DE4422472C2 - Einrichtung zum Hochgeschwindigkeitsgasfluß-Aufstäuben - Google Patents
Einrichtung zum Hochgeschwindigkeitsgasfluß-AufstäubenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Hochgeschwin
digkeitsgasfluß-Aufstäuben zum industriellen Aufbringen
sehr reiner und strukturell perfekter Schichten mit einer
Hohlkatode, einer Anode und einer Gaseinlaßvorrichtung für
Inertgas, wobei die Austrittsöffnung des Gas- und Materi
alpartikelstromes aus der Hohlkatode den Substraten gegen
über angeordnet ist. Die Einrichtung ist für Beschich
tungsaufgaben in der Mikroelektronik oder optischen und
metallurgischen Industrie einsetzbar.
Nach dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Ver
fahren und zugehörige Einrichtungen zum Hochgeschwindig
keitsgasfluß-Aufstäuben, auch Gasflußsputtern, reaktives
Gasflußsputtern oder Gas-flow-sputtering (GFS) bekannt.
(Ishii, in J. Vac. Sci. Technol. A7(2), 1989, S. 256 ff
sowie Koch u. a. in J. Vac. Sci. Technol. A9 (4), 1991, S.
2374 ff).
Für industrielle Zwecke wird in der DD 2 94 511 ein Ver
fahren und eine Vorrichtung zum reaktiven Gasflußsputtern
angegeben. Diese Erfindung schlägt u. a. auch eine Lösung
zur Beschichtung großflächiger Substrate vor, bei der eine
gemeinsame Anode und eine matrixförmig angeordnete Viel
zahl von Hohlkatoden, die einzeln oder in Gruppen mit
separaten Spannungsquellen verbunden sind, in einem gas
dichten Kasten angeordnet sind, wobei der Kasten eine
rückwärtige Gaseinströmöffnung für das Inertgas aufweist
und die Einzelkatoden aus einzelnen oder gruppenweise
verschiedenen Materialien bestehen.
Diese Einrichtung ist zur Beschichtung von Substraten ge
eignet, die flächig vor der Hohlkatodenmatrix angeordnet
sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der räumlich
koaxial außerhalb oder axial innerhalb der Hohlkatode
angeordnete Substrate, insbesondere Substratkörper, indu
striell wirtschaftlich beschichtet werden können.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch die kennzeichnenden
Merkmale im Anspruch 1. Bei großflächigen oder länglichen
Substratanordnungen wird die Aufgabe gemäß den kennzeich
nenden Merkmalen nach Anspruch 2 gelöst. Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen 3 bis 11 gekenn
zeichnet.
Der für die Beschichtung relevante Materialpartikelausstoß
aus der bzw. aus den einzelnen Hohlkatoden erfolgt ring
förmig in der Richtung des Inertgasstromes.
Die Anordnung der Substrate kann bei einer Einrichtung mit
einem radial nach außen wirkenden Materialpartikelausstoß
vorteilhaft in bekannter Weise in konzentrischen Substrat
halterungen bzw. Drehkörben erfolgen. Bei einem Materi
alpartikelausstoß, der zentrisch zur Achse der Einrichtung
wirkt, können vorteilhaft band- oder stabförmige Substrate
in der axialen Beschichtungszone angeordnet oder mit
geeigneter Geschwindigkeit durch die Beschichtungszone
hindurchbewegt werden.
Die Katodenplatten sind als Targetmaterial Verschleißteile
und sind leicht auswechselbar an der Einrichtung angeord
net.
Die fertigungstechnische Ausführung der Katodenplatten muß
derart erfolgen, daß die Oberflächen, welche die Hohlkato
de bilden, mit sehr geringen Rauhigkeiten ausgeführt sind.
Anderenfalls kann sich beim Vorhandensein von geringfü
gigen kraterartigen Unebenheiten statt der erforderlichen
Glimmentladung eine Bogenentladung ausbilden, die mit
ihren heißen Spots zur Beschädigung der Einrichtung führen
kann.
