DE69500403T2 - Elektronenquelle mit Mikrospitzenemissionskathoden - Google Patents
Elektronenquelle mit MikrospitzenemissionskathodenInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektronenquelle mit Mikrospitzenemissionskathoden ("Mikrotips").
- Sie wird vor allem angewandt bei der Herstellung von durch Feldeffekt angeregten Kathodolumineszenz-Anzeigevorrichtungen und insbesondere bei der Herstellung von flachen Bildschirmen.
- Sie ist ebenfalls anwendbar bei der Herstellung von Elektronenkanonen oder auch von Therinokreuzen bzw. Vakuummetern (jauge vide).
- Man kennt schon Elektronenquellen mit Mikrospitzenemissionskathoden durch die folgenden Dokumente, auf die man sich beziehen wird:
- (1) FR-A-2593953, EP-A-0234989 und US-A-4857161 entsprechend (2) FR-A-2623013, EP-A-0316214 und US-A-4940916 entsprechend (3) FR-A-2663462, EP-A-0461990 und US-A-5194780 entsprechend (4) FR-A-2687839, EP-A-0558393 entsprechend und der amerikanischen Patentanmeldung vom 26. Februar 1993, Seriennummer 08/022,935 (Leroux et al.).
- Das Dokument (1) beschreibt ein Herstellungsverfahren einer Kathodolumineszenz-Anzeigevorrichtung, angeregt durch Feldeffekt, deren Mikrospitzen-Elektronenquelle durch ein Glassubstrat gebildet wird und eine Matrixstruktur besitzt.
- Die Dokumente (2), (3) und (4) beschreiben Verbesserungen, vorgenommen an dieser in Dokument (1) beschriebenen Quelle.
- Diese Dokumente (2) bis (4) betreffen insbesondere die Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Emission durch Begrenzung des Stroms in den Mikrospitzen, die die meisten Elektronen emittieren.
- Diese Verbesserung wird erzielt durch Einführung eines elektrischen Widerstands, in Reihe geschaltet mit den Mikrospitzen.
- Dieser elektrischen Widerstand wird gebildet durch eine resistive Schicht, die durchgehend oder unterbrochen sein kann.
- Die Figur 1 ist eine schematische und partielle Ansicht einer bekannten Elektronenquelle mit Mikrospitzenemissionskathoden, die in dem oben erwähnten Dokument (2) im Detail beschrieben ist.
- Diese bekannte Quelle hat eine Matrixstruktur und umfaßt ein Substrat 2, z.B. aus Glas, auf dem eventuell eine dünne Siliciumdioxidschicht 4 ausgebildet ist.
- Diese Quelle umfaßt auch, auf dieser Siliciumdioxidschicht 4, eine Vielzahl Elektroden 5 in Form von parallelen leitenden Streifen, die die Rolle von Kathodenleitern spielen und die Spalten der Matrixstruktur bilden.
- Die Kathodenleiter sind bedeckt durch eine resistive Schicht 7, die unterbrochen oder durchgehend sein kann (ausgenommen an ihren Enden, um die Verbindung der Kathodenleiter mit den Vorspannungseinrichtungen 20 zu ermöglichen).
- Eine elektrisch isolierende Schicht 8 aus Siliciumdioxid bedeckt die resistiven Schichten 7.
- Über der Isolierschicht 8 sind eine Vielzahl Elektroden ausgebildet, ebenfalls in Form von parallelen leitenden Streifen.
- Diese Elektroden 10 sind generell senkrecht zu den Elektroden 5 und spielen die Rolle von Gittern, die die Zeilen der Matrixstruktur bilden.
- Eine resistive Schicht kann eventuell über oder unter den Elektroden 10 angebracht werden.
- Bei einer Verbesserung dieser Elektronenquelle, bekannt durch das Dokument (2), ist wenigstens eine der Elektrodenserien (Kathodenleiter oder Gitter) mit einer resistiven Schicht verbunden, und jede Elektrode dieser Serie weist eine Gitter- bzw. Netz- oder Maschenstruktur auf.
- So schlägt das Dokument (3) vor, netzförmige Kathodenleiter zu verwenden, damit die Mikrospitzen sich innerhalb der Netzmaschen dieses Kathodenleiters befinden.
