(57)【要約】      （修正有）【課題】ＳｉＣ，ＧａＮ，ダイヤモンドなどの難加工材料に対し、高能率、かつ、高精度な除去加工方法を提供する。【解決手段】被加工物Ｘの表面の少なくとも一部に、機械的作用によって加工変質層ｘ３を形成する変質化工程と、加工変質層ｘ３の少なくとも一部の表面にプラズマを化学的に作用させ、プラズマによって生成される中性ラジカルを加工変質層表面原子や分子と化学反応させることにより加工変質層ｘ３の少なくとも一部を除去する除去工程とを含む。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物の表面の少なくとも一部に、機械的作用によって加工変質層を形成する変質化工程と、前記加工変質層の少なくとも一部の表面にプラズマを化学的に作用させ、前記加工変質層の少なくとも一部を除去する除去工程とを含むことを特徴とする加工方法。
【請求項２】
前記変質化工程と前記除去工程とを同じ加工エリア内で行うようにしたことを特徴とする請求項１記載の加工方法。
【請求項３】
前記加工変質層の全部を、前記除去工程によって除去するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の加工方法。
【請求項４】
前記除去工程により前記加工変質層を除去する際の除去レートを、前記変質化工程により前記被加工物の変質化が進行する際の変質化進行レートよりも大きくしたことを特徴とする請求項１〜３何れか１項記載の加工方法。
【請求項５】
前記変質化工程と前記除去工程とを略同時に進行し、略同時に終了するようにしたことを特徴とする請求項４記載の加工方法。
【請求項６】
前記除去工程では、前記加工変質層の少なくとも一部の表面との間にプラズマ発生用空間を有するようにしてプラズマ発生用の電極を配置し、前記プラズマ発生用空間にプラズマ発生用ガスを供給するとともに、前記電極と前記被加工物との間に高周波電圧を印加することを特徴とする請求項１〜５何れか１項記載の加工方法。
【請求項７】
前記変質化工程中に、前記被加工物の被加工面に化学機械研磨用のスラリーを付するようにしたことを特徴とする請求項１〜６何れか１項記載の加工方法。
【請求項８】
被加工物を保持する被加工物保持部と、この被加工物保持部に保持される前記被加工物の表面の少なくとも一部に、機械的作用によって加工変質層を形成する機械加工部と、前記加工変質層の少なくとも一部の表面との間にプラズマ発生用空間を置くようにして設けられるプラズマ発生用の電極と具備したことを特徴とする請求項１〜７何れか１項記載の加工方法を用いる複合加工装置。
【請求項９】
前記電極は、前記プラズマ発生用空間へプラズマ発生用ガスを供給するガス供給手段を具備するとともに、前記機械加工部内に設けられていることを特徴とする請求項８記載の複合加工装置。
【請求項１０】
前記被加工物の被加工面へ向けて化学機械研磨用のスラリーを吐出するスラリー吐出部を設け、前記機械加工部による前記変質化工程中に、前記スラリー吐出部からスラリーを吐出するようにしたことを特徴とする請求項８又は９記載の複合加工装置。
【請求項１１】
前記機械加工部に前記スラリー吐出部を設けるとともに、このスラリー吐出部の吐出口を前記機械加工部における前記被加工物との接触面に配置したことを特徴とする請求項１０記載の複合加工装置。
【請求項１２】
前記機械加工部に、スラリーを吸引するスラリー吸引部を設けるとともに、このスラリー吸引部の吸引口を、前記機械加工部における前記被加工物との接触面に配置したことを特徴とする請求項１０又は１１記載の複合加工装置。
【請求項１３】
前記機械加工部における被加工物との接触面の中央寄りに、前記スラリー吐出部を配置するとともに、その周囲に、複数の前記スラリー吸引部を配置したことを特徴とする請求項１２記載の複合加工装置。
【請求項１４】
前記電極は、後方側から供給されるプラズマ発生用ガスを先端開口から放出する筒状のガス供給手段を構成するとともに、その周壁に高周波電圧が印加され、
前記スラリー吸引部は、筒状の前記電極の周りに、先端側からスラリーを吸引する吸引空間を有することを特徴とする請求項１２又は１３記載の複合加工装置。
【請求項１５】
前記電極の内部を前記プラズマ発生用ガスによって正圧に保持しながら、前記吸引空間を負圧に保持するようにしたことを特徴とする請求項１４記載の複合加工装置。
【請求項１６】
前記機械加工部が、前記被加工物保持部に保持される被加工物の被加工面に対し接触しながら移動するようにしたことを特徴とする請求項８〜１５何れか１項記載の複合加工装置。
【請求項１７】
前記移動が前記機械加工部の公転であることを特徴とする請求項１６記載の複合加工装置。
【請求項１８】
前記被加工物保持部が、保持した被加工物を前記機械加工部に接触させながら移動するようにしたことを特徴とする請求項８〜１７何れか１項記載の複合加工装置。
【請求項１９】
前記移動が前記被加工物保持部の自転であることを特徴とする請求項１８記載の複合加工装置。
【請求項２０】