Das zusätzliche Anbringen von Bohrungen, Gräben oder
spiralförmigen Nuten in den Oberflächen der Katodenplatten
führt zu sekundären Hohlkatoden und insgesamt zur Stabili
sierung der Glimmentladung in den Hohlkatoden und zur
Erhöhung der Geschwindigkeit der Aufstäubung.
Die Katodenplatten werden vorteilhafterweise mittels eines
Kühlkreislaufes von der Rückseite gekühlt.
Bei der Einrichtung nach Anspruch 2 können die Katoden
platten, die jeweils zwei nebeneinander liegende Hohlkato
den bilden, aus einem Stück bestehen. Es ist jedoch vor
teilhafter, die beiden Katodenplatten einer Hohlkatode
separat und unabhängig von den Katodenplatten der benach
barten Hohlkatode auszubilden und zu haltern. Dabei ist es
vorteilhaft, zwischen den Katodenplatten zweier benach
barter Hohlkatoden eine Kühleinrichtung vorzusehen.
Die Form der wirksamen Katodenplatten kann an die techno
logischen Erfordernisse der Beschichtungsaufgabe frei
angepaßt werden. Regelmäßig werden Katodenplatten in Form
von Kreisringen verwendet. Es ist aber auch möglich,
viereckige Katodenplatten mit zentrischer Bohrung ein
zusetzen.
Für spezifische Aufgaben, insbesondere wenn verschiedene
Targetmaterialien mit unterschiedlicher Abstäubegeschwin
digkeiten erforderlich sind, kann es günstig sein, die
Katodenplatten auch in anderer geometrischer Form, z. B.
sternförmig, auszubilden. Die Form, z. B. der Außendurch
messer, von zwei nebeneinanderliegenden Hohlkatoden kann
ebenso Unterschiede aufweisen, wenn damit in vorteilhafter
Weise die Beschichtung besser an die spezifischen Sub
strate angepaßt werden kann.
Wenn z. B. Mischschichten abgeschieden werden sollen,
können innerhalb einer Hohlkatode die zwei zusammengehö
renden Katodenplatten aus unterschiedlichem Material
bestehen oder es können die Katodenplatten der
benachbarten Hohlkatoden aus unterschiedlichem Material
bestehen.
Die konkrete Ausgestaltung der zentralen bzw. koaxialen
Anode sowie der in gleicher Lage angeordneten Gaszuführ
einrichtung kann in unterschiedlicher Weise erfolgen.
Bei der Einrichtung nach Anspruch 2 ist es wesentlich, daß
sich die Anode und die Gaseinlaßvorrichtung zentral bzw.
koaxial über alle einzelnen Hohlkatoden erstrecken. Vor
teilhaft ist es, die Anode als Einzelanoden auszuführen,
die zentrisch oder koaxial den einzelnen Hohlkatoden
zugeordnet sind. In ähnlicher Weise ist es vorteilhaft,
auch die Gaseinlaßvorrichtung derart auszubilden, daß eine
Vielzahl von radialen Bohrungen oder Ring-spalten jeweils
den einzelnen Hohlkatoden zugeordnet sind.
Wenn die Schichtbildung in einer reaktiven Atmosphäre
erfolgen soll, dann wird das Reaktivgas jeweils außerhalb
der einzelnen Hohlkatode in den Materialpartikelstrom
eingebracht, derart daß der Materialpartikelstrom und das
Reaktivgas auf dem Weg zu den Substraten oder während der
Abscheidung auf den Substraten miteinander reagiert.
Der Abstand der zwei zu einer Hohlkatode gehörenden zwei
Katodenplatten zueinander beträgt üblicherweise zwischen
15 bis 50 mm. Die radiale Tiefe der einzelnen Hohlkatode
beträgt dabei zwischen 0,8 bis 3,5 mal dem Abstand der
Katodenplatten.
