DE19701935C1 - Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkondensators - Google Patents
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Description
Aus EP 05 28 281 A2 ist ein Siliziumkondensator bekannt. Die
ser umfaßt ein n-dotiertes Siliziumsubstrat, dessen Oberflä
che durch eine elektrochemische Ätzung in einem fluoridhalti
gen, sauren Elektrolyten, in dem das Substrat als Anode ver
schaltet ist, auf charakteristische Weise strukturiert ist.
Bei der elektrochemischen Ätzung bilden sich an der Oberflä
che des Substrates mehr oder weniger regelmäßig angeordnete
Lochstrukturen. Die Lochstrukturen weisen ein Aspektverhält
nis bis in den Bereich 1 : 1000 auf. Die Oberfläche der Loch
strukturen ist mit einer dielektrischen Schicht und einer
leitfähigen Schicht versehen. Leitfähige Schicht, dielektri
sche Schicht und Siliziumsubstrat bilden einen Kondensator,
in dem wegen der durch die Lochstrukturen bewirkten Oberflä
chenvergrößerung spezifische Kapazitäten bis zu 100 µV/mm³
erzielt werden. Um die Leitfähigkeit des Substrats zu erhö
hen, wird vorgeschlagen, an der Oberfläche der Lochstrukturen
ein n⁺-dotiertes Gebiet vorzusehen.
Üblicherweise werden Siliziumkondensatoren in Siliziumschei
ben hergestellt. Dabei wird eine Verbiegung der Silizium
scheiben festgestellt, die mit mechanischen Verspannungen
durch das n⁺-dotierte Gebiet an der Oberfläche der Lochstruk
turen, die bis zu 300 µm dick sind, in Verbindung gebracht
wird. Diese Verbiegung der Siliziumscheibe führt zu Problemen
bei weiteren Prozeßschritten wie Lithographie, Scheibendün
nung und Vereinzelung, die zum Einbau des Siliziumkondensa
tors in ein Gehäuse erforderlich sind.
In DE 44 28 195 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines
solchen Siliziumkondensators vorgeschlagen worden. Um durch
die Dotierung des dotierten Gebietes bewirkte mechanische
Verspannungen des Siliziumsubstrats zu kompensieren, wird da
bei das dotierte Gebiet zusätzlich mit Germanium dotiert. Die
zusätzliche Dotierung mit Germanium führt zu einer Erhöhung
der Prozeßkomplexität.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zur
Herstellung eines Siliziumkondensators anzugeben, das einfa
cher als das bekannte ist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfah
ren gemäß Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung
gehen aus den übrigen Ansprüchen hervor.
Dabei werden in einer Hauptfläche eines Siliziumsubstrates
eine Vielzahl von Lochstrukturen erzeugt. Die Lochstrukturen
weisen einen runden oder mehreckigen Querschnitt und im we
sentlichen zur Hauptfläche senkrechte Seitenwände auf.
Entlang der Oberfläche der Lochstrukturen wird ein mit elek
trisch aktivem Dotierstoff versehenes leitfähiges Gebiet er
zeugt. Das leitfähige Gebiet bildet im fertigen Siliziumkon
densator eine Kondensatorelektrode. Es wird vorzugsweise mit
Phosphor oder Bor dotiert.
Auf der Oberfläche des leitfähigen Gebietes werden eine die
lektrische Schicht und eine leitfähige Schicht aufgebracht,
die die Lochstrukturen nicht auffüllen. Auf der Oberfläche
der leitfähigen Schicht wird eine Hilfsschicht mit im wesent
lichen konformer Kantenbedeckung gebildet, die unter einer
kompressiven mechanischen Spannung steht. Schließlich werden
die Lochstrukturen aufgefüllt.
