DE4430390A1 - Verfahren zur Herstellung von strukturierten Metallisierungen auf Oberflächen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von strukturierten Metallisierungen auf OberflächenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Herstellung von strukturierten Metallisierungen auf
Oberflächen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der DE-OS 40 34 834 ist ein Verfahren zur struk
turierten Metallisierung vorbekannt, bei dem ein
örtlich selektiv wirkender Laser einen transparenten
Träger durchstrahlt. Auf dem Träger befindet sich eine
metallorganische Verbindung. Der Laserstrahl zersetzt
nach der Durchstrahlung des Trägers die metallorga
nische Schicht zu Metall, welches gleichzeitig ver
dampft und auf dem Substrat kondensiert. Das Substrat
ist in einem definierten Abstand zum Träger angeord
net.
Nachteilig ist es hierbei, daß bereits die Herstellung
der metallorganischen Schichten in einer nur unzu
reichenden Schichthomogenität gewährleistet werden
kann. In der Regel bestehen die Schichten aus vielen
Einzelkristalliten, so daß in Breite und Dicke unre
gelmäßige Metallschichten entstehen. Nur wenige
metallorganische Verbindungen, wie z. B. Pd-Acetat,
bilden unter definierten Bedingungen homogene amorphe
Schichten, diese werden z. B. durch Trichlormethan-Lö
sungen erzeugt, was wenig umweltverträglich ist.
Die Zersetzung der metallorganischen Verbindung und
die Bildung des Metalls führen des weiteren zu stark
veränderten Absorptions- und Reflexionsverhältnissen,
so daß auch hierdurch eine sehr inhomogene Schicht
abscheidung bewirkt wird. Das gebildete Metall enthält
außerdem Verunreinigungen durch organische Rückstände.
Es ist in dem bekannten Verfahren weiterhin nach
teilig, daß eine Energiestrahlung notwendig ist, die
eine fotochemische oder thermische Zersetzung der
metallorganischen Schicht bewirkt. Das erfordert den
Einsatz entweder von kostenintensiven Excimer-Lasern
oder von Lasern, deren Wellenlänge den jeweiligen
Absorptionsbedingungen der Schicht anzupassen ist.
Beim Transfer des Materials tritt durch den verfah
renstechnisch notwendigen Abstand zwischen Träger und
Substrat eine Ausbreitung des Materials über die
gewünschte Geometrie hinaus auf, wodurch sich die
Kantenschärfe verringert und die minimale Struktur
breite zunimmt. Die in dem beschriebenen Verfahren
genutzte metallorganische Verbindung muß im nach
folgenden chemisch-reduktiven Bad katalytisch wirken,
um die beschriebene Metallisierung zu erreichen. Damit
schränkt sich die Zahl der nutzbaren metallorganischen
Verbindungen stark ein.
Strukturierte Metallisierungen werden üblicherweise
auf fotolithografischem Wege hergestellt. Neben den
dabei angewendeten Techniken kommt immer häufiger die
Strahlung von Lasern zur Anwendung. Bekannte Verfahren
zur additiven, strukturierten Metallisierung von Sub
stratoberflächen mit Hilfe der Laserstrahlung arbeiten
fast ausnahmslos mit einem relativ zur Substratober
fläche bewegten Laserstrahl. Die Verfahrgeschwindig
keit des Strahlfokus liegt dabei gewöhnlich unter 10 mm/s
und ist vom verwendeten Precursor/Substrat-System
sowie der erzeugten Metallschichtdicke abhängig. In
den bekannten Precursorsystemen finden metallhaltige
Verbindungen sowie Metallsuspensionen Anwendung, wobei
die Ausführung der Systeme gasförmig in Rezipienten,
flüssig in Küvetten oder fest in Schichten auf der
Substratoberfläche sein kann.
Ein bekanntes Verfahren der Gasphasen-Abscheidung
sieht Gold-Abscheidungen auf SiO₂ im Vakuum unter
Verwendung eines Methyl(Triethylphosphin)Gold(I)-
Dampfes und eines cw-Argon-Ionen-Lasers bei einer
Schreibgeschwindigkeit von 0,0045 bis 0,035 mm/s vor
(M. Jubber et al.: Appl. Surf. Sc. 43 (1989), 74-80).
