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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von flachen, zerbrechlichen
Substraten, insbesondere für
die Halbleiter- und Solarindustrie, bei dem die Substrate im horizontalen
Durchlauf durch eine Badflüssigkeit
geführt
werden, wobei mindestens eine Kontaktfläche des Substrats dort in Berührung mit
einer Kontakteinrichtung und so auf ein elektrisches Potential gebracht
wird, das sich vom Potential einer in der Badflüssigkeit angeordneten Gegenelektrode
unterscheidet,
sowie
eine Vorrichtung zum Behandeln von
flachen, zerbrechlichen Substraten, insbesondere für die Halbleiter-
und Solarindustrie, mit
- a) einem mit Badflüssigkeit
bis zu einem bestimmten Spiegel gefüllten Badbehälter;
- b) einer Transporteinrichtung, mit welcher die Substrate im
horizontalen Durchlauf durch die Badflüssigkeit geführt werden
können;
- c) einer Behandlungsstromquelle;
- d) mindestens einer Kontakteinrichtung, die in Berührung mit
mindestens einer an dem Substrat angebrachten Kontaktfläche gebracht
werden kann und dann die Kontaktfläche mit einem Pol der Behandlungsstromquelle
ver bindet;
- e) mindestens einer Gegenelektrode, die in der Behandlungsflüssigkeit
angeordnet und mit dem anderen Pol der Behandlungsstromquelle verbunden
ist.
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In
der Halbleiter- und Solarindustrie werden vielfach sehr flache und
dünne Substrate
wie Siliziumscheiben (Wafer), Siliziumplatten und Glasplatten unterschiedlichsten
Arten von Naßprozessen
unterzogen. Im vorliegenden Zusammenhang besonders interessant sind
elektrochemische Behandlungen derartiger Substrate. Bei diesen werden
die Substrate elektrisch kontaktiert und elektrolytisch behandelt, z.B.
gereinigt, galvanisiert oder geätzt.
Bei der elektrochemischen Behandlung kann die Substratoberfläche entweder
kathodisch oder anodisch geschaltet werden. Zur Galvanisierung wird
die Substratoberfläche
immer kathodisch, zum Ätzen
und Reinigen anodisch polarisiert.
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Im
allgemeinen ist dabei nur eine Seite des flachen Substrates elektrochemisch
zu behandeln, die beim Durchgang durch die Badflüssigkeit nach unten weist,
wo auch die Gegenelektrode angeordnet ist, während die Kontaktierung über die
Kontaktflächen
auf der nach oben zeigenden Seite des Substrats stattfindet. Die
Kontaktflächen
müssen
dabei von einer Kontakteinrichtung berührt werden, die mit einem Pol
der Behandlungsstromquelle in Verbindung steht. Dabei stellt sich
das Problem, daß die Kontakteinrichtung
selbst einer unerwünschten
elektrochemischen Behandlung unterzogen, also beispielsweise und
insbesondere galvanisiert wird.
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Rollenkontaktierungen
sind aus der
DE 196 28
784 A und der
DE
196 33 797 A bekannt. Die dort beschriebenen Kontakteinrichtungen
müssen
von Zeit zu Zeit aufwendig entmetallisiert werden. Schwierig oder
gar unmöglich
wird die Entmetallisierung der Kontakteinrichtung z.B. beim Vergolden. Eine
elektrolylische Entmetallisierung der Kontakteinrichtungen, wie
dies in der
EP 0 578
699 B1 beschrieben ist, ist daher nicht möglich. Vielmehr
müssen
die Kontakteinrichtungen in diesem Falle periodisch ausgetauscht
werden. Bei bekannten Anlagen muß dies etwa alle 12 bis 24
Stunden geschehen. Das ist sehr zeitaufwendig und verursacht in
einer Produktionsanlage sehr lange Stillstandszeiten.
