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Hintergrund der Erfindung
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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich insgesamt auf die Halbleiterbehandlung.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren
zur Bestimmung des Endpunkts eines Prozesses, der in einer Behandlungskammer
durchgeführt wird.
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Stand der
Technik
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Auf
dem Gebiet der Herstellung von integrierten Schaltungen und Flachbildschirmen
werden nacheinander auf einem Substrat in einer oder in mehreren
Behandlungskammern zur Bildung verschiedener Strukturformen Mehrfachabscheide-
und -ätzprozesse
durchgeführt.
Prozesse, wie die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), die
chemische Gasphasenabscheidung (CVD), das Ätzen usw., sind in diesem Bereich
der Technik bekannt, wobei jeder zu einem Rückstandsaufbau in der Kammer
führt.
Beispielsweise werden während
der CVD Siliciumoxid- oder Siliciumnitridmaterialien auf allen freiliegenden
Oberflächen
der CVD-Abscheidekammer sowie auf dem Substrat abgeschieden. Solche Rückstände, die
sich bis zu einer Dicke von 0,5 bis 10 Mikrometern ansammeln können, müssen üblicherweise
von den Kammeroberflächen
vor dem nächsten
Abscheideprozess entfernt werden. Anderenfalls kann das Material
abflocken und sich auf einem Substrat abscheiden, wodurch die Unversehrtheit
der darauf ausgebildeten Formen gefährdet wird.
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Zur
Entfernung des Rückstands
werden Kammern auf konventionelle Weise durch Verwendung eines Plasmas
und ausgewählter
chemischer Verbindungen gereinigt, die mit dem Rückstand reagieren und eine
flüchtige
Verbindung bilden, die aus der Kammer abgezogen werden kann. Alternativ oder
zusätzlich
können
die chemischen Verbindungen Ätzspezies
bilden, die die Kammeroberfläche bombardieren,
um Rückstand
von den Kammerbauteilen zu beseitigen.
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Bei
einer Ausführung
des Kammerreinigungsvorgangs kann die Herstellung von Halbleitervorrichtungen
nicht fortgesetzt werden. Als Folge nimmt die effektive Produktivität der Kammer
gemessen am Substratdurchsatz beträchtlich ab. Zur Steigerung
der Kammerproduktivität
ist es erforderlich, den Reinigungsvorgang schnell zu beenden und
mit der Produktion sofort nach dem Ende des Reinigungsvorgangs wieder
zu beginnen. Deshalb ist es absolut erforderlich, den Endpunkt des
Reinigungsprozesses genau zu bestimmen.
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Bei
einem Verfahren zur Messung des Endpunkts des Reinigungsprozesses
wird eine Änderung einer
vorgeschriebenen Lichtwellenlänge überwacht, die
von dem Plasma emittiert wird. Es ist jedoch schwierig, den Endpunkt
des Reinigungsvorgangs unter Verwendung dieses Verfahrens genau
zu erfassen, da Licht, das von Lampen emittiert wird, die zum Erhitzen
des Substrats verwendet werden, auch den Wellenlängenmonitor erhitzt, mit ihm
reagiert oder ihn auf andere Weise beeinträchtigt, wodurch die Wellenlängenauslesung
verzerrt wird, was zu einer zu langen Reinigung oder einer zu kurzen
Reinigung führt.
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Ein
anderes Verfahren zum Erfassen des Endpunktes eines Reinigungsprozesses
besteht darin, die Bedingungen in der Kammer durch eine Quarzsichtöffnung zu
beobachten. Während
der Behandlung in der Kammer sammelt sich ein Rückstand auf der Sichtöffnung an,
wodurch die Sicht in die Kammer versperrt wird. Wenn der Reinigungsprozess
durchgeführt
wird, wird das Material von der Sichtöffnung und auch von allen anderen
Oberflächen
der Kammer entfernt, bis die Sichtöffnung gereinigt ist und die
Sichtlinie in die Kammer wieder hergestellt ist. Wenn die Sichtlinie
in die Kammer wieder besteht, wird mit dem Prozess für etwa 20
bis 30 s fortgefahren, um zu gewährleisten,
dass der Reinigungsprozess vollständig ist. Das Sichtlinien-Erfassungsverfahren
gibt keine genaue Bestimmung des Endpunkts und erfordert eine zusätzliche
Sicherheitsreinigungszeit, um ein ausreichendes Reinigen der Kammer
zu gewährleisten.
