-
Die
Erfindung betrifft die nasschemische, elektrochemische und elektrolytische
Behandlung sowie die Reinigung von ebenem Gut, wie insbesondere
von Substraten wie Wafern, Solarzellen, Hybriden, CDs und dergleichen.
-
Typische
Beispiele für
Behandlungsverfahren, die sich an eine Oberflächenreinigung anschließen, betreffen
das Aktivieren, Dotieren, das elektrochemische/elektrolytische oder
chemische Metallisieren oder das Ätzen, Strippen und dergleichen
geeigneter Substrate. Normalerweise werden derartige Güter lediglich
einseitig an der Oberfläche
behandelt. Demgemäß kann sowohl
eine vollständige
Oberfläche
als auch eine strukturierte Behandlung vorliegen. Um eine Beschädigung des
Gutes aufgrund chemischer Reaktionen zu vermeiden, muss die nicht
zu behandelnde Rückseite
gewöhnlich
sicher gegen eine durch die Behandlungsflüssigkeit verursachte Benetzung
geschützt
werden. Hierzu sind so genannte Cup- oder Fountain-Behandlungseinrichtungen
bekannt. Der Behandlungsraum derartiger Einrichtungen wird an einer
Seite von dem zu behandelnden Gut geschlossen. Während der gesamten Behandlungsdauer
ist das Gut z.B. mittels eines Substrathalters, eines Greifers oder
einer Spannvorrichtung mit dem Behandlungsraum verbunden. Daher kann
die Behandlungsflüssigkeit
gegen die zu behandelnde Oberfläche
strömen,
so dass eine chemische Modifikation des Gutes herbeigeführt werden kann.
Dichtelemente, die an den Spannvorrichtungen in der Nähe des Gutes
angeordnet sind, verhindern eine Benetzung der nicht zu behandelnden
Rückseite.
Derartige Dichtelemente können
auch gebildet werden durch passende Greifer, Vakuumhalter oder andere
Transporteinrichtungen, welche bei Kontaktierung die gesamte Rückseite
des Gutes abdecken und somit vor unerwünschter Benetzung schützen. Gewöhnlich können derartige
Vorrichtungen beispielsweise mechanisch, mit Vakuum, oder nach dem
Bernoulli-Prinzip arbeiten.
-
Ein
typisches Beispiel für
eine Vorrichtung zur Behandlung der zuvor genannten Güter beschreibt
die Druckschrift
WO 99/16936 ,
welche die elektrolytische Metallisierung von Wafern betrifft. Innerhalb
des Behandlungsraumes ist eine Anode und, erforderlichenfalls, eine
Streublende integriert. Die zu behandelnde Oberfläche des
Gutes bildet die Kathode der elektrolytischen Zelle. Der Elektrolyt
strömt von
unten in den Behandlungsraum ein und verlässt diesen anschließend, indem
er über
seinen Rand überläuft. Das
Gut wird von einem Träger
gehalten und kontaktiert, der aus Probenhaltern, Rotoren, Statoren
und Einrichtungen zur Stromübertragung
und Messung besteht. Das in dieser Weise eingespannte Gut wird während der
gesamten Behandlungsdauer mittels einer Transporteinrichtung horizontal
und vertikal an der Oberfläche
der überströmenden Behandlungsflüssigkeit
positioniert und fixiert. Mittels eines präzisen Vertikalantriebs, wie
z.B. eines Schrittmotors für
den Träger,
wird die Eintauchtiefe des Gutes so eingestellt, dass lediglich
die zu behandelnde Unterseite benetzt wird und mit der Behandlungsflüssigkeit
in Kontakt bleibt. Bei der vorliegenden elektrolytischen Metallisierung
werden die elektrisch leitfähigen
Probenhalter, die sich an der Unterseite des Gutes befinden, auch
metallisiert. Diese unerwünscht metallisierten
Halter müssen
von Zeit zu Zeit entmetallisiert werden. Hierzu wird der Träger ohne
das Gut in einem zusätzlichen
Verfahrensschritt derart über dem
Behandlungsraum positioniert, dass die metallisierten Teile des
Probenhalters in die Behandlungsflüssigkeit eintauchen. Die Probenhalter
werden anodisch gegen eine kathodische Hilfselektrode geschaltet.
Die Probenhalter werden dann mittels einer Stromquelle elektrolytisch
entmetallisiert. Die Hilfselektrode absorbiert das Metall, wie z.B.
das Kupfer. Sie muss nach einigen Ätzvorgängen ausge tauscht werden. Diese
Vorrichtung nach dem Stand der Technik weist die folgenden Nachteile
auf:
Das Gut muss zur Behandlung in einen Träger eingespannt
und von diesem während
der gesamten Behandlungsdauer gehalten werden. Daher muss die Höhenlage
des Gutes in Bezug auf die Behandlungsflüssigkeit individuell ermittelt
und mittels eines Vertikalantriebes präzise eingestellt werden. Weil
das in der Regel sehr dünne
Gut, das beispielsweise eine Dicke von 0,3 mm aufweisen kann, praktisch über dem
Behandlungsraum schwebt, ist eine sehr stabile mechanische Konstruktion
für den
Aufbau des Behandlungsraumes als auch für die Transporteinrichtung
und den Träger
notwendig. Zukünftig
wird die Dicke von Solarzellen aus Silizium auf etwa 0,1 mm reduziert
werden. Darüber
hinaus kann die Höhenlage des
Trägers
in Bezug auf die Behandlungsflüssigkeit durch
Temperaturveränderungen
während
der Behandlung beeinflusst werden.
-
Dem
Problem der korrekten Höheneinstellung
des Gutes über
der Oberfläche
des Elektrolyten entspricht die in
US
5,429,733 offenbarte Vorrichtung. Das Gut wird mittels
Luftkissen über
dem Behandlungsraum gehalten, wobei die gesamte Halterung mechanisch
mit dem Behandlungsraum verbunden ist. Zugleich wird die nicht nasschemisch
zu behandelnde Oberseite des Gutes gegen die Behandlungsflüssigkeit
abgedichtet. Nachteilig ist jedoch die Tatsache, dass das Gut zeitaufwändig in
die Halterung eingebracht und dort fixiert werden muss. Nach Beendigung
der Behandlung muss das Gut aus der Halterung entnommen werden.
Bei bruchempfindlichen Gütern,
wie z.B. bei Solarzellen aus Silizium, besteht immer die Gefahr
eines Bruches der dünnen Scheiben.
Gleiches gilt während
der eigentlichen Behandlung, wenn die Behandlungsflüssigkeit
zu intensiv gegen das eingespannte und damit besonders bruchgefährdete Gut
strömt.
Eine gegebene minimale Flussrate des in den Behandlungsraum einströmenden Elektrolyten
ist jedoch notwendig, um die beschriebene Rückströmung zu überwinden und die Oberfläche des
Gutes zur Herbeiführung
einer chemischen Modifikation derselben zu kontaktieren. In diesem
Zusammenhang und insbesondere im Hinblick auf die künftigen
nasschemisch zu behandelnden dünnen
Substrate mit zunehmendem Durchmesser wird auch die Gefahr eines
Bruches dieser dünnen
Güter dramatisch
erhöht.
-
Die
gleiche Bruchgefahr besteht unter Verwendung der Vorrichtungen zur
nasschemischen und/oder elektrolytischen Behandlung von ebenen Gütern, die
in
US 5,437,777 und
DE 197 36 340 C2 beschrieben
sind. Die Güter
werden mittels Halterungen in Kontakt mit der Behandlungsflüssigkeit
gebracht. Dichtungen schützen
sowohl die nicht zu behandelnde Oberseite des Gutes als auch die
Kontaktmittel zur Stromeinleitung in die Behandlungsflüssigkeit.
Neben der beschriebenen Bruchgefahr für das Gut ist es ferner nachteilig,
dass es in die Halterungen eingebracht und nach der Behandlung wieder entnommen
werden muss.
-
Diese
Handhabungsprobleme bestehen auch bei der Vorrichtung, welche in
US 5,443,707 beschrieben
wird. Die Halterungen einer derartigen Vorrichtung müssen während der
gesamten Expositionsdauer am Gut verbleiben, und für jedes
System sind mehrere dieser technisch komplexen Vorrichtungen erforderlich,
um das Gut während
der Behandlung zu positionieren. Abstandhalter bestimmen die Höhenlage
in Bezug auf die Oberkante des Behälters, gegen die das Gut von
dem Halter oder der Transporteinrichtung gedrückt wird. In allen Fällen werden
Kräfte auf
das Gut ausgeübt,
die zum Bruch desselben führen
können.