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Aus
der
WO 2005/093
788 A1 ist ferner ein Verfahren zur einseitigen Behandlung
von Substratoberflächen
im horizontalen Durchlauf bekannt. Dabei wird nur die Unterseite
der durchlaufenden Substrate benetzt sowie gegebenenfalls noch der äußere, obere
Rand. Dies ist jedoch in der Praxis bei exakt planen Substraten
sehr schwer durchführbar
bzw. überhaupt
nicht möglich,
wenn die Substrate leicht gewölbt
sind.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem bzw. der der die
unerwünschte
elektrochemische Behandlung der Kontakteinrichtung, insbesondere
eine Metallisierung der Kontakteinrichtung, weitestgehend reduziert
ist.
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Diese
Aufgabe wird, was das Verfahren angeht, dadurch gelöst, daß der Kontaktbereich
zwischen der Kontakteinrichtung und dem Substrat von Badflüssigkeit
freigeblasen oder -gesaugt wird.
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Erfindungsgemäß wird also
das Substrat im Gegensatz zum Stande der Technik vollständig in
die Badflüssigkeit eingetaucht,
jedoch nur in einer verhältnismäßig kurzen
Entfernung unterhalb von deren Spiegel. Dann ist es möglich, mit
Hilfe einer Blas- oder Saugeinrichtung die Kontakteinrichtung in
einem dynamischen Prozeß von
Badflüssigkeit
weitgehend freizuhalten. Da es dann keine oder nur sehr wenig Berührung zwischen
Kontakteinrichtung und Badflüssigkeit
gibt, kann auch die unerwünschte
Reaktion zwischen Kontakteinrichtung und Badflüssigkeit nur sehr eingeschränkt stattfinden.
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Als
Gas zum Freiblasen kann im einfachsten Fall Luft verwendet werden,
wenn die Anwesenheit von Luftsauerstoff kein Problem darstellt.
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In
vielen Fällen
jedoch ist die Badflüssigkeit gegen
Luftsauerstoff empfindlich, so daß als Gas ein Inertgas, vorzugsweise
Stickstoff, eingesetzt wird.
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Durch
die oben geschilderten, erfindungsgemäßen Maßnahmen läßt sich die unerwünschte elektrochemische
Veränderung,
insbesondere Metallisieren, der Kontakteinrichtung weitestgehend
vermeiden, jedenfalls erheblich reduzieren. Sollte dann noch eine
restliche störende
Veränderung,
insbesondere Metallisierung, der Kontakteinrichtung verbleiben,
kann eine Verfahrensvariante gewählt
werden, bei welcher der Bewegungsweg des Substrates verfolgt und
das zur Behandlung des Substrates erforderliche Potential nur während derjenigen
Zeit an die mindestens eine Kontakteinrichtung gelegt wird, in welcher
die Kontakteinrichtung in Berührung
mit einer Kontaktfläche
des Substrats steht. Auf diese Weise wird die Zeit, in welcher die
unerwünschte
elektrochemische Einwirkung auf die Kontakteinrichtung stattfinden
kann, erheblich verkürzt.
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Bei
vielen elektrochemischen Behandlungen ist die Reaktion durch Umkehrung
der Polarität
umkehrbar. In diesen Fällen
kann das Verfahren so geführt
werden, daß während der
Zeit, in welcher die Kontakteinrichtung nicht in Berührung mit
einer Kontaktfläche
des Substrates steht, an die mindestens eine Kontakteinrichtung
ein zweites Potential gelegt wird, das geeignet ist, die bei der
Behandlung durch das erste Potential ablaufende Reaktion umzukehren.
Im Falle der Metallisierung bedeutet dies, daß in denjenigen Zeiten, in
denen die Kontakteinrichtung nicht an einer Kontaktfläche eines
Substrates anliegt, die metallische Abscheidung an der Kontakteinrichtung
durch entsprechende Wahl des Potentials in Lösung gebracht wird. Auf diese
Weise lassen sich die Standzeiten der Kontakteinrichtung noch weiter
verlängern.