Beim Betreiben der vorgeschlagenen Einrichtung nach den
Ansprüchen 1 oder 2 wird zwischen den Katodenplatten und
der Anode bzw. den Einzelanoden eine Spannung zwischen 350
und 1000 V angelegt. Der Gasdruck liegt nicht wesentlich
unter 6 × 10-2 mbar. Unter diesen Bedingungen kommt es
innerhalb jeder einzelnen Hohlkatode zur Ausbildung einer
stabilen und intensiven Entladung mit Stromstärken zwi
schen 5 und 20 A. Die Leistungsdichte am Target liegt
regelmäßig über 8 Wcm-2. Unter derartigen Bedingungen
werden Geschwindigkeiten der Beschichtung bis zu
300 nm/Minute erreicht.
Da das Hochgeschwindigkeitsgasfluß-Aufstäuben in verfah
renstypischer Weise mit relativ hohen Gasdrücken arbeitet,
hat sich der zur Beschichtung relevante Materialparti
kelstrom bereits kurz nach Verlassen der einzelnen
Hohlkatoden zu einem relativ einheitlichen Partikelstrom
aus den beteiligten Targetmaterialien und Gasen formiert.
Die Schichtabscheidung auf den Substraten erfolgt mit
hoher Gleichmäßigkeit, wobei auch unterschiedliche Target
materialien und gegebenenfalls Reaktionsprodukte mit
Reaktivgasen mit außerordentlich guter Homogenität ver
mischt bzw. reagiert abgeschieden werden.
Die Katodenplatten als Target können grundsätzlich aus
allen leitfähigen Materialien hergestellt sein. Die Mate
rialien können direkt als entsprechende Schicht auf den
Substraten abgeschieden werden, aber auch als Mischschicht
oder Schicht aus Reaktionsprodukten mit Gasen oder anderen
Targetmaterialien. Vorzugsweise werden als Targetmaterial
Metalle eingesetzt. Es können aber auch andere leitfähige
Materialien, wie Silizium, Kohlenstoff und Bor, abgestäubt
werden, wobei diese Materialien während, nach und bei der
Abscheidung vorteilhaft mit Gasen in Reaktion gebracht und
als Reaktionsprodukte abgeschieden werden können.
Die räumliche Ausdehnung der erfindungsgemäßen Einrichtung
und zugehörig die Substrate bzw. die Substratträgerein
richtung ist in einem weiten Bereich frei an die technolo
gischen Erfordernisse anpaßbar. Im gleichen Maße wie die
axiale Länge der erfindungsgemäßen Einrichtung vergrößert
wird, kann auch die Substratlage ausgedehnt werden. Bei
relativ kleinen Substraten kann es ausreichend sein, wenn
die Einrichtung gemäß Anspruch 1 nur aus einer Hohlkatode
besteht.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß
eine praktikable und industriell wirtschaftliche Einrich
tung geschaffen wurde, die eine industrielle Beschichtung
einer Vielfalt von Substraten, insbesondere auch von
Substratkörpern, z. B. für die Mikroelektronik, die opti
sche oder metallurgische Industrie, mittels des Hochge
schwindigkeitsgasfluß-Aufstäubens ermöglicht. Je nach der
Struktur der Substratkörper können diese sowohl koaxial
als auch zentral zur erfindungsgemäßen Einrichtung
angeordnet und mit hoher Geschwindigkeit beschichtet
werden.
Die Erfindung soll nachfolgend an drei Ausführungsbei
spielen näher erläutert werden.
Die Zeichnungen zeigen in Fig. 1, zugehörig zum Beispiel
I, eine erfindungsgemäßen Einrichtung mit einer einzelnen
Hohlkatode. Die Fig. 2 und 3 zeigen zugehörig zum
Beispiel II zwei Schnitte einer erfindungsgemäßen Einrich
tung mit mehreren Hohlkatoden und zentrischer Anode sowie
Gaszuführung.
Fig. 1 zeigt, zugehörig zum Beispiel I, eine erfindungs
gemäße Einrichtung im Schnitt mit nur einer Hohlkatode 1.