Nachteilig bei diesem Verfahren sind insbesondere die
sehr geringe Schreibgeschwindigkeit und das notwendige
aufwendige Vakuumsystem.
Bei D. Krabe, W. Radloff: Exp. Techn. d. Phys. 36 (1988)
6, 501-511, wird ein Flüssigphasen-Verfahren zur
Silber-Abscheidung auf Glas in einem chemisch
reduktiven Silber-Bad in einer Küvette mittels eines
cw-Argon-Ionen-Lasers beschrieben, welches eine
Schreibgeschwindigkeit von 0,3 bis 1,3 mm/s erreicht.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist es, daß der
Precursor und das Substrat in einer Küvette angeordnet
werden müssen, daß die Strahlführung und die Substrat-
Behandlung durch die Küvette eingeschränkt sind und
eine nur geringe Schreibgeschwindigkeit erreicht wird.
Ein Verfahren zur Aufbringung von Kupfer-Schichten auf
MCM-Substraten mit Polyimid-Beschichtung wird bei H.G.
Müller et al.: SPIE 1598 (1991), 132-140, beschrieben.
Nachteilig ist es, daß die eingesetzte wäßrige Kupfer-
Formiat-Lösung eine hohe Oberflächenspannung aufweist,
wodurch eine homogene Benetzung der Substratoberfläche
und damit eine homogene Ausbildung der metallorgani
schen Precursorschicht nur schwer erreicht werden
kann. Die Benetzung kann durch einen Zusatz von
Glycerin verbessert werden. Gleichzeitig verlängert
sich jedoch die Trockenzeit. Der für die Ausbildung
der metallorganischen Precursorschicht erforderliche
Trocknungsschritt ist allgemein langandauernd und nur
mit Aufwand, z. B. durch den Einsatz eines Ofens,
verkürzbar. Das Verfahren weist zudem nur eine geringe
Schreibgeschwindigkeit des eingesetzten Lasers von ca.
0,1 mm/s auf.
Ein weiteres Verfahren beschreibt die Verankerung von
Metallteilchen auf Keramiksubstraten (W. Paatsch:
Metalloberfläche 44 (1992) 5, 213-217). Es wird
vorgeschlagen, die Metallteilchen in einer Suspension
im Spin-On- oder Sprühverfahren auf die Oberfläche zu
bringen und nach der Bestrahlung mit einem Laser, die
nicht haftenden Metallteilchen abzuspülen. Die Ver
stärkung der eingebrannten, haftenden Metallteilchen
erfolgt in chemisch-reduktiven Bädern.
Nachteilig ist die beschränkte Anwendbarkeit des
Verfahrens nur auf temperaturstabile Materialien, wie
z. B. Keramik, da die Metallteilchen auf der Substrat
oberfläche auf- oder/und eingeschmolzen werden, und
der für das Aufbringen der metallorganischen Pre
cursorschicht notwendige zusätzliche Spin-On- oder
Sprühverfahrensschritt sowie die geringe
Schreibgeschwindigkeit unter 50 mm/s.
Von daher ist es die Aufgabe der Erfindung, ein
Verfahren der gattungsgemäßen Art zu entwickeln, mit
dem eine strukturierte Metallisierung von transpa
renten und nichttransparenten Oberflächen ohne die
üblichen fotolithographischen Prozesse und ohne
aufwendiges Handling für Gase, Flüssigkeiten oder
metallorganische Schichten, also ohne Vakuumanlage
oder Küvetten, mit wesentlich höherer Schreibge
schwindigkeit als bisher erreichbar, ermöglicht wird
und das eine große Anwendungsvielfalt gewährleistet.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Das
Verfahren erlaubt eine strukturierte Metallisierung
von Substraten ohne die aufwendigen fotolitho
grafischen Prozesse mit den dabei erforderlichen
Masken. Der Einsatz einer sehr einfach handhabbaren
Metallbeschichtung für die strukturierte
Laser-Bekeimung erlaubt die Bekeimung auch von
transparenten Substraten. Es können z. B. transparente
Substrate an LCD-Zellen metallisiert werden. Das
aufwendige Handling für Gase, Flüssigkeiten oder
metallorganische Schichten wird nicht benötigt.
