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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Plasmagenerator welcher abnormale
Entladungen unterdrückt um ein Plasma stabil zu entladen.
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Stand der Technik
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Plasma
befindet sich in einem reaktiven Zustand, es wird daher üblicherweise
in großem Maße zur Oberflächenbehandlung,
Dünnflimerzeugung, Ätzen und in anderen Gebieten
angewandt. Um die Behandlung zu beschleunigen, ist es nötig
die Plasmadichte und den Anteil der aktiven reaktiven Ionen zu erhöhen.
Um die Plasmadichte zu erhöhen, ist es notwendig die Feldstärke
des angelegten Feldes zu vergrößern oder die Gaskonzentration
zu erhöhen um den Anteil der aktivierten reaktiven Ionen
zu erhöhen. Um das elektrische Feld zu erhöhen,
ist reicht es die angelegte Spannung zu erhöhen, oder den
Abstand zwischen den Elektroden zu verkleinern. Beim Verkleinern
des Abstandes zwischen den Elektroden tritt das Problem auf, dass
abnormale Entladungen, sogenannte „Bogenentladungen” auftreten
können wobei die erzeugte Wärme die Elektroden
oder das Substrat beschädigen können oder Defekte
in dem abgeschiedenen Dünnfilm verursachen.
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Wie
in den ungeprüften
japanischen
Patentanmeldungen Nr. 2001-23972 und Nr.
2007-234297 zu sehen ist, wurden
Versuche unternommen eine Doppelrohrelektrodenstruktur zu nutzen
um ein gleichmäßiges elektrisches Feld zu erhalten.
Die Struktur der gesamten Herstellungsvorrichtung ist dadurch jedoch
sehr kompliziert geworden. Außerdem zeigt die
japanische ungeprüfte Veröffentlichungsschrift
Nr. 2008-300283 die Umwandlung von ausgestoßenem
Gas zu Plasma aus einer Plasmaerzeugungsdüse, jedoch gab
es hierbei Probleme eine gleichmäßige Plasmadichte
zu erzeugen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Um
die oben angesprochenen Probleme zu lösen ist ein Aspekt
einer Ausführungsform gemäß Anspruch
1 ein Plasmagenerator zur Herstellung eines Plasmas mit einem konstanten
Abstand zwischen den Elektroden, wobei der Plasmagenerator einen
zylindrischen Kammerteil mit einer zylindrischen Elektrode 10 aufweist,
einer stabförmigen Elektrode 1, einem Elektrodenkorrekturring 11 welcher
sich auf der umlaufenden Innenoberfläche der zylindrischen
Elektrode frei bewegen kann, und eine Aufspannvorrichtung (20, 30, 40)
auf der Bodenplatte 15, wobei die Aufspannvorrichtung (20, 30, 40)
geeignet ist das untere Ende der stabförmigen Elektrode 1 durch
Punktkontakt einzuspannen, das Zentrum des Elektrodenkorrekturrings 11 umfasst
ein angeschrägtes Positionierungsloch 18, die
zylindrische Kammer ist vertikal beweglich hergestellt, so dass
die Mittelachse der zylindrischen Elektrode 10 mit der Mittelachse
der Aufspannvorrichtung (20, 30, 40) übereinstimmt,
und der Elektrodenpositionsring 11 ist an einer speziellen
Position auf der innen liegenden umlaufenden Oberfläche
der zylindrischen Elektrode 10 positioniert, so dass, wenn
die zylindrische Kammer sich absenkt, das angeschrägte
Positionierungsloch 18 des Elektrodenkorrekturrings 11 die
Lage der stabförmigen Elektrode 1 korrigiert,
so dass sie in der Mittelachse der zylindrischen Elektrode sitzt.
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Daher
kann die stabförmige Elektrode einfach positioniert werden,
der Abstand zwischen den Elektroden gleich gehalten werden, eine
Konzentrierung des elektrischen Feldes welche abnormale Entladungen
hervorrufen kann verhindert werden, und ein gleichmäßiges
elektrisches Feld kann angelegt werden um dadurch eine abnormale
Entladung zu vermeiden.
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Die
Ausführungsform der Erfindung gemäß Anspruch
2 umfasst die Erfindung gemäß Anspruch 1, wobei
die Aufspannvorrichtung 30 ein Spannfutter ist.
