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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Struktuieren
eines strahlungsepfindlichen Resists auf einem Halbleitersubstrat
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 8.
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Eine
solche Vorrichtung und das entsprechende Verfahren sind aus dem
Artikel mit dem Titel "High
Throughput Submicron Lithography with Electron Beam Proximity Printing", veröffentlicht
in Solid State Technology, September 1984, Seiten 210-217 bekannt.
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Ein
kritisches Element bei der Herstellung von integrierten Schaltungen
ist die Strukturierung der verschiedenen Schichten auf der Oberfläche des Halbleiterwafers,
der nach der Bearbeitung in die Chips aufgeteilt wird, die die integrierten
Schaltungen darstellen. Die Strukturierung legt die verschiedenen Bereiche
in der integrierten Schaltung fest, wie Ionenimplantationsbereiche,
Kontaktfensterbereiche, Kontaktflächenbereiche usw.; die Bereiche
werden im allgemeinen durch die Übertragung
von Mustern mit geometrischen Formen von einer Maske auf eine dünne Schicht
eines strahlungsempfindlichen Materials ausgebildet, das "Fotolack" genannt wird und
das auf dem Siliziumwafer liegt, in dem die integrierten Schaltungen
erzeugt werden. In der Regel ist das Muster auf der Maske vergrößert und
muß bei
der Übertragung
auf den Fotolack verkleinert werden.
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Gegenwärtig erfolgt
der Musterübertragungsvorgang
generell durch Photolithographie, die für die Übertragung verwendete Strahlung
ist Energie bei optischen Wellenlängen.
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Mit
der Verringerung der Strukturgrößen im Muster
als Folge der höheren
Packungsdichte für
die Schaltungselemente der integrierten Schaltung wurde es erforderlich,
die Wellenlänge
der optischen Strahlung für
die Übertragung
entsprechend zu verringern. Diese Technologie erreicht jedoch jetzt schnell
den Punkt, an dem die optische Strahlung ihren Nutzen für die Strukturierung
des Fotolacks verliert.
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Es
gibt mehrere Alternativen, die für
die Übertragung
von geometrischen Mustern auf einer Maske auf die Fotolackschicht
in Betracht gezogen werden. Darunter fällt die Verwendung von Röntgenstrahlen,
Strahlung im extremen Ultraviolettbereich und Elektronenstrahlen.
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Elektronenstrahlen,
die eine präzise
Steuerung mit feinen Details erlauben, werden gegenwärtig vor
allem bei der Herstellung der Masken für die optische Lithographie
angewendet. Es gibt zwar die Möglichkeit
der Verwendung von Elektronenstrahlen zum direkten Schreiben von
Mustern in Fotolack auf Siliziumwafern, diese Möglichkeit ist jedoch auf kundenspezifische
Schaltungen begrenzt, die in kleinen Stückzahlen hergestellt und zu
sehr hohen Preisen verkauft werden.
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Die
Schwierigkeit bei der Verwendung von Elektronenstrahlen für die Strukturierung
von Fotolack bei der Herstellung von integrierten Schaltungen ist
der geringe Durchsatz in Verbindung mit den relativ hohen Kosten
für Elektronenstrahl-Belichtungssysteme.
Entsprechend wird das Potential von Elektronenstrahl-Belichtungssystemen
für die
Herstellung von integrierten Schaltungen derzeit als niedrig betrachtet,
und die Bemühungen,
kommerzielle Systeme dafür
zu entwickeln, sind gering.
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In
der oben erwähnten
literaturstelle ist ein Elektronenstrahl-Lithographiesystem eschrieben,
bei dem der Elektronenstrahl mit einer Energie von 10 keV betrieben
wird, was zu der Zeit als sehr gering betrachtet wurde, und das
mit einer Schablonenmaske von 2 Mikrometer Dicke arbeitet, eine
Dicke, die kleiner ist als damals üblich, und mit einem Abstand zwischen
der Maske und dem Wafer von 0,5 Millimeter (500 Mikrometer), was
damals als ungewöhnlich nah
angesehen wurde. Der Elektronenstrahl, der einen Durchmesser von
etwa 1 Millimeter (1000 Mikrometer) hatte, was nur einen kleinen
Bruchteil der Fläche
der Maske darstellte, wurde mittels eines ersten Paares von Ablenkspulen
rasterförmig über die
Maske geführt.
