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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht von einem mikromechanische Bauelement nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 aus.
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Solche
mikromechanischen Bauelemente sind allgemein bekannt. Beispielsweise
ist aus der Druckschrift
EP
1274648 B1 ein mikromechanisches Bauelement und ein Verfahren
zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements bekannt, welches eine
Funktionsebene mit beweglichen und angebundenen Strukturen aufweist,
wobei die angebundenen Strukturen durch Gräben und Oxidpfropfen,
welche die Gräben ausfüllen, voneinander getrennt
sind. Das Verfahren sieht zunächst die Bildung einer Funktionsschicht,
eine nachfolgende Ätzung von Opferschichten durch die Gräben
hindurch und einen abschließenden Verschluss der Gräben
mittels der Oxidpfropfen vor. Eine Leitungsbahnebene zur Kontaktierung
von beweglichen und angebundenen Strukturen der Funktionsschicht
wird unterhalb der Funktionsschicht gebildet, wodurch eine Vielzahl
von aufwändigen und kostenintensiven Prozessschritten erforderlich
ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement und
das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung
eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements
gemäß den nebengeordneten Ansprüchen
haben den Vorteil, dass eine gegenüber dem Stand der Technik
deutlich geringere Anzahl von Prozessschritten zur Herstellung des
mikromechanischen Bauelements, insbesondere bei der Herstellung
von Sensoren und Aktoren, erreicht wird. Die Reduzierung der benötigten
Prozessschritte erfolgt durch eine Verkappung des mikromechanische
Bauelement wird mit einer Verkappungsschicht, insbesondere mit einer
Dünnschichtkappe, wobei die Verkappungsschicht wenigstens
den einen Graben aufweist, so dass elektrisch isolierte Verkappungsschichtelemente
entstehen. Die Verkappungsschichtelemente werden gegebenenfalls
in der Funktionsschicht und in einer oberen Metallschicht kontaktiert. So
stehen die Verkappungsschichtelemente selbst als Leiterbahnen zur
Verfügung und ermöglichen eine Leitungsbahnebene
in der oberen Metallschicht. Aufwändige und kostenintensive
Prozessschritte zur Erzeugung von Leiterbahnen und Leitungsbahnebenen
unterhalb der Funktionsschicht entfallen. Vorzugsweise sind die
Verkappungsschichtelemente von wenigstens einem Graben vollständig
umgeben. Zur mechanischen Anbindung der Verkappungsschichtelemente
ist wenigstens der eine elektrisch isolierende Verbindungssteg vorgesehen,
wobei vorzugsweise der Verbindungssteg und die Verkappungsschicht
zum Zeitpunkt des Aufbringens der Verkappungsschicht einstückig
verbunden sind. Durch eine stabile mechanische Fixierung des Verkappungsschichtelements
wird insbesondere eine Verbindung zwischen dem Verkappungsschichtelement
und einer Struktur der Funktionsschicht, welche in der Funktionsschicht
keine Fixierung aufweist, ermöglicht, da das Verkappungsschichtelement
in diesem Fall als Halterung für die Struktur und gleichzeitig
als Leiterbahn zur elektrischen Kontaktierung der Struktur fungiert.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung weist eine Flächennormale einer
Grabenwand des Grabens bezüglich einer zur Haupterstreckungsebene
des Substrats senkrechten Richtung wenigstens zwei verschiedene
Winkel auf. Ein solches Profil ermöglicht einen Verbindungssteg,
dessen Ausdehnung entlang einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten
Richtung variabel ist und entsprechend an die geforderte Anforderung
an die Isolationsfähigkeit und die mechanische Belastbarkeit
angepasst wird. Insbesondere ist ein Verbindungsstege mit einer
geringeren Ausdehnung als die Verkappungsschichtdicke vorgesehen.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements, wobei in einem
ersten Verfahrensschritt das Substrat mit der ersten Isolationsschicht
und der Funktionsschicht versehen wird, bevorzugt ist ein SOI-Wafer
vorgesehen, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt die Funktionsschicht,
bevorzugt durch ein bekannten Trench-Prozess, besonders bevorzugt
durch einen Bosch- oder DRIE-Prozess, strukturiert wird, wobei in
einem dritten Verfahrensschritt die zweite Isolationsschicht aufgebracht
wird, wobei in einem vierten Verfahrensschritt die zweite Isolationsschicht
strukturiert wird, wobei in einem fünften Verfahrensschritt
die Verkappungsschicht, insbesondere eine Siliziumdünnschichtkappe,
aufgebracht wird und wobei in einem sechsten Verfahrensschritt die
Verkappungsschicht mit wenigstens dem einen Graben versehen wird, wobei
wenigsten der eine Verbindungssteg der Verkappungsschicht zur Überbrückung
des Grabens bei der Grabenbildung stehen gelassen wird. Dadurch entstehen
Verkappungsschichtelemente, welche als Leiterbahnen fungieren und
gleichzeitig mechanisch fixiert sind. Des weiteren entsteht durch
den Graben ein Zugang zur Funktionsschicht des mikromechanischen
Bauelements, so dass in späteren Verfahrensschritten Ätzvorgänge
und/oder Oxidationsvorgänge in der Verkappungsschicht und/oder
der Funktionsschicht ermöglicht werden. Insbesondere ist
eine Dotierung und/oder eine Temperung der Verkappungsschicht vorgesehen.