Durch das mit Dotierstoff versehene leitfähige Gebiet, das
entlang der Oberfläche der Lochstrukturen gebildet wird,
kommt es zu einer konkaven Verbiegung des Siliziumsubstrats,
wenn der Dotierstoff einen kleineren kovalenten Bindungsradi
us als Silizium aufweist. Dieses ist für Phosphor und Bor der
Fall. Die Verwendung der Hilfsschicht, die unter einer kom
pressiven mechanischen Spannung steht und die mit konformer
Kantenbedeckung in den Lochstrukturen eingesetzt wird, be
wirkt eine Verbiegung des Siliziumsubstrats in Richtung auf
eine konvexe Form. Dadurch wird die konkave Verbiegung des
Substrates, die durch das leitfähige Gebiet bewirkt wird,
kompensiert. Dadurch werden Probleme bei der Fertigung des
Siliziumkondensators vermieden. Die konkave Verbiegung des
Siliziumsubstrats hat den Nachteil, daß in herkömmlichen Fer
tigungsgeräten die Substrate durch Unterdruck auf Träger ge
halten werden (sogenannte Vakuumchucks). Eine konkave Verbie
gung des Substrats führt dazu, daß das Substrat nicht mehr
angesaugt werden kann, so daß eine automatisierte Fertigung
nicht möglich ist. Leicht konvex geformte Substrate können
dagegen auf diesen Trägern angesaugt werden, da der
Substratrand zum Abdichten gegen Atmosphärendruck neigt.
Als Hilfsschicht, die unter einer kompressiven mechanischen
Spannung steht, ist insbesondere eine Schicht aus thermischem
SiO₂ geeignet. Der Einbau von Sauerstoff bei der Bildung von
SiO₂ durch thermische Oxidation von Silizium führt auf der
Siliziumunterlage zu einer kompressiven mechanischen Spannung
in der Schicht aus thermischem SiO₂. Alternativ kann eine
Schicht aus undotiertem Polysilizium verwendet werden. Beim
Aufwachsen einer Schicht aus Polysilizium kommt es im unteren
Teil der Schicht zu einem Wachstum vieler kleiner Kristalli
te, die im Laufe der Schichtabscheidung um das weitere Wachs
tum konkurieren. Dadurch steht die Polysiliziumschicht unter
einer kompressiven mechanischen Spannung.
Weist das Siliziumsubstrat nach der Bildung der Lochstruktu
ren, des leitfähigen Gebietes, der dielektrischen Schicht und
der leitfähigen Schicht eine solche Verbiegung auf, daß zwi
schen der Mitte und dem Rand des Siliziumsubstrates eine Hö
hendifferenz von bis etwa 500 µm besteht, so läßt sich diese
konkave Verbiegung durch eine Hilfsschicht aus thermischem
Oxid in einer Schichtdicke von 30 bis 250 nm kompensieren.
Die Hilfsschicht aus thermischem Oxid steht unter einer kom
pressiven Spannung von etwa 10⁴ N/cm². Bei Verwendung einer
Hilfsschicht aus Polysilizium ist eine Schichtdicke zwischen
50 nm und 100 nm erforderlich.
Es ist denkbar, mechanische Spannungen in einem Siliziumsub
strat, die durch Schichten bedingt werden, die im Vergleich
zum Silizium stärker kontrahieren, durch Aufbringen einer
entsprechend dicken Siliziumnitridschicht auf der Rückseite
des Siliziumsubstrats zu kompensieren. Bei der Herstellung
eines Siliziumkondensators hat sich jedoch gezeigt, daß der
artige Siliziumnitridschichten mit handhabbaren Dicken von
etwa 1 µm die konkave Verbiegung des Siliziumsubstrats nicht
kompensieren können. Abschätzungen haben ergeben, daß die
Dicke der Siliziumnitridschicht auf der Rückseite des Silizi
umsubstrates zwischen 20 und 50 µm dick sei müßte. Derartige
Schichtdicken sind jedoch prozeßtechnisch nicht vertretbar.
