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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur überwachung und Steuerung
der Ablagerung eines verdampften Materials auf einer Unterlage innerhalb einer Vakuumbeschichtungsanlage,
wobei die Ausgangssignale zweier Oszülatoren, von denen der erste von einem innerhalb
der Beschichtungskammer angeordneten Quarzkristall gesteuert wird, miteinander gemischt
werden und ein Zwischenfrequenzsignal erzeugen, das anschließend verarbeitet wird,
bevor es zur überwachung der abgelagerten Schicht verwendet wird. Ferner betrifft
die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Aufdampfungsapparate haben ein weites Anwendungsgebiet beim Aufbau
kleinster elektrischer Stromkreise und bei ähnlichen empfindlichen Verfahren zur
Bildung von Filmen. Wegen der sehr kleinen Toleranzen, die beim Aufbringen von Filmen
in diesen Anwendungsgebieten erforderlich sind, ist eine sehr genaue Kontrolle nötig.
Ein brauchbares Verfahren, die Materialmenge, die auf einer Trägerschicht niedergeschlagen
worden ist, zu überwachen, ist durch die Veränderung der Resonanzeigenfrequenz eines
Quarzkristalls gegeben, die auftritt, wenn sich Stoffe auf der Kristalloberfläche
ablagern, z. B. in Form eines Dampffilms. Diese Erscheinung hat man viele Jahre
lang dazu benutzt, geringfügige Veränderungen der Resonanzfrequenz von Quarzkristallen
vorzunehmen; neuerdings hat man sie auch dazu verwendet, die Filmdicken in Aufdampfungsapparaten
zu kontrollieren. Das Hauptproblem, das bei einem derartigen Gebrauch von Quarzkristallen
auftritt, ist die unter Betriebsbedingungen stattfindende Messung der verhältnismäßig
kleinen Frequenzänderungen. Es ist bekannt, die Frequenz eines Oszillators; der
durch einen solchen Kontroll- oder Prüfkristall gesteuert wird, mit der Frequenz
eines zweiten Oszillators zu vergleichen und ein Differenzsignal bzw. eine Schwebungsfrequenz
abzuleiten, die es ermöglicht, die geringfügigen Veränderungen der Frequenz des
Prüfkristalls bei der Ablagerung von Stoffen an der Kristalloberfläche genau zu
messen. Die Wahl eines zweiten Oszillators führt zu Schwierigkeiten. eigener Art.
Wenn man einen Quarzkristalloszillator (Schwingquarz) fest vorgegebener Frequenz
verwendet, dann hat sich, nachdem er einige Male in Betrieb gesetzt worden ist,
dessen Frequenz infolge der Anlagerung eines Films verändert und weicht zu sehr
von der Frequenz des Vergleichsoszillators ab, so daß kein zufriedenstellendes Vergleichssignal
entsteht. Die Vorrichtung muß dann zerlegt, der Prüfkristall gereinigt und die Vorrichtung
wieder zusammengebaut werden. Das kostet Zeit und begrenzt den kontinuierlichen
Einsatz der Anlage auf einige wenige Inbetriebnahmen.
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Wenn man einen üblichen LC-Oszillator mit veränderlicher Frequenz
als Vergleichsoszillator verwendet, dann stellt man fest, daß, obwohl es einerseits
vorteilhaft ist, den Vergleichsoszillator vor jedem Gebrauch, wenn erforderlich,
in seine »Nullstellung« bringen zu können, andererseits der Nachteil auftritt, daß
der LC-Oszillator nicht genügend stabil schwingt und deshalb kein konstantes Signal
ausreichender Genauigkeit abgibt.
