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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Zu den Hauptaufgaben der Vorrichtung gehören das Tragen und Halten der Substrate, das Positionieren zu in räumlicher Nähe angeordneten Beschichtungseinrichtungen, der Transport zwischen diesen Einrichtungen mittels Drehung sowie die Drehung der Substrate selbst.
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Die für die Erfindung relevante Drehtellervorrichtung rotiert um die eigene Achse (Hauptdrehung). Auf dem Drehteller sind Träger drehbar gelagert befestigt, die wiederum um die eigene Achse rotieren (Nebendrehung); die Träger sind für die Aufnahme von Gegenständen vorgesehen. Haupt- und Nebendrehung verlaufen teilweise mit Unterbrechungen und sind auf die nebenstehenden Prozesseinrichtungen räumlich und bezüglich des Drehverhaltens ausgerichtet, um die Gegenstände in vorgesehene Positionen zu bringen.
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So kennt man zu etablierten Beschichtungsverfahren wie beispielweise zum Spritzen mit Lackfarben, Vorrichtungen mit Trägern (Roste), auf denen kleine Bauteile abgelegt, die Träger zu den Lackiereinrichtungen hin- sowie abtransportiert und dabei die Träger oder die Bauteile gedreht werden. Durch die in Abfolge angeordneten Lackiereinrichtungen ist entweder die Schichtenfolge mit unterschiedlichen Farbmitteln (Grundierung, Endanstrich) sichergestellt oder auch, dass der zu beschichtende Körper einen gleichmäßigen Farbauftrag erfährt. Den Körper oder dessen Träger dabei zu drehen, ist zudem bekannt, und auch, die Träger in einer Kreisbahn (Karussell, Teller) zu bewegen. In der Hartstoffbeschichtung für Werkzeuge (z. B. Bohrer) kommen unter anderem solche Vorrichtungen zum Einsatz.
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Beschichtungsverfahren haben einen Stand erreicht, in dem Materialien in Schichtform im Mikro- und Nanometerbereich (Schichtdicke, Kanalbreite) auf Trägermaterialien abgeschieden werden können. Was die Entwicklung der Mikroelektronik an Beschichtungen hervorbrachte (z. B. Sputtern, PVD), nutzt man in größeren Anlagen, beispielsweise zur Behandlung von Glas. Derartige Halbleiter-Beschichtungs-Verfahren sind zumeist an Prozessbedingungen unter Vakuum gebunden und daher wegen einer erforderlichen Kammer bzw. Prozesskammer hinsichtlich der Abmessungen behandelbarer Gegenstände räumlich begrenzt. Es ist gegenwärtig, dass bei evakuierten Prozesskammern der Transport der zu beschichteten Gegenstände aus verschiedenen Gründen (Befestigung, Zustellbewegung, Schleusen) eine Herausforderung darstellt. Auch lassen sich für Verfahren unter Vakuum anwendbare Mittel nicht zwangsläufig aus entfernten Anwendungsbereichen des Standes der Technik übernehmen (beispielsweise wegen Materialeigenschaften und Verschmutzung).
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Dem Erfindungsgedanken ging voraus, eine Vorrichtung zum Beschichten von Körpern bzw. Bauteilen (hier Substrate), zu finden, und zwar so, dass sie unter Vakuum einsetzbar ist bzw. sich für eine das Vakuum bereitstellende Prozesskammer eignet. Die eingangs beschriebene Drehtellervorrichtung mit Haupt- und Nebendrehung kommt diesem Streben, möglichst umseitig zu beschichten, entgegen und auch, dass es bereits Drehtellervorrichtungen innerhalb von Prozesskammern gibt, wobei mittels externen Antriebs (außerhalb der Prozesskammer) die hier angesprochene Hauptdrehung realisiert ist. Naheliegende Ansätze, die Nebendrehung unter Vakuumbedingungen einzuführen, ist problematisch aus Gründen wie folgt:
Ein Motorantrieb innerhalb der Prozesskammer ist aufgrund seiner verunreinigenden Nebenwirkungen schädlich für den Prozess und daher nahezu ausgeschlossen. Einen separaten Motorantrieb außen vorzusehen, hätte eine weitere sehr aufwändige Dichtung zur Folge oder stellt bezüglich Dichtheit eine weitere Schwachstelle dar. Ähnlich wäre es mit dem Abdichten des Vakuums, wenn über einer doppelwandigen Antriebsachse (Hauptachse) die Nebendrehung von außen nach innen gelänge. Der Druckschrift
US 4 485 759 A ist eine Vorrichtung für die PVD-Beschichtung entnehmbar, mit der sich Substrate wie beispielsweise Metallbohrer beschichten lassen. Dazu werden Halter mit mehreren senkrecht stehenden Substraten auf einer kreisrunden Bahn an einer Beschichtungsquelle vorbei bewegt. Der Halter selbst wird beim Durchlaufen eines Drehmechanismus axial anteilig gedreht – beispielsweise um eine Vierteldrehung –. Um damit eine umseitige Beschichtung zu erreichen, sind mehrere Umdrehung, die der Halter auf der Kreisbahn beschreiben muss, notwendig. Nachteilig kommt dem hinzu, dass das Substrat pro Umdrehungen lediglich flächig anteilig eine Beschichtung erfährt und sich somit die Schicht insgesamt aus im zeitlichen Abstand nacheinander Aufgetragenen zusammensetzt.
