DE1817216A1 - Verfahren zur Herstellung einer monolithischen integrierten Schaltung - Google Patents

Description

PATENTANWALT " 1 & 1 7 9~ 1 £

DIPL-ING. LEO FLEUCHAUS 1 O I / 4 I D

a MÖNCHEN 71,27.Dezember

« 1968

M«M Zttahtn i M2 3P- 215

Motorola, Inc. 9401 West Grand Avenue Franklin Park, Illinois Y. St. A.

Verfahren zur Herstellung einer monolithischen integrierten Schaltung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer monolithischen integrierten Schaltung' und- insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von vielphasigen monolithischen integrierten Schaltungen, bei denen einzelne Schaltungskom^ ponenten auf elektrisch voneinander getrennten Halbleiter-Inselbereichen angeordnet sind. , -

Die elektrische Trennung aktiver Komponenten einer monolithischen integrierten Schaltung wird häufig durch die Verwendung von PN Übergängen ausgeführt. Obwohl es bekannt ist, dass bei einer derartigen Isolierung der Schaltungskomponenten gegeneinander beträchtliche Leckströme und kapazitive Kopplungen zwischen den einzelnen Anordnungen auftreten, kann

-?s/wi diese

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diese elektrische Trennung der Komponenten für viele Zwecke als ausreichend betrachtet werden. Jedoch ergibt sich die Notwendigkeit, bei dem zunehmenden Bedarf einer gröss er en Flexibilität beim Entwurf integrierter Schaltkreise diese Nebenerscheinungen zu beseitigen, ohne dass dabei die Vorteile der monolithischen Schaltkreistechnik aufgegeben werden müssen.

Es sind bereits verschiedene Yerfahren für die Herstellung von monolithischen Schaltkreisanordnungen mit einem Feld von Halbleiter-Inselbereichen vorgeschlagen worden, um diese Inselbereiche sowohl physikalisch als auch elektrisch mit Hilfe eines dielektrischen Materials gegeneinander zu isolieren. Diese Verfahren enthalten einen Verfahrens schritt, während dessen die Oberflächen der monokristallinen, für die Aufnahme der Halbleiterkomponenten vorgesehenen Inselbereiche mechanisch poliert und geformt werden. Dieses mechanische Unterteilen und Polieren verursacht jedoch Schwierigkeiten, da nicht mehr zu beseitigende Defektstellen in der polierten Oberfläche entstehen, wodurch die Zuverlässigkeit beeinträchtigt und die Grosse des Ausschusses bei den nachfolgenden Verfahrensschritten erhöht wird. Ausserdem kann mit Hilfe der mechanischen Formgebung die gewünschte Gleichmässigkeit bezüglich der Dicke der Halbleiter-Inselbereiche nicht gewährleistet werden, in denen später die aktiven Schaltkreiskomponenten angeordnet werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfah-. ren zur Herstellung einer vielphasigen monolithischen integrierten Schaltung zu schaffen, das eine grossere Flexibilität bezüglich des Entwurfs von integrierten Schaltkreisen zulässt und die Herstellung logischer Schaltungen mit erhöhter

