DE1246890B

DE1246890B - Diffusionsverfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE1246890B
Application number: DEW30701A
Authority: DE
Inventors: Dawon Kahng; Anthony Robin Bray
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1960-09-20
Filing date: 1961-09-14
Publication date: 1967-08-10
Also published as: NL268758A; US3149395A; GB998415A; BE607573A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Int. Cl.:

HOIl

C 3 0 B 3 t / 0 2

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT Deutsche Kl.: Mg-11/02

Nummer: 1 246 890

Aktenzeichen: W 30701 VIII c/21 g Anmeldetag; 14. September 1961. Auslegetag: 10. August 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Diffusionsverfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit zumindest einem pn-übergang, insbesondere einer Halbleiter-Diode, bei der die Kapazität des pn-Übergangs stark von der angelegten Sperrspannung S abhängig ist. Eine solche Diode kann als Kondensator aufgefaßt und betrieben werden, dessen Kapazität durch die zugeführte Spannung steuerbar ist; sie «oll daher kurz Kapazitäts-Diode genannt werden. Begreiflicherweise soll das Verhältnis Kapazitäts- to änderung zu Spannungsänderung möglichst groß sein. Kapazitäts-Dioden finden in parametrischen Verstärkern, Generatoren für Harmonische und Abttimmelementen Verwendung.

Diese Eigenschaften der Kapazitäts-Diode rühren von einem speziellen, für den pn-übergang vorgesehenen Dotierungsprofil her, und zwar nimmt auf zumindest einer Seite des pn-Übergangs die Konzentration des hier den Leitungstypus bestimmenden Dotierstoffs mit wachsender Entfernung von der ao Sperrschicht vergleichsweise scharf ab. Ein derartiger pn-übergang kann als »retrograder« pn-übergang bezeichnet weirden.

Ein bekanntes Verfahren zum Herstellen eines pn-Übergangs mit auf einer Seite desselben abfallen- as der DotierstoiFfkonzcntration erfolgt im Ausdampfoder Rückdiliusionsverfahren. Hierbei wird im Prinzip von einem sowohl mit Donatoren als auch mit Akzeptoren dotierten Halbleiterkörper ausgegangen, wobei die Konzentration des einen Dotier- Stoffs, z. B. de* Akzeptors, größer als die des anderen eingestellt and die Diffusionskonstante des vorherrschenden Dotierstoffe, z. B. des Akzeptors, höher als die des anderen gewählt ist. Ersterer bestimmt daher den Leitungstjrpus <p) des HaDbleiterkörpers. Durch anschließendes Erhitzen des Halbleiterkörpen dampft, um beim Beispiel zu bleiben, der Akzeptor wegen seiner höheren Diffusionskonstante an der Oberfläche wesentlich stfirfcer nls der Donator aus. Es bildet sich daher im Oberfilichenbereich des 4« {gleitenden Hsdbleiterkörpers eine o-Zone «ns, also ein dicht unter der Oberfläche verlaufender pn-übergang, wobei die wirksame Stüretellenkonzontration, die Dotieretoff-Diffcrenzkonzcatrotion, auf der η-Seite des Übergangs, ausgehend von der Über« gangsQäche zur Oberfläche hin, zunächst ansteigt und dann wieder abnimmt

ßöf mit aUmtm böknnateii Verfahren auf der einen Seite de« jro-ltjbergange erislelfe Abfeil der Dotierctoffkonzentration mit zunehmender Entfernung von 3« der pn-Übargtängsfläche ist aber nicht sonderlich •teil. Bd Anwendung dieses Verfahrens zur Her· Diffusionsverfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated, New York, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt, Wiesbaden, Hohenlohestr. 21 Als Erfinder benannt: Anthony Robin Bray, Chatham, N. J.; Da won Kahng, Somerville, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 20. September 1960 (57345)

stellung von Kapazitäts-Dioden würden daher nicht sonderlich gute Ergebnisse erhalten.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein Diffusionsverfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit zumindest einem pn-übergang verfügbar zu machen, mit dem ein besonders stark ausgeprägter retrograder pn»Übergang hergestellt werden kann, bei dem also der DoUerstoffkonzentrationsabfall auf zumindest einer Seite des Übergangs besonders steil verläuft.

