホール(例えば100μm)を有する基板に対しては、20〜60秒程度であることが好ましい。
【0018】
前記第1段電気めっきのめっき時間は、例えば1秒〜10分である。
これにより、第1段電気めっきで、例えばRuからなる補助金属層の表面にめっき金属を均一に析出させて、基板とアノードとの間を流れる電流を安定させることができる。
【0019】
前記第2段電気めっきを、基板と前記アノードとの間を流れる電流を段階的に変化させて行うようにしてもよい。
電気めっきの進行に伴って、ビアホール内にめっき金属が徐々に析出すると、ビアホールの未充填部のアスペクト比が変化する。ここに、アスペクト比が小さい程、高い電流で安定したボトムアップ成長を伴う埋込みめっきが可能となる。このため、めっき金属の埋め込み状態の変化、すなわちビアホールの未充填部におけるアスペクト比の変化に合わせて、基板と前記アノードとの間を流れる電流を段階的に変化させることで、めっき時間を短縮して生産性を向上させることができる。
【0020】
本発明の好ましい一態様において、前記めっき金属は銅で、前記ビアホールの表面の少なくとも一部には、銅以外の金属が露出している。この銅以外の金属は、例えばRuまたはCo、またはこれらの合金である。
これにより、表面の少なくとも一部にRuまたはCo、またはこれらの合金が露出しているビアホールの内部に、内部にボイド等の欠陥のない銅からなるめっき金属を埋込むことができる。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、アスペスト比が高く、埋込み深さの深いビアホールであって、たとえ銅シード層に比べて導電率の低いRu等からなる補助金属層に覆われたビアホールや、Ru等からなる補助金属層が一部に露出したビアホールであっても、ビアホールの内部に、内部にボイド等の欠陥を生じさせることなく、銅等のめっき金属を確実に埋込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】内部に上下に貫通する複数の銅からなる貫通電極を有する基板の製造例を工程順に示す図である。
【図2】ビアホールを含む基板表面を覆うバリア層の表面に補助金属層を形成した状態を示す断面図である。
【図3】ビアホールを含む基板表面を覆うバリア層の表面に補助金属層を形成し、補助金属層の表面に更に銅シード層を形成した状態を示す断面図である。
【図4】本発明の電気めっき方法に使用されるめっき処理設備の全体配置図である。
【図5】図4に示すめっき処理設備に備えられている搬送ロボットの概要図である。
【図6】図4に示すめっき処理設備に備えられているめっき装置の概略断面図である。
【図7】図4に示すめっき装置の攪拌パドル(攪拌具)を示す平面図である。
【図8】図7のA−A線断面図である。
【図9】(a)は、本発明の実施形態における、アノードと基板との間に印加される電圧と時間との関係を示すグラフで、(b)は、アノードと基板との間を流れる電流と時間との関係を示すグラフである。
【図10】(a)は、図3に示す基板の表面に電流を制御して電気めっきを行った時に、基板とアノードとの間に印加される電圧と時間との関係を示すグラフで、(b)は、アノードと基板との間を流れる電流と時間との関係を示すグラフである。
【図11】(a)は、本発明の他の実施形態における、アノードと基板との間に印加される電圧と時間との関係を示すグラフで、(b)は、アノードと基板との間を流れる電流と時間との関係を示すグラフである。本発明の実施形態において、貫通電極用凹部内に金属(銅)が充填される状態を工程順に示す図である。
【図12】(a)は、図2に示す基板の表面に電流を制御して電気めっきを行った時に、基板とアノードとの間に印加される電圧と時間との関係を示すグラフで、(b)は、アノードと基板との間を流れる電流と時間との関係を示すグラフである。
【図13】実施例1,2及び比較例1,2における、アノードと基板との間に印加される電圧と時間との関係を示すグラフである。
【図14】実施例1,2及び比較例1,2における、アノードと基板との間を流れる電流と時間との関係を示すグラフである。
【図15】実施例1によって、ビーホール内にめっき金属(銅)を埋込んだ後の状態を模式的に示す図である。
【図16】実施例2によって、ビーホール内にめっき金属(銅)を埋込んだ後の状態を模式的に示す図である。
【図17】比較例1によって、ビーホール内にめっき金属(銅)を埋込んだ後の状態を模式的に示す図である。
【図18】比較例2によって、ビーホール内にめっき金属(銅)を埋込んだ後の状態を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、以下の例では、基板の表面に電気銅めっきを行い、基板の表面に予め設けられたビアホールの内部に銅(めっき金属)を充填して、基板の内部に銅からなる貫通電極を形成するようにした例を示す。
【0024】
