DE202016008727U1 - Gasmischung und Behandlungskammer - Google Patents
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Abstract
Gasmischung, umfassend oder bestehend aus Fluor in einem Bereich von gleich oder mehr als 20 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 40 % (Vol./Vol.), Stickstoff in einem Bereich von gleich oder mehr als 25 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 45 % (Vol./Vol.) und Argon in einem Bereich von gleich oder mehr als 25 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 45 % (Vol./Vol.), bezogen auf die Gesamtzusammensetzung von Fluor, Argon, Stickstoff und gegebenenfalls anderen Bestandteilen als 100 % (Vol./Vol.).
Description
- Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der
europäischen Anmeldung Nr. 15168904.9 - Behandlungskammern werden häufig zur Herstellung von Halbleitern, Flachbildschirmen oder Photovoltaikelementen verwendet. Die Herstellung umfasst im Allgemeinen Arbeitsabläufe wie Ätzen oder chemisches Gasphasenabscheidung eines Substrats, das sich während der Behandlung typischerweise auf einem in der Behandlungskammer bereitgestellten Träger befindet. Während der Herstellung von Halbleitern, Photovoltaikzellen, Dünnfilmtransistor (TFT) -Flüssigkristallanzeigen und mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) werden häufig aufeinanderfolgende Schritte der Abscheidung von Material, z. B. durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), auf einem Substrat in der Behandlungskammer durchgeführt. Während des Betriebs der jeweiligen Vorrichtung treten nicht nur Ablagerungen auf den Substraten auf, sondern beispielsweise auch auf den Innenwänden der Behandlungskammer. Eine regelmäßige Entfernung solcher Ablagerungen ist wünschenswert, um stabile und wiederholbare Abscheidungsergebnisse zu erhalten, und wird im Allgemeinen durch Ätzen der Ablagerungen mit einem Gas, das Fluoratome enthält, durchgeführt.
- NF3 wird in der Industrie häufig als Ätzgas verwendet. NF3 ist ein Treibhausgas mit einem globalen Erwärmungspotenzial (GWP), das im Vergleich über einen Zeitraum von 100 Jahren 17.200 mal höher ist als das von CO2. So wurden alternative Ätzgase vorgeschlagen, beispielsweise COF2 oder molekulares Fluor.
WO 2013/092770 offenbart ternäre Mischungen von Fluor, Stickstoff und Argon mit einem relativ geringen Gehalt an Argon in der Mischung. - Es besteht jedoch immer noch ein Bedarf an verbesserten Gasmischungen, die zur Reinigung von Behandlungskammern verwendet werden. Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Gaszusammensetzungen als Ätzgas zum Reinigen von Behandlungskammern zu identifizieren. Die Gasmischung der vorliegenden Erfindung führt vorteilhafterweise zu einer verbesserten Ätzrate der unerwünschten Ablagerungen in der Behandlungskammer, führt zu einer verkürzten Zeit des gesamten Reinigungsverfahrens, zu einer effektiveren Reinigung der Behandlungskammer, zu einer Verringerung des Verbrauchs von fluorhaltigem Ätzgas und/oder einem wirtschaftlicheren Reinigungsverfahren. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Gasmischung bereitzustellen, die NF3 als Ätzgas im Reinigungsverfahren wirksamer und leichter ersetzen kann.
- Diese und andere Aufgaben werden durch die Gasmischung gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht.
