(57)【要約】【課題】  被加工物の被加工面の平坦化加工を高い加工速度を維持して実施する。【解決手段】  表面加工方法は、処理水中で光触媒活性を有する薄膜を被加工物の被加工面に対向配置し、薄膜に光を照射して薄膜上で酸化力を有する活性種を生成し、活性種と被加工面の原子とを化学反応させ、被加工面を溶出可能な化合物へと変化させて除去することにより、被加工面を平坦化する。表面加工方法は、温度Ｔ（Ｋ）、大気圧下における水への酸素の溶解度をモル分率χで表すと、モル分率χと温度Ｔ（Ｋ）とは、ｌｎχ＝−６６．７４＋｛８７．４８／（Ｔ／１００）｝＋２４．４５・ｌｎ（Ｔ／１００）の関係を有し、温度Ｔ（Ｋ）における処理水中の溶存酸素量Ｄ（ｍｇ／Ｌ）がＤ≧３．５５５×１０５χとなる条件で化学反応を行うようにした。【選択図】図１
2011120989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理水中で光触媒活性を有する薄膜を被加工物の被加工面に対向配置し、前記薄膜に光を照射して前記薄膜上で酸化力を有する活性種を生成し、前記活性種と前記被加工面の原子とを化学反応させ、前記被加工面を溶出可能な化合物へと変化させて除去することにより、前記被加工面を平坦化する表面加工方法において、
温度Ｔ（Ｋ）、大気圧下における水への酸素の溶解度をモル分率χで表すと、該モル分率χと温度Ｔ（Ｋ）とは、ｌｎχ＝−６６．７４＋｛８７．４８／（Ｔ／１００）｝＋２４．４５・ｌｎ（Ｔ／１００）の関係を有し、
温度Ｔ（Ｋ）における前記処理水中の溶存酸素量Ｄ（ｍｇ／Ｌ）が、
Ｄ≧３．５５５×１０５χ
となる条件で前記化学反応を行うようにしたことを特徴とする表面加工方法。
【請求項２】
処理水中で光触媒活性を有する薄膜を被加工物の被加工面に対向配置し、前記薄膜に光を照射して前記薄膜上で酸化力を有する活性種を生成し、前記活性種と前記被加工面の原子とを化学反応させ、前記被加工面を溶出可能な化合物へと変化させて除去することにより、前記被加工面を平坦化する表面加工方法において、
前記処理水に酸素ガスを供給し、前記処理水の溶存酸素量を高めて前記化学反応を行うようにしたことを特徴とする表面加工方法。
【請求項３】
前記処理水の温度Ｔ（Ｋ）が、２７３以上３４８以下の範囲にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物の被加工面を平坦化する表面加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に半導体ウエハ等の研磨対象物の表面を機械的に平坦化するには、研磨対象物と研磨部材との双方を回転させた状態で、研磨対象物の被研磨面に研磨部材を押し付けることで行われる。このような機械的加工方法では、機械的研磨により被研磨面の結晶格子に欠陥が生じる加工変性層を発生させてしまう。このため、加工変性層の無い高精度な被研磨面表面を作製するには、格子欠陥を生じさせることの無い化学的加工方法を用いる必要がある。
【０００３】
化学的加工方法としては、目的とする研磨対象物を腐食溶解させる性質を有する液体の薬品を使ったエッチング方法がある。このエッチング方法は、純粋な化学プロセスであるので、上記機械的加工方法に比べてエッチングされる研磨対象物に与える欠陥が少なく加工変性層が発生し難い。このため、上記液体の薬品を使ったエッチング方法は、高精度な被研磨面表面を得やすい。しかしながら、研磨対象物の被研磨面を等方的にエッチングするので、原理的に被研磨面表面の平坦度を改善することが困難である。
【０００４】
一方、機械的加工方法と化学的加工方法の両方の特徴を持つ化学的機械的研磨法(Chemical Mechanical Polishing;ＣＭＰ)がある。ＣＭＰは、砥粒内包研磨パッド（以下、研磨パッド）と被研磨物である結晶材料との双方を回転させた状態で、研磨液（スラリ）を研磨パッドの表面に供給して液体成分による化学的研磨と研磨粒子による機械的研磨との相乗効果によって結晶材料の表面に比較的平坦度の高い研磨加工を行う（特許文献１）。ここで、スラリとは、細かい粉末である研磨粒子を例えばアルカリ水溶液などの液体中に含む濃厚な懸濁液のことである。しかしながら、研磨粒子による機械的研磨を有するので、結晶材料の表面に対して研磨痕などの研磨変性層（ダメージ層）を完全に取り除くことが困難である。
【０００５】
