DE2656723C3 - Vorrichtung zur Behandlung von Werkstücken im Vakuum - Google Patents

Vorrichtung zur Behandlung von Werkstücken im Vakuum

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Behandlung von Werkstücken im Vakuum, die eine Behandlungskammer und eine außerhalb der Kammer, jedoch mit dieser in Verbindung stehenden ersten Pumpe aufweist.
Zahlreiche Vorrichtungen zur Behandlung von Werkstücken im Vakuum einschließlich zahlreicher bekannter Zerstäubungsgeräten machen es erforderlich, daß das Gerät jedesmal ausgepumpt wird, wenn das Gerät erneut mit Werkstücken chargiert wird. Die Zeit zum Auspumpen kann ziemlich lang dauern und stellt häufig einen beachtlichen Anteil der gesamten Verarbeitungszeit dar, so daß es wünschenswert wäre, die Auspumpzeit zu reduzieren. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß eine Verringerung der Auspumpzeit gelingt.
Gemäß Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Vorrichtung eine zweite innerhalb der Kammer angeordnete Pumpe aufweist, daß eine kappenartige Haube zum Stülpen über die zweite Pumpe ausgebildet ist, und zwar in abdichtender Weise zur Isolierung der Pumpe von einem Teil der Kammer, und daß eine Einrichtung zum wahlweisen Verschieben der kappenartigen Haube in die abdichtende Lage vorgesehen ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt
F i g. 1 einen Schnitt durch ein Zerstäubungsgerät,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fi g. I,
Fig. 3 eine Vorderansicht eines Werkstückhalter in Form einer Palette zum Gebrauch in dem Gerät Fig. 1 und 2, und
Fig.4 eine vergrößerte Einzelheit der Palette nach F i g. 3, jedoch von der Rückseite her gesehen.
F i g. 1 zeigt ein Zerstäubungsgerät 10 gemäß Erfindung. Das Gerät 10 stellt dem Grunde nach ein glockenartiges Gefäß dar und weist einen topfförmigen im großen und ganzen zylindrischen Hauptdeckel 12 und eine Basisplatte 14 auf, die in hermetisch dichtender Weise zueinander ausgebildet und angeordnet sind. Eine pneumatische Anhebevorrichtung 15 bekannter Art dient zum Anheben des Deckels 12 von der Basisplatte 14, so daß die Werkstück-Behandlungskarnmer in der Vorrichtung frei wird.
Um die Vorrichtung 10 auszupumpen, können an sich bekannte Pumpen verwendet werden, beispielsweise eine Mittelvakuumpumpe, die an einer durch die Basisplatte 14 führenden Leitung 16 anschließbar ist und bis herab zu ungefähr 100 Torr betrieben werden kann. Um die Vorrichtung auf einen noch weiter reduzierten Druck auszupumpen, z. B. auf ungefähr 5 χ 10~5 Torr, kann eine bekannte Kombination aus einer Vorpumpe und einer Turbomolekularpumpe benutzt werden, die nicht dargestellt sind, jedoch an einer Leitung 17 (Fig.2) anschließbar sind. Um ein relativ hohes Vakuum, beispielsweise 5 χ 10~7 Torr zu erzielen, ist noch ein»? Hochvakuumpumpe 18 (Fig. 1) vorgesehen, die zur »Reinigung« der Vorrichtung vor der jeweiligen Inbetriebnahme dient. Gemäß Erfindung ist diese Hochvakuumpumpe 18, beispielsweise eine Kältefalle-Pumpe bekannter Art, auf der Basisplatte 14 im Inneren der Vorrichtung vorgesehen. Die Bedeutung dieser Anordnung der Pumpe innerhalb der Vorrichtung wird spätererläutert.