Ein zweites Paar von Ablenkspulen diente dazu, den Strahl um einen
Schwenkpunkt in der Ebene der Maske zu kippen. Als Maske wurde ein
Siliziumwafer verwendet, der eine zentrale Membran aufwies, die
auf 2 Mikrometer verdünnt
war. Mit dieser Maske und einer Strahlenergie von 10 keV war es
erforderlich, eine Absorberschicht aus einem geeigneten Metall auf
der Maske anzubringen, um die Elektronen abzufangen, die nicht in
die Öffnungen
in der Maske fielen. Anderenfalls wären diese Elektronen durch
die dünne
Membran der Siliziummaske gelaufen und hätten das im Fotolack zu erzeugende
Muster verwischt. Die Verwendung einer dickeren Siliziummaske hätte es jedoch
erschwert, kleine Linienbreiten zu erhalten, da das Verhältnis der
Linienbreite zur Dicke der Maske, das sogenannte Seitenverhältnis, ungünstiger
geworden wäre.
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Dieser
Artikel wirkte sich jedoch auf die Arbeit im fraglichen Gebiet der
Technik wenig aus, und das Interesse an solchen Proximity-Projektionsbelichtungssystemen
hat seit 1984 stark nachgelassen. Statt dessen wurden für Elektronenstrahl-Belichtungssysteme
allgemein Systeme verwendet mit hochenergetischen Elektronen im
Strahl, damit der Strahl "steif" wird. Ein steifer
Strahl ist einer, dessen Durchmesser gut kontrollierbar ist und
der daher leichter zu fokussieren ist und mit dem schärfere Abbildungen
erzeugt werden können.
Ein steifer Strahl wird auch weniger von Streufeldern beeinflußt. Die Steifigkeit
ist im allgemeinen mit der Energie oder der Geschwindigkeit der
Elektronen im Strahl verknüpft; je
höher die
Energie, desto steifer der Strahl.
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Aus
diesem Grund wurden in der kommerziellen Praxis in der Regel Strahlen
mit wenigstens 50 keV Energie benutzt, um eine gute Auflösung zu
erhalten. Vorrichtungen für
solche Strahlen umfassen im allgemeinen eine Quelle für solche
Elektronen, ein Beleuchtungssystem, das die Elektronen zu einem Strahl
sammelt und fokussiert und den Strahl durch eine Maske führt, und
ein Projektionssystem, das den Strahl durch eine Linse projiziert,
wobei auf diesem Weg das Maskenmuster insgesamt um einen Faktor fünf bis fünfundzwanzig
verkleinert wird, bevor der Strahl auf den Fotolack trifft.
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Mit
dem Ansteigen der Dichte der Schaltungselemente in den integrierten
Schaltungen und der Verkleinerung der Strukturgrößen des Musters im Fotolack
entstehen jedoch mit den Hochenergiestrahlen Probleme. Insbesondere
erhöht
sich der Proximityeffekt, der als Folge der Rückstreuung von Elektronen von
dem darunterliegenden Siliziumwafersubstrat in den Fotolack eine
Deformation des im Fotolack ausgebildeten Musters verursacht. Je
feiner das Muster im Fotolack werden soll, um so mehr Schwierigkeiten
macht dieser Effekt. Es gibt einigen Grund zu der Annahme, daß, wenn
die Beschleunigungsspannung groß genug
gemacht wird, weniger Hochenergieelektronen im Fotolack vorwärtsgestreut werden
und sich die rückgestreuten
Elektronen über einen
größeren Bereich
verteilen, so daß der
Fotolack eine relativ konstante Dosis erhält. Dadurch wird die Korrektur
des Proximityeffekts leichter, auch wenn es unmöglich ist, den Proximityeffekt
vollständig
zu eliminieren. Eine Eigenschaft der Elektronenstrahl-Fotolacke
ist jedoch, daß ihre
Empfindlichkeit mit zunehmender Energie der Elektronen abnimmt, da
die höherenergetischen
oder schnelleren Elektronen weniger Zeit im Fotolack verbringen
und darin weniger Energie verlieren. Entsprechend steigt mit der
Energie der Elektronen der Strom (das heißt die Dichte der Elektronen
im Strahl), der für
eine bestimmte Empfindlichkeit erforderlich ist. Je höher die Dichte
der Elektronen ist, desto größer sind
aber auch Raumladungseffekte innerhalb des Linsensystems, wodurch
sich der Strahl defokussiert, was wiederum zu einem Verwischen des
Musters und zu einer Verschlechterung der Auflösung führt. Auch ist bei großem Strom
die Aufheizung der Maske, des Fotolacks und des Substrats größer und
die Verzerrung des projizierten Musters höher. Um die erforderliche Genauigkeit
zu erhalten, muß daher
der Strom begrenzt werden. Dadurch verringert sich aber der Durchsatz
der Vorrichtung.
