DE2460989A1 - Vorrichtung zum aufdampfen von schichten im vakuum - Google Patents
Vorrichtung zum aufdampfen von schichten im vakuumInfo
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Description
Vorrichtung zum Aufdampfen von Schichten im Vakuum !
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufdampfen von Schien+
ten im Vakuum und insbesondere zum Aufdampfen von Schichten auf Substraten in einem Strom eines von einer Quelle in einem Vakuumsystem
ausgehenden Stroms eines aufzudampfenden Materials.
Für verschiedene Anwendungsgebiete wird das Aufdampfen von Schichten
auf Substraten im großen Umfange eingesetzt. Diese Anwendungsgebiete sind beispielsweise der Niederschlag nichtmetallischer
Überzüge auf optischen Linsen, das Beschichten von Papier und insbesondere das überziehen von Halbleitersubstraten mit elektrisch
leitenden metallischen oder dielektrischen Filmen für die nachfolgende Herstellung von Leitungsmustern bei der Herstellung
von Halbleitervorrichtungen.
Typische Vorrichtungen dieser Art, auf die sich die Erfindung bezieht,
sind in den US-Patentschriften 3 524 426 und 3 641 973 beschrieben.
Solche Vorrichtungen enthalten eine Hauptvakuum- oder
Verdampfungskammer mit einer Quelle eines zu verdampfenden Materials, das als Strom in einer Beschichtungskammer über ein
Substrat geleitet wird, welche von der Verdampfungskammer getrennt, steuerbar mit dieser verbunden werden kann. Zwischen den
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Kammern ist ein Vakuumventil oder eine Vakuumventilschleuse angeordnet,
durch die die Verbindung zwischen den beiden Kammern unterbrochen oder hergestellt werden kann. In jedem Fall ist eine
Vakuuraquellef wie z.B. eine Diffusionspumpe vorgesehen, die normalerweise
mit der Verdampfungskammer verbunden ist und -in dieser ständig ein hohes Vakuum aufrechthält.
Zum Beschicken des Systems wird das Schleusenventil geschlossen und man trennt die beiden Kammern voneinander, wobei die Beschichtungskammer
eine Einrichtung aufweist, durch die Substrathalterungen in den Strom des Verdampfungsmittels eingebracht werden
können. Nach Einbringen der Substrathalterung, Abdichten und
grobem Auspumpen der Beschichtungskammer wird das Schleusenventil geöffnet, so daß die beiden Kammern miteinander in Verbindung
treten können. Nach Herstellung eines gemeinsamen Vakuums
in den Kammern wird ein Strom des Verdampfungsmaterials aus einem ,
Quellenmaterial mittels einer Elektronenstrahlquelle erzeugt und
von der Verdampfungskammer in die Beschichtungskammer und auf die Substrate gerichtet, indem beispielsweise ein in den Ström des
Verdampfungsmaterials liegender Verschluß entfernt wird.
Es hat sich gezeigt, daß man diese Vakuumsysteme in der Weise verbessern kann, indem man die Auspumpzeit und die Verunreinigung
durch die ümgebungsatmosphäre möglichst klein machty so daß dadurch auch der Durchsatz beim Beschichten von Sub- :
straten erhöht wird. Das läßt sich, kurz gesagt, dadurch er- ;
reichen, daß man die Volumina der Verdampfungskammern und der , Beschichtungskammern in eine entsprechende Beziehung zueinander ■
bringt, so daß die Beschichtungskammer ein wesentlich kleineres j Volumen aufweist als die Verdampfungskammer, d.h. daß das Volumen
der Beschichtungskammer etwa 3 bis 10 % des Volumens der Verdampfungskammer beträgt. Wegen der verringerten Abmessungen
der Beschichtungskammer in bezug auf die Verdampfungskammer wird die Auspumpzeit wesentlich herabgesetzt. Weiterhin wird der
sich in der Verdampfungskammer, ergebende Druckanstieg verringert,
so daß die Defokussierung des Elektronenstrahls klein bleibt und
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Mt "3 MM
der Rückstrom der Diffusionspumpe ebenfalls klein gehalten wird.
