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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Feld der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Frakturierung von polykristallinem Silizium in Fragmente, welches das Rohmaterial für Silizium für Halbleiter oder ähnliches darstellt, und ein Verfahren zur Herstellung frakturierter Fragmente von polykristallinem Silizium unter Verwendung der Vorrichtung zur Frakturierung.
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Es wird die Priorität der
Japanischen Patentanmeldung Nr. 2010-242063 beansprucht, welche am 28. Oktober 2011 eingereicht wurde, und deren Inhalt wird durch Referenzierung in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
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Beschreibung des technischen Gebiets
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Ein Siliziumwafer zur Verwendung für einen Halbleiterchip wird aus einem Siliziumeinkristall hergestellt, welcher seinerseits zum Beispiel mittels des Czochralski-Verfahrens (”CZ Verfahren”) hergestellt wird. Zur Herstellung eines Siliziumeinkristalls mittels des CZ Verfahrens werden zum Beispiel frakturierte Fragmente von polykristallinem Silizium eingesetzt, welche ihrerseits durch Frakturierung von Stabförmigem polykristallinem Silizium hergestellt durch den Siemens Prozess hergestellt werden.
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Zur Frakturierung von polykristallinem Silizium, wie in 4 gezeigt, wird ein Stab R von polykristallinem Silizium in Fragmente C von einigen wenigen Millimetern zu einigen wenigen Zentimetern frakturiert. In diesem Verfahren wird typischerweise der Stab R mittels eines thermischen Schocks oder ähnlichem in die passende Größe gebrochen, und dann werden die Fragmente weiter direkt mit einem Hammer geschlagen und zerbrochen. Jedoch ist dieser Prozess für die beteiligten Arbeiter sehr belastend und somit ist es einfach ineffizient auf diese Weise Fragmente mit passender Größe aus Stabförmigem polykristallinem Silizium herzustellen.
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In der japanischen, ungeprüften Patentanmeldung mit der ersten Veröffentlichungsnummer
2006-122902 , wird ein Verfahren zur Herstellung von Siliziumfragmenten mittels der Frakturierung von Stabförmigem polykristallinem Silizium mittels eines Walzenbrechers offenbart. Der Walzenbrecher ist ein Walzenbrecher mit einer einzelnen Rolle, welche sich in einem Gehäuse befindet, und auf der Oberfläche der Rolle sind eine Vielzahl von Zähnen ausgebildet. Der Walzenbrecher frakturiert das Stabförmige polykristalline Silizium durch Krafteinwirkung zwischen den Zähnen und der inneren Oberfläche des Gehäuses um eine kontinuierliche Krafteinwirkung auf das polykristalline Silizium zu gewährleisten.
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Auf der anderen Seite wird in der veröffentlichen japanischen Übersetzung Nr.
2009-531172 der entsprechenden Internationalen PCT-Veröffentlichungsschrift und in der japanischen, ungeprüften Patentanmeldung mit der ersten Veröffentlichungsnummer
2006-192423 , Vorrichtungen zur Frakturierung von roh zerstampften Fragmenten von polykristallinem Silizium vorgeschlagen. Diese Vorrichtungen sind Doppel-Rollenbrecher mit zwei Rollen und brechen die roh zerstampften Fragmente des polykristallinen Siliziums zwischen den Rollen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgaben, die mittels der Erfindung gelöst werden sollen
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Polykristallines Silizium kann mit Hilfe der oben genannten Frakturierungsvorrichtungen effektiv frakturiert werden. Jedoch kommt es in diesen Frakturierungsvorrichtungen dazu, dass Fragmente von polykristallinem Silizium eingeklemmt werden zwischen den Frakturierungszähnen, welche in gleichmäßigen Abständen angeordnet sind und somit fallen die Fragments von kristallinem Silizium nicht gleichmäßig durch die rotierenden Rollen und werden mit fortlaufender Rotation der Rollen wieder in die Frakturierungsposition transportiert. Als Folge hiervon kommen diese Fragmente von kristallinem Silizium teilweise in Kontakt mit neu hinzugefügten Fragmenten und werden zu Pulver zermahlen.
