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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdampfen eines Verdampfungsguts in einer Vakuumbeschichtungsanlage mit einem Tiegel, der eine einen Öffnungsrand aufweisende Öffnung aufweist.
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Beim Verdampfen tritt häufig das Problem auf, dass sich das Verdampfungsgut an der Öffnung des Tiegels oder in der näheren Umgebung der Öffnung als Kondensat niederschlägt und Ablagerungen bildet. Das im Bereich der Öffnung des Tiegels abgeschiedene Kondensat führt häufig zu Reaktionen mit einem reaktionsfreudigen Prozessgas oder Prozessstoff. Auf diese Weise kann ein Wildwachstum der Ablagerungen aus dem abgeschiedenen Kondensat im Bereich um die Öffnung herum entstehen, so dass sich die Öffnung verengt. Dies kann die Verdampfungsrate reduzieren und eventuell auch den aus dem Tiegel aufsteigenden Verdampfungsstrahl des Verdampfungsguts beeinträchtigen. Daraus resultieren eine Beeinträchtigung der Homogenität der Zusammensetzung und der Dicke einer auf einem Substrat abgeschiedenen Beschichtung. Insbesondere Co-Verdampfungs-Prozesse, bei denen mehrere Materialien aus unterschiedlichen Vorrichtungen gleichzeitig verdampft und auf einem Substrat abgeschieden werden, sind besonders anfällig für diese Ablagerungen. Die Ablagerungen erfordern außerdem häufige Wartungsarbeiten, um die Ablagerungen zu entfernen.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass zukünftig ein Entstehen von Ablagerungen im Bereich einer Öffnung eines Tiegels deutlich reduziert wird.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe mit einer gattungsgemäßen Vorrichtung, bei der erfindungsgemäß in einer Öffnung ein mindestens eine Düse aufweisender Einsatz anordenbar ist, wobei eine Düsenaustrittsöffnung oberhalb eines Öffnungsrands oder die Öffnung oberhalb der Düsenaustrittsöffnung angeordnet ist. Durch die oberhalb des Öffnungsrands angeordnete Düsenaustrittsöffnung oder die oberhalb der Düsenaustrittsöffnung angeordnete Öffnung ergibt sich ein überstand, bevorzugterweise in einem Bereich von 0,5 Millimeter bis 50 Millimeter, wodurch sich ein senkrecht zu einer Verdampfungsrichtung streuendes Verdampfungsgut nicht am Öffnungsrand ablagern kann. Auf diese Weise bleibt die Öffnung eines Tiegels vor einem Wildwachstum an Ablagerungen verschont, so dass sich die Öffnung nicht verengen kann. Wartungsintervalle zur Reinigung der Vorrichtung werden seltener und die Reinigungsarbeiten dauern kürzer. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird ferner die Betriebszeit des Verdampfers verlängert. Desweiteren wird die Abhängigkeit der Betriebsparameter des Verdampfers, wie beispielsweise die Temperatur einer Heizeinrichtung und der Abstrahlwinkel eines Verdampfungsstrahls, vom Füllstand des Verdampfungsguts im Tiegel wesentlich Verbessert. Das notwendige Nachführen der Betriebsparameter, um eine Kondensation und eine damit verbundene Verengung der Öffnung zu kompensieren, entfällt. Für die Reinigungsarbeiten und zum Befüllen kann der Einsatz aus dem Tiegel entnommen werden. Zu diesem Zweck kann der Einsatz in den Tiegel eingepasst, eingehängt, eingepresst oder eingeschraubt werden. Der überstand kann entweder dadurch erzeugt werden, dass der Einsatz über dem Öffnungsrand und der Öffnung des Tiegels übersteht oder, dass eine Wandung des Tiegels in der Verdampfungsrichtung um eine bestimmte Länge nach oben hochgezogen ist, sodass die Öffnung des Tiegels über dem Öffnungsrand übersteht und somit der Tiegel den Überstand bildet. Der Einsatz kann dann in dem überstand so angeordnet werden, sodass die Düsenaustrittsöffnung ebenfalls oberhalb des Öffnungsrands angeordnet ist. Die Düse, die in ihrer einfachsten Ausführungsform als ein Ring mit einem Durchgangsloch ausgeführt sein kann, gewährleistet eine genaue und konstante Verdampfungsrate, möglichst unabhängig von der in dem Tiegel vorhandenen Menge an Verdampfungsgut. Somit kann auch eine nur noch geringe Restmenge des Verdampfungsguts