請求項１〜１９何れか１項記載の加工方法又は複合加工装置によって加工された加工物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、難加工物等の被加工物にプラズマを照射しながら加工を行う加工方法及び該方法を用いる複合加工装置並びに該方法又は該装置により加工された加工物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、パワーデバイスなどに適用される材料（ＳｉＣや、ＧａＮ、ダイヤモンドなど）は、高強度、高硬度、高耐熱性といった付加価値の高い材料であるのと同時に、難加工材料としても知られている。このような難加工材料に対し、表面に損傷を与えることなく、無歪で高精度に除去加工を行える加工方法には、プラズマＣＶＭ（Plasma Chemical Vaporization Machining）法というラジカル反応を利用した加工方法がある。
プラズマＣＶＭでは、プラズマによって高密度に生成された中性ラジカルを被加工物表面に作用させ、被加工物表面の構成原子や分子と、中性ラジカルとの化学的な反応により化合物を生成し、それを気化させて被加工物を除去加工する。プラズマＣＶＭの基本原理は、例えば特許文献１に記載されている。
ところで、前記基本原理によるプラズマ加工装置では、平坦化に要する加工時間が極めて長くなる傾向があり、例えば、Ｓｉウェハを機械的に研磨するのに比べ、百倍〜数千倍の加工時間を要する。
【０００３】
そこで、例えば特許文献２に記載される加工方法では、大気圧プラズマによって生成した反応性の高い酸化種を難加工材料（１）の表面に作用させて、難加工材料（１）に表面改質層を形成した後に、前記大気圧プラズマによる前記表面改質層を、難加工材料（１）に対してスクラッチや加工変質層を導入せず且つ難加工材料よりも前記表面改質層に対する除去レートが高い研磨機構によって、選択的に除去するようにしている。
【０００４】
しかしながら、後者の従来技術では、プラズマ加工によって形成した表面改質層を、加工プロセスの最後に、研磨加工によって除去するようにしているため、その研磨加工時の機械的エネルギーにより、実際には被加工物の表面にスクラッチや加工変質層が生じてしまい、これらが残存してしまうおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２５２１１２７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１７６２４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とする処は、高能率且つ高精度な除去加工を可能にする加工方法及び該方法を用いる複合加工装置並びに該方法又は該装置により加工された加工物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための一手段である加工方法は、被加工物の表面の少なくとも一部に、機械的作用によって加工変質層を形成する変質化工程と、この加工変質層の少なくとも一部の表面にプラズマを化学的に作用させ、前記加工変質層の少なくとも一部を除去する除去工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、以上説明したように構成されているので、高能率且つ高精度な除去加工が可能であり、高品質な加工物を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る複合加工装置の一例を示す側面図であり、要部を切欠し断面で示している。
【図２】同複合加工装置の要部拡大断面図である。
【図３】被加工物保持部の下面図である。
【図４】機械加工部、電極、スラリー吐出部およびスラリー吸引部等の平面図である。
【図５】本発明に係る加工方法の一例を、（ａ）〜（ｄ）に順次に示す模式図である。
【図６】本発明に係る加工方法と従来の加工方法によりＳｉＣ基板を加工した比較実験について、その結果を示す表である。
【図７】本発明に係る加工方法と従来の加工方法によりＳｉＣ基板を加工した比較実験について、経過時間と表面粗さの関係を示すグラフである。
【図８】本発明に係る加工方法と従来の加工方法によりＧａＮ基板を加工した比較実験について、その結果を示す表である。
【図９】本発明に係る加工方法と従来の加工方法によりＧａＮ基板を加工した比較実験について、経過時間と表面粗さの関係を示すグラフである。
【図１０】本発明に係る加工方法と従来の加工方法によりＤｉａｍｏｎｄ基板を加工した比較実験について、その結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本実施の形態の加工方法は、第１の特徴として、被加工物の表面の少なくとも一部に、機械的作用によって加工変質層を形成する変質化工程と、前記加工変質層の少なくとも一部の表面にプラズマを化学的に作用させ、前記加工変質層の少なくとも一部を除去する除去工程とを含む。
これらの構成によれば、機械的作用によって形成される加工変質層が、プラズマを用いた化学的作用によって除去される。よって、高能率且つ高精度な除去加工が可能であり、高品質な加工物を得ることができる。
なお、前記「機械的作用」とは、被加工物の表面に、例えば加工パッドや研磨工具等の加工具を摺接させること等の機械的な作用を意味し、この「機械的作用」には、機械加工（研磨加工や、研削加工、切削加工等を含む）や、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：化学機械研磨）等による作用を含む。