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Die vorliegende Erfindung ist ersonnen worden im Lichte der Gegebenheiten und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Vorrichtung zur Frakturierung bereitzustellen, welche geeignet ist, das Verkeilen des polykristallinen Siliziums zwischen den Frakturierungszähnen zu vermeiden, in welcher polykristallines Silizium in Fragmente mit passender Größe frakturiert werden kann, und in welcher gleichzeitig die Entstehung von Pulver während der Frakturierung verhindert werden kann, und ein Verfahren zur Herstellung von frakturierten Fragmenten von polykristallinem Silizium unter Verwendung der Vorrichtung zur Frakturierung.
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Mittel zur Lösung der Aufgaben
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Eine Vorrichtung zur Frakturierung von polykristallinem Silizium umfassend ein Paar Rollen, welche in der Gegenrichtung zueinander um parallele Achsen rotieren, wobei auf den Rollen entlang deren Achsen eine Vielzahl von Scheiben angebracht sind; und eine Vielzahl von Frakturierungszähnen, welche auf den äußeren Flächen der Scheiben in Abständen angebracht sind und sich radial nach außen erstrecken, wobei die Scheiben mit im Vergleich zu benachbarten Scheiben unterschiedlicher Rotationsgeschwindigkeit rotieren und die Vorrichtung Fragmente von polykristallinem Silizium zwischen den Rollen frakturiert.
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Durch Rotation der auf der Rolle benachbarten Scheiben mit unterschiedlichen Umlaufgeschwindigkeiten ändert sich die die Anordnung der Frakturierungszähne auf jeder einzelnen Scheibe entlang der Rollenachse. Damit wird verhindert, dass frakturierte Fragmente von polykristallinem Silizium zwischen den Frakturierungszähnen festgehalten werden und somit können diese verlässlich aus den Zwischenräumen der Frakturierungszähne entfernt werden, so dass verhindert werden kann, dass bereits frakturiertes polykristallines Silizium nochmals frakturiert oder zermahlen wird. Als Folge hiervon kann polykristallines Silizium in Fragmente mit passender Größe frakturiert werden, und gleichzeitig kann die Entstehung von Pulver während der Frakturierung verhindert werden.
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Bei der Vorrichtung zur Frakturierung von polykristallinem Silizium gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Rolle aufgebaut wird, indem Schichtweise alternierend eine rotierende Scheibe, die zusätzlich gegenüber der Rolle rotiert und eine fest auf der Rolle fixierte Scheibe entlang der Längsachse der Rolle aufgebracht wird.
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Durch das Benachbaren einer rotierenden und einer fixierten Scheibe, kann der Abstand der Frakturierungszähne zwischen benachbarten Scheiben einfach verändert werden.
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In der Fraktionierungsvorrichtung für polykristallines Silizium gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Oberfläche an der Spitze des Frakturierungszahnes sphärisch ausgeformt ist und die seitliche Oberfläche des Frakturierungszahnes zylindrisch ausgeformt ist.
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Die Oberflächen an der Spitze der Frakturierungszähne sind sphärisch ausgeformt, so dass die Oberflächen an der Spitze der Frakturierungszähne und das polykristalline Silizium punktuell in Kontakt sind. Die seitlichen Oberflächen der Frakturierungszähne sind konisch oder zylindrisch ausgeformt, so dass die seitlichen Oberflächen der Frakturierungszähne und das polykristalline Silizium linear in Kontakt sind. Da die Frakturierungszähne und das polykristalline Silizium punktuell oder linear in Kontakt sind, kann verhindert werden, dass das polykristalline Silizium durch die Frakturierungszähne zu Pulver vermahlen wird und der Verlust kann verringert werden.
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Ein Verfahren zur Herstellung frakturierter Fragmente von polykristallinem Silizium gemäß der vorliegenden Erfindung zur Bereitstellung der frakturierten Fragmente von polykristallines Silizium unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung zur Frakturierung von polykristallinem Silizium.