-
Die
Druckschrift
US 5,000,827 beschreibt eine
elektrolytische Zelle zur partiellen Metallisierung von Wafern.
Der vom Boden einströmende
Elektrolyt verlässt
die Zelle über
eine Überlaufkante.
Zur Beeinflussung der Strömung,
insbesondere im Randbereich der Unterseite des Wafers, erfolgt die
Einstellung des Abstandes H mittels Stützelementen in Form von Schrauben.
Gleiches gilt für
den Abstand S, der vom Durchmesser des Wafers und der elektrolytischen
Zelle festgelegt wird und einmalig eingestellt werden muss. Die
elektrische Kontaktierung erfolgt an der trockenen Oberseite des
Wafers, wodurch das Gut während
der elektrolytischen Behandlung mit diesen Kontaktierungsmitteln
in Berührung bleibt.
Da der Elektrolyt nicht an die elektrischen Kontakte gelangt, werden
diese nicht metallisiert. Allerdings müssen beide Seiten des Gutes
elektrisch miteinander verbunden sein. In diesem Falle ist eine Entmetallisierung
der Kontakte nicht erforderlich.
-
Die
Stützelemente,
die zugleich den Wafer gegen eine seitliche Verlagerung über der
Zelle fixieren, sind wesentliche Elemente jener Erfindung. In der
Praxis zeigt es sich jedoch, dass die Behandlungsflüssigkeit
durch derartige seitlich wirkenden Begrenzer oder Anschläge aufgrund
von Kapillarkräften
an oder entlang der Kante des Gutes nach oben gezogen wird. Dadurch
gelangt die Flüssigkeit
im Bereich dieser Begrenzer in unerwünschter Weise an die Oberseite
des Gutes, was in vielen Fällen
zu Ausschuss führt.
Deshalb können
derartige Begrenzer nicht in Fällen
verwendet werden, in denen eine ungeschützte Oberseite noch nicht einmal
partiell benetzt werden darf.
-
Weitere
Galvanisiereinrichtungen für
Wafer sind beispielsweise in
DE 600 25 773 T2 (
1) und
US 6,001,235 (
1)
offenbart. Die elektrischen Kontakte zum Anschluss an die Badstromquelle
ragen vertikal aus dem Elektrolyten heraus. Beim Metallisieren des
Gutes werden auch die Kontakte bis zur Elektrolyt/Luft-Grenze metallisiert,
zumindest bis zu einer möglichen
partiellen Isolierbeschichtung. Da diese Isolierbeschichtung in
der Praxis Verschleiß anfällig ist,
wird gewöhnlich
auf sie verzichtet, was auch deshalb erfolgt, weil die elektrische
Isolierung an dem Grundwerkstoff, der gewöhnlich aus einem elektrochemisch
inerten Metall wie Titan oder Niob besteht, nicht oder nur unzureichend
haftet. Die unvermeidliche Oxidbildung an der Oberfläche dieser Metalle
ist der Grund für
die unzureichende Haftung einer solchen Isolierbeschichtung an den
Kontakten. Die Metallisierung der metallisch blanken Kontaktbereiche
muss daher während
der fortlaufenden Produktion immer wieder entfernt werden. Hierzu
werden die Kontakte im Behandlungsraum anodisch gegen eine kathodische
Hilfselektrode geschaltet. Bei dieser elektrolytischen Entmetallisierung
wird beobachtet, dass in unmittelbarer Nähe zur Elektrolyt/Luft-Grenze
nur eine unvollständige
Entfernung der metallisierten Schicht stattfindet. Als Ergebnis und
ungeachtet mehrerer zwischengeschalteter Entmetallisierungsschritte
lagert sich auf dem Kontakt in diesem Grenzbereich immer mehr Metall
in einer mehr oder weniger ringförmigen
Weise ab. Hinzu kommt, dass sich in diesem Bereich Kristalle des
verwendeten Elektrolyten ablagern können. Eine automatische Entmetallisierung
und Reinigung der Kontakte ist somit im Rahmen einer ununterbrochenen Produktion
unzureichend. Von Zeit zu Zeit müssen manuelle
Eingriffe zur Entfernung der störenden
ringförmigen
Ablagerungen erfolgen.
-
Dieses
Problem der unzureichenden Entmetallisierung tritt auch bei Galvanisieranlagen
auf, bei denen horizontal positionierte oder schräg gestellte Kontakte
verwendet werden, die zugleich als Auflagen für das Gut dienen können. Ein
Teil dieser Kontakte wird durch den aus dem Behandlungsraum ausströmenden Elektrolyten
benetzt. Daher werden die mechanisch in Bezug zum Behandlungsraum
permanent fixierten Kontakte bis zur Elektrolyt/Luft-Grenze metallisiert.
Bei der elektrolytischen Entmetallisierung tritt die oben beschriebene
unvollständige
Entmetallisierung und Reinigung an dieser Grenze auf.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung einer
Vorrichtung und von Verfahren zur Überwindung der obigen Nachteile
des Standes der Technik und zur Sicherstellung der einseitigen nasschemischen,
elektrochemischen und/oder elektrolytischen Behandlung oder Reinigung
einer völlständig flachen
oder strukturierten Unterseite eines ebenen Gutes, welches auf mindestens
einer Auflage über
dem Behandlungsraum derart positioniert ist, dass auf das Gut nahezu
keine horizontale Kraft einwirkt, die dasselbe verschieben könnte.
-
Mit
anderen Worten ermöglicht
die vorliegende Erfindung dem Anwender die ausschließliche Behandlung
lediglich einer Seite eines ebenen Gutes, ohne dieses zu halten
und/oder seitlich zu begrenzen, und ohne die andere Seite des Gutes
gegen Benetzung zu schützen.
-
Dementsprechend
werden die Vorrichtung gemäß Anspruch
1 und das Verfahren gemäß Anspruch
22 vorgeschlagen. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstände entsprechender
Unteransprüche.
-
Erfindungsgemäß werden
mechanische Spannungen oder andere auf das Gut einwirkende Kräfte vermieden,
um die Bruchgefahr für
empfindliche Güter
signifikant zu reduzieren.
-
Im
Falle elektrochemischer oder elektrolytischer Anwendungen ermöglicht die
vorliegende Erfindung eine vollständige Entmetallisierung und
Reinigung elektrisch nicht isolierter Kontakte, die in Bezug zum
Behandlungsraum fixiert und permanent angeordnet sind.
-
Im
Verlauf der Experimente, die zur vorliegenden Erfindung geführt haben,
wurde zunächst versucht,
die oben beschriebene Kapillarwirkung der seitlichen Begrenzer oder
Endanschläge
zu vermeiden, indem die Kontaktbereiche bis zu einem Linienkontakt
zwischen den Begrenzern und der Kante des auf die Auflage(n) abgelegten
Gutes reduziert wurden. Die partielle Benetzung der Oberseite des
Gutes ließ sich
wegen seiner gewöhnlich
sehr geringen Dicke und der damit einhergehenden Kantenhöhe im Bereich
von 0,1 mm bis 0,3 mm nicht verhindern. Da bereits kleine Flüssigkeitsmengen
zu unerwünschten chemischen
Reaktionen an der Oberseite führen können, wurde
dieser Lösungsansatz
verworfen.