- Dementsprechend betrifft ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Gasmischung, die für ein Verfahren zum Reinigen der Behandlungskammer einer Vorrichtung, die zur Halbleiterherstellung verwendet wird, geeignet ist, wobei die Gasmischung Fluor in einem Bereich von gleich oder mehr als 20 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 40 % (Vol./Vol.), Stickstoff in einem Bereich von gleich oder mehr als 25 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 45 % (Vol./Vol.) und Argon in einem Bereich von gleich oder mehr als 25 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 45 % (Vol./Vol.), bezogen auf die Gesamtzusammensetzung von Fluor, Argon, Stickstoff und gegebenenfalls anderen Bestandteilen als 100 % (Vol./Vol.) umfasst oder daraus besteht. Vorzugsweise umfasst oder besteht die Gasmischung aus Fluor in einem Bereich von gleich oder mehr als 25 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 35 % (Vol./Vol.), Stickstoff in einem Bereich von gleich oder mehr als 25 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 35 % (Vol./Vol.) und Argon in einem Bereich von gleich oder mehr als 35 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 45 % (Vol./Vol.), bezogen auf die Gesamtzusammensetzung von Fluor, Argon, Stickstoff und gegebenenfalls anderen Bestandteilen als 100 % (Vol./Vol.). Mehr bevorzugt umfasst oder besteht die Gasmischung aus Fluor in einem Bereich von gleich oder mehr als 27,5 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 32,5 % (Vol./Vol.), Stickstoff in einem Bereich von gleich oder mehr als 27,5 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 32,5 % (Vol./Vol.) und Argon in einem Bereich von gleich oder mehr als 37,5 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 42,5 % (Vol./Vol.), bezogen auf die Gesamtzusammensetzung von Fluor, Argon, Stickstoff und gegebenenfalls anderen Bestandteilen als 100 % (Vol./Vol.). Genauer besteht die Gasmischung aus etwa 30 % (Vol./Vol.) Fluor, etwa 30 % Vol./Vol.) Stickstoff und etwa 40 % (Vol./Vol.) Argon.
- Vorzugsweise kann die Gasmischung nur aus Fluor, Stickstoff und Argon bestehen. Alternativ kann die Gasmischung andere Bestandteile wie Neon, Sauerstoff, Helium, N2O, NO oder Mischungen davon enthalten.
- Der Begriff „etwa“ soll bedeuten, dass die Bestandteile gemäß den oben angegebenen Prozentwerten in der Gasmischung vorhanden sind. Sie können jedoch auch in dem angegebenen Prozentsatz innerhalb einer Fehlergrenze vorhanden sein, die auf das technische Verfahren zur Herstellung der Gasmischungen zurückzuführen ist. Im Allgemeinen wird angenommen, dass diese Fehlergrenze bei +/- 0,5 % (Vol./Vol.) liegt.
- Das Verfahren für Behandlungskammern wird im Allgemeinen in verschiedenen Stufen durchgeführt. Zum Beispiel könnte ein geeignetes Verfahren für eine plasmagestützte Reinigung mindestens 4 verschiedene Stufen umfassen.
- Die erste Stufe ist die Zündstufe, in der das Plasma entzündet wird. Üblicherweise wird diese Zündstufe mit reinem Argon durchgeführt, da Argon bekanntermaßen sehr gut zum Entzünden von Plasma geeignet ist.
- Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass die erfindungsgemäßen Gasmischungen auch dazu verwendet werden können, die Plasmaquelle zu entzünden, ohne dass der Mischung weitere Argonmengen beigemischt werden. Somit kann der komplette Reinigungszyklus mit den erfindungsgemäßen Gasmischungen durchgeführt werden, ohne dass für die einzelnen Schritte zwischen verschiedenen Gasmischungen umgeschaltet werden muss.
- Die zweite Stufe ist die Vorreinigungsstufe. In dieser Stufe enthält das Ätzgas im Allgemeinen weniger fluorhaltiges Gas. Dies kann durchgeführt werden, wenn in bestimmten Teilen der Kammer relativ große Ablagerungen vorhanden sind. Um ein Überhitzen von Teilen der Kammer zu verhindern, werden diese großen Ablagerungen in dieser Vorreinigungsstufe mit einer milderen Gasmischung mit weniger Fluor geätzt.
- Die dritte Stufe ist die Hauptreinigungsstufe, wobei der Großteil der Ablagerungen aus der Behandlungskammer entfernt wird. Vorteilhafterweise ist die Hauptreinigungsstufe die längste Stufe im Reinigungsverfahren. Es könnte auch die Stufe sein, wobei das meiste Ätzgas verbraucht wird.