Um die Pumpe 18 von der Umgebungsluft zu trennen, wenn der Deckel 12 angehoben ist, und auch um die Pumpe von den umgebenden Teilen der Vorrichtung 10 während deren Operation zu isolieren, ist eine getrennte kappenartige Haube oder ein Schutzmantel 20 vorgesehen, der eine hermetische Abdichtung zusammen mit der Basisplatte 14 bildet. Um die Pumpe 14 mit den umgebenden Teilen des Geräts zu verbinden, wird der Schutzmantel 20 angehoben, wie in strichpunktierten Linien in Fig. 1 angedeutet, und hierzu dient eine Antriebsspindel 26 und ein unterhalb der Basisplatte 14 angebrachter Motor 28. Ein Balg 30 dichtet die Spindel 26 innerhalb des Geräts ab, wenn die zugehörige Mutter nach oben oder unten verschoben wird, natürlich immer innerhalb des Hauptdeckels 12.
Vier zusammengesetzte Kathodentargets 34, 36, 38 und 40 (F i g. 2) mit jeweils einem Target 34a, 36a, 38a und 40a aus dem zu zerstäubenden Material, welches auf die in dem Gerät 10 angebrachten Werkstücken niedergeschlagen werden soll, sind innerhalb des Geräts 10 auf der Seitenwandung 42 des Hauptdeckels 12 angeordnet. Die Target-Anordnungen weisen eine Werkstückbehandlungseinrichtung bei der Ausführungsform der Erfindung auf. Durch die Wandung 42 sind elektrische Verbindungen und Wasserkühleinrichtungen für die Target-Anordnungen gezogen, wie schematisch dargestellt. Die Target-Anordnungen sind um jeweils 90° voneinander am Umfang des Hauptdekkels 12 verteilt und zwei sich gegenüberstehende Anordnungen 34 und 38 weisen Targets 34a und 38a aus Titan und die beiden restlichen sich gegenüberstehenden Anordnungen 36 und 40 weisen Targets 36a und 40a aus Platin auf. Die Targets erstrecken sich im großen und ganzen parallel zur Längsachse des Geräts. Es können mehr als vier Target-Anordnungen und Targets aus unterschiedlichem Material gegebenenfalls benutzt werden.
Die Target-Anordnungen sind gemäß bekannten
Prinzipien ausgebildet und können beispielsweise ein hohles Gehäuse aufweisen, in welchem Kühlwasser umgewälzt wird. Die Targets selbst weisen eine z. B. rechteckige Platte des zu zerstäubenden und niederzuschlagenden Materials auf, welche auf der Innenseite des Gehäuses der Target-Anordnung gefestigt ist. Beispielsweise Abmessungen von verschiedenen Targets werden später angegeben.
Es kann ein einzelnes Werkstück oder eine beliebige Anzahl von unterschiedlichen Werkstücken von der vorliegenden Vorrichtung bearbeitet werden, und in der dargestellten Ausführungsform bestehen die Werkstükke aus scheibenförmigen Plättchen 44 (Fig.4) aus Halbleitermaterial und mit 76,2 cm (3 Zoll) Durchmesser. Als Werkstückhalter für die Plättchen 44 ist eine bekannte Art von Palette 46 (F i g. 3 und 4) vorgesehen, die aus relativ dünnen rechteckigen Platten mit einer Anzahl von Konterbohrungen 50 bestehen, wobei auf der Vorderseite (F i g. 3) ein geringerer Durchmesser 51 vorgesehen ist, so daß ein vorstehender Rand 51' einen Anschlag für die Plättchen 44 bildet, wie in Fig.4 dargestellt Gegen diesen Anschlag 51' werden die Plättchen 44 mittels eines federnden Drahtes 52 gedrückt, der die jeweilige Bohrung 50 überspannt und in schwalbenschwanzartigen Nuten 53 auf der Rückseite der Palette festgeklemmt wird.
Die mit Werkstücken beladenen Paletten 46 werden wiederum auf eine drehbare ringeförmige Plattform oder Karussel 54 (Fig. 1) innerhalb des Geräts 10 montiert und die unterschiedlichen Paletten sind seitlich nebeneinander, vertikal und in einer zylinderförmigen Zusammensetzung oder Anordnung auf dem Karussell angebracht. Einfache, nicht dargestellte federnde Rasteinrichtungen können zum Festhalten der Paletten an richtiger Stelle benutzt werden. Bei Plättchen 44 mit einem Durchmesser von ungefähr 7,6 cm mißt jede Palette 46 ungefähr 9,2 auf 37,4 cm und das Karussel 54 hat einen Außendurchmesser von ungefähr 76 cm bei sechsundzwanzig darauf angebrachten Paletten 46.
