DE1116824B - Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Halbleiteranordnung mit mindestens einemp-n-UEbergang - Google Patents
Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Halbleiteranordnung mit mindestens einemp-n-UEbergangInfo
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Description
Bei der Herstellung von elektrisch unsymmetrisch leitenden Halbleiteranordnungen ist man — besonders
bei der Herstellung von Trockengleichrichtern — in steigendem Maße dazu übergegangen, Halbleiterkörper
aus Germanium, Silizium oder halbleitenden intermetallischen Verbindungen zu benutzen. Diese
Substanzen zeichnen sich dadurch aus, daß sie eine wesentlich höhere Strombelastung erlauben und
wesentlich höhere Sperrspannungen aufweisen als andere Halbleitersubstanzen, die wie Selen oder
Kupferoxydul Eingang in die Halbleitertechnik, insbesondere die Gleichrichterfertigung, gefunden haben.
Das Interesse richtet sich bei den zuerst genannten Substanzen besonders auf diejenigen Ausführungsformen, bei denen die gleichrichtende Wirkung mit
Hilfe eines p-n-Überganges in einem einkristallinen Halbleiterkörper erzielt wird. Unter dem p-n-Ubergang
versteht man dabei denjenigen Bereich, in dem die Teile unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters
aneinandergrenzen. In der Tiefe eines jeden dieser Teile herrscht eine ziemlich gleichmäßige Konzentration
derjenigen Störstellen, die den Leitfähigkeitscharakter bestimmen. Je nach dem angewendeten
Herstellungsverfahren befindet sich jedoch auch noch in jedem Teil eine mehr oder weniger hohe Konzentration
solcher Störstellen, die an sich den entgegengesetzten Leitfähigkeitscharakter erzeugen würden,
die aber' in ihrer Wirkung durch die höher konzentrierten Störstellen überdeckt werden. In dem Bereich
des p-n-Überganges steigt nun, wenn man von dem p-leitenden Teil ausgeht, die Konzentration der Elektronen
abgebenden Störstellen an bis zur Höhe ihrer Konzentration in dem η-leitenden Teil. Gleichzeitig
sinkt die Konzentration der Löcher in dem n-leitenden Teil ab, was jedoch vom η-leitenden Teil her gesehen
einem Anstieg der Konzentration entspricht. Je breiter nun der p-n-Übergang ist, desto flacher ist
also der Anstieg der jeweiligen Konzentrationen.
In Fig. 1 sind schematisch die Verhältnisse im Gebiet des p-n-Überganges dargestellt, dabei ist die
Abszisse in willkürliche Längeneinheiten / und die Ordinate in willkürliche Konzentrationseinheiten N
eingeteilt. Die Abszisse zählt vom Nullpunkt aus senkrecht zur Sperrschicht sowohl in den η-leitenden als
auch in den p-leitenden Teil hinein. Der Abstand« der beiden gestrichelten Linien gibt die Dicke des
p-n-Uberganges an.
Es hat sich nun herausgestellt, daß das zur Erzeugung
des p-n-Überganges benutzte Verfahren einen wesentlichen Einfluß darauf hat, ob der p-n-Übergang
besonders hohe Sperrspannungen aufweist oder ob der Widerstand in Flußrichtung besonders niedrig
Verfahren zum Herstellen
einer elektrischen Halbleiteranordnung
mit mindestens einem p-n-Übergang
Anmelder:
LICENTIA Patent-Verwaltungs-G. m. b. H.,
Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1
Dipl.-Phys. Karl-Heinz Ginsbach, Warstein (Sauerl.),
ist als Erfinder genannt worden
liegt. So werden beispielsweise p-n-Übergänge in Halbleitereinkristallen nach einem ersten Verfahren
dadurch hergestellt, daß man diese mit Hilfe eines Impfkristalls aus der Schmelze zieht. Die Schmelze
enthält dabei sowohl Donatoren als Akzeptoren, und dabei jedoch dafür Sorge getragen ist, daß diese sich
hinsichtlich ihres Abscheidungskoeffizienten, der eine Funktion der Wachstumsgeschwindigkeit ist, derart
unterscheiden, daß es eine kritische Wachstumsgeschwindigkeit gibt, bei der gleich wirksame Mengen
beider Störstellensubstanzen in den wachsenden Kristall eingebaut werden. Abweichungen von dieser
Wachstumsgeschwindigkeit bewirken je nach dem Sinne der Abweichung Änderungen des Leitfähigkeitscharakters des Kristalls, weil die eine der beiden
Störstellenarten dann bevorzugt eingebaut wird. Somit ist es möglich, p-n-Übergänge herzustellen, die zwar
— wie die Erfahrung lehrte -— sehr hohe Sperrspannungen
aufweisen, die aber andererseits verhältnismäßig schlechte Flußeigenschaften haben. Diese
so erzeugten p-n-Übergänge weisen eine verhältnismäßig große Breite (a in Fig. 1) auf.
