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Die
Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor und ein Verfahren
zu seiner Herstellung, aufweisend ein erstes Halbleitermaterial,
in welchem eine Kavität
ausgebildet ist, welche einseitig durch ein zweites Material in
einem Wafer-Bond-Verfahren
geschlossen wurde.
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Die
genannten mikromechanischen Sensoren können beispielsweise zur Messung
einer Beschleunigung oder einer Drehrate verwendet werden. Hierzu
befindet sich innerhalb der Kavität eine an Federn aufgehängte, bewegliche
Masse, deren Lageänderung
kapazitiv erfasst wird. Zum Schutz vor Umwelteinflüssen oder
zum Einstellen definierter Umgebungsbedingungen wird die Kavität mit einer
Kappe abgeschlossen. Sofern der mikromechanische Sensor auf einem
Siliziumsubstrat gefertigt wird, geschieht die Verkapselung meist
mittels eines Wafer-Bond-Verfahrens, so dass alle auf einem Wafer hergestellten
Sensoren in einem Arbeitsgang verkapselt werden. Dadurch kann eine
große
Anzahl von Kavitäten,
beispielsweise etwa 100 bis etwa 5000 Kavitäten, gleichzeitig verschlossen
werden. Beim Wafer-Bond-Verfahren kommen beispielsweise Glas-Fritt-Bonden,
anodisches Bonden, eutektisches Bonden oder adhäsives Bonden zum Einsatz. Unabhängig vom
verwendeten Bondverfahren ist die Dichtheit der Verkapselung sicherzustellen
und möglichst
frühzeitig
zu kontrollieren, um Prozessfehler zu erkennen.
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Ein
mögliches
Prüfverfahren
besteht in der elektrischen Charakterisierung der soeben hergestellten
Bauelemente auf Waferebene vor deren Vereinzelung. Die Funktion
der mikromechanischen Bauelemente hängt oftmals von der innerhalb
der Kavität
herrschenden Atmosphäre
ab. Beispielsweise kann vorgesehen sein, einen mikromechanischen Beschleunigungssensor
in einem Vakuum zu betreiben. Im Falle einer Undichtigkeit wäre die Dämpfung des
mikromechanisch hergestellten Elementes aufgrund des Gaseinschlusses
erhöht.
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Dieses
vorbekannte Verfahren kann jedoch Bonddefekte zwischen einzelnen
Bauelementen nicht erkennen, welche erst beim Vereinzeln der Bauelemente
zu Undichtigkeiten gegenüber
der umgebenden Atmosphäre
führen.
Somit ist eine zuverlässige Überprüfung der
Bondverbindung nicht in jedem Einzelfall möglich.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Überprüfung der
Dichtigkeit der Bondverbindung anzugeben, welche die Deckschicht
einer Kavität
mit dem darunter liegenden Halbleitermaterial verbindet.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Sensors, bei
welchem in einem ersten Halbleitermaterial eine Kavität ausgebildet
wird, welche nachfolgend durch ein zweites Material in einem Wafer-Bond-Verfahren
geschlossen wird, wobei vor dem Wafer-Bond-Verfahren im ersten Halbleitermaterial
entlang der Außenkontur
der Kavität
zumindest abschnittsweise zumindest ein Graben ausgebildet wird,
welcher von der Kavität
durch einen Steg getrennt ist.
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Weiterhin
besteht die Lösung
der Aufgabe in einem mikromechanischen Sensor, welcher ein erstes
Halbleitermaterial aufweist, in welchem eine Kavität ausgebildet
ist. Die Kavität
ist einseitig durch ein zweites Material in einem Wafer-Bond-Verfahren
geschlossen, wobei entlang der Außenkontur der Kavität zumindest
abschnittsweise zumindest ein Graben verläuft, welcher im ersten Halbleitermaterial
ausgebildet und von der Kavität
durch einen Steg getrennt ist.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
im Halbleitermaterial des mikromechanischen Sensors einen Graben
auszuformen, durch welchen ein Prüfgas, beispielsweise Umgebungsluft
oder ein Gas mit schichtbildenden Substanzen, an die Bondverbindung
herangeführt
werden kann. Dadurch kann das Prüfgas
durch Defekte in der Bondschicht in die zu prüfende Kavität eindringen. Sofern das Prüfgas eine Änderung
der elektrischen Eigenschaften des Bauelementes verursacht, kann
das Bauelement zweifelsfrei als defekt identifiziert werden. Eine Änderung
der elektrischen Eigenschaften des Bauelementes kann beispielsweise
in einer geänderten
Resonanzfrequenz oder in einer Änderung
der Dämpfung
bestehen.
