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Die
Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement und ein Verfahren
zur Herstellung eines derartigen Bauelementes.
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Mikromechanische
Bauelemente, insbesondere mikromechanische Sensoren, sind zum Teil
mit einer Membran ausgebildet, unterhalb von der eine Kaverne in
einer Opferschicht – z.B.
dem Substrat – ausgebildet
ist.
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Bei
einer oberflächenmikromechanischen Herstellung
derartiger unterätzter
Strukturen werden im Allgemeinen auf einer Opferschicht zunächst eine Schicht
oder ein Schichtsystem aus mehreren Schichten, z.B. SiO2 und/oder
Si3N4 aufgetragen, Ätzöffnungen
in der Schicht bzw. Membranschicht ausgebildet und nachfolgend ein Ätzmedium,
z.B. ein das Material der Opferschicht selektiv ätzendes Gas wie ClF3 oder XeF2,
durch die Ätzöffnungen
zu der Opferschicht geleitet, so dass unterhalb der Membran eine
Kaverne ausgebildet wird, auf der die Membran freitragend verbleibt.
Die im Allgemeinen aus einem isolierenden Material bestehende Membran
ist hierdurch thermisch von dem Substratmaterial getrennt und weist
bei geringer Wärmeleitfähigkeit
eine geringe Wärmekapazität auf. Als
mikromechanische Bauelemente können
insbesondere Drucksensoren und thermische Sensoren, z.B. Massenflusssensoren,
thermische Neigungswinkelsensoren und spektroskopische bzw. optische
Gassensoren, hergestellt werden. Hierzu kann auf oder in der Membran
eine geeignete Messstruktur ausgebildet werden, z.B. mit piezoresistiven
Elementen zur Messung der Spannung der Membran, mit infrarotabsorbierenden Strukturen
zur Messung einfallender Infrarotstrahlung in unterschiedlichen
Wellenlängenbereichen.
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Die
unter der Membran ausgebildete Kaverne steht hierbei über die Ätzöffnungen
im direkten Kontakt mit der Umgebung des Bauelementes, so dass Schmutzpartikel
ungehindert in die Kaverne eindringen und sich dort festsetzen können. Hierdurch
kann die Funktionalität
des Bauelementes verringert werden und gegebenenfalls ein Totalausfall des
Bauelementes auftreten.
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Die
DE 103 05 442 zeigt ein
Verfahren zur Ausbildung eines derartigen Bauelementes, bei dem nachfolgend
eine Verschlussschicht auf dem Schichtsystem abgeschieden wird,
um die Ätzzugänge zu schließen. Dies
erweist sich in der Praxis aber in mehrerer Hinsicht als problematisch.
Da das Material der Verschlussschicht im Wesentlichen in vertikaler
Richtung auf der Membran aufwächst,
werden die Löcher
in der Membran nur relativ langsam geschlossen. Hierdurch entsteht
eine relativ dicke Verschlussschicht, was sich oft negativ auf die
mechanischen und thermischen Eigenschaften der Membran auswirkt.
Weiterhin kann sich das Material der Verschlussschicht auch im Bereich
der Kaverne und insbesondere an der Membranunterseite ablagern,
wodurch die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Membran
negativ beeinflusst werden können.
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Das
Aufbringen einer Verschlussschicht auf der Oberseite des Bauelementes
kann auch zu einer Beeinträchtigung
weiterer Bereiche, z.B. den der Kontaktierung dienenden Bondpads
führen.
Somit ist oftmals ein nachfolgender Strukturierungsschritt zum Entfernen
der Verschlussschicht erforderlich.
