DE2132099A1 - Verfahren zur Zwischenverbindung elektrischer Baueinheiten - Google Patents
Verfahren zur Zwischenverbindung elektrischer BaueinheitenInfo
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Description
Western Electric Company Inc.
195, Broadway 91
New York, N. Y. 10007 / USA "
A 32 382
_V er fahr en. .jiur J
Baueinheiten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Zwischenverbindungsmustern an elektrischen Bauelementen und ist besonders günotig in der Mikroelektronik anwendbar.
In der Mikroelektronik ist eine hohe Konzentration leitender Wege auf verhältnismäßig kleinem Raum vorgesehen. Mit
Vorteil sind solche leitenden Wege in Schichten angeordnet, welche eine Unterlage überdecken"} hierbei ergibt sich die
Notwendigkeit, daß sich leitende Wege in verschiedenen Schichten überlappen oder kreuzen, während eine elektrische Isolation
dazwischen aufrechterhalten werden muß.
Typisch ist das Problem der Schaffung einer Anzahl von Zwischenverbindungen,
sei es galvanisch oder kapazitiv, mit verschiedenen Schaltungselementen in einer monolithischen integrierten
Schaltung. Dicht verwandt ist das Problem der Herstellung getrennter Verbindungen mit zwei in dichtem Abstand
befindlichen Bereichen, wo es als günstig angesehen wird, eine Vorbindung vorliegen zu haben, welche die Kante der anderen
Verbindung überlappt, obgleich eine elektrische Isolation hiervon aufrechterhalten wird.
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Ein allgemein bekanntes Verfahren zur Erzielung eines gewünschten
Zwischenverbindiingsiriusters in der Technik der integrierten Schaltungen umfaßt zuerst die Bildung einer leitenden
Schicht über dem Halbleiterwafer, typischerweise elektrisch hiervon über den meisten Teilen der Oberfläche durch eine Zwischenisolierschicht
isoliert, wobei jedoch eine Verbindung daran an gewählten Bereichen durch Öffnungen oder Dickenreduzierungen
in der Isolierschicht hergestellt wird. Teile der leitenden Schicht werden alsdann auswahlmäßig entfernt, um das
erste leitende Muster odor das erste Niveau der Metallisierung zu bilden.Alsdann wird nach Herstellung einer Isolierschicht
über diesem leitenden Muster mit geeigneten Offnungen ^ oder Bereichen reduzierter Dicke in der gesamten Isolation,
wo eine Verbindung mit dem Wafer oder dem ersten Muster erwünscht ist, eine zweite zusammenhängende leitende Schicht
abgesetzt, wobei gewählte Teile derselben alsdann entfernt werden,um das zweite leitende Muster oder das zweite Metallisierungsniveau
zu bilden.
Auf diese Weise hergestellte Zwischenverbindungsmuster zeigen zu oft Defekte, die an den Bereichen gelegen sind, wo das eine
der beiden leitenden Muster eine Überkreuzung des anderen bildet.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Reduzierung des Auftretens
derartiger Defekte«
Hierzu geht die Erfindung von einem Verfahren zur Herstellung eines Zwischenverbindungsmusters auf einem elektrischen Element
mit zumindest zwei elektrisch isolierenden,jedoch übereinanderliegenden
leitenden Mustern aus. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das untere leitende Muster anfänglich
aus einem Material gebildet wird, welches in seiner Dickenrichtung langsamer als in der Richtung senkrecht hierzu geätzt
wird, um nach dem Ätzen das gewünschte leitende Muster festzulegen, und daß das leitende Element dieses Musters einen
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"betont trapezförmigen Querschnitt aufweist. Dieses Verfahren
führt zu einem unteren leitenden Muster, bei welchem die Kanten des leitenden Elementes frei von plötzlichen Diskontinuitäten
sind und eine gleichförmigere Schicht aus Isoliermaterial darüber gebildet werden kann, bevor ein darüber erfolgendes
Absetzen des zweiten leitenden Musters durchgeführt wird. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird dies erreicht, indem
für das untere leitende Muster ein leitendes Element verwendet wird, welches eine anisotrope Ätzgeschwindigkeit aufweist, beispielsweise
hochleitendes polykristallines Silizium, dessen Dicke ein Fehlordnungsprofil aufweist, dessen Fehlordnung mit
steigender Tiefe von oben her abnimmt.