- Die vierte Stufe ist die Nachreinigungsstufe, in der im Allgemeinen ein Ätzgas mit einer niedrigeren Fluorkonzentration verwendet wird. In dieser Stufe werden etwaige Restablagerungen in weiter entfernten und weniger gut zugänglichen Teilen der Kammer geätzt.
- Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Gasmischung in mindestens einer der Reinigungsstufen eingesetzt. Besonders bevorzugt wird sie in der Hauptreinigungsstufe verwendet.
- Die Reinigung der Behandlungskammer wird im Allgemeinen bei relativ niedrigen Drücken durchgeführt; ein geeigneter Wert für die Hauptreinigungsstufe ist 4 Torr. Überraschenderweise wurde gefunden, dass die erfindungsgemäßen Gasmischungen wahrscheinlich aufgrund ihrer höheren Reaktivität noch geringere Drücke in der Kammer zulassen. Dementsprechend wird das Verfahren vorzugsweise bei einem Druck in der Kammer im Bereich zwischen 1 und 3,5 Torr durchgeführt, besonders bevorzugt bei einem Druck von etwa 3 Torr.
- Häufig ist das Reinigungsverfahren durch Plasma unterstützt. Plasma kann durch Anlegen einer Hochfrequenzspannung zwischen gegenüberliegenden Elektroden oder in einem Magnetron erzeugt werden, das Mikrowellen liefert, deren Frequenz im oberen Bereich von Radiofrequenzen liegt. Die elektromagnetischen Wellen erwärmen die Gasphase im Plasmareaktor. Es werden Atome mit hoher Reaktivität gebildet, z. B. F-Atome, die dann Material wegätzen und dabei flüchtige Reaktionsprodukte bilden. Überraschenderweise ermöglichen die erfindungsgemäßen Gasmischungen die Verwendung einer relativ niedrigen Frequenz, während ein stabiles Plasma aufrechterhalten wird. Dementsprechend ist eine andere Ausführungsform ein Verfahren, wobei das Verfahren unter Verwendung einer entfernten Plasmaquelle mit einer Frequenz von 100 KHz bis 1 GHz, vorzugsweise etwa 400 KHz, plasmagestützt ist.
- NF3 ist derzeit eines der am häufigsten verwendeten Ätzgase für die Kammerreinigung. Somit wäre es vorteilhaft, Gasmischungen bereitzustellen, die den Austausch von NF3 mit minimalen Modifikationen an der Vorrichtung und ihrer Abstimmung ermöglichen. Dies wird im Allgemeinen als „Drop-in“-Austausch bezeichnet. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäßen Gasmischungen nicht nur an für den Einsatz mit NF3 optimierten und/oder abgestimmten Vorrichtungen verwendet werden können, sondern sogar noch bessere Ergebnisse im Vergleich zu NF3 bereitstellen. Dementsprechend ist die erfindungsgemäße Gasmischung in einer anderen Ausführungsform für ein Verfahren geeignet, wobei die Vorrichtung für die Verwendung von NF3 als Ätzgas optimiert ist.
- Die beim Reinigungsverfahren zu entfernenden Ablagerungen umfassen anorganische Materialien wie Si, Si3N4, SiOxNy, wobei 0 < x ≤ 3 und 0 ≤ y ≤ 4 ist, SiO2, TaN, TiN oder W. Dementsprechend ist die erfindungsgemäße Gasmischung in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für ein Verfahren geeignet, wobei Si, Si3N4, SiOxNy, wobei 0 < x ≤ 3 und 0 ≤ y ≤ 4 ist, SiO2, TaN, TiN oder W, mehr bevorzugt SiO2, durch Ätzen mit dem Ätzgas entfernt wird.