Die Erfindung besteht bei dem eingangs genannten Verfahren in folgenden Verfahrensschritten:

a) Aufbringen eines ersten, zu einem bestimmten Leitungstypus (z.B. p) führenden Dotierstoffs auf eine Oberfläche eines Halbleiterkörper, der einen zweiten, zum entgegengesetzten Leitungstypus (z. B. n) führenden Dotierstoff enthält, in einer Oberflächenkonzentration, die kleiner als die im Bereich der Oberfläche des Halbleiterkörpers vorhandene Konzentration des zweiten Dotierstoffs ist, wob« die Dotierstoffe so ausgewählt sind, daß die Diffusionskonstante des ersten erheblich größer als die des zweiten ist;

b) Autwuducnlessen einer epitaktischen Schicht auf der Oberfläche des Halbleiterkörper»;

c) nachfolgendes oder gleichzeitig mit dem Verfahrensschrttt b erfolgendes Erwärmen des

TO» 420/4«

Halbleiterkörpers auf Diffusionstemperaturcn in einem Ausmaß, daß in der epitaktischen Schicht ein pn-übergang entsteht, bei dem zumindest auf einer Seite der erste Dotierstoff in einer Konzentration vorhanden ist, die mit zunehmender Entfernung vom pn-übergang rapid ab-' nimmt.

Bekannte Kapazitäts-Dioden zeigen Kapazitätsänderungen, die umgekehrt proportional zur ft-ten

das an der Oberfläche 23 eine diinnc Bor-Diffusionsschicht 22 aufweist.

Die Scheibe wird dann zur Abscheidung einer epitaktischen Schicht präparjeüE; Hierzu wird die boTfeiciiroberfläche sorgfältig poliert, geätzt und gesäubert, bis eine praktisch unbeschädigte Unterlage vorhanden ist, die für ein erfolgreiches Aufwachsen-· lassen einer epitaktischen Schicht notwendig ist. Ob-' wohl das Wachstum dieser Schicht längs jeder gro-

Potenz der angelegten Spannung sind, wobei k etwa to Ben kristallographischen Achse auftreten kann, ist zwischen Vt und Vs liegt. Demgegenüber ist die die bevorzugte Orientierung für das beschriebene

Verfahren eine Hill-Richtung die vorteilhafteste

Größe k bei nach dem vorliegenden Verfahren hergestellten Kapazitäts-Dioden etwa gleich 1, was gleichbedeutend mit einer bedeutend höheren Spannungsempfindlichkeit der Diodenkapazität ist.

Im folgenden ist das Verfahren nach der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben; es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht einer nach dem Verfahren hergestellten Kapazitäts-Diode,

vom Standpunkt der nachfolgenden Behandlung. Deshalb ist die Scheibe ursprünglich aus -einem »5 [lll]-orientierten Block geschnitten. Zur Präparierung der Obeniacne Kann dieselbe mit feinem Siliziumkarbid plangeschliffen werden, in einem Gegenstromverfahren mit einer Mischung aus konzentrierter Salpetersäure und 5"Zo Flußsäure jgeatzt werdeif.

Fig.2Aund2BSchnittansichten der Anordnungen ao dann mit balpeteTsäure gesäubert und mit deionisiernach Fig. 1 in verschiedenen Herstellungsstadien, tem Wasser gewaschen werden. Diese Behandlung

Fig. 3 das Konzentrationsprofil einer retrograden läßt noch einen wesentlichen Anteil der ursprünglich Sperrschicht und " " "

Fig. 4 den Verlauf einer typischen Kapazität-Spannung-Kennlinie einer nach dem vorliegenden as Verfahren hergestellten Kapazitäts-Diode im Vergleich zu entsprechenden Kennlinien bekannter Kapazitäts-Dioden.