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Man hat auf andere Art und Weise versucht, einen genauen Vergleichsoszillator
veränderlicher Frequenz zu schaffen, entweder durch Verwendung synthetisch, z. B.
aus Kunststoff hergestellter Schwinger (synthesizers), die jedoch kostspielig und
kompliziert sind, oder durch Verwendung eines Schwingquarzes stufenweise veränderlicher
Frequenz. Ein derartiger Oszillator weist eine Anzahl Quarzkristalle unterschiedlicher
Resonanzeigenfrequenz auf, die in stetiger Folge geschaltet werden können, so daß
ein abgestufter Bereich von Vergleichsfrequenzen gebildet wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Messung und zur Steuerung der Bildungsgeschwindigkeit und der Dicke eines niedergeschlagenen
Films vorzusehen, das das oben erläuterte Problem der Nulleinstellung eines Vergleichsoszillators
löst.
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Auf vielen Anwendungsgebieten der Aufdampfung ist es wichtig, daß
der niedergeschlagene Film mit gleichbleibender Geschwindigkeit wächst. Daraus ergibt
sich als weitere Aufgabe der Erfindung, ein System zur automatischen Steuerung der
Ablagerungsgeschwindigkeit (abgelagerte Menge pro Zeiteinheit) vorzusehen.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als zweiter Oszillator ein
Oszillator feststehender Frequenz verwendet wird und daß zur Verarbeitung des Zwischenfrequenzsignals
dieses Signal mit dem Ausgang eines Oszillators stetig veränderbarer Frequenz gemischt
und hierdurch ein zweites Zwischensignal erzeugt wird, dessen Frequenz bis auf Null
reduzierbar ist, und daß dann ein für die Frequenz des zweiten Zwischensignals repräsentatives
Steuersignal erzeugt wird.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird von dem Steuersignal ein weiteres Signal abgeleitet, das für die Änderungsgeschwindigkeit
des Steuersignals repräsentativ ist, wobei das abgeleitete Steuersignal dazu benutzt
wird, die Ablagerungsgeschwindigkeit zu steuern.
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Vorzugsweise wird das Steuersignal einer darauf ansprechenden, mit
einer Potentiometerspannung arbeitenden Vorrichtung, die außerdem einen empfindlichen
Schalt-Nulldetektor aufweist, zugeführt, wobei das Steuersignal einen elektromagnetisch
arbeitenden Verschluß betätigt, der die Ablagerung beendet, sobald eine vorgegebene
Materialdicke aufgetragen worden ist.
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Ferner kann es vorteilhaft sein, das weitere, für die Änderungsgeschwindigkeit
des Steuersignals repräsentative Signal mit einem Vergleichssignal zu vergleichen,
wobei ein Fehlersignal erzeugt wird, das in Verbindung mit einer Phasenverschiebungsschaltung
dazu verwendet wird, in einer vorgegebenen Weise einen oder mehrere Siliziumgleichrichter
zu betätigen, die die Energiezufuhr zu einer Heizvorrichtung regeln, welche das
aufzutragende Material erwärmt.
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Zur Durchführung der angegebenen Verfahren eignet sich insbesondere
eine Vorrichtung mit einem ersten Oszillator, der durch einen innerhalb der Beschichtungskammer
angeordneten Quarzkristall steuerbar ist und mit einem zweiten Oszillator und einem
Mischer, der ein Zwischenfrequenzsignal von dem ersten und zweiten Oszillator ableitet,
die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Oszillator stetig veränderbarer Frequenz
und ein weiterer Mischer, der von dem Oszillator und dem Zwischenfrequenzsignal
ein weiteres Zwischenfrequenzsignal ableitet, vorgesehen ist, daß der zweite Oszülator
ein Oszillator feststehender Frequenz ist und daß ein Steuerkreis vorgesehen ist,
der ein für die Frequenz des zweiten Zwischenfrequenzsignals repräsentatives Steuersignal
erzeugt.
Bei der angegebenen Vorrichtung kann vorzugsweise ein Geschwindigkeitssteuerkreis
zur Erzeugung eines weiteren, für die Änderungsgeschwindigkeit des Steuersignals
repräsentativen Signals vorgesehen sein. Dabei kann der zweite Oszillator feststehender
Frequenz ein von einem Quarzkristall gesteuerter Oszillator sein, dessen unveränderliche
Frequenz größer ist als die Anfangsfrequenz des ersten Oszillators, wobei der erste
Mischer eine übliche Mischdiode, der Oszillator mit veränderlicher Frequenz ein
üblicher, mit einem Emitter gekoppelter, durch eine Spule und einen Kondensator
abgestimmter Oszillator mit einem niedrigen Ausgangsscheinwiderstand und der zweite
Mischer eine übliche Mischdiode ist.