Zur konzentrischen Lagerung des Karussells 54 um die Pumpe 18 sind Lager 56 vorgesehen, die jeweils auf pfostenartigen Trägern 58 sitzen, welche rund um die Pumpe 18 verteilt angeordnet sind. Zur Drehung des Karussells 54 ist ein angetriebenes Zahnrad 60 und ein Zahnkranz 62 vorgesehen. Der Antriebsmotor 64 des Zahnrads 60 sitzt unterhalb der Basisplatte 14. Wie noch ausführlich beschrieben wird, bringt das Karussell 54 die verschiedenen Paletten 46 nacheinander in eine Lage gegenüber den Target-Anordnungen 34, 36, 38 und 40, wobei von diesen Targets zerstäubtes Material auf den Halbleiterplättchen niedergeschlagen wird.
Zur Steuerung der Gleichmäßigkeit und Reinheit des auf die Plättchen 44 niederzuschlagenden Materials am Beginn und Ende eines Verarbeitungszyklus ist eine zylindrische Blende 66 vorgesehen, die auf einer ringförmigen drehbaren Plattform 68 befestigt ist und mit dem Karussell 54 zusammenarbeitet. Die Plattform 68 sitzt mit ihren Lagern 70 auf pfostenartigen Trägern 72, die um die Pumpe 18 herum verteilt angeordnet sind. Die Blende 66 umgibt die Anordnung der Paletten 46 in konzentrischer Weise, wie lart'estellt. Die Innenseite der ringförmigen Plattform 68 ist als Zahnkranz 74 ausgebildet, in welchem ein Zahnrad 76 eingreift, das durch einen Motor 78 unterhalb der Basisplatte 14 antreibbar ist. Dadurch kann die Plattform 68 und damit auch die Blende 66 in passender Weise gedreht werden. Die Blende 66 hat einen Außendurchmesser von ungefähr 84 cm, eine Wandstärke von ungefähr 1,6 mm und die Entfernung zu den Targets, gemessen zu den jeweiligen Mittelpunkten der flachen Platten, beträgt ungefähr 32 mm.
Wie in Fig.2 dargestellt, weist jede zylindrische Blende 66 zwei rechteckförmige öffnungen 80 und 82 aur, die um 180° voneinander entfernt angeordnet sind, sich in Längsrichtung erstrecken und im wesentlichen der Gestalt und Abmessung der Targets 34a, 36a, 38a und 40a entsprechen. Beispielsweise hat jedes Target 34a, 36a, 38a und 40a eine Höhe von ungefähr 42 cm und eine Breite von ungefähr 29 cm, während die Blendenaussparungen 80 und 82 eine Höhe von ungefähr 41 cm und eine Breite von ungefähr 27 cm aufweisen.
Ein Rohr 86 erstreckt sich durch die Basisplatte 14 und dient zur Zuführung eines Gases, beispielsweise Argon.
Als Werkstoff für die beschriebenen Geräteteile, beispielsweise die Paletten 46, das Karussell 54, die Verschlußblende 66 usw. kommt vorzugsweise rostfreier Stahl in Betracht. Da die Geräte zum Zerstäuben und Niederschlagen von Materialien auf Werkstücken hinsichtlich ihres Aufbaues und ihres Betriebs bekannt sind, beispielsweise hinsichtlich der elektrischen Leistungsversorgung, der verschiedenen Steuerschaltungen, der Target-Anordnungen und dergleichen, brauchen weitere Angaben nicht gemacht werden.
Von besonderer Bedeutung ist die Lage der Hochvakuumpumpe 18 direkt und zentral in der Vorrichtung 10 selbst, das heißt, entlang der Längsachse der Werkstückbehandlungskammer des Geräts. Drehbare Vakuumbehandlungsgeräte der beschriebenen Art sind an sich bekannt und ihr Vorteil besteht darin, daß eine relativ große Anzahl von Werkstücken bei jeder Charge eines Behandlungszyklus verarbeitet werden kann. Eine Beschränkung der Herstellungsgeschwindigkeit der bekannten Geräte ist jedoch die Auspumpzeit der Geräte.