Der Halbleiterkörper der Kapazitäts-Diode 10 _____

nach Fig. 1 ist ein im wesentlichen einkristallines 30 migen) siliziumtetrachlorids zum Wasserstoff ist Silizium-Plättchen, das eine den Hauptteil des Platt- Üblicherweise etwa 0,02, kann aber auch im Bereich chens bildende n-Zöne 12 sowie eine p-Zone 14 aufweist, die eine pn-Übergangsfläche 15 bestimmen.
Der pn-übergang ist retrograd, und die den Leitungstypus bestimmende Dotierstoffkonzentration der 3$
Zone 14 nimmt mit wachsender Entfernung von der
pn-Übergangsfläche stark ab. Der pn-übergang 15
liegt dabei in einer auf der Oberfläche des Plättchens
epitaktisch aufgewachsenen Halbleiterschicht. Die
ursprüngliche Oberfläche des Plättchens ist in der 40 zu Stunden dauernden Zeiten durchgeführt werden. Zeichnung durch die gestrichelte Linie 16 angedeutet. Diese Faktoren bestimmen die endgültige Dicke der 'Die n-Zone]L2 enthält eine dUnne Schicht 17, die epitaktischen Schicht, und man erhält bei Verwenzwischen dem pn-übergang 15 und der Ursprung- Wendung eines Siliziumtetrachlorid-Wasserstoff-Verliehen Oberfläche 16 des Plättchens liegt. Der hältnisses von 0,02 bei einer Strömungsgeschwindigpn-Übergang befindet sich in einem mesaähnlichen 43 keit von 11 pro Minute für eine Minute eine Schicht Teil 18 des Plättchens, ein Aufbau, der für Hoch- von etwa 2,5 um Dicke. Wettere Einzelheiten des frequenzdioden der übliche ist Verfahrens und der Apparatur zum Aufwachsen-

Elektroden 19 und 20 bilden ohmsche Kontakte lassen einer epitaktischen Schicht sind in der deutniedrigen Widerstands zu den Zonen 12 und 14. sehen Patentschrift 865160 sowie in der deutschen

Die Herstellung einer Diode dieser Art kann auf so Auslcgeschrift 1163 981 zu finden, folgende Weise geschehen: Es wird von einer mit Im allgemeinen wird^ die epitaktische Schicht Arsen gleichmäßig dotierten einkristallinen Silizium- ~

scneipe ausgegangen. Die Arsen-Konzentration ist dt~ttf"> Atbme/cm³. Vorteilhafterweise sind

die Abmessungen der Scheibe weit größer, als für 55 mit dem vorliegenden Verfahren von Interesse. Im ein einzelnes Element benötigt wird, so daß durch einzelnen ist diese Schicht aus hochwertigem ein

erzeugten borhaltigen Schicht zurück.

Die Scheibe wird dann 30 Minuten lang bei 1200⁰C einem reinen, trockenen Wasserstoff-Strom ausgesetzt. Unmittelbar nach dieser WarmbeHändlung wird die Scheibe bei der gleichen Temperatur einer mit Siliziumtetrachlorid gesättigten Wasserstoff-Atmosphäfe ausgesetzt: tyäT'V'efRaTfnis^cles (gäsför-

von Bruchteilen eines Prozentes bis zu etwa 20 Prozent, je nach Reaktions-Temperatur und -Zeit und Strömungsgeschwindigkeit liegen.

Es sei bemerkt, daß die Wactijstumsgeschwindigkeit der epitaktischen Schicht direkt von der Dauer und der Temperatur des Verfahrens abhängt. Im allgemeinen kann das Wachstum epitaktischer Schichten bei 8S0 bis 1400" C für von Minuten bis

gleichmäßig auf allen Flächen der Scheibe abgeschieden; indessen ist nur die Schicht auf der präparierten Oberfläche 23 der Scheibe in Verbindung

anschließendes Zerteilen viele Einzelelemente verfügbar sind. Üblicherweise hat eine solche Scheibe eine Fläche von ungefähr 40 mm² und ist ungefähr 0,13 mm dick.

