DE1758719A1 - Device for heating and cooling an enclosed space - Google Patents

Device for heating and cooling an enclosed space

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DE1758719A1
DE1758719A1 DE19681758719 DE1758719A DE1758719A1 DE 1758719 A1 DE1758719 A1 DE 1758719A1 DE 19681758719 DE19681758719 DE 19681758719 DE 1758719 A DE1758719 A DE 1758719A DE 1758719 A1 DE1758719 A1 DE 1758719A1
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Paul Hochschorner
Fritz Kielwein
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Telefunken Patentverwertungs GmbH
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    • H05B3/62—Heating elements specially adapted for furnaces
    • H05B3/64—Heating elements specially adapted for furnaces using ribbon, rod, or wire heater

Description

T e 1 e funk e η PatentverwertungsgesellschaftT e 1 e funk e η Patent collecting society

m.b.H.
Ulm / Donau, Elisabethenstr. 3mbH
Ulm / Danube, Elisabethenstr. 3

Heilbronn, den 22.7-1968 FE/FT-Ma/Na HN 37/68Heilbronn, July 22nd, 1968 FE / FT-Ma / Na HN 37/68

"Vorrichtung zum Erwärmen und Abkühlen eines umschlossenen Raumes11 "Device for heating and cooling an enclosed space 11

Die vorliegende. Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen und Abkühlen eines umschlossenen Baumes mit einem Heiz- und einem Kühlsystem. Hierbei besteht die Erfindung darin, daß innerhalb eines Rohres, das zur Führung eines Kühlmediums vorgesehen ist, wenigstens ein Heizleiter angeordnet ist.The present. The invention relates to a device for heating and cooling an enclosed tree with a heating and a cooling system. Here, the invention consists in that within a tube that is used for guiding a cooling medium is provided, at least one heating conductor is arranged.

Vorrichtungen zum Erwärmen und Abkühlen eines umschlossenen Raumes werden heute vielfach zur Fertigung elektrischer Bauelemente, wie beispielsweise Dünn- und Dickfilmanordnungen, Dioden, Tranistoren, integrierten Festkörperschaltungen und dergleichen benötigt. Diffusions-, Legierungsöfen sowie Hochvakuumaufdampfanlagen müssen erhitzt und abgekühlt werden, wobei vielfach eine ganz bestimmteZeittemperaturfunktion vorgeschrieben wird. In vielen Fällen müssen Temperaturbereiche zwischen ca. -2oo°C und 1ooo°C realisierbar sein. Devices for heating and cooling an enclosed space are today often required for the production of electrical components, such as thin and thick film arrangements, diodes, transistors, integrated solid-state circuits and the like. Diffusion and alloy furnaces as well as high vacuum evaporation systems have to be heated and cooled, whereby a very specific time temperature function is prescribed in many cases. In many cases, temperature ranges between approx. -2oo ° C and 100 ° C must be feasible .

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Der bekannte Stand der Technik soll im folgenden an einem Beispiel einer Heiz- und Abkühlvorrichtung für eine Hochvakuumaufdampfanlage erläutert werden. Eine derartige, bekannte Anlage ist in Figur 1 im Schnitt dargestellt. In dieser Anlage wird beispielsweise eine dünne Aluminiumschicht gleichzeitig auf eine große Anzahl von Halbleiterscheiben 1 aufgedampft. Der in der Figur 1 dargestellte Rezipient 2 hat eine doppelte Wandung 3» durch deren Zwischenhohlraum 4 zur Wandkühlung Wasser geleitet wird. Der vakuum-In the following, the known prior art is illustrated using an example of a heating and cooling device for a high vacuum vapor deposition system explained. Such a known system is shown in section in FIG. In this plant is, for example, a thin layer of aluminum simultaneously vapor-deposited onto a large number of semiconductor wafers 1. The recipient shown in FIG 2 has a double wall 3 »through the intermediate cavity 4 of which water is passed for wall cooling. The vacuum