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Wirkungen der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann polykristallines Silizium in Fragmente mit passender Größe frakturiert werden, und gleichzeitig kann die Entstehung von Pulver während der Frakturierung verhindert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Teilperspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Frakturierung von polykristallinem Silizium gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine Ansicht eines vertikalen Querschnitts einer Rolle.
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3 ist eine Frontalansicht, welche die räumliche Anordnung der Rollen zueinander in einem Abschnitt zeigt, in dem sich die Rollen gegenüberstehen.
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4 ist eine schematische Ansicht und zeigt durch eine Frakturierung eines Stabförmigen polykristallinen Silizium erhaltene Fragmente.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Frakturierung von polykristallinem Silizium gemäß der vorliegenden Erfindung und ein Verfahren zur Herstellung von frakturierten Fragmente von polykristallines Silizium unter Verwendung der Vorrichtung beschrieben mit Referenz zu den Zeichnungen.
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Wie in 1 gezeigt, wird eine Vorrichtung 1 zur Frakturierung (im Folgenden ”die Frakturierungsvorrichtung 1”) der ersten Ausführungsform bereitgestellt, welche mit zwei Rollen 3 ausgestattet ist, welche in einem Gehäuse 2 so angebracht sind, dass die Achsen 4 der Rollen 3 horizontal und parallel zueinander stehen.
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Wie in 2 gezeigt, ist jede der Rollen 3 aufgebaut aus alternierend entlang einer Rotationsachse 4 geschichteten Scheiben 31, die um die Rotationsachse 4 herum rotieren, und fixierten Scheiben 32, welche nicht um die Rotationsachse 4 herum rotieren. Eine Rotationswelle 40 ist durch die Mittelpunkte der geschichteten rotierenden Scheiben 31 und fixierten Scheiben 32 geschoben.
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The rotierenden Scheiben 31 sind an der Rotationswelle 40 befestigt, und rotieren gemeinsam mit der Rotation der Rotationswelle 40. Die fixierten Scheiben 32 werden durch Lager 33 gehalten, so dass sie frei rotieren können, und gleichzeitig wird deren Rotation zum Beispiel durch mit dem Gehäuse 2 verbundene Rückhalteteile (nicht gezeigt) eingeschränkt.
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Die rotierenden Scheiben 31 und die fixierten Scheiben 32 sind auf ihrer äußeren Umlauffläche, wie in 1 gezeigt, mit Frakturierungszähnen 5 ausgestattet, welche in Abständen radial nach außen hervorragen. Der Frakturierungzahn 5 ist aus Hartmetall oder Siliziummaterial geformt. Eine Oberfläche 15 an der Spitze ist sphärisch ausgeformt; und eine seitliche Oberfläche 16 ist zylindrisch ausgeformt.
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In dieser Ausführungsform wird die Zielgröße für die Fragmente des polykristallinen Siliziums nach Frakturierung (d. h. frakturierte Fragmente des polykristallinen Siliziums) gewählt in einem Bereich von 5 mm bis 60 mm Maximallänge. Um Fragmente dieser Größe zu erzeugen, ist der Durchmesser D des Säulenartigen Teiles 16 des Frakturierungszahnes 5 gewählt in einem Bereich von 10 mm bis 14 mm; die nach außen stehende Höhe H des Frakturierungszahnes 5 von der äußeren Oberfläche der roterienden Scheibe 31 oder der fixierten Scheibe 32 bis zur Spitze des Frakturierungszahnes 5, ist gewählt in einem Bereich von 20 mm bis 30 mm, wie in 3 gezeigt. Die Spaltenweite L zwischen benachbarten Frakturierungszähnen 5 einer Scheibe ist gewählt in einem Bereich 11 mm bis 35 mm. Weiter wird in dem Abschnitt, in dem sich die Rollen 3 gegenüberstehen, die freie Distanz G zwischen den Oberflächen 15 an der Spitze der Frakturierungszähne 5 gewählt in einem Bereich 5 mm bis 30 mm.