- 2 - SchaltReschwindigkeit

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Schaltgeschwindigkeit dadurch ermöglicht, dass die parasiti-• sehen Leckströme und .kapazitiven Kopplungen zwischen den einzelnen Schaltkreiskomponenten eliminiert werden· lerner soll die Gleichförmigkeit der Dicke der raonokristallinen Inselbereiche weiter verbessert werden, wobei gleichzeitig die De-"fektstellen nickt mehr auftreten, die bei der bekannten mechanischen Bearbeitung der Halbleiterbereiche nicht zu vermeiden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine | erste dielektrische Schutzschicht auf der Oberfläche eines einkristallinen Halbleiterkörpers angebracht wird, dass angrenzend an die dielektrische Schutzschicht eine mechanische Trägerschicht angeordnet wird, dass ein bestimmter Anteil des einkristallirien Halbleiterkörpers wieder entfernt wird, dass eine epitäktische .^Schicht eines Halbleitermaterials auf die Oberfläche der Bestschicht des einkristallinen Halbleiterkörpers aufgebracht wird, dass die epitaktische Schicht mit einer zweiten dielektrischen Schutzschicht überzogen wird,₄dass in die zweite dielektrische Schutzschicht, die epitäktische Schicht und die* Bestschicht des einkristallinen Halbleiter?- körpers Trennkanäle durch Ätzen eingeschnitten werden, um isolierte Halbleiter-Inselbereiche zu schaffen, dass eine ( dritte dielektrische Schutzschicht auf den Inselbereichen angebraöht wird, dass die Trennkanäle mit einem Füllmaterial i^ einem Niveau aufgefüllt werden _f das aamindesf £^e£fClaehenel*ene des HalbleiterkOr^efs vor dem

iäös daö überschüssige? ftillmaiterial entfernt und % der zweiten dielektrischen Sch^zscfiicht legt werden, wobei das Füllmaterial bis zu einer zur zweiten¹ Schutzschicht koplanar verlaufenden Ebene abgetragen wird, dass in zumindest zwei Inselbereichen aktive Schaltkreiskomponenten angebracht werden, und dass die Sehaltkreiskömponen-

- 3 - ten

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ten zu einer integrierten Schaltung miteinander verbunden ' werden.

Weitere Merkmale"der Erfindung sind Gegenstand der Uhteransprüche.

Eine beispielsweise Ausführungsform ist in der Zeichnung dargestellt, die in den Fig. 1 bis 5 vergrösserte Querschnittbereiche eines Halbleiterkörpers in verschiedenen Verfahrensschritten bei der Herstellung eines vielphasigen monolithischen integrierten Schaltkreises zeigt. Bei dem Verfahren genäss der Erfindung wird ei,ne gleichmässige Sicke der gegeneinander isolierten Halbleiter-Inselbereiche durch einen kontrollierten epitaktischen Aufbau anstelle einer Hechanischen Bearbeitung geschaffen.-Danach werden diese epitaktisch hergestellten Bereiche sofort mit einer dielektrischen Schutzschicht durch pyrolithisches Aufdampfen überzogen. Diese Schutzschicht bleibt solange auf dem Halbleiterkörper, bis sie vor der Herstellung der aktiven Sahaltkreiskomponenten teilweise wieder entfernt wird. Bei einem weiteren Verfahreneschritt wird die Halbleiterscheibe durch selektives Itzen alt einer Anzahl von Trennkanälen versehen, die die einzelnen Inselbereiche gegeneinander isolieren. Dies geschieht dadurch, dass die Ätzung entgegengesetzt der allgemein üblichen Technik von der oberen Fläche der Halbleiterscheibe und nicht von der Bückseite aus erfolgt.

Das Verfahren geht von einer monokristallinen Siliciumscheibe aus, die auf zumindest einer Oberfläche eine Schutzschicht aus Siliciumdioxyd besitzt. Bei einer bevorzugten Ausfffibruags- , form besteht die Halbleiterscheibe aus einem Silicium mit IT-Leitung und verhältnismässig niederem Widerstand· Die Oxydscnicht wird ait Hilfe einer der üblichen Verfahren^ £*Β·

- 4 - durch

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durch, thermische Oxydation oder pyrolithisch.es Niederschlagen . aufgebracht. Es kann auch, für die dielektrische Schutzschicht Siliciumnitrid anstelle des Siliciumoxyds yerwendet werden.

Für die Halbleiterscheibe wird sodann eine mechanische Trägerschicht vorgesehen, die benachbart 'zu der dielektrischen Schutzschicht angebracht wird. Diese Trägerschicht kann vorzugsweise durch das Niederschlagen einer Schicht aus einem vielkristallinen Silicium auf der Schutzschicht der Siliciumscheibe gebildet werden. Selbstverständlich kann auch eine zuvor präparierte Trägerscheibe mit der passivierten Oberfläche des Siliciums anderweitig verbunden werden, indem z.B. ein bei hohen Temperaturen beständiges Glas zwischen die Trägerscheibe und die Siliciumscheibe geschmolzen wird.