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Nach Verfahren und Vorrichtung aus
DE 198 11 873 A1 lassen sich auf drehbar gelagerten Trägern aufgelegte Substrate mittels einer ersten Dreheinrichtung durch Rotation zu Beschichtungseinrichtungen in Position bringen. Eine zweite Drehung des Trägers mit Substrat um dessen Achse nimmt ein weiterer Antrieb vor. Dieser überträgt durch die Kammerwand hindurch, beispielsweise über magnetische Kräfte, die Drehbewegung derart, dass in der Position der Beschichtungseinrichtung der Träger in der Kammer eine Rotation erfährt, die außerhalb der Kammer angeregt ist. Demnach sorgt für die Zustellbewegung der Substrate zur Sputterquelle in der Kammer ein direkt verbundener Antrieb außerhalb der Kammer, wohingegen für das positionierte Substrat während des Sputterns ein indirekter Antrieb mit zwischengelagerter Kammerwand zum Einsatz kommt. Neben der Verwendung mehrerer Antriebsmittel wie Motoren erscheint es nachteilig, dass die Drehbewegung des Substrats aufgrund der mechanisch entkoppelten Übertragung außerhalb der Kammer nicht exakt vorgebbar oder bestimmbar ist. Dem Gewicht behandelbarer Substrate sind technische Grenzen gesetzt. Das insbesondere dann, wenn die magnetische Wirkung des Antriebes den Sputterprozess beeinträchtigen würde.
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Aus
US 2006/0054494 A1 ist bekannt, auf einer Kreisbahn bewegte Substrate, die dabei selbst rotieren können, einem Beschichtungsort mit Beschichtungsquellen zuzuführen. Der zur kreisenden Bewegung zentrisch gedrehte Arm versetzt den Substratträger nebst Substrat in eine Planetenrotation. Ohne weitere technische Vorsehungen ist hier die Rotationsgeschwindigkeit des Substrates linear abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit des Armes. Das Verhältnis beider Rotationsgeschwindigkeiten wäre zwar konstruktiv vordefinierbar, jedoch nicht für Beschichtungsorte auf einer Kreisbahn variabel. Auch gelingt es mit dieser Lösung nicht, dass das Substrat bei angehaltenem Arm rotiert.