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Ferner kann es von Vorteil sein, wenn der Steuerkreis einen Rechteckwellenformer
und eine Schaltung zur zeitlichen Verzögerung des Impulses enthält und wenn der
Kreis zur Steuerung der Ablagerungsgeschwindigkeit eine Differenzierschaltung ist,
die einen hochverstärkenden, widerstandsrückgekoppelten Gleichstromverstärker enthält,
der über einen Kondensator gespeist wird.
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An Hand der Zeichnungen wird nachstehend die Erfindung beispielsweise
näher erläutert, und zwar zeigt F i g.1 ein Blockschaltbild eines Teils einer Ausführungsform
der Vorrichtung, in dem einzelne elektrische Stromkreise nur teilweise gezeigt sind,
und F i g. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Steuerung
der Ablagerungsgeschwindigkeit.
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Eine Beschichtungskammer 1, in der die Beschichtung ausgeführt wird,
nimmt einen Quarzprüfkristall 2 sowie Einrichtungen zur Unterstützung, Lagerung
und Abdeckung einer Trägerschicht, Einrichtungen zur Lagerung und Aufheizung eines
verdampfenden Stoffes und einen Verschluß, mit dem man den Fluß des verdampfenden
Stoffes zu den nicht abgedeckten Teilen der Trägerschicht unterbrechen kann, auf.
(Letztere Einzelheiten sind in den Zeichnungen nicht dargestellt.) Der Prüfkristall
2 steuert einen Kammeroszillator 3, der es in Verbindung mit einem Vergleichsoszillator
4, einem ersten Mischer 5, einem veränderbaren Vergleichsoszillator 6, einem zweiten
Mischer 7, einem Impulsformer 8 und einer Schaltung zur zeitlichen Steuerung des
Impulses (Zeitglied) 9 ermöglicht, eine direkte Messung sowohl der Filmdicke als
auch der Bildungsgeschwindigkeit an Meßgeräten 10 bzw.11 anzuzeigen. Die von dem
Frequenzmeßgerät 10 und dem Geschwindigkeitsmeßgerät 11 für die Bildungsgeschwindigkeit
abgeleiteten Steuersignale werden dazu verwendet, den Beschichtungsvorgang so zu
steuern, wie es nachfolgend beschrieben ist.
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Der Quarzkristall 2 ist ein nach der AT-Schnittlinie geschnittener
Kristall, der in seiner in Dickenrichtung verlaufenden Spaltfläche schwingt (vibrating
in thickness shear) mit einem Schnittwinkel, der im Idealfall 35° 10' beträgt; denn
ein solcher Kristall wird von Temperaturschwankungen relativ wenig beeinflußt. Er
ist in üblicher Weise mit dem Karnmeroszillator so gekoppelt, daß er stabile bzw.
frequenzkonstante Schwingungen bei einer normalen Betriebsfrequenz von 6 MHz erzeugt.
Der Vergleichsoszillator 4 ist ebenso ein üblicher, von einem Quarzkristall gesteuerter
Oszillator mit einer festgelegten Ausgangsfrequenz von 6,5 MHz. Die Ausgangssignale
dieser beiden Oszillatoren werden einem üblichen Diodenmischkreis 5 zugeführt, der
noch einen trennscharf abgestimmten Verstärker aufweist (um die Harmonischen auszufiltern),
welcher Frequenzen im Bereich von 500 kHz bis 1 MHz durchläßt.