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Die
obige Aufgabe wird, was die Vorrichtung angeht, dadurch gelöst, daß
- f) der mindestens einen Kontakteinrichtung
mindestens eine Blas- oder Saugeinrichtung zugeordnet ist, die so
eingerichtet ist, daß sie
den Kontaktbereich zwischen Kontakteinrichtung und Kontaktfläche des
Substrats freiblasen oder -saugen kann.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den
Ansprüchen
9 bis 10 angegeben. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und ihrer Weiterbildungen entsprechen den oben bereits geschilderten
Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens
und dessen verschiedenen Varianten.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es
zeigen
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1:
in einer schematischen Seitenansicht eine Vorrich tung zur galvanischen
Verstärkung
von auf einem Siliziumsubstrat aufgebrachten metallischen Leiterzügen;
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2:
eine Detailvergrößerung aus 1.
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Zur
Herstellung von Solarzellen werden etwa 0,2 mm dicke Siliziumplatten
eingesetzt, die auf derjenigen Seite, die später die sonnenaktive Seite
wird, aufgedampfte dünne
metallische elektrische Leiterzüge
aufweist. Diese müssen
galvanisch auf eine Schichtdicke von 1 bis 20 μm verstärkt werden. Bei dem Verstärkungsmaterial
kann es sich um Kupfer, Zinn, Silber oder Gold handeln. Auf der
gegenüberliegenden
Seite des Substrates befinden sich die hierfür erforderlichen Kontaktflächen, beispielsweise
in Form von Kontaktstreifen und/oder Kontaktfenstern, die elektrisch
mit den aufgedampften elektrischen Leiterzügen auf der "sonnenaktiven" Seite in Verbindung
stehen.
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Die 1 zeigt
eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete
Vorrichtung, mit welcher die aufgedampften Leiterbahnen derartiger
Siliziumsubstrate verstärkt
werden können.
In 1 sind drei derartige Siliziumsubstrate dargestellt
und mit dem Bezugszeichen 2a, 2b und 2c gekennzeichnet.
Diese Siliziumsubstrate 2a, 2b, 2c werden
mit Hilfe eines eine Mehrzahl von angetriebenen Rollen 3a, 3b, 3c, 3d aufweisenden
Rollentransportsystemes durch eine galvanische Badflüssigkeit 14 hindurchgeführt. Die
Förderrichtung
ist durch den Pfeil 4 angedeutet.
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Der
Spiegel 15 der Badflüssigkeit 14 liegt
nur knapp, beispielsweise 0,1 bis 10 Millimeter, oberhalb der oberen
Seite der Siliziumsubstrate 2a, 2b, 2c.
Die Siliziumsubstrate 2a, 2b, 2c tauchen
also beim Durchgang durch das galvanische Bad vollständig in die
Badflüssigkeit 14 ein.
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Die "sonnenaktive", mit den Leiterzügen versehene
Seite der Siliziumsubstrate 2a, 2b, 2c weist dabei
nach unten, während
die die Kontaktflächen aufweisende
Seite der Siliziumsubstrate 2a, 2b, 2c nach
oben zeigt.
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Entlang
und unterhalb des Bewegungsweges der Siliziumsubstrate 2a, 2b, 2c erstreckt
sich eine plattenförmige
Anode 5, die mit dem Pluspol einer Galvanisierungsstromquelle 6 verbunden
ist. Handelt es sich bei dem Verstärkungsmetall um Kupfer, Zinn
oder Silber, so können
lösliche,
sich verbrauchende Anoden 5 eingesetzt werden. Handelt
es sich jedoch um ein Goldbad, so wird mit unlöslichen Anoden 5 gearbeitet.
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Die
zu verstärkenden
Leiterbahnen auf den Siliziumsubstraten 2a, 2b, 2c müssen auf
Kathodenpotential gebracht werden. Dies geschieht mit Hilfe von
Kontaktrollen 7a, 7b, 7c, 7d,
die auf der den Transportrollen 3a, 3b, 3c, 3d gegenüberliegenden Seite
der Siliziumsubstrate 2a, 2b, 2c angeordnet sind
und mit sehr leichtem Druck, vorzugsweise elastisch federnd, gegen
die nach oben zeigende, die Kontaktfläche aufweisende Seite der Siliziumsubstrate 2a, 2b, 2c angedrückt werden.