" dicht abgeschlossene Behälter wird mit Hilfe einer Vorpumpe 5» einer Diffusionspumpe 6 und einem Plattenventil 7 evakuiert. In dem Behälter ist ein glockenförmiger Schirm 8 angeordnet, der aus einem dünnwandigen Blech besteht und von einer Kühlschlange 9 getragen wird. Auf die Außenfläche des Schirmes 8 ist ein Heizleiter 1o spiralenförmig gewickelt. Die Enden des Heizleiters 1o und der Kühlschlange 9 sind vakuumdicht nach außen geführt und mit einer Stromquelle baw, einer das Kühlmedium liefernden Pumpe verbunden. Innerhalb des glocken-"tightly sealed containers are filled with the aid of a backing pump 5» a diffusion pump 6 and a plate valve 7 evacuated. A bell-shaped screen 8 is arranged in the container, which consists of a thin-walled sheet metal and is carried by a cooling coil 9. On the outer surface of the screen 8 a heating conductor 1o is wound in a spiral shape. The ends of the Heating conductor 1o and the cooling coil 9 are vacuum-tight out and with a power source baw, one the cooling medium supplying pump connected. Inside the bell

fe fornigen Schirmes 8, der die Heiz- und Kühlzone und damit den Strahlungsraum umschließt, ist ein kalottenförmiger Trägerkörper 11 untergebracht, auf dessen konkaver Oberflächenseite beispielsweise zu bedampfende Halbleitericheiben 1 befestigt sind. Den Halbleiterscheiben gegenüberliegend ist die Aufdampfquelle 12 angeordnet, wobei das Aufdampfgut durch die von einem Höchstromtransfomator 1? gelieferte Energie zum Verdampfen gebracht wird.Fe shaped screen 8, which is the heating and cooling zone and thus the Enclosing the radiation space, a dome-shaped support body 11 is housed on its concave surface side For example, semiconductor wafers 1 to be vaporized are attached. Opposite the semiconductor wafers is the vapor deposition source 12 arranged, wherein the vapor deposition through the from a high current transformer 1? supplied energy to the Evaporation is brought.

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Die in der Figur 1 dargestellte Heiz- und Kühlvorrichtung hat den Nachteil, daß die Heizwicklung im Bedarfsfall über den Umweg des glockenförmigen Schirmes 8, der als Halterung für die Heizwicklung.dient, abgekühlt werden muß. Auch die erforderliche Heisleistung ist bei der beschriebenen Anordnung relativ groß, da zunächst die nicht unbeträchtliche Masse der Halterung erhitzt werden muß. Ferner ist bei der dargestellten Anordnung der Heizleiter gegenüber dem Strah-Iuugsraum abgeschirmt, da sich der elektrische Leitwert des'Heizloiters in unzulässiger Weise ändern würde, wenn sich das von der Aufdampfquelle abgestrahlte Material auch auf der Außenfläche des Leiters niederschlagen könnte. Ein weiterer Nachteil der in der Figur 1 gezeigten Anordnung besteht darin, daß die Auschlußenden der Heizleitung und der Kühlschlange -voneinander getrennt vakuumdicht aus dem Behälter herausgeführt werden müssen. Vakuumdichte Durchführungen sind jedoch relativ kompliziert und verteuern die Herstellung einer Aufdampfanlaget so daß man bestrebt ist, die Zahl der Durchführungen möglichst klein, au halten..The heating and cooling device shown in FIG. 1 has the disadvantage that, if necessary, the heating winding must be cooled via the detour of the bell-shaped screen 8, which serves as a holder for the heating winding. The required heat output is also relatively large in the described arrangement, since the not inconsiderable mass of the holder must first be heated. Furthermore, in the arrangement shown, the heating conductor is shielded from the radiation space, since the electrical conductance of the heating loiter would change in an inadmissible manner if the material emitted by the vapor deposition source could also be deposited on the outer surface of the conductor. A further disadvantage of the arrangement shown in FIG. 1 is that the exclusion ends of the heating line and the cooling coil must be led out of the container in a vacuum-tight manner separately from one another. Vacuum-tight bushings, however, are relatively complicated and expensive manufacturing a vapor deposition t so that, the aim is the number of passages as small as possible, keeping au ..