Die Isolationsschichten dienen bevorzugt der elektrischen und räumlichen
Trennung der angrenzenden Schichten, sowie besonders bevorzugt als
Schutz- und Opferschichten.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung wird im Anschluss an den sechsten Verfahrensschritt in
einem siebten Verfahrensschritt die erste und/oder die zweite Isolationsschicht
von einem Ätzmittel durch den Graben hindurch geätzt.
Durch die Ätzung entstehen in der Funktionsebene insbesondere
bewegliche Strukturen. Die mechanische Fixierung der Verkappungsschichtelemente
durch die Verbindungsstege ermöglicht insbesondere eine
Unterätzung von Elementen in der Funktionsschicht, welche nicht
in der Funktionsschicht selbst fixiert sind, sondern lediglich eine
Verbindung zu einem Verkappungsschichtelement aufweisen und durch
dieses kontaktiert werden. Solche Strukturen fungieren insbesondere
als Elektroden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird im Anschluss an den siebten
Verfahrensschritt in einem achten Verfahrensschritt ein Oxidationsverfahren,
bevorzugt eine thermische Oxidation, durchgeführt, wobei
insbesondere eine dritte Isolationsschicht zum Verschließen
der Verkappungsschicht gebildet wird und/oder eine Oxidation des Verbindungsstegs
zur Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit erfolgt.
Bevorzugt wird der Verschluss der Verkappungsschicht in zwei aufeinanderfolgende Verfahrensteilschritte
unterteilt, wobei in einem ersten Verfahrensteilschritt die thermische
Oxidation wenigstens der einen Verbindungsbrücke erfolgt,
wobei insbesondere der Graben teilweise verschlossen wird, und in
einem zweiten Verfahrensteilschritt eine Oxidation zum vollständigen
Verschluss des Grabens und/oder von Grabenteilbereichen durchgeführt wird.
Vorteilhaft ist, dass der Druckbereich des mikromechanischen Bauelements
im Oxidationsvorgang einstellbar ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird in einem auf den achten
Verfahrensschritt folgenden neunten Verfahrensschritt eine Strukturierung
der dritten Isolationsschicht durchgeführt und in einem
nachfolgenden zehnten Verfahrensschritt eine Leiterbahn, vorzugsweise
aus Metall, auf die dritte Isolationsschicht aufgebracht, wobei insbesondere
das Verkappungsschichtelement von der Leiterbahn kontaktiert wird.
