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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Metallverdrahtungsherstellungsprozesse
für Einrichtungen
der nächsten
Generation und bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren und ein
Vorrichtung zum Erzeugen einer Metallablagerung innerhalb kleiner
Hohlräume, die
in einem Substrat hergestellt werden.
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Beschreibung
der verwandten Technik
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Bei
herkömmlichen
integrierten Halbleiterschaltungen werden Elemente, wie beispielsweise Transistoren,
Widerstände
und Kondensatoren, durch Aluminiumverdrahtung verbunden. Die Aluminiumverdrahtung
wird hergestellt durch bilden eines Aluminiumfilms auf einem Substrat
durch Sputter-Prozesse,
durch Bilden eines Fotolackfilms auf dem Aluminiumfilm, durch Drucken
von Verdrahtungsmustern auf dem Fotolackfilm und durch Ätzen des
Aluminiumfilms, um Verdrahtungsleitungen zu hinterlassen. Eine ansteigende
Integrationsdichte erfordert feinere Verbindungsleitungen, aber
es gab einige Probleme, die durch die Eigenschaften des Aluminiummaterials
selbst hervorgerufen wurden. Jedoch ist das Ätzverfahren manchmal nicht
anwendbar zum Bilden von Verdrahtungsmustern unter Verwendung anderer
Metalle, und eine unterschiedliche Vorgehensweise ist notwendig.
Ein Ersatzverfahren für
solche Fälle
besteht darin, Nuten und Löcher
für Verdrahtungszwecke
auf dem Substrat herzustellen und die Hohlräume mit Metallen zu füllen unter
Verwendung von Verfahren wie chemischer Dampfabscheidung (CVD),
Sputtern oder Plattieren bzw. Metallisieren, und dann wird die unnötige Oberflächenschicht
entfernt unter Verwendung wie beispielsweise chemischmechanischem
Polieren (CMP).
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Plattieren
bzw. Metallisieren ist weit verbreitet als eine Technik zur Bildung
von Metallfilmen bzw. -überzügen und
besitzt viele günstige
Eigenschaften. 7 zeigt eine einfache Plattiervorrichtung.
Ein Plattierkammer 1 hält
eine Plattierlösung 9,
und eine Anoden-Elektrode 4, welche ein Substrat W hält, liegt einer
Kathoden-Elektrode 3 gegenüber. Eine Rührvorrichtung 11 ist
vorgesehen zum Rühren
der Plattierlösung 9 während des
Plattierverfahrens. Eine Vorbehandlung für das Plattieren umfasst das
Waschen oder Ätzen
des Substrats. Plattieren ist vorteilhaft wegen seiner relativ niedrigen
Kosten und eine Material mit hoher Reinheit kann erzeugt werden
unter Verwendung eines Prozesses bei niedriger Temperatur, welcher
keine nachteilige thermische Verschlechterung bei dem plattierten
Produkt hervorruft.
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Da
es jedoch schwierig ist, die Plattierlösung in kleine bzw. feine,
auf dem Wafer hergestellte Hohlräume
einzubringen, ist die derzeitige Plattiertechnik kaum in der Lage,
tiefe Hohlräume
mit einem hohen Längenverhältnis erfolgreich
mit Metallen zu füllen. Selbst
wenn das Substrat in die Plattierlösung getaucht wird, sind die
Hohlräume
mit restlicher Luft gefüllt,
und wie in 6 gezeigt ist, ist eine vollständige Infiltration
bzw. ein vollständiges
Eindringen nicht möglich,
und Fehlstellen werden in dem abgeschiedenen Metalle erzeugt. Es
wird erwogen, dass die Benetzbarkeit des Substratmaterials und die
Oberflächenspannung
der Plattierlösung
einen großen
Einfluss auf das Eindringverhalten besitzen und die Schwierigkeiten
mit abnehmender Breite der Hohlräume
ansteigen.
