DE4115680A1 - Geraet zum bestimmen der elektrischen eigenschaften von halbleitern - Google Patents
Geraet zum bestimmen der elektrischen eigenschaften von halbleiternInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Bestimmen der elektri
schen Eigenschaften von Halbeitern, und insbesondere zur
Bestimmung der Kenngrößen von Halbleiterplättchen mittels
einer Quecksilbersäule als einen der Kontakte.
Die Verwendung einer Quecksilbersäule als Berührungskontakt
für die Messung der elektrischen Kenngrößen eines Halbleiter
plättchens ist bekannt. Damit können Messungen wie beispiels
weise der Dotierungsdichte, Kapazität-Spannungs- und der
Strom-Spannung-Messungen vorgenommen werden. Hierbei bildet
der Quecksilbersäulen-Kontakt eine Alternative zur Verwendung
eines ständig anliegenden Kontakts, denn die Herstellung
letzterer ist zeitaufwendig und teuer.
In dem Werk "Silicon Epitaxial Wafer Profiling Using the
Mercury-Silicon Schottky Diode Differential Capacitance
Methods" von Philip S. Schaffer und Thomas R. Lally,
April 1983, ist unter der Überschrift "Solid State
Technology" auf den Seiten 229 bis 233 die Verwendung einer
Quecksilbersäule bei der Herstellung einer Schottky-Quecksil
berdiode zum Bestimmen von Dotierungsprofilen von Silizium-
Epitaxialplättchen beschrieben. In einem Beitrag "C-V Plot
ting, C-T Measuring and Dopant Profiling: Applications and
Equipment", Oktober 1980, von Peter S. Burggraaf ist unter
der Überschrift "Semiconductor International" auf den Seiten
29 bis 35 die Verwendung einer Quecksilbersäule mit unterem
Kontakt für Messungen wie auch der Kapazität-Spannungs- und
Kapazität-Zeit-Messungen beschrieben. In einem Beitrag
"Vacuum Operated Mercury Probe for C-V Plotting and
Profiling", August 1981, von Albert Lederman ist unter der
Überschrift "Solid State Technology" auf den Seiten 123 bis
126 die Verwendung von unten angeordneten Quecksilberkontak
ten zum Ersatz von Aluminium und für Kapazität-Spannungs-
Meßverfahren zum Bestimmen von Halbleitereigenschaften be
schrieben.
Die DE-PS 27 41 682 beschreibt ein Gerät für Kapazität-
Spannnungs-Messungen mittels einer oben angeordneten Queck
silbersäule, wobei das Quecksilber in einem sich senkrecht
über dem Halbleiterplättchen befindenden Kapillar aufgenommen
und der andere Kontakt eine polierte Oberfläche ist. Der un
tere Meniskus der Quecksilbersäule ist durch einen am oberen
Ende einwirkenden Unterdruck einstellbar.
Bei den gegenwärtig erhältlichen Quecksilbersonden, welche
unterhalb des Plättchens angeordnet sind und mit einem großen
Teil der Plättchenoberseite mechanischen Kontakt haben
müssen, können aber Probleme auftreten. Infolge von
Plättchenkontaminierung und Bewegung des Rückseitenkontakts
ist ein Vermessen des Plättchens mit diesen Instrumenten als
nicht praktisch anzusehen. Des weiteren weist die her
kömmliche Quecksilbersonde einen großen Quecksilberbehälter
auf, was in gesundheitlicher Hinsicht Probleme macht. Ebenso
können durch den üblicherweise verwendeten Rückseitenkontakt
mikroskopische Schäden am zu untersuchenden Halbleiter
plättchen verursacht werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diesen
Problemen abzuhelfen.
Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete
Gerät gelöst.
Dementsprechend findet eine oben angebrachte Quecksilbersäule
Anwendung, welche zur Berührung der Oberseite des Plättchens,
und zwar ohne Scheuern auf der Plättchenoberfläche, kinema
tisch gesteuert ist, was verminderte Verlustströme und eine
verbesserte Qualität der Schottky-Messungen durch verminderte
Kontaminierung und Oberflächenbeschädigung bedeutet. Entspre
chend der vorliegenden Erfindung wird das Plättchen durch ein
Kapillarröhrchen mit sehr niedrigen mechanischen Spannungen,
nämlich mit einem Druck von weniger als 70 mbar, berührt,
oder das Kapillarröhrchen kann, falls erwünscht, mit gerin
gem Abstand oberhalb der Plättchenoberfläche gehalten werden.