Die Dicke der ursprünglichen Siliciumscheibe wird sodann auf ungefähr 5 "bis 15/U verringert. Dieses Abtragen kann mit einem der herkömmlichen Verfahren durchgeführt werden, wobei sowohl ein mechanisches Läppen oder chemisches litzen oder auch eine Kombination beider Verfahren Verwendung finden kann. Vorzugsweise wird das Abtragen unterbrochen, wenn eine Dicke der Siliciumscheibe von etwa 8 bis 10 /u erreicht ist.

Die geläppte bezw. geätzte Oberfläche wird sodann zur Vorbereitung für den nachfolgenden epitaktischen Aufbau sorgfältig geglättet. Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform besitzt die aufgebrachte epitaktische Schicht dieselbe Leitfähigkeit wie die ursprüngliche Siliciumscheibe, jedoch einen wesentlich höheren Widerstand. Die epitaktische Schicht wird mit einer Dicke von etwa 0,5 bis 15/U vorgesehen, die die optimalen gewünschten Eigenschaften für das Halbleiterelement bietet.

- 5 - Anschliessend

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Anschliessend wird eine dielektrische Schutzschicht auf der epitaktischen Oberfläche angebracht, wobei vorzugsweise eine geeignete Siliciumverbindung pyrolithisch niedergeschlagen wird, die aus Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid bestehen kann. Durch das Schützen der epitaktischen Schicht unmittelbar nach ihrer Herstellung wird vermieden, dass während der nachfolgenden Behandlung der Halbleiterscheibe die epitaktische Schicht beschädigt wird.

Anschliessend werden die Trennkanäle dadurch geschaffen, dass fc die epitaktische Schicht und die ursprüngliche monokristalline Siliciumschicht in bestimmten Bereichen weggeätzt werden. Hierfür können allgemein bekannte Verfahren verwendet werden. Die Oberflächen der Silicium-Inselbereiche, die durch das Ätzverfahren freigelegt werden, werden anschliessend mit einer neuen dielektrischen Schutzschicht überzogen, die durch thermische Oxydation oder pyrolithisches Niederschlagen gebildet werden kann.

Danach werden die Trennkanäle mit einem Füllmaterial wieder aufgefüllt, wobei hierfür das Niederschlagen eines vielkristallinen Siliciums besonders geeignet ist. Jedoch kann auch ein Glas oder ein anderes geeignetes keramisches Material ver- W wendet werden. Dabei wird so viel !!füllmaterial verwendet, dass zumindest alle Trennkanäle bis zu einem Niveau aufgefüllt werden, das. durch die Oberflächenebene des Halbleiterkörpers vor dem Ätzen verläuft. Das über diesem Niveau liegende Material wird sodann durch mechanische Bearbeitung ent-' fernt, um die Schutzschicht freizulegen,-die die epitaktisjche Oberfläche der Halbleiter-Inselbereiche überzieht. Dieses Po- ; lieren wird sehr sorgfältig überwacht, so dass eine einzige glatte, ebene Oberfläche von dem Füllmaterial und der die epitaktische Schicht schützenden Schutzschicht über den Halbleiter-Inselbereichen begildet wird.