- Bei dieser Konfiguration hängt der Durchbruchwiderstand einer Mikrospitze nicht in erster Linie von der Dicke der resistiven Schicht ab, sondern von dem Abstand zwischen diesen Mikrospitzen und dem entsprechenden Kathodenleiter.
- Eine andere Verbesserung der Elektronenquellen mit Mikrospitzenemissionskathoden wird im Dokument (4) beschrieben.
- Diese andere Verbesserung ist bestrebt, die Kurzschlußrisiken zwischen den Zeilen und den Spalten der Quelle zu reduzieren.
- Dazu reduziert man die Überdeckungs- bzw. Überlappungszonen der beiden Elektrodenserien maximal.
- Dies ist schematisch und partiell in den Figuren 2 und 3 dargestellt.
- Die Figur 2 ist eine schematische und partielle Draufsicht einer in dem Dokument (4) beschriebenen Elektronenquelle, und die Figur 3 ist eine Vergrößerung des Schnitts III-III in Figur 2.
- Diese bekannte Quelle mit Matrixstruktur umfaßt ein Substrat 1, z.B. aus Glas, und eventuell eine Dünnschicht 6 aus Siliciumdioxid auf diesem Substrat 1.
- Auf der Siliciumdioxidschicht 6 ist eine Serie paralleler Elektroden 3 ausgebildet, die die Rolle der Kathodenleiter spielen&sub1; wobei jede dieser Elektroden eine Netzstruktur aufweist.
- Dies sind die Spalten der Matrixstruktur.
- Diese Kathodenleiter 3 sind bedeckt durch eine resistive Schicht 9 aus Silicium, selbst bedeckt durch eine elektrisch isolierende Schicht 11 aus Siliciumdioxid.
- Über dieser Isolierschicht 11 ist eine weitere Serie von parallelen Elektroden ausgebildet, die ebenfalls eine durchbrochene aber andere Struktur aufweisen, wobei diese Struktur konzipiert ist, um die Überdeckungszonen mit den Kathodenleitern zu minimieren.
- Diese über der Isolierschicht 11 gebildeten Elektroden sind im allgemeinen senkrecht zu den Kathodenleitern und bilden die Gitter 13 der Quelle.
- Dies sind die Zeilen der Matrixstruktur.
- Die Figuren 2 und 3 zeigen ein Detail von einem der Gitter dieser durch das Dokument (4) bekannten Quelle.
- Dieses Gitter, das das allgemeine Bezugszeichen 13 trägt, umfaßt parallele Bahnen 14, die sich senkrecht mit anderen parallelen Bahnen 15 schneiden.
- An den Schnittpunkten der Bahnen 14 und 15 weist das Gitter verbreiterte Zonen 17 auf, die hier eine quadratische Form aufweisen.
- In Figur 2 sieht man, daß die Überdeckungszonen 16 eines Kathodenleiters 3 und der Bahnen 14 und 15 des Gitters eine sehr geringe Oberfläche haben.
- Die verbreiterten Zonen 17 befinden sich im der Mitte der Maschen des netzförmigen Kathodenleiters.
- In den Kreuzungszonen der Kathodenleiter und der Gitter befinden sich Löcher oder, genauer, Mikrolöcher 18, vorzugsweise ausgebildet in der Dicke der verbreiterten Zonen der Gitter und in der Dicke der Isolierschicht 11.
- Die Mikrospitzen 19 der Quelle sind in diesen Löchern angeordnet und ruhen auf der resistiven Schicht 9.
- Eine Einheit, gebildet durch eine Mikrospitze und ein Mikroloch, bildet einen Mikro-Elektronenemitter.
- Die Mikro-Elektronenemitter besetzen die zentralen Bereiche der Maschen des Netzes des Kathodenleiters sowie die verbreiterten und quadratischen Zonen 17 des Gitters.
- Die Maschen des Netzes können verschiedene Formen und unterschiedliche Abmessungen haben.
- Zum Beispiel können sie quadratisch sein und 25µm Seitenlänge haben.