-
Die
Versuche ergaben jedoch überraschenderweise,
dass die seitlichen Scherkräfte,
die von einer entlang der Oberfläche
eines Gutes strömenden Flüssigkeit
ausgehen, praktisch kontrollierbar sind. Eine horizontale Raumveränderung
des Gutes weg von den Auflagen ohne das Vorhandensein seitlicher Begrenzer
oder Endanschläge
konnte dann verhindert werden, wenn die Strömung der Behandlungsflüssigkeit,
zumindest in der Nähe
zum Gut, radial-symmetrisch von der Vertikallinie zu allen Seiten des
Behandlungsraumes geführt
wurde, und wenn das Gut in Kongruenz mit dem Behandlungsraum positioniert
war. Durch eine Erhöhung
der Präzision, insbesondere
im Hinblick auf die obigen Symmetrien des experimentellen Versuchsaufbaus,
war es möglich,
das horizontale Wegdriften des Gutes aus seiner zentralen Lage ausreichend
zu reduzieren. Das Gut verblieb auf den Auflagen, welche keinerlei
seitlich wirkenden Begrenzer aufwiesen und im oberen Bereich der
Behälterwandung
des Behandlungsraumes angebracht waren, wenn die Spalthöhe, aufgrund
der präzisen
Positionierung der wenigstens einen Auflage in Bezug zur Überlaufkante,
entlang des gesamten Umfangs des Behandlungsraumes im Wesentlichen
exakt dieselbe war, und wenn die Überlaufkante und der Spalt
entlang des gesamten Umfangs exakt horizontal verliefen. Dies wurde
erreicht, indem die Auflagepunkte der Auflagen für das Gut in gleiche Höhe mit der
Oberfläche
der Behandlungsflüssigkeit gebracht
wurden. Förderlich
war dabei eine Justierbarkeit der Höhenlage der Auflagen innerhalb
eines ausreichenden Bereiches. Da in diesem Experiment mehr als
eine Auflage verwendet wurden, erwies es sich auch als hilfreich,
wenn die Auflagen zumindest nahezu symmetrisch zur vertikalen Mittenachse
des Behandlungsraumes angeordnet waren. Wenngleich in diesem Experiment
eine Vielzahl symmetrisch angeordneter Auflagen verwendet wurde,
kann die vorliegende Erfindung auch durch Verwendung einer Vorrichtung
mit nur einer Auflage realisiert werden, die dann eine seitliche
oder zentrale Auflage, oder eine durchgehend oder unterbrochen umlaufende, ringförmige Auflage
sein kann. Im Folgenden wird das technische Merkmal dieser mindestens
einen Auflage anhand einer Vorrichtung mit drei separaten und symmetrisch
verteilten Auflagen veranschaulicht.
-
Wird
das Gut über
dem Behandlungsraum auf die Oberfläche der überlaufenden Behandlungsflüssigkeit
auf- und damit auf den Auflagen abgelegt, neutralisieren sich die
horizontalen Komponenten der Adhäsionskraft
zwischen dem Gut und der Behandlungsflüssigkeit nahezu vollständig. Dies
ist insbesondere dann der Fall, wenn die Auflagen symmetrisch angeordnet
sind und die Strömung
der die Unterseite des Gutes kontaktierenden Behandlungsflüssigkeit
radial-symmetrisch verläuft.
Das einmal auf Auflagen ohne jegliche seitlichen Begrenzer abgelegte
Gut verblieb in dieser Position, ohne dass irgendein Rahmen, Greifer,
Halter oder irgendeine Auflage mit seitlichen Begrenzern zur Erzielung
dieses Ergebnisses erforderlich war. Da demnach keine seitlichen
Begrenzer vorhanden sind, kann keine Benetzung der Oberseite des
Gutes stattfinden. Als weiterer Vorteil entfällt jegliche Notwendigkeit
eines Schutzes der Oberseite, beispielsweise durch Beaufschlagung
derselben mit einer Schutzschicht oder unter Zuhilfenahme einer
mechanisch wirkenden Abdeckung oder eines Greifers wie einer gewöhnlich genutzten
Vakuumspann vorrichtung. Außerdem
wirken keine nachteiligen mechanischen Kräfte oder Spannungen auf das
Gut.
-
Die
Menge der in den Behandlungsraum einströmenden Behandlungsflüssigkeit
wird mittels einer Pumpe und/oder Ventilen derart eingestellt, dass die
Oberseite des Gutes, welches auf der Oberfläche der aus dem Behandlungsraum
ausströmenden
Behandlungsflüssigkeit
abgelegt und mittels der mindestens einen Auflage exakt positioniert
ist, nicht benetzt wird. Die Oberflächenspannung der Behandlungsflüssigkeit
ist ausreichend, dass selbst die dünne Kante des Gutes von der
Flüssigkeit
nicht benetzt wird.
-
Die
Behandlungsflüssigkeit
wird permanent in den Behandlungsraum eingeleitet und fließt nach Kontaktierung
der Unterseite des Gutes über
eine Überlaufkante
des Behandlungsraumes in einen Auffangbehälter. Hierdurch führen die
vertikalen Komponenten der Adhäsion
zwischen Gut und Behandlungsflüssigkeit
am Rand des Gutes zu einer sanften Anhaftung des Gutes an die mindestens
eine Auflage. Bei einer elektrochemischen und/oder elektrolytischen
Behandlung der Unterseite des Gutes ist die mindestens eine Auflage
elektrisch leitend und kann vorteilhafterweise zugleich als elektrischer
Kontakt zur Übertragung
des für
die elektrolytische Behandlung des Gutes notwendigen Stromes dienen.
Alternativ hierzu kann die elektrische Kontaktierung des Gutes durch
Verwendung eines oder mehrerer separater Kontakte erfolgen, die
mit der Unter- und/oder Oberseite
des Gutes verbunden sind. Die Ausführungsform eines oder mehrerer
integrierter mechanischer und elektrischer Kontakte ist jedoch bevorzugt. Durch
die vertikal wirkenden Adhäsionskräfte wird eine
sehr zuverlässige
elektrische Kontaktierung erreicht. Zwischen den Auflagebereichen
der Auflagen und der darauf liegenden Unterseite des Gutes wirkt in
Folge der vertikalen Kraftkomponenten eine – wenn auch nur geringe – Reibung.
Hierdurch wird die horizontale und zentrierte Lage des Gutes auf
den Auflagen zusätzlich
stabilisiert, sodass das Gut selbst ohne seitliche Endanschläge oder
Begrenzer überraschenderweise
in seiner zentralen Position verbleibt, in der es abgelegt wurde.
-
Der
mindestens eine elektrische Kontakt zur Stromzuführung an die Unterseite des
Gutes wird nach einem oder mehreren Metallisierungsvorgängen elektrolytisch
im selben Elektrolyten entmetallisiert. Zur Vermeidung einer ringförmigen Anlagerung von
Metall an der Elektrolyt/Luft-Grenze eines jeden Kontaktes umfasst
die erfindungsgemäße Vorrichtung
zusätzlich
Mittel, mit denen die Elektrolyt/Luft-Grenze an dem Kontakt und/oder
die Oberfläche
des Elektrolyten beim Metallisieren und Entmetallisieren in Bezug
auf die natürliche
Elektrolyt/Luft-Grenze
verlagert werden kann. Dabei kann die Flussrate des Elektrolyten
in beiden Fällen
annähernd
oder exakt dieselbe sein. Zur Verlagerung der Elektrolyt/Luft-Grenze
existieren zwei bevorzugte, nachfolgend mit Fall 1 und Fall 2 bezeichnete
Ausführungsformen,
die diese Mittel in Form mindestens eines Gasverteilers umfassen.
-
Im
Fall 1 werden der Elektrolyt und damit die Elektrolyt/Luft-Grenze während der
Metallisierung des Behandlungsgutes in der Nähe eines jeden Kontaktes durch
einen Gasstrom, bevorzugt durch einen Luftstrom, in Richtung zum
Behandlungsraum verlagert. Bei vertikal angeordneten Kontakten kann
dies durch einen Gasstrom erreicht werden, der in der Nähe eines
jeden Kontaktes gegen die Oberfläche des
im Behandlungsraum befindlichen Elektrolyten gerichtet ist. Bei
horizontal angeordneten oder schräg gestellten Kontakten weist
die Strömungsrichtung
des Gases zur ungefähren
Mitte des Behandlungsraumes. In beiden Fällen wird die Elektrolyt/Luft-Grenze zum Behandlungsraum
hin verlagert.
-
Das
Entmetallisieren des oder der anodisch geschalteten Kontakte erfolgt
dann ohne Gut bei abgeschaltetem oder gedrosseltem Gasstrom. Auf
diese Weise wird die natürliche
Elektrolyt/Luft-Grenze an jedem Kontakt von der ursprünglichen
Position, wie sie beim Metallisieren vorliegt, nach außen verlagert.
Hierdurch wird jeder Kontakt auch im kritischen Grenzbereich vom
Elektrolyten vollständig
benetzt, und es erfolgt eine vollständige Entmetallisierung in der
in Abwesenheit eines Gasstromes räumlich erweiterten elektrolytischen
Zelle.
-
Im
Fall 2 erfolgt die Verlagerung oder Verdrängung der Elektrolyt/Luft-Grenze
an jedem Kontakt beim Entmetallisieren in entgegengesetzter Richtung.