- In einer weiteren Ausführungsform besteht die Gasmischung aus etwa 30 % (Vol./Vol) Fluor, etwa 45 % (Vol./Vol) Stickstoff und etwa 25 % (Vol./Vol) ) Argon oder die Gasmischung besteht aus 30 % (Vol./Vol) Fluor, 45 % (Vol./Vol) Stickstoff und 25 % (Vol./Vol) Argon.
- In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Behandlungskammer, die das erfindungsgemäße Gasgemisch enthält.
- Die erfindungsgemäßen Gasmischungen können leicht hergestellt werden, indem die gewünschten Mengen an Fluor, Argon und Stickstoff in eine Druckflasche kondensiert oder gepresst werden.
- Sollte die Offenbarung von Patenten, Patentanmeldungen und Veröffentlichungen, auf die hier Bezug genommen wird, mit der Beschreibung der vorliegenden Anmeldung in einem Maße in Konflikt stehen, in dem ein Begriff unklar wird, hat die vorliegende Beschreibung Vorrang.
- Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung detaillierter erläutern, sie sollen jedoch nicht den Umfang der Erfindung einschränken.
- Beispiele
- Bestimmung der Ätzraten:
- Die Ätzraten wurden in situ durch Reflektometrie unter Verwendung eines auf die Probe gerichteten 645-nm-Lasers bestimmt. Die Ätzrate wurde berechnet, indem die Dicke des Films durch die Zeit geteilt wurde, zu der der Entfernungsendpunkt erkannt wurde.
- Proben:
- Die Größe der Proben war ein 200-mm-Wafer. Das untersuchte Material wurde auf eine 150 nm thermische SiO2-Schicht für interferometrische Messungen abgeschieden. Die SiO2-Proben wurden auf Bulk-Silizium abgeschieden, da ihre optischen Eigenschaften interferometrische Messungen ermöglichen.
- Kammerreinigungsversuche bei Alta-CVD
- Die Versuche wurden an einem AltaCVD-Werkzeug mit einem Zweikammersystem mit dem Lader „Brooks VX400“ durchgeführt. Chamber PM2 wurde für dotierte/undotierte Poly-Si-Filme verwendet. Die Heizungstemperatur wurde auf 400 °C eingestellt, die Wandtemperatur betrug 55 °C.
- Eine entfernte MKS „Paragon“-Plasmaquelle, die für NF3 optimiert war, wurde mit einer Frequenz von 400 kHz verwendet. Die dissoziierten Ionen und Radikale dringen in die Kammer in der Nähe des Schlitzventils ein und strömen zwischen Heizung und Duschkopf. Die entfernte Plasmaquelle wurde gewöhnlich in Gegenwart von reinem Argon entzündet. Direkt nachdem sich das Plasma in einem stabilen Zustand befand, wurde die Fluor umfassende Gasmischung eingeführt.
- Die jeweilige Gasmischung wurde aus Gaszylindern mit der Größe 10 l in die Maschine abgegeben. Die Vorrichtung war mit einem digitalen Massedurchflussregler „Brooks GF 125“ ausgestattet, metallversiegelt, VCR geeignet für alle Arten von korrosiven Gasen.
- Ein Reinigungsverfahren wurde dann mit drei einzelnen Reinigungsschritten (Vorreinigung, Hauptreinigung und Nachreinigung) für eine ) kombinierte Zeit von 45 Sekunden durchgeführt.
- Beispiel 1 : Kammerreinigung mit verschiedenen F2/Ar/N2-Mischungen
- Ein 1-2 um dicker PETEOS-Film wurde auf 200-mm-Si-Substrate abgeschieden und die Dicke mit einem Spektrometer (OMT) / Ellipsometer (Tencor UV1280SE), 49 Punkte, 10-mm-Kantenausschluss, gemessen. Wafer wurden in die Kammer geladen. SiO2-Ätzraten wurden nach der Messung der Dicke des TEOS-Films nach dem Ätzen berechnet.