図4は、本発明のめっき方法に使用されるめっき処理設備の全体配置図を示す。このめっき処理設備は、基板の前処理、めっき処理及びめっきの後処理のめっき全工程を連続して自動的に行うようにしたもので、外装パネルを取付けた装置フレーム110の内部は、仕切板112によって、基板のめっき処理及びめっき液が付着した基板の処理を行うめっき空間116と、それ以外の処理、すなわちめっき液に直接には関わらない処理を行う清浄空間114に区分されている。そして、めっき空間116と清浄空間114とを仕切る仕切板112で仕切られた仕切り部には、基板ホルダ160(図5参照)を2枚並列に配置して、この各基板ホルダ160との間で基板の脱着を行う、基板受渡し部としての基板脱着台162が備えられている。清浄空間114には、基板を収納した基板カセットを載置搭載するロード・アンロードポート120が接続され、更に、装置フレーム110には、操作パネル121が備えられている。
【0025】
清浄空間114の内部には、基板のオリフラやノッチなどの位置を所定方向に合わせるアライナ122と、めっき処理後の基板を洗浄し高速回転させてスピン乾燥させる2台の洗浄・乾燥装置124が配置されている。更に、これらの各処理装置、つまりアライナ122及び洗浄・乾燥装置124のほぼ中心に位置して、これらの各処理装置122,124、基板脱着台162及びロード・アンロードポート120に搭載した基板カセットとの間で基板の搬送と受渡しを行う第1搬送ロボット128が配置されている。
【0026】
清浄空間114内に配置されたアライナ122、洗浄・乾燥装置124は、表面を上向きにした水平姿勢で基板を保持して処理する。搬送ロボット128は、表面を上向きにした水平姿勢で基板を保持して基板の搬送及び受渡しを行う。
【0027】
めっき空間116内には、仕切板112側から順に、基板ホルダ160の保管及び一時仮置きを行うストッカ164、基板の表面を、例えば純水(DIW)等の前処理液で洗浄するとともに、前処理液で濡らして親水性を良くする前処理(プリウェット処理)を行う前処理装置126、例えば基板の表面に形成したシード層表面の電気抵抗の大きい酸化膜を硫酸や塩酸などの無機酸またはクエン酸やシュウ酸などの有機酸溶液でエッチング除去する活性化処理装置166、基板の表面を純水で水洗する第1水洗装置168a、めっき処理を行うめっき装置170、第2水洗装置168b及びめっき処理後の基板の水切りを行うブロー装置172が順に配置されている。そして、これらの装置の側方に位置して、2台の第2搬送ロボット174a,174bがレール176に沿って走行自在に配置されている。この一方の第2搬送ロボット174aは、基板脱着台162とストッカ164との間で基板ホルダ160の搬送を行う。他方の第2搬送ロボット174bは、ストッカ164、前処理装置126、活性化処理装置166、第1水洗装置168a、めっき装置170、第2水洗装置168b及びブロー装置172の間で基板ホルダ160の搬送を行う。
【0028】
第2搬送ロボット174a,174bは、図5に示すように、鉛直方向に延びるボディ178と、このボディ178に沿って上下動自在でかつ軸心を中心に回転自在なアーム180を備えており、このアーム180に、基板ホルダ160を着脱自在に保持する基板ホルダ保持部182が2個並列に備えられている。基板ホルダ160は、表面を露出させ周縁部をシールした状態で基板Wを着脱自在に保持するように構成されている。
【0029】
ストッカ164、前処理装置126、活性化処理装置166、水洗装置168a,168b及びめっき装置170は、基板ホルダ160の両端部に設けた外方に突出する突出部160aを上端部に引っ掛けて、基板ホルダ160を鉛直方向に吊り下げた状態で支持する。前処理装置126には、例えば溶在酸素が2mg/L以下に脱気された純水(脱気DIW)等の前処理液を内部に保持する2個の前処理槽127が備えられ、図5に示すように、基板Wを装着した基板ホルダ160を鉛直状態で保持した第2搬送ロボット174bのアーム180を下降させ、基板ホルダ160を前処理槽127の上端部に引っ掛けて吊下げ支持することで、基板ホルダ160を基板Wごと前処理槽127内の前処理液に浸漬させて前処理(プリウェット処理)を行うように構成されている。活性化処理装置166には、内部に薬液を保持する2個の活性化処理槽183が備えられ、図5に示すように、基板Wを装着した基板ホルダ160を鉛直状態で保持した第2搬送ロボット174bのアーム180を下降させ、基板ホルダ160を活性化処理槽183の上端部に引っ掛けて吊下げ支持することで、基板ホルダ160を基板Wごと活性化処理槽183内の薬液に浸漬させて活性化処理を行うように構成されている。なお、活性化処理が必要ない場合は、活性化処理槽183を省くこともできる。
【0030】
同様に、水洗装置168a,168bには、内部に純水を保持した各2個の水洗槽184a,184bが、めっき装置170には、内部にめっき液を保持した複数のめっき槽186がそれぞれ備えられ、前述と同様に、基板ホルダ160を基板Wごとこれらの水洗槽184a,184b内の純水またはめっき槽186内のめっき液に浸漬させることで、水洗処理やめっき処理が行われるように構成されている。またブロー装置172は、基板Wを装着した基板ホルダ160を鉛直状態で保持した第2搬送ロボット174bのアーム180を下降させ、この基板ホルダ160に装着した基板Wにエアーや不活性ガスを吹きかけることで、基板のブロー処理を行うように構成されている。