- Die Anzahl der Löcher und Spitzen in jeder Masche kann ebenfalls variieren.
- Beispielsweise kann jede Masche 4x4=16 Punkte aufweisen.
- Wenn man die mit Bezug auf die Figuren 2 und 3 beschriebene Quelle in Betrieb nimmt, legt man eine elektrische Spannung zwischen dem Kathodenleiter und dem Gitter an.
- Man erhält folglich einen elektrischen Strom, der durch die resistive Schicht fließt, zwischen dem Kathodenleiter und den Mikrospitzen.
- Je mehr die Mikrospitzen von dem Kathodenleiter entfernt sind, um so länger wird die Distanz, die sie von ihm trennt, und um so höher wird der elektrische Widerstand (aufgrund der resistiven Schicht), durch den diese Mikrospitzen mit dem Kathodenleiter verbunden sind, und um so schwächer ist infolgedessen der Strom, der diese Mikrospitzen speist.
- Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, diesen Nachteil zu beseitigen.
- Sie strebt eine Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Elektronenemission durch Mikrospitzen an, die sich im Innern der Maschen (oder allgemeiner den Maschen gegenüber) von Elektroden mit netzförmiger Struktur befinden, bei einer Elektronenquelle mit Mikrospitzenemissionskathoden.
- Die vorliegende Erfindung hat eine Elektronenquelle zum Gegenstand, umfassend:
- - eine erste Serie paralleler Elektroden, angeordnet auf einem elektisch isolierenden Träger, die die Rolle der Kathodenleiter spielen und eine Vielzahl elektronenemittierender Mikrospitzen tragen,
- - eine zweite Serie paralleler Elektroden, die die Rolle des Gitters spielen, durch eine Isolierschicht elektrisch isoliert von den Kathodenleitern und mit diesen einen Winkel bildend, was Überkreuzungszonen der Kathodenleiter und des Gitters definiert,
- wobei jede der Elektroden von wenigstens einer der Serien in Kontakt ist mit einer resistiven Schicht und eine netzförmige Struktur aufweist, die Leiterbahnen umfaßt, die sich kreuzen und Maschen genannte Öffnungen begrenzen, und eine Gruppe von Mikrospitzen jeder Masche gegenübersteht,
- und diese Quelle dabei dadurch gekennzeichnet ist, daß sie außerdem ein elektrisch leitendes Element umfaßt, der Innenseite jeder Masche gegenüberstehend, elektrisch isoliert von den sich kreuzenden Leiterbahnen, der dieser Masche entsprechenden Mikrospitzengruppe gegenüberstehend und in Kontakt mit der resistiven Schicht.
- Es sind diese elektrisch leitenden Elemente, die die Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Elektronenemission in der Quelle ermöglichen.
- Nach einer bevorzugten Ausführungsart der erfindungsgemäßen Quelle befindet sich jedes elektrisch leitende Element in Innern der diesem Element entsprechenden Masche.
- Dies ermöglicht, die Herstellung der Quelle zu vereinfachen, denn es ist dann möglich, während desselben Schritts die leitenden Elemente sowie die Elektroden mit netzförmiger Struktur herzustellen, denen diese Elemente zugeordnet sind.
- Um diese Herstellung noch zu vereinfachen ist es vorzuziehen, wenn die Dicke jedes elektrisch leitenden Elements gleich der Dicke der eine netzförmige Struktur aufweisenden Elektroden ist, denen dieses Element zugeordnet ist.
- Nach einer ersten besonderen Ausführungsart der erfindungsgemäßen Quelle sind die Elektroden, die eine netzförmige Struktur aufweisen und die den elektrisch leitenden Elementen zugeordnet sind, Elektroden der ersten Elektrodenserie.
- In diesem Fall und wenn jedes elektrisch leitende Element sich im Innern der diesem Element entsprechenden Masche befindet, befinden sich die die netzförmige Struktur aufweisenden Elektroden vorzugsweise unter der resistiven Schicht und jedes elektrisch leitende Element befindet sich auch unter dieser resistiven Schicht und unter der diesem Element entsprechenden Mikrospitzengruppe.