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US-A-5,403,621
offenbart ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats mit einem
ausgewählten
Material, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Anordnen des Substrats
in einer Beschichtungskammer und Kontaktieren des Substrats mit
einer Mischung eines ausgewählten
Beschichtungsmaterials in einem ausgewählten Gas mit dichter Phase
bei einer ausgewählten
Temperatur und einem Druck gleich oder über dem kritischen Druck des Gases
mit dichter Phase für
eine Zeitperiode, die ausreichend ist, um eine vollständiges Eindringen der
Mischung in alle Oberflächen
des Substrats zu gestatten. Dann wird die Phase des Gases mit dichter
Phase verschoben, um eine Auslösung
bzw. Abscheidung des gewählten
Materials aus dem Gas mit dichter Phase zu erzeugen und um dadurch
die Beschichtung des gewählten
Materials auf dem Substrat zu bilden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Erzeugen einer einwandfreien Metallabscheidung innerhalb feiner bzw.
kleiner Hohlräume,
die auf einem Substrat wie beispielsweise einem Halbleiterwafer
hergestellt sind, um beispielsweise einen Verdrahtung einer integrierten
Schaltungseinrichtung herzustellen, und zwar durch einen Plattiervorbehandlungsprozess zum
gleichmäßigen Füllen der
feinen Hohlräume
mit Plattierlösung.
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Das
Ziel wurde erreicht bei einem Verfahren zum Erzeugen einer Metallabscheidung
innerhalb feiner Hohlräume,
die auf einem Substrat hergestellt sind, wobei das Verfahren die
Schritte gemäß Anspruch
1 oder 8 umfasst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
vorliegende Erfindung verwendet die Eigenschaften einer Substanz
in einem superkritischen Zustand. 3 ist ein
Schaubild, das eine Kurve für den
gesättigten
Dampfdruck von Wasser zeigt mit Phasenänderungen von Dampf in Flüssigkeit
und umgekehrt. Wie in 4 gezeigt ist, sei beispielsweise
angenommen, dass Wasser von 1 kg Masse innerhalb eines Zylinders
angeordnet wird und erwärmt wird,
wobei ein solches System dann verschiedene Stadien bzw. Zustände durchläuft, wie
beispielsweise eine flüssige
Phase, einen Koexistenzzustand von flüssiger und Dampfphase, und
eine Dampfphase, und zwar abhängig
von Temperatur und Druck. Die Phasenbeziehung in einem solchen System
kann hinsichtlich Druck und spezifischem Volumen beschrieben werden
in einem Schaubild, das in 5 gezeigt
ist. Oberhalb eines bestimmten Drucks kann das System keinen Koexistenzzustand
von Dampf- und flüssiger
Phase besitzen, sondern wird zu einer homogenen, einzigen Phase,
die sich ohne Verdampfung ändert.
Der Punkt, bei dem ein solches Phänomen eintritt, wird „ein kritischer
Punkt" genannt und
oberhalb des kritischen Punkts von Druck und Temperatur ist das
System in „einem
superkritischen Zustand",
und nahe des kritischen Punkts ist das System in „einem
subkritischen Zustand".
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Eine
Flüssigkeit
vermindert ihre Oberflächenspannung,
wenn die Temperatur ansteigt, und am kritischen Punkt wird die Oberflächenspannung null
und das System wird zu einer homogenen einzigen Phase ohne Trennung
oder Unterteilung in flüssige
oder Dampfphasen. Wenn eine Flüssigkeit
unter einem Druck, welcher höher
ist als der kritische Druck, erwärmt
wird, während
der Druck aufrecht erhalten wird, ändert sich auch die Flüssigkeit
in Dampf ohne einen Verdampfungsprozess, welcher ein Koexistenzzustand
von flüssiger
und Dampfphase ist. Umgekehrt kann dieser superkritische Dampf ohne Kondensationsprozess
verflüssigt
werden, wenn ein Dampf, welcher über
den kritischen Punkt hinaus erwärmt
und unter Druck gesetzt wurde, anschließend bei superkritischem Druck
abgekühlt
wird.
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Wenn
eine Plattierlösung
oder Wasser (ein Lösungsmittel
der Plattierlösung)
einem Druck oberhalb 22 MPa (226 kfg/cm2)
und einer Temperatur über
374°C (647
K) tritt sie bzw. es in den kritischen oder superkritischen Zustand
ein. Unter diesen Bedingungen treten Stickstoff und Sauerstoff,
die Hauptbestandteile von Luft, in den superkritischen Zustand ein,
so dass das System innerhalb der Kammer eine homogene einzige Phase
von Wasser und Luft wird. Wenn ein Substrat mit feinen Oberflächenhohlräumen in
einen solchen superkritischen Zustand eingebracht wird, wird die
in den Hohlräumen verbleibende
Luft in die Umgebung diffundiert und die Hohlräume werden im Wesentlichen
mit Wasser in einem superkritischen Zustand gefüllt. Durch Absenken der Kammertemperatur
auf Raumtemperatur unter Beibehaltung des superkritischen Drucks
und durch anschließendes
Absenken des Innendrucks auf Normaldruck wird das Behandlungsmedium
innerhalb der Kammer in eine flüssige
Phase von Wasser oder Plattierlösung
umgewandelt, ohne die Verdampfungsstufe zu durchlaufen, so dass
die Hohlräume
mit Wasser oder Plattierlösung
gefüllt
werden können,
ohne von Oberflächenspannungseffekten oder
Blasenbildung betroffen zu sein oder beeinträchtigt zu werden. Das Behandlungsmedium
ist vorzugsweise ausgewählt
aus Wasser oder Plattierlösung,
die in einem nachfolgenden Plattierprozess verwendet werden soll.