Durch die Belegung des transparenten Trägers mit einer
dünnen, sehr homogenen Metallschicht oder Metall
schichtfolge wird die Zersetzung einer metallorga
nischen Schicht erfindungsgemäß umgangen. Die dünnen
metallischen Schichten können z. B. durch konventio
nelle Bedampfungs- oder Sputterverfahren hergestellt
und als Halbzeug billig und in hoher Qualität bezogen
werden. Die bereits auf dem Träger ausgebildete dünne
Metallschicht bietet einheitliche optische Parameter
für die Bestrahlung. Die Bestrahlung kann z. B. mit
einem gepulsten Nd:YAG-Laser erfolgen, wobei der
Transferprozeß stets thermisch initiiert ist und auf
der gesamten Fläche bei gleichen optischen und
thermischen Bedingungen abläuft. Verunreinigungen
durch Reaktionsrückstände treten nicht auf. Dadurch,
daß die dünne Metallschicht auf dem transparenten
Träger in möglichst innigen Kontakt mit der
Substratoberfläche gebracht wird, kann das Transfer- und
Kondensationsgebiet weitgehend minimiert werden.
Die auf den Träger aufgebrachte dünne Metallschicht
kann z. B. aus einem haftvermittelnden und einem
weiteren Metall bestehen, welches im nachfolgenden
chemisch-reduktiven Bad katalytisch wirkt, so daß die
gewünschte Metallisierung ohne Einschränkungen
erfolgen kann. Der laserinduzierte Transferprozeß
führt zu einer Durchmischung der Metalle. Beim
Einbringen in das chemisch-reduktive Bad entstehen im
nachgelagerten Verfahrensschritt dadurch in der trans
ferierten Bekeimungsschicht auf der Substratoberfläche
mikrogalvanische Zellen, welche, im Unterschied zu
einer katalytisch initiierten Schichtabscheidung,
ebenfalls die Bildung erster Keime der Metallisierung
bewirken können. Das weitere Schichtwachstum führt zu
den für chemische Schichtabscheidungen üblichen guten
Schichtqualitäten bei einer sehr guten Haftfestigkeit.
Die Nutzung dünner Metall- und Keimschichten läßt sehr
hohe, bei laserinduzierten Metallisierungen bislang
nicht erreichte Schreibgeschwindigkeit bei einer
einfachen Prozeßführung zu. Das in der Erfindung
beschriebene Verfahren stellt daher ein sehr wirt
schaftliches Verfahren der additiven Laserstruktu
rierung dar. Die mit dem Verfahren erzeugten Metall
schichten zeigen sehr gute Haftungseigenschaften,
insbesondere auch auf ITO (Indium-Tin-Oxid-Schicht)
und auf Glasoberflächen z. B. von LCD-Zellen. Die nach
der Bekeimung der Oberfläche erfolgte Metallisierung
in Bädern kann als Massenprozeß organisiert werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den
Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigen
Fig. 1 die schematische Darstellung der
Laserbekeimung der ITO-Oberfläche einer
LCD-Zelle,
Fig. 2 die schematische Darstellung der
bekeimten ITO-Oberfläche nach Fig. 1,
Fig. 3 die schematische Darstellung der Metalli
sierung der ITO-Oberfläche nach den Fig. 1
und 2,
Fig. 4 die schematische Darstellung der Laser
bekeimung des Stirnkantenbereiches einer
LCD-Zelle und
Fig. 5 die schematische Darstellung des Metalli
sierens der Bekeimungsschicht an der
Stirnkantenoberfläche der LCD-Zelle nach
Fig. 4.
In den Fig. 1 bis 3 ist das Verfahren zur struk
turierten Metallisierung einer als ITO-Oberfläche
ausgebildeten Substratoberfläche 3 an LCD-Zellen
dargestellt (Herstellung von Metallkontakten für
LCD-Zellen).