- Für jedes Beispiel wurde der Hauptreinigungsschritt (zweite Reihe) mit der reinen Ätzgasmischung durchgeführt, während die Vor- und Nachreinigungsschritte unter Zugabe von 1140 bzw. 850 sccm („Standardkubikzentimeter“) durchgeführt wurden. Die anderen Parameter (Schrittzeit t, Druck p und jeweilige Flussraten von Argon, Ätzgas und Gesamtgas) sind in der nachstehenden Tabelle angegeben.
- Beispiel 1a zeigt die erfindungsgemäße Mischung, während die Vergleichsbeispiele 1b und 1c mit Gasmischungen außerhalb des beanspruchten Bereichs durchgeführt wurden.
- Ergebnisse:
-
Beispiel 1 : F2/N2/Ar (30%/45%/25%) t p Ar Ätzgas Gesamt Ätzrate F-Gas [s] [Torr] [sccm] [sccm] [sccm] [nm/min] [g] 5 3 1140 450 1590 1343 12 3 0 1660 1860 12 4 850 930 1780 Beispiel 1a: F2/N2/Ar (30%/30%/40%) t p Ar Ätzgas Gesamt Ätzrate F-Gas [s] [Torr] [sccm] [sccm] [sccm] [nm/min] [g] 5 3 1140 450 1590 1253 0,30 12 3 0 1860 1860 12 4 850 930 1780 Vergleichsbeispiel 1b: F2/N2/Ar (30%/20%/50%) t p Ar Ätzgas Gesamt Ätzrate [s] [Torr] [sccm] [sccm] [sccm] [nm/min] 5 3 1140 450 1590 1127 12 3 0 1860 1860 12 4 850 930 1780 Vergleichsbeispiel 1c: F2/N2/Ar (30%/50%/20%) t p Ar Ätzgas Gesamt Ätzrate [s] [Torr] [sccm] [sccm] [sccm] [nm/min] 5 3 1140 450 1590 1098 12 3 460 1400 1860 12 4 1080 700 1780 - Die Ergebnisse zeigen, dass überraschenderweise die Ätzrate für die erfindungsgemäße Gasmischung F2/N2/Ar (30%/30%/40% jeweils Vol./Vol.) einen unerwarteten Maximalwert von 1253 nm/min zeigt und ein weiteres unerwartetes Maximum von 1343 nm/min für eine Gasmischung F2/N2/Ar (30%/45%/25% jeweils Vol./Vol.) zeigt. Eine Variation des Stickstoff- und Argongehalts unmittelbar außerhalb des beanspruchten Bereichs führt zu einer Abnahme der Ätzrate. Die erfindungsgemäße Gasmischung aus Versuch 1a führt zu Ätzraten, die um mehr als 10 % höher sind als das nächstbeste Ergebnis mit der Gasmischung aus Vergleichsversuch 1b.
- Vergleichsbeispiel 2: Kammerreinigung mit NF3/Ar-Mischungen
- Drei verschiedene Reinigungsverfahren wurden mit verschiedenen NF3/Ar-Mischungen durchgeführt, wie in der nachstehenden Tabelle gezeigt. Alle anderen Parameter waren mit den in Versuch 1 genannten identisch.