Dadurch werden die durch Verlustströme verursachten Fehler
weiter verringert. Durch den minimalen Oberflächenkontakt auf
beiden Seiten des Plättchens wird bei der vorliegenden Er
findung eine hohe Auflösung bei der Vermessung sowohl bei
Metalloxyd-Halbleitern als auch bei Schottky-Plättchen er
reicht.
Mittels einer Meßvorrichtung wird ein elektrischer Strom
durch das Halbleiterplättchen geschickt und die daraus re
sultierenden elektrischen Eigenschaften des Plättchens ge
messen. Diese Meßeinrichtung ist in Reihe mit den beiden
elektrischen Kontakten geschaltet.
Um auch bei Halbleiterplättchen mit einer Boden-Isolations
schicht eine Vermessung zu ermöglichen, weist die Vorrichtung
vorzugsweise einen zweiten oberseitigen Kontakt auf, welcher
zusammen mit dem ersten elektrischen Kontakt die Oberseite
des Halbleiterplättchens berührt. Dieser zweite oberseitige
Kontakt weist ein Kontaktelement mit flachem Boden und einer
darin verlaufenden Ringnut auf. Zur Aufnahme des Kapillar
röhrchens hat dieses Kontaktelement eine Öffnung. Durch eine
Evakuierungsvorrichtung wird ein Unterdruck in der Ringnut
erzeugt und somit ein guter mechanischer und elektrischer
Kontakt zwischen der Bodenfläche des Kontaktelements und der
oberen Fläche des Plättchens auf recht erhalten.
Vorzugsweise weist der zweite oberseitige Kontakt weiterhin
Mittel zur Selbstnivellierung und Anhebung auf, um die
Bodenfläche des Kontaktelements in Berührung mit der oberen
Fläche des Plättchens zu bringen, und zwar, wenn erwünscht,
bevor das Kapillarröhrchen in seine Endstellung bezüglich des
Plättchens gelangt ist. Diese Nivellierungs- und Anhebungs
vorrichtung weist einen am Kontaktelement in einer bestimmten
Stellung befestigten Gewindestift auf, welcher gleitend durch
eine Bohrung an einem am Kapillarröhrchen angebrachten
Flansch führt, wobei die Achse der Bohrung zur Achse des
Kapillarröhrchens parallel ist. Oberhalb des Flansches ist
eine Einstellmutter auf den Gewindestift aufgeschraubt, wel
che so eingestellt werden kann, daß je nach dem wie es gerade
erwünscht ist, eine Berührung zwischen der Bodenfläche des
Kontaktelements und der oberen Fläche des Plättchens zustande
kommt oder nicht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand
der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigt:
Fig. 1 das erfindungsgemäße Gerät in
Vorderansicht,
Fig. 2 das Kontaktelement zusammen mit
dem daran befestigten Gewindestift,
in Vorderansicht
Fig. 3 eine Untersicht des in Fig. 2
dargestellten Kontaktelements,
und
Fig. 4 eine Draufsicht des Flansches.
In Fig. 1 ist ein Gerät 10 zum Bestimmen der elektrischen
Eigenschaften eines Halbleiterplättchens 12 dargestellt. Das
Halbleiterplättchen 12 liegt auf einem Tisch 14 auf, der es
in einer bestimmten Position hält. Eine Quecksilbersonde 16
ist vorgesehen, um eine obere Fläche 18 des Halbleiter
plättchens 12 mit einer Quecksilbersäule 20 von oben her zu
berühren. Zur Aufnahme der Quecksilbersäule 20 weist die
Quecksilbersonde 16 ein Kapillarröhrchen 22 auf. Mittels
eines pneumatischen Druckgebers 24 wird die sich im Kapil
larröhrchen 22 befindliche Quecksilbersäule 20 mit Überdruck
oder Unterdruck beaufschlagt, wobei die Säule 20 in ihrer vom
Plättchen 12 abgehobenen Position mit Unterdruck und in ihrer
Meßposition mit einem Druck von beispielsweise 50 mbar beauf
schlagt ist. Dabei wird in einem Kapillargefäß mit 1, 6 mm
Fassungsvermögen nur etwa 0,8 g Quecksilber verwendet.