【0031】
めっき装置170には、図6に示すように、内部に一定量のめっき液Qを保持するめっき槽186が備えられており、このめっき槽186のめっき液Q中に、基板ホルダ160で周縁部を水密的にシールし表面(被めっき面)を露出させて保持した基板Wを浸漬させて、基板ホルダ160を垂直に配置するようになっている。めっき液Qとして、この例では、銅イオン、支持電解質及びハロゲンイオンの他に、例えばSPS(ビス(3−スルホプロピル)ジスルファイドからなるめっき促進剤、PEG(ポリエチレングリコール)からなる抑制剤、及びPEI(ポリエチレンイミン)からなるレベラ(平滑化剤)の有機添加物を含んだめっき液が使用される。支持電解質としては硫酸が、ハロゲンイオンとしては塩素が好ましく用いられる。
【0032】
めっき槽186の上方外周には、めっき槽186の縁から溢れ出ためっき液Qを受け止めるオーバーフロー槽200が備えられている。オーバーフロー槽200の底部には、ポンプ202を備えた循環配管204の一端が接続され、循環配管204の他端は、めっき槽186の底部に設けられためっき液供給口186aに接続されている。これにより、オーバーフロー槽200内に溜まっためっき液Qは、ポンプ202の駆動に伴ってめっき槽186内に還流される。循環配管204には、ポンプ202の下流側に位置して、めっき液Qの温度を調節する恒温ユニット206と、めっき液内の異物をフィルタリング(除去)するフィルタ208が介装されている。
【0033】
更に、めっき槽186の底部には、内部に多数のめっき液流通口を有する底板210が配置されている。これによって、めっき槽186の内部は、上方の基板処理室214と下方のめっき液分散室212に区画されている。更に、底板210には、下方に垂下する遮蔽板216が取付けられている。
【0034】
これによって、この例のめっき装置170では、めっき液Qは、ポンプ202の駆動に伴ってめっき槽186のめっき液分散室212に導入され、底板210に設けられた多数のめっき液流通口を通過して基板処理室214内に流入し、基板ホルダ160で保持された基板Wの表面に対して略平行に上方に向けて流れてオーバーフロー槽200内に流出する。
【0035】
めっき槽186の内部には、基板Wの形状に沿った円板状のアノード220がアノードホルダ222に保持されて垂直に設置されている。このアノードホルダ222で保持されたアノード220は、めっき槽186内にめっき液Qを満たした時にめっき槽186内のめっき液Q中に浸漬され、基板ホルダ160で保持してめっき槽186内に配置される基板Wと対面する。
【0036】
更に、めっき槽186の内部には、アノード220とめっき槽186内に配置される基板ホルダ160との間に位置して、めっき槽186内の電位分布を調整する調整板(レギュレーションプレート)224が配置されている。調整板224は、この例では、筒状部226と矩形状のフランジ部228からなり、材質として、誘電体である塩化ビニールを用いている。筒状部226は、電場の拡がりを十分制限できるような開口の大きさ、及び軸心に沿った長さを有している。調整板224のフランジ部228の下端は、底板210に達している。
【0037】
めっき槽186の内部には、めっき槽186内に配置される基板ホルダ160と調整板224との間に位置して、鉛直方向に延び、基板Wと平行に往復運動して、基板ホルダ160と調整板224との間のめっき液Qを攪拌する攪拌具としての攪拌パドル232が配置されている。めっき中にめっき液Qを攪拌パドル(攪拌具)232で攪拌することで、十分な銅イオンを基板Wの表面に均一に供給することができる。
【0038】
攪拌パドル232は、図7及び図8に示すように、板厚tが3〜5mmの一定の厚みを有する矩形板状部材で構成され、内部に複数の長穴232aを平行に設けることで、鉛直方向に延びる複数の格子部232bを有するように構成されている。攪拌パドル232の材質は、例えばPVC、PPまたはPTFEなどの樹脂、またはSUSやチタンをフッ素樹脂などで被覆したものであり、少なくともめっき液と接触する部分を電気的絶縁状態にすることが望ましい。攪拌パドル232の垂直方向の長さL及び長孔232aの長さ方向の寸法Lは、基板Wの垂直方向の寸法よりも十分に大きくなるように設定されている。また、攪拌パドル232の横方向の長さHは、攪拌パドル232の往復運動の振幅(ストローク)と合わせた長さが基板Wの横方向の寸法よりも十分に大きくなるように設定されている。
【0039】
長穴232aの幅及び数は、長穴232aと長孔232aの間の格子部232bが効率良くめっき液を攪拌し、長穴232aをめっき液が効率良く通り抜けるように、格子部232bが必要な剛性を有する範囲で格子部232bが可能な限り細くなるように決めることが好ましい。
【0040】
めっき装置170には、めっき時に陽極が導線を介してアノード220に、陰極が導線を介して基板Wの表面にそれぞれ接続されるめっき電源250が備えられている。このめっき電源250は、制御部252に接続され、この制御部250からの信号に基づいて制御される。