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Um
zu vermeiden, dass die Gräben
beim Bondprozess dicht verschlossen werden, können diese in einer Weiterbildung
der Erfindung mit einer nicht benetzenden Beschichtung versehen
werden. Alternativ oder kumulativ kann der Graben einen Querschnitt
aufweisen, dessen Geometrie das Eindringen von Bondmaterial verhindert
oder zumindest erschwert. Insbesondere eignet sich dazu ein Querschnitt,
welcher an der Oberfläche
eine geringere Breite aufweist als in der Tiefe. In einer bevorzugten Ausführung der
Erfindung herrscht in den Gräben während des
Bond-Verfahrens ein Überdruck,
welcher das Eindringen von weichen bzw. flüssigen Dicht- und/oder Haftmitteln
verhindert, z. B. Kunstharz oder Sealglass. Ein solcher Überdruck
stellt sich in besonders einfacher Weise dadurch ein, dass die Gräben während des
Bond-Prozesses keinen Kontakt zur umgebenden Atmosphäre aufweisen.
Um das Eindringen von Prüfgasen
zu ermöglichen,
werden die Gräben
dann nach Abschluss des Bond-Verfahrens geöffnet, beispielsweise durch
Sägen, Schleifen,
Bohren, Mikrofräsen
oder Ätzen.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren
ohne Beschränkung
des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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1 zeigt
die Aufsicht auf einen mikromechanischen Sensor nach der Abfolge
mehrerer Fertigungsschritte.
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2 zeigt
den mikromechanischen Sensor gemäß 1 nach
einem weiteren Fertigungsschritt in funktionsfähigem Zustand.
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3 zeigt
den mikromechanischen Sensor nach 2 im Schadensfall.
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4 zeigt
einen Querschnitt durch den mikromechanischen Sensor gemäß 1 bis 3.
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5 zeigt
eine Aufsicht auf einen Drucksensor.
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6 zeigt
einen Querschnitt durch den Drucksensor gemäß 5.
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7 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Grabens.
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8 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Grabens.
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9 zeigt
eine wieder andere Ausführungsform
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Grabens.
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1 zeigt
eine Aufsicht auf einen mikromechanischen Sensor 1 mit
einer ausgebildeten Kavität 3.
Der Sensor 1 kann beispielsweise aus einem in mehreren
Prozessschritten strukturierten und dotierten Siliziummaterial erzeugt
werden. Bei der Herstellung des mikromechanischen Sensors 1 kann
eine Mehrzahl identischer Sensoren in mehreren Reihen und Spalten
auf einem einzelnen Halbleitersubstrat angeordnet sein. Die in 1 dargestellte
Struktur wiederholt sich dann zyklisch in beide Raumrichtungen.
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Etwa
mittig im Sensor 1 ist eine Kavität 3 angeordnet. Innerhalb
der Kavität 3 befindet
sich eine an Federn aufgehängte,
bewegliche Masse, welche als Sensorelement für eine Beschleunigung und/oder Drehrate
dienen kann. Die Lageänderung
der beweglich aufgehängten
Masse kann beispielsweise kapazitiv detektiert werden. Die genaue
Ausgestaltung des Sensorelementes ist dem Fachmann bekannt und nicht
Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Daher ist das Sensorelement
in 1 nicht detailliert dargestellt.
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Um
ein reproduzierbares Messsignal zu erhalten, wird die Kavität 3 oberhalb
der Dichtfläche 2 mittels
eines Deckels 9 verschlossen. Auf diese Weise kann in der
Kavität 3 ein
vorgebbarer Gasdruck oder eine vorgebbare chemische Zusammensetzung der
Atmosphäre
aufrecht erhalten werden. Der Deckel 9 über der Kavität 3 wird
dabei in einem Wafer-Bond-Verfahren
aufgebracht. Beispielsweise kann dies durch Glas-Fritt-Bonden, anodisches Bonden, eutektisches
Bonden, Si/Si-Direktbonden, Si/SiO-Direktbonden,
adhäsives
Bonden oder weitere, nicht genannte Verfahren erfolgen. Das Aufbringen
des Deckels kann auf einem bereits vereinzelten Bauelement erfolgen
oder bevorzugt in einem Verfahrensschritt für alle auf einem Wafer angeordneten Bauelemente.