また、酸化剤を含む処理液中に被加工物を配し、酸化剤を分解する固体触媒を被加工物に接触、若しくは極接近させ、触媒上で生成した強力な酸化力を持つ活性種と被加工物の表面原子との化学反応で生成した化合物を除去、あるいは溶出させることによって被加工物を加工する触媒支援型化学加工方法が提案されている（特許文献２）。
【０００６】
上記触媒支援型化学加工方法は、加工基準面となる固体触媒表面で処理液中の酸化剤を分解して化学反応に用いる活性種を生成するので、生成した活性種が固体触媒の表面上若しくは表面近傍にのみ存在し、結果として、固体触媒の表面の平坦度が被加工面に転写されることとなる。上記触媒支援型化学加工方法は、被加工面を化学的に加工するので、高精度な被加工面を得ることが可能である。
【０００７】
また、被研磨材料の被研磨面の表面積よりも研磨パッドの研磨面を小さくすることで、光触媒作用を有する研磨粒子を含む研磨剤を被研磨面に直接供給することを可能とした研磨装置が提案されている（特許文献３）。この研磨装置は、被研磨面に直接供給された研磨剤及び被研磨面に対して直接光を照射することで光のエネルギを吸収して光触媒として作用するようになった研磨粒子を、光触媒作用が失われる前に速やかに被研磨面のうち研磨面と対向する領域へ送り込み、光触媒作用及び光化学反応を利用して被研磨面を酸化するようにしている。ここで、光化学反応とは、光エネルギを吸収した物質の物理的、化学的性質が変化する反応のことである。しかしながら、このような光触媒作用及び光化学反
応を利用する研磨装置であっても、研磨粒子による機械的研磨を有するので、被研磨材料の表面に対して研磨変性層を完全に取り除くことが困難である。
【０００８】
また、電界質溶液中で加工対象物の表面に光触媒を近接させて配置し、該光触媒に、そのバンドギャップ以上の量子エネルギを持った光を照射して、光触媒の表面で電解質溶液中から反応性ラジカルを発生させ、該反応性ラジカルと加工対象物とを化学反応させ、反応生成物として除去する光触媒を用いた微細加工方法が提案されている（特許文献４）。
【０００９】
上記光触媒を用いた微細加工方法では、電解質溶液、例えば過酸化水素水中において、光触媒作用により電子と正孔とが分離され、該光触媒表面で酸化還元反応が行われる。すなわち、正孔は酸化反応して反応性ラジカルを生成し、電子は還元反応して水素イオンを還元することで化学反応が行われる。これにより、上記光触媒を用いた微細加工方法は、被加工対象物の表面を化学的に加工するので、研磨変性層のない被加工対象物の表面を得ることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−６８３９０号公報
【特許文献２】特開２００８−１３６９８３号公報
【特許文献３】特開２００６−２２４２５２号公報
【特許文献４】特開２００２−３３４８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記光触媒を用いた加工方法では、研磨型加工方法に比べて加工速度が遅いという課題があった。例えば処理液として水を用いた場合、電子が処理液中に溶解している溶存酸素を還元することで化学反応が行われる。このため、化学反応が進むにつれて溶存酸素が消費されて少なくなり、最終的に酸化還元反応が低減ないし停止してしまい、化学反応も停止してしまう場合があった。このため、加工速度が極めて遅くなってしまっていた。
【００１２】
本発明の目的は、被加工物の被加工面の平坦化加工を高い加工速度を維持して実施することが可能な表面加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様によれば、
処理水中で光触媒活性を有する薄膜を被加工物の被加工面に対向配置し、前記薄膜に光を照射して前記薄膜上で酸化力を有する活性種を生成し、前記活性種と前記被加工面の原子とを化学反応させ、前記被加工面を溶出可能な化合物へと変化させて除去することにより、前記被加工面を平坦化する表面加工方法において、
温度Ｔ（Ｋ）、大気圧下における水への酸素の溶解度をモル分率χで表すと、該モル分率χと温度Ｔ（Ｋ）とは、ｌｎχ＝−６６．７４＋｛８７．４８／（Ｔ／１００）｝＋２４．４５・ｌｎ（Ｔ／１００）の関係を有し、
温度Ｔ（Ｋ）における前記処理水中の溶存酸素量Ｄ（ｍｇ／Ｌ）が、
Ｄ≧３．５５５×１０５χ
となる条件で前記化学反応を行うようにした表面加工方法が提供される。
【００１４】
