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Vorrichtung zur Messung von Lageabweichungen
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung von Lageabweichungen
eines in einer Ebene angeordneten Gegenstandes, insbesondere eines Halbleiterplättchens
in Bezug auf eine in der -Gegenstandsebene vorgegebene Sollposition.
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In der Ralbleitertechnik werden die Verbindungen zwischen den Elektroden
eines Halbleiterplättchens und äußeren Zuleitungen häufig durch dünne Zwischendrähte
hergestellt. Hierzu werden die Halbleiterplättchen auf eine geeignete Unterlage,
beispielsweise ein Systemträgerband aufgebracht und die dünnen Zwischen#rähte auf
den Elektroden und entsprechenden Stellen der Unterlage befestigt. Bei der Kontaktierung
der Zwischendrähte, die meist durch Thermokompression oder Ultraschallschweißen
vorgenommen wird, müssen das Halbleiterplättchen und das Kontaktiergerät sehr genau
zueinander ausgerichtet werden. Dieses Ausrichten bereitet auf Grund der geforderten
engen Toleranzen erhebliche Schwierigkeiten.
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Es ist bekannt, das Halbleiterplättchen und das Y#ontaktiergerät
mit Hilfe eines sog. Mikromanipulators zueinander auszurichten (DT-OS 2 108 692).
Dieses manuelle Ausrichten erfordert jedoch einen verhältnismäßig hohen Zeitaufwand
und stellt außerdem eine potentielle Fehlerquelle dar.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung
zu schaffen, welche mit hoher Genauigkeit Tageab weichungen eines Gegell.stalldes
in Bezug auf eine vorgegebene
Sollposition rasch und selbsttätig
mißt, so daß auf Grund der Meßergebnisse die Ausrichtung selbsttätig vorgenommen
werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art vorgeschlagen, welche gekennzeichnet ist durch eine Abbildungsoptik zur reellen
Abbildung des Gegenstandes oder eines Teiles des Gegenstandes in mindestens eine
zur Gegenstandsebene konjugierte Bildebene, mindestens zwei Photodiodenzeilen, die
in der Bildebene oder den Bildebenen derart angeordnet sind, daß sie in Bezug auf
die Bildebene bzw.-die zur Deckung gebrachten Bildebenen nicht parallel ausgerichtet
sind und durch eine an die Photodiodenzeilen angeschlossene Auswertelogik.
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Die gemäß der Erfindung ausgebildete Vorrichtung ist über dem Gegenstand,
dessen Lageabweichungen gemessen werden sollen, angeordnet, so daß der Gegenstand
zumindest bereichsweise in mindestens eine Bildebene abgebildet wird. Die Anzahl
der aktivierten Photodioden, der in der Bildebene oder den Bildebenen angeordneten
Photodiodenzeilen, zeigt die Lage der Abbildung und damit auch die Lage des Gegenstandes
an.-Die Lage wird also berührungslos gemessen, so daß durch den Meßvorgang keine
Lageveränderungen oder Beschädigungen hervorgerufen werden können. Da die Photodiodenzeilen
kein Einechwingverhalten aufweisen, kann bei entsprechender Auswertelogik die Messung
innerhalb von wenigen Millisekunden durchgeftilirt werden. Damit eine eindeutige
Zuordnung möglich ist, muß ein kontrastreicher in seiner Lage genau festliegender
Parb-oder Helligkeitsübergang auf der Oberfläche des Gegenstandes für die Messung
herangezogen werden. Auf der Oberfläche eines Halbleiterplättchens bieten sich hierfür
beispielsweise die vorhandenen Kanten zwischen den Aluminiumbereichen und den
Silizium-
bzw. Siliziumoxidbereichen an. Bei anderen Gegenständen können auch scharfe Außenkanten
oder zuvor auf die Oberfläche aufgebrachte Markierungen für die Messung benutzt
werden. Die Genauigkeit der Messung ist hierbei lediglich von der Güte der Kontrastkanten
und dem Rastermaß der in einer Photodiodenzeile angeordneten einzelnen Photodioden
abgängig. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß die Vorrichtung mit einem
verhältnismäßig großen Abstand über dem Gegenstand angeordnet werden kann. Der hierdurch
geschaffene freie Raum ermöglicht die Durchführung eines Bearbeitungsvorganges am
Ort der Messung. Zusätzliche Toleranzen durch Weiterbeförderung werden somit vermieden.