- Nach einer zweiten besonderen Ausführungsart der erfindungsgemäßen Quelle sind die Elektroden, die eine netzförmige Struktur aufweisen und die den elektrisch leitenden Elementen zugeordnet sind, Elektroden der zweiten Elektrodenserie.
- In diesem Fall und wenn jedes elektrisch leitende Element sich im Innern der diesem Element entsprechenden Masche befindet, befinden sich die die netzförmige Struktur aufweisenden Elektroden vorzugsweise über der resistiven Schicht und jedes elektrisch leitende Element befindet sich auch auf dieser resistiven Schicht und über der diesem Element entsprechenden Mikrospitzengruppe und enthält gegenüber jeder Mikrospitze dieser Gruppe ein Loch.
- Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich durch die Lektüre der Beschreibung von weiter unten gegebenen rein beispielhaften und keinesfalls einschränkenden Ausführungsbeispielen, bezogen auf die beigefügten Figuren:
- die Figur 1 ist eine schematische und partielle Ansicht einer bekannten Elektronenquelle und wurde schon beschrieben,
- die Figur 2 ist eine schematische und partielle Draufsicht einer bekannten Mikrospitzen-Elektronenquelle, deren Kathodenleiter eine netzförmige Struktur haben, und wurde schon beschrieben,
- die Figur 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Schnitts entsprechend der Achse III-III in Figur 2 und wurde schon beschrieben,
- die Figur 4 ist eine partielle und schematische Draufsicht einer besonderen Ausführungsart der erfindungsgemäßen Quelle,
- die Figur 5 ist eine Ansicht eines Schnitts entsprechend der Achse V-V in Figur 4,
- die Figur 6 ist eine schematische und partielle Schnittansicht einer bekannten Mikrospitzen-Elektronenquelle, und
- die Figur 7 ist eine schematische Schnittansicht einer der erfindungsgemäßen Mikrospitzen-Elektronenquelle.
- Die erfindungsgemäße Mikrospitzen-Elektronenquelle, die schematisch und partiell als Draufsicht in Figur 4 und im vergrößerten Schnitt in Figur 5 (Schnitt V-V der Figur 4) dargestellt ist, ist identisch mit der in Bezug auf die Figuren 2 und 3 beschriebenen Quelle, außer daß sie zusätzlich elektrisch leitende Elemente 3a umfaßt, die sich im Innern der Maschen der Kathodenleiter 3 befinden.
- Diese elektrisch leitenden Elemente 3a bewirken eine Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Elektronenemission, indem der Zugangswiderstand zu den Mikrospitzen im Innern jeder Masche verbessert wird.
- Bei dem in den Figuren 4 und 5 dargestellten Beispiel bildet jedes elektrisch leitende Element 3a eine unabhängige Platte aus einem elektrisch leitenden Material, im Zentrum jeder Masche befindlich, unter der resistiven Schicht 9, in Kontakt mit der Siliciumdioxidschicht 6 und unter der dieser Masche entsprechenden Gruppe von Mikrospitzen 19.
- Zudem nimmt dieser Bereich 3a vorzugsweise eine etwas größere Fläche ein als die, die durch diese Mikrospitzengruppe bedeckt wird, wie zu sehen in den Figuren 4 und 5.
- Diese Platten 3a werden vorteilhafterweise während desselben Photolithographieschritts wie dem zur Bildung der Kathodenleiter 3 hergestellt und mit Hilfe derselben Photomaske und derselben Metallschicht, wie sie zur Herstellung dieser Kathodenleiter dienen (wobei die Dicke der Platten 3a folglich gleich der Dicke der Kathodenleiter ist).
- In Figur 5 wurden die elektrischen Widerstände r3 symbolisch dargestellt, die jede Platte 3a mit den Bahnen des entsprechenden Netzes verbinden, sowie die Widerstände r4 zwischen jeweils den Mikrospitzen und diesen Platten 3a.
- Die Verwendung der Platten 3a ermöglicht, denselben elektrischen Widerstand r3+r4 unter jeder der Mikrospitzen (wobei r3+r4 den Zugangswiderstand zu den Mikrospitzen darstellen) zu erzielen, also eine bessere Gleichmäßigkeit der Elektronenemission seitens dieser Mikrospitzen.