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Ein Verfahren zum Beschichten von Substraten mittels ein oder mehrerer Plasmen lehrt
DE 10 2008 060 838 A1 . Vorgesehen sind dabei unter anderem stehend rotierende zylindrische Halter mit auf deren Oberfläche anliegenden flachen Substraten. Derartige Substrathalter können nach einer weiteren Ausführungsform, weiterhin selbst rotierend, auf einer Kreisbahn durch einen Drehteller geführt sein, sodass in der Vorrichtung zwei Drehbewegungen vollzogen sind. Nach einer weiteren Darstellung ist auch eine dritte Drehbewegung angeregt, wobei gedanklich den einzelnen Substrathalter eine Gruppe von Substrathaltern auf einer Art Teller, der gehalten auf dem drehenden Drehteller selbst, wie auch der Substrathalter, rotiert, ersetzt. Auf einer detaillierten Ausführung zu mechanischen Mitteln für Substrathalterung und -drehung lag ziel- und offenbarungsentsprechend kein weiterer Fokus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehtellervorrichtung mit Nebendrehung zu schaffen, die die bislang bekannten Probleme überwindet.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Die Erfindung geht von einer Drehtellervorrichtung für eine Prozesskammer mit Prozess- und Schleusenabschnitten aus. Die Drehtellervorrichtung besteht aus einem Hauptdrehteil mit Scheibe und Welle und ist vorgesehen für den Transport innerhalb der Prozesskammer zwischen den Prozess- und Schleusenabschnitten. Zudem ist sie vorgesehen für die Aufnahme von Substratträgern. Damit ist realisiert, dass die über Schleusen in und aus der Prozesskammer gelangenden Substratträger mit Substraten innerhalb der Prozesskammer auf dem Drehteller gehalten sind. Kennzeichnend ist, dass der Hauptdrehteil aus Antriebsplatte, -welle und -rad besteht, dass auf der Antriebsplatte über Lager ein Drehteller um die Achse der Antriebswelle drehbar gelagert ist, dass auf dem Drehteller ein aus Sonnenrad, Planetenrad und Hohlrad bestehendes Planetengetriebe eine feste Verbindung zwischen Sonnenrad und dem darunter liegenden Drehteller aufweist, dass auf dem Sonnenrad das Hohlrad durch Lager drehbar gehalten ist, dass sich im Hohlrad ein Drehlager mit Achse zwischen Planetenrad und dem darüber positionierten Substratteller mit Substrat befindet, dass das aus dem Drehteller herausragende Antriebsrad das Hohlrad an seinem Außenrad, wo beide Mittel zum Übertrag von Drehbewegungen wie Rutschkupplung oder Zähne zeigen, berührt und dass am Drehteller selbst Mittel zur lokalen Arretierung gegen Verdrehungen bestehen.
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So stellt sich der Effekt ein, dass bei drehendem Hauptdrehteil der Drehteller, sofern nicht gehalten, ebenso dreht, wobei bei Substratteller und Hohlrad eine Eigenrotation ausbleibt, wogegen bei Festhalten des Drehtellers bzw. bei einer Drehbewegung entgegen der des Hauptdrehteils Substratteller und Hohlrad um die jeweils eigene Achse rotieren. Damit sind drei Rotationsbewegungen (Hauptdrehung, Nebendrehung mit gekoppelter Substratdrehung) innerhalb der Prozesskammer über ausschließlich eine Antriebswelle von außen auferlegbar; es genügt eine Dichtvorrichtung an der Antriebswelle.
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In einer Ausführungsform sind als Mittel zur lokalen Arretierung des Drehtellers an dessen Rand mindestens eine Ausklinkung sowie eine gegenüber dem Hauptdrehteil statisch gehaltene Sperrklinke mit Rolle und Feder vorgesehen. So ergibt es sich, dass in einer Drehrichtung die durch Sperrklinke und Feder an den Rand des Drehtellers gedrückte Rolle der Randstruktur des Drehtellers mit der Ausklinkung folgt und in der entgegengesetzten Drehrichtung die Sperrklinke mit Rolle und Feder nach einer Teildrehung und einem Einrasten das weitere Drehen des Drehtellers blockiert.
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In einer alternativen Ausführung ist die Sperrklinke mit Rolle und Feder durch elektromechanische Mittel unterstützt oder in Teilen ersetzt und es sind für die Ansteuerung der elektromechanischen Mittel optische Sensoren platziert.
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In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung der Erfindung sind zum Erkennen der Drehtellerposition die Ausklinkungen in ihrer Länge unterschiedlich derart vorgesehen, dass sich an den Ausklinkungen mittels optischer Sensoren oder anhand der Sperrklinkenbewegung die Drehtellerposition bezüglich der Ausklinkungen ausmachen lässt. Das ist dahingehend hilfreich, dass sich mit den ermittelten Positionen die Wechsel der Drehrichtung bewirken lassen.
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Vorteilhafterweise sind die Mittel zur lokalen Arretierung des Drehtellers gegenüber der Drehtellervorrichtung elektrisch isoliert, wozu die Rolle und/oder die Sperrklinke aus einem Kunststoff bestehen/besteht.
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Darauf aufbauend ist es von Vorteil, dass die Drehtellervorrichtung elektrisch gegen die Prozesskammer isoliert ist und sie zum Anlegen eines elektrischen Potentials einen elektrischen Kontakt zu einem Bauteil der Drehtellervorrichtung und damit indirekt zum Substrat aufweist.