Während
der vorhergehenden Metallisierung wird der aus dem Behandlungsraum über dessen Überlaufkante
und entlang eines jeden Kontaktes ausströmende Elektrolyt nicht beeinflusst
oder verdrängt,
auch wenn es ausreichen kann, den Gasstrom zu verringern. Auf diese
Weise bildet sich an dem Kontakt eine natürliche Elektrolyt/Luft-Grenze aus. Die Entmetallisierung
des nahezu horizontal angeordneten oder schräg gestellten und anodisch geschalteten
Kontaktes erfolgt wieder ohne Gut. Dadurch wird die Elektrolyt/Luft-Grenze
an jedem Kontakt, vorzugsweise mit Hilfe eines Gasstromes, vom Behandlungsraum
derart in Richtung nach außen verlagert
bzw. verdrängt,
dass der Elektrolyt an jedem Kontakt in einen Bereich gelangt, der
bei der Metallisierung noch nicht benetzt worden ist. Bei nahezu
vertikal angeordneten Kontakten wird der Gasstrom fern von den Kontakten
derart gegen das Niveau des Elektrolyten im Behandlungsraum gerichtet,
dass das Niveau an jedem Kontakt ansteigt und ein Bereich benetzt
wird, welcher der ursprünglichen natürlichen
Elektrolyt/Luft-Grenze an jedem Kontakt entspricht. Wiederum erfolgt
eine vollständige
elektrolytische Entmetallisierung, da sich der zu entmetalli sierende
Bereich der Kontakte vollständig
innerhalb des Elektrolyten befindet.
-
Die
elektrolytische Entmetallisierung des oder der Kontakte kann mit
einer signifikant höheren Stromdichte
erfolgen, als sie bei der Metallisierung des Behandlungsgutes anwendbar
ist. Auf diese Weise kann die Entmetallisierung im Vergleich zu
einer typischen Metallisierungszeit von 10 bis 30 Minuten oder länger in
kurzer Zeit erfolgen, z.B. in 20 Sekunden.
-
Nach
einer bevorzugten Ausführungsform wird
die Elektrolyt/Luft-Grenze während
der Entmetallisierung des mindestens einen Kontaktes durch irgendeinen
der folgenden Schritte, die einzeln oder in Kombination durchgeführt werden
können,
derart ausreichend verlagert, dass sich die Grenze, welche sich
während
der vorhergehenden Metallisierung gebildet hat, zumindest in der
Nähe des
mindestens einen Kontakts vollständig
im Elektrolyten befindet: a) Ausrichten eines Gasstroms in Flussrichtung
des Elektrolyten an dem Kontakt oder gegen die Oberfläche des
Elektrolyten; b) Absenken des mindestens einen Kontaktes zur Entmetallisierung
in die Behandlungsflüssigkeit,
beispielsweise durch Bereitstellung einer temporären mechanischen Verkippbarkeit
eines jeden Kontaktes; c) lokales Applizieren von Behandlungsflüssigkeit
auf den mindestens einen Kontakt; d) Anheben des Niveaus der Behandlungsflüssigkeit
durch Erhöhung
der Überlaufkante,
beispielsweise durch Verwendung mechanischer Blenden oder dergleichen;
und/oder e) Anheben des Niveaus der Behandlungsflüssigkeit
durch Steigerung ihrer Flussrate.
-
Erfindungsgemäß erlaubt
die vollständige Entmetallisierung
und Reinigung eines jeden Kontaktes während eines jeden Entmetallisierungsvorganges
eine ununterbrochene automatische Behandlung von Gut in einer Galvanisieranlage.
Zur Verbesserung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften des
mindestens einen Kontaktes, der gewöhnlich aus oxidierenden Metallen
besteht, kann dessen Oberfläche
mit einer elektrisch leitfähigen
Diamantschicht und/oder teilweise mit einer elektrischen Isolierungsschicht
beaufschlagt sein.
-
Die
Oberfläche
der elektrolytisch zu behandelnden Unterseite des Gutes muss zu
ihrer elektrischen Kontaktierung unter Verwendung des mindestens
einen Kontaktes mindestens einen Kontaktbereich umfassen, welcher
elektrisch mit der zu behandelnden Oberfläche verbunden ist. Wenn das
Gut an seiner Unterseite kontaktiert werden soll, muss dieser Kontaktbereich
zur Ausgestaltung des mindestens einen Kontaktes passen, so dass
der Strom in angemessener Weise an das Gut angelegt werden kann.
Alternativ kann das Gut in bestimmten Fällen über seine trockene Oberseite
kontaktiert werden, sofern die Unterseite elektrisch mit dieser
Oberseite in Verbindung steht. Dies kann beispielsweise durch Bereitstellung
mindestens eines außerhalb
des Elektrolyten angeordneten elektrischen Kontaktes erreicht werden,
wobei der Galvanisierstrom aus der Badstromquelle über die
umlaufende Kante des Gutes und/oder durch das Gut hindurch an dasselbe
geführt
wird.
-
Bei
Solarzellen, die bevorzugt aus p- und n-dotiertem Silizium bestehen,
lässt sich
diese elektrische Verbindung durch Beleuchtung der n-dotierten Unterseite
herstellen. Dabei wirkt die Solarzelle ihrer eigentlichen Bestimmung
entsprechend als Gleichstromquelle, die in Serie mit der beim Galvanisieren
gleich gepolten Badstromquelle geschaltet ist. Eine ausreichend
beleuchtete Solarzelle ist in der Lage, die für eine Galvanisierung erforderlichen
Ströme in
Höhe von
1 A und mehr zu führen.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform
liegt darin, dass es an den trockenen Kontaktmitteln zu keiner Metallisierung kommt.
Die erforderlichen Leuchtmittel einschließlich Reflektoren können innerhalb
des Elektrolyten im Arbeitsbehälter
und auch außerhalb
des Behälters
angeordnet sein. Die äußere Anordnung
erfordert zumindest teilweise transparente Behälterwände des Behandlungsraumes.
Als Leuchtmittel eignen sich alle bekannten Lichtquellen, wie insbesondere
Halogenlampen und Leuchtdioden.
-
Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung daher mindestens
eine Lichtquelle zur Aktivierung lichtempfindlicher Komponenten
der Behandlungsflüssigkeit
und/oder zur Herbeiführung
einer chemischen, elektrochemischen oder elektrolytischen Behandlung.
Sie ist bevorzugt innerhalb des Behandlungsraumes angeordnet, kann
aber auch außerhalb angeordnet
sein. Diese mindestens eine Lichtquelle kann jedweder Art sein,
einschließlich
Halogenlampen, Leuchtdioden, Fluoreszenzlampen, ultraviolette oder
infrarote Lichtquellen, Laser, oder Kombinationen derselben. Durch
Verwendung einer Behandlungsflüssigkeit
mit lichtaktivierbaren Komponenten in Kombination mit einer Lichtquelle
erfolgt der Behandlungsprozess nur dann bzw. wird nur dann unterstützt, wenn
die Lichtquelle eingeschaltet ist. Gewünschtenfalls kann die Aktivierung
selektiv durch Verwendung geeigneter Masken gesteuert werden, die
bestimmte Bereiche der Oberfläche
des Gutes vor einer Beleuchtung schützen.
-
Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung ferner mindestens ein Transportmittel zur
Beförderung
des Gutes zum und weg vom Behandlungsraum mit Mitteln zum Positionieren
und Ablegen des Gutes auf der mindestens einen Auflage oberhalb
des Behandlungsraumes und zum Umpositionieren und Abheben des Gutes
nach der Behandlung. Diese zuletzt genannten Mittel zum Be- und
Entladen sind vorzugsweise so ausgestaltet, dass sie ausschließlich die
Unterseite des Gutes berühren.
Mit anderen Worten sollten Mittel vermieden werden, welche die Kante
und/oder die Oberseite des Gutes berühren. Ein geeignetes Mittel umfasst
ein oder mehrere stabförmige
Elemente, welche gebogen und/oder stark abgewinkelt sind, damit
die Unterseite eines auf der Oberfläche der Behandlungsflüssigkeit
abgelegten Gutes erreicht wird, ohne dessen Kante zu berühren.
-
Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
schematischen und nicht maßstabgetreuen 1 bis 9 detaillierter beschrieben.
-
1 zeigt
die grundsätzliche
Anordnung zur ausschließlich
einseitigen nasschemischen Behandlung eines Gutes im Querschnitt
und als Draufsicht.
-
2 zeigt
die grundsätzliche
Anordnung zur einseitigen elektrochemischen und/oder elektrolytischen
Behandlung eines Gutes mit Einzelheiten des Kontaktbereiches.