Zu ähnlichen Ergebnissen gelangt man bei der Herstellung von p-n-Übergängen nach einem zweiten
Verfahren durch Eindiffusion. Zu diesem Zweck wird auf einen Teil der Oberfläche des Halbleiterkörpers
mit einem vorgegebenen Leitfähigkeitstyp ein Material aufgebracht, das in dem Halbleiterkörper den
entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hervorruft, und sodann dieses Material zur Eindiffusion in den HaIb-
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leiterkörper gebracht. Auch auf diese Weise erhält In Fig. 2 ist der obere Teil 2 des Halbleiterkörpers 1
man breite p-n-Übergänge. η-leitend, der untere Teil 3 p-leitend. Die Linien 4
Ein drittes Verfahren zum Erzeugen von p-n-Über- und 5 deuten die Begrenzung des p-n-Überganges
gangen besteht darin, auf einen Teil der Oberfläche gegenüber den Teilen 2 und 3 an. Sie entsprechen den
eines Halbleiterkörpers mit einheitlichem Leitfähig- 5 gestrichelten Linien in Fig. 1. Auf der Mantelfläche
keitscharakter ein Material aufzubringen, das diesen des im Schnitt dargestellten kreiszylindrischen HaIb-
Leitfähigkeitscharakter zu ändern vermag, dessen leiterkörpers begrenzen sie das Gebiet, an dem der
Schmelzpunkt aber unter dem des Halbleiterkörpers p-n-Übergang die Oberfläche des Halbleiterkörpers 1
lag. Erhitzte man nun das System über den Schmelz- schneidet. Die punktierte Linie 6 stellt als geometrische
punkt des aufgebrachten Materials, so löst sich der io Mitte des p-n-Überganges die Schnittlinie zwischen
unter der Schmelze befindliche Teil des Halbleiter- der Halbleiteroberfläche und dem p-n-Übergang im
körpers in dieser und fällt beim Erstarren unter Ein- Sinne der vorliegenden Erfindung dar. Die dieser
bau des in der Schmelze vorhandenen Halbleiter- Schnittlinie benachbarte Zone des p-n-Überganges
materials wieder aus, und es entsteht eine Schicht mit zeigt eine kreisringförmige Aufwölbung 7, die eine
entgegengesetztem Leitfähigkeitscharakter. Diese als 15 größere Breite des p-n-Überganges anzeigt. Betrachtet
Legierungskontakte bekannte p-n-Übergänge haben man nun die Dicke des p-n-Überganges senkrecht zu
eine sehr geringe Breite und ausgezeichnete Eigen- seiner Fläche und den damit verbundenen Anstieg
schäften in Flußrichtung. Es zeigt sich jedoch, daß der Konzentrationen an Hand der Fig. 3, für die die
sie in Sperrichtung nicht hoch belastbar sind. Eine gleichen Überlegungen gelten wie für Fig. 1, so ergibt
genauere Untersuchung ergibt, daß die Sperrschicht 20 sich: An der durch den Strich 8 in Fig. 2 geschnittenen
stets dort zusammenbricht, wo der p-n-Übergang an Stelle des p-n-Überganges nimmt der Konzentrations-
die Oberfläche des Halbleiterkörpers tritt. Man führt anstieg den in Fig. 3 durch die ausgezogenen Linien
diese Erscheinung auf die nie völlig zu vermeidende dargestellten steilen Verlauf und ergibt eine geringe
Verschmutzung durch Fremdsubstanzen an der Dicke b für den p-n-Übergang, während er an der
Schnittlinie zwischen der Oberfläche des Halbleiter- 25 durch den Strich 9 in Fig. 2 geschnittenen Stelle den
körpers und p-n-Übergang zurück, gegen die diese in Fig. 3 gestrichelt dargestellten flacheren Verlauf
schmalen p-n-Übergänge besonders empfindlich sind. aufweist und zu einer größeren Dicke c des p-n-Über-
Entscheidend für die Breite des p-n-Überganges ist ganges führt. Ähnlich verhält es sich bei dem Beispiel
nun, wie weiter oben ausgeführt und aus Fig. 1 er- der Fig. 4, nur ist dort die Aufwölbung 10 in der
sichtlich, die Steilheit des Anstieges der Störstellen- 30 Zone unsymmetrisch zur Schnittlinie 11.