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Es bietet sich weiter an, dass der elektrische Kontakt an der Antriebswelle außerhalb der Prozesskammer vorgesehen ist.
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Zweckmäßigerweise ist in der Prozesskammer mindestens eine Prozessvorrichtung oberhalb der Drehtellerebene angeordnet und in Richtung der Substrate zu deren Behandlung ausgerichtet. Beispielsweise lassen sich auf das Substrat seitlich einwirkende Prozessvorrichtungen um die Drehtellervorrichtung herum anordnen und beispielsweise zur Drehachse hin ausrichten. Ebenso können Prozessvorrichtungen zur Drehtellerebene hin zielen; winklige Anordnungen sind nicht ausgeschlossen.
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In einer weiteren Form der Ausgestaltung der Erfindung ist eine Prozessvorrichtung als Sputtervorrichtung oder Ionenstrahlkanone ausgeführt.
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In einer prozessabhängigen Sonderform ist die Prozessspannung für die Prozessvorrichtung, wie exemplarisch die Bias-Spannung für die Sputtervorrichtung, beziehungsweise ein Potential dieser Spannung zum Substrat über den elektrischen Kontakt zugeführt.
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Es bietet sich nach dem Vorhergehenden an, dass das Potential am Substrat wahlweise mehreren Prozessvorrichtungen durch Umschalten zur Verfügung steht. Dafür ist das Potential am Substrat positionsbezogen zur Prozessvorrichtung vorbestimmt über einen Umschalter bereitgestellt. Was bedeutet, dass sich je nach Drehtellerposition, die die Substratposition vorgibt, das Substrat in einer behandlungswirksamen Prozessvorrichtung befinden kann, der nach Drehtellerposition das prozessrichtige Potential mittels eines Umschalters eingespeist wird. Sofern keine Prozessvorrichtung aktiv ist, ließe sich das Potential der Kammerwand verwenden.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass zwei Sputtervorrichtungen so angeordnet sind, dass der Sputterfluß der ersten Sputtervorrichtung parallel zur Oberfläche des Drehtellers und der Sputterfluß der zweiten Sputtervorrichtung orthogonal zu dieser Oberfläche ausgerichtet sind.
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Zudem auch, dass zur ortsgleichen Prozessbehandlung der Substrate die zweite Sputtervorrichtung räumlich mit der Ionenstrahlkanone zusammenstehend angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise ist das Hauptdrehteil höhenverstellbar ausgeführt.
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Begünstigend wirkt für einen Austausch der Substrate in die und aus der Prozesskammer, dass der Drehteller nach oben abnehmbar ist und zudem, dass das Hohlrad oder der Substratteller nach oben abnehmbar ist.
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In einer praktischen Ausführungsform sind auf dem Drehteller vier Hohlräder mit jeweils fünf Substrattellern angeordnet.
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Unter Substraten sind Bauteile beispielsweise aus Metall zu verstehen, die entweder wenige Millimeter bemessen oder auch den Substratteller nahezu vollständig flächig beanspruchen. Konkret ist das durch die Abmaße des Substrattellers bzw. der gesamten Drehtellervorrichtung vorgegeben. Beispiele für vergleichbare Substrate sind Bohrer, Lagerwalzen und Wellen.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden und anhand der beiden Zeichnungen:
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1 Drehtellervorrichtung – Seitenansicht
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2 Drehtellervorrichtung – Draufsicht
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Es zeigt 1 die Drehtellervorrichtung in der seitlichen Ansicht als Schnittdarstellung. Auf der Antriebswelle 2 ist die Antriebsplatte 1 befestigt und auf dieser das Antriebsrad 3. Die auf der Antriebsplatte 1 gehaltenen Lager 6 stützen den Drehteller 4 ab. Das Planetengetriebe aus Sonnenrad 5, Planetenrad 8 und Hohlrad 11 ist auf dem Drehteller 4 über das dort befestigte Sonnenrad 5 gehalten. Planetenrad 8 und Substratteller 9 verbindet eine im Hohlrad 11 gehaltene bzw. gelagerte Achse (senkrecht). Das Hohlrad 11 tragen Lager 7 über dem Sonnenrad 5. Mit dem Planetengetriebe ist für den seitlichen Halt und insbesondere für den Kontakt zwischen Antriebsrad 3 und Hohlrad 11 gesorgt, wobei eine Eigenrotation des Hohlrades 11 zwangsläufig zur Eigenrotation des Substrattellers 9 inklusive der Bewegung der Substrate 10 führt. Das ist nur der Fall, wenn die Antriebskomponenten (Platte 1, Welle 2, Rad 3) und Drehteller 4 mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen odergegengerichtet. Es ist eine Frage des Trägheitsmomentes zwischen Antriebsrad 3 und Hohlrad 11, welche Kräfte genügen, damit sich ungleiche Drehzahlen einstellen. Die Übertragung der Drehbewegung zwischen Antriebsrad 3 und Hohlrad 11 ist dafür ebenso relevant wie die geometrischen Abmessungen der Teile.