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Vorzugsweise sind zwei Photodiodenzeilen senkrecht zueinander ausgerichtet,
so daß die gemessenen Lageabweichungen unmittelbar in kartesischen Koordinaten angegeben
werden können. Die Ausrichtung durch achsparalleles Verschieben eines Koordinatentisches
oder eines Werkzeuges wird hierdurch wesentlich erleichtert. Sind drei Photodiodenzeilen
vorgesehen und zwei dieser Photodiodenzeilen parallel zueinander ausgerichtet, so
können mit geringem zusätzlichen Aufwand auch Winkeldrehungen eines Gegenstandes
gemessen werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind zwei Bildebenen vorgesehen, wobei in jeder Bildebene mindestens eine Photodiodenzeile
angeordnet ist.
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Für die Anordnung und Ausrichtung der Photqdiodenzeilen werden hierdurch
zusätzliche Preiheitsgrade erschlossen, was insbesondere bei der Messung sehr kleiner
Gegenstände von Vorteil ist. So können die Photodiodenzeilen beispielsweise derart
angeordnet werden, daß sie sich in Bezug auf den abge bildeten Gegenstand jiberkreuzen.
Diese Vorteile ergeben sich auch bei einer weiteren alternativen Ausführrn#sform,
bei welcher drei Bildebenen vorgesehen sind und bei welcher in
jeder
Bildebene eine Photodiodenzeile angeordnet ist.
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Besitzt die Abbildungsoptik ein vergrößerndes Objektiv, so kann die
Genauigkeit der Messungen erheblich gesteigert werden. So können beispielsweise
bei 100-facher Vergrößerung der Abbildung bzw. Abbildungen und handelsüblichen Photodiodenzeilen
mit einem Rasterabstand von 0,1 mm Bageabweichungen im/um-Bereich ohne Schwierigkeiten
gemessen werden.
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Vorzugsweise besitzt die Abbildungsoptik einen Vertikalilluminator
zur Auflichtbeleuchtung des Gegenstandes. Mit Hilfe des Vertikalilluminators kann
der Gegenstand senkrecht von oben her durch das Objektiv hindurch beleuchtet werden.
Diese Beleuchtung in Richtung der optischen Achse gewahrleistet eine schattenfreie
Ausleuchtung des Gegenstandes, so daß Behlmessungen, die z.B. durch "Schlagschatten"
entstehen können, vermieden werden.
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Nach einem zusätzlichen Merkmal der Erfindung sind die Photodiodenzeilen
verschiebbar angeordnet. Die Abbildung des Gegenstandes und-die Photodiodenzeilen
sind somit relativ zueinander Justierbar, wodurch eine Einstellung der Vorrichtung
auf verschieden große oder verschieden geformte Gegenstände ermöglicht wird.
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Vorzugsweise sind in der Auswertelogik den Photodiodenzeilen Schwellwertschalter
mit einstellbarem Spannungspegel zugeordnet. Die von den einzelnen Photodioden einer
Photodiodenzeile- abgegebenen der Beleuchtungsstärke analogen Spannungen können
mit Hilfe dieser Schwellwertschalter eindeutig dem eingestellten Spannungspegel
zugeordnet werden. Der Spannungspegel wird hierzu so eingestellt, daß er ungefähr
in der Mitte des an der gewählten Kontrastkante auftretenden Spannungsanstieges
liegt. Durch Reflexionsschwankungen oder Helligkeitsschwankungen verursachte Spannungsschwankungen
können die
Meßergebnisse nicht oder nur geringfügig verfa#lschen,
sofern der eingestellte Spannungspegel erreicht oder tberschritten wird.
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Der Auswertelogik können Digital-Analog-Wandler nachgeschaltet sein,
welche die gemessenen Lageabweichungen als analoge Spannung ausgeben. In-Verbindung
mit einem Koordinatentisch mit Wegaufnehmer kann dann durch Soll-Istwert-Vergleich
der Koordinatentisch in die gemessene Sollposition gesteuert werden.
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Im folgenden werden an Hand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der
Erfindung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 eine Vorrichtung zur Messung von Lageabweichungen
mit einer Bildebene, Figur 2 eine Vorrichtung mit zwei Bildebenen, Figur 3 eine
Vorrichtung mit drei Bildebenen, Figur 4 den Datenfluß innerhalb der Vorrichtung
in Form eines Blockschaltbildes, Figur 5 und 6 Spannungsdiagramme der von den in
Figur 4 dargestellten Photodiodenzeilen.
