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Die
Erfindung betrifft ein Indium-Target für Sputtereinrichtungen, insbesondere
mit ultra-feinkörnigem
Gefüge
zur Herstellung von Oberflächenbeschichtungen
durch Sputtern, enthaltend einen mit einem Kühlkreislauf verbindbaren Kühlkörper mit mindestens
einer Vertiefung, die mit Indium verfüllt ist, wobei sich das Indium
auf einer Seite des Kühlkörpers über dessen
gesamte Breite und Länge
erstreckt.
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Derartige
Indium-Targets zur Beschichtung von Substraten mit 4 m Breite und
6 m Länge
haben derzeit eine Länge
von mehr als 4 m und eine Bereite um 0,5 bis 1 m und bestehen aus
einer Kühlplatte, sowie
einer in deren Oberfläche
eingearbeiteten flachen Vertiefung zur Aufnahme von geschmolzenem Indium.
Das Indium muss nach der Erstarrung die gesamte Oberseite der Kühlplatte,
also auch deren Rand, überdecken,
so dass eine geschlossene Indiumfläche entsteht, um zu gewährleisten,
dass beim Einsatz des Indium-Targets ausschließlich Indium abgesputtert wird.
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Aus
diesem Grund wird die Kühlplatte
während
des Gießvorganges
und während
der nachfolgenden Abkühlung
temporär
von einem umlaufenden Gießrand
umgeben, der nach dem Erstarren des Indiums wieder entfernt wird.
Da das Indium nach dem Gießen
möglichst
schnell abkühlen
soll, sind in die Kühlplatte
Kühlkanäle eingebracht,
die in Verbindung mit einem Wasserkreislauf für die nötige Kühlung sorgen.
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Der
Schmelzpunkt von Indium beträgt 156,6°C, das bedeutet,
dass die Kühlplatte
vor dem Gießvorgang
mindestens auf diese Temperatur erwärmt und nachfolgend möglichst
schnell auf Raumtemperatur abgekühlt
werden muss.
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Problematisch
sind hier die Abmessungen der Indium-Targets, insbesondere dessen
Länge, was
bedeutet, dass über
deren gesamte Länge
eine gleichmäßige Abkühlung erreicht
werden muss, so dass Kühlkanäle über die
gesamte Länge
und Breite des Kühlkörpers eingebracht
werden müssen,
was sehr aufwändig
ist. Andererseits bereitet die zu Beginn des Abkühlvorganges für eine Wasserkühlung hohe
Temperatur Schwierigkeiten. Das bedeutet, dass es beim Einleiten
des Wassers in den Kühlkörper zu
einer Überhitzung
kommt, was zu einem schlagartigen Verdampfen des Wassers führt. Die dabei
entstehenden Erschütterungen
können
zu Störungen
im Gefüge
des Indiums führen.
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Schließlich muss
beim Abkühlungsvorgang erreicht
werden, dass ein möglichst
feinkörniges
Indiumgefüge
entsteht, um während
des Einsatzes der Targets die Neigung zu Funkenentladungen, die
mit einem zusätzlichen
Energieeintrag und zu Störungen des
Sputtervorganges einhergehen würden,
zu verringern.
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Beim
Einsatz der Indium-Targets in Sputtereinrichtungen müssen diese
wegen des erheblichen Energieeintrages ebenfalls über einen
Kühlwasserkreislauf
gekühlt
werden, wozu üblicherweise
die im Kühlkörper ohnehin
verwendeten Kühlkanäle verwendet
werden.
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Problematisch
beim Einsatz der Targets, wie auch beim Gießen des Indiums, ist jedoch,
dass eine möglichst
große
Kühlleistung
bereitgestellt werden muss. Folglich müssen die Kühlkanäle einen möglichst großen Querschnitt aufweisen,
was wiederum die Fertigungskosten erheblich erhöht und dem durch die geometrischen
Abmessungen der Kühlkörper Grenzen
gesetzt werden.