mit mindestens einer nahezu gleichen Verdampfungsrate und Austrittswinkelverteilung verdampft werden wie eine große Anfangsmenge. Die Düse gewährleistet ferner einen genau definierten aus dem Tiegel austretenden Verdampfungsstrahl des Verdampfungsguts, so dass auf einem zu beschichtenden Substrat eine homogene Beschichtung mit einer gewünschten Dickenverteilung erzielt werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich besonders gut zum Verdampfen von Metallen oder anderen Materialien bei einer hohen Temperatur in der aggressiven Umgebung. So können beispielsweise Metalle im Vakuum, das ein Sauerstoffrestgas enthält, verdampft werden. Es ist ferner auch möglich Metalle wie beispielsweise Gold, Gallium, Indium, Zinn, Kupfer, Silber, Aluminium oder andere Materialien in stickstoff-, phosphor-, arsen-, antimon-, bismut-, schwefel-, selen-, tellur-, chlor-, jod- oder bromhaltiger Umgebung im Vakuum zu verdampfen. Folglich können mit der Vorrichtung dünne Schichten in Vakuumbeschichtungsanlagen, Epitaxieanlagen, Molekularepitaxie oder in Anlagen zur physikalischen Gasphasenabscheidung hergestellt werden, wie sie beispielsweise bei der Solarzellenherstellung, bei der Herstellung von Dünnschichthalbleitern, III-V-Verbindungshalbleitern oder II-VI-Verbindungshalbleitern erforderlich sind.
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Zweckmäßigerweise kann der Einsatz beheizbar sein. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich das Verdampfungsgut nicht auf dem Einsatz ablagern kann. Insbesondere kann der Einsatz separat von einer weiteren Heizeinrichtung der Vorrichtung beheizt werden.
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Um kalte Stellen und somit die Ablagerung des Verdampfungsguts zu vermeiden, kann der Einsatz aus einem besonders wärmeleitfähigen Material gefertigt sein. Hierfür eignen sich beispielsweise besonders gut Graphit, verschiedene Formen von Graphit, insbesondere gepresstes Graphit, pyrolytisches Graphit, und Graphit mit einem Diamantanteil (vitreous-glassy carbon), Verbundwerkstoffe, Metallwerkstoffe und mit pyrolytischem Bornitrid beschichtetes Graphit.
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Die mindestens eine Düse kann eine Innenwandung aufweisen, deren Längsschnitt im Bereich der Düsenaustrittsöffnung bogenförmig nach außen verläuft. Auf diese Weise werden im Bereich des bogenförmigen Verlaufs scharfe Kanten und Ecken vermieden, um eine Oberflächenminimierung und eine damit verbundene reduzierte Wärmeabstrahlung zu erreichen. Scharfe Kanten und Ecken kühlen durch Wärmeabstrahlung schneller ab, deshalb kann es an diesen Stellen zur Kondensation des Verdampfungsguts kommen. Dies wird durch den bogenförmigen Verlauf im Bereich der Düsenaustrittsöffnung vermieden.
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Der Längsschnitt der Innenwandung der Düse kann einen konischen Verlauf aufweisen. Auf diese Weise können verschiedene bevorzugte Verdampfungsstrahle, mit denen das Verdampfungsgut auf das Substrat trifft, erzeugt werden. Die Konizität der Innenwandung kann sich zu einer Düseneintrittsöffnung oder zur Düsenaustrittsöffnung hin verjüngen. Der konische Verlauf eignet sich für die Formung des Verdampfungsstrahls besonders gut. Je länger der konische Verlauf ausgebildet ist, umso besser formt er den Verdampfungsstrahl.
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Unterhalb der Düsenaintrittsöffnung der mindestens einen Düse kann mindestens eine Blende angeordnet sein. Sie ist vorzugsweise wie eine runde oder mehreckige Scheibe ausgebildet und zweckmäßigerweise an die Kontur der Düsenaustrittsöffnung angepasst. Die Blende verringert zum einen die Abhängigkeit der Verdampfungsrate und der Austrittswinkelverteilung vom Füllstand der im Tiegelreservoir befindlichen Menge des Verdampfungsguts. Zum anderen gewährleistet sie die optimale Beschichtung des Substrats. Desweiteren wird verhindert, dass Spritzer des Verdampfungsguts direkt auf das zu beschichtende Substrat treffen.