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Einander entsprechende Bauteile sind in den einzelnen Figuren durch#die
gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
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In Figur 1 ist eine Vorrichtung dargestellt, welche die Lageabweichungen
eines in einer Gegenstandsebene 1 angeordneten Gegenstandes, z.B. eines Halbleiterplättchens
2 mißt. Die schematisch dargestellte Vorrichtung besteht aus einem Tubus 3, dessen
unterem Ende ein ObJektiv 4 und an dessen oberem Ende eine zur Gegenstands ebene
1 konjugierte Bildebene 5 angeordnet sind. In einem vom Tubus 3 abzweigenden Seitentubus
6 ist eine Lichtquelle 7 angeordnet, deren Licht zeitlich in den Tubus 3 eingeführt
und über einen halbdurchlässigen Spiegel 8 durch das ObjeRtis 4 geworfen
wird.
Die Lichtquelle 7 und der halbdurchlässige Spiegel 8 bilden somit einen Vertikalilluminator
zur Auflichtbeleuchtung des Halbleiterplättchens 2, wobei der Strahlengang durch
Pfeile 9 dargestellt ist. Das vom Halbleiterplättchen 2 reflektierte Licht 10 erzeugt
über das Objektiv 4 in der Bildebene 5 ein vergrößertes reelles Bild des Halbleiterplättchens
2. In der Bildebene 5 sind im Bildbereich zwei senkrecht zueinander ausgerichtete
Photodiodenzeilen 11 und 12 so angeordnet, daß sie Kontrastlinien bzw. Kontrastkanten
des Halbleiterplättchens 2 erfassen. Werden die Spannungspegel der einzelnen Photodioden
der Photodiodenzeilen 11 und 12 in Richtung auf das Zentrum des Halbleiterplättchens
2 nacheinander mit einem zuvor eingestellten Schwellwert verglichen, so zeigen jeweils
die ersten Photodioden, die einen höheren Spannungspegel aufweisen, die Lage der
entsprechenden Kontrastlinie bzw. Kontrastkante an. Die Abweichungen der Kontrastlinien
bzw Kontrastkanten von einer vorgegebenen Sollposition entsprechen den Lageabweichungen
des Halbleiterplättchens 2. Zur Ermittlung dieser Lageabweichungen dient eine Auswertelogik
13s der von den Photodiodenzeilen 11 und 12 ausgehende Videosignale zugeführt werden,
wie es durch die Pfeile 14 und 15 angedeutet ist. Die Ausgabe der in zwei zueinander
senkrechten Richtungen gemessenen Lageabweichungen des Halbleiterplättchens 2 erfolgt
durch digitale Signale 16 und 17.
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Über eine in der Bildebene 5 parallel zur Photodiodenzeile 11 angeordnete
dritte Photodiodenzeile, die in der Zeichnung durch die Photodiodenzeile 11 verdeckt
ist, können auch Winkeldrehungen des Halb#eiterplättchens 2 erfaßt werden. In diesem
Fall erhält die Auswertelogik 13 ein weiteres Videosignal, wie es durch die strichpunktierte
Linie 18 angedeutet ist. Die Ausgabe der genannten Winkeldrehung als digitales Signal
ist durch die strichpunlftierte Linie 19 dargestellt.
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Figur 2 zeigt eine Variante der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung.
Bei dieser Variante zweigt vom Tubus 3 ein Seitentubus 20 ab, an dessen Ende eine
zweite zur Gegenstandsebene 1 konjugierte Bildebene 21 angeordnet ist. Für die Strahlteilung
des vom Halbleiterplättchens 2 reflektierten Lichtes 10 ist im Schnittpunkt der
Achsen des Tubus 3 und des Seitentubus 20 ein halbdurchlässiger Spiegel 23 angeordnet.
Während die Photodiodenzeile 12 in der Bildebene 5 verbleibt, ist die Photodiodenzeile
11 bei dieser Variante In der Bildebene 21 angeordnet. Die senkrechte Ausrichtung
der beiden Photodiodenzeilen 11 und 12 zueinander ist in diesem Fall in Bezug auf
die zur Deckung gebrachten Bildebenen 5 und 21 zu sehen. Zur Messung von Winkeldrehungen
des Halbleiterplättchens 2 kann in der Bildebene 21 eine parallel zur Photodiodenzeile
11 ausgerichtete dritte PhotodidEnzeile angeordnet sein. Die Ermittlung der Lageabweichungen
über Videosignale 14, 15 und ggf. 18 erfolgt wie bei der in Figur 1 dargestellten
Vorrichtung.
