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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschichtung mindestens eines Substrats nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine wesentliche Anforderung an die Beschichtung mindestens eines Substrats ist es, eine Beschichtung mit gleichmäßiger Schichtdicke zu erzeugen, die möglichst dünn, aber dennoch dicht ist. Dabei bereiten insbesondere komplexe Oberflächen und Strukturen mit hohem Seitenverhältnis Schwierigkeiten.
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist bspw. aus der
DE 196 09 804 C1 bekannt. Diese Druckschrift offenbart eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur PVD-Beschichtung von Schüttgut. Hierbei ist eine rotierbare Beschichtungskammer vorgesehen, in welche mindestens eine Magnetronanordnung zur Ausbildung eines Kathodenplasmas aufgenommen ist. Während des Beschichtungsvorgangs wird das Schüttgut durch Drehen der Beschichtungskammer umgewälzt. Die Beschichtungskammer und somit das Schüttgut können durch eine von der Sputterstromversorgung unabhängige Spannungsversorgung auf ein beliebiges positives oder negatives Potential gegenüber der Sputterstromversorgung eingestellt werden (so genannter Bias). Dies dient der Einstellung zusätzlicher Beschichtungsparameter. Das mit der Vorrichtung ermöglichte Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Beschichtungsrate aus. Der Aufbau der Vorrichtung ist jedoch vergleichsweise komplex. Außerdem wird auch die Innenwand der Beschichtungskammer mit dem Targetmaterial beschichtet. Dies führt zu einem erheblichen Verlust an Targetmaterial. Die beschriebene Vorrichtung muss daher außerdem auch regelmäßig gereinigt werden.
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Die
US 6,060,129 A beschreibt eine Vorrichtung zur Beschichtung von Schüttgut mit einem Kunststoff, vorzugsweise PTFE (Polytetrafluorethylen, Teflon®). In einer rotierbaren Beschichtungskammer wird das Targetmaterial entweder zusammen mit dem Schüttgut ebenfalls in Schüttgutform vorgehalten oder als Targetmaterialschicht fest mit der Innenwand der Beschichtungskammer verbunden. In die Beschichtungskammer wird ein Hochfrequenz-, Niederfrequenz- oder Mikrowellenplasma kapazitiv oder induktiv eingekoppelt. Hierdurch wird mittels eines in der Beschichtungskammer aufgenommenen Arbeitsgases ein diffuses Plasma erzeugt und aufrechterhalten. Die Beschichtungsrate ist verfahrensbedingt eher gering.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine gattungsgemäße Vorrichtung derart weiterzuentwickeln, dass die oben genannten Nachteile überwunden werden. Insbesondere soll bei möglichst einfachem Aufbau der Vorrichtung eine zumindest zufriedenstellende Beschichtungsrate erzielt werden.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die vorschlagsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Beschichtungskammer mindestens eine Auflagefläche für das mindestens eine Substrat aufweist, dass die Beschichtungskammer zumindest im Bereich ihrer Auflagefläche mit dem Targetmaterial beschichtet ist, dass die Beschichtungskammer als Targetkathode ausgebildet ist.
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Vorschlagsgemäß dient also die Beschichtungskammer selbst als Targetkathode, d. h. sie steht als Kathode in an sich bekannter Weise mit einer Einrichtung zur Sputterstromversorgung in elektrischem Kontakt. Die Anode der Sputterstromversorgung wird gesondert in die Beschichtungskammer geführt, bspw. mittels einer an sich bekannte Gaslanze zur Zuführung mindestens eines Arbeitsgases.
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Damit entfällt das Vorhalten separater Targetkathoden innerhalb der Beschichtungskammer, wie es in der
DE 196 09 804 C1 beschrieben ist. Somit ist der Aufbau der vorschlagsgemäßen Vorrichtung erheblich vereinfacht. Dennoch erlaubt die vorschlagsgemäße Vorrichtung die Herstellung gleichmäßiger Beschichtungen bei guten Beschichtungsraten.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Auflagefläche der Beschichtungskammer kann, je nach Verwendungszweck, flach oder gewölbt ausgebildet sein. Eine besonders bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die Beschichtungskammer rohrförmig ausgebildet und das Targetmaterial auf der Innenwand der rohrförmigen Beschichtungskammer zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig aufgebracht, vorzugsweise aufgeklebt, ist. Damit kann die Beschichtungskammer an beliebige Verwendungszwecke, insbesondere in Bezug auf die Materialien von Target und Substrat, aber auch in Bezug auf die Größe und Handhabbarkeit des mindestens einen angepasst werden.