Eine Fläche der Scheibe wird dann etwa 1 Stunde lang bei etwa 1200° C einer borhalticen Atmosphäre, vorzugsweise einer Mischung aus. Bortrioxyd und Siliziumdioxyd mit 0,1 bis 0,00.1 Volumprozent öpr-

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kristallinem Material, das die gleiche Orientierung wie die Unterlage hat. Die Schicht würde bei Abwesenheit jeglicher Diffusion aus der Unterlage heraus hohen Widerstand haben. Während des Aufwachsens der epitaktischen Schicht diffundieren jedoch Bor und Arsen in dieselbe ein. Wegen der höheren Diffusionskonstante von Bor neigt dieses zu stärkerem Eindringen in die Tiefe als Arsen. Diese

trioxyo-Anteill, mirflem Ziel ausgesetzt, eine dünne 65 Tiefe sollte ausreichend sein, damit die später an die Dinusionsschi'cht mit einer Borkonzentration von epitaktische Schicht anzubringende Elektrode bis zu etwa 10^M Atomen/cm* zu erzeugen. Fig. 2A zeigt einer borreichen Zone eindringt, die sich in nur ge* das η-leitende Plättchen 21 nach diesem Arbeitsgang, ringem Abstand von der ursprünglichen Oberfläche

efindet. lmi Ergebnis wird eine gleichrichtende Schicht, ein pn-übergang, in der epitaktischen Schicht in geringem Abstand von der ursprünglichen Oberfläche gebildet. Innerhalb der epitaktischen Schicht nimmt die Bor-Konzentration mit wachsender Entfernung von der ursprunglichen Oberfläche stark ab.

Fig. 2B aeigt das Plättchen in diesem Stadium. Auf der ursprünglichen Oberfläche 23 ist eine epi

mäßig starke Kapazitätsänderung bei vorgegebener Änderung der Eingangsspannung erhalten wird.

Demgegenüber zeigen bekannte Halbleiterbauelemente dieser Art Kennlinien, die kennseichnenderweise zwischen den Kurven 42 und 41 liegen, die der Funktion V-"' bzw. V-'" entsprechen. Aus der Kurvenform ist ersichtlich, daß cine weit größere Eingangsspannungsänderung zum Erhalt einer vorgegebenen Änderung der Kapazität bei' den bekann

taktische Schicht aufgewachsen, die eine arsenreiche, io ten Kapazitäts-Dioden erforderlich ist, als bei einer also n-leitencle Zone 24 im Anschluß an die Fläche nach dem vorliegenden Verfahren hergestellten.

23 enthält, gefolgt von einer borreichen, also p-lei- *"*" "' '"—' -. . ·

tenden Außenzone 25. Der pn-übergang liegt zwischen den Zonen 24 und 25.

Das Kapazitätsverhalten, das jede Diode zeigt, hängt von der endgültigen Konzentrationsverteilung des Dotierungsmaterials im Bereich des pn-Über-Es verbleibt noch das Anbringen der Elektroden, is gangs ab. Im einzelnen hängt die Kapazitätskenndas Erzeugen der Mesa-Form und das Zerschneiden linie des Halbleiterbauelements von der Änderung der Scheibe in Einzelelemente. Wie oben erwähnt, ^- «■-'·· · --· ·

dringt die Ansehlußelektrode an der epitaktischen

Schicht, zumeist ein an die Schicht anlegiortcs Aluml-

der Breite des dem pn-übergang zugeordneten Raum' ladungsbereichs als Folge von Spannungsänderungen . ,,-.,, ,. ,, , , „ ^, «»· Wird der pn-übergang durch eine Spannung in

niumtupfelchen, bis zur borreichen Zone vor, Dieses ao Sperrichtung vorgespannt, so werden freie Ladungen

Kontaktieren erfolgt nach üblichen Methoden. Nach von ihren zugeordneten ionisierten Störstellen, die an Ausführung dieser Schritte hat jedes Element die in Fig. 1 gezeigte Gestalt. Gewöhnlich wird dabei die Scheibe in Elemente mit einet* Fläche von ungefähr

den pn-übergang angrenzen, abgezogen. Diese Stör· stellen sind nun nicht mehr abgesättigt, es entsteht daher ein Raumladungsbcreich, dessen Breite sich