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Weiterhin
sind Verfahren zur Ausbildung der Kaverne durch Gasphasenätzen über einen
seitlichen Ätzzugang
bekannt. Die Ausbildung von Ätzöffnungen
kann weiterhin bei Verwendung von für das Ätzmedium permeablen Membranen,
z.B. Polysilizium-Membranen, erreicht werden, wobei ein Opferoxid
mit gasförmigen
Flurwasserstoff geätzt
und nachfolgend ein Ver schluss mit LPCVD-Nitrid erfolgen kann. Derartige
permeable Schichten sind jedoch für die meisten Ätzgase nicht
möglich;
die Ausbildung eines Opferoxides ist relativ aufwendig.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement
und das Verfahren zu seiner Herstellung weisen demgegenüber einige
Vorteile auf. Indem die Verschlussschicht nur lokal begrenzt auf
einen Aufbringbereich der Membran und gegebenenfalls einen die Membran
umgebenden Membranumgebungsbereich aufgebracht wird, ist eine nachträgliche Strukturierung
der Verschlussschicht und ein Entfernen des Materials der Verschlussschicht
auf äußeren Bereichen,
z.B. Bondpads, nicht erforderlich. Erfindungsgemäß ist hierbei erkannt worden,
dass das lokale Aufbringen insbesondere mittels eines Bubble-Jet-Verfahrens,
d.h. mittels Aufbringen von Tröpfchen
einer Suspension oder Lösung
durch lokales starkes Erhitzen derselben, oder mittels eines Mikrodispens-Verfahrens,
d.h. durch Auftragen kleiner Tröpfchen,
erreicht werden kann. Als Materialien der Verschlussschicht können insbesondere
SOG (spin on glass), BCB (BenzocycloButen), Polyimid und/oder ein
anorganisch-organisches Hybridpolymer dienen.
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Grundsätzlich kann
z.B. auch ein Stempeldruck erfolgen, wenn der Stempel auf dem Membranumgebungsbereich
hinreichend gut abgestützt
wird, so dass keine große
Druckeinwirkung auf die Membran erfolgt.
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Die
erfindungsgemäße lokale
Aufbringung der Verschlussschicht kann insbesondere kombiniert werden
mit einem Verfahren zur Ausbildung der Kaverne durch sich in lateraler
Richtung erstreckende Ätzöffnungen.
Hierbei wird auf der Opferschicht – z.B. dem Substrat – zunächst eine
untere Schicht abgeschieden, in der untere Ätzöffnungen strukturiert werden,
nachfolgend wird mindestes eine zweite Opferschicht auf die untere
Schicht aufgebracht und derartig strukturiert, dass sie die unteren Ätzöffnungen
verschließt
und sich in einer lateralen Richtung auf der unteren Schicht erstreckt.
Auf der zweiten Opferschicht wird nachfolgend mindestens eine obere
Schicht aufgetragen und derartig strukturiert, dass obere Ätzöffnungen
auf oder oberhalb der zweiten Opferschicht und zu den unteren Ätzöffnungen
lateral versetzt ausgebildet werden. Bei einem nachfolgenden selektiven
Gasphasenätzen
wird durch die oberen Ätzöffnungen Ätzgas zugeführt, das
zunächst das
Material der oberen Opferschicht entfernt, so dass sich freie Ätzdurchgänge zu den
unteren Ätzöffnungen
ausbilden. Im selben Prozessschritt kann nachfolgend bereits das Ätzen der
Opferschicht durch die unteren Ätzöffnungen
erfolgen, so dass ein ventilartiges System ausgebildet wird, bei
dem oberhalb der Kaverne untere Ätzöffnungen
und mit diesen durch einen sich lateral erstreckenden Gang verbundene
obere Ätzöffnungen
ausgebildet sind. Beim nachfolgenden lokalen Aufbringen mittels
z.B. Bubble-Jet oder Mikrodispensen werden die oberen Ätzöffnungen
in der oberen Schicht verschlossen, wobei gegebenenfalls das Material
der Verschlussschicht auch in den Ätzdurchgang zwischen der unteren
und oberen Schicht gelangt; aufgrund des lateralen Versatzes gelangt
das Material jedoch nicht bzw. nur in vernachlässigbarem Umfang auch zu den
unteren Ätzöffnungen,
so dass insbesondere die Kaverne und die untere Seite der Membran
nicht beeinträchtig werden.
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Erfindungsgemäß kann die
Membran einen Schichtaufbau mit Funktionsstrukturen, insbesondere
Funktionsschichten wie Leiterbahnen aufweisen; bei einem thermischen
Sensor, z.B. infrarotoptischen Gassensor, kann somit eine Thermopile-Struktur
aus miteinander kontaktierten Leiterbahnen aus Materialien mit unterschiedlichen
Seebeck-Koeffizienten ausgebildet werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen
an einigen Ausführungsformen
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Sensor als mikromechanisches Bauelement mit einer freigeätzten Kaverne
unterhalb einer freitragenden Membran vor Aufbringen der Verschlussschicht;
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2 den
Sensor aus 1 nach Aufbringen der lokalen
Verschlussschicht als erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement;
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3 bis 7 die
einzelnen Prozessschritte zur Herstellung eines weiteren erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelementes ohne Funktionsschicht;
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8 bis 11 die
einzelnen Prozessschritte zur Herstellung des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelementes aus 2.