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Um
die Dichtigkeit der Bondverbindung zu prüfen, wird erfindungsgemäß ein Graben 4 vorgeschlagen,
welcher zumindest teilweise entlang der Außenkontur der Kaverne 3 verläuft. Zwischen
dem Graben 4 und der Kaverne 3 befindet sich ein
Steg 7. Der Graben 4 kann im selben Verfahrensschritt
ausgeführt
werden wie die Kaverne 3. In diesem Fall weist der Graben 4 meist
dieselbe Tiefe auf wie die Kaverne 3.
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Im
unteren Bereich des Bauelementes befinden sich Bondpads 5 zur
elektrischen Kontaktierung des Sensorelementes in der Kaverne 3.
Um die Bondpads 5 mit Elektroden auf dem Grund der Kaverne 3 zu
verbinden, sind diese auf der selben Ebene angeordnet wie der Grund
der Kaverne 3, d. h. um die Tiefe der Kaverne 3 niedriger
als die Dichtfläche 2.
Dadurch ergibt sich zwischen dem Bereich der Bondpads und der Dichtfläche 2 eine
Stufe 10. An dieser Stufe 10 steht der umlaufende
Graben 4 über seine
Stirnfläche 6 in
Kontakt zur umgebenden Atmosphäre.
Somit kann über
den Graben 4 ein Gas mit höherem Druck und/oder anderer
chemischer Zusammensetzung als in der Kaverne 3 an die
Dichtfläche 2 herangeführt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann der Graben 4 an der Dichtfläche 2 in
einen Flächenbereich
geführt
werden, welcher nicht vom Deckel 9 und/oder der verbindenden
Materiallage 8 bedeckt ist, so dass über diesen Abschnitt des Grabens 4 der
Kontakt zur umgebenden Atmosphäre hergestellt
wird.
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2 zeigt
das Bauelement gemäß 1, nachdem
ein Deckel 9 auf die Kavität 3 aufgebracht wurde. 2 stellt
dabei einen Schnitt durch die beide Bauteile verbindende Materiallage 8 dar.
Die verbindende Materiallage 8 umfasst in Abhängigkeit
des verwendeten Bondverfahrens beispielsweise SiOx, Sealglass,
Epoxidharz oder ähnliches.
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In 2 ist
ein funktionsfähiger
mikromechanischer Sensor dargestellt. Dies bedeutet, dass die verbindende
Materiallage 8 die Dichtfläche 2 zumindest bis
auf bis auf einen schmalen Randbereich auf dem Steg 7 vollständig bedeckt.
Die Materiallage 8 sorgt damit für eine Abdichtung zwischen
der Dichtfläche 2 und
dem Deckel 9 und verhindert somit einen Gasaustausch zwischen
dem Graben 4 und der Kaverne 3.
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3 zeigt
erneut das Bauelement gemäß 2.
Im Unterschied zur 2 ist in 3 eine Schadstelle 11 in
der verbindenden Materiallage 8 dargestellt. Aufgrund dieses
Defektes ist ein Gasaustausch zwischen der Kaverne 3 über den
Steg 7 in den Graben 4 möglich.
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Zum
Prüfen
des Bauelementes kann nun über
die Mündung 6 ein
Prüfgas
in den Graben 4 eingeleitet werden. Das Prüfgas ist
dabei so gewählt, dass
es die elektrischen Eigenschaften des mikromechanischen Sensors
bei Eindringen in die Kaverne 3 verändert. Beispielsweise kann
die Kaverne 3 ein Vakuum aufweisen, welches durch das Prüfgas im
Graben 4 über
eine Schadstelle 11 belüftet
wird. In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann das Prüfgas
im Graben 4 eine schichtbildende Substanz enthalten, welche über die
Schadstelle 11 auf den mikromechanischen Sensorelementen
in der Kaverne 3 abgeschieden wird.