また、前記「加工変質層」とは、前記機械的作用によって材質的に変化した表面層を意味し、この「加工変質層」には、前記機械的作用によって形成される疑似ラジカル場や超微小欠陥腫等を含む。
また、前記変質化工程には、被加工物の一部を除去加工することなく該被加工物に前記加工変質層を形成する場合と、被加工物の一部を除去加工するとともに該被加工物に前記加工変質層を形成する場合との双方を含む。
また、前記「プラズマを化学的に作用させ」とは、プラズマによって生成される中性ラジカルを被加工物表面に作用させ、前記中性ラジカルと被加工物表面の構成原子や分子とを化学的に反応させることを意味し、前記反応の結果として、加工変質層表面原子を揮発性物質へ変換する作用や、揮発によるドライエッチング等の作用を奏する。
【００１１】
第２の特徴としては、加工スペース等の縮小化のために、前記変質化工程と前記除去工程とを同じ加工エリア内で行うようにした。
ここで、前記「加工エリア」とは、前記変質化工程及び前記除去工程が行われる一定の面積を有する場所である。
【００１２】
第３の特徴としては、より高品質な加工物を得るために、前記加工変質層の全部を、前記除去工程によって除去するようにした。
【００１３】
第４の特徴としては、より高品質な加工物を得るために、前記除去工程により前記加工変質層を除去する際の除去レートを、前記変質化工程により前記被加工物の変質化が進行する際の変質化進行レートよりも大きくした。
ここで、前記「除去レート」とは、前記除去工程でのプラズマの化学的作用により被加工物の除去が進行する速度を意味する。
また、前記「変質化進行レート」とは、前記変質化工程での機械的作用により被加工物の変質化が進行する速度を意味する。
前記除去レートを前記変質化進行レートよりも大きくする具体的手段としては、例えば、プラズマ発生のための高周波電圧を適宜に調整したり、その他のプラズマ発生条件を適宜に設定したり等すればよく、また、必要に応じて、機械的作用を加える工具（加工パッドや砥粒等）の材質、機械的作用を加える条件（例えば、加工時の押圧力や加工パッド等の移動速度）を適宜に選定する。
【００１４】
第５の特徴としては、より加工効率を向上するために、前記変質化工程と前記除去工程とを略同時に進行し、略同時に終了するようにした。
【００１５】
第６の特徴としては、より生産性の良好な具体的態様を得るために、前記除去工程では、前記加工変質層の少なくとも一部の表面との間にプラズマ発生用空間を有するようにしてプラズマ発生用の電極を配置し、前記プラズマ発生用空間にプラズマ発生用ガスを供給するとともに、前記電極と前記被加工物との間に高周波電圧を印加する。
【００１６】
第７の特徴としては、より高精度に加工するために、前記変質化工程中に、前記被加工物の被加工面に化学機械研磨用のスラリーを付するようにした。
ここで、前記「スラリーを付する」という構成には、前記被加工面にスラリーを流したり吹付けたりする態様や、前記被加工面にスラリーを塗布した態様等を含む。
【００１７】
第８の特徴としては、被加工物を保持する被加工物保持部と、この被加工物保持部に保持される前記被加工物の表面の少なくとも一部に、機械的作用によって加工変質層を形成する機械加工部と、前記加工変質層の少なくとも一部の表面との間にプラズマ発生用空間を置くようにして設けられるプラズマ発生用の電極とを具備して、前記加工方法を用いる複合加工装置を構成した。
ここで、前記プラズマ発生用ガスは、当該複合加工装置以外の装置に具備されるガス供給手段によって供給するようにしてもよいが、好ましくは、当該複合加工装置に、前記プラズマ発生用空間に供給するようにガス供給手段を設ける。
また、前記高周波電圧は、当該複合加工装置以外の電源装置により印加するようにしてもよいが、好ましくは、当該複合加工装置に、被加工物と前記電極とに高周波電圧を印加するように電源装置を設ける。
前記構成によれば、前記機械加工部によって被加工物の表面に形成される加工変質層を、前記電極を用いたプラズマ発生により除去することができる。よって、高能率且つ高精度な除去加工が可能であり、高品質な加工物を得ることができる。
なお、前記「電極」には、前記加工変質層の表面に対し点状（円状及び円環状を含む）に向かい合う態様や、前記加工変質層の表面に対し略平行な線状（直線状及び曲線状を含む）に向かい合う態様等を含む。
また、前記「電極」には、単数設けられた態様と、複数設けられた態様とを含む。後者とした場合、複数の前記電極を任意に配置した態様とすることが可能であるが、特に好ましくは、複数の前記電極を縦横に所定間隔を置いた略格子状に配置した態様や、複数の前記電極を渦巻き状に配置した態様、複数の前記電極を放射状に配置した態様等とする。
【００１８】
第９の特徴として、加工スペースの縮小化や当該複合加工装置の小型化等のために、前記電極は、前記プラズマ発生用空間へプラズマ発生用ガスを供給するガス供給手段を具備するとともに、前記機械加工部内に設けられている。
ここで、前記ガス供給手段は、前記電極とは別体のガス供給管を前記電極と一体的に設けた態様としてもよいが、好ましくは、前記電極を管状に形成するとともに、この管状の電極の後方側から供給されるプラズマ発生用ガスを前端開口部から放出する態様とする。