Die Erfindung schafft also ein Verfahren, bei dem zumindest
zwei überlappende oder kreuzende Niveaus elektrisch isolierter leitender Elemente verwendet werden, um Bereiche einer
mikrοelektronischen Baueinheit zu verbinden. Um Kurzschlüsse
an den Bereichen der Überlappung oder Überkreuzung zu vermindern, wird das untere leitende Element mit einem betont trapezförmigen
Querschnitt versehen, um die Aufrechterhaltung einer gleichförmigen Dicke der Isolation zwischen den beiden
leitenden Elementen zu erleichtern. Um diesen Querschnitt au erzielen, wird das untere leitende Element aus einem Material
hergestellt, welches in der Dickenrichtung langsamer als in der Richtung senkrecht hierzu ätzbar ist, Typischerweise kann das
untere leitende Element aus einer binären Metallegierung bestehen, deren Zusammensetzung sich mit der Dicke ändert, oder
aus einem polykristallinen Silizium, dessen Dotierung oder kristalline Fehlstellensahl sich mit der Dicke ändert.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigenϊ
Fig. 1 verhältnismäßig plötzliche Diskontinuitäten an den Kanten eines leitenden Musters bei Anwendung eines nach dem Stand
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der Technik bekannten Verfahrens im Schnitt "durch einen Festkörper,
Fig. 2 den abgemilderten Übergang hinsichtlich der Dicke an den Kanten eines leitenden Musters bei Anwendung eines erfindungsgemäßen
Verfahrens in einer Darstellung ähnlich Fig. 1,
Fig. 3-5 einen Festkörper in perspektivischer Schnittdarstellung nach Durchführung verschiedener erfindungsgemäßer Verfahrensschritte,
wobei als Endprodukt ein Festkörper mit zwei in zwei Niveaus liegenden leitenden Muster auf einem Halbleiterwafer
erzeugt wird.
Fig. 1 zeigt den im wesentlichen rechteckigen Querschnitt eines
leitenden Elementes 11 des auf einer Unterlage 12 gebildeten leitenden Musters, wenn ein nach dem Stand der Technik bekanntes
Verfahren zur Herstellung des Musters verwendet wird. Eine A'tzgrundmaske 13 dient zur örtlichen Festlegung der Entfernung
unerwünschter Teile der ursprünglichen gleichförmigen leitenden^
Schicht während des A'tzvorgangs. Typischerweise tritt eine gewisse Hinterschceidling während des Ätzvorgangs auf, jedoch
beträgt der veranschaulichte Winkel θ zumindest 45°. Dieser
ist noch sehr groß; wenn eine Isolierschicht über dem Kantenabschnitt abgesetzt wird, so zeigt sich eine Anfälligkeit
für Defekte in der Isolierschicht an diesen Bereichen.
TJm solche Defekte zu vermindern, wird erfindungsgemäß darauf hingearbeitet, einen stärker betonten trapezförmigen Querschnitt
des nichtleitenden Musters 11a auf der Unterlage 12A zu erzielen, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Insbesondere wird mit
Vorteil auf einen Winkel θ mit der Maske 13A hingearbeitet, welcher
nicht größer "als etwa 30° ist, so daß eine gleichförmigere Isolierschicht über den Kantenteilen abgesetzt werden kann.