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Die
Ausführungsform der Erfindung gemäß Anspruch
3 umfasst der Erfindung nach Anspruch 1, wobei die Aufspannvorrichtung
eine Membranaufspannvorrichtung ist.
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Der
Aspekt der Ausführungsform der Erfindung gemäß Anspruch
4 umfasst die Erfindung nach Anspruch 1, wobei die Aufspannvorrichtung 40 durch Flüssigkeitsdruck
betrieben wird.
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Die
Ausführungsform der Erfindung gemäß Anspruch
5 umfasst die Erfindung nach einem der Ansprüche 1–4,
wobei der Abstand zwischen den Elektroden von der äußeren
Oberfläche der umlaufenden inneren Oberfläche
der zylindrischen Elektrode 10 5 mm oder weniger beträgt.
Durch diese Verkürzung des Abstandes zwischen den Elektroden, lassen
sich häufige abnormale Entladungen unterdrücken,
eine stabile Plasmaentladung erhalten und das Verfahren kann schnell
durchgeführt werden.
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Die
Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 6 umfasst die
Erfindung nach einem der Ansprüche 1–5, wobei
ein Plasma-CVD-Verfahren genutzt wird um eine Schicht auf der inneren
Oberfläche der zylindrischen Elektrode abzuscheiden.
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Die
Ausführungsform der Erfindung gemäß Anspruch
7 umfasst die Erfindung nach einem der Ansprüche 1–5,
wobei Plasma-CVD (Chemische Gasphasenabscheidung) genutzt wird um
eine Schicht auf der Oberfläche der stabförmigen
Elektrode abzuscheiden.
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Zu
beachten ist, dass die oben genannten Bezugszeichen beispielhaft
sind und mit speziellen Ausführungsformen wie sie später
beschrieben werden übereinstimmen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
die Übersicht einer ersten Ausführungsform der
Erfindung.
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2 ist
eine Detailansicht der Aufspannvorrichtung.
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3 ist
eine Detailansicht einer anderen Ausführungsform der Aufspannvorrichtung.
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4 ist
eine Detailansicht einer anderen Ausführungsform der Aufspannvorrichtung.
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Beste Ausführungsform
der Erfindung
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Im
Folgenden wird eine erste Ausführungsform der Erfindung
in Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Gleiche Teile der verschiedenen
Ausführungsformen sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet
und auf wiederholte Erklärung wird verzichtet. Das zu behandelnde
Objekt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist zum
Beispiel eine Nadel einer Spritze, der Extrusionsbolzen einer Austrittsdüse,
oder ein anderes säulenartiges Objekt. Hier wird eine Ausführungsform
beschrieben, in der ein Plasmagenerator zur Behandlung der Oberfläche genutzt
wird (zur Verbesserung der Oberfläche oder zum Entfernen
von Verschmutzungen), um eine dünne Schicht abzuscheiden,
zu ätzen, oder das säulenartige Objekt auf andere
Art und Weise zu behandeln. Das behandelte Objekt ist nicht auf
die oben beispielhaft genannten Beispiele beschränkt. Die vorliegende
Erfindung ist anwendbar auf alle säulenartigen oder zylindrischen
Objekte.
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1 zeigt
eine Übersicht einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. 2 ist eine Detailansicht der
Aufspannvorrichtung. 3 und 4 sind Detailansichten
von anderen Ausführungsformen der Aufspannvorrichtung.
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Die
außen umlaufende Oberfläche einer stabförmigen
Elektrode 1 wird in der vorliegenden Ausführungsform
behandelt. Die stabförmige Elektrode 1 wird einem
elektrischen Feld mit einer zylindrischen Elektrode 10 ausgesetzt
um ein Plasma zu erzeugen. Ein zylindrisches Kammerteil umfasst
eine zylindrische Elektrode 10 innerhalb des zylindrischen Kammerteils
und weißt einen Flansch 17 auf. Der zylindrische
Kammerteil lässt sich vertikal bewegen. Der Flansch 17 passt
genau auf die Bodenplatte 15, wodurch eine zylindrische
Kammer entsteht.