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Weiterhin
wird die Qualität
der auf einem Substrat gesputterten Indiumschicht maßgeblich durch
die Körnigkeit
des Indiums im Indium-Target bestimmt. Je kleiner die Körnigkeit
des Indiums ist, umso hochwertigere Indiumschichten können gesputtert
werden.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Indium-Taget sowie eine
Anordnung zur Herstellung solcher Indium-Targets mit der nötigen Feinkörnigkeit zu schaffen, bei dem
sowohl während
des Gießvorganges,
als auch beim Einsatz in Sputtereinrichtungen eine besonders gute
Kühlleistung
gewährleistet
wird, so dass eine Erhöhung
der Standzeit der Indium-Targets beim Sputtern sowie eine deutliche
Verbesserung der Qualität
der gesputterten Schichten sowie eine Erhöhung der Sputterraten erreicht
werden kann.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem Indium-Target
für Sputtereinrichtungen,
insbesondere mit ultra-feinkörnigem
Gefüge zur
Herstellung von Oberflächenbeschichtungen durch
Sputtern im Vakuum, enthaltend einen mit einem Kühlkreislauf verbindbaren Kühlkörper mit
mindestens einer Vertiefung, die mit Indium verfüllt ist, wobei sich das Indium
auf einer Seite des Kühlkörpers über dessen
gesamte Breite und Länge
erstreckt, dadurch gelöst,
dass der Kühlkörper flach ausgebildet
ist und unterhalb der sich im Gebrauch der Indium-Targets ausbildenden
Sputtergräben
unter jedem derselben mit einer zu diesem im wesentlichen formkongruenten
in die Tiefe gehenden Aussparung versehen ist und wobei die Kühleinrichtung in Form
von mit dem Kühlkörper verbundenen
Kühlkanälen ausgebildet
ist, wobei die Kühlkanäle auf der Unterseite
des Kühlkörpers angeordnet
sind.
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Mit
der Erfindungsgemäßen Ausgestaltung des
Indium-Targets gelingt es erstmalig, eine besonders gute Kühlleistung
insbesondere durch die Aussparungen in Verbindung mit den Kühlkanälen außerhalb
des Kühlkörpers bereitzustellen.
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Daraus
resultiert die Möglichkeit,
Indium-Targets ultrafeinkörnigem
Gefüge
herzustellen. Darüber hinaus
erlaubt die Gestaltung der Aussparungen im Kühlkörper in Verbindung mit der
Kühlleistung
eine wesentlich bessere Ausnutzung der Targets, d. h. eine signifikante
Erhöhung
der Standzeit.
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In
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung sind die Seitenwände der
Aussparung treppenförmig abgestuft
und zwar derart, dass die Mittellinie der Abstufungen die Form des
Sputtergrabens abbildet und wobei zwischen zwei Aussparungen ein
Steg ausgebildet wird. Damit wird die Form der Sputtergräben angenähert realisiert,
was bei verringertem Aufwand zu nahezu dem gleichen Ergebnis führt.
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Die
Aussparungen im Kühlkörper können spanabhebend,
insbesondere durch Fräsen
oder durch Formfräsen
hergestellt werden.
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Weiterhin
weisen die Kühlkanäle einen
rechteckigen Querschnitt auf und sind mit der größtmöglichen Fläche mit dem Kühlkörper fest
verbunden.
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Schließlich ist
es von Vorteil, wenn die Kühlkanäle, der
Kühlkörper und
der Gießrahmen
aus dem gleichen gut wärmeleitenden
Material, wie Kupfer, bestehen. Auf diese Weise werden z. B. während des Aufheizvorganges
sonst zu befürchtende
Verwerfungen infolge thermischer Spannungen vermieden.
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Das
ist umso wichtiger, da bei der Länge
der Indium-Targets bereits geringste Verwerfungen zu Schwierigkeiten
beim Gießen
führen
würden,
da der Gießvorgang
eine absolut horizontale Planlage des Kühlkörpers und des Gießrahmens
voraussetzt.