また、前記ガス供給手段には、前記機械加工部に対向する位置から前記プラズマ発生用空間へプラズマ発生用ガスを放出する態様や、前記機械加工部側から前記プラズマ発生用空間へプラズマ発生用ガスを放出する態様等を含む。
また、前記「電極」には、前記加工変質層の表面に対し垂直にプラズマ発生用ガスを放出する態様や、前記加工変質層の表面に対し斜めにプラズマ発生用ガスを放出する態様等を含む。
【００１９】
第１０の特徴としては、より高能率且つ高精度に加工するために、前記被加工物の被加工面へ向けて化学機械研磨用のスラリーを吐出するスラリー吐出部を設け、前記機械加工部による前記変質化工程中に、前記スラリー吐出部からスラリーを吐出するようにした。
【００２０】
第１１の特徴としては、加工スペースの縮小化や当該複合加工装置の小型化等のために、前記機械加工部に前記スラリー吐出部を設けるとともに、このスラリー吐出部の吐出口を前記機械加工部における前記被加工物との接触面に配置した。
【００２１】
第１２の特徴としては、より生産性を向上するために、前記機械加工部に、スラリーを吸引するスラリー吸引部を設けるとともに、このスラリー吸引部の吸引口を、前記機械加工部における前記被加工物との接触面に配置した。
【００２２】
第１３の特徴としては、被加工物にスラリーを効率よく付着するとともに回収するために、前記機械加工部における被加工物との接触面の中央寄りに、前記スラリー吐出部を配置するとともに、その周囲に、複数の前記スラリー吸引部を配置した。
【００２３】
第１４の特徴として、加工スペースの縮小化や当該複合加工装置の小型化等のために、前記電極は、後方側から供給されるプラズマ発生用ガスを先端開口から放出する筒状のガス供給手段を構成するとともに、その周壁に高周波電圧が印加され、前記スラリー吸引部は、筒状の前記電極の周りに、先端側からスラリーを吸引する吸引空間を有する。
【００２４】
第１５の特徴としては、スラリーが電極内へ侵入するのを防ぐために、前記電極の内部を前記プラズマ発生用ガスによって正圧に保持しながら、前記吸引空間を負圧に保持するようにした。
【００２５】
第１６の特徴としては、より高能率に加工するために、前記機械加工部が、前記被加工物保持部に保持される被加工物の被加工面に対し接触しながら移動するようにした。
ここで、前記「移動」には、公転や、自転、直線移動、円弧移動、曲線移動等を含む。
【００２６】
第１７の特徴としては、被加工物を全体的に高能率に加工するために、前記移動を前記機械加工部の公転とする。
【００２７】
第１８の特徴としては、より高能率に加工するために、前記被加工物保持部が、保持した被加工物を前記機械加工部に接触させながら移動するようにした。
ここで、前記「移動」には、公転や、自転、直線移動、円弧移動、曲線移動等を含む。
【００２８】
第１９の特徴としては、より高能率に加工するために、前記移動を前記被加工物保持部の自転とする。
【００２９】
第２０の特徴としては、前述した何れかの特徴を有する加工方法又は複合加工装置によって加工された加工物を構成する。
この特徴を有する加工物は、加工変質層が除去された高品質な加工物であり、例えば、パワーデバイス用の材料等として有用である。
【００３０】
なお、後述する実施例では、上記特徴の一部を含まずに、以下の構成要件のみを必須とした独立した発明も開示している。
すなわち、この独立した発明は、被加工物を保持する被加工物保持部と、この被加工物保持部に保持される前記被加工物の表面の少なくとも一部に、機械的作用によって加工変質層を形成する機械加工部と、前記加工変質層の少なくとも一部の表面との間にプラズマ発生用空間を置くようにして設けられるプラズマ発生用の電極とを具備し、複合加工装置を構成する。
ここで、プラズマを発生させるためのガスは、当該複合加工装置以外の装置に具備されるガス供給手段によって供給するようにしてもよいが、好ましくは、当該複合加工装置に、前記プラズマ発生用空間に供給するようにガス供給手段を設ける。
また、プラズマを発生させるための高周波電圧は、当該複合加工装置以外の電源装置により印加するようにしてもよいが、好ましくは、当該複合加工装置に、被加工物と前記電極とに高周波電圧を印加するように電源装置を設ける。
前記独立した発明によれば、前記機械加工部によって被加工物の表面に形成される加工変質層を、前記電極を用いたプラズマ発生により除去することができる。よって、高能率且つ高精度な除去加工が可能であり、高品質な加工物を得ることができる。
なお、前記独立した発明の複合加工装置には、本明細書中に記載される単数もしくは複数の構成を適宜に加えることが可能である。
【実施例】
【００３１】
次に、上記特徴を有する好ましい実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。
【００３２】
この複合加工装置１は、図１に示すように、被加工物Ｘを保持する被加工物保持部１０と、この被加工物保持部１０に保持される被加工物Ｘの被加工面ｘ１に機械的作用により加工変質層ｘ３（図５参照）を形成する機械加工部２０と、前記被加工面ｘ１との間にプラズマ発生用空間ｓ（図２参照）を有するようにして配置されるプラズマ発生用の電極３０と、前記被加工面ｘ１へ向けて化学機械研磨用のスラリーを吐出するスラリー吐出部４０と、前記スラリーを吸引するスラリー吸引部５０と、被加工物保持部１０と電極３０との間に高周波電圧を印加する高周波電源装置６０とを具備し、図示しない制御回路によって制御される。