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Die
zylindrische Elektrode 10 enthält einen Elektrodenkorrekturring 11 aus
isoliertem Material der vertikal beweglich ist. Der Elektrodenkorrekturring 11 läßt
sich sich durch Bewegung der Stäbe 16 vertikal
bewegen. Der Elektrodenkorrekturring 11 enthält
in seiner Mitte ein abgeschrägtes Positionierungsloch 18.
Der Ring hat beispielsweise einen Lochdurchmesser von ungefähr
5 mm, kann beispielsweise aus Al2O3 hergestellt sein und hat beispielsweise
gemäß dem Innendurchmesser der zylindrischen Elektrode 10 eine
Größe von ungefähr 15 mm. Wenn die zylindrische
Kammer abgesenkt wird und dadurch die Bodenplatte 15 abdeckt,
wird das obere Ende der stabförmigen Elektrode 1 durch
das Positionierungsloch 18 des Elektrodenkorrekturrings 11,
welcher in einer vorbestimmten Position der zylindrischen Elektrode 10 bereit
steht, geführt. Hierdurch werden die stabförmige
Elektrode 1 und die zylindrische Elektrode 10 mit übereinstimmenden
Mittelachsen positioniert. Dies wird gewährleistet, da
die Position der stabförmigen Elektrode 1 durch
das abgeschrägte Positionierungsloch 18 in der
Mitte des Elektrodenkorrekturrings 11 in seine Position
korrigiert wird, so dass die stabförmige Elektrode 1 in
die Mitte der Innenseite der zylindrischen Elektrode gesetzt wird.
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Die
Innenseite der zylindrischen Elektrode 10 bildet die zylindrische
Kammer in der das elektrische Feld an die stabförmige Elektrode 1 angelegt wird
und das Plasma erzeugt wird. Das obere Ende der zylindrischen Elektrode 10 umfasst
einen Gasauslass 13. Am oberen Ende sind Stromplatten 12 angeordnet.
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In
einer Vertiefung 19 der Bodenplatte 15 ist ein
Kraftspannfutter 20 eingesetzt. Das Kraftspannfutter 20 hat
drei konische Greifer welche 120 Grad voneinander beabstandet angeordnet
sind. Die konischen Greifer 21 spannen das untere Ende
der stabförmigen Elektrode mit Druck oder Federdruck von dem
Zylinder ein. Die Greifer 21 sind nicht auf eine konische
Form beschränkt, sondern können auch pyramidenförmig
ausgeführt sein. Von Bedeutung ist, dass die Spitzen punktförmig
sind. Die stabförmige Elektrode 1 ist über
die Aufspannvorrichtung 20 mit einer Spannungsquelle verbunden.
Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht darauf. Die
stabförmige Elektrode 1 kann auch von der Spitze
her über einen Anschluss mit der Spannungsquelle verbunden
sein.
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Die
Mitte des Kraftspannfutters 20 ist so ausgeführt,
dass es mit der axialen Mitte der Innenseite der zylindrischen Innenseite 10 übereinstimmt.
In diese axiale Mitte können eine Vielzahl von Gaseinlässen 14 (längliche
Löcher) radial angeordnet sein.
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Während
die Mittelachse des Kraftspannfutters 20 in Übereinstimmung
mit der Mittelachse der inneren Oberfläche der zylindrischen
Elektrode 10 gebracht wird, bewegt sich die zylindrische
Elektrode 10 vertikal zusammen mit der zylindrischen Kammer.
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Nachdem
der Flansch 17 der zylindrischen Kammer eng mit der Bodenplatte 15 verbunden
wurde, bildet der Innenraum der zylindrischen Elektrode 10 eine
zylindrische Kammer in der ein Plasma erzeugt wird. Ein elektrisches
Feld wird zwischen der zylindrischen Elektrode 10 und der
stabförmigen Elektrode 1 angelegt um ein Plasma
zu erzeugen. Der Flansch 17 der zylindrischen Kammer und
die Bodenplatte 15 sind gemäß dem Unterdruck
im Inneren fest miteinander verspannt.
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Die
konischen Greifer 21 werden mit Flüssigkeitsdruck
betrieben und spannen das untere Ende der stabförmigen
Elektrode 1 punktförmig ein. Falls konische Greifer 21 zum
Einspannen der stabförmigen Elektrode 1 benutzt
werden, werden die Greifer 21 durch Spiralfedern betrieben.