-
3 zeigt
unterschiedliche Ausführungsformen
der Auflagen für
das Gut und Einzelheiten des Auflagenbereichs.
-
4a zeigt
Ausführungsformen
der Überlaufkante
des Behandlungsraumes in Seitenansicht.
-
4b zeigt
Ausführungsformen
der Überlaufkante
des Behandlungsraumes im Querschnitt.
-
5 zeigt
eine Anordnung mehrerer Behandlungsräume zur elektrochemischen und/oder elektrolytischen
Metallisierung von Gütern
innerhalb einer Fertigungsanlage.
-
6 zeigt
die Anordnung aus 5 während der elektrolytischen
Entmetallisierung der Kontakte, die in diesem Fall auch als Auflagen
für das Gut
während
der Behandlung dienen.
-
7a zeigt
im Detail einen gestreckten Kontakt während der Metallisierung des
Behandlungsgutes gemäß Fall 1.
-
7b zeigt
die Situation während
der Entmetallisierung des gestreckten Kontaktes.
-
8a zeigt
im Detail einen gewinkelten Kontakt während der Metallisierung des
Behandlungsgutes gemäß Fall 1.
-
8b zeigt
die Situation während
der Entmetallisierung des gewinkelten Kontaktes.
-
9a zeigt
im Detail einen gewinkelten Kontakt während der Metallisierung des
Behandlungsgutes gemäß Fall 2.
-
9b zeigt
die Situation während
der Entmetallisierung des gewinkelten Kontaktes.
-
10 zeigt
eine Anordnung zur elektrolytischen Metallisierung von Silizium-Solarzellen
mit beleuchteter Unterseite.
-
In 1 ist
das ebene Gut 1 auf den Kontakten oder Auflagen 2 oberhalb
eines Behandlungsraumes 3 abgelegt. Die mindestens drei
Auflagen 2 für ein
kreisrundes Gut 1 oder die mindestens vier Auflagen 2 für ein eckiges
Gut 1 sind am Rand des Behandlungsraumes 3 positioniert
und symmetrisch zu seiner vertikalen Mittenachse 9 angeordnet.
Auf diese Weise sind die Andruckkräfte zwischen dem Gut 1 und
den hier stabförmigen
Auflagen 2 nahezu identisch, was insbesondere zur Stromübertragung
während
einer elektrochemischen und/oder elektrolytischen Behandlung wichtig
ist. Nach dieser Ausführungsform
weist der Behandlungsraum 3 einen inneren Querschnitt auf,
der weitgehend kongruent mit der Form und den Abmessungen des zu
behandelnden Gutes 1 ist. Abweichend von dieser Kongruenz kann
das Gut vorzugsweise geringfügig
größer sein als
der innere Querschnitt des Behandlungsraumes 3. In diesem
Fall erfolgt im Randbereich 10 des Gutes eine geringfügig geringere
oder, bei größeren Überhängen, keine
Oberflächenbehandlung.
Darüber
hinaus kann das Gut 1 auch geringfügig kleiner als der Behandlungsraum 3 sein.
Der innere Querschnitt kann kreisförmig, quadratisch oder rechteckig,
mit oder ohne eingekürzte
Ecken oder Rundungen, z.B. für
Solarzellen, oder hiervon abweichend in einer anderen Form ausgestaltet
sein. Die Überhänge sollten
zumindest nahezu symmetrisch zur vertikalen Mittenachse 9 gewählt werden,
damit auf das Gut 1 einwirkende horizontal resultierende
Kräfte
reduziert oder vermieden werden. Schließlich kann auch eine Deckungsungleichheit
zwischen dem Querschnitt des Behandlungsraumes 3 und dem
Gut 1 ausgewählt
werden, um selektiv lediglich die Region des Gutes zu galvanisieren,
welche mit der Behandlungsflüssigkeit 24 kontaktiert
wird.
-
Um
die Kosten und Anstrengungen im Falle einer Veränderung der Form des Gutes
in Bezug auf die nicht veränderbare
Außenform
des Behandlungsraumes zu reduzieren, kann die innere Form des Behandlungsraumes
angepasst werden durch Verwendung geeigneter Einsätze oder
dergleichen, welche den Innendurchmesser und/oder die Form des Behandlungsraumes 3 entsprechend
reduzieren.
-
In 1 strömt die Behandlungsflüssigkeit beispielhaft
zentral in den Behandlungsraum 3 ein. Dies wird symbolisch
durch die Strömungspfeile 4 dargestellt.
Zur Herbeiführung
einer chemischen Modifikation des Gutes 1 wird die Behandlungsflüssigkeit
mit Hilfe einer Pumpe 5 im Kreislauf durch eine in Form
eines Rohres bereitgestellte Einlassöffnung 6 in den Behandlungsraum 3 in
Richtung zur Unterseite 7 des zu behandelnden Gutes 1 gefördert. Alternativ können jedwede
Mittel zum Einbringen der Behandlungsflüssigkeit in den Behandlungsraum
genutzt werden, einschließlich
passiver Mittel wie erhöht
positionierte Flüssigkeitsbehälter. Die Behandlungsflüssigkeit
wird an der Unterseite 7 radial nach außen zum Rand 10 des
Gutes 1 gelenkt. Innerhalb des mit Behandlungsflüssigkeit
gefüllten
Behandlungsraumes, mindestens jedoch in der Nähe des Gutes, verläuft die
Strömung
radialsymmetrisch von der vertikalen Mittenachse 9 zu allen
Seiten des Behandlungsraumes 3. Dies wird durch rotationssymmetrische (symmetrierende)
Mittel 11 wie Blenden, Streublenden, durch ringförmige oder
zentrale Einspeisung der Behandlungsflüssigkeit in den Boden des Behandlungsraumes 3,
und/oder durch Verwendung mehrerer symmetrischer Mittel zur Einspeisung
der Behandlungsflüssigkeit
in den Bodenbereich des Behandlungsraumes 3 erreicht. Diese
Flüssigkeit
erzeugt Adhäsionskräfte, welche
das auf der Flüssigkeitsoberfläche schwimmende
Gut nach außen
ziehen. Da die Strömung
jedoch radial-symmetrisch verläuft,
neutralisieren sich diese Kräfte
gegenseitig, zumindest bis auf einen Toleranz bedingt unbedeutend kleinen
Restbetrag. Zwischen der Überlaufkante 13 und
dem auf den Auflagen 2 abgelegten Gut 1 bildet sich
ein horizontaler Spalt, durch welchen die Behandlungsflüssigkeit
allseitig aus dem Behandlungsraum 3 heraus- und in einen
Auffangbehälter 14 hineinströmen kann,
wobei die Fallhöhe
zur Vermeidung eines unerwünschten
Lufteintrages klein eingestellt wird. Hierzu wird das Gesamtvolumen
der Behandlungsflüssigkeit
so groß gewählt, dass
ihr Niveau im Auffangbehälter 14 nahe
an die Überlaufkante 13 heranreicht.
Eine Pumpe 5 fördert
die Behandlungsflüssigkeit
aus dem Auffangbehälter 14 zurück in den
Behandlungsraum 3. Zur Einstellung der umlaufenden Flüssigkeitsmenge
pro Zeiteinheit können
ein in der Drehzahl veränderlicher
Antrieb für
die Pumpe oder innerhalb der Rohre befindliche einstellbare Drosseln,
Ventile und dergleichen verwendet werden. Für ein Gut mit einer zu behandelnden
Oberfläche
von 1,5 dm2 wurde das Durchflussvolumen
in den Versuchen für
jeden Behandlungsraum zwischen 3 und 20 Liter pro Minute eingestellt.
Die jeweilige Menge ist in erster Linie Prozess bedingt. Erfindungsgemäße erlaubt
die Fixierung des Gutes 1 oberhalb des Behandlungsraumes 3 ohne
seitliche Begrenzer die Einstellung des Durchflussvolumens innerhalb
des genannten weiten Bereiches, ohne dass es dabei zu einer Verschiebung
des Gutes kommt. In 1 zeigt eine Draufsicht eine
typische Solarzelle mit eingekürzten
Ecken. Der innere Querschnitt des Behandlungsraumes 3 hat
die gleiche Form. Da die Überlaufkante 13 in
dieser Zeichnung von dem Gut 1 verdeckt wird, ist sie gestrichelt
dargestellt. Bei dieser Vorrichtung werden keine seitlichen Anschläge verwendet.