Die genannten Nachteile werden bei der Verwendung der ei ndungsgemäßen kombinierten Heiz- und Kühlvorrichtung vermieden. Der Heizleiter verläuft nunmehr im Inneren des Kühlrohres, so daß eine Halterung für die Heizwendel entfällt. Wird durch den von der Heizleitung freigelassenen Teil des KühlrohrhohlraumesThe disadvantages mentioned are when using the ei ndungsgemeinschaft combined heating and cooling device avoided. The heating conductor now runs inside the cooling tube, see above that a holder for the heating coil is omitted. Is through the Part of the cooling tube cavity left free by the heating cable

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BAD ORSGiNALBAD ORSGiNAL

ein Kühlmittel gepumpt, kühlt sich die Heizwicklung direkt ab. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird das im Kühlrohr befindliche Gas beim Aufheizvorgang als Wärmeübertragungsmedium mit ausgenutzt, um den Jkuhrkörper aufzuheizen. Da die Heizleitung im Kühlrohr verläuft, benötigt nan bei der neuen Vorrichtung nur noch halb so' viele vakuumdichte Durchführungen wie bei der bekannten Vorrichtung. Zur Halterung der Kühlschlange, in der der Heizleiter verläuft, reichen als Gurte ausgebildete, schmale Metallbänder aus, die eine extrem kleine Masse aufweisen. Bei der neuen Vorrichtung ist es völlig ausgeschlossen, daß auf den Außenmantel des Heizleiters Verunreinigungen oder Schichten niedergeschlagen werden, die den Widerstandswert des Heizleitera in unerwünschter Weise ändern wurden. Auch was möglicherweise aus dem Heizleiter ausdiffundiert, gelangt nicht in den Stranlung6raum.If a coolant is pumped, the heating coil cools down directly. In the case of the arrangement according to the invention, this is done in the cooling pipe The gas present during the heating process is also used as a heat transfer medium in order to heat the Jkuhrkörper. Since the heating line runs in the cooling pipe, the new device only needs half as many vacuum-tight devices Bushings as in the known device. To hold the cooling coil in which the heating conductor runs, Narrow metal straps designed as belts, which have an extremely small mass, are sufficient. With the new device it is completely excluded that impurities or layers are deposited on the outer jacket of the heating conductor that would change the resistance of the Heizleitera in an undesirable manner. Also what possibly diffuses out of the heating conductor, does not get into the Stranlung6raum.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und deren weitere vorteilhafte Ausgestaltung wird im folgenden anhand der Figuren 2 bis 4 näher erläutert.The device according to the invention and its further advantageous embodiment are illustrated below with reference to FIGS to 4 explained in more detail.

' Die Figur 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung ia. Schnitt und deren Einsatz in einer Hochvakuumanlage· Die Figur 3 zeigt eine bifilare Anordnung des kombinierten Heisund Kühlsystems, während in der'Figure 2 shows the device according to the invention ia. cut and their use in a high vacuum system. FIG. 3 shows a bifilar arrangement of the combined Heisund Cooling system while in the

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Figur A- eine Ausschnittsvergrößerung eines Teiles des Kühlrohres und des darin geführten Heizleiters dargestellt ist. FIG. A shows an enlarged detail of part of the cooling tube and the heating conductor guided therein.