本発明の他の態様によれば、
処理水中で光触媒活性を有する薄膜を被加工物の被加工面に対向配置し、前記薄膜に光を照射して前記薄膜上で酸化力を有する活性種を生成し、前記活性種と前記被加工面の原
子とを化学反応させ、前記被加工面を溶出可能な化合物へと変化させて除去することにより、前記被加工面を平坦化する表面加工方法において、
前記処理水に酸素ガスを供給し、前記処理水の溶存酸素量を高めて前記化学反応を行うようにした表面加工方法が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、被加工物の被加工面の平坦化加工を高い加工速度を維持して実施することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る表面加工方法の概要図である。
【図２】本発明の一実施形態の表面加工方法における光触媒反応の酸化・還元過程の説明図である。
【図３】本発明の一実施例に係る表面加工方法の概要図である。
【図４】本発明の他の実施例に係る表面加工方法の概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
まず、本発明の一実施形態の概要を、図１を用いて説明する。
【００１８】
（装置構成）
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る表面加工方法を実施する表面加工装置は、処理水１を収容する容器２と、容器２内の処理水１を撹拌するスターラ（撹拌子）３と、処理水１中で、支持基板９の表面に形成された薄膜（光触媒薄膜）４を被加工物５の被加工面５ａに対向配置する配置手段（図示せず）と、薄膜４に紫外線（図中、ＵＶと表示）等の光を照射する光照射手段（図示せず）と、処理水１中に酸素ガス６を供給する酸素ガス供給手段７と、を主に備えている。
【００１９】
容器２は、例えばガラス製容器である。処理水１中にある、薄膜４の表面４ａと被加工物５の被加工面５ａとの間には、処理水層８が形成される。配置手段は、容器２内の処理水１中で薄膜４を被加工物５の被加工面５ａに接触させて対向配置可能、又は１μｍ以内に近接させて対向配置可能である。光照射手段は、図示しない高圧水銀灯等の光源からの光を支持基板９を透過させて薄膜４に照射可能である。なお、光照射手段で用いる光は、薄膜４を構成している光触媒のバンドギャップエネルギ以上のエネルギを有する。酸素ガス供給手段７は、例えばガス配管７ｂによりボンベ７ａからの酸素ガス６を容器２内の処理水１内にバブリングして供給する。
【００２０】
（処理水）
処理水１は、溶存酸素量の高い水（Ｈ２Ｏ）である。この処理水１中に空気などの酸素を含むガスを送り込むことにより、より好ましくは酸素ガスを送り込むことにより溶存酸素量を高くすることができる。本実施形態では、酸素ガス供給手段７により、処理水１中に酸素ガス６をバブリングして溶存酸素量を高くしている。なお、過酸化水素水やオゾン水等の酸化剤を供給することにより処理水１中の溶存酸素量を高めてもよい。また、酸化され易い物質（犠牲剤）を処理水１中に添加してもよい。処理水１は、スターラ３により撹拌され、酸素が容器２内の処理水１全体に行き渡るようにするのが望ましい。なお、処理水層８へ処理水１が流れるようにノズル等を設置してもよい。また、被加工物５に微小な震動（例えば超音波振動）を与えて、処理水層８に処理水１が流れ込み易くしてもよい。
【００２１】
（薄膜）
薄膜４は、例えばガラス基板等の透明な支持基板９上に形成されている。薄膜４を構成
する光触媒としては、例えば酸化チタン（ＴｉＯ２）が用いられる。酸化チタンのバンドギャップエネルギは３．０ｅＶであって、４２０ｎｍ以下の波長の光に対して光触媒作用を発揮する。従って、光触媒として酸化チタンを用いる場合、薄膜４に照射する光としては、２００ｎｍ以上４２０ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の波長を有する光を用いることが有効である。
【００２２】
なお、光触媒としては、酸化チタン（ＴｉＯ２）の他に、タンタル酸カリウム（ＫＴａＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、酸化ジルコ二ア（ＺｒＯ２）、酸化ニオブ（ＮｂＯ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化タングステン（ＷＯ３）、及び酸化錫（ＳｎＯ２）等の酸化物を用いることができる。また、これらの酸化物に不純物をドープした光触媒、例えば、窒素（Ｎ）をドープした窒素ドープド光触媒（例えば、ＮドープドＴｉＯ２）を用いてもよい。