- Dieser elektrische Zugangswiderstand zu den Mikrospitzen hängt in erster Liniee von der Distanz zwischen der leitenden Platte 3a und den Bahnen des entsprechenden Netzes ab.
- Beispielsweise kann man für quadratische Maschen von 25µm Seitenlänge und mit 4x4 Mikrolöchern von 1,5µm Durchmesser, um 3µm voneinander beabstandet, quadratische leitende Platten von 15µm Seitenlänge und 0,4µm Dicke verwenden (wobei die Dicke der Kathodenleiter in diesem Beispiel ebenfalls 0,04µm beträgt).
- In der Praxis justiert man die Abmessungen der leitenden Platten in Abhängigkeit von der Resistivität und der Dicke der resistiven Schicht 9 und ebenfalls in Abhängigkeit von der Ausrichtungstoleranz zwischen den Ebenen der Bildung der Kathodenleiter und der Mikrolöcher.
- In den Figuren 4 und 5 ist ein Gitter mit durchbrochener Struktur dargestellt, aber selbstverständlich ist die Erfindung auch bei einer Quelle anwendbar, die jeweils volle Gitter aufweist.
- Ein anderes Beispiel einer Mikrospitzen-Elektronenquelle ist durch das Dokument (4) bekannt und schematisch und partiell als Schnitt in Figur 6 dargestellt.
- In dieser bekannten Quelle der Figur 6 ist es das Gitter, das eine Netzstruktur aufweisen, während die Kathodenleiter durchbrochene Strukturen mit verbreiterten Zonen bilden.
- Noch genauer wird bei dem in Figur 6 dargestellten Beispiel jeder Kathodenleiter 22 durch eine Siliciumdioxidschicht 6 gebildet und befindet sich unter der resistiven Schicht 9 und hat in der Draufsicht dieselbe Form wie die Elektrode der Figuren 4 und 5, außer daß dieser Kathodenleiter kein Loch aufweist in Höhe der Mikrospitzen, die durch die resistive Schicht 9 getragen werden.
- In Falle der Figur 6 wird eine resistive Schicht 24 auf der Isolierschicht gebildet und mit Löchern 26 gegenüber den Mikrospitzen versehen, um durch diese die während der Erregung der Quelle emittierten Elektronen passieren zu lassen.
- Das Gitter 28 wird auf dieser Schicht 24 ausgebildet und hat eine Netzstruktur, deren Bahnen 28a man in Figur 6 im Schnitt sieht.
- Im Falle der Figur 6 kann man anstelle von durchbrochenen Kathodenleitern Kathodenleiter verwenden, die jeweils volle, zueinander parallele Streifen bilden.
- Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls den Fall der Figur 6 (mit durchbrochenen oder vollen Kathodenleitern), um insbesondere den Zugangswiderstand zu jeder Mikrospitze in jeder Masche des Gitters gleich zu machen.
- Diese Variante weist unter anderem den Vorteil auf, die Anwendungszeit der Gitter-Kathodenleiter-Spannung um jede Mikrospitze herum gleich zu machen.
- Die Figur 7 zeigt schematisch, partiell und im Schnitt eine erfindungsgemäße Quelle, die mit der mit Bezug auf die Figur 6 beschriebenen Quelle identisch ist, außer daß sie zudem ein elektrisch leitendes Element 30 im Innern jeder Masche des Gitters 28 umfaßt, der dieser Masche entsprechenden Mikrospitzengruppe gegenüberstehend.
- Noch genauer bildet in dem in Figur 7 dargestellten Beispiel dieses elektrisch leitende Element eine unabhängige Platte von quadratischer Form, die sich im Innern dieser Masche befindet, auf der resistiven Schicht 24, über der Gruppe von Mikrospitzen 19.
- Jede Platte 30 umfaßt Löcher 32, die mit den Löchern 26 fluchten und jeweils den Mikrospitzen dieser Gruppe gegenüberstehen.
- Jede Platte 30 wird vorteilhafterweise während des Schritts hergestellt, der auch zur Bildung des Gitters führt, aus derselben leitenden Schicht, so daß die Platten 30 dieselbe Dicke aufweisen wie das Gitter 28.