-
Sofern
für eine
spezifische Verfahrensgestaltung gewünscht, können in den Behandlungsraum 3 weitere
rotationssymmetrische Mittel 11 eingebaut werden, die bevorzugt
axialsymmetrisch zur vertikalen Mittenachse 9 ausgerichtet
sind, wie Blenden, Membranen, Diaphragmen, lösliche oder unlösliche Anoden
und andere Elektroden oder Betriebsmittel. Sie sind so ausgestaltet,
dass die gleichmäßige symmetrische
Strömung
entlang des Gutes erhalten bleibt.
-
Für lösliche Anoden
können
sowohl selbsttragende Platten mit oder ohne Löcher als auch Schüttgut verwendet
werden. Das z.B. in Form von Metallkugeln vorliegende Schüttgut liegt
auf einem elektrisch leitfähigen
und chemisch inerten Metallgitter, welches zugleich der elektrischen
Verbindung mit einer Badstromquelle dient. Oben wird das Schüttgut von
einem für
Ionen durchlässigen
Filtergewebe, z.B. aus Polypropylen, abgedeckt. Die Behandlungsflüssigkeit
strömt
zur Unterseite 7 des Gutes, während sie diese Anordnung passiert,
welche insgesamt als Anode oder – im Rahmen der vorliegenden
Beschreibung – allgemein
als rotationssymmetrisches Mittel 11 bezeichnet wird.
-
Die
Auflagen 2 bestimmen gemäß Darstellung in 3 die
Spalthöhe 15.
Daher müssen
sie mechanisch präzise
nahe des Behandlungsraumes positioniert sein. Die mindestens eine
Auflage kann aus einem elektrisch nicht-leitenden Werkstoff oder im
Falle einer elektrochemischen und/oder elektrolytischen Behandlung
des Gutes 1 aus Metall hergestellt sein. In diesem Fall
dient diese mindestens eine Auflage vorzugsweise zugleich als elektrischer
Kontakt 2 zur Stromübertragung
auf das Gut 1. Die Auflage(n) 2 kann bzw. können gemäß Darstellung
in 1 an der Behälterwand 17,
oder gemäß Darstellung
in 2 an gesonderten Auflagenträgern 16 befestigt
sein.
-
Die 2 veranschaulicht
die elektrochemische und/oder elektrolytische Behandlung des Gutes 1.
Innerhalb des Behandlungsraumes 3 ist eine lösliche oder
unlösliche
Anode 21 angeordnet. Zur Metallisierung wird das Gut 1 von
einer Badstromquelle 22 kathodisch gegen die Anode 21 geschaltet.
Daher werden die benetzte Unterseite 7 des Gutes 1 und die
benetzten Bereiche der metallisch blanken Kontakte 2 durch
den Elektrolyten bis zur Elektrolyt/Luft-Grenze 25 galvanisiert.
In Abhängigkeit
vom Elektrolyten, insbesondere von dessen Metallgehalt, können sich
an dieser Grenze auch Kristalle ablagern. Sowohl die Kontaktmetallisierung 30 als
auch die Kristallbildung sind für
einen Dauerbetrieb einer Galvanisieranlage nachteilig. Nach jedem
oder nach einigen Metallisierungsvorgängen müssen die Kontakte 2 elektrolytisch
entmetallisiert und gereinigt werden. Hierzu werden sie anodisch
gegen eine kathodisch geschaltete Gegenelektrode gepolt. Die elektrolytische
Entmetallisierung erfolgt in diesem Bereich der Kontakte 2 jedoch
nicht vollständig.
Werden keine weiteren Maßnahmen
ergriffen, führen
bereits wenige Metallisierungs- und Entmetallisierungsvorgänge zu einer
annähernd
ringförmigen
oder streifenförmigen
Anlagerung des zu galvanisierenden Metalls auf den Kontakten im
Bereich der Elektrolyt/Luft-Grenze 25. Diese störende Ablagerung wird
nachfolgend als Metallring 31 bezeichnet und muss gewöhnlich manuell
entfernt werden, wodurch der automatische Produktionsablauf unterbrochen wird.
-
Durch
eine mehrfache Verlängerung
der Entmetallisierungsdauer könnte
der Metallring 31 vermutlich weitgehend elektrolytisch
aufgelöst
werden. Dies ist jedoch mit einer Reduzierung der Produktionskapazität der Anlage
verbunden und sollte deshalb vermieden werden. Eine andere Möglichkeit zum
elektrolytischen Auflösen
oder Ätzen
des Metallringes 31 wäre
eine Steigerung der zirkulierenden Elektrolytmenge während der
Entmetallisierung. Dies würde
jedoch einen komplexeren Aufbau erfordern und den Nachteil aufweisen,
dass es aufgrund einer forcierten und damit unruhigeren Strömung zu
einem erhöhten
Eintrag von Luft in den Elektrolyten kommt.
-
Die
Luft wirkt auf die Additive des Elektrolyten ein und führt zu einem
unvorteilhaften Anstieg seines Verbrauchs. Da die Entmetallisierungsdauer im
Rahmen der vorliegenden Erfindung im Vergleich zur Galvanisierungsdauer
jedoch vorzugsweise sehr kurz ist, hat eine vorübergehende Steigerung der Flussrate
nur einen geringen Effekt auf das Elektrolytsystem.
-
Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Auflagen 2 sind in 3 dargestellt.
Zur Vermeidung einer Benetzung der Kante 23 des Gutes sollte
ein Kontakt zwischen der Auflage 2 und dem Gut 1 innerhalb
dieses kritischen Bereichs vermieden werden. Dies wird durch die
dargestellten Formen und Ausrichtungen der Auflagen 2 sowie
durch den Überhang
des Gutes in Bezug auf den Behälterrand
erreicht. Zur Vermeidung einer Benetzung der Auflagenträger 16 mit
der Behandlungsflüssigkeit
können
die Auflagen gemäß Darstellung
siphonartig ausgebildet sein.
-
Die 4a zeigt
Ausführungsformen
der Überlaufkante 13 in
Seitenansicht. Bevorzugt wird eine gerade Kantenlinie verwendet.
Wie in dieser Figur dargestellt ist, können die gesamte Überlaufkante 13 oder
Teile davon verschieden gestaltete Einschnitte 18 aufweisen. Ähnlich den
trapezförmigen Einschnitten
kann auch ein sinusförmiger
Verlauf gewählt
werden. Diese Einschnitte dienen der individuellen Beeinflussung
(Verringerung) der Strömungsgeschwindigkeit
der Behandlungsflüssigkeit
im Randbereich des Behandlungsraumes. Durch Einschnitte 18 an
der Überlaufkante 13 kann
die Abflussgeschwindigkeit der Behandlungsflüssigkeit daher für eine gegebene
Durchflussmenge optimiert werden, damit die beabsichtigte gleichmäßige Behandlung
des Gutes sichergestellt ist. Die Tiefe und die Beabstandung der
Einschnitte 18 liegen im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm. In
Abhängigkeit
des Verfahrens kann die Spalthöhe 15 zwischen
0,3 mm und 6 mm variieren und liegt bevorzugt zwischen 1 mm bis 3
mm. Die Spalthöhe 15 wird
von dem höchsten Punkt
der Einschnitte 18 gemessen.
-
Die 4b zeigt
im Querschnitt verschiedene Ausführungsformen
der Behälterwand 17 im
Bereich der Überlaufkante 13.
Die Form des Querschnitts hängt
vom Prozess ab. Die abgerundete Überlaufkante
verringert eine Wirbelbildung in diesem Bereich. Für Wafer
oder Solarzellen üblicher
Abmessungen kann die Dicke 19 der Überlaufkante zwischen einer
scharfen Kante (mehr als 0,0 mm) und 5 mm und vorzugsweise zwischen
0,5 mm und 2,5 mm liegen.
-
Die 5 zeigt
eine Mehrzahl von Behandlungsräumen 3,
wie sie in einer größeren Produktionsanlage
nebeneinander oder hintereinander angeordnet sind. Der Auffangbehälter 14 nimmt
die überlaufende
Behandlungsflüssigkeit
aus einem, mehreren oder allen Behandlungsräumen 3 auf. Eine gemeinsame
Pumpe 5 fördert
die Behandlungsflüssigkeit
in ein Verteilerrohr 20, das mit den Behandlungsräumen 3 über zentrale
Einlassrohre 6 in Verbindung steht. Zur Vermeidung ungleicher
Durchflussvolumina in den parallel gespeisten Behandlungsräumen 3 kann
das Verteilerrohr 20 mit einem inneren Rohr in gleicher
Länge mit Öffnungen
ausgestattet sein, in welche die Behandlungs flüssigkeit von der Pumpe zuerst
eingespeist wird. Von dort erreicht die Flüssigkeit dann das Verteilerrohr 20.