Die Hohlkatode 1 wird dabei aus zwei Katodenplatten 1a und
1b gebildet. Die Fig. 1 zeigt in der rechten Hälfte einen
Schnitt durch die Gaszuführungsbohrung 6a mit der elektri
schen Verbindung 5 zur Anode 4. In der linken Hälfte der
Fig. 1 verläuft der Schnitt gegenüber der rechten Hälfte
um 90 Grad versetzt durch die Kühlwasserzuleitung 9a. Die
weiteren Einzelteile und angegebenen Positionsnummern
entsprechen denen im Beispiel II und sind dort aus führ
licher beschrieben.
Eine derartig relativ kleine Einrichtung ist vorteilhaft
für die Beschichtung kleinerer Substrate oder für For
schungszwecke geeignet.
In Beispiel II wird eine erfindungsgemäße Einrichtung zum
Hochgeschwindigkeitsgasfluß-Aufstäuben beschrieben, bei
der der Gas- und Materialpartikelstrom radial nach außen
gerichtet ist und die zu beschichtenden Substrate (in der
Zeichnung nicht dargestellt) radial außen, z. B. in be
kannten Drehkörben, angeordnet werden können. Dabei han
delt es sich um eine Einrichtung mit mehreren Hohlkatoden
und radial nach außen gerichtetem Materialpartikelstrom.
Die Gesamtzahl der Hohlkatoden richtet sich nach dem
technologischen Erfordernis. D. h. eine erfindungsgemäße
Einrichtung kann in axialer Richtung mehrere solcher
einzelnen Hohlkatoden aufweisen.
Die zugehörige Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine
erfindungsgemäße Einrichtung in der Ebene der Gaszuführung
und der Stromzuführung für die Anode.
Fig. 3 zeigt einen um 90 Grad gedrehten Schnitt von Fig.
2 in der Ebene der Kühlwasserzu- bzw. Abflußleitung.
Die Fig. 2 zeigt die beiden Endteile der erfindungsgemä
ßen Einrichtung und ein Zwischenteil von mehreren. Im
oberen Teil der Fig. 2 ist eine einzelne Hohlkatode 1
komplett dargestellt. Alle einzelnen Hohlkatoden 1 beste
hen im wesentlichen aus gleichen Hohlkatodenplatten, wobei
die beiden Katodenplatten, die in einer Hohlkatode 1
zusammenwirken, mit Katodenplatten 2a und 2b bezeichnet
sind. Die Katodenplatten 2a und 2b sind im Beispiel kreis
förmige Ringe aus dem jeweils gewählten Targetmaterial.
Innerhalb der zentrischen Bohrung 3 in den Katodenplatten
2a bzw. 2b befindet sich isoliert angeordnet in jeder
einzelnen Hohlkatode 1 eine Einzelanode 4. Die verschiede
nen Einzelanoden 4 sind untereinander mit der elektrischen
Verbindung 5 verbunden. Dabei verläuft die elektrische
Verbindung 5 innerhalb von zwei Gaszuführungen 6a und 6b.
Die Zufuhr von Inertgas zu den Hohlkatoden verläuft über
die Gaszuführungsbohrung 6a bzw. 6b und mündet über Rings
palte 7 (siehe auch Fig. 3) zwischen der Einzelanode 4
und den Isolierringen 8 in die Hohlkatode 1.
Die gesamte erfindungsgemäße Einrichtung ist außen, ausge
nommen der Bereich, in dem der Materialpartikelstrom die
Hohlkatoden verläßt, mit einer elektrischen Abschirmung 13
versehen, damit es zu keiner unerwünschten elektrischen
Entladung kommt.
Die Fig. 3 zeigt einen um 90 Grad gedrehten Schnitt durch
Fig. 2. In dieser Schnittebene befinden sich die Kühl
wasserzuleitung 9a und die Kühlwasserableitung 9b. Im
Bereich der Einzelanoden 4, wo auch die Ringspalte 7 für
die Inertgaszuführung verlaufen, sind die Kühlwasserzu-
und Ableitungen 9a und 9b jeweils über Isolierrohre 10
geführt. Die Kühlung der Katodenplatten 2a und 2b erfolgt
jeweils sehr intensiv von der Rückseite, die über eine
dünnwandige Abdichtung 11 nahezu direkt am Kühlwasserstrom
im Kühlwasserraum 12 anliegt.