Zur Steuerung der Position des Kapillarröhrchens 22 bezüglich
der oberen Fläche 18 des Halbleiterplättchens 12 findet eine
im Handel erhältliche kinematisch stabile Positionierungsvor
richtung 26 Anwendung. Eine solche Positionierungsvorrichtung
ist beispielsweise auch in der US-PS 36 28 137 beschrieben.
Die Positionierungsvorrichtung 26 weist einen Arm 28 auf, an
welchem die Quecksilbersonde 16 mittels Schrauben 30 und
Muttern 32 befestigt ist. Der Arm 28 kann beispielsweise aus
rostfreiem Nickelstahl bestehen. Der Arm 28 ist in einem
Hebelstützpunkt 34 gelagert, wobei ein Hebelgewicht 36 zum
Beschweren der Sonde dient. Der Hebelstützpunkt 34 ist auf
einer Tragplatte 38 angeordnet, wobei zwischen dem Hebel
stützpunkt 34 und der Tragplatte 38 Lagerkugeln 62 vorgesehen
sind, welche in (nicht dargestellte) Vertiefungen im Hebel
stützpunkt 34 eingreifen.
Der Arm 28 wird pneumatisch über eine mit einer Gummimem
bran 44 versehene Druckkammer 42 angehoben bzw. gesenkt,
indem die Gummimembran 44 auf eine am hinteren Ende des
Arms 28 angeordnete Druckfläche 46 einwirkt. Die Druck
fläche 46 ist mit einem nicht dargestellten Drahtnetz ver
sehen. Beim Anheben des Arms 28 wird mittels Druckluft die
Membran 44 nach unten gegen das Drahtnetz der Druckfläche 46
gedrückt. Hierbei wird eine Hochleistungssteuerung des
Arms 28 durch eine Steuerung der Gewichtsverhältnisse am Arm
erreicht; siehe hierzu den Beitrag Inc. Technical Report
"Spreading Resistance Profiles in GaAs", von ASTM-F525 and
Solid State Measurements, Seite 7. Der Arm 28 wird insgesamt
von einem Sondengestell 48 getragen, welches auch zur An
passung der Höhe des Kapillarröhrchens 22 bezüglich des
Halbleiterplättchens geeignet ist. Hierbei wird durch eine
Feineinstellung 50 eine optimale Positionierung erreicht.
Eine optimale Stellung ist dann gegeben, wenn sich das
Kapillarröhrchen 22 auf gleicher Ebene wie das
Halbleiterplättchen oder etwas darüber (wie oben schon
erläutert) befindet.
Zur Drehung des Halbleiterplättchens bzw. zur horizontalen
Bewegung desselben jeweils gegenüber dem Kapillarröhrchen 22
ist eine entsprechende Bewegungsvorrichtung 52 vorgesehen,
welche einen Verdrehbereich 58 und einen Schlittenbereich 60
aufweist. Die Gestaltung des Drehbereichs 58, sowie des
Schlittenbereichs 60 sind allgemein bekannt. Beide Berei
che 58 und 62 sind mittels einer Montageplatte 62 aus
Aluminium miteinander verbunden. Das Halbleiterplättchen 12
ist auf den Tisch 14 mittels einer Saughaltevorrichtung 54
gehaltert, wobei zum Halten des Halbleiterplättchens 12 die
Haltevorrichtung 54 über einen Schlauch 56 evakuiert wird.
Eine erste elektrische Leitung 64 verbindet die Quecksilber
säule 20 mit einer Meßeinrichtung 68. Zwei weitere elektri
sche Leitungen 66a und 66b, von denen je nach Art des vor
liegenden Plättchens 12 jeweils nur eine zum Einsatz kommt,
führen vom Plättchen 12 zurück zur Meßeinrichtung 68, wodurch
der Stromkreis geschlossen ist. Die Meßeinrichtung 68 schickt
einen elektrischen Strom durch das Halbleiterplättchen 12 und
mißt die daraus resultierenden elektrischen Kennwerte. Die
Meßeinrichtung 68 kann hierbei in bekannter Weise ausgeführt
sein, beispielsweise wie in dem oben erwähnten Beitrag von
Peter S. Burggraf beschrieben.