- Ergebnisse:
-
Vergleichsversuch 2 (NF3/Ar) t p Ar NF3 Gesamt SiO2-Rate F-Gas [s] [Torr] [sccm] [sccm] [sccm] [nm/min] [g] 5 3 1500 90 1590 1123 0,37 12 3 1500 360 1860 12 4 1600 180 1780 5 3 1500 90 1590 846 0,25 12 3 1620 240 1860 12 4 1660 120 1780 5 3 1500 90 1590 621 0,18 12 3 1700 160 1860 12 4 1700 80 1780 - Die Ergebnisse zeigen, dass die erfindungsgemäße Gasmischung aus Versuch 1a zu Ätzraten führt, die um mehr als 10 % höher sind als das nächstbeste Ergebnis mit der NF3/Ar-Gasmischung aus Vergleichsversuch 2. Außerdem ist der Verbrauch an Fluor (Berechnung auf der Grundlage des Gesamtgewichts der verbrauchten Fluoratome, letzte Spalte) im besten Ergebnis aus Vergleichsbeispiel 2 deutlich höher als bei der erfindungsgemäßen Mischung aus Versuch 1a.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- EP 15168904 [0001]
- WO 2013092770 A [0003]
Claims (9)
- Gasmischung, umfassend oder bestehend aus Fluor in einem Bereich von gleich oder mehr als 20 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 40 % (Vol./Vol.), Stickstoff in einem Bereich von gleich oder mehr als 25 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 45 % (Vol./Vol.) und Argon in einem Bereich von gleich oder mehr als 25 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 45 % (Vol./Vol.), bezogen auf die Gesamtzusammensetzung von Fluor, Argon, Stickstoff und gegebenenfalls anderen Bestandteilen als 100 % (Vol./Vol.).
- Gasmischung nach
Anspruch 1 , wobei die Gasmischung Fluor in einem Bereich von mehr als 25 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 40 % (Vol./Vol.), Stickstoff in einem Bereich von gleich oder mehr als 25 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 45 % (Vol./Vol.) und Argon in einem Bereich von gleich oder mehr als 25 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 45 % (Vol./Vol.), bezogen auf die Gesamtzusammensetzung von Fluor, Argon, Stickstoff und gegebenenfalls anderen Bestandteilen als 100 % (Vol./Vol.) umfasst oder daraus besteht. - Gasmischung nach
Anspruch 1 , wobei die Gasmischung Fluor in einem Bereich von mehr als 25 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 35 % (Vol./Vol.), Stickstoff in einem Bereich von gleich oder mehr als 25 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 45 % (Vol./Vol.) und Argon in einem Bereich von gleich oder mehr als 25 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 45 % (Vol./Vol.), bezogen auf die Gesamtzusammensetzung von Fluor, Argon, Stickstoff und gegebenenfalls anderen Bestandteilen als 100 % (Vol./Vol.) umfasst oder daraus besteht. - Gasmischung nach
Anspruche 1 , wobei die Gasmischung Fluor in einem Bereich von gleich oder mehr als 27,5 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 37,5 % (Vol./Vol.), Stickstoff in einem Bereich von gleich oder mehr als 25 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 45 % (Vol./Vol.) und Argon in einem Bereich von gleich oder mehr als 25 % (Vol./Vol.) bis gleich oder weniger als 45 % (Vol./Vol.), bezogen auf die Gesamtzusammensetzung von Fluor, Argon, Stickstoff und gegebenenfalls anderen Bestandteilen als 100 % (Vol./Vol.) umfasst oder daraus besteht. - Gasmischung nach
Anspruch 1 , wobei die Gasmischung aus etwa 30 % (Vol./Vol.) Fluor, etwa 45 % (Vol./Vol.) Stickstoff und etwa 25 % (Vol./Vol.) Argon besteht. - Behandlungskammer einer Vorrichtung zur Herstellung von Halbleitern, Flachbildschirmen oder Photovoltaikelementen, wobei die Behandlungskammer die Gasmischungen der
Ansprüche 1 bis5 enthält. - Behandlungskammer nach
Anspruch 6 , wobei der Druck in der Behandlungskammer im Bereich zwischen 133 und 467 Pa (1 und 3,5 Torr) liegt. - Behandlungskammer nach
Anspruch 6 oder7 , wobei die Behandlungskammer mit einer entfernten Plasmaquelle mit einer Frequenz von 100 kHz bis 1 GHz, vorzugsweise etwa 400 kHz gekoppelt ist. - Behandlungskammer nach einem der
Ansprüche 6 bis8 enthaltend ein anorganisches Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus amorphem Si, Si3N4, SiOxNy, wobei 0 < x ≤ 3 und 0 ≤ y ≤ 4 ist, SiO2, TaN, TiN und W, vorzugsweise SiO2.
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