0,016 mm^s zerschnitten. aj mit zunehmender Sperrspannung entsprechend

Fig. 3 zeigt das für das Halbleiterbauelement nach erhöht. In einem retrograden Übergang nimmt die

Konzentration des sogenannten Diffusors (beim erläuterten Beispiel die Bor-Konzentration) mit zu-

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nehmender Entfernung vom pn-übergang scharf ab. {

Fig. 1 typische Konzentrationsprofil. Auf der Abszisse ist die Konzentration aufgetragen und auf der

Ordinate die Entfernung von der Oberfläche 16 in _w , _β_.._β _.. Fig. 1, also der Grenzfläche zwischen epitaktischer 30 Als Folge hiervon reicht die Wirkung'einer Erhöhung Schicht und dem ursprünglichen Halbleiterkörper, der Sperrspannung, obwohl ebensoviel ionisierte

wobei der positive Ordinatenast der epitaktischen Störstellen wie in einem gewöhnlichen pn-übergang

Schicht und der negative Ordinatenast dem Ursprung- freigelegt werden, räumlich weiter, um diese Anzahl

liehen Halbleiterkörper zugeordnet sind. Die durch von Störstellen zu finden. Daher vergrößert sich die

die ausgezogene Kurve 31 dargestellte Bor-Konzen- 35 Breite des zugehörigen Raumladungsbcrcichs schnei-'

tration hat an der Grenzfläche 16 zwischen Halb- ler als in Halbleiterbauelementen, die einen normalen

leiterkörper und epitaktischer Schicht ein Maximum pn-übergang haben, und daher nimmt die Kapazität

und fällt mit der Entfernung von dieser Grenzfläche schneller ab.

rasch ab. Der Schnittpunkt der gestrichelt gezeichne- Einige allgemeine Erwägungen sind für das Herten Kurve 32, die die Arsen-Konzentration darstellt, 40 stellen der beschriebenen Halbleiterbauelemente mit der Kurve 31 bestimmt die Lage des pn-Über- wichtig. Zunächst werden das Dotierungsmittel,, gangs 15. Die höhere Konzentration des Dotierungs- nämlich der ursprünglich im Halbleiterkörper vormaterials auf der arsenreichen Seite des pn-Über- handene Dotierstoff, und der Diffusor, nämlich der gangs stellt sicher, daß sich die Raumladungsschicht nachträglich auf die Oberfläche aufgebrachte Dotierweitgehend auf der borreichein Seite des pn-Über- 45 stoff, so ausgewählt, daß der Diffusor eine größere gangs ausgebildet, so daß die Kapazität des pn-Über- Diffusionskonstante als das Dotierungsmittel hat, gangs in der Hauptsache vom retrograden Teil beein- kennzeichnenderweise zwei Größenordnungen, d. h. mißt wird. . ΙΟ*, bezogen auf die relativen Konzentrationen des Fig. 4 zeigt die Spannungsabhängigkeit der Kapa- Diffusors und des Dotierungsmittels. Da jeder der zität, wobei die Kennlinie 40 das typische Verhalten 90 verfügbaren Dotierstoffe individuell geeignet ist, einer nach dem vorliegenden Verfahren hergestellten sollen nachstehend geeignete Dotierstoffpaare für Kapazitäts-Diode wiedergibt. Die Kurve entspricht die einschlägigen Halbleitermaterialien angegeben etwa der Funktion V-*, wodurch, eine verhältnis- werden.

Silizium

Diffusor

Indium
Indium
Bor
Bor

Dotierung

Arsen
Antimon
Arsen
Antimon

Germanium Diffusor Dotierung

Phosphor Phosphor Arsen Arsen

Gallium Indium Gallium Indium

Galliumarsenid Diffusor Dotierung

Zink
Kupfer

Silizium Silizium

Der Diffusor wird vorteilhafterweise so niedergeschlagen, daß seine Konzentration an der Oberfläche etwa zwei Größenordnungen geringer als die Konzentration des Dotierungsmittels ist, höchstens aber 6j die Hälfte beträgt. Dies soll sicherstellen, daß sich

der

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die Raumladungsschicht in erster Linie auf retrograden Seite des pn-Übergangs befindet.