Bei Geräten der beschriebenen Art führt die Lage der Pumpe 18 direkt in dem Gerät dazu, daß die Auspumpzeit im starken Maße verringert werden kann. Dies liegt daran, daß die Gasleitung, das heißt, die Gasflußmenge zur »Gassammelstelle« oder Hochvakuumpumpe nicht durch den Querschnitt, die Länge oder Gestalt von Leitungen beschränkt ist, die von dem Gerät zu der Pumpe führen. Tatsächlich ist die Querschnittsfläche mit Bezug auf die Leitung von Gasen zur Pumpe 18 in der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Größenordnung der Mantelfläche der zentral angeordneten Pumpe selbst, das heißt, der Größe des Zylinders, welcher die Pumpe umgibt. Wegen der zentralen Lage innerhalb der Vorrichtung ist außerdem die Weglänge der Gase zu der Pumpe minimalisiert.
In der dargestellten Ausführungsform ist die Pumpe 18(Fig. 1) als bekannte Kältefallepumpe(kryogenische Pumpe) ausgebildet und weist eine Mehrzahl von vertikalen Rohren 90 sowie zwei diese verbindende horizontale ringförmige Rohre 92 auf. Über ein Zuführungsrohr 94 wird flüssiger Stickstoff in das untere Rohr 92 gepumpt, dieser steigt durch die vertikalen Rohre 90 zum oberen Rohr 92 auf und wird durch ein weiteres vertikales Rohr 95 an eine Austrittsleitung % abgegeben. Diese Art von Pumpe sammelt Gase ein, die bei höherer Temperatur als der von flüssigem Stickstoff ausfrieren, beispielsweise Sauerstoff und Wasserdampf, das heißt, diese Gase schlagen sich auf der kalten äußeren Oberfläche der Pumpenelemente nieder.
Wenn diese Kältefalle-Pumpe dem Inneren des umgebenden Geräts ausgesetzt ist, das heißt, wenn der
Mantel 20 angehoben ist (strichpunktierte Lage in Γ ig. 1), steht praktisch die gesamte Oberfläche der Pumpe mit dem umgebenden Gerät in Verbindung und noch vorhandene Gase können im Grunde unbehindert auf direkten Wegen zu der Pumpe gelangen. Daher ist die effektive Querschnittsfläche des zu der Pumpe strömenden Gasflusses ziemlich hoch und bedeutend größer als der von bekannten Leitungen, die normalerweise verwendet werden, um Hochvakuumpumpen mit zu evakuierenden Kammern zu verbinden. Im Vergleich mit bekannten Vakuumgeräten, in denen konventionelle Hochvakuumpumpen außerhalb der zu evakuierenden Kammer benutzt werden, weist die vorliegende Anordnung eine signifikant höhere Gassammeigeschwindigkeit oder Pumpengeschwindigkeit auf.
lis wird damit gerechnet, daß die Pumpgeschwindigkeit des Geräts, bei welcher die Hochvakuumpumpe innerhalb des Geräts angeordnet ist, wie beschrieben, ungefähr zweimal so hoch ist wie wenn die identische Hochvakuumpumpe außerhalb des Geräts angeordnet wäre und an dieses über eine Leitung mit 152,4 mm Durchmesser (6 Zoll) und einer Länge von 254 mm (10 Zoll) angeschlossen wäre.
F.s können auch andere Arten bekannter Hochvakuumpumpen Verwendung finden, beispielsweise magnetische Ionen-Pumpen oder Differentialionen-Pumpen. Entsprechend kann auch eine Kältefalle-Pumpe verwendet werden, bei der Platten im Peltierprozeß gekühlt werden, statt der Kühlung durch Flüssigkeiten.