- Wie im Falle des Dokuments (3) könnten sich die Kathodenleiter mit netzförmiger Struktur der Figur 5 nicht unter der resistiven Schicht 9 sondern auf dieser letzteren befinden (wobei sonst alles gleich ist).
- Ebenso könnte das Gitter 28 mit netzförmiger Struktur der Figur 7 sich nicht auf der resistiven Schicht 24 sondern unter dieser letzteren befinden und Kontakt haben mit der Isolierschicht 11.
- In diesem letzteren Fall können die leitenden Platten 30 sich entweder auf der resistiven Schicht 24, wie zu sehen in Figur 7, oder unter dieser resistiven Schicht 24 befinden und Kontakt haben mit der Isolierschicht 11 (wobei diese Platten 30 sich dann in derselben Ebene wie das Gitter 28 befinden, innerhalb der Maschen dieses letzteren).
- Im Rahmen der Erfindung kann man ebenfalls in ein und derselben Quelle jeweils leitenden Elementen zugeordnete Gitter und Kathodenleiter in Netzform verwenden.
Claims (7)
1. Elektronenquelle, umfassend:
- eine erste Serie paralleler Elektroden (3, 22), angeordnet auf
einem elektrisch isolierenden Träger (1), die die Rolle der
Kathodenleiter spielen und eine Vielzahl elektronenemittierender
Mikrospitzen (19) tragen,
- eine zweite Serie paralleler Elektroden (13, 28), die die Rolle
von Gittern spielen, durch eine Isolierschicht (11) elektrisch
isoliert von den Kathodenleitern und mit diesen einen Winkel
bildend, was Überkreuzungszonen der Kathodenleiter und der
Gitter definiert,
wobei jede der Elektroden von wenigstens einer der Serien in
Kontakt ist mit einer resistiven Schicht (9, 24) und eine
gitterförmige Struktur besitzt, die Leiterbahnen umfaßt, die sich kreuzen
und Maschen genannte Öffnungen begrenzen, und eine Gruppe von
Mikrospitzen jeder Masche gegenübersteht,
dabei ist diese Quelle dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem
ein elektrisch leitendes Element (3a, 30) umfaßt, der Innenseite
jeder Masche gegenüberstehend, elektrisch isoliert von den sich
kreuzenden Leiterbahnen, der dieser Masche entsprechenden
Mikrospitzengruppe gegenüberstehend und in Kontakt mit der resistiven
Schicht (9,24), um den Zugriffs- bzw. Zugangswiderstand der
Mikrospitzen innerhalb jeder Masche zu vereinheitlichen.
2. Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
jedes elektrisch leitende Element (3a, 30) sich im Innern der
diesem Element entsprechenden Masche befindet.
3. Quelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Dicke jedes elektrisch leitenden Elements gleich der Dicke der
Elektroden mit der gitterförmigen Struktur ist, mit denen dieses
Element verbunden ist.
4. Quelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektroden, die die gitterförmige Struktur
besitzen und die verbunden sind mit den elektrisch leitenden
Elementen, Elektroden (3) der ersten Elektrodenserie sind.
5. Quelle nach einem der Ansprüche 2 und 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektroden, die die gitterförmige Struktur
besitzen, sich unter der resistiven Schicht (9) befinden, und
dadurch, daß jedes elektrisch leitende Element (3a) sich auch unter
dieser resistiven Schicht befindet und unter der diesem Element
entsprechenden Gruppe von Mikrospitzen (19).
6. Quelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektroden, die die gitterförmige Struktur
besitzen und die verbunden sind mit den elektrisch leitenden
Elementen, Elektroden (28) der zweiten Elektrodenserie sind.
7. Quelle nach den Ansprüchen 2 und 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektroden, die die gitterförmige Struktur
besitzen, sich auf der resistiven Schicht (24) befinden, und
dadurch, daß jedes elektrisch leitende Element (30) sich auch auf
dieser resistiven Schicht über der diesem Element entsprechenden
Gruppe von Mikrospitzen (19) befindet und gegenüber jeder
Mikrospitze dieser Gruppe ein Loch (32) aufweist.
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