【0041】
次に、図4に示すめっき処理設備を使用して、図3に示すように、シリコンウェーハ等からなる基材10の内部に上方に開口したビアホール12を形成し、表面にTi等からなるバリア層14を、バリア層14の表面にRuからなる補助金属層20をそれぞれ形成し、この補助金属層20の表面に、膜厚が100〜300nm程度の銅シード層22をPVDで形成した基板Wの該ビアホール12内に銅(めっき金属)を埋込むようにした一連に処理について説明する。このように、膜厚が100〜300nm程度の銅シード層22をPVDで形成すると、PVDは一般にステップカバレッジが低いため、銅シード層22はビアホール12の底部まで達することなく、ビアホール12の内部でRuからなる補助金属層20が外部に露出する。
【0042】
先ず、上記基板Wをその表面(被めっき面)を上にした状態で基板カセットに収容し、この基板カセットをロード・アンロードポート120に搭載する。このロード・アンロードポート120に搭載した基板カセットから、第1搬送ロボット128で基板Wを1枚取出し、アライナ122に載せて基板Wのオリフラやノッチなどの位置を所定の方向に合わせる。一方、基板脱着台162にあっては、ストッカ164内に鉛直姿勢で保管されていた基板ホルダ160を第2搬送ロボット174aで取出し、これを90゜回転させた水平状態にして基板脱着台162に2個並列に載置する。
【0043】
そして、アライナ122に載せてオリフラやノッチなどの位置を所定の方向に合わせた基板Wを第1搬送ロボット128で搬送し、基板脱着台162に載置された基板ホルダ160に周縁部をシールして装着する。そして、この基板Wを装着した基板ホルダ160を第2搬送ロボット174aで2基同時に把持し、上昇させた後、ストッカ164まで搬送し、90゜回転させて基板ホルダ160を垂直な状態となし、しかる後、下降させ、これによって、2基の基板ホルダ160をストッカ164に吊下げ保持(仮置き)する。これを順次繰返して、ストッカ164内に収容された基板ホルダ160に順次基板を装着し、ストッカ164の所定の位置に順次吊り下げ保持(仮置き)する。
【0044】
一方、第2搬送ロボット174bにあっては、基板を装着しストッカ164に仮置きした基板ホルダ160を2基同時に把持し、上昇させた後、前処理装置126に搬送する。そして、この前処理装置126で、前処理槽127内に入れた純水(DIW)等の前処理液に基板Wを浸漬させて前処理(プリウェット処理)を施す。このとき使用する前処理液としての純水は、純水中の溶存酸素濃度を真空脱気装置や不活性ガスの導入により制御し、好ましくは2mg/L以下とする。次に、この基板を装着した基板ホルダ160を、前記と同様にして、活性化処理装置166に搬送し、活性化処理槽183に入れた硫酸や塩酸などの無機酸またはクエン酸やシュウ酸などの有機酸溶液に基板を浸漬させてシード層表面の電気抵抗の大きい酸化膜をエッチングし、清浄な金属面を露出させる。このときに使用する酸溶液は前記前処理用の純水と同様に酸溶液中の溶存酸素濃度を制御することができる。更に、この基板を装着した基板ホルダ160を、前記と同様にして、第1水洗装置168aに搬送し、この水洗槽184aに入れた純水で基板の表面を水洗する。
【0045】
水洗が終了した基板Wを装着した基板ホルダ160を、前記と同様にしてめっき装置170のめっき槽186の上方に搬送する。めっき槽186にあっては、この内部に所定の組成を有する所定量のめっき液Qを満たし循環させておく。そして、基板ホルダ160を下降させ、基板ホルダ160で保持した基板Wをめっき槽186内のめっき液Qに浸漬させてアノードホルダ222で保持したアノード220に対面させる。アノード220は、アノードホルダ222を通じて、電源に接続されている。
【0046】
そして、図9に示すように、アノード220と基板Wの表面の銅シード層22(及び補助金属層20)との間に電圧を印加することなく、基板Wをめっき液Q中に所定時間(t〜t)浸漬させ、これによって、ビアホール12内の前処理液をめっき液Qに置換する。このように、ビアホール12内の前処理液をめっき液Qに置換することで、ビアホール12の底部で銅イオンや添加剤が希薄となり、めっき金属が正常に析出せず、ボイド等の欠陥に繋がってしまうことを防止することができる。
【0047】
ビアホール12を銅シード層22で覆っている基板Wを、銅シード層22とアノード220との間に電圧を印加することなく、めっき液Qに浸漬させる場合、この浸漬時間が長いと、銅シード層22がめっき液Qによってダメージを受ける。このため、銅シード層22とアノード220との間に電圧を印加することなく、基板Wをめっき液Qに浸漬させる時間は、サイズの小さなビアホールを有する基板に対しては10〜20秒程度、サイズの大きなビアホールを有する基板に対しては、20〜60秒程度であることが好ましい。
【0048】