Außerdem ist die Beschichtungskammer mit einer Beschickungsöffnung
versehen, deren Querschnitt ebenfalls klein gehalten ist, so daß das Einbringen von Umgebungseinflüssen während des Beschickens
mit Substraten ebenfalls wesentlich verringert wird. Ganz allgemein gesprochen, liegt das Verhältnis der Fläche der
Beschickungsöffnung zum Volumen der Beschichtungskammer in der
Größenordnung von etwa 1:20 bis etwa 1:30.
Um außerdem eine Verunreinigung durch die Umgebung möglichst
klein zu halten, ist die Beschichtungskammer mit Einlaß- und Auslaßleitungen versehen^ durch die während der Beschickung und
während des Herausnehmens der Substrate ein Strom eines inerten Gases (z.B. Stickstoff, Argon und dergleichen) durch die Beschichtungskammer
hindurchgeleitet werden kann.
Um ferner die Auspumpzeit der Beschichtungsvorrichtung herabzusetzen,
ist die Beschichtungskammer über ein Ventilsystem mit j einer Vakuumpumpe verbunden, die in dieser Kammer vor dem Her-
! stellen der Verbindung mit der Verdampfungskammer ein Vakuum • erzeugt.
I Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das Verschlußteil
für die Beschickungsöffnung mit einer Halterung für Substrate versehen ist, die dadurch in dem Strom des Verdampfungsmittels in der Beschichtungskammer gehalten werden. Dadurch ist
es möglich, die Beschickung mit zu beschichtenden Substraten zu automatisieren.
Ferner ist zusätzlich ein weiteres Ventil, beispielsweise ein Tellerventil in der Verdampfungskammer vorgesehen, das zum Verschließen
der Anschlußöffnung für die Vakuumpumpe dient, um die
Verbindung zwischen der Vakuumpumpe und der Verdampfungskammer zu unterbrechen, ohne daß jedesmal die Vakuumpumpe abgestellt
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werden muß.
Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in , Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben.
Die unter Schutz zu stellenden Merkmale sind den ebenfalls ] beigefügten Patentansprüchen zu entnehmen.
ι In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 schematisch eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Beschichtung
von Substraten gemäß der Erfindung;
Fig. 2 schematisch eine Ansicht einer Substrathalte-
rung zur Verwendung in der Vorrichtung gemäß Fig, 1
und
und
Fig. 3 eine schematische Teilschnittansicht einer
Beschichtungskammer gemäß einer, weiteren Ausführungsform
der Erfindung.
Obwohl die Vakuumbeschichtungsvorrichtung gemäß der Erfindung in vielen Anwendungsgebieten einsetzbar ist, so wird sie doch
anschließend in Verbindung mit der Beschichtung von Halbleitersubstraten mit elektrisch leitenden, metallischen Filmen für eine
nachfolgende photolithographische Herstellung von Leitungsmustern bei der Halbleiterherstellung beschrieben.
Die Vakuumbeschichtungsvorrichtung gemäß der Erfindung besteht aus einer Beschichtungskammer 1 und einer Verdampfungskammer 2,
die JLm Betrieb miteinander in Verbindung gebracht werden können und damit unter dem Einfluß einer gemeinsamen Vakuumpumpe 3, z.B.
einer Diffusionspumpe stehen, die über eine Einlaßöffnung 4 in der Unterseite der Wand 5 mit der Kammer in Verbindung steht.
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Zwischen der Beschichtungskammer 1 und der Verdampfungskammer 2 !
befindet sich ein Gehäuse 6 zur Aufnahme eines Schleusenventils,
dessen Schieber 7 in dem Gehäuse 6 mittels eines pneumatisch j
oder hydraulisch betätigbaren Zylinders 8 bewegbar gelagert ist, \
der an einem Ende des Gehäuses 6 befestigt und eine hin- und her-ι
gehende Kolbenstange 9 aufweist, die mit dem Ventilschieber 7 !