Die Quecksilbersäule 20 wird durch den kinematisch gesteuer
ten Arm 26 auf das Halbleiterplättchen 12 auf gesetzt. Das
Kapillarröhrchen 22 ist mittels einer Rohrverschraubung durch
eine gerändelte Schraube 72 an einem Sondenkopf 70 befestigt,
durch welchen verhindert wird, daß das Quecksilber zum pneu
matischen Druckgeber 24 hin abfließen kann. Der Sondenkopf 70
ist in ein Anschlußstück 74 eingespannt, welches am Arm
ende 28 angeschraubt ist.
Im Falle, daß das Halbleiterplättchen 12 eine Isolations
schicht aufweist, durch welche beispielsweise die elektrische
Leitung 66a isoliert wird, kann die elektrische Leitung 66b
den Stromkreis zwischen dem Kontaktelement 78 und der Meßein
richtung 68 schließen. Hierbei wird durch einen bezüglich des
Plättchen 12 oberseitigen Doppelkontakt 76 die Möglichkeit
geschaffen, auch bei vorhandener unterseitiger Isolations
schicht die erforderlichen Messungen am Halbleiterplättchen
durchzuführen. Der oberseitige Doppelkontakt 76 wird nach
folgend mehr im einzelnen beschrieben.
Entsprechend der Fig. 3 hat der oberseitige Doppelkontakt 76
ein Kontaktelement 78, welches in seiner flachen Bodenflä
che 82 eine Ringnut 80 aufweist. Eine erste Öffnung 84 im
Kontaktelement 78 dient zur Aufnahme des Kapillarröhrchens
22. Durch eine Evakuiervorrichtung 86, welche in Strömungs
verbindung mit der Ringnut 80 steht, wird ein guter mechani
scher und elektrischer Kontakt zwischen der Bodenfläche 82
des Kontaktelements 78 und der oberen Fläche 18 des Halb
leiterplättchens 12 erzeugt.
Vorzugsweise ist das Kontaktelement 78 mit einer Selbst
nivellierungs- und Anhebvorrichtung 88 ausgestattet, um mit
der oberen Fläche 18 des Halbleiterplättchens 12 in Berührung
zu kommen, wenn das Kapillarröhrchen 22 in seine Endposition
bezüglich des Halbleiterplättchens gelangt. Diese Vorrich
tung 88 zur Selbstnivellierung und Anhebung weist einen in
den Fig. 1 und 2 erkennbaren Gewindestift 90 auf, welcher
mit dem Kontaktelement 78 verbunden ist. Desweiteren ist ein
in den Fig. 1 und 4 dargestellter Flansch 92 vorgesehen,
welcher zwei Bohrungen 94 und 95 hat. Hierbei verläuft die
Achse 96 der Bohrung 94 parallel zur Achse 98 des Kapillar
röhrchens 22, wobei die Öffnung 95 zur Aufnahme der Sonde 16
und die Öffnung 94 zur gleitenden Aufnahme des Gewinde
stifts 90 dient. Oberhalb des Flansches 92 ist eine Stell
mutter 100 auf den Gewindestift 90 auf geschraubt, wobei die
Stellmutter 100 so eingestellt werden kann, daß ein Kontakt
zwischen der Bodenfläche 82 des Kontaktelements 78 und der
oberen Fläche 18 des Halbleiterplättchens 12 zustande kommt
oder nicht.
Das Kapillarröhrchen 22 ist im Flansch 92 mittels einer
Feststellschraube 102 befestigt.