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2 zeigt die Draufsicht auf die Drehtellervorrichtung, wobei das Hohlrad 11 mit Sichten auf unterschiedliche, zum Teil geschnittene Ebenen aus der Figur hervorgeht. Bezogen auf 1 ist hier von den Antriebskomponenten (Platte 1, Welle 2, Rad 3) lediglich das Antriebsrad 3 mittig sichtbar. Die Übrigen verdeckt der Drehteller 4. Zweifach gleich (oben und rechts) ist der Aufbau des Planetengetriebes mit Sonnenrad 5 und Planetenrad 8 durch einen Schnitt durch das Hohlrad 11 verdeutlicht. Die Draufsicht auf eine nächste Ebene (unten) lässt den Substratteller 9 erkennen, der hier in einem Fall Substrate 10 trägt. Mit Pfeilen im Bereich des genannten Substrattellers 9 sind mögliche Drehbewegungen skizziert; so auch am Rand des Drehtellers 4. Das Hilfsmittel zum Halten des Drehtellers 4 – zumindest in einer Drehrichtung – ist mit Rolle 13, Sperrklinke 14 und Feder 15 beispielhaft angedeutet. Die Rolle 13 befindet sich in diesem Beispiel in der Ausklinkung 12; würde damit den Drehteller 4 an einer Drehung im Uhrzeigersinn hindern. Hingewiesen sei darauf, dass die Ausklinkungen 12 hier unterschiedliche Längen haben. Dreht man den Drehteller mit konstanter Geschwindigkeit vorwärts und tastet die Stellung der Sperrklinke 14 elektrisch ab, so lässt sich anhand der elektrisch bestimmten Impulslänge auf die Position schließen. Eine Rückwärtsdrehbewegung nach dem „Ertasten” der entsprechenden Ausklinkung 12 positioniert dann den Drehteller an der gewünschten Stelle und folglich setzt die Neben- und Substratrotation ein (Beispielsweise Vierteldrehung-Drehteller und Volldrehung-Hohlrad je in Folge). Skizziert sind auch die Prozessvorrichtungen 16 mit der Sputtervorrichtung 16.1 zum horizontalen Sputtern, der Sputtervorrichtung 16.2 zum vertikalen Sputtern (Top-Down) und der Ionenstrahlkanone 16.3. Die Sputtervorrichtung 16.2 überdeckt in dieser Darstellung (links) das Hohlrad 11.
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Weniger detailliert sind Mittel zum Übertrag der Drehbewegung zwischen Antriebsrad 3 und Hohlrad 11 gezeigt. Es genügt eine Rutschkupplung aus gummiartigen Materialien zwischen Beiden anzulegen. Es sind Ausführungsformen vorgeschlagen in denen der Drehteller 4 insgesamt oder das Hohlrad 11 oder der Substratteller 9 abnehmbar ausgeführt sind, was in 1 beispielhaft gezeigt, die Anordnung der Lager 6 und 7 zulässt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsplatte
- 2
- Antriebswelle
- 3
- Antriebsrad
- 4
- Drehteller
- 5
- Sonnenrad
- 6
- Lager
- 7
- Lager
- 8
- Planetenrad
- 9
- Substratteller
- 10
- Substrat
- 11
- Hohlrad
- 12
- Ausklinkung
- 13
- Rolle
- 14
- Sperrklinke
- 15
- Feder
- 16
- Prozessvorrichtungen
- 16.1
- Sputtervorrichtung
- 16.2
- Sputtervorrichtung
- 16.3
- Ionenstrahlkanone