【００２３】
薄膜４の膜厚は、活性種の生成量を増加させ、被加工物５の表面加工を十分な速度で実施できるのに充分な光を吸収可能な厚さである１５０ｎｍ以上に、より好ましくは２００ｎｍ以上とする。さらに、支持基板９の裏面側から薄膜４側に向けて照射されて薄膜４に到達する光の量に応じて生成される活性種の量が被加工物５の加工に十分な量となるように、薄膜４の膜厚は１μｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
また、薄膜４は、例えばスパッタリング法によってＴｉＯ２薄膜が成膜されている。なお、薄膜４を形成する方法としては、スパッタリング法の他に蒸着法、分子線エピタキシ法、ＣＶＤ法等を用いてもよい。
【００２５】
（支持基板）
支持基板９は、薄膜４に照射する紫外線等の光を透過可能な材料により形成され、例えばガラス基板、石英基板、合成樹脂基板等である。なお、合成樹脂基板は、被加工物５の被加工面５ａに要求される平坦度以上の平坦性の表面を有する。
【００２６】
（被加工物）
被加工物５は、例えばパワー素子、発光素子等の電子デバイスに用いられる半導体材料、酸化物材料等の結晶材料からなる基板である。被加工物５は、具体的には、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、サファイヤ、ルビー、ダイヤモンド等の難加工性の結晶材料からなる基板である。本実施形態では、被加工物５として後述するようにＳｉＣ、又はＧａＮの基板を用いている。
【００２７】
上記のように構成されている表面加工装置を用いて、本実施形態の表面加工方法が実施される。
【００２８】
（活性種による加工原理）
まず、図２を参照して薄膜４の表面及び近傍において、処理水１から活性種が生成される原理を説明する。図２は、本発明の一実施形態の表面加工方法における光触媒反応の酸化・還元過程の概要を示す。ここでは、光触媒として酸化チタン（ＴｉＯ２）を用いた場合を挙げて説明する。まず、バンドギャップエネルギ以上（波長４２０ｎｍ以下）の光をＴｉＯ２に照射すると、価電子帯に存在する電子（ｅ−）が伝導帯に励起されて正孔（ｈ＋）が価電子帯に生成されると共に、伝導帯に励起電子（ｅ−）が生じることで、正孔−電子対が生成される。
【００２９】
正孔（ｈ＋）は、下記式（１）及び式（２）に示す反応に従って、水（Ｈ２Ｏ）の電離によって生成した水酸化物イオン（ＯＨ−）から電子（ｅ−）を引き抜き、水酸化ラジカル（ヒドロキシルラジカル（・ＯＨ））を生成する。
Ｈ２Ｏ→Ｈ＋＋ＯＨ−              …（式１）
ｈ＋＋ＯＨ−→・ＯＨ            …（式２）
【００３０】
式（２）において生成されたヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）は、非常に酸化力が強く、ＳｉＣやＧａＮ、ダイヤモンド等の化学的に安定な材料をも酸化し、これら難加工性の材料を加工することが可能となる。
【００３１】
一方、励起された電子（ｅ−）は、酸化され易い物質（犠牲剤）が処理水１中に添加されていない限り、下記に示す式（３）に従って、処理水１中に溶解している溶存酸素へ移動して酸素を還元する。
Ｏ２＋ｅ−→Ｏ２−            …（式３）
【００３２】
ここで、化学反応が進むにつれて処理水１中の溶存酸素が消費され、溶存酸素量が減少していくと、最終的に励起電子（ｅ−）の受け入れ先が無くなってしまい、還元反応が停止してしまう。この状態では、正孔−電子対の生成も停止して加工の動力源であるヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）による酸化反応も停止するため加工が進行しない。
【００３３】
加工速度を向上させるためには、充分な酸化力を持つヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）による酸化反応側を改善するよりも、エネルギ的に不利な還元反応側、すなわち励起電子による酸素分子への１電子還元反応の促進を改善することが効果的である。
【００３４】