Im Beispiel II beträgt der Abstand der Katodenplatten 2a
und 2b zueinander 30 mm. Der Durchmesser der zentrischen
Bohrung 3 wurde mit 75 mm und der Außendurchmesser der
Katodenplatten 2a und 2b mit 200 mm gewählt. Dabei handelt
es sich um eine industriell sehr praktikable Einrichtung
mit denen Substrate in einer Substrathalterung wirtschaft
lich beschichtet werden können.
Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Hoch
geschwindigkeitsgasfluß-Aufstäuben wird zu Beginn der
Kühlwasserstrom, über die Kühlwasserzu- und Ableitung 9a
und 9b und die Inertgaszuführung über die Gaszuführungs
bohrungen 6a und 6b sowie die Ringspalte 7 eingestellt.
Danach wird zwischen der Anode 4 und den Katodenplatten 2a
und 2b eine erforderliche Spannung eingestellt. Diese
liegt üblicherweise zwischen 500 und 750 Volt. Der Gas
druck wird derart eingestellt, daß in der Hohlkatode ein
Druck von ca. 5 × 10-1 mbar vorhanden ist. Unter diesen
Bedingungen kommt es zur Hohlkatodenglimmentladung zwi
schen den beiden Katodenplatten 2a und 2b und in der Folge
zu dem gewünschten Abstäuben des Targetmaterials, d. h.
des Materials der Katodenplatten 2a und 2b.
In Fig. 2 ist schematisch der Weg eines bei der Glimment
ladung abgestäubten Atoms A dargestellt, welches über den
Inertgasstrom, der radial vom Ringspalt 7 nach außen
führt, ebenfalls nach außen getrieben wird und sich letzt
lich vorwiegend auf den Substraten abscheidet. Die in der
Zeichnung nicht dargestellten Substrate können in bekann
ter Weise koaxial zur Einrichtung in einem Substratkorb
angeordnet werden, der auch drehbar sein kann. Der Abstand
der Substrate zum äußeren Rand der Katodenplatten beträgt
etwa 50 bis 250 mm. Im Beispiel I kann der Durchmesser der
Substrathalterung somit bis 700 mm betragen. Die Beschich
tung der Substrate erfolgt im wesentlichen gemäß den
verfahrenstypischen Parametern des Hochgeschwindigkeits
gasfluß-Aufstäubens.
Im Beispiel II ist einrichtungsmäßig keine Reaktivgaszu
führung zur Schichtabscheidung in reaktiver Atmosphäre
dargestellt. Das läßt sich aber vorteilhaft realisieren,
wenn ein erforderliches Reaktivgas zwischen der elektri
schen Abschirmung 13 und den Katodenplatten 2a und 2b
eingelassen wird.
Als Beispiel III soll eine Ausführung der erfindungsgemä
ßen Einrichtung mit koaxialer Anordnung der Anode und der
Gaszuführung nur kurz beschrieben werden. Die praktische
Ausführung kann weitgehend äquivalent zu den Beispielen I
und II erfolgen.
Der wesentlicher Unterschied gegenüber den Beispielen I
und II besteht darin, daß der Raum innerhalb der zentri
schen Bohrungen in den Katodenplatten frei ist und darin
der zu beschichtende Substratkörper gehaltert oder langsam
hindurchgeführt werden kann. Alle übrigen Elemente, wie
Anode (Einzelanode 4), die elektrische Verbindung (5), die
Inertgaszuführung (Gaszuführungsbohrungen 6a und 6b) mit
den Gaseinlaßöffnungen in die Hohlkatode (Ringspalte 7)
und die Kühlwasserzu- und Abführleitungen (9a und 9b) sind
nicht zentral innerhalb der zentrischen Bohrung (3)
sondern koaxial radial außerhalb der Katodenplatten (2a
und 2b) angeordnet.