In der Fig. 1 ist die Laserbekeimung der Substratober
fläche 3, hier der ITO-Oberfläche einer LCD-Zelle,
mittels eines gepulsten Laserstrahles 5, beispiels
weise eines Nd:YAG-Laserstrahles mit einer mittleren
Leistung von ca. 200 mW und einer Schreibgeschwindig
keit von ca. 10 cm/s, gezeigt.
Auf einen Glasträger 2 ist eine dünne homogene
Metallbeschichtung 1 aufgebracht, die beispielsweise
aus einer haftvermittelnden Schicht aus Ti:W in einer
Schichtdicke von 230 nm und aus einer katalytisch
wirkenden Schicht aus Gold in einer Schichtdicke von
200 nm gebildet ist. Der Glasträger 2 wird mit der
Metallbeschichtung 1 über die zu metallisierende
Substratoberfläche 3 gebracht und mit dem gepulsten
Nd:YAG-Laserstrahl 5 bestrahlt. Dabei kann die
Bestrahlung sowohl durch den Glasträger 2 mit der
Metallbeschichtung 1 als auch durch das transparente
Glas oder/und ITO der LCD-Zelle erfolgen. Der Transfer
des Materials erfolgt durch Laserverdampfung der
Metallbeschichtung 1 und nachfolgender Kondensation
auf der LCD-Oberfläche, hier gemäß der Darstellung in
der Fig. 2 als Keimschicht 6. Nach erfolgter selektiver
Bekeimung der Substratoberfläche 3, also der
LCD-Oberfläche, wird entsprechend der Darstellung in
der Fig. 3 eine Metallisierung der bekeimten Bereiche
6 mit einer Metallisierungsschicht 7 in einem
chemisch-reduktiven Bad, z. B. einem Nickel-Bad,
vorgenommen. Bei einer Badtemperatur von 95°C und
einer Dauer von 7 Minuten bildet sich eine ca. 2,5 µm
dicke NiP-Struktur aus.
Die zu beschichtenden Substrate können auch nicht
transparent sein, z. B. Keramiken.
In den Fig. 4 und 5 ist das Verfahren in der Anwendung
zur Herstellung von Stirnseitenkontaktierungen bei
Flachdisplays, hier einer Flüssigkristall-Zelle 8,
gezeigt.
Großflächige Flüssigkristallanzeigen sind als ein
modulares System aus einzelnen Anzeigeelementen oder
Zellen aufgebaut. Die Zellen sind über Kontaktierungs
flächen mit der Ansteuerelektronik verbunden.
Ankontaktierungen von Flachdisplays werden dabei sehr
oft in der Form ausgeführt, daß die Elektroden
seitlich aus den Stirnkanten herausgeführt werden. Als
Träger dienen die Deck- oder Rückgläser, die über den
Rahmen der Anzeige hinausragen und dadurch die
Gesamtabmessungen vergrößern. Im herausgeführten
Elektrodenbereich werden dann durch leitfähige Kleber,
leitfähige Elastomere oder durch löt- oder/und
bondbare Metallisierungen die Kontaktierungen mit
Verdrahtungsträgern der Ansteuerelektronik herge
stellt. Sollen löt- oder bondbare Metallisierungen
eingesetzt werden, so müssen diese in konventioneller
fotolithografischer Strukturierungstechnik vor dem
Assemblieren der Zelle auf die Front- und/oder Rück
gläser gebracht werden, da die technologischen
Belastungen im Prozeß für die fertigen Zellen zu groß
wären und zu irreversiblen Schäden führen würden.
Durch die Kontaktierung und Metallisierung an der
Stirnkante 11 der Zelle 8 mittels des erfindungs
gemäßen Verfahrens durch Laser-Transfer-Bekeimung mit
örtlich selektiver Metallisierung in Bädern wird der
Kontaktbereich von Anzeigen entscheidend verkleinert
und damit die aktive Fläche der Anzeige vergrößert. Es
werden keine aufwendigen fotolithografischen Prozesse
notwendig, so daß sich an assemblierten Displays eine
lötfähige Metallisierung herstellen läßt.