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Im
Interesse eines guten Wärmeüberganges sind
die Kühlkanäle, die
sich über
die gesamte Länge des
Kühlkörpers erstrecken
und mindestens in zwei Teilkreisläufe aufgeteilt sind mit diesem
verlötet,
wobei der Kühlwasserzu-
und Ablauf in der Mitte zwischen den beiden Kühlkreisläufen angeordnet ist.
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Die
erfindungsgemäß ausgestatteten
Indium-Targets können
vorteilhaft für
die Abscheidung von Indium auf Substraten durch Sputtern mit äußerst hoher
Schichtqualität
für CIGS-Anwendungen, also
für die
Herstellung halbleitender Schichten in der Solartechnik verwendet
werden.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch eine Anordnung
zum Herstellen von Ultra-feinkörnigen
Indium-Targets gelöst, bei
der auf einer Heizbank mit stabilem Unterbau ein mit Vertiefungen
und auf dessen Unterseite aufgelöteten Kühlkanälen mit
größtmöglichem
Querschnitt versehener Kühlkörper positioniert
ist, der durch einen Gießrahmen
umgeben wird, wobei der Kühlkörper und
die Kühlkanäle aus dem
gleichen gut wärmeleitfähigen Material
bestehen, wobei die Kühleinrichtung mit
einem Kühlkreislauf
verbindbar ist und wobei die Heizbank mit formschlüssig in
diese eingefügten
und längs
verschieblichen Heizelementen zur Ausbildung eines Temperaturprofiles
mit homogener Temperaturverteilung über die Länge des Kühlkörpers versehen ist.
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Die
Kühlkörper, die
Kühlplatte
und der Gießrahmen
bestehen aus Kupfer, wodurch eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit
gewährleistet
ist.
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Die
erfindungsgemäß mit gesteuertem
Abkühlprozess
hergestellten Indium-Targets sind zur Anwendung mit hoher Sputter-Leistung
besonders geeignet.
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Das
ist dadurch möglich,
dass solche Indium-Targets mit ultra-feinkörnigem Gefüge eine besonders geringe Neigung
zu Funkenentladungen (very low arcing) haben und Sputterraten mit
21,4 nm × m/min
mit > 1 W/cm2 bis 3 W/cm2 erlauben.
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Die
Geschwindigkeit der Abkühlung
der Indiumschmelze kann durch die Menge/Geschwindigkeit des Kühlmediums,
das durch die Kühlkanäle gepumpt
werden kann und durch dessen Temperatur mittels Steuerung der Temperatur
des Kühlmediums und
durch Steuerung der Pumpenleistung gesteuert werden.
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Durch
die Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit
ist es möglich,
ultra-feinkörnige
Indium-Targets herzustellen, die wiederum für den Schichtaufbau von Precursorschichten
auf Substraten durch Sputtern der Indiumschicht besonders geeignet
sind.
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Die
Precursorschichten können
dann später thermisch
in halbleitende CIGS-Schichten (Copper-Indium-Gallium-Di Selenid
(oder CIS-Schwefel)-Schichten) für
Solarzellen umgewandelt werden.
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Durch
die infolge der Erfindung erheblich verbesserte Schichtqualität der Indium-Schicht
wird eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades der Solarzellen
insgesamt erreicht.
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Die
Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
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In
den zugehörigen
Zeichnungen zeigen:
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1:
eine Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäß ausgestatteten Indium-Targets
mit angedeuteten Sputtergräben;
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2:
ein verbrauchtes Indium-Target nach 1 mit Sputtergräben;
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3:
eine perspektivische Darstellung einer Heizbank zur Herstellung
von Indium-Targets.
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Das
erfindungsgemäße Target 1 besteht
aus einem flach ausgebildeten Kühlkörper 2,
der unterhalb der sich im Gebrauch der Indium-Targets 1 ausbildenden
und längs
desselben sich ausbildenden Sputtergräben 3, 4 unter
jedem derselben mit einer zu diesem im wesentlichen formkongruenten
in die Tiefe gehenden treppenförmigen
Aussparungen 5, 6 mit einem flachen Steg 7 dazwischen
versehen ist. In 1 sind die Sputtergräben durch
eine gestrichelte Linie angedeutet. Die Aussparungen 5, 6 sind
mit Indium 1.1 ausgefüllt
und zwar derart, dass auch der Rand 2.1 des Kühlkörpers 2 mit
Indium überdeckt wird.