fest verbunden ist. Das Schleusenventil ist in Fig. 1 in seiner \
geschlossenen Stellung gezeigt, in der die Beschichtungskammer j
und die Verdampfungskammer voneinander isoliert sind, so daß beispielsweise
die Beschichtungskammer 1 beschickt werden kann
während gleichzeitig in der Verdampfungskammer kontinuierlich
ein Vakuum aufrechterhalten wird. Die Befestigung dieses Ventils ist derart ausgestaltet, daß seine Dichtungsfläche nach
oben weist, so daß diese Dichtungsfläche gegen den Niederschlag
des zu verdampfenden Materials geschützt ist.
während gleichzeitig in der Verdampfungskammer kontinuierlich
ein Vakuum aufrechterhalten wird. Die Befestigung dieses Ventils ist derart ausgestaltet, daß seine Dichtungsfläche nach
oben weist, so daß diese Dichtungsfläche gegen den Niederschlag
des zu verdampfenden Materials geschützt ist.
Durch Betätigung des Zylinders 8 wird der Kolben und damit die
Kolbenstange 9 zurückgezogen, so daß sich der Schieber 7 in die
Offenstellung bewegt und damit die Verbindung zwischen der Beschichtungskammer und der Verdampfungskammer herstellt, damit für beide ein gemeinsames Vakuum hergestellt werden kann.
Kolbenstange 9 zurückgezogen, so daß sich der Schieber 7 in die
Offenstellung bewegt und damit die Verbindung zwischen der Beschichtungskammer und der Verdampfungskammer herstellt, damit für beide ein gemeinsames Vakuum hergestellt werden kann.
Die Verdampfungskammer 2 enthält eine an sich bekannte Ionenquelle
10 der Art, wie sie in der üS-Patentschrift 3 710 072 offenbart
ist, aus der nähere Einzelheiten entnommen werden können. Die
Ionenquelle 10 enthält normalerweise einen wassergekühlten Tiegel 11, der ein Kühlleitungssystem 12 enthält, durch das ein Kühlmittel hindurchgeleitet werden kann. Der Tiegel 11 enthält eine
geschmolzene Masse 14 eines zu verdampfenden Materials, das der
Erzeugung des Aufdampfmaterials in Dampfform dient, wie z.B. Aluminium oder eine Kupfer-Aluminiumlegierung zur Herstellung eines elektrisch leitenden Films auf einem Halbleitersubstrat 13 (siehe Fig. 2). Die Schmelze 14 wird durch einen Elektronenstrahl 15
erhitzt, der aus einer Elektronenstrahlkanone 16 austritt und
durch ein geeignetes Magnetfeld in eine bogenförmige Bahn abgelenkt wird.
ist, aus der nähere Einzelheiten entnommen werden können. Die
Ionenquelle 10 enthält normalerweise einen wassergekühlten Tiegel 11, der ein Kühlleitungssystem 12 enthält, durch das ein Kühlmittel hindurchgeleitet werden kann. Der Tiegel 11 enthält eine
geschmolzene Masse 14 eines zu verdampfenden Materials, das der
Erzeugung des Aufdampfmaterials in Dampfform dient, wie z.B. Aluminium oder eine Kupfer-Aluminiumlegierung zur Herstellung eines elektrisch leitenden Films auf einem Halbleitersubstrat 13 (siehe Fig. 2). Die Schmelze 14 wird durch einen Elektronenstrahl 15
erhitzt, der aus einer Elektronenstrahlkanone 16 austritt und
durch ein geeignetes Magnetfeld in eine bogenförmige Bahn abgelenkt wird.
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In der Verdampfungskammer 2 ist um die Quelle 10 herum eine Abj
schirmung 17 angebracht, die in ihrer Oberseite 19 eine öffnung 18 enthält und dem Strom 20 des verdampften Materials die notwendige
Form gibt.
Um das Beschichten des Ventilschiebers 7 in der geschlossenen Stellung zu verhindern, ist ein Verschluß 21 zwischen der Materialquelle
10 an der formgebenden öffnung 18 und der Beschichtungskammer
1 vorgesehen. Der Verschluß 21 ist an einer drehbaren oder schwenkbaren Welle 22 befestigt, die sich durch die Abschirmung
17, und die Unterseite 23 der Verdampfungskammer durch
eine vakuumdichten Durchführung 24 hindurch erstreckt.