Die Fig. 4 zeigt einen senkrechten Schnitt durch den
Randbereich der Flüssigkristall-Zelle 8 mit einer
elektrisch leitenden Schicht 9. Die Flüssigkristall-Zelle
8 besteht vereinfacht dargestellt bekannterweise
aus Glasträgern 13,14, der lichtdurchlässigen
elektrisch leitenden Schicht 9, einem abdichtenden
Rahmen 10 und einer Flüssigkristallschicht 12. Die
elektrisch leitende Schicht 9 ist zum Anschluß einer
nicht dargestellten Ansteuerelektronik zwischen dem
Glasträger 13 und dem Rahmen 10 bis zur Stirnkanten
oberfläche 11 der Zelle 8 nach außen geführt.
Die Laserbekeimung der Stirnkantenoberfläche 11 der
Zelle 8 erfolgt mittels des gepulsten Laserstrahls 5
in der vorher beschriebenen Art und Weise.
Auf den Glasträger 2 ist die dünne homogene
Metallbeschichtung 1 aufgebracht, die beispielsweise
aus einer haftvermittelnden Schicht aus Ti:W und aus
einer katalytisch wirkenden Schicht aus Gold gebildet
ist. Der Glasträger 2 mit der Metallbeschichtung 1
wird über die zu metallisierende Stirnkantenoberfläche
11 gebracht und mit dem gepulsten Nd:YAG-Laserstrahl 5
bestrahlt. Der Transfer des Materials erfolgt durch
Laserverdampfung der Metallbeschichtung 1 und nachfol
gender Kondensation auf der Stirnkantenoberfläche 11
als Keimschicht 6. Nach erfolgter Bekeimung der
Stirnkantenoberfläche 11 wird eine Metallisierung der
bekeimten Bereiche mit einer Metallisierungsschicht 7
entsprechend der Darstellung in der Fig. 5 in einem
chemisch-reduktiven Bad vorgenommen. Durch eine geeig
nete Badauswahl lassen sich die gewünschten lötfähigen
Metallisierungssysteme herstellen. Der auf die Stirn
kantenoberfläche 11 einfallende Laserstrahl 5 bewirkt
gleichzeitig mit dem Aufdampfen der Bekeimungsschicht
6 eine Modifikation der Oberfläche 11, die gezielt
dazu genutzt werden kann, eine zusätzliche mechanische
Haftung zu bewirken.
Die Laser-Transfer-Bekeimung kann auch zusammengefaßt
an mehreren Stirnkantenoberflächen 11 gleichzeitig
ausgeführt werden. Die Metallisierung erfolgt nach der
Bekeimung in Bädern als Massenprozeß.
Durch die Anwendung des Verfahrens bei der Kontak
tierung von Anzeigen können die üblich überstehenden
und zur Kontaktierung erforderlichen Randbereiche der
Zellen entweder bereits bei der Zellenfertigung
weggelassen oder anschließend beispielsweise mit einer
Wafersäge abgeschnitten werden, wobei die Leiterzüge
der Zellen (z. B. ITO-Leiterbahnen) bis zu den Stirn
kantenoberflächen gezogen sind.
Ein weiteres Anwendungsgebiet des Verfahrens ist die
Ausbildung von Leiterstrukturen auf flexiblen
Pl-Folien, z. B. zur Herstellung von flexiblen
Schaltungsträgern auf Polyimidbasis (Pl). Auch hier
erfolgt zunächst die laserinduzierte Bekeimung der
Oberfläche durch eine Lasertransfertechnik. Nach
folgend wird die strukturierte Bekeimung in einem
Metallisierungsbad verstärkt.
Wie im ersten Ausführungsbeispiel ist auch hierbei die
auf den Glasträger 2 aufgebrachte Metallbeschichtung 1
der Ausgangspunkt für das Verfahren. Die Metallbe
schichtung 1 besteht ebenfalls aus einer haftvermit
telnden und aus einer katalytisch wirkenden Schicht.