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Beschreibung
der Ausführungsformen
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Zur
Herstellung des in 2 gezeigten erfindungsgemäßen Sensors 1 wird
zunächst
das in 1 gezeigte Bauelement hergestellt, das ein Substrat 3 mit
einer oberflächenmikromechanisch
ausgebildeten Kaverne 4 aufweist. Auf dem Substrat 3 ist ein
Schichtsystem 5 ausgebildet, das oberhalb der Kaverne 4 eine
freitragende Membran 6 bildet. Das Schichtsystem 5 kann
hierbei eine einzige Schicht oder ein Schichtstapel aus mehreren
Schichten sein. In oder auf dem Schichtsystem 5 können ein
oder mehrere Funktionsschichten 8 ausgebildet sein, die sich
bis in die oder auf die Membran 4 erstrecken. Als Funktionsschicht 8 können z.B.
Leiterbahnen 8 ausgebildet sein, die eine auf oder in der
Membran 6 ausgebildete Messstruktur, z.B. eine Thermopile-Struktur
oder ein piezoresistives Element, mit auf der Schicht 5 ausgebildeten
Bondpads 10 kontaktieren. Die Ausbildung dieses in 1 gezeigten
Bauelementes erfolgt mit einem nachfolgend beschriebenen Verfahren.
Auf die Membran 6 und einen Membranumgebungsbereich 11 des
Schichtsystems 5 um die Membran 6 herum wird eine
Verschlussschicht 12 als Suspension oder Lösung, z.B.
mittels Bubble-Jet, Mikrodispensen oder einem ähnlichen Verfahren aufgetragen.
Die Membran 6 und der Membranumgebungsbereich 11 bilden
somit einen Aufbringbereich; lateral außerhalb des Aufbringbereichs 6, 11 liegende
Bereiche 13, in denen die Bondpads 10 liegen, werden
von der Verschlussschicht 12 freigelassen, so dass die
Bondpads 10 nicht bedeckt werden.
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Die 3 bis 7 beschreiben
ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelementes 1 gemäß einer
bevorzugten Ausbildung über lateral
versetzte Ätzöffnungen.
Hierzu wird ein Substrat 3 aus monokristallinem oder polykristallinem
Silizium verwendet, das bei dieser Ausführungsform als erste Opferschicht
dient. Auf diesem Substrat 3 wird mindestens eine Schicht 14 aus
einem dielektrischen Material abgeschieden, wie z.B. aus Siliziumoxid,
Siliziumnitrid oder einer Kombination dieser Materialien. Anschließend wird
die Schicht 14 strukturiert, wobei mehrere Öffnungen 15 erzeugt
werden, die später
als unterer Ätzzugang
zum Freilegen der Membran bzw. Membranen dienen sollen. Über der strukturierten
Schicht 14 wird eine zweite Opferschicht 16 abgeschieden,
die im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
ebenfalls aus Silizium, Silizium-Germanium oder auch Germanium besteht.
Diese Materialien können
mit demselben plasmalosen Ätzmedium
entfernt werden wie das Substratmaterial, beispielsweise mit Chlortrifluorid
ClF3. Die Schichtdicke der zweiten Opferschicht 16 beträgt zwischen
50nm und 2μm. 3 zeigt
den Schichtaufbau des Bauelementes, nachdem die zweite Opferschicht 16 strukturiert
und dabei weitestgehend wieder entfernt worden ist. Erfindungsgemäß schließt sich
an jede der Öffnungen 15 in
der unteren Schicht 14 ein Bereich der strukturierten zweiten
Opferschicht 16 an.
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Wie
in 4 dargestellt wird über der strukturierten zweiten
Opferschicht 16 mindestens eine obere Schicht 18 aus
einem dielektrischen Material abgeschieden, wie z.B. aus Siliziumoxid,
Siliziumnitrid oder einer Kombination dieser Materialien. Das aus
den Schichten 14 und 18 bestehende Schichtsystem 5 bildet
den Hauptbestandteil der zu erzeugenden Membran bzw. Membranen und
wird dementsprechend so ausgelegt, dass seine thermischen Eigenschaften
und seine mechanischen Eigenschaften, wie z.B. die Spannungsverhältnisse,
optimiert werden.