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Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wird ferner das beim Beschichtungsprozess nicht auf dem mindestens einen Substrat abgeschiedene Targetmaterial zum großen Teil wieder auf der Oberfläche des Targetmaterials redeponiert, wo es sofort zur weiteren Beschichtung wieder zur Verfügung steht. Es werden also lediglich die Oberflächen des mindestens einen Substrats bzw. die Oberfläche des Targetmaterials bzw. die Innenwand der Beschichtungskammer beschichtet. Materialverluste werden somit weitgehend vermieden.
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Eine denkbare alternative Ausgestaltung sieht vor, dass die Beschichtungskammer selbst vollständig aus dem Targetmaterial gebildet ist.
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Bei der bevorzugten rohrförmigen Ausgestaltung der Beschichtungskammer bilden die beiden stirnseitigen Öffnungen bei horizontal orientierter Zylinderlängsachse eine „vordere stirnseitige Öffnung“ beziehungsweise eine „hintere stirnseitige Öffnung“, die vorzugsweise mit Abschirmschilden zumindest teilweise verschlossen sind. Diese vorderen und hinteren Abschirmschilde sind Bauteile, die beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Magnetanordnung zur elektrischen und zur mechanischen Abschirmung des Arbeitsraums nach außen dienen. Bei einem die vordere bzw. hintere Öffnung nur teilweise verschließenden Abschirmschild ermöglicht die verbleibende Öffnung das Abpumpen von Prozessgas aus dem Arbeitsraum und trägt zu einem geringen Verlust an Targetmaterial bei.
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Die Bestückung der Beschichtungskammer mit dem zu beschichtenden mindestens einen Substrat erfolgt im einfachsten Fall über die vordere stirnseitige Öffnung. Das vordere Abschirmschild ist dabei entfernt und die Beschichtungskammer von vorne zugänglich. Daher ist bei dieser Ausführungsform das vordere Abschirmschild bewegbar beziehungsweise entfernbar gestaltet.
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Das während des Beschichtungsprozesses auf den Abschirmschilden, abgeschiedene Beschichtungsmaterial kann auf einfache Weise recycelt und zurückgewonnen werden.
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Der geringe Verlust an Beschichtungsmaterial bei Einsatz einer Magnetanordnung macht sich besonders positiv bemerkbar, wenn das Targetmaterial von einem Bauteil aus Edelmetall gebildet wird, das auf der Innenwand der Beschichtungskammer fixiert ist.
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Das Edelmetall-Bauteil ist beispielsweise ein Blech oder eine Folie. Im Vergleich zu einer Edelmetall-Beschichtung der Innenwand der Beschichtungskammer kann ein verbrauchtes Edelmetall-Bauteil einfach von der Innenseite wieder abgenommen und einem Recyclingprozess zugeführt werden. Das bevorzugte Aufkleben des Targetmaterials, insbesondere des Edelmetall-Bauteils auf der Innenwand der Beschichtungskammer ergibt eine im Beschichtungsprozess feste, aber danach vergleichsweise einfach zu lösende Fügeverbindung.
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Bei der vorschlagsgemäßen Magnetanordnung erfolgt die Zufuhr des mindestens einen Arbeitsgases bevorzugt unmittelbar in die Beschichtungskammer. Zu diesem Zweck ist in an sich bekannter Weise die Gaszuführung entweder durch das vordere und/oder hintere Abschirmschild vorgesehen, oder es sind Mittel zur Gasführung entlang des vorderen und/oder des hinteren Abschirmschilds in die Beschichtungskammer vorgesehen.