Wenn der Mantel 20 seine untere, die Pumpe 18 umschließende Dichtlage einnimmt, wird der Hauptdekkcl 12 angehoben und eine Anzahl von Paletten 46 mit daran angebrachten Plättchen werden auf dem Karussell montiert. Daraufhin wird der Hauptdeckel 12 abgesenkt und das Gerät 10 abgedichtet. Die Niedervakuiimpumpe beginnt dann das Gerät über die Leitung 16 auszupumpen. Wenn der Druck im Gerät ungefähr 100 Torr erreicht, werden die in Tandem geschaltete Torbomolekular- und Vorpumpe zur weiteren Evakuierung des Geräts über die Leitung 17 bis auf einen Druck von ungefähr 5 χ ΙΟ-1" Torr eingesetzt. Danach wird der Pumpenmantel 20 innerhalb des Geräts 10 angehoben und die Pumpe 18 den umgebenden Teilen des Geräts ausgesetzt. Die Pumpe 18 kooperiert dann mit der Turbomolekularpumpe, die während des folgenden Betriebs des Geräts in Operation bleibt, wodurch schließlich der Druck auf ungefähr 5 χ 10~7 Torr sinkt.
Wie zuvor beschrieben, führt die Anwesenheit der Pumpe 18 direkt in dem Gerät 10 zu einer bedeutenden Erhöhung der Geschwindigkeit mit weicher die Gase während der Hochvakuumphase »eingesammelt« werden.
Wenn Titan oder andere reaktive Materialien, beispielsweise Tantal, in dem erfindungsgemäßen Gerät durch Zerstäuben niedergeschlagen werden sollen, wird vorzugsweise ein erneuter Pumpschritt vor dem Beginn des Niederschiagens eingeschaltet. Daher wird der Pumpenmantel 20 wieder in die abdichtende Lage um die Pumpe 10 abgesenkt und des wird Argon in einer Menge zugeführt, so daß sich ein Druck in dem Gerät zwischen 5 χ 10~3 und 10~2 Torr einstellt Wie in F ig. 2 dargestellt stehen dabei die Blendenöffnungen 80 und 82 im Winkel von 145°, gesehen entgegen der Richtung des Uhrzeigersinns, zu den Targets 34a bzw. 38a, so daß die Werkslückpaletten 46 gänzlich von den Targets 34a und 38a infolge der Verschlußblende 66 abgeschirmt sind. Eine Spannungsdifferenz von ungefähr 2000 V mit einer Frequenz von 13,5 mHz wird dann an die Verschlußblende 66 und die beiden Targets 34a und 38a angelegt, um das Zerstäuben dieser Targets einzuleiten. Die Verschlußblende 66 wird dann um ungefähr 110° im Uhrzeigersinn gedreht, so daß im wesentlichen die gesamte äußere Oberfläche der Verschlußblende 66, jedoch nicht die Paletten 46, den Targets 34a und 38a ausgesetzt ist. Auf diese Weise wird eine großflächige Schicht von Titan auf der Verschlußblende niedergeschlagen.
Die Titanschicht oder eine entsprechende Schicht anderen reaktiven Materials wird auf der Verschlußblende 66 aus zwei Gründen niedergeschlagen. Einmal führt die Vorzerstäubung der Targets zu einer Reinigung von verschiedenen Oberllächenverunreinigungen und zweitens wird durch die großflächige Titanschicht ein ziemlich wirksamer Getter für reaktive Gase geschaffen, beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff und Wasserdampf.
Um mit den Pumpen fortzufahren, wird dann der Zustrom von Argon abgeschaltet, das Gerät 10 wird erneut auf ungefähr 5 χ 10~5 Torr mittels der Molekularpumpe ausgepumpt und die Hochvakuumpumpe 18 wird erneut freigemacht, so daß das Gerät weiter auf ungefähr 2 χ 10-' Torr über die Pumpe 18 und die Turbomolekularpumpe ausgepumpt wird. Die Anwesenheit der Titangetterschicht verringert in signifikanter Weise die zum Auspumpen des Systems erforderliche Zeit von 5 χ 10-7 Torr auf 2 χ 10-7 Torr. Da ein Vorzerstäuben der Titantargets zu deren Reinigung durchgeführt werden muß, bedeutet dies, daß das Vorzerstäuben zum rascheren und wirksameren Auspumpen des Systems verwendet wird.