Ferner ist die Entfernung sich unstetig ändernder Kantenabschnitte
vorteilhaft, selbst dann, wenn die verwendete Isolierschicht zur Schaffung einer Isolation gegenüber einem überdeck—
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ten zweiten leitenden Muster als eine gezüchtete Schicht erzeugt
wird, die durch an Ort und Stelle erfolgende Umwandlung eines Hautabschnittes der ersten leitenden Schicht gebildet
wird. In diesem Pail entsteht der Hauptvorteil daraus, daß ein
gleichförmigerer Niederschlag des normalerweise bei der Herstellung von Kontaktlöchern in der Isolierschicht verwendeten
Ätzgrundmaterials ermöglicht wird»
Wie sich aus Pig. 2 ergibt, kann dieser gewünschte Querschnitt
des leitenden Materials erhalten werden, indem eine stärkere Hinterschneidung der Maske erzielt wird, beispielsweise dadurch,
daß die Ätzgeschwindigkeit in der Ebene der Schicht höher als in deren Dickendimension gehalten wird. Ein solcher
Gradient oder eine solche Anisotropie der Ätzgeschwindigkeiten kann auf verschiedene Weise erzielt werden. Beispielsweise
kann das leitende Material 11A vermöge entsprechender Ausbildung an der Oberseite schnellor als an der Unterseite geätzt
werden, was sich aus einem Gradienten der Zusammensetzung ergibt. Ein solcher Zusammensetzungsgradient kann erzielt werden,
indem zwei Metalle zusammen so verdampft werden,daß die entstehende Legierung einen Gradienten in den relativen Zusammensetzungen
der beiden Metalle als Punktion der Dicke aufweist, wobei das weniger ätzbeständige Metall an der Oberseite
einen größeren Teil der Zusammensetzung als an dem Boden
bildet. Wahlweise kann das leitende Material 11Λ einen leitenden
polykristallinen Halbleiter umfassen, wobei die Anisotropie der Ätzgeschwindigkeit durch ein Profil in kristalliner Pehl-Ordnung
erreicht wird, die entweder durch Ionenbeschießung oder Niederschlagsbedingungon erreicht wird. Hierbei macht man
von der Tatsache Gebrauch, daß ein eine stärkere Fehlordnung aufweisendes Material schneller als ein besser geordnetes
Material geätzt werden kann.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit Fig. 3-5 erläutert, welche aufeinanderfolgende
Vurfahrensstufen bei der Herstellung eines Teiles cine3 Zwischenvurbindungsrausters einer monolithischen
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integrierten Halbleiterschaltung darstellt. Zum besseren Verständnis ist die Zeichnung nicht maßstäblich angelegt,
Fig* 3 zeigt einen Siliziumwafer 21, welcher normalerweise
mehrere Schaltungselemente (nicht im einzelnen gezeigt) enthält,
die voneinander innen durch bekannte p-n-Grenzflächenisolierverfahren
breit isoliert sind und in erster Linie durch leitende Filme an der Oberfläche des Wafers miteinander zu verbinden
sind. Insbesondere sind verschiedene Offnungen in der
Oxidbeschichtung 22 vorgesehen, um zu ermöglichen, daß eine leitende Schicht 23 an der Oberfläche eine galvanische Verbindung
mit dem Wafer an diesen Bereichen herstellt. Wenn eine kapazitive elektrische Verbindung hergestellt werden soll, ist
wahlweise die Isolierschicht an den Bereichen, wo eine solche Verbindung gewünscht wird, lediglich verdünnt. Es verbleibt
dann das Problem der Zwischenverbindung der Bereiche in einer gewünschten Form, um hierbei die Schaltungselemente zu verbinden.
Im Interesse der Vereinfachung ist vorliegend lediglich dieser Teil des Herstellungsganges in Einzelheiten beschrieben.
Es liegt eine Vielfalt von Verfahren vor, die nunmehr gewerblich angewendet werden und einen oxidbeschichteten
Siliziumwaf er nach Art von Fig. 3 liefern, der an einer gemeinsamen
Oberfläche mehrere Bereiche umfaßt, welche miteinander verbunden werden sollen.