Zum Lösen der Greifer kann Flüssigkeitsdruck verwendet
werden.
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Selbst
wenn sich die stabförmige Elektrode 1 im Bezug
auf die Mittelachse der inneren Oberfläche der zylindrischen
Elektrode 10 neigt, korrigiert das abgeschrägte
Positionierungsloch 18 in der Mitte des Elektrodenkorrekturrings 11 die
Position so, dass sie in die Mitte des Inneren der zylindrischen
Elektrode gesetzt wird.
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Dies
sorgt dafür, dass der Abstand zwischen den Elektroden zwischen
der stabförmigen Elektrode 1 und der zylindrischen
Elektrode 10 konstant bleibt, verhindert die Konzentrierung
des elektrischen Feldes welches abnormale Entladungen hervorrufen würde,
und ermöglicht das Anlegen eine gleichmäßigen
elektrischen Feldes, wodurch abnormale Entladungen unterdrückt
werden können.
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Im
Folgenden wird der Betrieb der ersten Ausführungsform gemäß der
Erfindung erläutert.
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Eine
Roboterhand etc. wird genutzt um die stabförmige Elektrode 1 in
die Mitte des Kraftspannfutters 20 zu setzen, so dass die
stabförmige Elektrode 1 in der Mitte der Bodenplatte 15 sitzt.
Die Greifer 21 der Kraftspannvorrichtung 20 umspannen
das untere Ende der stabförmigen Elektrode 1 durch
punktförmigen Kontakt. Danach wird der Elektrodenkorrekturring 11 an
eine vorbestimmte Position der zylindrischen Elektrode 10 gebracht
und abgesenkt, so dass die stabförmige Elektrode 1 von
der zylindrischen Elektrode 10 umschlossen wird.
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Die
zylindrische Kammer des Plasmagenerators wird auf 1 × 10–2 Pa oder weniger durch eine Drehschieberpumpe
(Turbomolekularpumpe, Cryopumpe oder ähnliche) evakuiert,
die Fläche auf die die Schicht abgeschieden werden soll
wird durch das Einlassen von Argongas durch die Gaseinlässe 14 gereinigt,
das Anlegen einer Spannung (100 V bis 5 kV) von einer gepulsten
Gleichspannungsquelle an die stabförmige Elektrode 1 erzeugt
ein Plasma und der Zusammenstoss von Argonionen mit der stabförmigen
Elektrode 1 und der zylindrischen Elektrode 10 sorgt
für die Vorbehandlung der zu beschichtenden Oberfläche.
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Als
nächstes wird CH4, C2H4, C2H2,
und andere methanbasierte, ethylenbasierte oder acetylenbasierte
Kohlenwasserstoffe oder CF4 oder andere fluorohydrocarbonbasierten
Gase Und H2-Gas eingeleitet. Der Druck ist
dann etwa 10 Pa bis Atmosphärendruck. Ähnlich
dem Reinigen der Oberfläche wird als nächstes
eine gepulste Gleichspannung angelegt um ein Plasma zu erzeugen
und eine Schicht auf der Oberfläche zu erzeugen. Auf diese
Art und Weise kann eine Schicht ohne abnormale Entladungen erzeugt
werden. In dem oben genannten Fall wurde als Beispiel eine CVD (chemical
vapor deposition – Gasphasenabscheidung) gezeigt, aber
die Erfindung ist nicht allein darauf beschränkt. Die Erfindung
ist nicht beschränkt auf die Herstellung einer abnutzungs resistenten
Schicht oder einer besonders glatten Schicht. Die Gase und die angelegten
Spannungen sind gemäß der gewünschten
Oberflächenbehandlung (Entfernung von Verunreinigungen
oder Verbesserung der Oberfläche), der Dünnschichterzeugung, des Ätzens
oder einer anderen Behandlung entsprechend zu wählen.
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Als
zu verwendende Gase können Ar, N2,
O2, H2, CH4, C2H2,
C2H4, CF4, SF6, SiH4, SiH3Cl, SiH2Cl2 oder ähnliches
genannt werden. Als isolierendes Material des Elektrodenkorrekturrings 11 lässt
sich Alumina Al2O3,
Siliziumnitrit Si3N4,
Zirkonoxid Zr2O5,
Yttriumoxid Y2O3 oder ähnliches
nennen.