In der Figur 2 ist der obere Teil einer Hochvakuumanlage darge stellt. Auf die bereits in der Figur 1 gezeigten Teile wurde. hierbei verzichtet. Der Rezipient 2 enthält, wie auch der gemäß Figur . 1, hochglänzende Abschirmbleche 14, die beispiels- . -■' weise aus Nickel bestehen. Innerhalb des Reziplenten ist eine spiralenförinig gewickelte Kühlschlange 15 angeordnet, die in ihrer Gesamtheit die Form einer Glocke aufweist. In dem von der Kühlschlange umschlossenen Raum ist wiederum ein ebener oder kalottenförmiger Trägerkörper 11 für zu beschichten de Halbleiterscheiben angeordnet. Die Enden der Kühlschlange sind vakuumdicht durch einen Abschlußdeckel 16 geführt und münden außerhalb des Behälters in der ausgangsseitigen öffnung je eines Abzweigstückes 17. Dieses Abzweigstück, 1? weist eingangsseitig zwei öffnungen auf, wobei durch die eine Öffnung der Heizleiter io gasdicht geführt ist, während an die andere öff nung ein Anschlußstutzen 18 zur Zuführung des Kühlmediume angeschlossen ist. Im Inneren des Abzweigstückes führt der Heizleiter in den Hohlraum des Kühlrohres und durchsetzt das Kühlror auf seiner gesamten Large. Die korb- oder glockenförmige Kühl schlange wird durch selbsttragende, gurtfiSrmig ausgebildete, schmale Metallbänder 19 in ihrer Lage gehaltert. In the figure 2, the upper part of a high vacuum system is Darge provides. The parts already shown in FIG. here waived. The recipient 2 contains, as well as that according to FIG. 1, high-gloss shielding plates 14, the example . - ■ 'consist of nickel. A helically wound cooling coil 15 is arranged inside the recipient, which in its entirety has the shape of a bell. In the space enclosed by the cooling coil , a planar or dome-shaped carrier body 11 for semiconductor wafers to be coated is in turn arranged. The ends of the cooling coil are guided in a vacuum-tight manner through a cover 16 and open outside the container in the outlet-side opening of a respective branch piece 17. This branch piece, 1? one has two openings on the aisle side, the heating conductor io being guided through one opening in a gas-tight manner, while a connecting piece 18 for supplying the cooling medium is connected to the other opening. Inside the junction piece, the heating conductor leads into the cavity of the cooling pipe and penetrates the cooling ror over its entire large. The basket-shaped or bell-shaped cooling coil is held in place by self-supporting, belt-shaped, narrow metal strips 19.

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Der Querschnitt des.Heizleiters 1o entspricht vorzugsweise etwa einem viertel des Hohlraumquerschnittes des XühlrohreB. Das Kühlrohr ist beispielsweise aus Edelstahl. Als Xühlmedicn haben sich Preßluft oder flüssiger Stickstoff al» geeignet erwiesen.The cross section des.Heizleiters 1o preferably corresponds to about a quarter of the cavity cross-section of the XühlrohreB. The cooling tube is made of stainless steel, for example. As Xühlmedicn compressed air or liquid nitrogen are suitable proven.

In der Figur 3 ist in einer perspektivischen Ansicht die Wicklungsart der Kühlschlangen dargestellt. Um die elektrische Belastung durch den Heizleiter herabzusetzen, wähltIn FIG. 3, the type of winding of the cooling coils is shown in a perspective view. To the electric To reduce the load caused by the heatsealing band, selects