【００３３】
被加工物Ｘは、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）や、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド、サファイア等の難加工材料から円盤状（もしくは比較的薄肉な円柱状）に形成される。この被加工物Ｘは、一端側の被保持面ｘ２が被加工物保持部１０に保持された状態で、逆端側の被加工面ｘ１の少なくとも一部（図示例によれば全部）が、複合加工装置１によって除去加工される。
【００３４】
被加工物保持部１０は、被加工物Ｘをその上方側から吸着するように設けられる。この被加工物保持部１０は、上部側の固定部１１と、該固定部１１の下方側で上下方向を中心軸にして駆動回転する回転部１２とを具備し、導電性の金属材料から略円柱状に構成される。
この被加工物保持部１０は、後述する被加工物保持部１０（詳細には加工パッド２３）の上面との間に被加工物Ｘを挿入して挟み込むように、若干上下動するように支持され、バネ等の付勢部材（図示せず）により下方へ付勢される。
回転部１２を回転させる構造は、これら固定部１１と回転部１２の間に設けられる軸受部材（図示せず）や、回転駆動源となるモーター（図示せず）、回転力伝達する歯車等を具備した周知の機構とすればよい。
【００３５】
また、被加工物保持部１０（詳細には、回転部１２）の下端面には、被加工物Ｘを吸着するための複数の吸着孔１２ａ（図３参照）が設けられる。これら吸着孔１２ａは、固定部１１から回転部１２内へわたる吸引通路１０ａ（図１参照）に連通しており、該吸引通路１０ａの後端側は、真空ポンプ等を具備した周知の吸引装置（図示せず）に接続されている。したがって、前記吸引装置が作動すると、吸引通路１０ａ内が負圧となり、複数の吸着孔１２ａによって被加工物Ｘの被保持面ｘ２が吸着保持される。
なお、他例としては、吸引通路１０ａ及び吸着孔１２ａに換えて、両面テープ等の他の保持手段によって被加工物Ｘを被加工物保持部１０の下端面に保持するようにしてもよい。
【００３６】
また、機械加工部２０は、略円柱状の基盤２１と、該基盤２１を下方側から支持する支持台２２と、基盤２１の上面に敷設され固定された加工パッド２３とを具備し、被加工物保持部１０に保持される被加工物Ｘの被加工面ｘ１に沿って、被加工物保持部１０の中心線の周りを公転する。
【００３７】
基盤２１及び支持台２２は、その中心部に後述するスラリー吐出部４０を有するとともに、該スラリー吐出部４０の周囲には複数の電極３０及びスラリー吸引部５０を有する。また、基盤２１と支持台２２との間には、スラリー吸引部５０を構成する吸引通路２０ａが設けられる。
【００３８】
加工パッド２３は、被加工物Ｘの被加工面ｘ１に摺接して、該被加工面ｘ１に加工変質層ｘ３を形成するものであり、図示例によれば、円板状に形成され、基盤２１の上面に接着剤や両面テープ等の固定手段により固定されている。
この加工パッド２３の中心側には、スラリー吐出部４０を構成する貫通孔２３ａ（図２参照）が設けられる。この貫通孔２３ａの上端開口は、スラリー吐出部４０の吐出口として機能する。
【００３９】
また、加工パッド２３の中心側の貫通孔２３ａの周囲には、上下方向へ貫通する複数の貫通孔２３ｂが設けられる。各貫通孔２３ｂは、スラリーを吸引するためのスラリー吸引部５０として機能するとともに、プラズマを発生させるためのプラズマ発生用空間ｓとしても機能する。
この加工パッド２３の材質は、例えば、不織布や、表面に砥粒を接着したシート状物等であり、被加工物Ｘの材質や、加工条件等により適宜に選定される。
前記砥粒には、例えば、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）などが用いられる。
【００４０】
機械加工部２０を公転させる機構は、モーター、歯車及び偏心軸等を用いた周知の機構であり、加工パッド２３と被加工物Ｘの被加工面ｘ１との接触状態を維持しながら、基盤２１、支持台２２及び加工パッド２３等を、被加工物保持部１０の中心部を中心にして、自転させることなく公転（自転させることなく小円運動）させる。
【００４１】
各電極３０は、内部を、プラズマ発生用ガスを通過させる通路とした中空円筒状の電極であり、その先端部分を先細ノズル状に形成している。
この電極３０は、プラズマ発生用空間ｓへプラズマ発生用ガスを供給するガス供給手段として機能する。
詳細に説明すれば、電極３０は、前記先端部分を、機械加工部２０（詳細には加工パッド２３）の上面から没入させた状態で、該電極３０の後端側の部分（図示例によれば下半部側）を支持台２２に固定している。
そして、この電極３０の先端部と、被加工物Ｘの被加工面ｘ１との間には、プラズマ発生用空間ｓが確保される。このプラズマ発生用空間ｓは、後述するスラリー吸引部５０によってスラリーを吸引するための空間としても作用する。