Die für
die Herstellung der Indium-Targets 1 als auch die für deren
Gebrauch notwendige Kühleinrichtung
besteht aus mit dem Kühlkörper 2 verbundenen
Kühlkanälen 8 mit
rechteckigem Querschnitt, wobei die Kühlkanäle 8 auf der Unterseite
des Kühlkörpers 2 angeordnet
sind.
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Wesentlich
ist, dass die Aussparungen 5, 6 während des
Gebrauchs der Indium-Targets 1 und dem dabei auftretenden
Verschleiß durch
die Ausbildung der Sputtergräben 3, 4 diese
möglichst
eng umschließen.
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Der
Kühlkörper 2 und
die Kühlkanäle bestehen
aus Kupfer und sind im Interesse eines guten Wärmeübergangs durch Löten miteinander
verbunden.
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Mit
der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des
Indium-Targets 1 gelingt es erstmalig, eine besonders gute
Kühlleistung
insbesondere durch die Aussparungen 5, 6 in Verbindung
mit den Kühlkanälen 8 außerhalb
des Kühlkörpers 2 bereitzustellen.
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Somit
können
Indium-Targets 1 mit ultra-feinkörnigem Gefüge hergestellt werden. Darüber hinaus erlaubt
die Gestaltung der Aussparungen 5, 6 im Kühlkörper 2 in
Verbindung mit der Kühlleistung
eine wesentlich bessere Ausnutzung der Indium-Targets 1, woraus eine signifikante
Erhöhung
der Standzeit resultiert. Damit können auch gleichzeitig die
Kosten reduziert werden.
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In
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung sind die Seitenwände der
Aussparung treppenförmig abgestuft
und zwar derart, dass die Mittellinie der Abstufungen die Form des
Sputtergrabens abbildet und wobei zwischen zwei Aussparungen ein
Steg ausgebildet wird. Damit wird die Form der Sputtergräben angenähert realisiert,
was bei verringertem Aufwand zu nahezu dem gleichen Ergebnis führt.
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Die
Aussparungen im Kühlkörper können spanabhebend,
insbesondere durch Fräsen
oder durch Formfräsen
hergestellt werden.
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Weiterhin
weisen die Kühlkanäle einen
rechteckigen Querschnitt auf und sind mit der größt möglichen Fläche mit dem Kühlkörper fest
verbunden.
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Schließlich ist
es von Vorteil, wenn die Kühlkanäle 8,
der Kühlkörper 2 und
der Gießrahmen 9 aus
dem gleichen gut Wärme
leitenden Material, wie Kupfer, bestehen. Auf diese Weise können während des
Aufheizvorganges sonst zu befürchtende Verwerfungen
infolge thermischer Spannungen vermieden werden.
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Das
ist umso wichtiger, da bei der Länge
der Indium-Targets 1 bereits geringste Verwerfungen zu Schwierigkeiten
beim Gießen
führen
würden,
da der Gießvorgang
eine absolut horizontale Planlage des Kühlkörpers 2 und des Gießrahmens 9 über die
gesamte Länge
voraussetzt.
-
Im
Interesse eines guten Wärmeüberganges sind
die Kühlkanäle 8,
die sich über
die gesamte Länge
des Kühlkörpers 2 erstrecken
und mindestens in zwei nicht dargestellte Teilkreisläufe aufgeteilt
und sind mit diesem verlötet,
wobei der Kühlwasserzu- und
Ablauf in der Mitte zwischen den beiden Kühlkreisläufen angeordnet ist.