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Auf
dem Gebiet der Herstellung von integrierten Schaltungen ist die
für die
Behandlung und die Reinigung verbrauchte Zeit ein wesentlicher Faktor,
den die Hersteller überwachen.
Die für
die Reinigung der Kammer verbrauchte Zeit kann ein für ihre Produktionsleistungsfähigkeit
begrenzender Faktor sein. Deshalb besteht ein Bedürfnis für eine genaue und
gleich bleibende Bestimmung des Endpunkts eines in einer Kammer
ausgeführten
Prozesses. Vorzugsweise kann die Bestimmung zur Verwendung von vorhandener
Hardware und Monitoren ausgeführt
werden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Erfindung, wie sie im Anspruch 1 angegeben ist, stellt insgesamt
ein Verfahren zur Erfassung des Endpunkts eines Prozesses durch Überwachen
der Position eines Ventils während
des Prozesses bereit. Gemäß einem
Aspekt wird ein Reinigungsprozess in der Kammer ausgeführt, während eine
Steuerung die Drosselventilposition überwacht, um den Endpunkt des
Reinigungsprozesses zu bestimmen, der einer Änderung in der Anzahl von Schritten
der Ventilposition entspricht, die erforderlich sind, um eine stabile
Drosselventilposition zu erreichen, nachdem der Reinigungsprozess
abgeschlossen ist.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Damit
die Art und Weise, mit der die oben erwähnten Merkmale, Vorteile und
Ziele der vorliegenden Erfindung erreicht und im Einzelnen verstanden werden
können,
kann die Erfindung, wie sie vorstehend kurz zusammengefasst ist,
spezieller unter Bezug auf die Ausführungsformen beschrieben werden, die
in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt sind.
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Es
ist jedoch zu vermerken, dass die beiliegenden Zeichnungen nur typische
Ausführungsformen
dieser Erfindung veranschaulichen und deshalb nicht als Begrenzung
ihres Rahmens angesehen werden dürfen,
da sich die Erfindung auch auf andere, gleichermaßen effektive
Ausgestaltungen erstrecken kann.
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1 ist
im Wesentlichen eine perspektivische Draufsicht auf eine Abscheidekammer 10 nach der
Erfindung.
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2 ist
eine vereinfachte schematische Schnittansicht einer Abscheidekammer 10 der
Erfindung.
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3 ist
eine teilweise perspektivische Ansicht einer Abscheidekammer 10 der
Erfindung von unten.
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, das den Signalstrom zu und von einer Steuerung
der Erfindung veranschaulicht.
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Ins Einzelne
gehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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1 ist
im Wesentlichen eine perspektivische Draufsicht auf eine Abscheidekammer 10 der Erfindung.
Eine Kammer, die die Vorteile der Erfindung nutzen kann, ist die
Giga-Fill-CxZ-Kammer,
die von Applied Materials, Inc., Santa Clara, Kalifornien, geliefert
wird. Die Kammer 10 hat gewöhnlich eine Seitenwand 12,
einen Boden 14 und einen Deckel 16, der die Behandlungsgase
in die Kammer liefert. Der Deckel 16 ist gewöhnlich an
der Oberseite der Kammer angelenkt, um ein Öffnen und Schließen des
Deckels 16 zu ermöglichen,
und bildet eine Vakuumdichtung mit der Seitenwand 12, wenn
er geschlossen ist. An dem Deckel 16 ist insgesamt ein Gasverteilungssystem 18 angebracht
und mit einem Fernplasmagenerator 116 verbunden (in 2 gezeigt),
der an eine Gasversorgung 118 (in 2 gezeigt) über eine
Gasleitung 20 angeschlossen ist, um Behandlungsgase in
die Kammer 10 zu liefern. Die Behandlungsgase werden gewöhnlich durch
eine Duschkopfanordnung oder einen Gasverteiler 55 (in 2 gezeigt)
geliefert, die/der in dem zentralen Abschnitt des Deckels 16 angeordnet
ist. An einer Seitenwand 12 ist typischerweise ein Schlitzventil 22 angeordnet,
um eine Überführung von
Substraten oder Wafern in die Behandlungskammer 10 oder
aus ihr heraus zu ermöglichen.
Mit einer Seitenwand 12 ist zur Einstellung des Drucks
in der Kammer 10 für
verschiedene Behandlungsbedürfnisse
ein Drucksteuersystem 30 verbunden. Das Drucksteuersystem 30 hat
vorzugsweise ein Drosselventil 33, ein Vorvakuum-Trennventil 34 und
ein Kapazitätsmanometer 36 (wie
es in 2 und 3 gezeigt ist).