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Um Wärmeverluste zu vermeiden, die von einer unerwünschten Wärmeabstrahlung vom Öffnungsrand resultieren können, kann auf dem Öffnungsrand des Tiegels mindestens ein Abschirmelement angeordnet sein.
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Der Einsatz kann bevorzugt mindestens im Bereich der Düsenaustrittsöffnung eine Temperatur oberhalb einer Kondensationstemperatur aufweisen. Auf diese Weise können die Kondensation des Verdampfungsguts und die Ablagerung auf dem Öffnungsrand zuverlässig reduziert werden.
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Zweckmäßigerweise kann das Tiegelreservoir zum Verdampfen oder zum Sublimieren des Verdampfungsguts separat beheizbar sein. Hierfür können entsprechende separat ansteuerbare Heizeinrichtungen vorgesehen werden.
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Zur weiteren Vermeidung der Wärmeverluste können die weiteren Heizeinrichtungen ebenfalls mit Abschirmelementen umgeben sein.
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Die Vorrichtung kann bevorzugt von einer als Kühlmantel dienenden Wandung umgeben sein.
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Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Im Einzelnen zeigen:
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1 eine Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform der Vorrichtung;
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2 eine Schnittansicht durch eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung;
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3 eine Schnittansicht durch eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung;
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4 eine Schnittansicht durch eine vierte Ausführungsform der Vorrichtung;
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5 eine Schnittansicht durch eine fünfte Ausführungsform der Vorrichtung;
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6 eine Schnittansicht durch eine sechste Ausführungsform der Vorrichtung,
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7 eine Draufsicht auf einen runden Tiegel mit einer runden Düse;
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8 eine Draufsicht auf den runden Tiegel mit einer länglichen Düse;
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9 eine Draufsicht auf einen länglichen Tiegel mit mehreren länglichen Düsen;
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10 eine Draufsicht auf den länglichen Tiegel mit einer länglichen Düse.
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1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Verdampfen eines Verdampfungsguts, das in ein Tiegelreservoir 11 eines Tiegels 12 eingefüllt werden kann. Unterhalb des Tiegels 12 ist eine Basisplatte 13 angeordnet, auf welcher die Vorrichtung 10 montiert ist. Der Tiegel 12 ist von einer umlaufenden Wandung 14 umgeben, die als Kühlmantel dient und zum Beispiel als doppelwandiger Kühlmantel ausgeführt sein kann, der mit einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Die Kühlflüssigkeit kann Wasser, flüssiger Stickstoff oder eine andere Kühlflüssigkeit sein. Die Basisplatte 13 und die Wandung 14 bilden einen Heizraum 15, in dem Heizeinrichtungen 16 und 17 und Abschirmelemente 18 und 19 angeordnet sind. Die Heizeinrichtungen 16 und 17 und die Abschirmelemente 18 sind ebenfalls umlaufend um den Tiegel 12 angeordnet. Die Heizeinrichtung 16 ermöglicht es, das im Tiegel 12 befindliche Verdampfungsgut zu verdampfen oder zu sublimieren, so dass dieses nach oben in einer Verdampfungsrichtung 100 aus dem Tiegel 12 entweicht und auf einem über dem Tiegel 12 angebrachten und hier nicht näher gezeigten Substrat abgeschieden werden kann. Die Abschirmelemente 18 und 19, die vorzugsweise als Abschirmbleche ausgebildet sind, reflektieren die Wärmestrahlung zurück zum Tiegel 12. Die als Abschirmbleche ausgebildeten Abschirmelemente 18 und 19 bestehen vorzugsweise aus Tantal, Molybdän, Niob, Wolfram, Graphit, Edelstahl oder anderen hitzebeständigen Materialien. Der Tiegel 12 kann beispielsweise aus einem Keramikwerkstoff, Aluminiumtrioxid, Quarz, Bornitrid, pyrolytischem Bornitrid, aus einem Metallwerkstoff oder aus Graphit sowie verschiedene Formen von Graphit, wie beispielsweis gepresstes, pyrolytisches und Graphit mit einem Diamantanteil (vitreous-glassy carbon), oder aus Verbundwerkstoffen gefertigt sein.