Vorzugsweise werden die Lochstrukturen durch elektrochemi
sches Ätzen in einem fluoridhaltigen, sauren Elektrolyten ge
bildet, wobei die Hauptfläche mit dem Elektrolyten in Kontakt
steht und zwischen den Elektrolyten und das Siliziumsubstrat
eine Spannung so angelegt wird, daß das Siliziumsubstrat als
Anode verschaltet wird. Eine der Hauptfläche gegenüberliegen
de Rückseite des Siliziumsubstrats wird während der elektro
chemischen Atzung beleuchtet. Dadurch lassen sich Lochstruk
turen mit Durchmessern im Bereich zwischen 0,5 µm und 10 µm
und mit Tiefen im Bereich zwischen 50 µm und 500 µm bilden,
wobei die Lochstrukturen jeweils ein Aspektverhältnis im Be
reich zwischen 30 und 300 aufweisen. Als Aspektverhältnis
wird der Quotient aus Tiefe zu Durchmesser bezeichnet. Je hö
her das Aspektverhältnis ist, desto gravierender wird die
konkave Verbiegung des Siliziumsubstrates durch das leitfähi
ge Gebiet, das sich entlang der Oberfläche der Lochstrukturen
erstreckt.
Alternativ können die Lochstrukturen durch maskiertes oder
unmaskiertes anisotropes Ätzen gebildet werden.
Vorzugsweise wird die dielektrische Schicht als Mehrfach
schicht mit einer Schichtenfolge aus SiO₂, Si₃N₄ und SiO₂ ge
bildet. Derartige Schichten, die vielfach als ONO-Schichten
bezeichnet werden, können mit sehr geringen Defektdichten ge
bildet werden. Dieses ist eine wesentliche Voraussetzung zur
Herstellung des Siliziumkondensators, der wegen der Oberflä
chenvergrößerung durch die Lochstrukturen eine große Oberflä
che aufweist.
Zur Herstellung von Kontakten zu der leitfähigen Schicht
und/oder dem leitfähigen Gebiet, die in dem fertigen Silizi
umkondensator als Kondensatorelektroden wirken, wird vorzugs
weise die Oberfläche der leitfähigen Schicht im Bereich der
Hauptfläche freigelegt. Die Hilfsschicht verbleibt auf der
Oberfläche der Lochstrukturen. Zur Kontaktierung des leitfä
higen Gebietes wird darüber hinaus die Oberfläche des leitfä
higen Gebietes im Bereich der Hauptfläche freigelegt. Auch
hier verbleibt die Hilfsschicht im Bereich der Lochstruktu
ren.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei
spiels, das in den Figuren dargestellt ist, näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Siliziumsubstrat nach
Bildung von Lochstrukturen, eines leitfähigen Gebie
tes entlang der Oberfläche der Lochstrukturen, einer
dielektrischen Schicht, einer leitfähigen Schicht und
einer Hilfsschicht und nach Auffüllung der Lochstruk
turen.
Fig. 2 zeigt den Schnitt durch das Siliziumsubstrat nach
Freilegen der leitfähigen Schicht im Bereich der
Hauptfläche und Freilegen der Oberfläche des leitfä
higen Gebietes zur Bildung eines Kontaktes.
Ein Siliziumsubstrat 1 aus n-dotiertem, einkristallinem Sili
zium, das einen spezifischen Widerstand von 5 Ohm × cm auf
weist, wird durch elektrochemisches Ätzen an einer Hauptflä
che 11 mit einer Vielzahl von Lochstrukturen 2 versehen
(siehe Fig. 1).
Dazu wird die Hauptfläche 11 mit einem Elektrolyten in Kon
takt gebracht. Als Elektrolyt wird zum Beispiel eine 6ge
wichtsprozentige Flußsäure (HF) verwendet. Das Silizium
substrat 1 wird als Anode mit einem Potential von 3 Volt be
aufschlagt. Das Siliziumsubstrat 1 wird von einer der
Hauptfläche 11 gegenüberliegenden Rückseite her beleuchtet.
Dabei wird eine Stromdichte von 10 mA/cm² eingestellt. Bei
der elektrochemischen Ätzung bewegen sich Minoritätsladungs
träger in dem n-dotierten Silizium zu der mit dem Elektroly
ten in Kontakt stehenden Hauptfläche 11. An der Hauptfläche
11 bildet sich eine Raumladungszone aus. Da die Feldstärke im
Bereich von Vertiefungen in der Hauptfläche 11 größer ist als
außerhalb davon, bewegen sich die Minoritätsladungsträger be
vorzugt zu diesen Punkten. Dadurch kommt es zu einer Struktu
rierung der Hauptfläche 11. Je tiefer eine anfänglich kleine
Unebenheit durch die Ätzung wird, desto mehr Minioritätsla
dungsträger bewegen sich dorthin und desto stärker ist der
Ätzangriff an dieser Stelle.