Die leitende Schicht 23 ist im Sinne einer anisotropen Ätzung gewählt, insbesondere in dem Sinn, daß die Ätzung in Richtung
der Ebene der Schicht schneller als in der Richtung senkrecht hierzu erfolgt. Dieser Zweck kann auf verschiedene Weise erfüllt
werden. Beispielsweise kann die leitende Schicht durch zusammen erfolgenden Niederschlag zweier Metalle gebildet werden,
wobei das Verhältnis der beiden sich mit der Zeit während des Niederschlages ändert, um einen Zusammensetzungsgradient
mit der Dicke in der niedergeschlagenen Schicht zu schaffen. Beispielsweise kann die Schicht aus Kupfer odor Gold zusammengesetzt
sein, wobei das anfänglich niedergeschlagene Material vorherrschend Gold ist und die AntGile der beiden Metalle mit
der Zeit verschoben v/erden, bis das am Ende niedergeschlagene
109882/1712 nirtw4l
SAD ORiSINAL
Material vorherrschend Kupfer ist. Alsdann wird ein Ätzmittel verwendet, welches umso schneller ätzt, je größer der Kupferanteil ist. Gemäß einem anderen Beispiel kann die leitende
niedergeschlagene Schicht aus einem auf hohe Leitfähigkeit dotierten polykristallinen Silizium "bestehen, wobei die Niederschlagsbedingungen
so gewählt werden, daß das anfänglich niedergeschlagene Material verhältnismäßig gut geordnet ist, je*-
doch "bei laufender Zeit die Eehlordnungsmenge in dem niedergeschlagenen
Material steigt. Dies kann "beispielsweise erzielt werden, indem die Temperatur der Unterlage mit der Zeit
gesenkt wird, wenn das Silizium niedergeschlagen wird. Wahlweise kann eine gleichförmige polykristalline Schicht niedergeschlagen
werden, wobei die an dor Oberseite der Schicht eingeführte Fehlordnung durcli Ionenbeschießung herbeigeführt
wird. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Schicht ein hochleitendes p-leitendes Silizium sein, dessen Dotierung
zu der Oberfläche hin höher wirdJNach Bildung der leitenden
Schicht muß das uberschußmaterial entfernt worden,um das gewünschte
erste leitende Muster festzulegenj"
Dies kann in der Weise geschehen, die nunmehr bei der Herstellung integrierter Schaltungen angewendet wird und typischerweise
photolithographische Verfahren umfaßt, deren Enderzeugnis d.er Bildung einer ätzmittelbeständigen Maske über der leitenden
Schicht gemäß dem gewünschten leitenden Muster für dieses Niveau der Metallisierung entspricht.
Als nächstes wird der maskierte Wafer einem Ätzmittel ausgesetzt,
welches in der gewünschten anisotropen Weise die leitende Schicht einätzt und auf der Oberfläche das gewünschte erste
leitende Muster 24 gemäß Fig. 4 beläßt«
Pur das Beispiel, welches die Schicht aus einer binären Zusammensetzung
von Kupfer und Gold gemäß der obigen Beschreibung umfaßt, ist eine wässrige Lösung von Eisenchlorid oder eine
wässrige Lösung von 70 'fi Salpetersäure ein geeignetes Ätzmittel.
Für das beschriebene Beispiel mit fehlgeordnetem polykristallinen
Silizium umfaßt ein geeignetes Ätzmittel ein Ge-
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■misch, welches volumenmäßig aus drei Teilen einer 48 $-igen
wässrigen Lösung τοπ Hydrofluorsäure, fünf Teilen einer 70 i°-
igen wässrigen lösung von Salpetersäure, drei Teilen Eisessig und zwei Teilen einer 3 $-igen wässrigen Lösung von Quecksilbernitrat
"besteht. Tatsächlich ist aus der Praxis metallographischer Studien eine große Anzahl von Ätzmitteln "bekannt, welche
zerstörtes Material leichter als geordnetes Material ätzen. Ferner ist ein Ätzmittel zur anisotropen Ätzung eines p-leitenden
Siliziums in einem Artikel mit dem Titel !:A Water-Amine
Complexing Agent System for Etching Silicon", Seiten 965 - 970,
September 1967 in"Journal Electrochemical Society: Solid State Science" bekannt.