そこで、本実施形態では、励起電子による酸素分子への１電子還元反応を促進するために、酸素ガス６を処理水１中にバブリングするようにしている。すなわち、溶存酸素が電子アクセプタの役割を担い、反応の駆動力となり、還元反応が促進され、加工速度が高く保持される。
【００３５】
バブリングする酸素の量は、温度Ｔ（Ｋ）、大気圧下における水への酸素の飽和量以上が望ましく、より詳しくは温度Ｔ（Ｋ）、大気圧下における水への酸素の溶解度をモル分率χと表した場合、処理水１中に溶存酸素量Ｄ（ｍｇ／Ｌ）が式（４）を満たすような条件に設定する。
Ｄ≧３．５５５×１０５χ            …（式４）
【００３６】
ここで、上記温度Ｔ（Ｋ）におけるモル分率χは、次式（５）で表わされる。
ｌｎχ＝−６６．７４＋｛８７．４８／（Ｔ／１００）｝＋２４．４５・ｌｎ（Ｔ／１００）    …（式５）
【００３７】
なお、式（４）の具体的な意味は、処理水１中の溶存酸素量Ｄ（ｍｇ／Ｌ）を
温度Ｔ（Ｋ）、大気圧下における水への酸素の飽和溶存酸素量Ｄ０以上にするということである。以下に、大気圧下における水への酸素の飽和溶存酸素量Ｄ０がＤ０＝３．５５５×１０５χとなる導出過程を説明する。
任意の体積Ｖ（ｍｌ）中の水のモル数は、Ｖ（ｍｌ）／（水の分子量）でありＶ（ｍｌ）／１８である。温度Ｔ（Ｋ）においてこの水中に存在する酸素のモル数Ｍは、モル分率χ（式５）を用いると、Ｍ＝χＶ／１８となる。
大気圧下における水への酸素の飽和溶存酸素量Ｄ０は、Ｄ０＝（酸素のモル数Ｍ）×（酸素の分子量）×（大気圧中の酸素の分圧）である。大気圧中における窒素と酸素の割合は窒素：酸素＝４：１であるので大気中の酸素の分圧は０．２ａｔｍである。従って、大気圧下における水への酸素の飽和溶存酸素量Ｄ０は、Ｄ０＝Ｍ×３２×０．２（ｇ）である。この式に酸素のモル数Ｍ＝χＶ／１８を代入すると、Ｄ０＝χＶ／１８×３２×０．２×１０３（ｍｇ）となる。
ここで、水１Ｌに対しての飽和溶存酸素量Ｄ０は、Ｖに１０００ｍｌを代入し、Ｄ０＝
χ／１８×３２×０．２×１０６（ｍｇ／Ｌ）である。従って、Ｄ０＝３．５５５×１０５χ（ｍｇ／Ｌ）となる。
【００３８】
なお、バブリング以外、気体の液体に対する溶解度は、気体の圧力（分圧）が高いほど大きくなるので、処理水１面に接する雰囲気を一旦減圧状態にして溶存ガスを脱離させてから、上記雰囲気中に、例えば酸素ガスを導入し大気圧よりも高い加圧状態にして処理水１を温度Ｔ、大気圧下における水への酸素の飽和量以上として、処理水１中の溶存酸素量を高めるようにしてもよい。具体的には、容器２を密閉容器として、大気圧よりも高く加圧し酸素の分圧を高めることにより、処理水１中の溶存酸素量を高める。
【００３９】
また、気体の液体に対する溶解度は、液体の温度Ｔ（Ｋ）が高いほど小さくなるので温度Ｔ（Ｋ）が低いほど好ましいが、一方、化学反応は温度Ｔ（Ｋ）が高いほど好ましい。このため、本実施形態では、温度Ｔ（Ｋ）を２７３Ｋ（０℃）以上３４８Ｋ（７５℃）以下の範囲としている。
【００４０】
（表面加工過程）
次に、図１を参照して本実施形態による表面加工方法を説明する。薄膜４として酸化チタン（ＴｉＯ２）を用い、被加工物５の表面加工過程を説明する。
【００４１】
まず、予め被加工物５の被加工面５ａを例えばフッ化水素溶液（ＨＦ溶液とも呼ぶ）により洗浄した後、配置手段によって容器２内で薄膜４の表面４ａを被加工物５の被加工面５ａに接触させて対向配置、又は近接させて対向配置させる。そして、容器２内に処理水１を注いで薄膜４の表面４ａと被加工物５の被加工面５ａとを処理水１中に浸漬する。これにより、毛細管現象により、薄膜４の表面４ａと被加工物５の被加工面５ａとの間に処理水層８（ラジカル輸送層とも呼ぶ）が形成される。なお、近接させて対向配置させる場合、薄膜４の表面４ａと被加工物５の被加工面５ａとの距離は、処理水１から生成される活性種の処理水１中における拡散距離以内である。例えば、水の場合、生成する活性種はヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）であり、この拡散距離は１μｍ以下程度である。このため、本実施形態では、薄膜４を被加工物５の被加工面５ａに近接させて対向配置させる場合、薄膜４と被加工物５の被加工面５ａとの距離を１μｍ以下としている。
【００４２】