そして、めっき開始時間tに達した時に、めっき電源250の陽極をアノード220に、陰極を基板Wの銅シード層22(及び補助金属層20)にそれぞれ接続し、銅シード層22(及び補助金属層20)とアノード220との間に印加される電圧を、ビアホール12内にめっき金属を埋込むのに適した電流Cが銅シード層22(及び補助金属層20)とアノード220との間を安定して流れるのに必要な電圧Vに制御(CVモード)して、所定時間(t〜t)の第1段電気めっきを行う。ここで、ビアホール12内にめっき金属を埋込むのに適した電流とは、ビアホール12内にめっき金属が均一に析出した後の状態において、ボイドを生じさせることなく、ビアホール12内にめっき金属を埋込むことができる範囲の電流値のことを指す。ボイドを生じさせることがない範囲の電流値は、ビアホールの径や深さに依存する。更に、ボイドを生じさせることがない範囲で、なるべく高い電流値とすることが、めっき時間短縮による生産性向上の観点から望ましい。
【0049】
ここに、図9に示すような電圧を制御して第1段電気めっきを行う方法とは異なって、図10(b)に示すように、銅シード層22(及び補助金属層20)とアノード220との間を流れる電流を、ビアホール12内にめっき金属を埋込むのに適した電流C(=C)に制御(CCモード)して、めっき金属のビアホール12内への埋込みを所定時間(t〜t)行うと、図10(a)に示すように、銅シード層22(及び補助金属層20)とアノード220との間に印加される電圧は、初期は低い値となり、徐々に上昇し、所定時間経過後にほぼ一定の電圧Vに落ち着く。そこで、この例では、この電圧Vを、CVモードエントリー電圧V(=V)にしている。
【0050】
図10(b)に示すように、電流を制御して所定時間の埋込みを行った場合に初期の電圧値が低くなるのは、補助金属層20の表面にめっきが均一に成長せず、補助金属層20の表面のめっきの成長が始まった部分にのみ集中して電流が流れるためであると考えられる。そして、時間の経過に伴って、めっきが進展するため、電圧値は、次第に上昇し、あたかもビアホール内部の表面にめっき膜が一様に形成されたかのようになって、やがて一定の値となる。しかし、微視的にはめっきが均一に成長していないため、ビアホール内に埋込まれためっき金属はボイドを有するものとなる。
【0051】
このように、銅シード層22(及び補助金属層20)とアノード220との間を流れる電圧を、ビアホール12内にめっき金属を埋込むのに適した電流Cが銅シード層22(及び補助金属層20)とアノード220との間を安定して流れるのに必要な電圧Vに制御(CVモード)して第1段電気めっきを行うと、図9(b)に示すように、銅シード層22(及び補助金属層20)とアノード220との間を流れる電流がめっき初期に一時的に高くなる。これによって、ビアホール12の補助金属層20の表面のめっき成長が始まった部分にめっきを抑制する添加剤が優先的に吸着し、まだめっき成長が始まっていない補助金属層20の表面のめっき成長を促すため、例えばRuからなる補助金属層20の表面にめっき金属を均一に析出させることができる。そして、Ruからなる補助金属層20の表面にめっき金属(銅)が均一に析出すると、ビアホール12内にめっき金属を埋込むのに適した電流Cが銅シード層22(及び補助金属層20)とアノード220との間を安定して流れるようになる。
【0052】
この例では、第1段電気めっきで、予めビアホール12内にめっき金属を埋込むのに適した電流Cが流れるように電圧値を選択して制御しているので、電流値が弱すぎてめっき時間が余計にかかったり、電流値が強すぎてめっき金属の内部にボイドが発生することを防ぐことができる。特に、Ruのように表面の酸化状態が、基板上、あるいは基板ごとにばらつきのあるおそれのある補助金属層の場合、電流値の初期の挙動にばらつきがあったとしても、埋込みに適した電流Cに収束するため、めっき後のばらつきを最小限に抑えることができて、有効である。
【0053】
第1段電気めっきのめっき時間は、例えば1秒〜10分であり、これにより、第1段電気めっきで、例えばRuからなる補助金属層20の表面にめっき金属を均一に析出させて、銅シード層22(及び補助金属層20)とアノード220との間を流れる電流を安定させることができる。
【0054】
次に、銅シード層22(及び補助金属層20)とアノード220との間を流れる電流を、ビアホール12内にめっき金属を埋込むのに適した電流Cに制御(CCモード)して第2段電気めっきを所定時間(t〜t)行う。これにより、CVモードでは、めっき初期に銅シード層22(及び補助金属層20)とアノード220との間に高い電流が流れた後、銅シード層22(及び補助金属層20)とアノード220との間を流れる電流を速やかに埋込みに適した電流値に変え、めっき時間によってめっき析出量を管理しながら、ビアホール12の底部から優先的に銅等のめっき金属が析出する、安定したボトムアップ成長を起こさせて、ビアホール12内にボイド等の欠陥のないめっき金属を埋込むことができる。
【0055】