konzentration im Gebiete des p-n-Überganges. Zur Herstellung eines Halbleiterkörpers mit einem
Es sind bereits Halbleiterkristalle mit p-n-Über- flachen Anstieg der Konzentration in dem damit
gangen bekannt, in denen das Profil der Verunreini- breiteren p-n-Übergang eignet sich besonders das
gungen in der Oberflächenschicht flacher ist als im oben als erstes Verfahren beschriebene Ziehen aus
Innern des Kristalls. Es ist auch bereits bekannt, diese 35 der Schmelze. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein,
Profilabflachung durch Eindiffusion von Störstellen den flachen Anstieg durch Einbau von den Leitfähig-
in den p-n-Übergang zu bewirken. keitscharakter ändernden Störstellensubstanzen mittels
Die vorliegende Erfindung bezieht sich somit auf Diffusion in einem zunächst einheitlich leitenden
ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Halb- Halbleiterkörper zu bewirken, wie es oben als zweites
leiteranordnung mit mindestens einem p-n-Übergang, 40 Verfahren zum Herstellen von p-n-Übergängen andie
einen einkristallinen Halbleiterkörper aus Ger- gegeben ist. Dabei sind jedoch, je nach dem vorgemanium,
Silizium oder einer halbleitenden inter- sehenen Verwendungszweck, zwei Abwandlungen bemetallischen
Verbindung enthält, insbesondere zum sonders vorteilhaft, um breite p-n-Übergänge und
Herstellen eines Trockengleichrichters. Erfindungs- damit einen flachen Anstieg zu erzielen. Bei der einen
gemäß ist dies Verfahren dadurch gekennzeichnet, 45 Abwandlung besteht in weiterer Ausbildung der Erdaß
mindestens ein p-n-Übergang des einkristallinen findung die Möglichkeit, zwei verschiedene Störstellen-Halbleiterkörpers
so hergestellt wird, daß der An- substanzen mit gleicher leitfähigkeitsbestimmender
stieg der Konzentration der Löcher bzw. Elektronen Wirkung, aber mit geringem Unterschied der Diffuabgebenden
Störstellen senkrecht zur p-n-Übergangs- sionsgeschwindigkeit zu verwenden. Damit wird erfläche
und über deren ganze Ausdehnung annähernd 50 reicht, daß die beiden Diffusionsfronten dicht hintergleichmäßig
ist und daß der mittlere Teil der einander liegen und ihre Längen in Diffusionsrichtung
p-n-Übergangsfläche einer solchen Legierungsbehand- sich mindestens überlappend addieren,
lung unterworfen wird, daß der Anstieg in dem mitt- Gemäß der anderen Abwandlung werden in weiterer leren Teil der p-n-Übergangsfläche einen steileren Ausbildung der Erfindung zwei verschiedene Stör-Verlauf aufweist. 55 Stellensubstanzen mit mindestens annähernd gleicher
lung unterworfen wird, daß der Anstieg in dem mitt- Gemäß der anderen Abwandlung werden in weiterer leren Teil der p-n-Übergangsfläche einen steileren Ausbildung der Erfindung zwei verschiedene Stör-Verlauf aufweist. 55 Stellensubstanzen mit mindestens annähernd gleicher
Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß der Le- Diffusionsgeschwindigkeit, aber unterschiedüchen leitgierungsprozeß
zur Herstellung der guten Eigen- fähigkeitsbestimmenden Wirkungen in einem solchen
schäften des p-n-Überganges in Durchlaßrichtung Mengenverhältnis eingebaut, daß die Menge der den
ohne Rücksicht auf die Verhältnisse in der Randzone Leitfähigkeitscharakter des Halbleiterkörpers verdes
legierten Bereiches durchgeführt werden kann. 60 ändernden Substanz größer ist, und daß bei ab-Die
Randzone kann nicht mehr das Sperrverhalten weichenden Diffusionsgeschwindigkeiten die den Leitungünstig