Die Lochstrukturen 2 beginnen von Unebenheiten in der
Hauptfläche 11 aus zu wachsen, die mit statistischer Vertei
lung in jeder Oberfläche vorhanden sind. Um eine gleichmäßige
Verteilung der Lochstrukturen 2 zu erzielen, ist es vorteil
haft, die Hauptfläche 11 vor der elektrochemischen Atzung ge
zielt mit Unebenheiten zu versehen, die als Keim für den Ätz
angriff bei der nachfolgenden elektrochemischen Ätzung wir
ken. Diese Unebenheiten können zum Beispiel mit Hilfe konven
tioneller Photolithographie hergestellt werden.
Nach ungefähr 180 Minuten Ätzzeit weisen die Lochstrukturen
einen im wesentlichen kreisförmigen Durchmesser von 2 µm bei
einer Tiefe von 175 µm auf.
Anschließend wird das Siliziumsubstrat 1 mit Wasser gespült.
Entlang der Oberfläche der Lochstrukturen wird ein leitfähi
ges Gebiet 3 erzeugt, das mit elektrisch aktivem Dotierstoff
versehen ist. Als elektrisch aktiver Dotierstoff wird zum
Beispiel Phosphor mit einer Dotierstoffkonzentration zwischen
10²⁰ cm-3 und 10²¹ cm-3 oder Bor mit einer Dotierstoffkonzen
tration zwischen 10²⁰ cm-3 und 10²¹ cm-3 verwendet. Dadurch
weist das leitfähige Gebiet 3 eine elektrische Leitfähigkeit
von etwa 10-3 Ω cm auf. Es ist dadurch geeignet als Konden
satorelektrode.
Zur Herstellung des leitfähigen Gebietes 3 wird eine Gaspha
sendiffusion unter Verwendung von Phosphin oder Boran bei ei
ner Temperatur von 1400° Kelvin durchgeführt. Alternativ kann
das Eindiffundieren des elektrisch aktiven Dotierstoffes auch
durch Abscheidung einer entsprechend dotierten Silikatglas
schicht und Ausdiffusion aus der Silikatglasschicht erfolgen.
Diese Silikatglasschicht muß nach der Ausdiffusion wieder
entfernt werden.
Auf der Oberfläche des leitfähigen Gebietes 3 werden an
schließend eine dielektrische Schicht 4 und eine leitfähige
Schicht 5 aufgebracht. Die dielektrische Schicht 4 wird vor
zugsweise durch kombinierte Erzeugung von SiO₂ und Si₃N₄ als
Mehrfachschicht mit einer Schichtenfolge SiO₂/Si₃N₄/SiO₂ ge
bildet, da dieses Material eine für einen großflächigen Kon
densator ausreichend geringe Defektdichte aufweist. Die die
lektrische Schicht 4 wird als Mehrfachschicht mit einer
Schichtenfolge SiO₂/Si₃N₄/SiO₂ mit Schichtdicken von zum Bei
spiel 5 nm SiO₂, 20 nm Si₃N₄ und 5 nm SiO₂ erzeugt.
Die leitfähige Schicht 5 wird zum Beispiel aus n⁺-dotiertem
Polysilizium gebildet. Sie wird in einer Schichtdicke von zum
Beispiel 400 nm gebildet. Dadurch nimmt sie etwa 20 bis 50
Prozent des verwendbaren Durchmessers der Lochstruktur 2 ein.
Zur Bildung der leitfähigen Schicht 5 wird in situ dotiertes
Polysilizium abgeschieden oder undotiertes Polysilizium, das
anschließend durch Diffusion dotiert wird.