Ψ 9Ψ 9

man gemäß der in Figur 3 dargestellten Anordnung vorzugsweise zwei Kühlschlangen 2o und 21, wobei jede Kühlschlange bifilar und spiralenförmig gewickelt ist. Zwischen zwei benachbarten Wicklungen des einen bifilar gewickelten Systems ißt jeweils eine Wicklung des anderen bifilar gewickelten Systems angeordnet, so daß beide Systeme parallel zueinander verlaufen. In der Figur 3 ist zur Erhaltung der Übersicht nur das System voll gezeichnet, während das zweite System 21 durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist. Die Enden der beiden Ψ Kühlschlangen sind wiederum vakuumdicht in Aussparungen des Abschlu£deckels 16 eingeschweißt. In der Figur 3 sind ferner die schmalen Halterungsbänder 19 für die kombinierten Heiz- und Kühl sy s-te me dargestellt.according to the arrangement shown in FIG. 3, preferably two cooling coils 2o and 21, each cooling coil being wound bifilar and helically. A winding of the other bifilar-wound system is arranged between two adjacent windings of the one bifilar-wound system, so that the two systems run parallel to one another. In FIG. 3, only the system is drawn in full in order to maintain the overview, while the second system 21 is indicated by a dash-dotted line. The ends of the two coils are in turn Ψ vacuum-tight manner in recesses of the Statements and £ lid welded sixteenth In FIG. 3, the narrow retaining straps 19 for the combined heating and cooling systems are also shown.

Der in Figur 4 dargestellte, in ein Kühlrohr 15 geführte Heizleiter 1o besteht vorzugsweise aus einem sogenannten Miniaturmantelheizleiter. Diese Miniaturmantelheizleiter haben einenThe heating conductor shown in FIG. 4, guided into a cooling pipe 15 1o preferably consists of a so-called miniature jacket heating conductor. These miniature jacket heating conductors have one

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metallischen Kern 22, beispielsweise aus einer Nickel-Chrom-Legierung. Dieser Kern ist mit einem Ißolationsmaterial 23 uiuhüllt, das beispielsweise aus Bariumoxyd oder aue Magnesiumoxyd besteht. Die Außenfläche der Isolation ist wiederum mit einer Nickel-Chrom-Legierung beschichtet (24). Der Kern des Heisleiters wird mit einer Spannungsquelle verbunden und der durch der. Kern fließende Strom heizt die Außenschicht dos Heiz Leiters über das Isolationsmaterial auf. Über dasmetallic core 22, for example made of a nickel-chromium alloy. This core is covered with an insulation material 23, which consists, for example, of barium oxide or magnesium oxide. The outer surface of the insulation is in turn coated with a nickel-chromium alloy (24). The core of the heat conductor is connected to a voltage source and the through the. Current flowing through the core heats the outer layer dos heating conductor over the insulation material. About the

■ ■ ■■■ ■ a■ ■ ■■■ ■ a

im Kuh !rohr befindliche He*stgas wird beim Aufheizvorgang der ^ Kühlrohrmantel aus Edelstahl erhitzt, der seinerseits die Wärme an die Umgebung abgibt.The hot gas in the cow pipe becomes the ^ Cooling tube jacket made of stainless steel heated, which in turn the Gives off heat to the environment.

Die aus dem Behälter herausgeführten Enden des Heizleiters "bestehen aus einem Material, dessen auf die' l&igeiuöiaS&sifc bezogener Widerstandswert möglichst gering ist/HieMureSr erhalt man sogenannte "kalte Enden", deren Temperatur beim Aufheizvorgang erheblich unter der des eigentlichen Heisleiters liegt.The ends of the heating conductor leading out of the container "consist of a material that is related to the 'l & igeiuöiaS & sifc Resistance value is as low as possible / HieMureSr received one so-called "cold ends", their temperature during the heating process is considerably below that of the actual Heisleiters.

Die erfindungsgeiuäße Heiz- und Abkühlvorrichtung eignet sich besonders für Aufdampfanlagen; sie kann aber überall dort eingesetzt werden, wo Behälter oder bestiemte Räume erwärmt und in der Folge nach Abschalten der Heizquelle wieder abgekühlt werden müssen. Es ist ^j ed och auch denkbar, daß zur Einstellung eines bestimmten Temperaturprofils gleichzeitig der Heizleiter erwärmt und durch das Kühlrohr ein Kühlmedium geleitet wird. Dies dürfte besonders dann der Fall sein, wenn Spitzen im Temperaturzeitverlauf geglättet werden sollen.The heating and cooling device according to the invention is suitable especially for evaporation systems; but it can be used anywhere where containers or specific rooms are heated and in consequently have to be cooled down again after switching off the heating source. It is also conceivable that for the setting of a certain Temperature profile at the same time the heating conductor is heated and a cooling medium is passed through the cooling tube. This is likely be especially the case when there are peaks in the temperature curve over time should be smoothed.