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Das Gehäuse 2, in welchem sich die Rollen 3 befinden, ist aus Kunststoff geformt, wie zum Beispiel Polypropylen oder ähnlichem, oder ausgeformt aus Metall, mit einer inneren Beschichtung aus Tetrafluoroethylen, um Kontaminationen zu vermeiden.
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In dem Gehäuse 2 ist ein Paar Trennplatten 21 parallel zueinander mit kleinen Abständen zu beiden Seiten der Rollen 3 eingebaut, welche die Achsen 4 der Rollen 3 schneiden. Die Trennplatten 21 sind an dem Gehäuse 2 befestigt und bilden einen Frakturierungsraum 23 für polykristallines Silizium aus an der Stelle, an der sich die beiden durch die Trennplatten 21 getrennten Rollen 3 gegenüberstehen. Auf der oberen Fläche des Gehäuses 2 ist ein Einlass 24 so ausgeformt, dass er sich unmittelbar oberhalb des Frakturierungsraumes 23 befindet.
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Die Trennplatten 21 sind, wie das Gehäuse 2, aus Kunststoff, wie zum Beispiel Polypropylen oder ähnlichem, oder Metall mit einer Innenbeschichtung aus Tetrafluoroethylen hergestellt. Auch können die außen liegenden Oberfläche der rotierenden Scheiben 31 und der fixierten Scheiben 32 beschichtet sein mit Polypropylen, Tetrafluoroethylen oder ähnlichem, um Kontamination zu vermeiden.
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Das Gehäuse 2 ist mit einem Getriebe oder ähnlichem ausgestattet (nicht gezeigt) um die Rollen 3 in Rotation zu versetzen. Das Getriebe ist verbunden mit einem Abluftsystem (nicht gezeigt) um die Abluft aus dem Gehäuse 2 und dem Inneren des Getriebes zu entfernen.
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Wenn nun frakturierte Fragmente von polykristallinem Silizium unter Einsatz der wie oben beschrieben konfigurierten Frakturierungsvorrichtung 1 hergestellt werden, nämlich durch Rotation der Rollen 3, Zuführung von grob vor-frakturiertem polykristallinen Silizium mit geeigneter Größe in den Frakturierungsbereich 23 für polykristallines Silizium zwischen den Trennplatten 21 durch den Einlass 24 des Gehäuses 2, werden die Fragmente des polykristallinen Siliziums zwischen den Frakturierungszähnen 5 der Rollen 3 weiter in Fragmente frakturiert.
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Während der Frakturierung wechselt die Anordnung der Frakturierungszähne 5 von benachbarten fixierten Scheiben 32 und rotierenden Scheiben 31 mit der Rotation der rotierenden Scheiben 31, da die rotierenden Scheiben 31 sich bewegen, während die fixierten Scheiben 32 fest bezüglich der die Rollen 3 aufbauenden Scheiben sind. Daher entstehen Lücken zwischen den Frakturierungszähnen 5 auf den fixierten Scheiben 32 und denen auf den rotierenden Scheiben 31. Daher werden die Fragmente von frakturiertem, polykristallinem Silizium nicht zwischen den Frakturierungszähnen 5 der Scheiben festgehalten, sondern werden verlässlich im Laufe der Rotation der rotierenden Scheiben 31 aus den Frakturierungszähnen 5 entfernt. Folglich rotieren die Frakturierungszähne nicht mit zwischen ihnen festsitzendem polykristallinen Silizium, so dass bereits frakturierte Fragmente zwischen den Frakturierungszähnen 5 verlässlich vor erneuter Frakturierung entfernt werden können. Daher kann verhindert werden, dass polykristallines Silizium erneut frakturiert oder zermahlen wird, wodurch die Entstehung von Pulver vermieden werden kann. Als Folge hiervon kann der Verlust verringert werden und polykristallines Silizium kann effektiv in Fragmente mit geeigneter Größe frakturiert werden.