各電極３０の上半部側は、基盤２１内で上下方向へ連続する貫通孔２１ａ内に遊挿され、該貫通孔２１ａとの間に円筒状の吸引空間２０ｂを確保している。この吸引空間２０ｂは、基盤２１と支持台２２の間の吸引通路２０ａに連通してスラリー吸引部５０を構成する。
また、各電極３０の後端側は、図示しないプラズマ発生用ガス供給装置に接続される。前記プラズマ発生用ガス供給装置は、例えば、複数種類のプラズマ発生用ガスを貯溜する複数のタンクや、これらタンク内のガスを混合して電極３０内へ供給する混合装置等を具備した周知の装置とすればよい。
【００４２】
前記プラズマ発生用ガスには、エッチングガスとキャリアガスが含まれる。
前記エッチングガスは、フッ素（Ｆ2）、四フッ化炭素（ＣＦ4）、六フッ化硫黄（ＳＦ6）などのフッ素系のハロゲン化合物や、酸素、オゾンガス、あるいは、塩素（Ｃｌ2）、ＣＦ２Ｃｌ2、三塩化リン（ＰＣｌ3）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ4）などの塩素系ガスから適宜に選択される１種類以上のガスとすればよい。このエッチングガスは、被加工物Ｘの材質に応じて適宜に選定され、例えば、被加工物Ｘが炭化ケイ素（ＳｉＣ）であればＳＦ6を選定し、被加工物ＸがＧａＮであればＣｌ2又はＯ2を選定し、被加工物ＸがダイヤモンドであればＯ2又はＳＦ6を選定する。
前記キャリアガスは、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ2）、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスから適宜に選択される１種類以上のガスとすればよい。
【００４３】
スラリー吐出部４０は、機械加工部２０中心側の貫通孔２０ｃ内に固定された円筒状のパイプ状部材４１と、このパイプ状部材４１内の空間に連通する加工パッド２３の貫通孔２３ａとから構成される。
また、パイプ状部材４１の下方側は、図示しないスラリー供給源に接続されている。前記スラリー供給源は、予め貯溜したスラリーをポンプ等により強制的に送出するようにした周知の機構とすればよい。
【００４４】
前記スラリーは、化学機械研磨用のスラリーとすればよく、例えば、二酸化ケイ素、酸化セリウム、酸化クロム、酸化チタン、酸化ジルコニウムなどから適宜に選択される１種類以上の酸化系粉末と、水又は薬品液等とを混合したものとすればよい。
前記スラリーの特に好ましい態様としては、前記酸化系粉末として、酸化チタン又は酸化ジルコニウムを用いる。この態様によれば、前記スラリーをプラズマ生成時に発生する紫外線に反応させて、加工効率を向上させることができる。
【００４５】
また、スラリー吸引部５０は、筒状の電極３０の周りに設けられた筒状の吸引空間２０ｂと、この吸引空間２０ｂの上方側に連通する加工パッド２３の貫通孔２３ｂと、同吸引空間２０ｂの下方側に連通する吸引通路２０ａとを具備して構成される。
吸引空間２０ｂは、図示しない吸引装置に接続されて負圧になる。前記吸引装置には、例えば、真空ポンプ等を具備した周知の装置が用いられる。
【００４６】
高周波電源装置６０は、被加工物保持部１０（詳細には被加工物Ｘ）と機械加工部２０（詳細には電極３０）とに高周波電圧を印加する周知の電源装置とすればよい。
この高周波電源装置６０の一方の出力端子は、図１に示す一例によれば、電極３０又は該電極３０が止着される導電性部材に電気的に接続され、他方の出力端子は、フレームグラウンド及び被加工物保持部１０等を介して被加工物Ｘに電気的に接続される。また、支持台２２もフレームグラウンドに接続されている。
【００４７】
また、図示しない制御回路は、例えば、予め記憶されたプログラムにより機能するマイコンやプログラマブルコントローラー等とすればよい。
この制御回路は、被加工物保持部１０の自転と、機械加工部２０の公転と、電極３０及び高周波電源装置６０等によるプラズマの発生と、スラリー吐出部４０及びスラリー吸引部５０によるスラリーの吐出及び吸引とを、適宜に組み合わせて略同時進行させたり、順次に進行させたり等の制御を行う。
さらに、この制御回路は、被加工物保持部１０の自転速度、機械加工部２０の公転速度、電極３０等への印加電圧、プラズマ発生用ガスの供給量、スラリー吐出部４０によるスラリーの吐出量、スラリー吸引部５０による吸引力等を、それぞれ適宜に調整するように制御を行う。
【００４８】
次に、上記構成の複合加工装置１を用いた加工方法、及びその作用効果について、詳細に説明する。
先ず、被加工物保持部１０（詳細には回転部１２）と機械加工部２０（詳細には加工パッド２３）との間に、被加工物Ｘが挟み込まれる。挟み込まれた被加工物Ｘは、被加工物保持部１０によって吸着保持させる。
【００４９】
そして、この加工方法では、被加工物Ｘの表面の少なくとも一部（図示例によれば被加工面ｘ１）に、機械的作用によって加工変質層ｘ３を形成する変質化工程と、この加工変質層ｘ３の少なくとも一部の表面にプラズマを化学的に作用させ、前記加工変質層ｘ３の少なくとも一部（図示例によれば全部）を除去する除去工程とを行う（図５参照）。
なお、図５では、前記変質化工程（図５（ｂ）参照）と、前記除去工程を（図５（ｃ）参照）とを順次に図示することで、二種類の工程の特徴をそれぞれ明確に表現するようにしたが、上記複合加工装置１を用いた場合には、これら二種類の工程が略同時に進行する。