ここで、基板がめっき液に浸漬されてから電気めっきが終了するまで、必要に応じて、攪拌パドル232を基板Wと平行に往復運動させて、調整板224と基板Wとの間のめっき液Qを攪拌パドル232で攪拌する。埋込みが進行して、めっき液が容易にビアホール内のめっき金属表面に到達することができる程にビアホールのアスペクト比が小さくなった時に、めっき液の強い撹拌を続けると、めっきの成長が遅くなり、埋込みまでの時間が余計にかかる場合がある。このような場合には、めっきがある程度進んだ段階で、めっき液の撹拌の強度を弱めた方が望ましい。そして、めっき終了後、アノード220と基板Wの表面の銅シード層22(及び補助金属層20)との間の電圧の印加を解き、基板を装着した基板ホルダ160を第2搬送ロボット174bで再度保持してめっき槽186から引き上げる。
【0056】
そして、前述と同様にして、基板ホルダ160を第2水洗装置168bまで搬送し、この水洗槽184bに入れた純水に浸漬させて基板の表面を純水洗浄する。しかる後、この基板を装着した基板ホルダ160を、前記と同様にして、ブロー装置172に搬送し、ここで、不活性ガスやエアーを基板に向けて吹き付けて、基板ホルダ160に付着しためっき液や水滴を除去する。しかる後、この基板を装着した基板ホルダ160を、前記と同様にして、ストッカ164の所定の位置に戻して吊下げ保持する。
【0057】
第2搬送ロボット174bは、上記作業を順次繰り返し、めっきが終了した基板を装着した基板ホルダ160を順次ストッカ164の所定の位置に戻して吊下げ保持する。一方、第2搬送ロボット174aにあっては、めっき処理後の基板を装着しストッカ164に戻した基板ホルダ160を2基同時に把持し、前記と同様にして、基板脱着台162上に載置する。
【0058】
そして、清浄空間114内に配置された第1搬送ロボット128は、この基板脱着台162上に載置された基板ホルダ160から基板を取出し、いずれかの洗浄・乾燥装置124に搬送する。そして、この洗浄・乾燥装置124で、表面を上向きにして水平に保持した基板を、純水等で洗浄し、高速回転させてスピン乾燥させた後、この基板を第1搬送ロボット128でロード・アンロードポート120に搭載した基板カセットに戻して、一連のめっき処理を完了する。
【0059】
なお、銅シード層22(及び補助金属層20)とアノード220との間に印加される電圧Vを、ビアホール12内にめっき金属を埋込むのに適した電流が銅シード層22(及び補助金属層20)とアノード220との間を安定して流れるのに必要な電圧Vより高い電圧(V>V)に制御(CVモード)して、第1段電気めっきを行うようにしてもよい。
【0060】
図11は、本発明の他の制御例を示す。この例は、アノード220と基板Wの表面の銅シード層22(及び補助金属層20)との間に電圧を印加することなく、基板Wをめっき液Q中に所定時間(t〜t)浸漬させた後、銅シード層22(及び補助金属層20)とアノード220との間に印加される電圧を、ビアホール12内にめっき金属を埋込むのに適した電流Cが銅シード層22(及び補助金属層20)とアノード220との間を安定して流れるのに必要な電圧Vに制御(CVモード)して、所定時間(t〜t)の第1段電気めっきを行う。しかる後、電流を制御するCCモードの第2段電気めっきを、ビアホール12内にめっき金属を埋込むのに適した電流Cに制御した所定時間(t〜t)の電気めっきと、同じく電流Cに制御した所定時間(t〜t)の電気めっきと、同じく電流Cに制御した所定時間(t〜t10)の電気めっきのように、電流を段階的に上昇させている。
【0061】
電気めっきの進行に伴って、ビアホール12内にめっき金属が徐々に析出すると、ビアホール12の未充填部のアスペクト比が変化する。ここに、アスペクト比が小さい程、高い電流で安定したボトムアップ成長を伴う埋込みめっきが可能となる。このため、めっき金属の埋込み状態の変化、すなわちビアホールの未充填部におけるアスペクト比の変化に合わせて、基板とアノードとの間を流れる電流を段階的に変化(上昇)させることで、めっき時間を短縮して生産性を向上させることができる。
【0062】
なお、図2に示すように、ビアホール12を含む全表面を覆うバリア層14の表面にRuからなる補助金属層20を形成した基板Wにあっても、内部にボイド等の欠陥を生じさせることなく、ビアホール12の内部にめっき金属を埋め込むことができる。この場合、前述とほぼ同様に、基板Wを前処理液に浸漬させて前処理を行い、基板Wの補助金属層20と該基板と対向する位置に配置されるアノード220との間に電圧をすることなく、基板Wをめっき液に浸漬させてビアホール12内の前処理液をめっき液に置換する。そして、基板Wの補助金属層20とアノード220との間に印加される電圧を、ビアホール12内にめっき金属を埋込むのに適した電流が基板と前記アノードとの間を安定して流れるのに必要な電圧または該電圧より高い電圧に制御(CVモード)して第1段電気めっきを行い、しかる後、基板Wの補助金属層20とアノード220との間を流れる電流を、ビアホール12内にめっき金属を埋込むのに適した電流に制御(CCモード)して第2段電気めっきを行う。
【0063】