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Die
Anordnung zum Herstellen von ultra-feinkörnigen Indium-Targets besteht aus
einer Heizbank 10 (3) mit stabilem
Unterbau 12, auf dem der Kühlkörper 2 aufliegt. Weiterhin
wird der Kühlkörper 2 durch
den Gießrahmen 9 dicht
schließend
umgeben. Wesentlich ist, dass der Kühlkörper 2 und der Gießrahmen 9 absolut
horizontal auf der Heizbank 10 aufliegen. Die Kühlkanäle 8 der
Kühleinrichtung
des Kühlkörpers 2 sind
mit einem nicht dargestellten Kühlkreislauf
verbunden.
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Weiterhin
befinden sich in der Heizbank 10 unterhalb des Kühlkörpers 2 eine
Heizvorrichtung 11 mit formschlüssig längs verschiebbar in diese eingelegten
Heizelementen zur Ausbildung eines Temperaturprofiles mit möglichst
homogener Temperaturverteilung über
die Länge
des Kühlkörpers 2 versehen
ist.
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Der
Kühlkörper 2,
die Kühlkanäle 8 und
der Gießrahmen 11 bestehen
aus Kupfer, wodurch eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit gewährleistet ist.
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Zum
Herstellen von ultra-feinkörnigen
Indium-Targets 2 wird die Heizbank 10 mit aufliegendem Kühlkörper 2 auf
Gießtemperatur
aufgeheizt und flüssiges
Indium 1.1 in den Gießrahmen 11 gefüllt. Unmittelbar
nach Beendigung des Gießprozesses
und eine Beruhigungszeit wird vorgewärmtes Wasser durch die Kühlkanäle 8 gepumpt
und eine computergesteuerte schnellstmögliche Abkühlung des Kühlkörpers 2 durch Steuerung
von Menge und Geschwindigkeit des durch die Kühlkanäle 8 gepumpten Wassers
durch Steuerung der Pumpenleistung realisiert. Erreicht wird die
schnellstmögliche
Abkühlung durch
die rechteckigen Kühlkanäle 8 in
Verbindung mit der erfindungsgemäßen Gestaltung
des Querschnitts des Kühlkörpers 2.
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Die
erfindungsgemäß mit gesteuertem
Abkühlprozess
hergestellten Indium-Targets 1 sind zur Anwendung mit hoher
Sputter-Leistung besonders geeignet.
-
Das
ist dadurch möglich,
dass solche Indium-Targets 1 mit ultra-feinkörnigem Gefüge eine
besonders geringe Neigung zu Funkenentladungen (very low arcing)
haben und Sputterraten mit 21,4 nm × m/min mit > 1 W/cm2 bis
3 W/cm2 erlauben.
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Die
Geschwindigkeit der Abkühlung
der Indiumschmelze kann durch die Menge/Geschwindigkeit des Kühlmediums,
das durch die Kühlkanäle 8 gepumpt
wird und durch dessen Temperatur mittels Steuerung der Temperatur
des Kühlmediums
und durch Steuerung der Pumpenleistung gesteuert werden.
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Durch
die Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit
und die besondere Gestaltung des Querschnitts des Kühlkörpers 2 sowie
der Anordnung Kühlkanäle 8 mit
größt möglichem
Querschnitt ist es möglich,
ultra-feinkörnige
Indium-Targets herzustellen, die wiederum für den Schichtaufbau von Precursorschichten
auf Substraten durch Sputtern der Indiumschicht besonders geeignet
sind.
-
Die
Precursorschichten können
dann später thermisch
in halbleitende CIGS-Schichten (Copper-Indium-Gallium-Di Selenid
(oder CIS-Schwefel)-Schichten) für
Solarzellen umgewandelt werden.
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Durch
die infolge der Erfindung erheblich verbesserte Schichtqualität der Indium-Schicht
wird eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades der Solarzellen
insgesamt erreicht.
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- 1
- Indium-Target
- 1.1
- Indium
- 2
- Kühlkörper
- 2.1
- Rand
- 3
- Sputtergraben
- 4
- Sputtergraben
- 5
- Aussparung
- 6
- Aussparung
- 7
- flacher
Steg
- 8
- Kühlkanal
- 9
- Heizbank
- 10
- Heizvorrichtung