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Figur 3 zeigt eine weitere Variante der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung.
Bei dieser Variante sind die Photodiodenzeilen 11 und 12 wie bei der in Figur 2
dargestellten Vorrichtung in Bildebenen 21 bzw. 5 angeordnet. Zusätzlich zweigt
jedoch vom Tubus 3 ein weiterer Seitentubus 25 ab, an dessen Ende eine dritte zur
Gegenstaiidsebene 1 konjugierte Bildebene 24 angeordnet ist. In dieser Bildebene
24 ist eine dritte Photodiodenzeile 25 angeordnet, die in Bezug auf die zur Deckung
gebrachten Bildebanen 21 und 24 parallel zur Photodiodenzeile 11 ausgerichtet ist.
Für die weitere Strahlteilung des vom Halbleiterplättchens 2 reflektierten Lichtes-10
ist im Schnittpulikt der Achsen des Tubus 3 und des SeitenS tubus 23 ein weiterer
halbdurchlässiger Spiegel 26 angeordnet. Damit das Halbleiterplättchen 2 mit gleicher
Beleuchtungsintensitat in die Bildebenen 5 21 und 24 abgebildet
wird,
ist im Seitentubus 23 vor der Bildebene 24 ein -Graufilter 27 angeordnet, dessen
Absorptionsfaktor dem Durchlässigkeitsfaktor des halbdurchlässigen Spiegels 22 entspricht.
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Die Ermittlung der Lageabweichungen des Halbleiterplättchens 2 über
Videosignale 14, 15 und 18 erfolgt wieder wie bei der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung.
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Figur 4 zeigt in Form eines Blockschaltbildes den Datenfluß innerhalb
der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zur Messung der Lageabweichungen eines Halbleiterplättchens
52 wird dieses vergrößert auf zwei Photodiodenzeilen 30 und 31 abgebildet, die parallel
zur y Achze bzw. zur x-Achse eines x, y- Koordinatensystems ausgerichtet sind. Da
die Außenkanten des Halbleiterplättchens als Bruchlinien für-die Messung nicht geeignet
sind, wird als Kontrastlinie ein auf dem Halbleiterplättchen vorhandener Übergang
von Silizium zu Aluminium gewählt, der in der Abbildung des Halbleiterplättchens
mit 32 bezeichnet ist.
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Die handelsüblichen Photodiodenzeilen 30 und 31 bestehen Jeweils aus
einer Anzahl von z.B. 128 integrierten Silizivm-Photodioden, wobei die einzelnen
Photodioden in einem Rastermaß von z.B. 100/um angeordnet sind. Zur Ansteuerung
der einzelnen Photodioden sind die Photodiodenzeilen 30 und 31 als monolithische
Bausteine ausgebildet, die in der Zeichnung nicht dargestellte 128-Bit-Schieberegister
enthalten. Die einzelnen Photodioden der Photodiodenzeilen 30 und 31 benötigen einen
Auflade- und Abtastimpuls und einen Dateneingangsimpuls, der nach 128 Aufladeimpulsen
auf das Schieberegister gegeben wird. Hierzu dienen Taktgeneratoren 33 bzw.
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34 mit einer Taktfrequenz von beispielsweise 200 kHz, deren Impulse
auf -die Diodenzeilen 30 bzw. 31 gegeben werden. Von den Photodiodenzeilen 30 und
31 ausgehende Videosignale werden, wie es durch die Pfeile 35 und 36 angedeutet
ist, jeweils einer Erkennungslogik 37 bzw. 38 zugeführt. Die Videosignale
35
und 36 bestehen aus einer Aneinanderreihung der von den einzelnen Photodioden der
Photodiodenzeilen 30 und 31 abgegriffenen analogen Spannungen. In der Erkennungslogik
37 werden die analogen Spannungen der Photodiodenzeile 30 mit Hilfe eines Schwellwertschalters
einem einstellbaren Spannungspegel zugeordnet. Sobald dieser Spannungspegel bei
Erreichen der Kontrastlinie 32 überschritten wird, wird über ein Stoppsignal 39
ein vom Taktgenerator 33 angesteuerter Zähler 40 stillgesetzt. Das vom Zähler 40
ausgegebene digitale Signal 41 stellt ein Maß für die Lage der Kontrastkante 32
in y-Richtung dar. In gleicher Weise wird in der Erkennungslogik 38 bei Erreichen
der Kontrastlinie 32 über einen entsprechenden Schwellwertschalter ein Stoppsignal
42 ausgelöst, das einen vom aktgenerator 34 angesteuerten Zähler 43 stillsetzt.