-
In
diesem Ausführungsbeispiel
umfasst ein jeder Behandlungsraum 3 eine lösliche oder
unlösliche
Anode 21, die bevorzugt Öffnungen aufweist, durch welche
der für
die elektrochemische oder elektrolytische Behandlung des Gutes 1 benötigte Elektrolyt
hindurchfließen
kann. Zur Metallisierung wird das Gut 1 von einer Badstromquelle 22 kathodisch geschaltet.
Geeignet ist auch eine unipolare oder bipolare Pulsstromquelle.
Eine Badstromquelle 22 kann mehrere Behandlungsräume 3 mit
Badstrom zum Galvanisieren versorgen. Das Be- und Entladen der Behandlungsräume 3 mit
Gütern
erfolgt vorzugsweise parallel, d.h. gleichzeitig, mit nicht dargestellten
Transportmitteln. Dadurch werden in der gesamten Produktionsanlage
weniger Transportmittel benötigt.
-
Die
Situation beim Entmetallisieren der Kontakte 2 nach einem
oder mehreren Metallisierungsvorgängen zeigt die 6.
Ein Gut 1 ist nicht abgelegt. Die im Überlaufbereich des Elektrolyten
befindlichen Kontakte 2 sind hier mittels der Badstromquelle 22 und
nicht dargestellter Schaltmittel anodisch geschaltet. Die Anode 21 dient
in diesem Fall als Kathode, auf der das von den Kontakten 2 abgetragene Metall,
z.B. Kupfer, Zinn oder Silber, abgeschieden wird. Damit kann dieses
Metall beim nächstfolgenden Galvanisierungsschritt
nutzbringend wieder verwendet werden.
-
In
den 5 und 6 sind die Einrichtungen zur
Anströmung
der Kontakte 2 mit dem Gasstrom zur Vereinfachung der Darstellungen
nicht eingezeichnet. Diese Einrichtungen zur vollständigen Entfernung
der gesamten, bei jedem Metallisierungsprozess auftretenden Kontaktmetallisierung 30 und zur
Vermeidung der Bildung von Metallringen 31 sind in den
folgenden 7 bis 9 dargestellt.
-
Die 7a veranschaulicht
die Situation während
der Metallisierung des Gutes 1. Der Kontakt 2,
der beispielsweise eine runde oder rechteckige Form aufweist, kontaktiert
und trägt
das Gut. Im Falle einer runden Form ruht das Gut auf mindestens
drei Kontakten 2 über
dem Behandlungsraum 3. Bei quadratischen oder rechteckigen
Gütern
werden zum Kontaktieren und Tragen über dem Behandlungsraum 3 gewöhnlich mehr
als drei Kontakte verwendet. Alternativ kann der Behandlungsraum
lediglich eine Auflage umfassen, welche im Wesentlichen ringförmig ausgestaltet
und nahe der inneren Behälterwand
(nicht dargestellt) angeordnet ist. Der von einer Pumpe (nicht dargestellt)
geförderte
Elektrolyt 24 strömt
entlang der Unterseite 7 des Gutes 1 und von dort über die Überlaufkante 13 in
einen nur teilweise sichtbaren Auffangbehälter 14. Durch den
aus dem Behandlungsraum 3 ausströmenden Elektrolyten 24 bildet
sich im Randbereich des Gutes 1 und damit in der Nähe der Überlaufkante 13 eine
mehr oder weniger unscharfe, natürliche
Elektrolyt/Luft-Grenze 25 aus. Diese Grenze und damit auch
der Bereich des Kontaktes, welcher bei jedem Metallisierungsvorgang
bis zur Elektrolyt/Luft-Grenze 25 metallisiert wird, wird
beim Galvanisieren durch mindestens einen Gasstrom 26,
der vorzugsweise ein Luftstrom ist, in Richtung zur Mitte des Behandlungsraumes 3 verlagert.
Der Luftstrom 26 strömt
für jeden
Kontakt der Anlage aus mindestens einer individuellen Öffnung oder
Düse 27,
die an Gasverteilern 28, die bevorzugt als Gasverteilerrohre
ausgebildet sind, angeordnet ist. Die Gasverteiler 28 werden
von mindestens einem Verdichter oder Kompressor (nicht dargestellt) beispielsweise
mit Druckluft gespeist. Unter Verwendung einer nicht dargestellten
Steuerungseinrichtung kann der Luftstrom 26 mittels eines
Ventils 29, einer Klappe oder dergleichen gesteuert und
somit eingeschaltet, gedrosselt und ausgeschaltet werden. Das ausströmende Gas
bzw. die Luft kann zumindest für jeden
Behandlungsraum gemeinsam in Gruppen gesteuert werden. Hierzu dienen
die Klappen oder Ventile 29, die zwischen dem Kompressor
und den Düsen 27 angeordnet
sind.
-
Die
Menge und die Geschwindigkeit eines jeden ausströmenden Luftstroms werden derart
eingestellt, dass die sich an die Metallisierung anschließende, ohne
Luftstrom 26. stattfindende elektrolytische Entmetallisierung
innerhalb kürzester
Zeit zu einer vollständigen
Entmetallisierung und Reinigung der Kontakte führt. Bei Verwendung von nahezu
horizontal angeordneten oder schräg gestellten Kontakten wird
die Elektrolyt/Luft-Grenze 25 während der Metallisierung derart
ausreichend zum Zentrum des Behandlungsraums 3 zurückgedrängt, dass
sich die während
der Metallisierung ausgebildete Elektrolyt/Luft-Grenze bei der anschließenden Entmetallisierung
mit gedrosseltem oder abgeschaltetem Luftstrom vollständig im
Elektrolyten befindet. Beim Entmetallisieren mit ausgeschaltetem
oder gedrosseltem Luftstrom wird die Elektrolyt/Luft-Grenze 25 in Richtung
zum Kontakt verlagert. Diese natürliche Grenze
liegt dann in dem Bereich des Kontaktes 2, der beim Metallisieren
nicht metallisiert oder verunreinigt wurde, da er in Folge des Luftstromes 26 trocken
blieb. Auf diese Weise wird bei jedem Entmetallisierungsprozess
eine vollständige
Entmetallisierung eines jeden Kontaktes erreicht.
-
Bei
Verwendung vertikal angeordneter Kontakte wird der Gasstrom beim
Metallisieren derart gegen die Oberfläche des Elektrolyten gerichtet,
dass das Niveau des Elektrolyten innerhalb des Behandlungsraumes 3 zumindest
in der Nähe
der Kontakte abgesenkt wird, woraus auch eine Verlagerung der Elektrolyt/Luft-Grenze 25 resultiert.
-
Die 7b veranschaulicht
die Situation zu Beginn der Entmetallisierung der Kontaktmetallisierung 30 bei
ausgeschaltetem Luftstrom. Die sich natürlich entwickelnde Elektrolyt/Luft-Grenze
ist nach außen
verlagert worden. Die Kontaktmetallisierung 30 befindet
sich vollständig
innerhalb des Elektrolyten, wodurch ihre vollständige elektrolytische Auflösung ermöglicht wird.
Eventuell gebildete Kristalle werden durch den strömenden Elektrolyten
ebenfalls aufgelöst.
Selbst nach vielen Metallisierungs- und Entmetallisierungsvorgängen kann
sich an dem mindestens einen Kontakt kein Metallring 31 bilden.
-
Die 8a und 8b beziehen
sich auf Fall 1 und zeigen Details einer ähnlichen Galvanisierungsvorrichtung
mit beiden Prozesssituationen (Metallisierung in 8a;
Entmetallisierung in 8b).
-
Der
Kontaktträger 16 ist
in diesem Fall über dem
höchsten
Niveau des Elektrolyten 24 angeordnet. Dadurch kann sich
der Elektrolyt bei abgeschaltetem Luftstrom nicht bis zum Kontaktträger 16 ausbreiten.
-
9a bezieht
sich auf den Fall 2 und zeigt einen gewinkelten Kontakt 2 während der
elektrolytischen Metallisierung. Der Elektrolyt strömt über die Überlaufkante 13 des
Behandlungsraumes 3 in den Auffangbehälter 14. Dabei bildet
sich die natürliche Elektrolyt/Luft-Grenze 25 im
dargestellten Bereich des gewinkelten Kontaktes 2 aus.