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5 zeigt
den Schichtaufbau des Bauelementes nach Strukturierung der oberen
Schicht 18. Hierbei sind mehrere Öffnungen 19 erzeugt
worden, die den oberen Ätzzugang
zum Freilegen der Membranen bilden. Erfindungsgemäß sind die Öffnungen 19 in
der oberen Schicht 18 so angeordnet, dass sie mit mindestens
einer Öffnung 15 in
der unteren Schicht 14 über
einen zusammenhängenden
Bereich in der zweiten Opferschicht 16 verbunden sind,
aber gegenüber
dieser Öffnung 15 in
der unteren Schicht 14 lateral versetzt angeordnet sind.
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In
dem anschließenden
plasmalosen Ätzschritt
wird hier ein plasmaloses Ätzmedium
eingesetzt, das eine sehr hohe Selektivität gegenüber Siliziumoxid und Siliziumnitrid
aufweist, wie z.B. Chlortrifluorid. Bei diesem Ätzangriff wird zunächst über die Öffnung 19 in
der oberen Schicht 18 das Material der zweiten Opferschicht 16 entfernt.
So entstehen Zugangskanäle 20,
die in die entsprechenden Öffnungen 15 in
der unteren Schicht 14 des Schichtsystems 5 münden. Über diese
Zugangskanäle 20 greift
das Ätzmedium
nun das Substratmaterial an, wobei Kavernen 4 im Substrat 3 entstehen
und Membranen 6 im Schichtsystem 5 über dem
Substrat 3 freigelegt werden, was in 6 dargestellt
ist. Diese Figur verdeutlicht, dass die Kavernen 4 zwar über die Zugangskanäle 20 mit
der Umgebung in Verbindung stehen, so dass gasförmige und flüssige Medien
in die Kaverne 4 ein- und austreten können. Jedoch verringert der
erfindungsgemäße Versatz
der Zugangskanäle 20 das
Eindringen von Partikeln in die Kavernen 4.
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Nachfolgend
wird eine Verschlussschicht 12 über dem Schichtsystem 5 lokal
abgeschieden. Die Verschlussschicht 12 kann grundsätzlich eine
einzige Schicht bzw. eine Schichtfolge sein und vorzugsweise aus
SOG (spin on glass), BCB, Polyimid und/oder ein anorganisch-organische
Hybridpolymer oder einer Kombination dieser Materialien bestehen.
Das Material der Verschlussschicht 12 wächst dabei nicht nur auf der
oberen Schicht 18 auf, sondern auch – durch die Öffnungen 19 – auf der
unteren Schicht 14. Dadurch werden die Zugänge zu den
Kavernen 4 relativ schnell verschlossen, ohne dass das
Material der Verschlussschicht 12 in die Kavernen 4 eindringt, was
durch 7 veranschaulicht wird. Aufgrund des Versatzes
zwischen den Öffnungen 19 in
der oberen Schicht und den entsprechenden Öffnungen 15 in der unteren
Schicht 12 kann schon mit einer relativ dünnen Verschlussschicht 12 ein
zuverlässiger
Abschluss der einen oder mehreren Kavernen 4 erzielt werden.
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Auch
die in den 8 bis 11 dargestellte
Verfahrensvariante zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements
mit einer Membran und einem Thermopile geht von einem Substrat 3 aus monokristallinem
oder polykristallinem Silizium aus, das im hier dargestellten Ausführungsbeispiel
als erste Opferschicht fungiert. Wie bei dem in den 3 bis 7 dargestellten
Ausführungsbeispiel
wird auf dem Substrat 3 eine Schicht 14 aus einem
dielektrischen Material abgeschieden, wie z.B. aus Siliziumoxid,
Siliziumnitrid oder einer Kombination dieser Materialien. Anschließend wird
die Schicht 14 strukturiert. Dabei wird hier allerdings
nur eine Öffnung 15 erzeugt,
die später
als unterer Ätzzugang
zum Freilegen der Membran dienen soll. Über der so strukturierten Schicht 14 wird
eine Schicht aus Silizium, Silizium-Germanium oder auch Germanium
abgeschieden und strukturiert, so dass lediglich zwei Bereiche 16 und 24 dieser
Schicht verbleiben. Der Schichtbereich 16 schließt sich
an die Öffnung 15 in
der unteren Schicht 14 an und fungiert als zweite Opferschicht 16.
Der Schichtbereich 24 bildet den ersten Schenkel eines
Thermopiles 28. Darüber
wird eine obere Schicht 18 aus einem dielektrischen Material, wie
Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder einer Kombination dieser Materialien,
abgeschieden. 8 zeigt den Schichtaufbau des
Bauelementes nach Strukturierung dieser oberen Schicht 18.