Jede dieser Kontaktrollen 7a, 7b, 7c, 7d ist über einen
elektronischen, steuerbaren Schalter 8a, 8b, 8c und 8d mit dem
Minuspol der Galvanisierungsstromquelle 6 verbunden. Die
elektronischen Schalter 8a, 8b, 8c, 8d erhalten
von einer Maschinensteuerung 9 ihre Steuersignale, mit
denen sie geöffnet,
bzw. wieder geschlossen werden können.
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In
Transportrichtung 4 gesehen vor der ersten Kontaktrolle 7a ist
ein Sensor 10 angeordnet, der in der Lage ist, das Vorbeilaufen
der vorderen und hinteren Kanten der verschiedenen vorbeiwandernden
Siliziumsubstrate 2a, 2b und 2c zu erfassen.
Der Sensor 10 meldet diese Zeitpunkte der Maschinensteuerung 9.
Diese ist auf Grund ihrer Kenntnis der Bewegungsgeschwindigkeit
der Siliziumsubstrate 2a, 2b, 2c und
der geometrischen Daten der Anlage in der Lage, jederzeit die genaue
Position aller Siliziumsubstrate 2a, 2b, 2c im
galvanischen Bad zu errechnen. Insbesondere kann die Maschinensteuerung 9 daher
ermitteln, welche der Kontaktrollen 7a, 7b, 7c, 7d gerade
in elektrischem Kontakt mit einer Kontaktfläche eines Siliziumsubstrates 2a, 2b, 2c steht
und welche nicht. Die Maschinensteuerung 9 sorgt aus Gründen, die
später
noch deutlicher werden, dafür,
dass nur diejenigen elektronischen Schalter 8a, 8b, 8d geschlossen
sind, deren zugehörige Kontaktrolle 7a, 7b, 7d gerade
in Kontakt mit einer derartigen Kontaktfläche steht. Diejenigen elektronischen
Schalter 8c dagegen, bei denen die zugehörige Kontaktrolle 7c mit
keiner Kontaktfläche
eines Siliziumsubstrates 2a, 2b, 2c in
Berührung
steht, sind geöffnet.
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In
Transportrichtung 4 gesehen vor jeder Kontaktrolle 7a, 7b, 7c, 7d ist
eine Blaseinrichtung 11a, 11b, 11c, 11d angeordnet.
Wie am besten der 2 zu entnehmen ist, hat die
Blaseinrichtung 11 die Form einer rohrartigen Blasdüse, der
im Sinne des Pfeiles 12 ein Gas unter Druck zugeführt werden kann
und im Sinne der Pfeile 13 denjenigen Bereich der oberen
Seite des Siliziumsubstrates 2 mit Gas beaufschlagt, der
sich in der Nähe
der entsprechenden Kontaktrolle 7 befindet.
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Vor
Eintritt in die Anlage 1 werden die Siliziumsubstrate 2a, 2b, 2c so
vorbereitet, wie dies oben bereits geschildert wurde: Sie werden
durch Aufdampfen auf der "sonnenaktiven" Seite mit sehr dünnen metallischen
Leiterbahnen versehen. Auf der gegenüberliegenden Seite der Siliziumsubstrate 2a, 2b, 2c werden
die Kontaktflächen
aufgebracht und mit den metallischen Leiterbahnen verbunden. Die Siliziumsubstrate 2a, 2b, 2c werden
sodann auf das Transportrollensystem aufgelegt, das beidseits durch schmale
Schlitze in den Wänden
eines nicht dargestellten Gehäuses
der Vorrichtung 1 hindurchgeführt ist.
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Nachfolgend
soll der Weg eines einzelnen Substrates 2 durch die Anlage 1 verfolgt
werden.