次に、処理水１に酸素ガス６を供給する。具体的には、酸素ガス供給手段７のガス配管７ｂによりボンベ７ａからの酸素ガス６を容器２内の処理水１内にバブリングして供給する。これにより、表面加工処理する前に予め処理水１の溶存酸素量を高めておくことができる。同時にスターラ３を駆動させ、容器２内の処理水１を撹拌させる。これにより、容器２内の処理水１が撹拌されて溶存酸素の多い処理水１が容器２内に行き渡り、薄膜４の表面４ａと被加工物５の被加工面５ａとの間に常に溶存酸素量が多い処理水１による処理水層８が形成される。なお、酸素ガス６の供給及びスターラ３の撹拌は、表面加工処理が終了するまで行う。
【００４３】
そして、光照射手段により４２０ｎｍ以下の紫外線を、支持基板９を介して薄膜４に照射する。薄膜４に光が照射されると、上記説明した活性種の生成原理により活性種としてヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）が生成される。生成されたヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）は、薄膜４の表面４ａに付着し、処理水層８中をヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）が被加工物５の被加工面５ａに向かって拡散していく。そして、被加工面５ａに到達したヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）は、被加工面５ａの原子と化学反応することにより、被加工面５ａを溶出可能な化合物へと変化させる。そして、最終的に被加工面５ａに酸化膜が生成される。ヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）が到達し易い、薄膜４の表面４ａから被加工物５の被加工面５ａまでの距離が近い部分から（例えば、被加工面５ａに凹凸が存在する場合、凸部の先端部分から）、順次加工される。
【００４４】
ここで、薄膜４の光触媒作用により、薄膜４の表面４ａで励起された電子は、処理水１中に溶解している溶存酸素へ移動して酸素を還元する。そして、化学反応が進むにつれて処理水１中の溶存酸素が消費される。本実施形態では、酸素ガス供給手段７による処理水１への酸素ガス６の供給により、温度Ｔ（Ｋ）における処理水１中の溶存酸素量Ｄ（ｍｇ／Ｌ）が、Ｄ≧３．５５５×１０５χを満足するように処理水１の溶存酸素量を高めて化学反応を促進している。これにより、化学反応が進むにつれて処理水１中の溶存酸素が消費されても、処理水１中の溶存酸素量を３．５５５×１０５χ以上に維持することができる。従って、薄膜４の表面４ａの励起電子による溶存酸素の還元反応が進行すると共に、光触媒作用による正孔−電子対の生成も進行する。その結果、ヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）による被加工物５の加工速度を高く保つことができる。
【００４５】
次に、被加工物５を容器２内から取り出し、被加工面５ａに生成された酸化膜を所定の溶液により処理することで除去する。例えば、被加工物５がＳｉＣである場合、被加工面５ａに生成される酸化膜はＳｉＯ２である。このＳｉＯ２をフッ化水素水で処理してＳｉＯ２を被加工面５ａから除去する。また、被加工物５がＧａＮである場合、被加工面５ａに生成される酸化膜はＧａ２Ｏ３である。このＧａ２Ｏ３を硫酸で処理してＧａ２Ｏ３を被加工面５ａから除去する。上記工程を順次繰り返すことにより、被加工物５の被加工面５ａを高精度な平坦面にすることができる。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例について説明する。
（実施例１）
実施例１においては、図１に示す表面加工装置を用いて、被加工物５としてのＳｉＣ基板の加工を行った。支持基板９としては石英基板を用い、石英基板上に薄膜４として高周波マグネトロンスパッタ法によりＴｉＯ２薄膜を作製した。具体的には、ＳｉＣ基板は単結晶であり、直径５０ｍｍ、［１１−２０］方向に８度傾斜した（０００１）Ｓｉ面のｎ型４Ｈ−ＳｉＣを用いた。当該ＳｉＣ基板の抵抗率は０．０１７Ωｃｍであった。なお、｛０００１｝面のＳｉＣ単結晶基板には極性があり、一方は最表面がＳｉ原子からなるＳｉ面であり、他方は最表面がＣ原子（炭素原子）からなるＣ（炭素）面である。実施例１では、Ｓｉ面を被加工面５ａとした。また、実施例１では、加工前の被加工面５ａ（Ｓｉ面）は、機械的な鏡面研磨を施した後、ＣＭＰ（機械的化学的研磨）処理を施した面である。なお、被加工面５ａをＣ面とした場合、Ｓｉ面の場合とは、加工速度が多少異なるが、加工が進行する機構はＳｉ面の場合と同様である。