Soll das Kontaktelement 78 mit dem Halbleiterplättchen in
Berührung gebracht werden, so geschieht dies über die Eva
kuierungseinrichtung 86. Die Kontaktfläche des Kontaktele
ments 78 beträgt beispielsweise 0,024 cm2. Wenn dieses Kon
taktelement 78 zur Herstellung eines geschlossenen Strom
kreises nicht benötigt wird, wird es durch entsprechende
Einstellung der Stellschraube 100 oberhalb des Halbleiter
plättchens 12 gehalten. Demnach bietet die Vorrichtung 10 die
Wahlmöglichkeit, entweder den unterseitigen Kontakt mit der
elektrischen Leitung 66a oder das Kontaktelement 78 mit der
elektrischen Leitung 66b zu verwenden, und zwar je nach dem
welcher Halbleitertyp gerade vorliegt.
Mit der durch die vorliegende Erfindung geschaffenen Vor
richtung kann man Kapazitäts-Spannungs-Analyse an Metalloxyd-
Halbleitern durchführen, um die Oxyddicke und die Diodendo
tierung zu bestimmen. Auch eine vollständige Strom-Spannungs-
Analyse der Schottky-Elemente kann zur vorherigen Bestimmung
der Schottky-Kenngrößen durchgeführt werden. Ebenso können
Dotierungsprofile, der Idealfaktor, die Sperrschichtdicke und
Reihenwiderstände ermittelt werden. Desweiteren kann die Ka
pazitätsspannung der Schottky-Elemente mittels einer Analyse
nach jeweils ASTM-Verfahren, (Druckschrift 6B 42) mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt werden. Mit den vom
Prüfstück auf genommenen Daten können mittels dieser Analyse
Kurven der Fläche über dem spezifischen elektrischen Wider
stand oder von Ccom über dem spezifischen Widerstand gewonnen
werden. Der eigentliche spezifische elektrische Widerstand
des Prüfstücks kann dann durch schrittweise Annäherung anhand
der beiden Bezugskurven und durch Verarbeitung der Werte mit
tels der im ASTM-Dokument angeführten Gleichungen ermittelt
werden.
Das Kapillarröhrchen 22 kann so eingestellt werden, daß das
Röhrchen 0,08 mm oberhalb des Halbleiterplättchens endigt, so
daß das Halbleiterplättchen wirklich nur durch das Queck
silber berührt wird. Dadurch wird jede durch einen Kapillar
röhrchenkontakt verursache Kontaminierung oder Beschädigung
des Halbleiterplättchens vermieden. Dadurch werden wirklich
sämtliche Einschränkungen bezüglich der möglichen meßbaren
Oxyddicke von Metalloxyd-Halbleitern beseitigt und die Ein
heit der Oberfläche bei Schottky-Elementen wird aufrecht er
halten. Messungen nach diesem Verfahren und mit dem erfin
dungsgemäßen Gerät sind bis auf +/- 3% reproduzierbar.
Claims (5)
1. Gerät zur Bestimmung elektrischer Eigenschaften von
Halbleiterplättchen (12) mittels Quecksilberkontakt, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gerät aufweist:
Mittel (14) zum Halten des Halbleiterplättchens in einer be stimmten Stellung,
eine oberhalb des Halbleiterplättchens (12) angeordnete Quecksilbersonde (16) zum wahlweisen Berühren der oberen Fläche (18) des Halbleiterplättchens mit einer Quecksilber säule (20), wobei die Quecksilbersäule in einem Kapillarröhr chen (22) auf genommen ist,
einen pneumatischen Druckgeber (24) zum Beaufschlagen der Quecksilbersäule mit einem Über- oder Unterdruck,
einen kinematisch stabilen Positionierarm (26), an welchem die Quecksilbersonde (16) befestigt ist, wobei der Posi tionierarm zur Steuerung der Stellung des Kapilarröhrchens bezüglich der oberen Fläche (18) des Halberleiter plättchens (12) dient,
eine Bewegungsvorrichtung (52) zum Drehen des Halberleiter plättchens (12) bzw. zum Verschieben des Halbleiter plättchens (12) bezüglich des Kapillarröhrchens,
eine Meßeinrichtung (68), welche einen elektrischen Strom durch das Halbleiterplättchen (12) schickt und die daraus resultieren elektrischen Werte des Halbleiterplättchens (12) mißt,
eine elektrische Leitung (64) zwischen der Quecksilber säule (22) und der Meßeinrichtung (68),
weitere elektrische Verbindungsmittel (66a, 66b) zur Ver bindung der Meßeinrichtung (68) mit dem Halbleiterplätt chen (12) wobei der Stromkreis über die Meßeinrichtung (68), die Leitung (64), das Halbleiterplättchen (12) und eines der weiteren Verbindungsmittel (66a, 66b) geschlossen ist.