Nachfolgend wird eine Hilfsschicht 6 gebildet, die unter ei
ner kompressiven mechanischen Spannung steht. Die Hilfs
schicht 6 wird vorzugsweise durch thermische Oxidation bei
zum Beispiel 900°C, 2000 Sekunden gebildet. Die Hilfsschicht
6 wird in einer Schichtdicke von 30 bis 250 nm, vorzugsweise
50 nm gebildet. Die Hilfsschicht 6 steht unter einer kompres
siven Spannung von etwa 10⁴ N/cm² und kompensiert dadurch die
durch die Dotierung im leitfähigen Gebiet 3 und gegebenen
falls die dielektrische Schicht 4 und die leitfähige Schicht
5 verursachte konkave Verbiegung des Siliziumsubstrats 1.
Zur Messung der Dicke der Hilfsschicht 6 wird üblicherweise
ein n-dotiertes Referenzsubstrat verwendet, auf dessen ebener
Oberfläche sich gleichzeitig eine Oxidschicht bildet. Da die
Oxidationsrate an der Oberfläche der n⁺-dotierten leitfähigen
Schicht 5 stark erhöht ist, ist die Dicke der Hilfsschicht 6
an der Oberfläche der leitfähigen Schicht 5 um einen Faktor 2
bis 4 dicker als die Dicke der Oxidschicht auf der ebenen
Oberfläche des Referenzsubstrates. Die Dicke der Hilfsschicht
6 auf dem Referenzsubstrat beträgt typischerweise 10 bis
60 nm.
Alternativ wird die Hilfsschicht 6 aus undotiertem Polysili
zium gebildet. In diesem Fall weist sie eine Dicke von 100 nm
auf.
Anschließend wird der verbliebene Zwischenraum in den Loch
strukturen 2 durch Abscheidung einer Polysiliziumschicht 7
aufgefüllt. Die Polysiliziumschicht 7 wird in einer Schicht
dicke von zum Beispiel 800 nm gebildet.
In dem Siliziumkondensator wirken die leitfähige Schicht 5
und das leitfähige Gebiet 3 als Kondensatorelektroden. Zur
Bildung von Anschlüssen zu den Kondensatorelektroden ist es
erforderlich, die Oberfläche der leitfähigen Schicht 5 sowie
des leitfähigen Gebietes 3 mindestens teilweise freizulegen.
Dazu wird die Oberfläche der leitfähigen Schicht 5 außerhalb
der Lochstrukturen 2 freigelegt. Dieses erfolgt zum Beispiel
durch naßchemisches Ätzen der oberhalb der Hauptfläche 11 an
geordneten Teile der Polysiliziumschicht 7 mit einer sauren
Ätzung mit HNO₃/H₂O/HF-Mischung oder basisch mit KOH. Die Ät
zung wird selektiv zur Hilfsschicht 6 durchgeführt. Anschlie
ßend wird der freigelegte Teil der Hilfsschicht 6 oberhalb
der Hauptfläche 11 mit verdünnter Flußsäure geätzt (siehe
Fig. 2). Dabei entstehen eine strukturierte Hilfsschicht 6′
und eine strukturierte Polysiliziumschicht 7′.
In den Lochstrukturen 2 verbleiben sowohl die strukturierte
Hilfsschicht 6′ als auch die strukturierte Polysilizium
schicht 7′. Eine Entfernung der strukturierten Hilfsschicht
6′ aus den Lochstrukturen 2 würde zu einer elastischen Rück
biegung des Siliziumsubstrats 1 führen. Ferner würden sich
die mechanischen Spannungen der nachfolgenden Schichten im
Verlauf des Herstellungsprozesses stark auswirken. Das ist
eine Folge davon, daß die Hilfsschicht 6 zwar zu einer Kom
pensation der konkaven Verbiegung des Siliziumsubstrats 1
führt, daß jedoch durch die Hilfsschicht 6 Kristalldefekt
dichten noch nicht so stark ansteigen, daß eine Verfestigung
des Materials einsetzt.
Zum teilweisen Freilegen der Oberfläche des leitfähigen Ge
bietes 3 werden die leitfähige Schicht 5 und die dielektri
sche Schicht 4 unter Verwendung einer Maske durch anisotropes
Ätzen strukturiert (siehe Fig. 2). Anschlüsse zu dem leitfä
higen Gebiet 3 und der leitfähigen Schicht 5 werden nachfol
gend in bekannter Weise zum Beispiel durch Metallkontakte
realisiert (nicht dargestellt).