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In
jedem Fall kann das Eindringen des Prüfgases aus dem Graben 4 in
die Kaverne 3 durch Änderung
der elektrischen Eigenschaften, beispielsweise der Schwingungsfrequenz
und/oder der mechanischen Dämpfung
des Sensorelementes über
die Bondpads 5 nachgewiesen werden. Die entsprechenden
Bauelemente können
nun als defekt markiert und ausgesondert werden.
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4 zeigt
nochmals einen Schnitt durch einen mikromechanischen Sensor gemäß der 1 bis 3 in
einer Schnittebene orthogonal zur Betrachtungsebene der 1 bis 3.
Im linken Bildrand ist die Kaverne 3 mit den darin enthaltenen
mikromechanischen Strukturen dargestellt. Zwischen der Kaverne 3 und
dem Graben 4 befindet sich ein Steg 7. Beiderseits
des Grabens 4 ist eine Dichtfläche 2 ausgebildet.
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Oberhalb
der Kaverne 3 befindet sich ein Deckel 9, welcher
die Kaverne 3 gegenüber
der umgebenden Atmosphäre
abschließt.
Zwischen dem Deckel 9 und der Dichtfläche 2 befindet sich
eine diese verbindende Materiallage 8. Beim Aufbringen
der Materiallage 8 ist darauf zu achten, dass diese den Graben 4 nicht
auffüllt.
Dies kann beispielsweise durch eine nichtbenetzende Beschichtung
des Grabens 4, einen Überdruck
im Graben beim Aufbringen der Materiallage 8 oder durch
eine besondere geometrische Gestaltung des Grabens erfolgen, welche nachfolgend
anhand der 7 bis 9 näher erläutert wird.
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5 zeigt
als weiteres Ausführungsbeispiel einen
mikromechanischen Drucksensor 1. Dieser weist eine Kaverne 3 auf.
Die Kaverne 3 dient dabei zur Aufnahme eines Referenzvakuums.
In Abhängigkeit
der Druckdifferenz zwischen der Kaverne 3 und dem Umgebungsdruck
wird zumindest eine Begrenzungsfläche der Kaverne 3 verformt.
Diese Verformung kann beispielsweise kapazitiv erfasst werden.
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Umlaufend
um die Kaverne 3 befindet sich ein Graben 4. Zwischen
dem Graben 4 und der Kaverne 3 befindet sich wiederum
ein Steg 7.
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6 zeigt
einen Querschnitt durch den Sensor gemäß 5 nachdem
ein Deckel 9, beispielsweise aus Sealglass, aufgebracht
wurde. Der Deckel 9 liegt dabei an der Dichtfläche 2 an.
Um die Zufuhr eines Prüfgases
in den Graben 4 zu ermöglichen,
ist zumindest eine Bohrung 6 im Deckel 9 vorgesehen.
Die Bohrung 6 befindet sich dabei bevorzugt, aber nicht
zwingend, im Bereich eines Zufuhrkanals 12.
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Durch
Fluten des Grabens 4 durch die Bohrung 6 mit einem
Prüfgas
kann nunmehr die Dichtigkeit der Verbindung zwischen der Kavität 3 und
dem Deckel 9 überprüft werden.
In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann auch vorgesehen sein, eine Verbindung zwischen
dem Graben 4 und der Kavität 3 vorzusehen, mittels
welcher über
den Graben 4 das Referenzvakuum in der Kavität 3 einstellbar
ist.
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7 zeigt
eine Querschnittsform eines Grabens 4, welche das Eindringen
des Dichtstoffes 8 in den Graben 4 verhindern
soll. Der Graben 4 weist dabei einen ersten Abschnitt 12 mit
einer ersten Breite b1 sowie einen zweiten Abschnitt 13 mit
einer zweiten Breite b2 auf. Dabei ist der erste Abschnitt 12 der
Dichtfläche 2 des
Sensormaterials zugewandt. Der zweite Abschnitt 13 ist
der Dichtfläche 2 des
Sensormaterials abgewandt.
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Aufgrund
der geringeren Breite b1 wird das Eindringen der beim Auftrag auf
die Dichtfläche 2 zähflüssigen Materiallage 8 erschwert.