Das vom Zähler 43 ausgegebene digitale Signal 44 stellt ein Maß für die Lage der
Kontrastlinie 32 in x-Richtung dar. Die digitalen Signale 41 und 44 werden über
Digital-Analog-Wandler 45 bzw. 46 in analoge Spannungen umgewandelt, die mit Uys
bzw.
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Uxs bezeichnet sind. Mit Hilfe dieser analogen Spannungen Uys und
Uxs erfolgt die Steuerung eines Koordinatentisches 47, so daß das auf ihm- angeordnete
Haibleiterplättchen 48 die vorgegebene Sollposition einnimmt. Hierzu ist der Koordinatentisch
47 in y-Richtung und in x-Richtung mit Wegaufnehmern 49 bzw. 50 gekoppelt, welche
ihrer Lage proportionale Spannungen UYW bzw. Uxw abgeben. Der Koordinatentisch 47
wird dann in y-Richtung und in x-Richtungr so verfahren, bis Uyaz = Uys und Uxw
= Uxs ist und über Soll/Istwert-Vergleieher 53 und 54 Stopp-Signale 55 bzw. 56 für
die Stellmotoren 51 bzw. 52 ausgelöst werden. Nach Auslösung der Stopp-Signale 55
und 56 nimmt das Halbleiterplättchen 48 die über seine Kontrastlinien 32 ermittelte
Sollposition ein.
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Figur 5 zeigt ein Spannungsdiagramm der in Figur 4 in x-Richtung angeordneten
Photodiodenzeile (Position 31). Auf der Abszisse sind in steigender Folge die einzelnen
Photodioden
der Photodiodenzeile und auf der Ordinate die von den
einzelnen Photodioden abgegebenen Spannungen Uxs aufgetragen.
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Die parallel zur Abszisse verlaufende strichpunktierte Linie gibt
den einstellbaren Spannungspegel Up eines Schwellwertschalters an. Wird die von
den einzelnen Photodioden der Photodiodenzeile abgegebene Spannung Uxs in Abfragerichtung
Ax mit dem eingestellten Spannungspegel Up verglichen, so gibt nx1 die Nummer derjenigen
Photodiode an, auf welche die Kontrastlinie (Figur 4 Position 32) zwischen Silizium
und Aluminium abgebildet ist. Ist mit nxO diejenige Photodiode bezeichnet, welcher
die Kontrastlinie zugeordnet ist, wenn das Halbleiterplättchen seine vorgegebene
Sollposition einnimmt, so beträgt die in x-Richtung gemessene Lageabweichung Lx
= (nx1 - nxO) . R, wobe »i das Rastermaß der Photodiodenzeile bezeichnet ist.
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Figur 6 zeigt in entsprechender Weise ein Spannungsdiagramm der in
Figur 4 in y-Richtung angeordneten Photodiodenzeile (Position 32). Die einzelnen
mit y bezeichneten Größen entsprechen den vorstehend genannten mit x.bezeichneten
Größen.
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Die in y-Richtlmg gemessene Lageabweichung beträgt Ly = (nya - nyO)
. R. Bei dem dargestellten Verlauf des Spannungsdiagramms tritt in y-Richtung keine
Lageabweichung auf, d.h. Ly = In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen
der Erfindung wurden geradlinie Photodiodenzeilen angegeben. Die Verwendung von
Bausteinen mit beliebig ausgebildeten bzw.
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angeordneten Photodiodenzeilen ist jedoch ebenfalls möglich.
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So können beispielsweise in einem Baustein zwei in L-Form angeordnete
Photodiodenzeilen mit einem gemeinsamen Ausgang vorgesehen sein. Die Verwendung
kreisförmiger Photodiodenzeilen kann für bestimmte Son<ierfälle,wie die Messung
von Verdrehungswinkeln,von Vorteil sein.
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10 Patentansprüche 6 Figuren