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2 ist
eine vereinfachte Schnittansicht einer Abscheidekammer 10 der
Erfindung. Wie in 2 gezeigt ist, ist gewöhnlich in
dem Deckel 16 ein Behandlungsgasverteiler 55 zum
Verteilen und Liefern von Prozessgasen in die Kammer angeordnet und
direkt über
einem Substrat 40 positioniert. Das Gasverteilungssystem
hat gewöhnlich
auch Massenstromsteuereinrichtungen (nicht gezeigt) und luftbetätigte Ventile
(nicht gezeigt), um den Strom der Prozessgase in die Behandlungskammer 10 zu
steuern. Vorzugsweise sind getrennte Gasversorgungen für die Behandlung
und Reinigung an das Gasverteilungssystem angeschlossen.
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Zum
Halten des Substrats 40 in der Abscheidekammer 10 ist
ein Substratträger 65 vorgesehen. Das
Substrat 40 wird in die Kammer 10 durch ein Schlitzventil 22 an
der Seitenwand 12 der Kammer 10 eingeführt und
auf dem Substratträger 65 angeordnet.
Der Substratträger 65 ist
auf einer Substratträgeranordnung 105 angeordnet,
die eine Trägerhubbetätigungseinrichtung 70 aufweist,
um den Spalt zwischen dem Substrat 20 und dem Gasverteiler 55 einzustellen.
Um den Transport des Substrats 40 in die Kammer 10 und
aus ihr heraus zu erleichtern, hebt und senkt eine Hubfingeranordnung 75 mit
einer Vielzahl von Hubfingern 76, die sich durch Bohrungen 66 in
dem Substratträger 65 bewegen,
das Substrat 40 auf den Substratträger 65. In dem Substratträger 65 ist
eine Heizeinrichtung 80 vorgesehen, um das Substrat 40 schnell
auf eine gewünschte
Behandlungstemperatur aufzuheizen. Ein schnelles Heizen und Abkühlen des
Substrats wird bevorzugt, um den Behandlungsdurchsatz zu steigern
und um eine schnelle Umwälzung
zwischen aufeinander folgenden Prozessen zu ermöglichen, die bei unterschiedlichen
Temperaturen in der gleichen Kammer 10 ausgeführt werden.
Das Substrat 40 wird in einer Behandlungszone 95 zwischen
dem Sub stratträger 65 und
der Gasverteilung 55 behandelt. Vorzugsweise ist ein entfernter
Mikrowellenplasmagenerator 116, der mit einer Gasversorgung 118 verbunden
ist, vorgesehen, um ein Plasma zu erzeugen und reaktive Gasspezies
in die Behandlungszone 95 der Kammer 10 während der
Substratbehandlung sowie der Kammerreinigung zu liefern. Wenn die
Waferbehandlung einmal abgeschlossen ist, wird das Substrat aus der
Kammer 17 durch das Schlitzventil 22 abtransportiert,
so dass der Reinigungsprozess ausgeführt werden kann. Zu dem Kammerreinigungsprozess
gehören
insgesamt das Einführen
eines Plasmas von einem oder mehreren Reinigungsgasen in die Kammer
von dem entfernten Plasmagenerator 116 aus und das Führen der
Nebenprodukte der Reinigungsgase und der Verunreinigungen aus der
Kammer.
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3 ist
eine teilweise perspektivische Ansicht einer Abscheidungskammer 10 der
Erfindung von unten. Gemäß 2 und 3 ist
ein Drucksteuersystem 30 mit einer Seitenwand 12 durch
einen Abführkanal 110 verbunden,
um den Druck in der Kammer 10 für verschiedene Behandlungsbedürfnisse
zu überwachen
und einzustellen. Das Drucksteuersystem 30 hat ein Drosselventil 32,
ein Vorvakuum-Trennventil 34 und ein Kapazitätsmanometer 36 (einen
Kammerdruckdetektor). Vorzugsweise ist das Drosselventil 32 ein
Doppelfeder-Drosselventil,
das von einem Schrittmotor 44 angetrieben wird, um die Auslassrate
des Gases in der Kammer zu regulieren, wobei das Drosselventil 32 eine
Hülse mit
einer Teflonbeschichteten Innenseite hat, in der sich ein Trommel-
oder Bügelventil
dreht. Mit dem Drucksteuersystem 30 ist über eine
Vakuumleitung 38 zum Abziehen von Kammergasen eine Vakuumpumpe 42 verbunden,
beispielsweise eine Drehschiebervakuumpumpe. Die Vakuumpumpe 32 ist
gewöhnlich
in der Lage, ein minimales Vakuum von etwa 10 mTorr (1 Torr = 133,32
Pa) zu erreichen und ist üblicherweise
an einem entfernten Pumpenrahmen (nicht gezeigt) angebracht, um
das Vakuum bereitzustellen, das erforderlich ist, um den Druck der
Behandlungskammer zu senken.