Ein solches Medium ist für alle
nachfolgenden Herstellungsschritte harmlos. In dem Zustand der hohen
Temperatur und des hohen Drucks bilden Wasser, Sauerstoff und Stickstoff
eine einzige flüssige
Phase, so dass die Hohlräume
mit dem flüssigen
Medium gefüllt
werden können,
ohne von Oberflächenspannung
oder Blasenbildung betroffen zu sein oder beeinträchtigt zu
werden. Das Behandlungsmedium ist vorzugsweise eine Substanz, deren
kritischer Druck oder kritische Temperatur niedriger ist als der
kritische Druck oder die kritische Temperatur von Wasser. Entsprechend
können Hohlräume mit
einer flüssigen
Substanz unter einer einfachen Bedingung gefüllt werden, das heißt bei einer
Temperatur und einem Druck, die niedriger sind als die kritische
Temperatur von Wasser, das später durch
die Plattierlösung
ersetzt werden kann, daher sind die Kriterien zur Auswahl eines
Mediums derart, dass es leicht durch eine Plattierlösung ersetzt
werden kann und keine schädlichen
Wirkungen beim Plattierprozess besitzt.
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Das
Behandlungsmedium kann Alkohol sein. Entsprechend können Hohlräume mit
dem flüssigen Alkohol
bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck gefüllt werden, wobei der flüssige Alkohol durch
Plattierlösung
ersetzt wird lediglich durch Eintauchen des vorbehandelten Substrats
in die Plattierlösung,
um mit dem Plattierprozess fortzufahren.
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Die
Kammer wird vorzugsweise evakuiert vor dem Füllen mit dem Behandlungsmedium.
Entsprechend können
nicht-kondensierbare bzw. nicht-verdichtbare
Gase wie beispielsweise Luft, die an den Hohlräumen anhaftet, entfernt werden,
bevor das Substrat dem Plattiervorbehandlungsprozess ausgesetzt
wird, und daher kann ein Behandlungsmedium, wie beispielsweise Wasser
oder Plattierlösung,
gründlicher
und schneller in die Hohlräume
gefüllt
werden.
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Das
Behandlungsmedium kann an die Kammer in einem flüssigen Zustand oder in einem
Dampfzustand geliefert werden. Diese Variationen sehen eine erwünschte Flexibilität für das Verfahren
vor. Der Innenraum der Kammer kann einer Druckänderung ausgesetzt werden während eines
Vorgangs der Einführung
des Behandlungsmediums in einer Dampfphase. Entsprechend können nicht-kondensierbare bzw.
nicht-verdichtbare Gase, die an den Hohlräumen anhaften, entfernt werden,
bevor das Substrat einem Plattiervorbehandlungsprozess ausgesetzt wird,
und daher kann erreicht werden, dass Wasser oder eine Plattierlösung die
Hohlräume
gründlicher und
schneller füllt
ohne Blasenbildung.
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Wie
oben erklärt
wurde, basiert das vorliegende Verfahren auf Eigenschaften einer
Substanz in einem superkritischen Zustand um zu ermöglichen,
dass die feinen Hohlräume
mit Plattierlösung gefüllt werden.