- 6 - Zur ;l

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Zur Erzielung besserer Ergebnisse kann eine weitere Schutzschicht auf der geebneten Oberfläche angebracht werden. Diese weitere Schutzschicht wird vorzugsweise durch pyrolithisches Niederschlagen einer Siliciumverbindung gebildet, die aus Si-

* liciumoxyd oder Siliciumnitrid bestehen kann. In diesem Verfahrensschritt ist' die monolithische Halbleiterscheibe für die weitere Verarbeitung zur Herstellung von aktiven und passiven Schaltkreiskomponenten geeignet. Die Halbleiter-Inselbereiche und damit die Schaltkreiskomponenten sind elektrisch sowie physikalisch voneinander getrennt, so dass sowohl para- ä sitisehe Leckströme als auch eine kapazitive Kopplung zwischen den einzelnen Inselbereichen eliminiert wird. Die elektrische Verbindung der einzelnen Schaltkreiskomponenten kann in herkömmlicher Weise ausgeführt werden.

In Fig. 1 is* eine Halbleiterscheibe dargestellt, bei der eine vielkristalline Schicht 11 auf der oxydierten Oberfläche 12 einer monokristallinen Scheibe 13 mit niederem Widerstand und N-Leitung angebracht ist. Die gestrichelte Linie 14- kejinzeichnet das Niveau, bis zu welchem die Scheibe 15 während dem nachfolgenden Verfahren abgetragen wird. Dies kann sowohl durch mechanisches Lappen und Polieren als auch durch chemisches Itzen oder eine Kombination beider Verfahren ausgeführt ( werden» Auch die Technik, um eine vielkristalline Schicht 11 auf dea? Oxydfläche 12 aufzubringen, ist allgemein bekannt. Die Schicht 11 ist genügend dick, um ein Brechen der Halbleiterscheibe während* der nachfolgenden Verfahrensschritte zu vermeiden·

■ In Fig· 2 ist die Halbleiterscheibe dargestellt, bei der auf der durch Läppen und/oder Ätzen bis zu einer durch das Bezugszeichen 13 angedeuteten Dicke abgetragenen Halbleiterschicht eine epitaktische Schicht aufgebaut und darüber eine Oxydschicht

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* . ,. 00 9812/1135 ORi(SJNAU INSPECTED

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16 angebracht ist. Di¹O für den epitaktischen Aufbau und das Anbringen der Oxydschicht verwendeten Techniken sind allgemein bekannt. . · ,

Der in Fig. 3 dargestellte Aufbau ergibt sich, indemι

1. Trennkanäle durch die Oxydschicht 16, die epitaktische Schicht 15 und die monokristalline Siliciumschicht 13 mit der Leitfähigkeit N+₄ gebildet werden, wodurch ein Feld voneinander isolierter Halbleiter-Inselbereiche entsteht;

2. die geätzten Oberflächen mit einer Oxydschicht 17 überzogen » werden { und*

3· mit der Ablagerung einer· vielkristallinen Siliciumschicht

18 die Trennkanäle vollkommen aufgefüllt werden. Derbei dem Aufbringen des vielkristallinen SiliciumB entstehende Überschuss über den einkristallinen Inselbereichen wir'd in dem nachfolgenden Verfahrensschritt wieder entfernt.

Die für die Herstellung der Trennkanäle verwendbaren Ätzverfahren sind allgemein bekannt. Bei einem bevorzugten Verfahren werden die einkristallinen Inselbereiche mit einem lichtbeständigen Deckmittel überzogen und nach dem Belichten der Halbleiterscheibe die nicht abgedeckten Flächenbereiche weggeätzt. Dadurch entsteht das für die Hörstellung der Inselbereiche vorgesehene Muster der Trennkanäle. Für die anfängliche Ätzung wird ein Ätzmittel benötigt, das Wasserstoff-Fluorid enthält, um ausgewählte Bereiche der als Maske dienenden Oxydschicht 16 zu entfernen. Nach dem anfänglichen Ätzen der Oxydschicht wird für das Ätzen der Trennkanäle ein entsprechendes Ätzmittel verwendet und dieses so lange auf das Silicium einwirken gelassen, bis dieses die Oxydschicht 12 erreicht hat. Das anschliessende Herstellen der Oxydschicht

17 und das Aufbringen der vielkristallinen Siliciumschicht erfolgt, wie bereits erwähnt, mit Hilfe bekannter Verfahren.