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BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

Claims (11)

PatentansprücheClaims 1) Vorrichtung zum Erwärmen" und Abkühlen eines umschlossenen Baumes mit einem Heiz- und einem Kühlsystem, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Rohres, das zur Führung eines KühlmüdiumB vorgesehen ist, wenigstens ein Heizleiter angeordnf-c iüt. ' '1) Device for heating "and cooling an enclosed tree with a heating and a cooling system, characterized in that within a tube, which is provided for guiding a KühlmüdiumB, at least one heating conductor is ordnf-c iüt. ' 2) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr al« Kühlschlange ausgebildet ist, die den zu erwärmenden und abzukühlenden Raum spiralenförmig umgibt. 2) Device according to claim 1, characterized in that the tube al "cooling coil is formed surrounding the space to be heated and cooled in spiral form. 3) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter aus einem Miniaturmantelheizleiter besteht. 3) Device according to claim 1 or 2, characterized in that the heating conductor consists of a miniature jacket heating conductor. 4) Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Heizleiters etwa einem Viertel des Hohl- ,4) Device according to claim 3, characterized in that the cross section of the heating conductor is about a quarter of the hollow , κ raumquerschnittes des Kühlrohres entspricht. κ corresponds to the space cross-section of the cooling pipe. 5) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl- wad Heizspirale in einem vakuumdicht abgeschlossenen Behälter mit gurtföraig ausgebildeten Metellbändern gehaltert ist- 5) Device according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling wad heating coil is held in a vacuum-tight container with belt-shaped metal strips 009885/0884009885/0884 BAD ORIGINALBATH ORIGINAL ■■»■■ » 6) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche» dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Kühlrohres vakuumdicht aus einem geschlossenen Behälter geführt sind.6) Device according to one of the preceding claims »characterized in that the ends of the cooling tube are vacuum-tight are out of a closed container. 7) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ende des Kühlrohres außerhalb des Behälters in ein Abzweigestück mündet, aus dem räumlich voneinander getrennt der Heizleiter und ein Anschluß an das | Rohr zur Einleitung eines Kühlmediums geführt sind.7) Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that each end of the cooling tube opens into a branch piece outside the container, from the spatial separated from each other the heating conductor and a connection to the | Tube for introducing a cooling medium are performed. 8) Vorrichtung nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium aus flüssigem Stickstoff oder aus Preßluft besteht. "8) Device according to claim 7> characterized in that the cooling medium consists of liquid nitrogen or compressed air consists. " 9) Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 7.» dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Behälter herausgeführten Enden des Heizleiters aus einem anderen Material als der eigentliche Heizleiter bestehen, und daß der auf die Längeneinheit bezogene Widerstandswert der kalten Enden des Heizleiters möglichst gering ist.9) Device according to claim 3 or 7. » characterized in that the ends of the heating conductor led out of the container consist of a different material than the actual heating conductor, and that the resistance value of the cold ends of the heating conductor, based on the unit of length, is as low as possible. 10) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das kombinierte Kühl- und Heis- »7·te* aus zwei parallel verlaufenden, jeweils feifilar gewickelten Bohren besteht. 10) Device according to one of the preceding claims, characterized in that the combined cooling and heating »7 · th * consists of two parallel, each finely wound bores. Q09885/QS94Q09885 / QS94 ι/ ΰ ο./ igι / ΰ ο. / ig - 1o -- 1o - 11) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Verwendung in Hochvakuum-Aufdampfanlagen. 11) Device according to one of the preceding claims, characterized by its use in high vacuum vapor deposition systems. 009885/0884009885/0884
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