ここに、図9に示すような電圧を制御して第1段電気めっきを行う方法とは異なって、助金属層20とアノード220との間を流れる電流を、ビアホール12内にめっき金属を埋込むのに適した電流Cに制御(CCモード)して、めっき金属のビアホール12内への埋込みを所定時間(t11〜t12)行うと、図12(a)に実線で示すように、補助金属層20とアノード220との間に印加される電圧は、初期は低い値となり、徐々に上昇し、所定時間経過後にほぼ一定の電圧Vに落ち着く。このため、この電圧Vまたは該電圧Vより高い電圧をCVモードのエントリー電圧にする。
【0064】
この場合、図12(a)に破線で示す、前述の補助金属層20の表面に銅シード層22を形成した場合と比較して、一定の電圧Vに落ち着くまでで長い時間を要する。これは、図3に示すように、補助金属層20の上に予め銅シード層が部分的に形成された場合と異なり、補助金属層20の面積が大きいからである。しかし、CVモードによる第1電気めっき時間を長くすることで、補助金属層20の上にめっき金属を均一に析出させることができる。補助金属層20の上にめっき金属が均一に析出すれば、補助金属層20とアノード220との間を流れる電流は、ビアホール12内にめっき金属を埋込むのに適した電流値となり、電流制御(CCモード)による第2段電気めっきに移行することで、最終的にボイド等の欠陥のないめっき金属を埋込むことができる。
【0065】
以下、実施例を挙げ、本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例等に何ら制約を受けるものではない。
【0066】
(実施例1)
シリコンウェーハに、直径7μm、深さ85μmの複数のビアホールを形成し、ビアホールを含む全表面に、バリア層としてTiをPVDで100nm成膜し、次いでバリア層の表面に、補助金属層としてRuをCVDで10nm成膜し、更に補助金属層の表面に、銅シード層をPVDで100nm成膜した試料を用意した。めっき液の組成は下記の通りである。
【0067】
めっき液組成
硫酸銅五水和物:200g/L
硫 酸:50g/L
塩 素:50mg/L
添加剤:適量
【0068】
先ず、試料を溶在酸素が2mg/L以下の純水(脱気DIW)に1〜10分間浸漬させて、試料の前処理(プリウェット処理)を行った。そして、前処理後の試料を、試料の銅シード層(及び補助金属層)とアノードとの間に電圧を印加することなく、めっき液中に30秒浸漬させた。次に、試料をめっき液中に浸漬させたまま、試料の銅シード層(及び補助金属層)とアノードとの間に0.3Vの電圧を印加して、CVモードによる第1段電気めっきを2分間にわたって行った。第1段電気めっきに引き続き、試料の銅シード層(及び補助金属層)とアノードとの間に0.3A/dm(ASD)の電流を流す、CCモードによる第2段電気めっきを120分間にわたって行った。
【0069】
(実施例2)
シリコンウェーハに、直径7μm、深さ85μmの複数のビアホールを形成し、ビアホールを含む全表面に、バリア層としてTiをPVDで100nm成膜し、次いでバリア層の表面に、補助金属層としてRuをCVDで10nm成膜した試料を用意した。めっき液の組成は実施例1と同様である。
【0070】
先ず、試料を溶在酸素が2mg/L以下の純水(脱気DIW)に1〜10分間浸漬させて、試料の前処理(プリウェット処理)を行った。そして、前処理後の試料を、試料の銅シード層(及び補助金属層)とアノードとの間に電圧を印加することなく、めっき液中に30秒浸漬させた。次に、試料をめっき液中に浸漬させたまま、試料の補助金属層とアノードとの間に0.3Vの電圧を印加して、CVモードによる第1段電気めっきを5分間にわたって行った。第1段電気めっきに引き続き、試料の補助金属層とアノードとの間に0.3A/dm(ASD)の電流を流す、CCモードによる第2段電気めっきを120分間にわたって行った。
【0071】
(比較例1)
実施例1と同様の試料を用意し、実施例1と同様な組成のめっき液を使用した。そして、試料を溶在酸素が2mg/L以下の純水(脱気DIW)に1〜10分間浸漬させて、試料の前処理(プリウェット処理)を行った。そして、前処理後の試料を、試料の銅シード層(及び補助金属層)とアノードとの間に電圧を印加することなく、めっき液中に30秒浸漬させた。次に、試料をめっき液中に浸漬させたまま、試料の銅シード層(及び補助金属層)とアノードとの間に0.3A/dm(ASD)の電流を流す、CCモードによる電気めっきを120分間にわたって行った。
【0072】
(比較例2)
実施例2と同様な試料を用意し、実施例1と同様な組成のめっき液を使用した。そして、試料を溶在酸素が2mg/L以下の純水(脱気DIW)に1〜10分間浸漬させて、試料の前処理(プリウェット処理)を行った。そして、前処理後の試料を、試料の補助金属層とアノードとの間に電圧を印加することなく、めっき液中に30秒浸漬させた。次に、試料をめっき液中に浸漬させたまま、試料の補助金属層とアノードとの間に0.3A/dm(ASD)の電流を流す、CCモードによる電気めっきを120分間にわたって行った。
【0073】