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Aus
diesem Grund entstand für
einige Zeit wieder mehr Interesse an Niedrigenergie-Elektronenstrahlen
zum Strukturieren von Fotolack. Der Artikel mit dem Titel "Low Voltage Alternative
for Elektron Beam Lithographie" in
J. Vac. Sci. Tech. B 10 (6), November/Dezember 1992, Seiten 3094–3098 beschreibt
Experimente, die demonstrieren, daß Proximityeffekte durch Elektronen
mit relativ geringer Energie erheblich verringert werden können. Insbesondere
wird angegeben, daß der
Proximityeffekt mit Elektronenstrahlenergien von 2 kV auf einem
Siliziumsubstrat mit einem PMMA-Fotolack von 66 Nanometern Dicke
wesentlich verringert werden konnte. Die Arbeit war vor allem darauf
gerichtet, zu zeigen, daß Niedrigenergie-Elektronenstrahlen
zur Belichtung von Fotolacken mit einer Dicke, die zur Strukturierung
ausreichend ist, verwendet werden können.
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Trotz
dieser Erkenntnisse, daß Niedrigenergie-Elektronenstrahlen
zur Strukturierung von Fotolack verwendet werden können und
sich dabei möglicherweise
auch Vorteile ergeben, ergab sich keine kommerzielle Nutzung mit
Geräten
für große Mengen von
Schaltungen. Erhebliche Entwicklungsbemühungen wurden darauf gerichtet,
eine Niederspannungslithographie mittels eines elektronenoptischen
Rückfelds,
einer Mehrfachanordnung von Miniatur-Elektronenstrahlen oder einer
Mehrfachanordnung von Rastertunnelmikroskopspitzen zu verwenden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eire Vorrichtung und ein Verfahren
für die
Elektronenstrahl-Proximityprojektionslithographie
mit einem ausreichenden Durchsatz und mit ausreichender Genauigkeit
für die
Ausbildung von Nanometerstrukturen bei der Massenproduktion von
integrierten Schaltungen zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wirde erfindungsgemäß mit der
im Patentanspruch 1 angegebenen Vorrichtung. dem im Patentanspruch
8 angegebenen Verfahren gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen System
wird das Muster auf einer Maske, die aus einer dünnen Membran mit einer Dicke
von typisch etwa 0,5 Mikrometern in einem Wafer besteht, der in
der Regel aus monokristallinem Silizium ist, auf einen ultradünnen, elektronenstrahlempfindlichen
Fotolack auf einem Siliziumsubstrat übertragen, wobei der Fotolack
typisch etwa 0,1 Mikrometer dick ist. Die Maske ist eine Schablonenmaske
sehr nahe am Substrat, mit einem Abstand von in der Regel nicht
mehr als einige zehn Mikrometer, etwa fünfzig Mikrometer. Der Elektronenstrahl
wird mit einer niedrigen Spannung beschleunigt, in der Regel etwa
2 keV, und der Strahlstrom ist relativ klein, zum Beispiel etwa
drei Mikroampere. Der Elektronenstrahl wird senkrecht zur Maske
in einem Abtastmuster abgelenkt, das entweder eine Raster- oder
eine Vektorabtastung oder eine verschachtelte Abtastung sein kann.
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Die
Betriebsparameter für
den Elektronenstrahl und die Abmessungen und der Abstand der Maske
relativ zum Substrat sind derart, daß die Rückstreuung von Elektronen aus
dem Substrat in den Fotolack im wesentlich eliminiert ist. Es besteht auch
kein Erfordernis für
eine Schicht aus einem Metall mit hoher Atomzahl auf der Maske,
um die Elektronen zu absorbieren, die nicht in die Öffnungen
der Maske fallen.
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Ein
Merkmal einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Verwendung einer Siliziummaske, die ohne eine
Absorberschicht aus einem anderen Material ausreichend dick ist,
damit der Durchgang von Elektronen verhindert wird, die nicht in
die Öffnungen
der Maske fallen, während
sie andererseits ausreichend dünn
ist, daß ihre Öffnungen
ein genügend
kleines Seitenverhältnis
haben, damit nur wenige Elektronen, die in die Öffnungen in der Maske fallen,
beim Durchgang durch die Öffnungen
von den Seitenwänden
der Öffnungen
aufgefangen werden.