Durch die Kontaktierung des Verkappungsschichtelements fungiert
dieses als Leiterbahn und ermöglicht eine Leiterbahnebene
auf der Verkappungsschicht. Durch die mögliche Kontaktierung
isolierter Verkappungsschichtelemente sind insbesondere Kreuzungen
zweier elektrisch getrennter Metallleiterbahnen auf einer Metallebene
möglich.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird im Anschluss an den zehnten
Verfahrensschritt in einem elften Verfahrensschritt eine Schutzebene
aufgebracht und strukturiert wird, wobei insbesondere die Schutzebene
aus Polyimid gebildet wird. Die Schutzebene minimiert die Stressempfindlichkeit
des mikromechanischen Bauelements, insbesondere in einem nachfolgenden
Verpackungsprozess, Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung
wird im sechsten Verfahrensschritt eine Flächennormale
einer Grabenwand des Grabens bezüglich einer zur Haupterstreckungsebene des
Substrats senkrechten Richtung mit wenigstens zwei unterschiedlichen
Winkeln versehen. Bevorzugt wird der Graben durch einen Trench-Prozess
gebildet, welcher zunächst mit einem hohen und später mit
einem geringen Kantenverlust durchgeführt wird, so dass
die Verbindungsstege unterhöhlt werden. Ein solches Profil
ermöglicht einen Verbindungssteg, dessen Ausdehnung entlang
einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten Richtung variabel ist
und entsprechend an die geforderte Anforderung an die Isolationsfähigkeit
und die mechanische Belastbarkeit angepasst wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1a bis 1k zeigen
eine schematische Darstellung der Herstellungsschritte zur Herstellung eines
mikromechanischen Bauelements gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Bauelements
gemäß einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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3a und 3c zeigen
jeweils eine schematische Aufsicht eines Teilelements des erfindungsgemäßen
mikromechanischen Bauelements gemäß der ersten
oder der zweiten Ausführungsform. In den 3b und 3d ist jeweils eine schematische Seitenansicht
desselben Teilelements in einer Schnittebene, welche in der jeweiligen
Aufsicht schematisch eingezeichnet ist, dargestellt.
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Die 4a bis 4c zeigen
unterschiedliche Varianten eines Teilbereichs des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelements gemäß der ersten oder der zweiten
Ausführungsform.
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5 zeigt
eine Aufsicht eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer
weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In
den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen
Bezugszeichnen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils
nur einmal beschriftet.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Zur
Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer
ersten Ausführungsform sind in den 1a bis 1k die
Herstellungsschritte des mikromechanischen Bauelements anhand einer
Mehrzahl von Vorläuferstrukturen des mikromechanischen
Bauelements schematisch dargestellt. In 1a ist
eine erste Vorläuferstruktur dargestellt, welche ein Substrat 3 darstellt, wobei
das Substrat 3, insbesondere ein Siliziumsubstrat, mit
einer ersten Isolationsschicht 2 und einer über
der ersten Isolationsschicht 2 liegenden Funktionsschicht 1,
vorzugsweise eine Epi-Si-Poly- oder Si-Poly-Schicht, versehen wird,
wobei insbesondere ein Vorgang zur Planarisierung der Funktionsschicht 1 vorgesehen
ist. In der 1b ist eine zweite Vorläuferstruktur
zur Veranschaulichung des zweiten Verfahrensschritts dargestellt,
wobei die Funktionsschicht 1, insbesondere zur Erzeugung
von beweglichen Teilen 32 und Hohlräumen 30 in
der Funktionsschicht 1, strukturiert wird. Ein dritter
Verfahrensschritt ist anhand einer dritten Vorläuferstruktur
in 1c illustriert, wobei eine zweite Isolationsschicht 40,
insbesondere eine Oxidschicht, aufgebracht wird und wobei vorzugsweise
eine Planarisierung der Isolationsschicht 40 durchgeführt
wird. In 1d wird eine vierte Vorläuferstruktur
zur Veranschaulichung eines vierten Verfahrensschritts dargestellt,
wobei die zweite Isolationsschicht 40 strukturiert wird,
vorzugsweise zur Resistenzbildung von Teilen der zweiten Isolationsschicht 40 gegen
einen zeitlich späteren Ätzvorgang. Zur Veranschaulichung
eines fünften Verfahrensschrittes wird in 1e eine
Vorläuferstruktur dargestellt, wobei eine Verkappungsschicht 50,
insbesondere eine Silizium-Dünnschichtkappe, aufgebracht
wird, wobei bevorzugt ein Epitaxieverfahren verwendet wird. Ein
nachfolgender sechster Verfahrensschritt wird mit Hilfe einer sechsten
Vorläuferstruktur in 1f dargestellt,
wobei die Verkappungsschicht, vorzugsweise mit einem Trench-Prozess,
strukturiert wird, so dass wenigstens ein Graben 52 entsteht,
wobei wenigstens ein Verbindungssteg 54 der Verkappungsschicht 50 zur Überbrückung
des Grabens 52 im Strukturierungsprozess stehen bleibt.