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Das
Substrat 2 tritt durch den schon erwähnten Gehäuseschlitz unterhalb des Badspiegels 15 in das
galvanische Bad ein. Passiert seine Vorderkante den Sensor 10,
so meldet dieser den fraglichen Zeitpunkt der Maschinensteuerung 9.
Zu diesem Zeitpunkt sind die elektronischen Schalter 8a, 8b, 8c und 8d aller
Kontaktrollen 7a, 7b, 7c, 7d noch
offen, so dass die Kontaktrollen 7a, 7b, 7c und 7d spannungsfrei
sind und sich an ihnen kein metallischer Niederschlag bildet.
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Die
Maschinensteuerung 9 rechnet nunmehr auf Grund der ihr
bekannten Bewegungsgeschwindigkeit des Siliziumsubstrates 2 und
der Entfernung zwischen dem Sensor 10 und der in Transportrichtung 4 ersten
Kontaktrolle 7a aus, wann die Kontaktrolle 7a in
Berührung
mit einer Kontaktfläche
des Siliziumsubstrates 2 gelangt. Zu diesem Zeitpunkt schließt die Maschinensteuerung 9 den
elektronischen Schalter 11b, so dass die Kontaktrolle 7a auf Potential
gebracht wird und der galvanische Verstärkungsvorgang beginnen kann.
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Die
Glaseinrichtung 11a, die der ersten Kontaktrolle 7a zugeordnet
ist, bläst
auf der nach oben liegenden Seite des Siliziumsubstrates 2,
wie in 2 dargestellt, einen Bereich in der Nähe der Kontaktrolle 7a von
Badflüssigkeit 14 frei,
so dass auch zu diesem Zeitpunkt trotz anliegender Spannung die Kontaktrolle 7a nur
unwesent lich metallisiert wird. Die nach unten zeigende, die zu
verstärkenden
Leiterbahnen aufweisende Seite des Siliziumsubstrates 2a dagegen
befindet sich vollständig
in der Badflüssigkeit 14,
so dass dort der gewünschte
galvanische Verstärkungsvorgang
stattfinden kann.
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Zwischenzeitlich
hat der Sensor 10 das Vorbeilaufen der in Bewegungsrichtung
hinteren Kante des Siliziumsubstrates 2a erfasst und dies
der Maschinensteuerung 9 gemeldet. Diese rechnet erneut auf
Grund der ihr bekannten Daten aus, wann die Kontaktfläche auf
dem Siliziumsubstrat 2a an der Kontaktrolle 7a vorbeigewandert
ist, und stellt dann die Stromzufuhr zur Kontaktrolle 7a durch öffnen des Schalters 8a ab.
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Derselbe
Vorgang wiederholt sich im Bereich der Kontaktrollen 7b, 7c und 7d.
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In
der Praxis durchläuft
selbstverständlich nicht
nur ein einzelnes Siliziumsubstrat 2a die Vorrichtung 1.
Vielmehr werden, wie in 1 dargestellt, eine Vielzahl
von Siliziumsubstraten 2a, 2b, 2c in
verhältnismäßig kleinem
Abstand voneinander durch die Vorrichtung 1 befördert. Das
Schließen
und öffnen der
elektronischen Schalter 8a, 8b, 8c, 8d erfolgt
in diesem Falle analog. In 1 ist ein
Zustand gezeigt, in welchem die Kontaktrolle 7a des ersten
Siliziumsubstrates 2a etwa in der Mitte der Kontaktfläche Berührung hat,
weshalb der zugehörige
Schalter 8a geschlossen ist. Beim zweiten Siliziumsubstrat 2b befindet
sich die entsprechende Kontaktrolle 7b bereits im in Bewegungsrichtung
hinteren Bereich der Kontaktfläche;
noch immer ist der zugehörige
Schalter 8b geschlossen. Die dritte Kontaktrolle 7c befindet
sich jedoch nicht in Kontakt mit einer Kontaktfläche eines Siliziumsubstrats 2a, 2b, 2c,
so dass der zugehörige Schalter 8c geöffnet ist.