beeinflussen, weil die Sperrspannung am fähigkeitscharakter verändernde Substanz schneller
Rand des p-n-Überganges über den breiten Teil des diffundiert. Die Mengen werden dabei zweckmäßig
p-n-Uberganges abfällt, der vorher ohne Rücksicht so gewählt, daß im ersten Fall die Summe der einauf
das Verhalten in Flußrichtung ausgebildet werden 65 gebauten Störstellen und im zweiten Falle deren
kann. Differenz nicht größer ist als beim Einbau nur eines
Die Fig. 2, 3 und 4 erläutern dieses Verfahren an Störstellenmaterials. Auf diese Weise wird sichereinem
Beispiel. gestellt, daß zwar der Anstieg wesentlich abgeflacht
wird, die Gesamtmenge der Störstellen aber die gleiche bleibt wie bei der Eindiffusion nur einer Störstellenart.
In den Fig. 5 und 6 sei das Verfahren nach der Erfindung an einem zum Teil schematisch dargestellten
weiteren Ausführungsbeispiel erläutert:
In Fig. 5 sei 12 ein Halbleiterkörper aus Germanium, dessen oberer Teil 13 p-leitend ist und
dessen unterer Teil 14 η-leitend ist. Zwischen den Teilen 13 und 14 befindet sich der p-n-Übergang 15,
der leicht geschwungen, aber mit annähernd gleicher Breite durch den Halbleiterkörper 12 verläuft. Der
Halbleiterkörper sei nach dem oben beschriebenen Verfahren durch Ziehen aus der Schmelze und Ausschneiden
aus dem gezogenen Kristall gewonnen, wodurch auch der geschwungene Verlauf des p-n-Überganges
bedingt ist. Diese Schmelze kann z. B. aus Germanium mit einem Zusatz von Gallium und Arsen
oder von Indium und Antimon bestehen. Der Einbau der jeweils zugesetzten Störstellensubstanzen hängt
stark von der Wachstumsgeschwindigkeit ab. Durch Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit von 1 auf
3 mm/min tritt z. B. bei Verwendung von Arsen und Antimon ein Umschlag im Leitfähigkeitscharakter des
gewonnenen Germaniums vom n- zum p-Typ auf. Sodann wird auf die Oberfläche des p-leitenden Bereiches
13 eine Substanz 16 aufgebracht, die in Germanium p-Leitung verursacht, z. B. wird Indium
aufgedampft. Sodann wird das Gesamtsystem in einer Schutzgasatmosphäre einige Sekunden auf etwa 500° C
erhitzt, jedoch nicht über den Schmelzpunkt des Halbleiterkörpers. Dabei löst sich ein Teil der Schicht
13, und zwar so tief, daß der p-n-Übergang 15 ebenfalls erfaßt wird. Beim Erkalten bildet sich dann eine
Halbleiteranordnung aus, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Die Schicht 13 hat sich in dem Bereich 17 mit
der Substanz 16 nach Fig. 5 legiert und bildet einen stark p-leitenden Bereich. Unterhalb des Bereiches 17
ist der p-n-Übergang 15 von dem Legierungsprozeß erfaßt worden, der z. T. auch in den Teil 14 eingegriffen
hat. Zwischen 17 und 14 ist infolge des Legierungsprozesses ein sehr dünner p-n-Übergang mit
steilem Anstieg entstanden. Unterhalb des verbliebenen Teiles der Schicht 13, also in der Zone des
p-n-Uberganges, die der Schnittlinie 18 des p-n-Überganges mit der Oberfläche des Halbleiterkörpers benachbart
ist, hat der p-n-Übergang seine ursprüngliche breite Form behalten und weist nach wie vor
einen flachen Anstieg auf. Das so entstandene System hat den Vorteil, daß es infolge des flacheren Konzentrationsanstieges
am Rande des p-n-Überganges dort sehr durchschlagfest ist, während infolge des steilen
Konzentrationsanstieges im Innern des p-n-Uberganges gute Eigenschaften in Flußrichtung sichergestellt
sind.