Mittel (14) zum Halten des Halbleiterplättchens in einer be stimmten Stellung,
eine oberhalb des Halbleiterplättchens (12) angeordnete Quecksilbersonde (16) zum wahlweisen Berühren der oberen Fläche (18) des Halbleiterplättchens mit einer Quecksilber säule (20), wobei die Quecksilbersäule in einem Kapillarröhr chen (22) auf genommen ist,
einen pneumatischen Druckgeber (24) zum Beaufschlagen der Quecksilbersäule mit einem Über- oder Unterdruck,
einen kinematisch stabilen Positionierarm (26), an welchem die Quecksilbersonde (16) befestigt ist, wobei der Posi tionierarm zur Steuerung der Stellung des Kapilarröhrchens bezüglich der oberen Fläche (18) des Halberleiter plättchens (12) dient,
eine Bewegungsvorrichtung (52) zum Drehen des Halberleiter plättchens (12) bzw. zum Verschieben des Halbleiter plättchens (12) bezüglich des Kapillarröhrchens,
eine Meßeinrichtung (68), welche einen elektrischen Strom durch das Halbleiterplättchen (12) schickt und die daraus resultieren elektrischen Werte des Halbleiterplättchens (12) mißt,
eine elektrische Leitung (64) zwischen der Quecksilber säule (22) und der Meßeinrichtung (68),
weitere elektrische Verbindungsmittel (66a, 66b) zur Ver bindung der Meßeinrichtung (68) mit dem Halbleiterplätt chen (12) wobei der Stromkreis über die Meßeinrichtung (68), die Leitung (64), das Halbleiterplättchen (12) und eines der weiteren Verbindungsmittel (66a, 66b) geschlossen ist.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ei
nes (66a) der weiteren Verbindungsmittel (66a, 66b) an den
Mitteln (14) zum Halten des Halbleiterplättchens (12) ange
bracht sind, und zwischen der Haltevorrichtung (14) und dem
Halbleiterplättchen (12) eine leitende Verbindung besteht.
3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein
oberseitiger Doppelkontakt (76) vorgesehen ist, welcher
entsprechend mit der Meßeinrichtung (68) verbunden ist.
4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
oberseitige Doppelkontakt (76) ein Kontaktelement (78) mit
einer flachen Bodenfläche (82) aufweist, wobei das Kon
taktelement (78) eine Öffnung zur Aufnahme des Kapillarröhr
chens (22) und eine Ringnut (80) in ihrer flachen Bodenflä
che (82) hat, wobei durch eine Evakuiervorrichtung (86),
welche mit der Ringnut (80) in Strömungsverbindung steht, ein
fester mechanischer und elektrischer Kontakt zwischen der
Bodenfläche (82) und der oberen Fläche (18) des Halbleiter
plättchens (12) herstellbar ist.
5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das
Kontaktelement (78) Mittel (88) zur Selbstnivellierung und
Anhebung aufweist, um es wahlweise in Berührung mit der obe
ren Fläche (18) des Halbleiterplättchens (12) zu bringen,
wobei die Mittel (88) zur Selbstnivellierung und Anhebung
einen am Kontaktelement (78) in bestimmter Stellung be
festigten Gewindestift (90), einen am Kapillarröhrchen (22)
befestigten Flansch (92) mit einer zur Achse des Kapillar
röhrchens (22) parallelen Öffnung (94) aufweist, wobei der
Gewindestift (90) gleitend durch die Öffnung (94) hindurch
geführt ist, eine Stellmutter (100) oberhalb des Flan
sches (92) auf dem Gewindestift (90) auf geschraubt ist, und
wobei die Stellschraube (100) derart einstellbar ist, daß ein
Kontakt zwischen dem Kontaktelement (78) und dem Halbleiter
plättchen (12) wahlweise zustande kommt oder nicht.
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