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An den Frakturierungszähnen 5 sind die Oberflächen 15 sphärisch ausgeformt, so dass die Oberflächen 15 und das polykristalline Silizium punktuell in Kontakt sind. Weiterhin sind bei den Frakturierungszähnen 5 die seitlichen Oberflächen der Säulenartigen Teile 16 zylindrisch ausgeformt, so dass die seitlichen Oberflächen und das polykristalline Silizium punktuell oder linear in Kontakt sind. Daher übertragen die Frakturierungszähne 5 die Kraft auf das polykristalline Silizium bei Kontakt punktuell oder linear, so dass hierdurch vermieden wird, dass das polykristalline Silizium durch die Flächen zermahlen wird.
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Die Trennplatten 21, welche sich über den Enden der Rollen 3 befinden, verhindern, dass die Fragmente des polykristallinen Siliziums, welche gerade frakturiert wurden, in den Zwischenraum zwischen den innen liegenden Wandflächen des Gehäuses 2 und den Endflächen der Rollen 3 eindringen und dort zermahlen werden. Daher können die Fragmente des polykristallinen Siliziums verlässlich frakturiert werden und zwischen den Rollen 3 hindurchgeführt werden.
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Als Folge hiervon kann in der Frakturierungsvorrichtung 1 polykristallines Silizium auf eine gewünschte Größe frakturiert werden, ohne dass Pulver entsteht und der Verlust kann reduziert werden.
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Weiterhin wird in der Frakturierungsvorrichtung 1 durch Ausformung der Frakturierungszähne 5 aus Hartmetall oder Siliziummaterial vermieden, dass Verunreinigungen der Frakturierungszähne 5 das polykristalline Silizium kontaminieren. Weiterhin sind die Trennplatten 21 und das Gehäuse 2, welche den Frakturierungsraum 23 für das polykristalline Silizium umschließen, aus Kunststoff zum Beispiel Polypropylen oder ähnlichem gefertigt oder aber mit Tetrafluorethylen beschichtet. Daher kann verhindert werden, dass das polykristalline Silizium während der Frakturierung mit Verunreinigungen kontaminiert wird. Als Konsequenz kann gemäß der Frakturierungsvorrichtung 1 hochqualitatives polykristallines Silizium zur Verwendung als Halbleitermaterial erhalten werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf die oben beschriebenen Ausführungsformen und verschiedene Abwandlungen sind möglich, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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In der obigen Ausführungsform sind die Rollen so aus alternierend geschichteten rotierenden Scheiben und fixierten Scheiben aufgebaut, dass die fixierten Scheiben nicht rotieren. Jedoch ist es nicht nötig, einzelne Scheiben zu fixieren wenn die Umdrehungsgeschwindigkeiten von benachbarten Scheiben zueinander verändert werden können, da dann die Lücken zwischen den benachbarten Frakturierungszähnen mitverändert werden können. Zum Beispiel können benachbarte Scheiben mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotiert werden, oder die Scheiben können in unterschiedliche Richtungen rotiert werden.
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Die Seitenflächen der Säulenartigen Teile der Frakturierungszähne sind in den obigen Ausführungsbeispielen zylindrisch ausgestaltet. Jedoch können die Seitenflächen konisch ausgestaltet sein. Weiterhin können die Spitzen der Frakturierungszähne konisch ausgestaltet sein um mit den sphärischen Oberflächen an der Spitze und dem zylindrisch Basisabschnitt verbunden zu werden.
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Es ist nicht nötig, dass die Höhe, über die die einzelnen Frakturierungszähne herausragen, immer gleich ist. Frakturierungszähne mit unterschiedlicher Höhe können gemischt werden.
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Auch sind die Abmessungen der Lücken bei Gegenüberstehen der gleichen Frakturierungszähne nicht beschränkt auf die oben beschriebenen Ausführungsformen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2010-242063 [0002]
- JP 2006-122902 [0005]
- JP 2009-531172 [0006]
- JP 2006-192423 [0006]