【００５０】
前記変質化工程では、被加工物保持部１０を自転させるとともに、機械加工部２０を公転させることで、被加工物Ｘの被加工面ｘ１に加工パッド２３を、むらなく均等に摺接させる。
そして、前記変質化工程での機械的作用によって、被加工物Ｘの被加工面ｘ１側には、加工変質層ｘ３が形成される。すなわち、図５（ｂ）に例示するように、被加工面ｘ１の凸部にのみに、適度な疑似ラジカル場（超微小欠陥腫）である加工変質層ｘ３が形成される。
なお、本実施例の前記変質化工程では、機械的作用によって被加工物Ｘの一部が除去されるが、加工パッド２３や砥粒等の材質の調整により、被加工物Ｘがほとんど除去されずに、加工変質層ｘ３が形成されるようにしてもよい。
【００５１】
また、前記除去工程では、前記被加工物保持部１０の自転及び機械加工部２０の公転を継続しながら、大気圧雰囲気中において、電極３０からプラズマ発生用ガスを放出するとともに、高周波電源装置６０をオンにして、電極３０と被加工物Ｘとの間に高周波電圧が印加される。したがって、電極３０と加工変質層ｘ３の表面との間のプラズマ発生用空間ｓには、プラズマが発生する。
このため、プラズマによって高密度に生成された中性ラジカルが、加工変質層ｘ３の表面に対し、むらなく均等に作用し、前記表面の構成原子や分子と、前記中性ラジカルとの化学的な反応により揮発性物質が生成され、それが気化して、加工変質層ｘ３が除去加工される。
【００５２】
前記除去工程でのプラズマ発生により前記加工変質層を除去する際の除去レートは、前記変質化工程での機械的作用により前記被加工物の変質化が進行する際の変質化進行レートよりも大きく設定される。
具体的には、前記除去レートが前記変質化進行レートよりも大きくなるように、高周波電源装置６０の出力電圧調整により、電極３０等への供給電力を調整する。
なお、前記除去レート及び前記変質化進行レートは、例えば、白色干渉計や電子顕微鏡等の適宜な精密計測器を用いて被加工物Ｘの加工前後の表面形状および断面状態、加工時間等を測定することにより知見することができる。
【００５３】
前記変質化工程中及び前記除去工程中、必要に応じて、スラリー吐出部４０からスラリーを吐出するとともに、スラリー吸引部５０の吸引装置（図示せず）を作動させて、ＣＭＰ（化学機械研磨）を行うようにしてもよい。このＣＭＰによる加工では、スラリーによる化学的作用により、スラリーを用いない上記機械加工に比べて加工変質層ｘ３の導入が少なくなる。
前記スラリーは、機械加工部２０（詳細には加工パッド２３）の上面と被加工物Ｘとの間に供給され、被加工物Ｘの被加工面ｘ１に対する化学機械研磨を効果的に進行させる。
そして、加工パッド２３上を流れるスラリーは、加工パッド２３の貫通孔２３ｂ内へ吸引される。この際、スラリーは、電極３０内がプラズマ発生用ガスによって正圧であるため、該電極内に進入することなく、スムーズに吸引空間２０ｂへ吸い込まれてゆく。
したがって、スラリーが周囲に飛び散ったり、スラリーが被加工物Ｘに付着したまま残ったりするようなことを防ぐことができる。
【００５４】
そして、被加工物保持部１０の自転、機械加工部２０の公転、及び電極３０等への高周波電圧の印加によるプラズマの発生等は、略同時に進行し、略同時に終了する。すなわち、前記変質化工程と前記除去工程とは、略同時に進行し、略同時に終了する。
【００５５】
よって、本実施の形態の加工方法及び複合加工装置１によれば、前記変質化工程での機械的作用によって被加工面ｘ１の表面に形成される加工変質層を、前記除去工程でのプラズマの化学的作用により除去するようにしているため、スクラッチや加工変質層の残存のない高品質な加工物を得ることができる。
しかも、機械加工部２０（詳細には加工パッド２３）の上面が、前記変質化加工及び前記除去加工を行う単一の同じ加工エリアとして機能するため、例えば異なる加工エリアを複数設けた場合等と比較し、加工スペースを縮小して、当該複合加工装置１を小型化することができる。
【００５６】
また、上記特許文献２に記載される発明では、酸化種を加工材料表面に形成するようにしているが、本実施の形態では、加工変質層ｘ３にプラズマを化学的に作用させることで、酸化種を加工材料表面に形成しないようにしているため、例えば、被加工物Ｘがサファイアなどの酸化物であっても除去加工が可能となる。
【００５７】
なお、上記実施例では、機械加工部２０を、被加工物保持部１０に保持される被加工物Ｘの被加工面ｘ１に沿って公転させ、むらなく均等に作用させるようにしたが、他例としては、機械加工部２０を、周知の機構を用いて、自転や、直線移動、円弧移動、曲線移動等させることも可能であり、これらによれば、加工形状等に応じた加工効率の向上が期待できる。
【００５８】
また、上記実施例では、平坦状の機械加工部２０（詳細には加工パッド２３）を、被加工物Ｘの被加工面ｘ１に対し略平行に摺接させたが、他例としては、円盤状又は円柱状に形成される機械加工部（図示せず）の外周面を、被加工物Ｘに摺接させる構成とすることも可能である。
【００５９】
また、上記実施例では、被加工物保持部１０を被加工物Ｘと共に自転させるようにしたが、他例としては、被加工物保持部１０を、周知の機構を用いて、公転や、直線移動、円弧移動、曲線移動等させることも可能であり、これらによれば、被加工物Ｘに対するプラズマ照射範囲を適宜に制御して、より効率的な加工が可能になる。