Der Ätzvprgang wird fortgesetzt, bis die Oxidschicht an den freiliegenden Teilen der leitenden Schicht erreicht wird. Die
anisotrope Ätzung ergibt eine wesentliche Hinterschneidung der Maske zur Schaffung abgeschrägter Kanten, welche an dem leitenden
Element ungeätzt bleiben und das erste leitende Muster bilden. &emä£ !ig. 2 weist der Querschnitt des leitenden Elementes
eine betont trapezförmige Gestalt auf, obgleich an den Ecken eine gewisse Abrundung vorliegen kann.
Danach wird die Maske in normaler Weise entfernt\ eine Schicht
aus Isoliermaterial, welches typischerwoise aus Siliziumdioxid bestehen kann, wird über der Oberfläche des Wafers abgesetzt,
um das leitende Muster zu überdecken und die Bildung eines zweiten leitenden Musters isoliert von dem ersten Muster zu
ermöglichen. Die Anwendung abgeschrägter Kanten für das leitende Element, welches das erste leitende Muster bildet, ermöglicht,
daß diese Schicht aus Isoliermaterial gleichförmiger über dem leitenden Element niedergeschlagen werden kann.
In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Isolierschicht durch an Ort und Stelle erfolgende Umwandlung eines oberen
Abschnittes des leitenden Musters zu bilden. Wenn beispielsweise das erste Muster aus Silizium gebildet ist, kann eine
Aufheizung in einer oxidierenden Atmosphäre in der üblichen
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»AP AL
Weise verwendet werden, um eine isolierende Schicht darüber auszubilden. In diesem Pail, ist die abgeschrägte Kante für
die nachfolgende Verarbeitung vorteilhaft* Insbesondere wird das folgende gleichförmige Absetzen der Ä'tzgrundschicht erleichtert,
die normalerweise verwendet wird, um die Formgebung der isolierten Schicht über der ersten Metallisierungsschicht
zu steuern und die Wahrscheinlichkeit von Defekten in der Überlappung
oder dem Überkreuzungsber^ich zu reduzieren*
Danach muß das zweite Niveau des gewünschten leitenden Musters hergestellt werden.
Wenn dieses Muster eine elektrische Verbindung zu dem Halbleiterwafer
haben soll, sei es galvanisch oder kapazitiv, so werden zuerst entsprechende Öffnungen oder Verdünnungen der isolierenden
Schichten über dem Wafer an den zur Verbindung gewünschten Bereichen vorgesehen. Dies kann mit Vorteil durch Anwendung
üblicher photolithographischer Verfahren geschehen und ist nachfolgend nicht in Einzelheiten erläutert.
Nachdem die entsprechenden Öffnungen angebracht wurden, erfolgt das Absetzen ein^r vorteilhafterweise stetigen leitenden Schicht,
Wenn das gewünschte Zwischenverbindungsmustur eine andere Überlappung
oder Überkreuzung der leitenden Elemente über dem zweiten Muster erfordert, so kann die Schicht mit Vorteil von der
Art sein, welche anfänglich zur Herstellung des ersten leitenden Musters abgesetzt wird. Wenn es jedoch unnötig ist, zusätzliche
Überkreuzungs- oder Überlappungsmuster herzustellen, kann dieses zweite leitende Muster in üblicher Weise unter Verwendung
normaler Stoffe hergestellt werden. Danach werden in jedem Pail übliche photolithographische Verfahren verwendet, um überschüssiges
Material von dieser zweiten stetigen Schicht zu entfern- nen und das gewünschte leitend«? Muster 25 zu belassen, welches
von dem ersten leitenden Muster 24 durch eine Isolierschicht 26 gemäß Pig, 5 isoliert ist. Im Interesse der Vereinfachung ist
das volle Ausmaß der Isolierschicht 26 nicht veranschaulicht.