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Der
Kammerdruck wird während
der Behandlung gewöhnlich
in einem Vakuumbereich gehalten. Beispielsweise wird der Kammerdruck
vorzugsweise auf etwa 1,5 Torr während
des Reinigungsprozesses in dieser Kammer gehalten. Mit dem Drucksteuersystem 30 ist
eine Steuerung 46, beispielsweise ein Mikroprozessor, verbunden,
um das Drosselventil 32 zu regulieren, welches die Abführrate des
Gases aus der Behandlungskammer 10 steuert. Während der
Kammerreinigung ist das Drosselventil 32 anfänglich gewöhnlich weit
offen, damit Verunreinigungen mit dem Reinigungsgas aus der Kammer
gepumpt werden können,
während
der erforderliche Druck in der Kammer aufrechterhalten wird. Wenn
die Kammer 30 einen gereinigten Zustand erreicht, in welchem
weniger Teilchen von den Innenflächen
der Kammer entfernt werden, schließt der Schrittmotor 44 allmählich das
Drosselventil 32, um den gleichen Kammerdruck während des
ganzen Reinigungsprozesses aufrechtzuerhalten. Der Schrittmotor 44 ist
elektrisch an die Steuerung 46 angeschlossen und wird von
ihr gesteuert. Die Steuerung 46 empfängt ein Signal von dem Kapazitätsmanometer 36,
das den Kammerdruck erfasst.
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, das den Signalstrom zu der Steuerung der Erfindung
hin und von ihr weg veranschaulicht. Eine Einstellung des Drucks in
der Behandlungskammer 10 erfolgt durch Öffnen/Schließen des
Drosselventils 32 durch Zunahme/Abnahmeschritte des Schrittmotors 44.
Die Steuerung des Drucks in der Kammer 10 erfolgt, indem zuerst
das dem Kammerdruckausgang aus dem Druckdetektor, beispielsweise
dem Kapazitätsmanometer 36,
entsprechende Signal zu einem Eingang zur Steuerung 46 überführt wird.
Die Steuerung 46 sendet dann Signale an den Schrittmotor 44 zur Steuerung
des Öffnungs-/Schließzustands
oder der Position des Drosselventils 32, während der
Druck in der Kammer 10 auf einen konstanten Druck eingestellt
wird, um das Plasma während
des ganzen Reinigungsvorgangs zu stabilisieren. Die Steuerung 46 überwacht
auch die Position des Drosselventils 32, um den Endpunkt
des Prozesses gemäß der Erfindung
zu bestimmen.
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Der
Reinigungsvorgang in der Abscheidungskammer 10 wird nachstehend
erörtert,
wobei ein Wolframreinigungsprozess als Beispiel der Gaszusammensetzung
am Endpunkt des Reinigungsvorgangs und die zugehörigen Drosselventileinstellungen
verwendet werden, um einen konsistenten Kammerdruck aufrechtzuerhalten
und den Endpunkt des Reinigungsprozesses zu bestimmen. Bei dem Reinigungsvorgang
für Wolfram
(W) wird ein Reinigungsgas, vorzugsweise Stickstofftrifluorid (NF3) der Kammer 10 über das
Gasverteilungssystem 18 mit einem ausgewählten Mengenstrom
zugeführt,
vorzugsweise zwischen etwa 100 sccm und etwa 2000 sccm, besonders
bevorzugt von etwa 950 sccm. Während
des Reinigens erzeugt der entfernt liegende Mikrowellenplasmagenerator 116 ein
Plasma des Reinigungsgases (NF3) in der
Kammer 10. Gewöhnlich
wird der entfernt liegende Mikrowellenplasmagenerator 116 bei
Leistungen zwischen etwa 1500 W bis etwa 3000 W, und vorzugsweise
zwischen etwa 2000 W und 2500 W betrieben. Im vorliegenden Fall
reagiert Wolfram, das auch in inneren Kammeroberflächen und anderen
Bauteilen der Behandlungskammer 10 abgeschieden ist, mit
dem Fluor (F), das in dem NF3-Plasma erzeugt
wird, um Wolframhexafluorid (WF6) zu bilden.