Der Glasträger 2 wird mit der Metallbeschichtung 1
über die zu metallisierende Pl-Oberfläche gebracht und
danach mit einem gepulsten Laserstrahl bestrahlt. Der
Transfer des Materials erfolgt so wie im ersten Aus
führungsbeispiel beschrieben. Nach erfolgter selek
tiver Bekeimung der Pl-Oberfläche wird eine Metal
lisierung der bekeimten Bereiche in einem chemisch
reduktiven Kupfer-Bad vorgenommen. Bei einer Bad
temperatur von 60°C und einer Dauer von ca. 60 Minuten
scheidet sich eine ca. 5 µm dicke, strukturierte
Kupfer-Schicht ab. In den beispielhaft dargestellten
Ausführungsfällen kann sich nach der laserinduzierten
Bekeimung der Substratoberfläche eine Spülung der
bekeimten Substratoberfläche mit deionisiertem Wasser
als günstig erweisen.
Bezugszeichenliste
1 Metallschicht
2 Glasträger
3 Substratoberfläche
4 Glassubstrat
5 Laserstrahl
6 Keimschicht
7 Metallisierungsschicht
8 Flüssigkristall-Zelle
9 elektrisch leitende Schicht
10 Rahmen
11 Stirnkantenoberfläche
12 Flüssigkristallschicht
13 Glasträger
14 Glasträger.
2 Glasträger
3 Substratoberfläche
4 Glassubstrat
5 Laserstrahl
6 Keimschicht
7 Metallisierungsschicht
8 Flüssigkristall-Zelle
9 elektrisch leitende Schicht
10 Rahmen
11 Stirnkantenoberfläche
12 Flüssigkristallschicht
13 Glasträger
14 Glasträger.
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung von strukturierten
Metallisierungen auf Oberflächen mittels Laser
strahl und eines mit Beschichtungen versehenen
transparenten Trägers sowie durch ein chemisch-re
duktives Bad,
dadurch gekennzeichnet
daß der transparente Träger (2) mit einer dünnen, homogenen Metallbeschichtung (1) versehen wird und mit der Metallbeschichtung (1) in engen Kontakt mit der zu metallisierenden Substratoberfläche (3) gebracht und danach mit dem gepulsten Laserstrahl (5) bestrahlt wird, wobei der Transfer des Metalls vom transparenten Träger (2) durch Laserverdampfung und nachfolgender Kondensation auf der Substrat oberfläche (3) erfolgt, und
daß nach der selektiven Bekeimung der Substratoberfläche (3) die Metalli sierung der bekeimten Bereiche (6) im chemisch-re duktiven Bad durchgeführt wird.
daß der transparente Träger (2) mit einer dünnen, homogenen Metallbeschichtung (1) versehen wird und mit der Metallbeschichtung (1) in engen Kontakt mit der zu metallisierenden Substratoberfläche (3) gebracht und danach mit dem gepulsten Laserstrahl (5) bestrahlt wird, wobei der Transfer des Metalls vom transparenten Träger (2) durch Laserverdampfung und nachfolgender Kondensation auf der Substrat oberfläche (3) erfolgt, und
daß nach der selektiven Bekeimung der Substratoberfläche (3) die Metalli sierung der bekeimten Bereiche (6) im chemisch-re duktiven Bad durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß für das Substrat Keramik oder ein Polymer
ausgewählt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die zu metallisierende Substratoberfläche (3)
durch eine Stirnkantenoberfläche (11) mit einer bis
an die Stirnkantenoberfläche (11) herangezogenen
elektrisch leitenden Schicht (9) einer Flüssig
kristall-Zelle (8) gebildet wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die selektive Bekeimung
programmiert wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die dünne homogene
Metallbeschichtung aus einer haftvermittelnden
und/oder einer katalytisch wirksamen Substanz
gebildet wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die bekeimte Substratoberfläche
(3, 11) mit entionisiertem Wasser gespült wird.
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DE102007046176A1 (de) | 2007-09-26 | 2009-04-02 | Mobil-Mark Gmbh | Anordnung und Verfahren zur Beschriftung einer Oberfläche eines Substrats |
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DE4430390C2 (de) | 1995-08-10 |
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