In der Verdampfungskammer 2 ist außerdem ein Tellerventil 25 vorgesehen, dessen Ventilteller 26 gegenüber der Einlaßöffnung
4 für die Vakuumpumpe liegt und diese abzudichten vermag, wenn der Stößel 27 durch die Betätigung eines pneumatischen oder
hydraulisch betätigbaren Zylinders 28 nach unten gedrückt wird.
Die Beschichtungskammer 1 weist eine Beschickungsöffnung 29 auf, die zum Beschicken und Herausnehmen der Substrate 13 dient.
Gegenüber der Beschickungsöffnung ist ein Flansch vorgesehen, der der Instandhaltung dient. Die Beschickungsöffnung kann durch
eine Klappe 30 geöffnet und verschlossen werden, die an einem einem Lagerbock 31 schwenkbar gelagert ist und eine ringförmige
Nut 32 aufweist, die der Aufnahme einer ringförmigen Dichtung 33 dient.
Auf der Außenseite der Klappe 30 ist ein weiterer Lagerbock
34 befestigt, an dem ein Motor 35 mit einer Antriebswelle 36 angeflanscht ist, die sich durch die Klappe 30 hindurch in das
Innere der Beschichtungskammer hinein erstreckt. Am freien Ende der Antriebswelle 36 ist die Substrathalterung 37 befestigt, die
der Aufnahme der Substrate in der Beschichtungsposition in bezug auf den Strom des aufzudampfenden Materials in der Beschichtungskammer
dient. Der Motor 35 dient zum Rotieren der Halterung
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37 und stellt damit sicher, daß die Substrate 13 in dem Strom des aufzudampfenden Materials gedreht werden, so daß sich dadurch
ein gleichförmigerer überzug auf den Substraten erzielen läßt.
Die Halterung 37 enthält eine Grundplatte 38 mit einer Anzahl von Greiffingern 39, die mit Sperrzinken 40 versehen sind und mit Hilfe
von Druckfedern 41, die in ringförmigen Vertiefungen 42 eingesetzt
sind, an der Rückseite der Grundplatte 38 schwenkbar befestigt sind und ausgerichtete ringförmige Vertiefungen 43 an
ihren Enden 44 zur Aufnahme der Federn 41 aufweisen und an Stehlagern
46 schwenkbar gelagert sind, die ebenfalls auf der Rückseite der Grundplatte 38 befestigt sind. Man sieht, daß die Sperrzinken
40 bei 46 abgeschrägt sind, so daß die Finger 39 leicht in ihre Offenstellung gedruckt werden können, wenn man ein Werkzeug
benutzen will, um das Substrat 13 in der Halterung 37 einzusetzen.
In Verbindung mit der Beschichtungskammer 1 steht auch eine weitere
Unterdruckleitung 50, die sich über ein Ventil 51 nach einer nicht gezeigten Grobvakuumpumpe erstreckt und mit deren Hilfe
I es möglich ist, die Beschichtungskammer 1 so weit auszupumpen,
daß man den Schieber 7 sicher öffnen kann, um damit die Beschichtungskammer
1 mit der Verdampfungskammer 2 zu verbinden, ohne daß sich dabei drastische Ausgleichsvorgänge ergeben könnten.
An der Beschichtungskammer 1 ist auch eine Leitung 52 angeschlossen,
die über ein Ventil 53 nach einer Quelle für ein inertes Gas (nicht gezeigt) führt, aus der Stickstoff, Argon oder derglei
chen eingeleitet werden kann, um im Innern der Beschichtungskammer 1 eine Strömungsatmosphäre aus inertem Gas aufrechtzuerhalten,
die dann an der Beschickungsöffnung 29 austreten kann, wenn die Klappe 30 geöffnet ist. Das aus der Beschickunngsöffnung 29 ausströmende
inerte Gas verringert das Eindringen von Uragebungsluft
in die Beschickungskammer und verhindert dadurch eine Verunreinigung dieser Kammer.