Sollte irrtümlicherweise
dennoch Material der verbindenden Materiallage 8 in den
ersten Bereich 12 des Grabens 4 eindringen, so
bleibt dieser dennoch im zweiten Bereich 13 durchgängig. Ein
Graben mit einem ersten Abschnitt 12 und einem zweiten
Abschnitt 13 kann beispielsweise durch Unterätzen des
Halbleitermaterials hergestellt werden.
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8 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Grabens 4, bei welcher das Eindringen der verbindenden
Materiallage 8 in den Graben 4 zumindest verringert
wird. Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
den Graben 4 mit einem ersten Abschnitt 12 und
einem zweiten Abschnitt 13 vorzusehen. Bevorzugt weist dabei
der zweite Abschnitt 13 eine größere Breite b2 auf als der
erste Abschnitt 12. Der zweite Abschnitt 13 wird
dabei in einem Ätzverfahren
durchgängig hergestellt.
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Der
zweite Abschnitt 13 wird gemäß der Ausführungsform nach 8 durch
eine Mehrzahl von beabstandeten Bohrungen 14 erzeugt. Die
Bohrungen 14 können
dabei beispielsweise durch Laserablation, Ätzen oder Mikrofräsen hergestellt
werden. Die Bohrungen 14 weisen dabei einen Durchmesser auf,
welcher den Durchtritt eines Prüfgases
aus dem zweiten Abschnitt 13 des Grabens 4 an
die Oberfläche 2 des
Sensormaterials 1 erlaubt. Weiterhin ist der Durchmesser
b1 der Bohrungen 14 so klein gewählt, dass ein Eindringen des
verbindenden Materials 8 in den Innenraum der Bohrungen 14 weitgehend
vermieden wird. In einer Weiterbildung der Erfindung kann auch vorgesehen
sein, den ersten Abschnitt 13 des Grabens 4 um
die gesamte Kontur des Kavität 3 umlaufend
auszuführen,
den ersten Abschnitt 12 mit den Bohrungen 14 jedoch
nur abschnittsweise an der Kontur der Kavität 3 auszubilden.
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9 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
Grabens 4. Auch dieser Graben 4 weist einen ersten
Abschnitt 12 mit geringerer Breite und einen zweiten Abschnitt 13 mit
größerer Breite
auf. Der erste Abschnitt 12 stellt dabei die Verbindung
zur Dichtfläche 2 her.
Um das Eindringen des beim Auftragen auf die Dichtfläche 2 zähflüssigen Materials 8 in
den Graben 4 zu vermeiden, befindet sich im zweiten Abschnitt 13 ein
vorstehendes Element 15, 16. Dieses bildet am Übergang
des ersten Abschnittes 12 zum zweiten Abschnitt 13 des
Grabens 4 ein Labyrinth, welches für ein im zweiten Abschnitt 13 geführtes Prüfgas durchlässig ist,
nicht jedoch für
ein zähflüssiges Material 8.
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Das
hervorstehende Element kann beispielsweise durch eine ätzresistente
Materiallage 16 gebildet werden, welche vor dem Abscheiden
des umgebenden Materials auf das Halbleitersubstrat abgeschieden
und strukturiert wird. Beim Ätzen
des Grabens 4 wird sodann der erste Abschnitt 12 sowie
der zweite Abschnitt 13 ausgebildet. Das unter der ätzresistenten
Materiallage 16 angeordnete Material 15 kann dabei
zumindest teilweise mit angegriffen und abgetragen werden. Auf diese
Weise wird der lichte Querschnitt des zweiten Abschnitts 13 wunschgemäß vergrößert, ohne
das Labyrinth vor dem Übergang
zwischen erstem und zweiten Abschnitt 12 und 13 zu
beeinträchtigen.
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Dem
Fachmann ist selbstverständlich
geläufig,
dass die dargestellten Ausführungsbeispiele auch
miteinander kombiniert werden können,
um so weitere Ausführungsformen
der Erfindung zu erhalten. Darüber
hinaus können
weitere Modifikationen und Änderungen
vorgenommen werden, ohne die Erfindung an sich wesentlich zu verändern. Die
vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern
als erläuternd
anzusehen.