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Der Vergleichsoszillator 6 mit veränderlicher Frequenz ist ein üblicher,
mit einem Emitter gekoppelter, durch eine Spule und einen Kondensator abgestimmter
Oszillator mit einem niedrigen Ausgangsscheinwiderstand, der ein Ausgangssignal
erzeugt, dessen Frequenz im Bereich von 500 kHz bis 1 MHz veränderlich ist. Der
niedrige Ausgangsscheinwiderstand macht einen Trennkreis entbehrlich, der andernfalls
notwendig sein würde, damit nicht das Ausgangssignal des ersten Mischers 5 den Oszillator
6 steuert. Die Ausgangssignale des ersten Mischers 5 und des Oszillators 6 werden
zu einem zweiten Mischer 7 geleitet, der eine übliche, mit einem Tiefpaßfilterverstärker
versehene Mischdiode ist. Auf diese Weise ist das Ausgangssignal des Mischers 7
ein im wesentlichen sinusförmiges Signal mit einer Frequenz im Bereich von 0 bis
50 kHz.
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Das Ausgangssignal des Mischers 7 wird alsdann in einen Impulsformer
8 eingespeist, wo seine annähernd sinusförmige Wellenform in eine rechteckige
Wellenform ohne Veränderung der Frequenz, die im Bereich von 0 bis 50 kHz liegt,
umgewandelt wird.
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Das Ausgangssignal des Impulsformers 8 wird darauf zu einem Stromkreis
9 zur zeitlichen Verzögerung des Impulses weitergegeben und erzeugt endlich ein
Gleichstromausgangssignal, dessen Amplitude der Frequenz des Eingangssignals rechteckiger
Wellenform proportional ist. Das erreicht man auf folgende Art und Weise. Eine positive
Schwingung am Anfang der Rechteckwellenkurve löst die Zeitschaltung 9 aus, die während
eines festgelegten Zeitintervalls leitend und wieder nichtleitend wird. Zum Beispiel
veranlaßt ein 500-Hz-Signal in dem Zeitschaltstromkreis 9, daß er für 0,4 ursec
der jeweils 2 ursec dauernden Periode leitend wird. Weil die Zeitschaltung bei einer
unveränderlichen Leitungszeit von 0,4 ursec dann nicht einwandfrei arbeiten würde,
wenn ein Signal mit einer Frequenz von mehr als 2,5 kHz eingespeist würde, ist die
Zeitschaltung 9 derart ausgebildet, daß sie von Hand auf vier Bereiche umschaltbar
ist, von denen jeder eine andere Zeitkonstante hat und auf diese Weise alle Frequenzen
im Bereich von 0 bis 50 kHz verarbeiten kann. Das von der Zeitschaltung 9 abgegebene
Durchschnittssignal wird dem Ausgangsmeßgerät für die Frequenzänderung direkt zugeleitet.
Schaltet man von einem Bereich der Zeitschaltung 9 auf den nächsten, dann kann es
notwendig sein, den Oszillator 6 veränderbarer Frequenz auf die Null-Lage eines
jeden Bereichs einzustellen, um die beste Empfindlichkeit zu erreichen.
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Das Ausgangssignal der Zeitschaltung 9 ist ein Gleichspannungssignal
und wird nach Durchlaufen des Frequenzmeßgerätes 10 an das Meßgerät 11 zur Bestimmung
der Ablagerungsgeschwindigkeit abgegeben. Letzteres enthält eine Differenzierschaltung
(differentiating circuit) mit einem hochverstärkenden, widerstandsrückgekoppelten
Gleichstromverstärker, der über einen Kondensator im Eingangskreis gespeist wird,
und erzeugt eine auf dem Meßgerät 11 angezeigte Ausgangsspannung, die der Änderungsgeschwindigkeit
der Eingangsspannung proportional ist.