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Das mechanische Schließen der Klappe 30 kann beispielsweise dadurch
erfolgen, daß man das Stehlager 34 an einem Gabelkopf 60 befestigt, der am Ende einer Kolbenstange 61 eines pneumatisch
oder hydraulisch betätigten Zylinders 62 befestigt ist, der an geeigneter Stelle angebracht ist.
Wie bereits erläutert, soll das Volumen der Beschichtungskammer zur Verringerung der Auspumpzeit wesentlich kleiner sein als das
Volumen der Verdampfungskammer. Im allgemeinen liegen praktisch
verwirklichbare Verhältnisse des Volumens der Beschichtungskammer 1 zum Volumen der Verdampfungskammer 1 im Bereich von etwa
1 bis 10 zu 1 bis 30. In einer tatsächlich ausgeführten Vorrichtung betrug das Volumen der Beschichtungskammer 5 Liter, während
das Volumen der Verdampfungskammer 2 150 Liter betrug.
Wie ebenfalls bereits erwähnt, wird zur Verhinderung oder zürn
Kleinhalten des Eindringens von Verunreinigungen aus der Umgebungsluft
bei geöffneter Klappe 30 die Querschnittsfläche der
Beschickungsöffnung 29 in ein entsprechendes Verhältnis zum Volumen der Beschichtungskammer 1 gesetzt. Praktisch verwirklichbare
Verhältnisse der Querschnittsfläche der Beschickungsöffnung 29 zum Volumen der Beschichtungskammer 1 liegen im Bereich zwischen
1:20 und 1:30, Wählt man eine derart kleine Beschickungsöffnung 29, dann wird außerdem das aus der Beschichtungskammer
1 ausströmende inerte Gas getrocknet und die Temperatursteuerung der innenliegenden Oberflächen läßt sich besser durchführen. Bei
der tatsächlich ausgeführten Vorrichtung mit einem Volumen der Beschichtungskammer von etwa 5 Litern hatte die Beschickungs-
2 öffnung 29 eine Querschnittsfläche von etwa 64,5 cm .
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Beschichtungskammer
1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In dieser Ausführungsform ist eine Beschickungsöffnung 29a in einer Beschickungskammer
1a vorgesehen und liegt in einem abgeschrägten Abschnitt der Außenwand 71 und ist damit gegen den Strom des verdampften Ma- |
terials, der von der Quelle 10 in der Verdampfungskammer 2 kommt,:
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geneigt. Eine Klappe 3OA ist an einem Lagerbock 72 schwenkbar i gelagert und weist an ihrer äußeren Oberfläche einen Motor 35A !
auf, dessen Antriebswelle 36 sich durch eine Vakuumdichtung in diej
i Beschichtungskammer 1A hinein erstreckt, wobei an dem freien i
Ende der Welle eine drehbare Substrathalterung 37 angebracht ist, \ die das Substrat in einem Winkel zu dem Strom des verdampften
Materials innerhalb der Beschichtungskammer 1A enthält. In der Beschichtungskammer 1A sind außerdem Heizelemente 70 vorgesehen,
die die Substrate auf Niederschlagstemperatur aufheizen. Die Heizelemente sind durch eine Abschirmung 75 gegen den Strom des
verdampften Materials geschützt.
In Betrieb wird für das Beschicken mit Substraten der Ventilschieber
7 - Fig. 1 - in die geschlossene Position gebracht und trennt damit die Beschichtungskammer 1 von der Verdampfungskammer
2f in der ein Vakuum von beispielsweise zwischen 3 bis
9 χ 10 Torr über den Anschluß 4 an die Vakuumpumpe 3 aufrechterhalten
wird. Vor öffnen der Klappe 30 wird das Ventil 53 der
Leitung 52 für die Zufuhr des inerten Gases geöffnet, wodurch eine
Verbindung der Beschichtungskammer mit einer Quelle für inertes Gas hergestellt wird, worauf dann die Klappe 30 geöffnet wird.