Ein solches Verfahren ermöglicht, Substrate
vorzubereiten, die ordnungsgemäß vorbereitet
sind für
fehlerfreies Plattieren. Daher wird das Plattierergebnis verbessert,
um effizient Halbleitersubstrate mit hoher Qualität ohne unkontrollierte
lokale Fehler zu produzieren, wodurch eine Technologie vorgesehen
wird, die geeignet ist für
hochintegrierte Schaltungen, die in Zukunft erwartet werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN:
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Plattiervorbehandlungsprozesses
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
des Plattiervorbehandlungsprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
ein Schaubild, das eine Kurve des gesättigten Dampfdrucks von Wasser
zeigt;
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4 zeigt
Phasenänderungen
von Wasser, die in einem Zylinder auftreten;
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5 ist
ein Phasendiagramm von Wasser;
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6 ist
eine Darstellung einer verbleibenden Blase innerhalb eines Hohlraums;
und
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7 ist
eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Plattiervorrichtung.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Plattiervorbehandlungsvorrichtung,
die im Wesentlichen aus Folgendem besteht: einer Verarbeitungskammer 53,
die eine hermetisch abdichtbare Kammer ist; einem Flüssigkeitslieferrohr
(Plattiervorbehandlungsmedium-Lieferrohr) 55;
einem Gasauslassrohr 57; und einem Flüssigkeitsauslassrohr 58,
die jeweils mit der Verarbeitungskammer 53 verbunden sind.
Ein Druckmesser 7 und ein Druckschalter 8 sind
an der Verarbeitungskammer 53 befestigt, und eine Verarbeitungstemperatursteuereinrichtung 78 und ein
Halter 2 zum Halten eines Substrats W sind innerhalb der
Kammer 53 aufgenommen.
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Das
Flüssigkeitslieferrohr 55 ist
mit einem Speichertank 76, einer Pumpe 74, einem
Einstellventil 71, einem Rückschlagventil 75,
einer Temperatureinstellvorrichtung 77 und einem Temperatursensor 6 versehen
und wird verwendet zum Einführen
der Flüssigkeit
unter Druck in die Verarbeitungskammer 53. Das Gasauslassrohr 57 besitzt
ein Abschaltventil 23 und ein Überdruckventil 36 und
ist in der Lage, Gas sicher aus der Verarbeitungskammer 53 abzuziehen
bzw. auszustoßen.
Das Flüssigkeitsauslassrohr 58 besitzt
ein Abschaltventil 24 und ein Einstellventil 72 und
besorgt das Ablassen der Flüssigkeit aus
der Verarbeitungskammer 53 unter kontrolliertem Druck.
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Das
Verfahren zur Plattiervorbehandlung unter Verwendung der oben dargestellten
Vorrichtung ist wie folgt. Ein Substrat W mit feinen Hohlräumen 62,
wie es in 6 gezeigt ist, wird innerhalb
der Verarbeitungskammer 53 angeordnet, und die Flüssigkeit
wird durch das Flüssigkeitslieferrohr 55 in
die Verarbeitungskammer 53 eingeführt, während gleichzeitig Luft aus
der Verarbeitungskammer 53 durch das Gasauslassrohr 57 entfernt
wird. Nachdem die Verarbeitungskammer 53 mit der Flüssigkeit
gefüllt ist,
wird das Abschaltventil 23 des Gasauslassrohrs 57 geschlossen
und unter Verwendung der Pumpe 74 des Flüssigkeitslieferrohrs 55 wird
die Verarbeitungskammer 53 unter Druck gesetzt auf einen
Druck oberhalb des kritischen Drucks von 22 MPa (226 kgf/cm2). An diesem Punkt wird die Temperatur der Flüssigkeit
in der Verarbeitungskammer 53 erhöht unter Verwendung der Verarbeitungstemperatursteuereinrichtung 78,
und zwar auf eine Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur
von 374°C
(647 K). Der Druckanstieg begleitet von dem Temperaturanstieg in
der Flüssigkeit
wird eingestellt durch Entfernen von überschüssiger Flüssigkeit durch das Einstellventil 72 des
Flüssigkeitsauslassrohrs 58.
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Durch
diese Vorgehensweise wird die Kammer 53 in einem superkritischen
Zustand gehalten, und die Flüssigkeit
und eine kleine Menge von Restluft in der Verarbeitungskammer 53 bilden
nun eine gleichförmige
einzige Phase, und die feinen Hohlräume 62 werden mit
einem Strömungsmittel
bzw. Fluid gefüllt,
das hauptsächlich
aus dem flüssigen
Medium besteht. Nachfolgend wird die Temperatur der Verarbeitungskammer 53 unter
Verwendung der Verarbeitungstemperatursteuereinrichtung 78 gesenkt,
und gleichzeitig wird Flüssigkeit
aus dem Flüssigkeitslieferrohr 55 eingeführt, um
den Druck innerhalb der Kammer 53 anzupassen bzw. einzustellen, so
dass die Flüssigkeit
in der Kammer in den normalen Zustand bei Raumtemperatur und normalem Druck
zurückgebracht
wird ohne eine Verdampfungsstufe. Bei dieser Vorgehensweise ist
es möglich,
die in dem Substrat W gebildeten Hohlräume 62 mit dem Plattiervorbehandungsmedium
zu füllen.