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Bei Betrieb der Vorrichtung wird die Träger-
Schicht
in der Beschichtungskammer 1 angeordnet und notwendigenfalls so weit abgedeckt,
daß nur noch die Teile frei sind, die beschichtet werden sollen. Wenn die Kammer
evakuiert worden ist, wird die Heizvorrichtung eingeschaltet, und Dampf lagert sich
sowohl auf den unabgedeckten Teilen der Trägerschicht als auch auf dem Prüfkristall
2 ab. In dem Maße, wie sich die Masse, bezogen auf die Flächeneinheit, auf dem Prüfkristall
2 zunehmend ablagert, verringert sich dessen Resonanzeigenfrequenz. Auf diese Weise
erhöht sich die Frequenz des Ausgangssignals des ersten Mischers 5 proportional
zur Dicke des niedergeschlagenen Films. Die Frequenz des Ausgangssignals des zweiten
Mischers ist in gleicher Weise der niedergeschlagenen Filmdicke direkt proportional,
obwohl die Frequenz des letztgenannten Ausgangssignals auf einen Wert innerhalb
des Bereichs von 0 bis 50 kHz verringert wird. Der Stromkreis 8 zur Impulsformung
und der Stromkreis 9 wandeln alsdann das Ausgangssignal des zweiten Mischers 7 um
in 1. eine Anzeige auf dem Frequenzmesser, dessen Ausschlag auf diese Weise zu einer
direkten Anzeige der Dicke des niedergeschlagenen Films wird, und 2. eine direkte
Anzeige der Ablagerungsgeschwindigkeit auf dem Meßgerät 11.
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Sobald die erforderliche Filmdicke niedergeschlagen worden ist, wird
ein elektromagnetisch betätigter Verschluß automatisch geschlossen, um den Dampfstrom
aus dem Verdampfer zu der Trägerschicht zu unterbrechen. Darauf wird eine zweite
Trägerschicht an der Stelle in der Beschichtungskammer 1 angeordnet, an der die
Ablagerung stattfindet. Zu diesem Zeitpunkt trägt der Prüfkristall 2 bereits einen
Film, ; und man stellt deshalb, bevor man mit einem zweiten Beschichtungsvorgang
beginnt, den veränderbaren Oszillator 6 so ein, daß die Frequenz des Ausgangssignals
des zweiten Mischers während des anschließenden Arbeitsganges noch in den Bereich
von 0 bis 50 kHz fällt. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Arbeitsgängen wird deshalb
der veränderbare Oszillator 6 eingestellt, damit die aus dem zweiten Mischer kommenden
Signale von den Detektoren 8, 9,10 und 11 aufgenommen werden können. Der Vergleichs-
q oszillator 4 bleibt unberührt; auch ist es nicht notwendig, die Kammer auseinanderzubauen
oder den Prüfkristall zu reinigen.
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Die Steuerung der Filmbildungsgeschwindigkeit ist in Fig. 2 gezeigt.
Ein Gleichspannungsausgangssignal wird von dem Meßgerät 11 zur Messung der Ablagerungsgeschwindigkeit
abgenommen und einem Komparator 12 zugeführt, der die Ausgangsspannung des Meßgerätes
mit einer Vergleichsspannung vergleicht und ein Fehlerausgangssignal erzeugt, das
einem Gleichstromverstärker 13 zugeführt wird. Das verstärkte Fehlersignal wird
dann von dem Verstärker 13 an einen Stabilisator 15 zur Stabilisierung des Stromes
einer Stromquelle abgegeben, der den Strom aus der Stromquelle derart konstant hält,
wie es durch den Fehlersignalverstärker 13 vorgegeben wird, und der eine Beeinflussung
des Kurvenverlaufs der Ablagerungsgeschwindigkeit durch .Änderungen des Widerstandes
der Stromquelle und der Netzspannung am Transformator der Stromquelle verhindert.
Das Signal, das den Strom der Stromquelle überwacht, erhält man von einem Stromtransformator
18, dessen Sekundärwicklung direkt in eine nicht induktive Widerstandsheizung
20 einspeist. Die an den Klemmen der Heizwicklung auftretende Spannung, die
dem Strom der Stromquelle proportional ist, wird in die Hilfsstromrückkopplungsschleife
des Stabilisators 15 zur Stabilisierung des Stromes der Stromquelle eingespeist.