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Die Erfindung ist anwendbar auf die Bildung eines leitenden
Weges, welcher nicht völlig ein darunterliegendes leitendes Element überkreuzt sondern lediglich überlappt, obgleich eine
elektrische Isolation aufrechterhalten wird. Dieser Pail entsteht typisch dort, wo es vorteilhaft ist, getrennte Verbindungen
entweder direkt oder kapazitiv zu zwei in dichtem Abstand gelegene Bereiche eines Halbleiterwafers herzustellen,
wie dies beispielsweise bei gewissen !Formen isolierter Tastfeldeffekttransistoren
oder ladungsgekoppelter Baueinheiten der Fall ist.
Die Grundlagen der Erfindung können auf jede Porm einer Mikroschaltung
ausgedehnt werden, einschließlich vielschichtiger Zwischenverbindungsmuster, beispielsweise Dünn- und Dickfilmschaltungen,
einschließlich einfacher Widerstände und Kapazitäten sowie furisfcioneller Schaltungen, beispielsweise ladungsgekoppelter
Baueinheiten, einschließlich in erster linie kapazitiver Verbindungen zu einem Halbleiterwafer. Die Erfindung
kann sogar auf magnetische Mikrοschaltungen angewendet werden,
wenn sich die Notwendigkeit für Vielsehieht-Zwischenverbindungen ergibt.
Eine breite Vielzahl von Aufeinanderfolgen von Verfahrensschritten kann vorgesehen werden, ohne vom Erfindungsgedanken
abzuweichen, dessen wesentliches Merkmal in der Ausbildung eines im wesentlichen trapezförmigen Querschnittes eines leitenden
Elementes in entsprechender Weise besteht, welches teilweise zusammen mit einem anderen leitenden Element verläuft,
während eine wesentliche elektrische Isolation aufrechterhalten wird.
-.«.-- »AD ORIGINAL
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Claims (7)
1. Vorfahren zur Herstellung eines Zwischenverbindungsmusters
auf einem elektrischen Element, das zumindest zwei elektrisch isolierte, ;jedoch übereinanderliegende leitende Muster umfaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß das untere leitende Muster (24) zu Beginn aus einem Material hergestellt wird, welches in seiner
Dickenrichtung langsamer als in der Richtung senkrecht hierzu ätzbar ist und nach der Ätzung das gewünschte leitende Muster
bildet, wobei das leitende Element (11A) dieses Musters mit einem betont trapezförmigen Querschnitt versehen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das untere leitende Muster aus einer binären Legierung besteht, deren
Zusammensätzung sich mit der Dicke der Schicht ändert, um
eine anisotrope Ätzgeschwindigkeit einzustellen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das untere leitende Muster polykristallin ist und daß die G-itterfehlordnung
sich mit der Dicke ändert, um eine anisotrope Ätzgeschwindigkeit einzustellen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das .untere leitende Muster aus einem polykristallinen Halbleitermaterial
besteht, bei welchem die Leitfähigkeit sich mit der Dicke ändert, um eine anisotrope Ätzgeschwindigkeit einzustellen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein oxidbeschichtetes Siliziumkristall-Unterlagematerial
ist und das untere leitende Muster aus einem polykristallinen Silizium besteht.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzgeschvindi^kuit auf einen solchen Wert eingestellt wird, daß
der Winkel O, welcher durch entgegengesetzte Seiten des geätz-
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ten leitenden Elementes (f1A) sowie die Unterfläche einer Ätzmaske
(13A) festgelegt ist, nicht größer als 30 ist«
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Überkreuzungspunkt der leitenden Elemente entsprechender
Muster (24# 25) eine Isolierschicht (26) zumindest über der freiliegenden Fläche und den geätzten Seiten des unteren leitenden
Elementes ausgebildet wird.
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