. . - 8 - Nachdem

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Nachdem, wie anhand von Fig. 4 erkennbar, die überschüssige - vielkristalline Siliciumschicht 18 durch mechanisches Bearbeiten entfernt ist, liegt die Oberfläche der aufgefüllten Kanäle koplanar zu der Oxydschicht 16. Über dieser Ebene kann sodann eine neue Oxydschicht 19 pyrolithisch aufgebracht werden, womit der Halbleiterkörper für das nachfolgende Aufbringen von aktiven und passiven Schaltungselementen fertiggestellt ist. Nach einem abgeänderten Verfahren können die restlichen Teile der Oxydschicht. 16 nach dem Entfernen der überschüssigen vielkristallinen Schicht 18 chemisch entfernt werden. Anschliessend wird eine neue Oxydschicht thermisch oder ™ pyrolithisch aufgebracht, die sich über der gesamten koplanaren Oberfläche ausbildet.

Aus der vorausgehenden Beschreibung geht hervor, dass die Oberfläche der Schicht 15 gegen mechanische Beschädigungen während der nachfolgenden Verfahrensschritte geschützt ist. Ferner ergibt sich, dass die epitaktische Schicht 15 in den einzelnen Inselbereichen eine einheitliche Dicke aufweist, die lediglich den während des epitaktischen Wachstums auftretenden Abweichungen unterworfen ist. .Jedoch ist diese Schicht sehr viel einheitlicher inyihr.er Dicke, als diese mit mechanischen Mitteln durch Läppen und Polieren herstellbar ist· ^

In Fig. 5 ist ein Ausschnitt aus einer fertiggestellten integrierten Schaltung dargestellt, bei der aktive Elemente in den Halbleiter-Inselbereichen angeordn&t sind. Dieee. Elemente können durch Leitungen 20 miteinander verbunden sein, die auf der Oxydschicht 19 angebracht werden. Die Herstellung dieser aktiven Elemente kann-ebenfalls mit Hilfe bekannt** Techniken erfolgen.

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Im Nachfolgenden wird ein spezielles Beispiel beschrieben, das nach dem Verfahren gemäss der Erfindung hergestellt ist.

Eine ebene, einkristalline Siliciumscheibe mit N-Leitung und einer Dicke von 3 χ 10" mm besitzt einen Widerstand von ungefähr 0,006 Ohm cm. Diese Halbleiterscheibe wird thermisch oxydiert, bis sich eine Oxydschicht von ungefähr 10 000 S Dicke ausgebildet hat. Anschliessend wird auf der Oxydschicht vielkristallines Silicium bis zu einer Dicke von ungefähr 2,8 χ 10" mm aufgebracht. Das einkristallihe Silicium wird sodann mechanisch durch Läppen und Polieren auf eine Dicke

—2
von ungefähr 1,27 x 10 mm abgetragen. Auf der polierten,

einkristallinen Oberfläche wird epitaktisch eine Schicht mit N-Leitung aufgebracht, die einen Widerstand von 0,2 Ohm cm besitzt. Diese Schicht ist ungefähr 3/U. dick. Die epitaktische Schicht wird sodann mit einer thermisch aufgebrachten Oxydschicht von einer Dicke von etwa 10 000 £ geschützt. Anschliessend werden Trennkanäle durch die epitaktische Schicht und die ursprüngliche einkristalline Siliciumschicht durch Ätzen eingeschnitten, wobei ein Lösungsmittel Verwendung findet, bei dem HNO^ : HF wie 20 : 1 zusammengesetzt ist. Die durch das Ätzen freigelegten Siliciumflachen werden an-. schliessend durch eine weitere thermische Oxydschicht ge-" schützt, die eine Dicke von ungefähr 10 0Θ0 S aufweist, ttber der mit Trennkanälen versehenen Oberfläche wird sodann vielkristallines Silicium aufgebaut, und zwar so lange, bis die Trennkanäle vollständig ausgefüllt sind. Das über den Inselbereichen sich ausbildende polycristalline Silicium wird durch Läppen und Polieren entfernt, wobei die mit der Oxydschicht bedeckte Oberfläche der epitaktischen Schicht erhalten bleibt. Das verbleibende Muster aus Oxydflächen wird anschliessend entfernt und die Halbleiterscheibe, erneut einer thermischen Oxydation unterzogen, wobei die epitaktischen