Zur vollständigen Entmetallisierung
und Reinigung des Kontaktes von der Kontaktmetallisierung 30 muss
sich diese Grenze während
der Entmetallisierung vollständig
innerhalb des Elektrolyten befinden. Dies geschieht bevorzugt durch
mindestens einen in Richtung des strömenden Elektrolyten gerichteten
Gasstrom 26, wie beispielsweise in der 9b veranschaulicht.
In Abwesenheit eines Gutes im Behandlungsraum tritt aus mindestens
einer Düse 27 ein
Gasstrom 26 aus, der den Elektrolyten bzw. den Elektrolytstrom
zumindest in der Nähe
der Kontakte 2 derart verlagert, dass sich die neu bildende
Elektrolyt/Luft-Grenze 25 in Relation zur ursprünglichen
natürlichen
Elektrolyt/Luft-Grenze entgegen der Schwerkraft, d.h. nach außen verschiebt.
Dieser Bereich der Kontakte wurde vom Elektrolyten bei der Metallisierung
nicht erreicht und daher auch nicht metallisiert.
-
Bei
der Entmetallisierung von vertikal angeordneten Kontakten wird der
mindestens eine Gasstrom derart gegen die Oberfläche des Elektrolyten gerichtet,
dass das Niveau des Elektrolyten im Behandlungsraum 3 zumindest
in der Nähe
eines jeden Kontaktes ansteigt, wodurch die Elektrolyt/Luft-Grenze 25 angehoben
wird. Bei nahezu horizontal angeordneten Kontakten wird der Gasstrom
ebenfalls annähernd
horizontal in Richtung zum Kontaktträger 16 ausgerichtet,
wie in 9b dargestellt ist. Aufgrund der
unterschiedlichen Elektrolyt/Luft-Grenzen 25 beim Metallisieren
und Entmetallisieren wird bei jedem Entmetallisierungsvorgang eine
vollständige Entmetallisierung
und Reinigung der Kontakte 2 erreicht.
-
Die
Entmetallisierung erfolgt gewöhnlich
gegen eine als Hilfselektrode eingesetzte Gegenelektrode. In den 7, 8 und 9 kann die Gegenelektrode (nicht dargestellt)
auch die lösliche
oder unlösliche Anode
sein, die sich innerhalb des Behandlungsraumes 3 befindet.
In dieser Prozessfolge ist die Anode kathodisch gegen die zu entmetallisierenden
Kontakte 2 geschaltet. Dadurch kann das von den Kontakten 2 abgelöste und
auf der Anode abgeschiedene Metall nutzbringend zurückgewonnen
werden. Beim nächsten
Galvanisiervorgang wird es von dort wieder gelöst und zur Metallisierung des
Gutes 1 verwendet.
-
Die 10 zeigt
einen weiteren Behandlungsraum mit einer elektrolytischen Zelle 37.
Bei dem Gut 1 handelt es sich um eine Solarzelle mit p- und
n-dotierten Bereichen, die beleuchtet wird. Wie bei den anderen
Beispielen steht lediglich die zu behandelnde Unterseite 7 in
Kontakt mit dem Elektrolyten 24 des Behandlungsraumes 3.
Die elektrisch leitfähige
Oberseite 38 der Solarzelle soll nicht metallisiert werden.
Bei derartigen Solarzellen kann die elektrische Kontaktierung unter
Verwendung der trockenen Oberseite 38 erfolgen, wenn die
galvanisierte Unterseite 7 beleuchtet wird. In diesem Fall
entfällt die
ansonsten erforderliche Entmetallisierung der Kontaktmittel.
-
Die
beleuchtete Solarzelle stellt elektrisch eine Gleichstromquelle 35 dar,
deren Ersatzschaltbild eingetragen ist. Diese Gleichstromquelle 35 generiert
eine elektromotorische Kraft (EMK) in Form der Solarzellenspannung
US, die in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke etwa
0,6 Volt erreicht. Diese Gleichstromquelle 35 befindet
sich stromführend
im Galvanisierstromkreis, der aus der Badstromquelle 22,
den elektrischen Oberseitenkontakten 36, der Gleichstromquelle 35,
der zu behandelnden Unterseite 7, dem Elektrolyten 24 in
der elektrolytischen Zelle 37, und einer löslichen
oder unlöslichen
Anode 21 besteht. Die Polaritäten der beteiligten Spannungen
dieses Galvanisierstromkreises sind in 10 angegeben.
Dabei handelt es sich um die Klemmenspannung UB der
Badstromquelle 22, die als elektromotorische Kraft EMK
auftretende Solarzellenspannung US, und
die Zellspannung UZ der elektrolytischen
Zelle, die als Spannung an der Last bzw. am Verbraucher anliegt.
Wegen der Serienschaltung der beiden treibenden Spannungen ist die
Klemmenspannung UB der Badstromquelle 22 geringer
als die Zellspannung UZ, da sie annähernd auf
den Betrag der EMK reduziert ist.
-
Die
Unterseite 7 des Gutes 1 wird von einem Lichtquelle 34 beleuchtet.
Geeignete Lichtquellen bieten ein Lichtspektrum, das annähernd dem
Sonnenlicht entspricht. Gewünschtenfalls
kann das Licht mittels eines Reflektors 33 verstärkt und/oder
auf das Gut 1 ausgerichtet werden. Durch die Beleuchtung generiert
die Solarzelle eine EMK von ungefähr 0,6 Volt mit kleinem Innenwiderstand.
Dieser Widerstand einer Solarzelle aus Silizium mit einer Oberfläche von 1
bis 2 dm2 kann den Galvanisierstrom in der
Größenordnung
von 1 Ampere und größer sicher
führen. Die
Lichtquelle 34 kann sich auch außerhalb eines zumindest teilweise
transparenten Behandlungsraumes befinden.
-
Der
Elektrolyt kann beispielsweise durch einen Verteilerring 32 symmetrisch
in den Behandlungsraum 3 eingespeist werden. Hierdurch
wird ein Abblenden des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtes vermieden.
-
Die
Erfindung eignet sich neben sämtlichen üblichen
nasschemischen Behandlungen insbesondere für alle typischen elektrolytischen
Anlagen sowie für
alle ebenen Güter
wie Wafer, Solarzellen, Leiterplatten und Hybride. Darüber hinaus
können
alle zum elektrolytischen Abscheiden und Auflösen geeigneten Metalle Anwendung
finden, wie zum Beispiel Kupfer, Nickel, Zinn und Silber. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
ist auch für
ein elektrolytisches Ätzen
mit umgekehrter Polarität
der Badstromquelle geeignet. Hierzu ist innerhalb des Behandlungsraumes 3 eine
Gegenelektrode angeordnet, die das geätzte Metall aufnimmt. Diese
Elektrode wird nach längerer
Betriebszeit ausgetauscht.
-
- 1
- Gut,
Wafer, Solarzelle
- 2
- Auflage,
Kontakt
- 3
- Behandlungsraum
- 4
- Strömungspfeil
- 5
- Pumpe
- 6
- Einlassrohr
- 7
- Unterseite
des Gutes
- 8
- Überhang
- 9
- vertikale
Mittenachse
- 10
- Rand
des Gutes
- 11
- rotationssymmetrisches
Mittel, symmetrierendes Mittel
- 12
- Spalt
- 13
- Überlaufkante
- 14
- Auffangbehälter
- 15
- Spalthöhe
- 16
- Auflagenträger, Kontaktträger
- 17
- Behälterwand
- 18
- Einschnitte
- 19
- Kantendicke
- 20
- Verteilerrohr
- 21
- Anode
- 22
- Badstromquelle
- 23
- Kante
des Gutes
- 24
- Elektrolyt,
Behandlungsflüssigkeit
- 25
- Elektrolyt/Luft-Grenze
- 26
- Gasstrom,
Luftstrom
- 27
- Öffnung,
Düse
- 28
- Gasverteiler,
Gasverteilerrohr
- 29
- Ventil
- 30
- Kontaktmetallisierung
- 31
- Metallring
- 32
- Elektrolytverteiler,
Verteilerring
- 33
- Reflektor
- 34
- Lichtquelle
- 35
- Gleichstromquelle
- 36
- elektrischer
Oberseitenkontakt
- 37
- elektrolytische
Zelle
- 38
- Oberseite
des Gutes
- US
- Solarzellenspannung
- UB
- Klemmenspannung
- UZ
- Zellspannung