Andererseits ist es auch möglich, einen Halbleiterkörper mit einem breiten p-n-Übergang nach dem
oben beschriebenen zweiten Verfahren durch Eindiffusion herzustellen.
Verwendet man z. B. ein p-leitendes Germaniumscheibchen
mit einer Dicke von etwa 0,5 mm und einem spezifischen Widerstand von etwa 1 Ohm-cm,
so wird dieses zunächst geätzt und sodann z. B. eine Lithiumschicht von 0,1 mm Dicke durch Aufdampfen
im Vakuum auf einen Teil der Halbleiteroberfläche aufgebracht. Erhitzt man dieses System im Schutzgas
etwa 10 Sekunden lang auf etwa 700° C, so bildet sich in einer Tiefe von 0,1 mm ein p-n-Übergang aus.
Eine nach der Behandlung auf der Oberfläche etwa vorhandene Germanium-Lithium-Legierung sowie
überschüssiges Lithium werden entfernt. Sodann wird antimonhaltiges Zinn in einer etwa 1,2 mm starken
Schicht auf einen Teil der vorher mit Lithium behandelten Oberfläche aufgebracht, z. B. aufgedampft,
und im Schutzgas bei etwa 500° C einige Sekunden einlegiert. Anschließend kann nochin einer lOVcrKOH-Lösung
elektrolytisch geätzt und dann gespült werden.
Ähnlich verfährt man bei Verwendung von p-leitendem
Silizium. Verwendet man ein Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 0,6 Ohm · cm und
einer Schichtstärke von 0,5 mm, so wird eine 0,1 mm dicke, aufgedampfte Lithiumschicht bei 900° C für
5 Sekunden zur Eindiffusion gebracht, so daß sich der p-n-Übergang in etwa 0,05 mm Tiefe bildet. Zum
Anlegieren verwendet man eine 0,1 mm dicke Goldschicht mit einem Antimongehalt von etwa 5°/o und
erhitzt einige Sekunden lang auf 800° C.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird eine 0,3 mm dicke Scheibe aus η-leitendem Silizium mit
einem spezifischen Widerstand von etwa 2 Ohm · cm verwendet. Die Siliziumscheibe wird nach dem Ätzen
etwa 16 Stunden bei 1200° C in einer inerten Atmosphäre erhitzt, die bei Zimmertemperatur einen Druck
von etwa 30 Torr hat und etwa 1 Volumprozent BJ3 enthält. Das aus der Dampfphase eindiffundierende
Bor erzeugt in etwa 0,025 cm Tiefe einen p-n-Übergang. Sodann wird eine etwa 0,1 mm dicke Aluminiumschicht
aufgedampft und einige Sekunden lang auf 900° C erhitzt und damit das Aluminium
anlegiert. Gegebenenfalls kann dann noch geätzt und gespült werden.