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In einer Öffnung 101 ist ein Einsatz 102 angeordnet, der eine Düse 103 aufweist. Das Verdampfungsgut passiert somit zum Beschichten des Substrats die Düse 103.
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Der Einsatz 102 mit der Düse 103 ist in der Weise ausgeführt, dass das austretende Verdampfungsgut eine auf ein nicht näher gezeigtes Substrat hin gerichtete Winkelverteilung aufweist. Er verringert zum einen die Abhängigkeit der Verdampfungsrate und der Austrittswinkelverteilung vom Füllstand der im Tiegelreservoir 11 befindlichen Menge des Verdampfungsguts. Zum anderen gewährleistet der Einsatz 102 die optimale Beschichtung des Substrats.
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Unterhalb der Düseneintrittsöffnung 104 ist eine Blende 105 vorgesehen. Diese verringert die Abhängigkeit der Verdampfungsrate und der Austrittswinkelverteilung vom Füllstand der im Tiegelreservoir 11 befindlichen Menge des Verdampfungsguts zusätzlich. Desweiteren wird verhindert, dass Spritzer des Verdampfungsguts direkt auf das zu beschichtende Substrat treffen.
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Der Einsatz 102 kann durch die Heizeinrichtung 17 separat beheizt werden, um sicherzustellen, dass sich auf dem Einsatz 102 kein Verdampfungsgut ablagern kann.
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Der Einsatz 102 weist zu einem über den Mantel des Tiegels 12 hinausragenden Öffnungsrand 106 einen Überstand 107 auf. Eine Düsenaustrittsöffnung 108 liegt somit oberhalb des Öffnungsrands 106. Durch den Überstand 107 kann sich das quer zur Verdampfungsrichtung 100 streuende Verdampfungsgut nicht auf dem Öffnungsrand 106 beziehungsweise auf einem Abschirmelement 109 absetzen. Das Abschirmelement 109 vermeidet Wärmeverluste, die von einer unerwünschten Wärmeabstrahlung des Öffnungsrands 106 resultieren können.
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Die Düse 103 weist eine sich zu einer Düseneintrittsöffnung 104 verjüngende Konizität auf, wobei eine Innenwandung 110 im Bereich der Düsenaustrittsöffnung 108 bogenförmig nach außen verläuft. Außerdem weist der Einsatz 102 im Bereich des Überstands 107 eine umlaufende Abrundung 111 auf. Somit weist die Innenwandung 110 im Bereich des bogenförmigen Verlaufs eine minimierte Oberfläche auf, so dass in diesem Bereich nur ein Minimum an Wärme abgestrahlt werden kann. Dadurch wird die Gefahr von unerwünschten Ablagerungen im Bereich der Düsenaustrittsöffnung 108 reduziert.
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2 zeigt eine Vorrichtung 20, die nahezu baugleich mit der Vorrichtung 10 ist. Sie weist im Unterschied zur Vorrichtung 10 lediglich einen Öffnungsrand 21 auf, der bündig mit dem Mantel des Tiegels 12 abschließt.
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3 zeigt eine Vorrichtung 30, mit einem Einsatz 31, bei der ein Überstand 32 im Tiegel 33 integriert ist. Eine Öffnung 34 des Tiegels 33 steht über einer Düsenaustrittsöffnung 35 einer Düse 36 über, sodass der Überstand 32 gebildet wird. Der Überstand 32 kann als eine umlaufende gerade, abgerundete oder abgeschrägte Fläche ausgebildet sein, so dass der Überstand 32 eine minimale Oberfläche aufweist, die nur eine minimale Wärmeabstrahlung erlaubt und somit die Gefahr der unerwünschten Ablagerung des Verdampfungsguts reduziert.
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Die Vorrichtung 30 und eine Vorrichtung 40 weisen den Tiegel 33 und einen Tiegel 41 auf, die einen Absatz 37 und 42 aufweisen, auf denen der Einsatz 31 und ein Einsatz 43 mit einem zylindrischen Mantel ruhen können (siehe 3 und 4).