【００４７】
実施例１に係る表面加工方法は、具体的には以下の通りである。まず、２５％ＨＦ水溶液でＳｉＣ基板の表面を洗浄した。次に、ＴｉＯ２薄膜が表面に成膜された石英基板とＳｉＣ基板とを、容器２内でＴｉＯ２薄膜の表面とＳｉＣ基板の被加工面とを接触させて配置させた。そして、容器２内に処理水１として水を注いでＴｉＯ２薄膜の表面とＳｉＣ基板の被加工面とを水中に浸漬し、水中でＴｉＯ２薄膜の表面とＳｉＣ基板の被加工面とを接触させた。これにより、毛細管現象により、ＴｉＯ２薄膜の表面とＳｉＣ基板の被加工面との間に処理水層８が形成された。
【００４８】
次に、酸素ガス供給手段７のガス配管７ｂによりボンベ７ａからの酸素ガス６を容器２内の水中にバブリングして供給した。バブリングする酸素ガス６は、９０ｍｌ／ｍｉｎの流量で導入した。同時にスターラ３を駆動させ、容器２内の水を撹拌させた。このとき、水中の溶存酸素量Ｄは３２．２６ｍｇ／Ｌであり、水温は２９７Ｋ（２４℃）であった。従って、水の溶存酸素量Ｄは、上記式（４）及び（５）の条件を満たしている。なお、酸素ガス６の供給及びスターラ３の撹拌は、表面加工処理が終了するまで行った。
【００４９】
そして、光照射手段として高圧水銀灯を用い、紫外線照度８ｍＷ／ｃｍ２に調整して紫外線を、支持基板９を介してＴｉＯ２薄膜に照射した。これにより、光触媒反応による表面加工処理が開始された。光触媒反応による表面加工処理時間は、２時間に設定した。
【００５０】
光触媒反応による表面加工処理後、ＳｉＣ基板の被加工面に形成された酸化膜を２５％ＨＦ水溶液で除去した。そして、加工後の被加工面を原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope：ＡＦＭ）により観察した。その結果、加工前のＳｉＣ基板の被加工面の表面粗
さＲｍａｘ（ＪＩＳ−Ｂ−０６０１−１９８２に規定した最大高さ）が４４．４９ｎｍであったところ、加工後のＳｉＣ基板の被加工面の表面粗さＲｍａｘは、１３．１０ｎｍであった。ここで、酸素ガス６を供給せずに水中の溶存酸素量を７．８５ｍｇ／Ｌ、すなわち式（４）及び（５）を満たしていない条件において表面加工処理を行った場合、加工後のＳｉＣ基板の表面粗さＲｍａｘは３６．３２ｎｍであった。これにより、酸素ガス６を積極的に供給することで、酸素ガス６を供給していない場合に比べて加工速度が約４倍に改善されたことが分かる。なお、表面粗さＲｍａｘは被加工面の面内の最高点と最低点との差を表しており、反応時間を一定とした場合に最高点の減少度合いが分かるため加工速度を比較する指標として利用できる。このように実施例１に係る表面加工方法によれば、式（４）及び（５）を満たす条件で酸素ガス６を供給することで、加工速度を改善することができる。その結果、実施例１に係る表面加工方法によれば、ＳｉＣ基板の被加工面を容易に高精度な平坦面にすることができる。
【００５１】
また、本実施例では、還元反応過程を改善することにより従来よりも加工時間を短縮することができ、さらには砥粒や研磨剤を用いずに加工変質層のない高精度な被加工面を作製することができる。また、一般的な研磨方法であるＣＭＰ法による研磨加工において、最もコストがかかるのは、スラリに含まれる研磨粒子であり、さらに使用済みのスラリには産業廃棄物としての処理が求められるので、廃棄に無視できない費用がかかることに加え、環境保護の観点からも好ましくなかった。本実施形態では、研磨剤が不要であるので、スラリを廃棄する必要がなく、コストを低減させると共に、環境保護の観点からも非常に有効である。
【００５２】
（実施例２）
図３は、実施例２に係る表面加工方法の概要を示す。
【００５３】
実施例２では、処理水１を加熱している点が実施例１と異なる。それ以外の構成は、実施例１と同様である。
【００５４】
すなわち、図３に示すように、実施例２の表面加工装置は、処理水１を加熱する加熱部２０を備えている。加熱部２０は、処理水１を加熱するヒータ部２０ａと、ヒータ部２０ａに供給する電力を供給制御するヒータ電源部２０ｂを備えている。ヒータ電源部２０ｂは、処理水１が設定温度となるように制御可能である。
【００５５】