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Obwohl
sich in der Nähe
der dritten Kontaktrolle 7c kein Siliziumubstrat befindet,
arbeitet die zugehörige
Glaseinrichtung 11c. Diese bläst eine "Delle" in die Badflüssigkeit 14, in welcher
sich der untere Bereich der Kontaktrolle 7c befindet, ohne
mit der Badflüssigkeit 14 in
Berührung
zu kommen. Das öffnen
des Schalters 11d wäre
also nicht unbedingt notwendig; dieses öffnen stellt jedoch eine zusätzliche Sicherheitsmaßnahme dar,
da die Kontaktrolle 7c möglicherweise doch von Spritzern
der Badflüssigkeit 14 erreicht
wird.
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Die
in Bewegungsrichtung vierte Kontaktrolle 7d befindet sich
in 1 im Anfangsbereich der Kontaktfläche des
dort befindlichen Siliziumsubstrats 2c. Der zugehörige elektronische
Schalter 8d ist daher geschlossen.
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Sofern
dies die Chemie des jeweiligen Prozesses zulässt, kann als Gas, welches
den Blaseinrichtungen 11a, 11b, 11c, 11d zugeführt wird,
einfach Luft eingesetzt werden. Sofern jedoch das galvanische Bad
empfindlich auf Luftsauerstoff reagiert, wird als Gas Stickstoff
gewählt.
In diesem Falle werden die Blaseinrichtungen 11a, 11b, 11c, 11d von
einem Gebläse
versorgt, das innerhalb des Gehäuses
der Vorrichtung 1 ansaugt und so für ein Zirkulationsbetrieb sorgt.
Die gesamte Behandlungskammer wird unter einen leichten Stickstoffüberdruck
gesetzt, so dass das Eindringen von Sauerstoff aus der Umgebungsluft
unterbunden ist.
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Statt
der einfachen rohrförmigen
Glaseinrichtung 11a, 11b, 11c und 11d können auch
Venturidüsen
verwendet werden. Bei diesen kann das vom Gebläse bewegte Gas mit Umgebungsgas
angereichert werden, wodurch die Gesamtmenge des Gases steigt und
der Wirkungsgrad wächst.
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Die
Austrittsöffnung
der Blaseinrichtungen 11a, 11b, 11c, 11d braucht
nicht kreisförmig
zu sein. Sie kann vielmehr auch als Ring gestaltet werden, welcher
die zugehörige
Kontaktrolle 7a, 7b, 7c, 7d umgibt.
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Schließlich ist
es auch möglich,
statt durch Blasen die Umgebung auf der nach oben zeigenden Seite
der Siliziumsubstrate 2a, 2b, 2c um die
Kontaktrollen 7a, 7b, 7c, 7d durch
Saugdüsen
von Badflüssigkeit 14 freizuhalten.
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Bei
einem zweiten, zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
dienen die elektronischen Schalter 8 dazu, die zugehörige Kontaktrolle 7 wahlweise
mit beiden Polen der Galvanisierungsstromquelle 6 zu verbinden.
Solange die entsprechende Kontaktrolle 8 mit einer Kontaktfläche eines Siliziumsubstrates 2 in
Berührung
steht, erfolgt die Verbindung in konventioneller Weise mit dem Pluspol der
Galvanisierungsstromquelle 6; es findet dann die gewünschte galvanische
Verstärkung
statt. Zwischen den Kontaktflächen
aufeinanderfolgender Siliziumsubstrate 2 werden die Kontaktrollen 7 dagegen
mit dem Minuspol der Galvanisierungsstromquelle 6 verbunden.
Auf diese Weise können
die metallischen Abscheidungen, die sich auf der Kontaktrolle 7 befinden,
wieder in Lösung
gehen, was die Standzeiten der Kontaktrollen 7 weiter verlängert. Selbstverständlich ist
diese Maßnahme
jedoch nur bei solchen Verstärkungsmetallen
möglich,
die elektrolytisch in Lösung
gebracht werden, und scheidet bei der Verwendung von Gold aus.