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Eine Vorrichtung 50 mit einem Tiegel 55 ist mit einem Einsatz 51 ausgestattet, der eine Düse 52 mit einem unteren Abschnitt 53 und einem oberen Abschnitt 54 aufweist (siehe 5). Der untere Abschnitt 53 weist einen kleineren Querschnitt als der obere Abschnitt 54 auf. Außerdem ist der untere Abschnitt 53 kürzer als der obere Abschnitt 54.
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6 zeigt eine Vorrichtung 60 mit einem Tiegel 63 und einem eine Düse 61 aufweisenden Einsatz 62, wobei die Düse 61 eine sich in Verdampfungsrichtung 100 verjüngende Konizität aufweist. Ein Überstand 64 weist eine umlaufende abgeschrägte Fläche auf. Alternativ könnte anstelle der abgeschrägten Fläche eine konvex abgerundete Fläche vorgesehen sein.
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In 7 ist eine Vorrichtung 70 in Draufsicht gezeigt, bei der ein runder Tiegel 71 einen Öffnungsrand 72 aufweist. In dem Tiegel 71 ist ein Einsatz 73 eingebracht, der einen hier nicht erkennbaren Überstand aufweist. Der Einsatz 73 kann in den Tiegel 71 eingepasst, eingepresst oder eingeschraubt sein. Der Einsatz 73 weist eine runde Düse 74 auf.
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Eine Vorrichtung 80 mit dem Tiegel 71 und dem Öffnungsrand 72 weist einen Einsatz 81 auf, in dem eine längliche Düse 82 eingebracht ist (siehe 8).
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9 zeigt eine Vorrichtung 90 mit einem länglichen Tiegel 91 und einem Einsatz 92, in dem längliche Düsen 93, 94, 95 und 96 angeordnet sind. Um den Tiegel 91 läuft ein Öffnungsrand 97 herum. Somit ist entlang der Längsrichtung der Vorrichtung 90 eine homogene Verdampfung möglich.
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Bei einer Vorrichtung 200 mit dem Tiegel 91, indem ein Einsatz 201 angeordnet ist, ist eine längliche Düse 202 vorgesehen (siehe 9). Die Düse 202 ermöglicht entlang der Längsrichtung der Vorrichtung 200 ebenfalls eine homogene Verdampfung.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 11
- Tiegelreservoir
- 12
- Tiegel
- 13
- Basisplatte
- 14
- Wandung
- 15
- Heizraum
- 16
- Heizeinrichtung
- 17
- Heizeinrichtung
- 18
- Abschirmelement
- 19
- Abschirmelement
- 20
- Vorrichtung
- 21
- Öffnungsrand
- 22
- Tiegel
- 30
- Vorrichtung
- 31
- Einsatz
- 32
- Überstand
- 33
- Tiegel
- 34
- Öffnung
- 35
- Düsenaustrittsöff- nung
- 36
- Düse
- 37
- Absatz
- 40
- Vorrichtung
- 41
- Tiegel
- 42
- Absatz
- 43
- Einsatz
- 50
- Vorrichtung
- 51
- Einsatz
- 52
- Düse
- 53
- Abschnitt
- 54
- Abschnitt
- 55
- Tiegel
- 60
- Vorrichtung
- 61
- Düse
- 62
- Einsatz
- 63
- Tiegel
- 64
- überstand
- 70
- Vorrichtung
- 71
- Tiegel
- 72
- Öffnungsrand
- 73
- Einsatz
- 74
- Düse
- 80
- Vorrichtung
- 81
- Einsatz
- 82
- Düse
- 90
- Vorrichtung
- 91
- Tiegel
- 92
- Einsatz
- 93
- Düse
- 94
- Düse
- 95
- Düse
- 96
- Düse
- 97
- Öffnungsrand
- 100
- Verdampfungsrichtung
- 101
- Öffnung
- 102
- Einsatz
- 103
- Düse
- 104
- Düseneintrittsöff- nung
- 105
- Blende
- 106
- Öffnungsrand
- 107
- Überstand
- 108
- Düsenaustrittsöffnung
- 109
- Abschirmelement
- 110
- Innenwandung
- 111
- Abrundung
- 200
- Vorrichtung
- 201
- Einsatz
- 202
- Düse