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Die Innenwand der Beschichtungskammer kann als Innenbeschichtung eines Trägerrohres oder aus einer einstückigen oder mehrteiligen Auskleidung der Trägerrohr-Innenbohrung ausgeführt sein. Die Auskleidung kann beispielsweise als in Rohrform gebogenes Blech- oder Folienteil beziehungsweise durch mehrere insgesamt in Rohrform gebogene Blech- oder Folienteile gebildet sein. Die Innenwand der Beschichtungskammer kann eine Naht oder mehrere Nähte aufweisen. An der Innenwand können Auskleidungsteile stoßweise aneinanderstoßen und/oder sich überlappen. Die Innenwand der Beschichtungskammer umgibt einen zylinderförmigen Hohlraum, der gleichzeitig den Arbeitsraum für die Aufnahme des zu beschichtenden Substrats bildet.
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Besonders bevorzugt ist die Beschichtungskammer bewegbar, insbesondere drehbar, angeordnet. Dies erlaubt es, das mindestens eine Substrat während des Beschichtungsvorgangs zu bewegen, um eine möglichst gleichmäßige Beschichtung zu gewährleisten. Diese Ausgestaltung ist besonders dann zweckmäßig, wenn das mindestens eine Substrat in Form von Stückgut, Schüttgut oder Sauggut vorliegt. Insbesondere ein Rütteln oder Umwälzen dieses Typs von Substrat bewirkt, dass über einen gewissen Zeitraum alle Substratoberflächen für die Partikel des Targetmaterials zugänglich sind.
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Es ist von Vorteil, wenn die vorgesehene Energiequelle außerhalb der Beschichtungskammer angeordnet ist, da sie in diesem Fall einer Beschichtung durch das Targetmaterial nicht zugänglich ist. Hierbei wird zwischen der Sputterstromversorgung und mindestens einer Magnetanordnung, d. h. einer Magnetfeldquelle unterschieden. Bei Einsatz mehrerer Magnetfeldquellen kann ein schnellerer Abtrag des Targetmaterials und damit eine schnellere Beschichtung des Substrats, d. h. eine höhere Beschichtungsrate, erreicht werden und/oder es kann die Rotationsgeschwindigkeit der Beschichtungskammer im Vergleich zu nur einer Magnetfeldquelle verringert werden.
Besonders bevorzugt ist die Energiequelle als Magnetanordnung, insbesondere als Gleichstrom-Magnetanordnung, ausgebildet. Dies fördert eine besonders einfache Prozessführung zur Beschichtung des mindestens einen Substrats.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung kann zum Anlegen eines Vakuums zweckmäßigerweise in einem Vakuumgehäuse aufgenommen sein. Die Beschichtungskammer kann aber auch einen Teil eines Vakuumgehäuses bilden.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen in schematischer, nicht maßstabsgetreuer Darstellung:
- 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung;
- 2 eine Seitenansicht der vorgeschlagenen Beschichtungskammer gemäß 1.
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Das vorliegende Ausführungsbeispiel betrifft als besonders bevorzugte Ausführungsform eine Vorrichtung 10 zur Ausführung eines Verfahrens, das das DC- oder Gleichstromsputtern von Schüttgut ermöglicht. Andere Einsatzmöglichkeiten der vorgeschlagenen Vorrichtung insbesondere im Bereich der oben ausführlich erläuterten weiteren unabhängigen Erfindungsaspekte bleiben selbstverständlich hiervon unberührt.
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DC- oder Gleichstrom-Sputtern ist ein physikalisches Beschichtungsverfahren, das im Vakuum unter Verwendung eines Arbeitsgases, typischerweise Argon, durchgeführt wird. Beim Sputtern werden Ionen des Arbeitsgases durch ein elektrisches Feld zur elektrisch leitenden Oberfläche des Targetmaterials beschleunigt. Die Ionen bewirken, dass durch eine Stoßkaskade neutrale Target-Atome oder Verbände von Target-Atomen mehr oder minder senkrecht aus der Oberfläche herausgeschlagen werden. Sobald die Target-Atome oder Verbände von Target-Atomen auf ein Hindernis auftreffen, haften sie an der Oberfläche dieses Hindernisses an. Das Targetmaterial dient somit als Spendermaterial zur Beschichtung des Substrats. Die bevorzugte Region der auftreffenden Argon-Ionen auf dem Target kann durch außerhalb der Beschichtungskammer angeordnete Magnete festgelegt werden. Ohne Magnete wird das gesamte Target bombardiert, verlangt aber dann eine höhere Spannung von vielen 100 V bis einige 1000 V.