Nachdem die feinen Hohlräume
mit der Flüssigkeit
gefüllt
sind, wird das Substrat in die Plattierlösung eingetaucht, um die Flüssigkeit
durch Plattierlösung
zu ersetzen, um den Plattiervorgang durchzuführen.
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2 ist
eine schematische Darstellung einer weiteren Plattiervorbehandlungsvorrichtung,
und obwohl diese Vorrichtung im Wesentlichen die gleiche ist wie
die in 1 gezeigte Vorrichtung, ist sie doch unterschiedlich
in einem Aspekt, nämlich,
dass diese Vorrichtung konstruiert ist zum Einführen von Hochtemperaturdampf
als Plattiervorbehandlungsmedium in die Kammer 53, um eine
superkritische Umgebung zu schaffen. In diesem Fall weist die Verarbeitungskammer 53 als
eine hermetische Kammer folgendes auf: Ein Dampflieferrohr (Plattiervorbehandlungsmediumlieferrohr) 91,
ein Gasauslassrohr 57 und ein Flüssigkeitauslassrohr 58,
die jeweils mit der Verarbeitungskammer 53 verbunden sind.
Ein Druckmesser 7 und ein Druckschalter 8 sind
an der Kammer 53 befestigt, und ein Substrathalter 2 und eine
Verarbeitungstemperatursteuereinrichtung 78 sind innerhalb
der Kammer 53 aufgenommen.
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Das
Dampflieferrohr 91 besitzt eine Pumpe 74, einen
Boiler 79, ein Abschaltventil 31, ein Einstellventil 71 und
eine Temperatureinstellvorrichtung 80 und führt Dampf
mit hoher Temperatur und hohem Druck sowie Dampf in superkritischem
Zustand in die Kammer 53 ein. Entsprechend ist es möglich, den
Innenraum der Kammer 53 in einen superkritischen Zustand
umzuwandeln anhand der Dampfphase und die Substanz in der Kammer 53 auf
normale Temperatur und normalen Druck zurückzubringen, ohne die Flüssigkeit
innerhalb der Kammer verdampfen zu müssen, wie es der Fall ist bei
der in 1 gezeigten Vorrichtung.
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Obwohl
bei den oben angegebenen Ausführungsbeispielen
das Plattiervorbehandlungsmedium in seinem superkritischen Zustand
verwendet wird, ist es auch möglich,
das Medium in seinem subkritischen Zustand zu verwenden. Auch wurden
Wasser oder Plattierlösung
in diesen Fällen
verwendet, aber ein anderes Medium, wie beispielsweise Alkohol, kann
auch verwendet werden. Durch Verwendung von Alkohol als Plattiervorbehandlungsmedium
können
eine niedrigere Temperatur und ein niedrigerer Druck verwendet werden,
um den superkritischen Zustand zu erreichen. Nach dem Füllen der
feinen Hohlräume
mit Alkohol wird das Substrat auch in der gleichen oder in einer anderen
Kammer eingetaucht, um das Plattiervorbehandlungsmedium durch Plattierlösung zu
ersetzen, um den Plattiervorgang durchzuführen.
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Auch
wurde in den obigen Ausführungsbeispielen
nur ein Substrat behandelt, aber es ist zweckmäßig, mehr als ein Substrat
gleichzeitig zu verarbeiten hinsichtlich Energieeinsparung und Produktivität. In einem
solchen Fall können
die Substrate in einer Kassette angeordnet werden, die mehrere Substrate halten
kann und die in die Flüssigkeit
eingetaucht werden kann, was auch die Übertragung von Substraten aus
der Plattiervorbehandlungskammer in die Plattierkammer erleichtert.
Auch ist es möglich,
die Behandlung in einen kontinuierlichen Prozess einzubauen, so
dass die Kammer so konstruiert ist, dass sie sowohl als Plattiervorbehandlungskammer
als auch als Plattierkammer verwendet werden kann.