実施例２に係わる表面加工方法は、実施例１と同様に水中でＴｉＯ２薄膜の表面とＳｉＣ基板の被加工面とを接触させて配置させた後、酸素ガス６を容器２内の水中に９０ｍｌ／ｍｉｎの流量でバブリングしながら供給すると共に、容器２内の水を撹拌させた。そして、ヒータ電源部２０ｂによりヒータ部２０ａに電力を供給して、容器２内の水を加熱し、水及びＴｉＯ２薄膜を３４８Ｋ（７５℃）まで加熱した。このとき、水中の溶存酸素量は６．４２ｍｇ／Ｌであった。従って、水中の溶存酸素量は、式（４）及び（５）の条件を満たしている。なお、加熱は、表面加工処理が終了するまで行った。
【００５６】
その結果、加工前のＳｉＣ基板の被加工面の表面粗さＲｍａｘが４４．４９ｎｍであったところ、加工後の被加工面の表面粗さＲｍａｘは、４０．９５ｎｍであった。ここで、
酸素ガス６を供給せずに溶存酸素量を４．９７ｍｇ／Ｌ、すなわち式（４）及び（５）を満たしていない条件において表面加工処理を行った場合、加工後のＳｉＣ基板の表面粗さＲｍａｘは４１．７７ｎｍであった。これにより、酸素ガス６を積極的に供給することで、酸素ガス６を供給していない場合に比べて約１．３倍に加工速度が改善されたことが分かる。実施例１と実施例２を比較考量すると、水温が高過ぎると酸素ガス６を導入することによる加工速度の改善度合いが低下してくることが分かる。これは水温が高くなるにつれて酸素ガス６の溶解度が低下することに起因している。従って、加熱する場合は３４８Ｋ（７５℃）以下に設定することで、加工速度の改善効果が得られることが分かる。
（実施例３）
図４は、実施例３に係る表面加工方法の概要を示す。
【００５７】
実施例３では、処理水１を冷却している点が実施例１と異なる。それ以外の構成は実施例１と同様である。
【００５８】
すなわち、図４に示すように、実施例３の表面加工装置は、処理水１を冷却する水浴部３０を備えている。水浴部３０は、容器２を収納可能な容器３０ａを備えている。水浴部３０は、例えば容器３０ａ内に氷３０ｂを入れた氷水で満たされており、容器２の外周部を水浴部３０が覆った状態となっている。
【００５９】
実施例３に係わる表面加工方法は、水浴部３０の容器３０ａ内に容器２を収納した後、実施例１と同様に水中でＴｉＯ２薄膜の表面とＳｉＣ基板の被加工面とを接触させて配置させた後、酸素ガス６を容器２内の水に９０ｍｌ／ｍｉｎの流量でバブリングしながら供給すると共に、容器２内の水を撹拌させた。そして、水浴部３０により容器２内の水を冷却し、水及びＴｉＯ２薄膜を２７３Ｋ（０℃）まで冷却した。このとき、水中の溶存酸素量は３５．４３ｍｇ／Ｌであった。従って、水の溶存酸素量は、式（４）及び（５）の条件を満たしている。なお、冷却は、表面加工処理が終了するまで行った。
【００６０】
その結果、加工前のＳｉＣ基板の被加工面の表面粗さＲｍａｘが３８．１５ｎｍであったところ、加工後の被加工面の表面粗さＲｍａｘは、２０．５３ｎｍであった。ここで、酸素ガス６を供給せずに水中の溶存酸素量を４．９７ｍｇ／Ｌ、すなわち式（４）及び（５）を満たしていない条件において表面加工処理を行った場合、加工後のＳｉＣ基板の表面粗さＲｍａｘは２４．１２ｎｍであった。これにより、酸素ガス６を積極的に供給することで、酸素ガス６を供給していない場合に比べて加工速度が約１．２倍に改善されたことが分かる。実施例１と実施例３を比較考量すると、冷却された処理水１の温度が低過ぎると酸素ガス６を導入することによる加工速度の改善度合いが低下してくることが分かる。これは水温が低くなるにつれて酸素ガス６を供給することによる加工速度の改善度合いが低下してくることが分かる。これは水温が低くなるにつれて反応速度が低下することに起因している。従って、冷却する場合は２７３Ｋ（０℃）以上に設定することで、加工速度の改善効果が得られることがわかる。
【００６１】
上記実施例１〜実施例３の結果により、本実施形態の表面加工方法は、処理水１の温度Ｔを２７３Ｋ（０℃）以上３４８Ｋ（７５℃）以下の範囲にすると、被加工物５の被加工面５ａに対して加工速度のより大きな改善効果が得られることが分かった。
【符号の説明】
【００６２】
１  処理水
４  薄膜（光触媒薄膜）
５  被加工物
５ａ  被加工面
６  酸素ガス
【図１】
2011120989.tif 000003
【図２】
2011120989.tif 000004
【図３】
2011120989.tif 000005
【図４】
2011120989.tif 000006