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung mindestens eines Siliziumkonden
sators,
- - bei dem in einer Hauptfläche (11) eines Siliziumsubstrates (1) eine Vielzahl von Lochstrukturen (2) erzeugt werden,
- - bei dem entlang der Oberfläche der Lochstrukturen (2) ein mit elektrisch aktivem Dotierstoff versehenes leitfähiges Gebiet (3) erzeugt wird,
- - bei dem auf der Oberfläche des leitfähigen Gebietes (3) ei ne dielektrische Schicht (4) und eine leitfähige Schicht (5) aufgebracht werden, die die Lochstrukturen (2) nicht auffüllen,
- - bei dem auf der Oberfläche der leitfähigen Schicht (5) eine Hilfsschicht (6) mit im wesentlichen konformer Kantenbe deckung gebildet wird, die unter einer kompressiven mechani schen Spannung steht,
- - bei dem die Lochstrukturen (2) aufgefüllt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
- - bei dem das Siliziumsubstrat (1) n-dotiert ist,
- - bei dem die Lochstrukturen durch elektrochemisches Ätzen gebildet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
- - bei dem die elektrochemische Atzung zur Bildung der Loch strukturen (2) in einem fluoridhaltigen, sauren Elektroly ten durchgeführt wird, mit dem die Hauptfläche (11) in Kon takt steht und zwischen dem und das Siliziumsubstrat (1) eine Spannung so angelegt wird, daß das Siliziumsubstrat (1) als Anode verschaltet wird,
- - bei dem eine der Hauptfläche (11) gegenüberliegende Rück seite des Siliziumsubstrates (1) während der elektrochemi schen Ätzung beleuchtet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem die Lochstrukturen (2) mit Durchmessern im Bereich
zwischen 0,5 µm und 10 µm und mit Tiefen im Bereich zwischen
50 µm und 500 µm erzeugt werden, wobei die Lochstrukturen (2)
ein Aspektverhältnis im Bereich zwischen 30 und 300 aufwei
sen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem die dielektrische Schicht (4) als Mehrfachschicht mit
einer Schichtenfolge aus SiO₂, Si₃N₄ und SiO₂ gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
- - bei dem das leitfähige Gebiet (3) mit einer Dotierstoffkon zentration zwischen 10²⁰ cm-3 Und 10²¹ cm-3 Phosphor oder mit einer Dotierstoffkonzentration zwischen 10²⁰ cm-3 und 10²¹ cm-3 Bor gebildet wird,
- - bei dem die dielektrische Schicht (4) in einer Dicke zwi schen 10 nm und 100 nm gebildet wird,
- - bei dem die leitfähige Schicht (5) aus dotiertem Polysili zium gebildet wird,
- - bei dem die Hilfsschicht (6) durch thermische Oxidation aus SiO₂ in-einer Schichtdicke zwischen 30 µm und 250 µm gebil det wird,
- - bei dem die Lochstrukturen (2) mit Polysilizium aufgefüllt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
- - bei dem das leitfähige Gebiet (3) mit einer Dotierstoffkon zentration zwischen 10²⁰ cm-3 und 10²¹ cm-3 Phosphor oder mit einer Dotierstoffkonzentration zwischen 10²⁰ cm-3 und 10²¹ cm-3 Bor gebildet wird,
- - bei dem die dielektrische Schicht in einer Dicke zwischen 10 nm und 100 nm gebildet wird,
- - bei dem die leitfähige Schicht (5) aus dotiertem Polysili zium gebildet wird,
- - bei dem die Hilfsschicht aus undotiertem Polysilizium mit einer Schichtdicke zwischen 50 nm und 200 nm gebildet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
bei dem zur Bildung eines elektrischen Anschlusses zu der
leitfähigen Schicht (5) im Bereich der Hauptfläche (11) die
Hilfsschicht (6) von der Oberfläche der leitfähigen Schicht
(5) entfernt wird, während die Hilfsschicht (6) im Bereich
der Lochstrukturen (2) an der Oberfläche der leitfähigen
Schicht (5) verbleibt.
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