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Als
weitere Ausführungsform der Erfindung wird folgende Modifikation
genannt.
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In
der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde
das Kraftspannfutter 20 genutzt um das untere Ende der
stabförmigen Elektrode 1 durch Punktkontakt einzuspannen,
aber auch ein Spannfutter gemäß 3 oder
die Membranaufspannvorrichtung gemäß 4 können
genauso genutzt werden. Im Folgenden wird das Spannfutter gemäß 3 erläutert.
Das Spannfutter 30 besteht aus einer dreiteiligen Struktur 30'.
Federn 32 sind in den Zwischenräumen zwischen
den Teilen der Struktur 30' angeordnet. Die drei Teile
der Struktur 30' sind daher vorgespannt um sich nach außen
zu öffnen. An den oberen Enden der Teile der Struktur 30' sind Greifer 31 ausgebildet.
Am Boden der Teile der Struktur 30' sind Betriebsstangen 33 angestellt.
Der äußere Umfang der Teile der Struktur 30' des
Spannfutters 30 sind abgeschrägt. Wenn die Betriebsstangen 33 nach
unten gezogen werden, bewirkt die keilförmige Form des äußeren
Umfanges der Teile der Struktur 30' mit der abgeschrägten
Oberfläche auf der Bodenplatte 15 dass die Greifer 31 der
oberen Bereiche der Teile der Struktur 30' sich nach Innen
hin schließen. Dadurch kann das untere Ende der stabförmigen Elektrode 1 durch
Punktkontakt eingespannt werden. Im Falle der Membranaufspannvorrichtung
gemäß 4 hat die Membran 40 drei
Greifer 41 welche aus ihr heraus ragen. Wenn die Betriebsstange 42 nach unten
gezogen wird, kann das untere Ende der stabförmigen Elektrode 1 durch
Punktkontakt eingespannt werden.
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In
der Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung war der Elektrodenkorrekturring ausgelegt um sich vertikal
mit der Bewegung der Stangen 16 zu bewegen. Zur vertikalen
Bewegung des Elektrodenkorrekturrings 11 sind vielfältige
Möglichkeiten erdenklich. Die Bewegungsstangen 16 sind
in der zylindrischen Kammer angeordnet, die Bewegungsstangen könnten
aber auch von der Bodenplatte 15 weg stehen und den Elektrodenkorrekturring 11 vertikal
bewegen.
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Ein
System in dem keine Bewegungsstangen 16 benutzt werden,
ist eines in welchem der Elektrodenkorrekturring 11 an
einer vorbestimmten Position auf der zylindrischen Elektrode 10 mit
einem einklappbaren Eingriffsbolzen befestigt ist und in welchem
die Positionskorrektur auf die stabförmige Elektrode 1 durch
den Elektrodenkorrekturring 11 ausgeübt wird.
Nach dem Lösen des Eingriffsbolzens von dem Elektrodenkorrekturring 11,
wird Druck von dem oberen Bereich des Elektrodenkorrekturrings 11 innerhalb
der zylindrischen Kammer ausgeübt um den Elektrodenring 11 abzusenken
und eine Spannung an die stabförmige Elektrode 1 anzulegen
um dann die Plasmabehandlung durchzuführen.
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Es
ist auch ein System vorstellbar, bei welchem Druck von dem Elektrodenkorrekturring 11 im Inneren
der zylindrischen Kammer ausgeübt wird um den Elektrodenkorrekturring 11 von
der Behandlungsoberfläche der stabförmigen Elektrode 1 nach oben
zu bewegen und dort zu fixieren.
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In
der obigen Erklärung war die äußere umlaufende
Oberfläche der stabförmigen. Elektrode 1 das
zu behandelnde Objekt. Falls die zylindrische Elektrode 10 auf
der zylindrischen Kammer zu entfernen ist, kann auch die zylindrische
Elektrode 10 selbst das zu behandelnde Objekt darstellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2001-23972 [0003]
- - JP 2007-234297 [0003]
- - JP 2008-300283 [0003]