Die Ausbildung des Verbindungsstegs 54 wird insbesondere
durch einen Trench-Prozess des Grabens 52 durchgeführt,
wobei zu Beginn ein geringer Kantenverlust und anschließend
einer höherer Kantenverlust vorgesehen ist, so dass der
Verbindungssteg unterhöhlt wird und somit nur über
einen Teil der Verkappungsschichtdicke ausgebildet ist. Insbesondere
ist eine vollständige Umschließung eines Verkappungsschichtelements 50' durch
wenigstens einen Graben 52 vorgesehen. In 1g wird anhand
einer siebten Vorläuferstruktur ein siebter Verfahrensschritt
dargestellt, wobei eine Opferschichtätzung der ersten und/oder
zweiten Isolationsschicht 2, 40 durchgeführt
wird, wobei bevorzugt ein Ätzmittel durch den Graben 52 hindurch
den Isolationsschichten 2, 40 zugeführt
wird und wobei besonders bevorzugt in der Funktionsebene 1 bewegliche
Strukturen 32 gebildet werden. Anhand einer in 1h illustrierten
achten Vorläuferstruktur wird ein achter Verfahrensschritt
dargestellt, wobei ein Oxidationsverfahren, bevorzugt ein thermisches
Oxidationsverfahren, durchgeführt wird, welches die elektrische
Leitfähigkeit des Verbindungsstegs 54 reduziert und
insbesondere einen Verschluss der Verkappungsschicht 50 durch
eine dritte Isolationsschicht 60 bildet. Dabei wird eine
höhere Oxidationsrate an der Oberfläche der Verkappungsschicht 50 als
im Innern der Verkappungsschicht 50 und/oder im Innern der
Funktionsschicht 1 erreicht, da dort der Gasfluss beim
Oxidationsvorgang geringer ist. In 1i ist
anhand einer neunten Vorläuferstruktur ein neunter Verfahrensschritt
dargestellt, wobei die dritte Isolationsschicht 60 strukturiert
wird. Eine zehnte Vorläuferstruktur illustriert in 1j stellt
einen zehnten Verfahrensschritt zum Aufbringen einer Leiterbahn 76, insbesondere
einer Leiterbahn 76 aus Metall, auf die dritte Isolationsschicht 60 dar,
wobei insbesondere das Verkappungsschichtelement 50' von
der Leiterbahn 76 kontaktiert wird und zusammen mit der
Leiterbahn 76 eine elektrisch leitende Verbindung bildet. In 1k wird
anhand einer beispielhaften Struktur eines erfindungsgemäßen
Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform
ein elfter Verfahrensschritt dargestellt, wobei eine Schutzebene 80 auf
die Oberfläche des mikromechanischen Bauelements, vorzugsweise
aus Polyimid, aufgebracht wird, um die Stressempfindlichkeit des
mikromechanischen Bauelements herabzusetzen.
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In 2 ist
beispielhaft die Struktur eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt,
welche jedoch im wesentlichen auf der Struktur des mikromechanischen
Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform
(1k) basiert. Daher wird im Folgenden lediglich
auf die Besonderheiten der zweiten Ausführungsform gegenüber
der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung näher
eingegangen. Das erfindungsgemäße mikromechanische
Bauelement gemäß einer zweiten Ausführungsform
weist ein Verkappungsschichtelement 50' in einer Verkappungsschicht 50 gemäß des
in 1k dargestellten erfindungsgemäßen
mikromechanischen Bauelements einer ersten Ausführungsform auf,
welches mit einer Struktur 90 in der Funktionsschicht mechanisch
stabil verbunden ist, wobei die Struktur 90 im Unterschied
zum erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements
gemäß einer ersten Ausführungsform (1k)
in der Funktionsschicht keine mechanische Fixierung aufweist. Das Verkappungsschichtelement
weist einen elektrisch leitenden Kontakt mit einer Leiterbahn 76 auf,
wobei das Verkappungsschichtelement 50' über Verbindungsstege 54 mechanisch
fixiert wird. Eine derartige Struktur wird durch einen erfindungsgemäßen Graben 52 mit
Verbindungsstegen 54 ermöglicht, wobei die Verbindungsstege 54 einerseits
eine mechanische Fixierung des Verkappungsschichtelements 50' und
andererseits eine Grabenöffnung als Ätzzugang
ermöglichen. Des weiteren wird durch eine zumindest teilweise
Oxidation der Verbindungsstege 54 eine elektrische Isolierung
des Verkappungsschichtelements 50' von der Verkappungsschicht 50 erzielt.