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Ein
weiteres Merkmal der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist,
daß die
Beschleunigungsspannung und die Dicke des elektronenstrahlempfindlichen
Fotolacks so korreliert sind, daß im wesentlichen alle Elektronen,
die auf den Fotolack fallen, auch direkt vom elektronenstrahlempfindlichen
Fotolack absorbiert werden, so daß nur wenige Elektronen, wenn überhaupt
welche, das Substrat erreichen. Dadurch ergibt sich sowohl eine
hoch effiziente Verwendung des Elektronenstrahls zur Sensibilisierung
des Fotolacks als auch eine im wesentliche vollständige Elimination
des Proximityeffekts und des Erfordernisses, diesen zu korrigieren.
Insbesondere ergibt die vorliegende Erfindung Idealerweise die Belichtung
eines Volumens im Fotolack, das in etwa die Form einer Kugel hat,
deren Radius im wesentlichen gleich der Hälfte der Dicke des Fotolacks
ist.
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Unter
dem Vorrichtungsaspekt ist die vorliegende Erfindung auf ein Elektronenstrahl-Lithographiesystem
zur Strukturierung eines Fotolacks auf einem Halbleitersubstrat
gerichtet. Das System umfaßt eine
Quelle für
einen Elektronenstrahl, eine Maske, die im Weg des Elektronenstrahls
angeordnet ist, und eine Einrichtung zum Halten eines mit Fotolack
bedeckten Substrats im Weg des Elektronenstrahl und der Maske. Das
System ist dadurch gekennzeichnet, daß der elektronenstrahlempfindliche
Fotolack ultradünn
ist, daß die
Spannung zur Beschleunigung des Strahls ausreichend niedrig ist,
damit der Proximityeffekt unbedeutend ist, daß die Energie des Strahls ausreichend
klein ist, damit die Aufheizung der Maske, des Fotolacks und des
Substrats ebenfalls unbedeutend ist, und daß die Dichte der Elektronen
im Strahl ausreichend gering ist, damit im wesentlichen keine Raumladungseffekte
auftreten.
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Unter
dem Verfahrensaspekt ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren
zur Strukturierung eines mit Fotolack bedeckten Siliziumsubstrats
bei der Herstellung von integrierten Schaltungen gerichtet. Das
Verfahren umfaßt
die Schritte des Positionierens eines Siliziumsubstrates mit einer
Oberfläche, auf
der sich eine Schicht eines zu strukturierenden elektronenstrahlempfindlichen
Fotolacks mit einer Dicke im Bereich von etwa 0,03 bis 0,3 Mikrometern
befindet, in einem Elektronenstrahlgerät; des Positionierens einer
strukturierten Maske angrenzend an die mit Fotolack beschichtete
Oberfläche
des Siliziumsubstrates in einem Abstand davon von zwischen etwa
10 bis 300 Mikrometern; des Führens
eines Elektronenstrahls über
die strukturierte Maske im wesentlichen senkrecht zur Maske mit
einer Beschleunigungsspannung im Bereich von etwa 1 bis 4 kV und einem
Strahlstrom von bis zu etwa 20 Mikroampere, wodurch der Fotolack
ohne wesentliches Aufheizen der Maske strukturiert wird.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielhaft näher beschrieben.
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Die
einzige Figur der Zeichnung zeigt schematisch ein Niedrigenergie-Elektronenstrahl-Lithographiesystem
zur Erläuterung
der Erfindung.
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In
der Zeichnung ist ein Elektronenstrahlsystem 10 dargestellt.