Jetzt kann an der Substrathalterung ein dort befindliches Substrat
herausgenommen und ein neues Substrat 13 (z.B. ein HaIbleiterplättchen)
darauf befestigt werden, worauf die Klappe 30 wieder geschlossen wird. Durch Schließen des Ventils 53 wird
nunmehr die Zufuhr von inertem Gas abgesperrt und die Beschichtungskammer
wird an einer Grobvakuumpumpe durch öffnen des Ventils 51 in der Leitung 50 angeschlossen. Ist die Beschichtungskammer
1 bis zu einem geeignetem Vakuum von etwa 50 Mikron ausgepumpt, dann wird das Ventil 51 geschlossen und der Schieber
7 in seine Offenstellung gebracht. Nach Stabilisierung der Vorrichtung wird der Verschluß 21 von der öffnung 18 weggedreht,
so daß der Strom des verdampften Materials, der von der Quelle
10 in der Verdampfungskammer 2 kommt, in die Beschichtungskammer 1 und auf das Substrat 13 strömt, das auf der Halterung 37 befestigt
ist. Die Rotation des Substrat, die Aufheizung und das
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; Erhitzen der Quelle kann eingeleitet werden, nachdem die Verbin-.
dung zwischen Verdampfungskammer und Beschichtungskammer herge- ] stellt ist. Für photolitographische Herstellung von Leitungs-'
mustern auf Halbleitervorrichtungen kann die im Vakuum unterge-I brachte Materialquelle aus einem geschmolzenen Vorrat e.iner 70/
! 30 Aluminium-Kupferlegierung bestehen, um einen elektrisch leitenden
Film auf den Halblexterplattchen (z.B. dem Substrat) her-
j zustellen.
ι
!
Zur Bedienung der Verdampfungskammer 2 wird ohne Abstellen der
!
Zur Bedienung der Verdampfungskammer 2 wird ohne Abstellen der
!Vakuumpumpe 3 das Tellerventil 28 in Schließstellung mit der
öffnung 4 gebracht und die Beschichtungskammer und die Verdampfungskammer werden nach der Außenatmosphäre belüftet, so
daß für Instandsetzungsarbeiten beide Kammern zugänglich sind,
öffnung 4 gebracht und die Beschichtungskammer und die Verdampfungskammer werden nach der Außenatmosphäre belüftet, so
daß für Instandsetzungsarbeiten beide Kammern zugänglich sind,
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Claims (6)
1. Vorrichtung zum Beschichten von Substraten im Vakuum mit einem Strom eines verdampften Beschichtungsmaterials mit
einer Verdampfungskammer, in der sich eine aufheizbare Quelle für Beschichtungsmaterial befindet und die absperrbar
an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist, sowie mit einer Beschichtungskammer, die absperrbar mit der Verdampfungskammer
in Verbindung steht und eine Halterung enthält, die der Aufnahme von zu beschichtenden Substraten dient,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Volumina von Verdampfungskammer (2) zu Beschichtungskammer (1) im
' Bereich von etwa 1:10 bis etwa 1:30 liegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
; das Verhältnis der Querschnittsfläche der die Verdampfungskammer
(2) mit der Beschichtungskammer (1) verbindenden absperrbaren Öffnung (18) zum Volumen der Beschich-
: tungskammer (1) im Bereich von etwa 1:20 bis etwa 1:30
j liegt.
;
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich-
j net, daß an der Beschichtungskammer eine mit einem Ven-
! til (51) absperrbare Leitung (50) angeschlossen ist, über
j die ein inertes Gas zuführbar ist.
j
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
; an der Beschichtungskammer bzw. an dem die Beschlchtungs-
j kammer (1) mit der Verdampfungskammer (2) verbindenden
j Rohrstutzen eine an einem Ventil (53) absperrbare, mit
j einer Grob-Vakuumpumpe verbundene Leitung (52) angeschlos-
j sen ist.
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5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Änschlußbohrung (4) für die Vakuumpumpe
(3) durch ein Tellerventil (25, 26# 27, 28) verschließbar
ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrathalterung (37) in einer gegen den Strom des
verdampften Materials geneigten Seitenwand (71) an einer schwenkbar gelagerten Klappe (3OA) angebracht ist, und
daß die Substrathalterung (37) über eine von einem Motor (35A) angetriebene Antriebswelle (36) drehbar ist.
B0983S/0989
Applications Claiming Priority (1)
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