Auch braucht die epitajctisch aufgewachsene Schicht nicht bestimmten Leitungstypus zu haben. Es ist lediglich notwendig, daß die Schicht derart ist,

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daß ihre Durchdringung durch den Diffusor entweder wUhrcnd des epitaktischen Wachstums oder während eines nachfolgenden, gesonderten Heizvorgangs zu einem retrograden Übergang führt. In dieser Hinsicht ist Siliziumtetrachlorid eine bevorzugte Verbindung zum Aufwachsenlassen epitaktischer Schichten auf einer Siliziumunterlage; ganz allgemein können die Halogenide des Siliziums bzw. des Ger· maniums sehr vorteilhaft für das Aufwachsenlassen solcher Schichten verwendet werden. Im einzelnen sind Germaniumtetrachlorid und -jodid beim Aufwachsenlassen epitaktischer Schichten geeignet. Während epitaktische Schichten gewöhnlich aus dem gleichen Halbleitermaterial wie die Unterlage bestehen, können vorliegend hierfür auch unterschiedliche Halbleitermaterialien verwendet werden. Das Verfahren ist zwar an Hand einer speziellen Dioden-Bauart, nämlich der Ktkpaxitäts-Diode, beschrieben worlen, es kann jedoch auch zur Herstellung eines oder mehrerer Teile einer komplizierteren Halbleiteranordnung, die bereits einen pn-übergang hat, oder zur Herstellung anderer Halbleiterbauelementarten verwendet werden.

Claims

' Patentansprüche:

1. Diffusionsverfahren zum Herstellen eines

Halbleiterbauelements mit zumindest einem pn-

. Übergärig, gekennzeichnet durch die

Verfahrensschritte

a) Aufbringen eine« ersten, zu einem bestimmten Leitungstypus (z.B. p) führenden Do-

< '· tierstoffs auf eine Oberfläche (23) eines" lcoTpefS-ffiljrdcr einen zweiten, zum entgegengesetzten Leitungstypus ι (z.B. n) führenden Doticrstofl enthält, in eüMir Oberflachenkonzentration (31), die kleiner ist als die im Bereich der Oberfläche

.,· '· ■ ; de» Halbleiterkörper«, vorhandene Konzen-

tration (32) des zweiten DoticrstolTs ist, wobei die Dotierstoffe so ausgewählt sind, daß die Diffusionskonstante des ersten erheblich größer als die des zweiten ist;

einer epitaktischen *dcT~ü5ertiäche des

b) Aufwachsenlassen
Schicht (24, 25) auf
Halblüterkörpers;

c) nachfolgendes oder gleichzeitig mit dem Verfahrensschritt b erfolgendes Erwärmen des Halbleiterkörpers auf Diffusionstemperaturen in einem Ausmaß, daß in der epitaktischen Schicht ein pn-übergang (26) entsteht, bei dem auf zumindest einer Seite (25) der erste Dotierstoff in einer Konzentration vorhanden ist, die mit zunehmender Entfernung vom pn-übergang rapid abnimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Dotierstoff eine Diffusionskonstante besitzt, die um ein bis zwei Größenordnungen höher als die des'zweiten ist, und daß die Oberflächenkonzentration des ersten Dotierstoffs um mindestens den Faktor 2 kleiner als diejenige des in diesem Bereich des Halbleiterkörpers vorhandenen zweiten Dotierstoffs ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Halbleiterkörper und epitaktische Schicht aus Silizium hergestellt wer-

• den, daß der Halbleiterkörper als zweiten Dotierstoff Arsen enthält und daß auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers Bor als erster Dotierstoff aufgebracht wird. _^^_^

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1243805, 1227508;
britische Patentschrift Nr. 853029. ■

Hientu I Blatt Zeichnung«!

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