Die Beispiele sind zum Teil auf Halbleiterkörper aus Germanium beschränkt, die Erfindung bezieht
sich aber auch auf Silizium und halbleitende intermetallische Verbindungen, bei denen dann die für
diese Substanzen geeigneten Störstellenmaterialien Anwendung finden.
Claims (5)
1. Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Halbleiteranordnung mit mindestens einem p-n-Ubergang,
die einen einkristallinen Halbleiterkörper aus Germanium, Silizium oder einer halbleitenden intermetallischen Verbindung enthält,
insbesondere zum Herstellen eines Trockengleichrichters, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens
ein p-n-Übergang des einkristallinen Halbleiterkörpers so hergestellt wird, daß der Anstieg der
Konzentration der Löcher bzw. Elektronen abgebenden Störstellen senkrecht zur p-n-Übergangsfläche
und über deren ganze Ausdehnung annähernd gleichmäßig ist, und daß der mittlere Teil der p-n-Übergangsfläche einer solchen Legierungsbehandlung
unterworfen wird, daß der Anstieg in dem mittleren Teil der p-n-Übergangsfläche einen steileren Verlauf aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der p-n-Übergang im Halbleiterkörper
durch Diffusion oder Ziehen aus der Schmelze hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der p-n-Übergang im Halbleiterkörper
durch Ziehen aus einer solchen Schmelze gewonnen wird, der Löcher und Elektronen
abgebende Störstellensubstanzen zugesetzt
sind, die sich hinsichtlich ihres Abscheidungskoeffizienten
derart unterscheiden, daß sich eine bestimmte Wachstumsgeschwindigkeit ergibt, bei
der in dem entstehenden Kristall beide Störstellensubstanzen in gleich wirksamer Menge eingebaut
werden, und daß bei Abweichung von dieser Wachstumsgeschwindigkeit je nach dem Sinne
dieser Abweichung die eine oder die andere Störstellensubstanz bevorzugt eingebaut wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge- ίο
kennzeichnet, daß in den Halbleiterkörper eines Leitfähigkeitstyps zwei verschiedene Störstellensubstanzen
mit gleicher leitfähigkeitsbestimmender Wirkung, aber mit geringem Unterschied der
Diffusionsgeschwindigkeit durch Diffusion eingebaut werden.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Halbleiterkörper eines
Leitfähigkeitstyps zwei verschiedene Störstellensubstanzen mit annähernd gleicher Diffusionsgeschwindigkeit aber unterschiedlicher leitfähigkeitsbestimmender
Wirkung in einem solchen Mengenverhältnis durch Diffusion eingebaut werden, daß die Menge der den Leitfähigkeitstyp
des Halbleiterkörpers verändernden Substanz größer ist und daß bei abweichender Diffusionsgeschwindigkeit die den Leitfähigkeitstyp verändernde
Substanz schneller diffundiert.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Belgische Patentschrift Nr. 536 181.
Belgische Patentschrift Nr. 536 181.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 109 738/328 10.61
Priority Applications (4)
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DEL25022A DE1116824B (de) | 1956-06-07 | 1956-06-07 | Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Halbleiteranordnung mit mindestens einemp-n-UEbergang |
FR1176578D FR1176578A (fr) | 1956-06-07 | 1957-06-06 | Système à conduction électrique asymétrique comportant au moins un passage ou jonction p-n et son procédé de fabrication |
US664358A US3012305A (en) | 1956-06-07 | 1957-06-07 | Electrically unsymmetrically conductive system and method for producing same |
GB18185/57A GB861196A (en) | 1956-06-07 | 1957-06-07 | Electrically asymmetrically conductive systems with at least one p-n junction and methods of producing such systems |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DEL25022A DE1116824B (de) | 1956-06-07 | 1956-06-07 | Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Halbleiteranordnung mit mindestens einemp-n-UEbergang |
Publications (1)
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Family Applications (1)
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- 1957-06-07 GB GB18185/57A patent/GB861196A/en not_active Expired
- 1957-06-07 US US664358A patent/US3012305A/en not_active Expired - Lifetime
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GB861196A (en) | 1961-02-15 |
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