- 10 - Bereiche

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ORIGINAL

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Bereiche und die vleikristallinen Oberflächen der Trennkanäle mit einer Oxydschicht von mindestens 5 OOO 2. überzogen werden. Damit ist die Vorbere'itung der Halbleiterscheibe für die nachfolgende Herstellung einer vielphasigen monolithischen integrierten Schaltung abgeschlossen.

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- 11 - Patentansprüche

1 2 /113 5 ORIGINAL INSPEGTEO

Claims (1)

1. Patent Ansprüche

   1. Verfahren zur Herstellung, einer monolithischen integrierten Schaltung, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste dielektrische Schutzschicht (12) auf der Oberfläche eines einkristallinen Halbleiterkörpers (13) angebracht wird,

   dass angrenzend an die dielektrische Schutzschicht (12) eine mechanische Trägerschicht (11) angeordnet wird, dass ein bestimmter Anteil des einkristallinen Halbleiterkörpers (13) wieder entfernt wird, dass eine epitaktische Schicht eines Halbleitermaterials, (15) auf die Oberfläche der Bestschicht des einkrdstallinen Halbleiterkörpers (13) aufgebracht wird, dass die epitaktische Schicht (15) mit einer zweiten dielektrischen Schutzschicht (16) überzogen wird, dass in die zweite dielektrische Schutzschicht (16), die epitaktische Schicht (15) und die Restschicht des einkristallinen Halbleiterkörpers (13) Trennkanäle durch Xtzen eingeschnitten werden, um isolierte Halbleiter-Inselbereiche zu schaffen,

   dass eine dritte dielektrische Schutzschicht (17) auf den Inselbereichen angebracht wird,

   - 12 -

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   dass die Trennkanäle mit einem !Füllmaterial bis zu einem ._■ Niveau aufgefüllt werden, das zumindest durch die Oberflächenebene des Halbleiterkörper vor dem Ätzen verläuft, dass das überschüssige füllmaterial entfernt und die Restfläctien der zweiten dielektrischen Schutzschicht (16) freigelegt werden, wobei das Füllmaterial bis zu einer zur zweiten Schutzschicht koplanar verlaufenden Ebene abgetragen wird,

   dass in zumindest zwei Inselbereichen (15) aktive Schaltkreiskomponenten angebracht werden, und dass die Schaltkreiskomponenten zu einer integrierten Schaltung miteinander verbunden werden.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der einkristalline Halbleiterkörper (13) aus Silicium mit einem niedrigen Widerstand und EF-Leitung hergestellt wird.

   3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste dielektrische Schutzschicht (12) durch das Oxydieren der Oberfläche des einkristallinen Halbleiterkörpers (13) gebildet wird.

   4-. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur mechanischen Stützung eine vielkristalline Siliciumschicht (11) auf der ersten dielektrischen Schutzschicht (12). angebracht wird.

   .5· Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, dass die epi-

   , taktische Schicht 15 eine Dicke von ungefähr 0,5 bis

   15/U aufweist und einen wesentlich höheren Widerstand be-• , sitzt als der ursprüngliche einkristalline Halbleiterkörper (13)· ■ .

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   6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

   5, dadurch gekennz e ichnet, dass die zweite und dritte dielektrische Schutzschicht (16, 17) aus Siliciumdioxyd bestehen, das pyrolithisch aus einer geeigneten Siliciumverbindung niedergeschlagen wird.

   7· Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

   6, dadurch gekennz eichnet, dass das Millmaterial aus einem vielkristallinen Silicium besteht.

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