Wenn die Reaktion fortschreitet, nimmt der Druck in der Kammer 10 bis
zur Reinigungssättigung
zu. Zur Aufrechterhaltung des gleichen Kammerdrucks öffnet das
Drosselventil 32 allmählich
mehr (d.h. mit den Zunahmeschritten für das Schrittventil), um eine
höhere
Abführrate
zu erhalten, damit der zunehmende Druck in der Kammer 10 abgebaut
wird, bis der Reinigungsprozess gesättigt ist. Die Reaktion zwischen
Wolfram und Fluor setzt sich fort, bis der gesamte Wolframrückstand
mit Fluor reagiert und der Reini gungsvorgang zu einem Ende kommt.
Nach der Reinigungssättigung
schließt
das Drosselventil 32 allmählich (d.h. mit den Abnahmeschritten
für das
Schrittventil), um die Abführrate
aufgrund des abnehmenden Drucks in der Kammer zu verringern.
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Die
Erfindung stellt eine Steuerung bereit, die die Drosselventilstellung überwacht,
um den Endpunkt des Reinigungsprozesses zu bestimmen, der einer
Abnahme der Anzahl von Schritten in der Ventilposition entspricht,
die erforderlich sind, um eine stabile Drosselventilposition zu
erreichen, nachdem der Reinigungsvorgang abgeschlossen ist. Gewöhnlich kann
die Drosselventilposition unter Verwendung vorhandener Hardware
und Software bestimmt werden, die für die Steuerung des Drucksteuersystems auf
eine Genauigkeit von etwa 800 Schritten eingestellt sind, wenn 0
eine vollständig
geschlossene Drossel und 800 eine vollständig offene Drossel darstellen.
Durch Versuche kann ein kalibrierter Datensatz für jeden Abscheidungsprozess
und den entsprechenden Reinigungsprozess zusammengestellt werden,
um die Drosselventilposition entsprechend dem Endpunkt des Reinigungsprozesses
zu bestimmen. Wenn die Daten einmal für einen speziellen Reinigungsprozess
zusammengestellt sind, ist die Steuerung in der Lage, den Endpunkt
des Reinigungsprozesses für
alle folgenden Abläufe
des Reinigungsprozesses durch Überwachung
der Drosselventilstellung zu bestimmen. Wenn der Reinigungsprozess
fortschreitet, überwacht
die Steuerung die Drosselventilposition und beendet den Reinigungsprozess,
wenn die Drosselventilposition der kalibrierten Endpunktdrosselposition
entspricht.
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Wenn
als Reinigungsgas ein Gas vom Fluortyp verwendet wird, steigt der
Kammerdruck während des
Reinigungsprozesses bis zur Reinigungssättigung an und fällt nach
dem Endpunkt des Reinigungsvorgangs ab. Wenn die Reinigungsgasreaktion gewöhnlich eine
Nettomolproduktion von Gas verursacht, wird der Endpunkt der Reaktion
gewöhnlich durch
einen Abfall des Kammerdrucks angezeigt. Es liegt jedoch innerhalb
des Rahmens der vorliegenden Erfindung, dass auch dann, wenn der
Endpunkt durch einen Druckanstieg angezeigt wird, der Endpunkt genau
durch die Drosselventilposition bestimmt werden kann.
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Obwohl
die Erfindung unter Verwendung eines Reinigungsprozesses zum Entfernen
von Wolfram beschrieben ist, zieht die Erfindung auch Reinigungsprozesse
für verschiedene
andere Verunreinigungen und Rückstandsabscheidungen
in der Kammer in Betracht. Insbesondere zieht die Erfindung Filmrückstände aus
der Abscheidung von nicht dotiertem Siliciumdioxidglas (USG), Borsiliciumdioxidglas
(BSG), Phosphorsiliciumdioxidglas (PSG) und Borphosphorsiliciumdioxidglas
(BPSG) in Betracht. Zusätzlich
zu Stickstofftrifluorid und anderen Reinigungsgasen auf Fluorbasis
zieht die Erfindung verschiedene Reinigungsgase in Betracht, zu
denen Argon, Stickstoff, Sauerstoff, Helium und andere Verbindungen,
sowie Kombinationen dieser Gase mit Reinigungsgasen auf Fluorbasis
gehören.
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Obwohl
die vorstehenden Ausführungen
sich auf eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
richten, können
andere und weitere Ausgestaltungen der Erfindung geplant werden,
ohne von ihrem Basisrahmen abzuweichen, der durch die folgenden
Ansprüche
bestimmt wird.