実施例1,2及び比較例1,2における、試料とアノードとの間に印加する電圧と時間との関係を図13に、試料とアノードとの間を流れる電流と時間との関係を図14にそれぞれ示す。この図13から、比較例1,2では、電圧が安定するまでに時間を要し、特にRu上へのめっきでは、電圧が安定するまでにかなりの時間を要することが判る。また、図14から、実施例1,2では、めっき初期に高い電流が流れた後、速やかに埋込みに適した電流値に変わることが判る。
【0074】
図15は、実施例1によって、ビアホールの内部にめっき金属(銅)を埋込んだ後の状態を模式的に示す図である。図16は、実施例2によって、ビアホールの内部にめっき金属(銅)を埋込んだ後の状態を模式的に示す図である。図17及び図18は、比較例1及び2によって、ビアホールの内部にめっき金属(銅)をそれぞれ埋込んだ後の状態を模式的に示す図である。
【0075】
図15及び図16から、実施例1,2にあっては、試料(基板)300に設けたビアホール302の内部に、内部にボイド等の欠陥のないめっき金属(銅)304が埋込まれていることが判る。これに対して、比較例1にあっては、図17に示すように、試料(基板)300に設けたビアホール302の内部に埋込まれためっき金属(銅)304の底部にボイドVが発生し、比較例2にあっては、図18に示すように、試料(基板)300に設けたビアホール302の内部に埋込まれためっき金属(銅)304の中程にボイドVが発生する。これらの結果を表に表すと以下のようになる。
【0076】
【表1】

【0077】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことはいうまでもない。
【符号の説明】
【0078】
12 ビアホール
14 バリア層
16,22 銅シード層
18 めっき金属
20 補助金属層
124 洗浄・乾燥装置
126 前処理装置
160 基板ホルダ
164 ストッカ
166 活性化処理装置
168a,168b 水洗装置
170 めっき装置
172 ブロー装置
186 めっき槽
220 アノード
224 調整板
232 攪拌パドル(攪拌具)
250 めっき電源
252 制御部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
表面にビアホールが形成された基板を用意し、
基板を前処理液に浸漬させて前処理を行い、
基板と該基板と対向する位置に配置されるアノードとの間に電圧を印加することなく、基板をめっき液に浸漬させて前記ビアホール内の前処理液をめっき液に置換し、
基板と前記アノードとの間に印加される電圧を、前記ビアホール内にめっき金属を埋込むのに適した電流が基板と前記アノードとの間を安定して流れるのに必要な電圧または該電圧より高い電圧に制御して第1段電気めっきを行い、しかる後、
基板と前記アノードとの間を流れる電流を、前記ビアホール内にめっき金属を埋込むのに適した電流に制御して第2段電気めっきを行うことを特徴とする電気めっき方法。
【請求項2】
前記基板とアノードとの間に電圧を印加することなく基板をめっき液に浸漬させる時間は、10〜60秒であることを特徴とする請求項1記載の電気めっき方法。
【請求項3】
前記第1段電気めっきのめっき時間は、1秒〜10分であることを特徴とする請求項1または2記載の電気めっき方法。
【請求項4】
前記第2段電気めっきを、基板と前記アノードとの間を流れる電流を段階的に変化させて行うことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の電気めっき方法。
【請求項5】
前記めっき金属は銅で、前記ビアホールの表面の少なくとも一部には、銅以外の金属が露出していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の電気めっき方法。
【請求項6】
前記銅以外の金属は、ルテニウムまたはコバルト、またはこれらの合金であることを特徴とする請求項5記載の電気めっき方法。

【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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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【図12】
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【図13】
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【図14】
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【図15】
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【図16】
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【図17】
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【図18】
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