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Das Target ist als Kathode geschaltet und gegenüber einer Anode mit einer Spannung von einigen 100V negativ gepolt. Die Anode kann separat in die Beschichtungskammer aufgenommen sein (bspw. in Form einer Gaslanze zur Zufuhr von Arbeitsgas). Stattdessen oder zugleich kann die Wandung der Beschichtungskammer selbst als Anode genutzt werden.
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Die 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 weist eine Beschichtungskammer 11 auf. Die Beschichtungskammer 11 kann aus einem beliebigen Material bestehen. Insbesondere sind Aluminium, Kupfer, Edelstahl und andere Metalle bzw. Legierungen denkbar. Die Beschichtungskammer 11 ist im Ausführungsbeispiel rohrförmig ausgebildet. Die Beschichtungskammer 11 ist um ihre Längsachse A sowohl im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn rotierbar ausgebildet. Die Beschichtungskammer 11 ist in an sich bekannter Weise rotierbar in einem Vakuumgehäuse aufgenommen oder bildet in an sich bekannter Weise selbst einen Teil eines Vakuumgehäuses (nicht dargestellt). Die Beschichtungskammer 11 ist über eine Gaslanze (nicht dargestellt) mit Arbeitsgas befüllbar. Außerhalb der Beschichtungskammer 11 ist im Ausführungsbeispiel eine Magnetanordnung 12 vorgesehen. Die Magnetanordnung 12 dient im Zusammenwirken mit Kathode und Anode in an sich bekannter Weise als Energiequelle zur Erzeugung eines lonenplasmas 13. Das lonenplasma 13 dient, wie oben beschrieben, zur Vereinzelung von Atomen bzw. Verbünden von Atomen aus einem Targetmaterial 14.
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Vorzugsweise ist das Targetmaterial 14 fest mit der Innenwand 11a der Beschichtungskammer 11 verbunden. Das Targetmaterial 14 kann insbesondere in Form einer Beschichtung auf die Innenwand 11a der Beschichtungskammer aufgetragen sein. Das Targetmaterial 14 kann aber auch auf die Innenwand 11a der Beschichtungskammer 11 aufgeklebt sein. Das Targetmaterial 14 kann ferner auch als rund gebogenes Blech federnd in der Beschichtungsvorrichtung gehalten werden.
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Ein zur Beschichtung vorgesehenes Schüttgut 15 ist in der Beschichtungskammer 11 aufgenommen. Die Beschichtungskammer 11 ist in der mit dem Doppelpfeil R angedeuteten Rotationsrichtung sowohl im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn rotierbar.
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Vorschlagsgemäß ist die Beschichtungskammer 11 mit dem an ihrer Innenwand 11 a angebrachten Targetmaterial 14 als Kathode geschaltet. Diese Kombination aus Beschichtungskammer 11 und Targetmaterial 14 bildet somit die Targetkathode 20. Diese Ausgestaltung der Targetkathode 20 ermöglicht einen besonders einfachen und kompakten Aufbau der Vorrichtung 10, da keine separaten Targetkathoden im Innenraum der Beschichtungskammer 11 angebracht werden müssen.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines mit der beschriebenen Vorrichtung 10 durchführbaren Verfahrens beschrieben.
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Zu Beginn wird die Beschichtungskammer 11 aus Aluminium mit dem Schüttgut 15 befüllt. Im Ausführungsbeispiel besteht das Schüttgut 15 aus Aderendhülsen aus Kupfer. In einem nächsten Schritt wird an die in einem Vakuumgehäuse aufgenommene Beschichtungskammer 11 ein Vakuum in der Größenordnung von < 5 · 10-4 mbar angelegt. Dann wird die Beschichtungskammer 11 in Rotation versetzt, um das Schüttgut 15 umzuwälzen. Die Beschichtungskammer 11 kann insbesondere abwechselnd in Uhrzeigerrichtung und Gegenuhrzeigerrichtung rotieren. Als Arbeitsgas wird Argon verwendet, welches über eine Gaslanze (nicht dargestellt) der Beschichtungskammer 11 zugeführt wird. Die Beschichtungskammer 11 wird als Kathode geschaltet. Als Anode dient die Gaslanze (nicht dargestellt). Die erwartungsgemäße Sputterspannung liegt nach dem Zünden des Plasmas bei ca. 325 V bei einer Leistung von ca. 320 W. Der Arbeitsdruck wird hierbei auf 6 · 10-3 mbar eingestellt.