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In
den 3a und 3c ist
beispielhaft jeweils eine schematische Aufsicht eines erfindungsgemäßen
Teilelements des mikromechanischen Bauelements gemäß der
ersten Ausführungsform (1k) oder
der zweiten Ausführungsform (2) der vorliegenden
Erfindung beispielhaft dargestellt, während die 3b und 3d jeweils
eine beispielhafte schematische Seitenansicht desselben Teilelements
in einer Schnittebene, welche in der jeweiligen Aufsicht schematisch
eingezeichnet ist 120, 120', darstellen. In 3a ist eine Aufsicht einer Verkappungsschicht 50 dargestellt,
wobei die Verkappungsschicht 50 ein Verkappungsschichtelement 50' aufweist,
welches von der Verkappungsschicht 50 durch einen Graben 52 beabstandet
und über Verbindungsstege 54 mechanisch fixiert
ist. Eine Querschnittslinie 120 illustriert einen Querschnitt
der Struktur, welcher in 3b abgebildet
ist und ebenfalls die Verkappungsschicht 50 mit dem durch
den Graben 52 zur Verkappungsschicht 50 beabstandeten
Verkappungsschichtelement 50' darstellt. Da in der Aufsichtsdarstellung der 3a die Querschnittslinie 120 die
Verbindungsstege 54 schneidet, sind die Verbindungsstege 54 ebenfalls
in der Querschnittsdarstellung der 3c abgebildet.
In 3b ist gleichermaßen eine Aufsicht
desselben Teilbereich des mikromechanischen Bauelements abgebildet,
wobei die Darstellung eine Querschnittslinie 120' derart
aufweist, dass die Querschnittslinie 120' die Verbindungsstege 54 nicht
schneidet. In 3d, welche die Querschnittsabbildung
derselben Struktur der 3b entlang
der Querschnittslinie 120' darstellt, sind folglich die
Verbindungsstege 54 nicht abgebildet, sondern der Graben 52 erstreckt
sich über die gesamte Verkappungsschichtdicke.
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Die 4a bis 4c zeigen
unterschiedliche Varianten eines Teilbereichs des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelements gemäß der ersten oder der zweiten
Ausführungsform (1k, 2). In
den 4a bis 4c sind
Grabenwände 160 bis 168 eines beispielhaften
Grabens 52 in der Verkappungsschicht 50 des erfindungsgemäßen
mikromechanischen Bauelements gemäß der ersten
oder der zweiten Ausführungsformen dargestellt, wobei die
Grabenwände unterätzt sind und Flächennormale
der Grabenwände je nach Trench-Prozess gegenüber
einer zur Haupterstreckungsebene 3' senkrechten Richtung
in der schematischen Darstellung in der 4a genau
einen Winkel, in der schematischen Darstellung in der 4b mehrere Winkel oder in der schematischen
Darstellung in der 4c zwei Winkel
aufweisen. Dadurch können Verbindungsstege 54 mit
verschiedenen Profilen, je nach Anforderung an die elektrische Isolierfähigkeit
und/oder an die mechanische Verbindungsfestigkeit, versehen werden.
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In
der 5 ist eine Aufsicht des erfindungsgemäßen
mikromechanischen Bauelements gemäß einer weiteren
Ausführungsform schematisch dargestellt, wobei eine Verkappungsschicht 50 und
elektrisch isolierte Verkappungsschichtelemente 50', welche
durch Verbindungsstege 54 mechanisch fixiert sind, dargestellt
sind. Die Verkappungsschichtelemente 50 bilden Leiterbahnen
zur Kontaktierung und/oder zur mechanischen Fixierung von in der Funktionsebene 1 angeordneten
Strukturen, welche bevorzugt als Elektroden fungieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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