Das Signal des Stabilisators 15 wird dann einer Phasenverschiebungsschaltung 16
zugeführt, die mit der 50-Hz-Spannungsquelle verbunden ist, und der Phasenwinkel
wird durch das Signal gesteuert, das dem Verstärker 13 entnommen wird, und den Punkt
jeder Halbschwingung der 50-Hz-Spannungsquelle zu regeln, an dem Ausgangssignale
der Phasenverschiebungsschaltung 16 auftreten. Je größer das zugeführte Signal ist,
desto später erscheint das Ausgangssignal in jeder Halbschwingung. Die Ausgangssignale
der Phasenverschiebungsschaltung 16 werden als Auslösestufenvorspannungssignale
abwechselnd dem einen und dem anderen von zwei Siliziumgleichrichtern zugeführt,
die durch den Block 17 dargestellt sind. Die Gleichrichter sind mit dem Heizkreis
der Beschichtungskammer 1 in Reihe geschaltet, so daß die vom Transformator 19 an
die Heizvorrichtung 20 abgegebene Leistung durch die Auslösesignale gesteuert wird.
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Auf diese Weise bewirkt eine Zunahme der Wachstumsgeschwindigkeit
der Filindicke eine Zunahme der Amplitude des verstärkten Fehlersignals des Verstärkers
13. Das wiederum verursacht eine Zunahme in der Phasenverschiebungsschaltung 16,
die die Siliziumgleichrichter so auslöst, daß diese für einen kleineren Teil jeder
Periode der Energiezuführung leitend werden und so die Geschwindigkeit verringern,
mit der der Verdampfer erwärmt wird; auf diese Weise wird die Wachstumsgeschwindigkeit
des auf 5 der Trägerschicht niedergeschlagenen Films verringert. Falls bereits am
Anfang eine Verringerung der Wachstumsgeschwindigkeit des Films auftritt, arbeitet
das System in entsprechender Weise derart, daß an der Heizvorrichtung mehr Wärme
auftritt.
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Manchmal ist es erwünscht, vor dem Verdampfungsvorgang das Material
für verschieden lange Zeiträume zu entgasen oder auch das Material auf Verdampfungstemperatur
zu bringen, um die Zeit, die zwischen dem öffnen des elektromagnetischen Verschlusses
und der Erzielung der vorgegebenen Aufdampfungsgeschwindigkeit liegt, zu verkürzen.
Gelegentlich ist es auch notwendig, die Temperatur des Materialvorrats während der
Entgasung langsam zu erhöhen. Dementsprechend ist eine Entgasungszeitschaltung 14
vorgesehen, die automatisch das Stromniveau am Stabilisator 15 wählt und den Entgasungszeitraum
von dem langsamen Anstieg am Anfang auf eine vorgegebene Zeitspanne einstellt. Die
endgültige Höhe des Entgasungsstromes wird dadurch gewählt, daß man ein gegebenes
Signal in dem Stabilisator 15 des Stromes der Stromquelle konstant hält. Nach der
Entgasung stellt die Zeitschaltung automatisch den Fehlerverstärker in dem Stromkreis
zur Steuerung der Aufdampfungsgeschwindigkeit ein.
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Die Erfindung ist nicht auf die genannten speziellen Oszillatorfrequenzen
beschränkt. Zum Beispiel kann der Kammeroszillator 2 eine Anfangsfrequenz im Bereich
von 1 bis 20 MHz und der Vergleichsoszillator 4 mit unveränderlicher Frequenz eine
Frequenz besitzen, die bis zu 20 % größer ist als die Anfangsfrequenz des Kammeroszillators.
Obwohl ein speziell nach der AT Linie geschnittener Kristall beschrieben wurde,
können doch andere Kristalltypen
verwendet werden. Ebenso kann der
Vergleichsoszillator veränderbarer Frequenz ein Oszillator üblicher Bauart, an Stelle
des mit einem Emitter gekoppelten, durch eine Spule und einen Kondensator abgestimmten
Oszillator sein. Die Einrichtung zur Steuerung der Aufdampfungsgeschwindigkeit bzw.
Aufdampfmenge kann irgendeine Siliziumgleichrichteranordnung enthalten.