Das System umfaßt
eine Elektronenkanone 12 mit einer Elektronenquelle 14,
die einen Elektronenstrahl 15 erzeugt; eine Strahlbegrenzungsblende 16 und
eine Kondensorlinse 18, die die Elektronen zu einem parallelen
Strahl von im wesentlichen kreisförmigen (oder einem anderen
geeigneten) Querschnitt formt; ein Abtastprojektionssystem 20 mit
einem ersten und einem zweiten Hauptsatz von Ablenkspulen 22, 24 zum
Ablenken des Strahls als im wesentlichen paralleler Strahl in entweder
einem Raster- oder einem Vektorabtastmodus über und im wesentlichen senkrecht
zu der Oberfläche
einer Maske 30. Die Zeichnung zeigt den Elektronenstrahl 15 in
drei verschiedenen Positionen A, B und C. Das System 10 umfaßt des weiteren
erste und zweite Feineinstellsätze
von Ablenkspulen 51, 52. Die Ablenkspulen 51, 52 werden
dazu verwendet, um den Strahl geringfügig um einen Schwenkpunkt in
der Ebene der Maske zu kippen, um die Ausrichtung der Maske und
des Substrats genau einzustellen und eine Verzerrung des Systems
zu begrenzen. Die Maske 30, die aus einem dünnen Wafer
aus monokristallinem Silizium besteht, ist zentral mit einer dünnen Membran 32 versehen,
die sich in der Mitte davon befindet und die von eine dickeren äußeren Randabschnitt 34 umgeben
ist. Es ist keine Absorberschicht vorhanden, die eine Hauptursache
für Verzerrungen
ist und die bei dem eingangs genannten Stand der Technik wichtig
ist. Etwa 50 Mikrometer unterhalb der Siliziummaske 30 befindet
sich das Werkstück
aus einem relativ großen
Siliziumwafer 40, der von einer ultradünnen Schicht aus einem elektronenstrahlempfindlichen
Fotolack 42 bedeckt ist, der zu strukturieren ist. Der
Fotolack ist typisch etwa 0,1 μm
dick und kann aus einem der Fotolacke bestehen, die bei ultradünnen Dicken
für die
Strukturierung durch einen Elektronenstrahl geeignet sind.
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In
der Regel wird der Siliziumwafer 40 so gehalten (nicht
gezeigt), daß er
schrittweise auf die übliche
Art bewegt werden kann, um aufeinanderfolgende Bereiche des mit
Fotolack beschichteten Wafers 40 nacheinander durch den
Elektronenstrahl mit einer Zeit, die zum Strukturieren des Fotolacks
geeignet ist, zu belichten.
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Das
System 10 umfaßt
auch ein geeignetes Gehäuse
(nicht gezeigt), in der Regel eine vakuumdichte Umhüllung, die
das System umschließt.
Es enthält
auch, obwohl nicht gezeigt, die verschiedenen Elemente, die zum
Erzeugen der Beschleunigungs- und Ablenkspannungen für den beschriebenen
Betrieb erforderlich sind.
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Bei
einer relativ niedrigen Beschleunigungsspannung von zum Beispiel
etwa 2 keV werden die Elektronen im wesentlichen vollständig in
der Fotolackschicht 42 absorbiert, und es können folglich
nur wenige Elektronen vom Substrat 40 zurückgestreut werden,
um den Proximityeffekt zu erzeugen, der das vom einfallenden Strahl
erzeugte Muster verzerren könnte.
Da alle Elektronen ihre Energie im Fotolack abgeben, ist der erforderliche
Strom gering. Wegen des geringeren Stroms auf grund der höheren Empfindlichkeit
des Fotolacks wird eine Aufheizung der Maske durch die einfallenden
Elektronen, die nicht durch die Maske laufen, vermieden. Wegen der
geringen Eindringtiefe des Niedrigenergie-Elektronenstrahls braucht
die Maske keine zusätzliche
Absorberschicht aufzuweisen. Da der Aufheizeffekt klein ist, bleibt
die Maske relativ frei von Verzerrungen, wodurch kein Erfordernis
nach komplexen Hilfsverfahren zur Kompensation von Verwerfungen
der Maske besteht. Da der Aufbau der Maske relativ einfach ist, wird
es leichter, den ganzen Maskensatz für eine integrierte Schaltung
auf einen bestimmten Siliziumwafer aufzusetzen, und die Ausrichtung
von der einen Maskenebene zur nächsten
ist einfacher.
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Bei
Elektronenstrahlbelichtungssystemen sind Ausricht- und Überlagerungsmarkierungen
sowohl auf der Maske als auch auf dem Siliziumsubstrat vorgesehen,
und die Markierungen auf der Maske sind zu den entsprechenden Markierungen
auf dem Substrat auszurichten. Die richtige Ausrichtung wird mittels
der Elektronen festgestellt, die durch die Markierungen auf der
Maske zu den Markierungen auf dem Substrat laufen und die hinter
dem Substrat aufgefangen werden. Dieser Strom, der in das Substrat fließt, ist
in der Regel so klein, daß er
keinen wesentlichen Proximityeffekt verursacht.
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Da
das beschriebene System ein Niedrigenergiesystem ist, verdampft
nur wenig von dem Fotolack oder von einem anderen Material, so daß davon der
Betrieb nicht beeinflußt
wird und keine Wartungsprobleme entstehen.