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Nun wird die Magnetanordnung 12 aktiviert, wodurch aus dem Arbeitsgas im Ausführungsbeispiel ein Argon-lonenplasma erzeugt wird. Das Argon-lonenplasma trifft auf die Oberfläche des Targetmaterials 14 der Targetkathode 20 (im Ausführungsbeispiel Silber), wodurch einzelne Atome oder Atomgruppen aus dem Targetmaterial 14 herausgeschlagen werden. Diese Atome oder Atomgruppen schlagen sich auf den Oberflächen des Schüttguts 15 und wiederum des Targetmaterials 14 nieder. Dieser Vorgang dauert im Ausführungsbeispiel zur Beschichtung von Aderendhülsen aus Kupfer mit einer Silberschicht mit einer Dicke von ca. 200 nm etwa 30 Minuten bei einer Beschichtungsrate von ca. 6,67 nm pro Minute.
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Das Schüttgut 15 befindet sich also während des Beschichtungsvorgangs in ständigem, direkten Kontakt mit dem Targetmaterial 14 der Targetkathode 20.
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Die Umwälzung des Schüttguts 15 bewirkt eine im Wesentlichen vollständige äußere Beschichtung des Schüttguts 15 mit konstanter Schichtdicke, abhängig von der jeweiligen Beschichtungsdauer und Beschichtungsrate. Die Magnetanordnung 12 weist in üblicher Weise einen Nordpol und einen Südpol auf. Die Magnetanordnung 12 bildet auf der Beschichtungskammer einen sogenannten „Racetrack“ aus. Durch die kontinuierliche Rotation der Beschichtungskammer 11 wird die gesamte Innenmantelfläche des Targetmaterials 14 überstrichen, so dass ein gleichmäßiger Abtrag des Targetmaterials erfolgt.
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Die Ausgestaltung der Targetkathode 20 als rohrförmige Beschichtungskammer 11 mit damit fest verbundenem Targetmaterial 14 sowie die Tatsache, dass die einzigen in der Beschichtungskammer 11 vorhandenen Oberflächen diejenigen des Schüttguts 15 bzw. des Targetmaterials 14 sind, bewirken, dass überschüssige Atome bzw. Atomgruppen von Targetmaterial 14, welche das Schüttgut 15 verfehlen, wiederum auf die Oberfläche des Targetmaterials 14 der Targetkathode 20 aufprallen und dort anhaften. Somit geht keinerlei Targetmaterial 14 verloren. Eine Reinigung der Vorrichtung 10 von fehlgeleitetem Targetmaterial 14 erübrigt sich. Die Targetkathode 20 kann kontinuierlich so lange eingesetzt werden, bis ihr Targetmaterial 14 im Wesentlichen aufgebraucht ist und eine neue Schicht von Targetmaterial 14 auf die Innenwand 11a der Beschichtungskammer 11 aufgebracht werden muss. Ferner erübrigt sich auch der Einsatz von Magneten, um das lonenplasma in Richtung des Targetmaterials 14 zu lenken. Da das Targetmaterial 14 die gesamte Innenwand 11a der Beschichtungskammer 11 auskleidet, ist eine Lenkung des lonenplasmas nicht erforderlich
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 11
- Beschichtungskammer
- 11a
- Innenwand von 11
- 12
- Magnetanordnung
- 13
- lonenplasma
- 14
- Targetmaterial
- 15
- Schüttgut
- 20
- Targetkathode
- A
- Längsachse von 11
- R
- Rotationsrichtung von 11
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19609804 C1 [0003, 0009]
- US 6060129 A [0004]