Nachdem ein ziemlich niedriger Druck erreicht worden ist, und zwar für den doppelten Zweck des Nachweises, daß das System im wesentlichen leckdicht ist und eine Umgebung bietet, die im großen und ganzen von kontaminierenden Gasen frei ist, wird der Niederschlagungsprozeß gestartet. Die Pumpe 18 wird erneut mit dem Mantel 20 gegen das umgebende Gerät isoliert, es wird erneut Argon in einer Menge zugeführt, daß ein konstanter Druck zwischen 5 χ 10-3 bis 10"2 Torr herrscht und eine Zerstäubungsspannung wird zwischen den Paletten 46 und den Targets 34a und 38a angelegt, um die Zerstäubung dieser Targets zu bewirken. Das Abtrennen der Pumpe 18 erfolgt, damit diese nicht unnötigerweise mit Argon beladen wird.
Die Verschlußblende 66 wird so gedreht, daß die Blendenöffnungen 80 und 82 den Titantargets 34a bzw. 38a gegenüberstehen und das Karussell 54 wird so gedreht, daß aufeinanderfolgend die eine Häific der Paletten 46 auf dem Karussell dem einen Target 34a oder 38a durch die Blendenöffnung hindurch ausgesetzt wird, während die andere Hälfte der Palette dem anderen Target ausgesetzt ist Daher werden alle von den Paletten 46 getragenen Plättchen 44 mit Titan durch Zerstäubung beschichtet
Nach dem Schritt des Niederschiagens von Titan werden die Platintargets 36a und 40a vorzerstäubt um sie von den Oberflächenverunreinigungen zu befreien, die Blendenöffnungen 80 und 82 werden dann zu den Platintargets 36a und 40a ausgerichtet und das Karussell 54 wird erneut so gedreht daß die Paletten nacheinander den beiden Targets 36a und 40a ausgesetzt werden, um die Plättchen 44 mit Platin zu beschichten. Danach ist der Werkstückbehandlungsprozeß beendigt
Wie zuvor beschrieben, hält die Kältefalle-Pumpe 18 Gase auf ihrer Oberfläche fest Während der Reinigung
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des Geräts wird deshalb die Pumpe 18 periodisch Zerstäubungsgerät beschrieben worden, die Erfindung
erwärmt, beispielsweise durch Hindurchleiten von hat aber auch ihre Nützlichkeit bei anderen Vakuumbe-
heiQem Stickstoff durch die Pumpenrohre 90 und 92, und handlungsgeräten, beispielsweise Beschichtungsgeräte
die ausgefrorenen Gase »kochen« weg. mit Glühfaden-Verdampfung und Elektronenstrahlver-
Zwar ist die Erfindung in Verbindung mit einem 5 dämpfung.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Behandlung von Werkstücken in Vakuum in einer Behandlungskammer und mit einer ersten Pumpe außerhalb der Kammer und in Verbindung mit dieser, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Pumpe (18) innerhalb der Kammer angeordnet ist, daß eine kappenartige Haube (20) zum Stülpen über die zweite Pumpe sowie zu ihrer Abdichtung gegenüber einem Teil der Kammer ausgebildet ist, und daß eine Einrichtung (28) zur wahlweisen Verschiebung der kappenartigen Haube (20) in die abgedichtete Lage vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Teilstücks der Kammer eine Werkstückanordnung (46) und eine Werkstückbc handlungseinrichtung (34) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweile Pumpe (18) in zentraler Lage der Kammer angeordnet ist, daß die Werkstückanordnung (46) die zweite Pumpe (18) konzentrisch umgibt und daß die Behandlungseinrichtung (34, 36, 38, 40) radial außen zu der Werkstückanordnung (46) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kappenartige Haube (20) um ein solches Stück verschiebbar ist, daß im wesentlichen die zweite Pumpe (18) zu dem Teilstück der Kammer im wesentlichen frei wird.
DE2656723A 1975-12-18 1976-12-15 Vorrichtung zur Behandlung von Werkstücken im Vakuum Expired DE2656723C3 (de)

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