Dabei wurde eine Öffnung 19 erzeugt,
die den oberen Ätzzugang
zum Freilegen der Membran bilden soll. Erfindungsgemäß ist die Öffnung 19 in
der oberen Schicht 18 so angeordnet, dass sie mit der Öffnung 15 in
der unteren Schicht 14 über
den Schichtbereich 16 verbunden ist, aber gegenüber der Öffnung 15 in
der unteren Schicht 14 versetzt angeordnet ist. Lateral
beabstandet zu der Öffnung 19 wird
noch eine Öffnung 25 erzeugt,
die den Kontaktbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Schenkel
des Thermopiles bilden soll.
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9 zeigt
den Schichtaufbau des Bauelements, nachdem der zweite Schenkel 26 des
Thermopiles 28 abgeschieden und strukturiert worden ist. Er
erstreckt sich über
den gesamten Kontaktbereich und verschließt so die Öffnung 25 in der oberen Schicht 18.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist
der zweite Schenkel 26 aus Aluminium gebildet, das in dem
anschließenden Ätzschritt
zum Freilegen der Membran nicht angegriffen wird.
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Wie
bei dem in Verbindung mit den 3 bis 7 erläuterten
Ausführungsbeispiel
wird ein Ätzmedium
mit einer hohen Selektivität
gegenüber
den Materialien der oberen Schicht 18 und unteren Schicht 14 verwendet.
Das Ätzmedium
dringt daher in die Öffnung 19 in
der oberen Schicht 18 ein und greift lediglich das Material
des Schichtbereichs 16 an. Dadurch entsteht zunächst ein
Zugangskanal 20 zum Substrat 3, über den
dann anschließend
auch das Substratmaterial entfernt und eine Kaverne 4 erzeugt
wird bzw. die Membran 6 freigelegt wird, was in 10 dargestellt
ist.
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Auch
hier wird über
der Membran 6 und dem Thermopile 28 eine Verschlussschicht 12 bzw.
eine entsprechende Schichtfolge lokal abgeschieden. Dabei entsteht
eine geschlossene Oberfläche,
auf der eine weitere Prozessierung möglich ist, beispielsweise Lithographie. 11 zeigt
den Schichtaufbau des Bauelementes 1, nachdem eine Öffnung 27 für die Bondlands
des Thermopiles 28 in der Verschlussschicht 12 erzeugt
worden ist.
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Der
zweite Schenkel 26 kann entsprechend auch aus Polysilizium
ausgebildet werden.
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Zur
erfindungsgemäßen Herstellung
des in 2 gezeigten Sensors 1 werden somit vorteilhafterweise
folgende Prozessschritte durchgeführt:
- – Abscheiden
und gegebenenfalls Strukturieren eines Schichtsystems 5 für die spätere Membran 6 mit
oder ohne Funktionsschichten 8;
- – Herstellen
von Zugangslöchern
für das
spätere Freiätzen der
einen Kaverne 4 oder mehreren Kavernen 4;
- – Abscheiden
und Strukturieren eines Ätzkanals;
- – Abscheiden
von Isolationsschichten und Funktionsschichten, z.B. Leiterbahnen,
die gegebenenfalls strukturiert werden;
- – Abscheiden
und Strukturieren der Bondpads 10, gegebenenfalls einschließlich Isolationsschichten und
Zuleitungen;
- – Herstellen
von oberen Zugangslöchern,
die über den
ausgebildeten Ätzkanal
mit den unteren Zugangslöchern
verbunden sind,
- – Freiätzen der
Kaverne 4, so dass eine freitragende Membran 6 entsteht
und
- – lokales
Aufbringen der Verschlussschicht 12.
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Das
Aufbringen der Verschlussschicht 12 kann z.B. mittels Bubble-Jet
oder Mikrodispensen erfolgen. Weiterhin sind auch andere Verfahren
zum lokalen, d.h. auf die Membran 6 und deren Umgebungsbereich
begrenzte Aufbringverfahren möglich. Die
Aufbringverfahren sind hierbei vorteilhafterweise plasmafrei. Grundsätzlich ist
z.B. auch ein Stempeldruck möglich,
bei dem der Stempel auch außerhalb der
Membran 6 aufsitzt und somit die Membran 6 nicht
zu sehr belastet.