Der Gasstrom durch die Hohlkatode (1) verläuft dadurch
gegenüber den Beispielen I und II in entgegengesetzter
Richtung. Er ist von außen nach innen zur zentrischen
Bohrung (3) gerichtet. Damit ändert sich auch der Materi
alpartikelstrom in Richtung auf das Zentrum der Einrich
tung, d. h. auf die zentrisch angeordneten Substrate hin.
Ein derartige Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung
ist besonders für die Beschichtung von stab- oder band
förmigen Substraten vorteilhaft, die mit geeigneter Ge
schwindigkeit durch das Zentrum, d. h. innerhalb der
zentrischen Bohrung (3), hindurchbewegt werden. Die Be
schichtung erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel mit
extrem hoher Geschwindigkeit, da kaum Streubeschichtungen
an übrigen Einrichtungsteilen auftreten.
Claims (11)
1. Einrichtung zum Hochgeschwindigkeitsgasfluß-Aufstäuben
mit einer Hohlkatode, die aus zwei axial auf Abstand
zueinander angeordneten Katodenplatten gebildet wird,
welche zentrische Bohrungen aufweisen, und einer Anode
sowie einer Gaseinlaßvorrichtung für Inertgas, die beide
gemeinsam entweder in der Achse der zentrischen Bohrungen
in den Katodenplatten angeordnet sind, derart daß der
Gas- und Materialpartikelstrom allseitig radial nach
außen gerichtet ist, wobei sich die Substrate koaxial
außerhalb der Hohlkatode befinden, oder daß die Anode und
die Gaseinlaßvorrichtung gemeinsam koaxial am äußeren
Rand der Hohlkatode angeordnet sind, derart daß der Gas-
und Materialpartikelstrom allseitig radial nach innen
gerichtet ist, wobei sich die Substrate innerhalb der
zentrischen Bohrungen in den Katodenplatten befinden.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
in der Achse der zentrischen Bohrungen in den Katoden
platten eine Vielzahl gleicher oder geometrisch unter
schiedlicher Hohlkatoden aneinandergereiht sind und die
Substrate sich zur jeweiligen Gesamtanordnung koaxial
außerhalb der Vielzahl der Hohlkatoden befinden bzw.
axial innerhalb der zentrischen Bohrungen befinden.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gaseinlaßvorrichtung jeweils zugeordnet zu den ein
zelnen Hohlkatoden eine Vielzahl von radialen Bohrungen
oder Ringspalte aufweist.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
als Anode jeweils Einzelanoden zentrisch bzw. koaxial den
einzelnen Hohlkatoden zugeordnet sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
einzelne oder mehrere Einzelanoden separaten Stromquellen
zugeordnet sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Oberflächen der Katodenplatten, die der
Hohlkatode zugewandt sind, Aussparungen zur Bildung von
sekundären Hohlkatoden wie Bohrungen, Gräben oder spiral
förmigen Nuten aufweisen.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Katodenplatten an einen Kühlkreislauf ange
schlossen sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die zwei Katodenplatten, die zu einer Hohlkatode
gehören, aus zwei unterschiedlichen Materialien, vorzugs
weise aus Kombinationen der Metalle Titan, Zirconium,
Chrom, Aluminium, Vanadium und Hafnium oder Silizium,
Kohlenstoff und Bor bestehen.
9. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Katodenplatten, welche verschiedene Hohlkatoden bil
den, unterschiedliche Geometrien, insbesondere einen
unterschiedlichen Außen- und Bohrungsdurchmesser, auf
weisen.
10. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Einrichtung, ausgenommen im Bereich der Aus
trittsöffnung des Gas- und Materialpartikelstromes mit
einer elektrischen Abschirmung (13) umschlossen ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß außerhalb der Austrittsöffnung des Gas- und
Materialpartikelstromes eine Reaktivgaszuführung vorhan
den ist.
Priority Applications (1)
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DE19944422472 DE4422472C2 (de) | 1994-06-28 | 1994-06-28 | Einrichtung zum Hochgeschwindigkeitsgasfluß-Aufstäuben |
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