【００６０】
また、上記実施例では、基盤２１の上面に上記砥粒を含む加工パッド２３を固定するようにしたが、他例としては、加工パッド２３を省くとともに、基盤２１の上面に上記砥粒を接着固定した態様や、基盤２１の上面をヤスリ状に加工した態様等とすることも可能である。
さらに、他例としては、上記スラリーに上記砥粒を混入するとともに、加工パッド２３に砥粒を含まないもの（例えば不織布等）を用いた態様とすることも可能である。
さらに、他例としては、前記スラリーと前記加工パッド２３の双方に砥粒を含まない態様とすることも可能である。
【００６１】
また、上記実施例では、微小範囲に集中してプラズマを作用させる好ましい態様として、各電極３０及びスラリー吸引部５０を加工変質層ｘ３の表面に対し略点状に向かい合うようにしたが、他例としては、各電極３０及び各スラリー吸引部５０が加工変質層ｘ３の表面に対し略平行な線状に向かい合う態様とすることも可能である。すなわち、この態様では、各電極３０を、直線状や曲線状に形成する。そして、各スラリー吸引部５０を、前記直線状又は曲線状の電極３０を両側から挟む溝状に形成する。これらの構成によれば、前記線状の電極３０を、その交差方向へ走査して、被加工物Ｘに対しより均一なプラズマ照射が可能になる。
【００６２】
また、上記実施例では、複数の電極３０を略格子状（図４参照）に配置したが、他例としては、機械加工部２０の公転運動によるスラリー分布及びスラリー回収をより好適化するために、複数の電極３０を渦巻き状（図示せず）に配置するようにしてもよい。
さらに、複数の電極３０の好ましい他例としては、複数の電極３０を放射状に配置するようにしてもよく、この構成は、機械加工部２０を直進前後運動させる態様とした場合等に有効である。
【００６３】
また、上記実施例では、各電極３０及び各スラリー吸引部５０を機械加工部２０上面に対し略垂直に設けたが、他例としては、各電極３０及び各スラリー吸引部５０を機械加工部２０上面に対し傾斜させて設けてもよく、この構成によれば、機械加工部２０の上下方向の寸法（厚み）を小さくでき、当該複合加工装置をよりコンパクト化することができる。
【００６４】
また、上記実施例では、特に好ましい態様として、前記除去工程でのプラズマ発生による除去レートを、前記変質化工程での機械的作用による変質化進行レートよりも大きくしたが、他例としては、プラズマ発生時の投入電力のコントロールにより、前記二つのレートの大小関係を同程度あるいは逆にすることも可能である。
【００６５】
また、上記実施例では、特に好ましい態様として、前記変質化工程と前記除去工程とを略同時に進行し、略同時に終了するようにしたが、他例としては、前記除去工程を終了した後に、前記変質化工程を終了させることも可能である。この場合は、最終的な前記変質化工程では、スラリーを用いたＣＭＰ（化学機械研磨）を行うことが望ましく、このようにすれば、加工変質層ｘ３の導入を無視できる程度に小さくすることができる。
【００６６】
さらに、他例としては、少なくとも前記変質化工程を行った後に、前記変質化工程を行わない状態で前記除去工程を行い、この除去工程の後には前記変質化工程を行わないようにしてもよい。
詳細に説明すれば、この他例では、上記複合加工装置１に、被加工物保持部１０を機械加工部２０から離れる方向（例えば上方）へモーター等によって移動させる移動機構（図示せず）を備え、機械加工部２０等により少なくとも前記変質化工程を行った後に、前記移動機構によって被加工物Ｘを機械加工部２０（詳細には加工パッド２３）から若干引き離して、前記変質化工程を行わないようにした状態で、プラズマによる前記除去工程を最終的に行う。
この他例によれば、前記変質化工程によって形成される加工変質層が、最終的な前記除去工程により除去されるため、上記実施例と同様に、高品質な加工物を得ることができる。
【００６７】
［比較実験の結果］
次に、ＣＭＰ（化学機械研磨）加工のみを用いた従来の加工方法（以降、従来加工１と称する。）と、プラズマＣＶＭ（Ｐ−ＣＶＭ：Plasma Chemical Vaporization Machining）加工のみを用いた従来の加工方法（以降、従来加工２と称する。）と、上述した本願発明の実施例に係る加工方法（以降、本実施例加工と称する。）との三種類の加工方法について、その加工結果を比較した実験の結果を説明する（図６〜図１０参照）。
この実験では、被加工物として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板、窒化ガリウム（ＧａＮ)基板、ダイヤモンド基板の３種類の基板を用いた。
何れの加工方法も加工装置としては、上述した同一の複合加工装置１を用い、従来加工１ではＣＭＰ加工のみを行い、従来加工２では、Ｐ−ＣＶＭ加工のみを行い、本実施例加工法では、ＣＭＰ加工とＰ−ＣＶＭ加工とを融合するようにして上述した変質化工程及び除去工程を行った。
【００６８】
実験の前処理として、前記３種類の基板について、初期の表面状態を略均一にするために、ダイヤ研磨を行った。
詳細に説明すれば、炭化ケイ素基板ついては、Ｓｉ面に対し、ダイヤ砥粒径０．５μｍを含むスラリー、及びスズ（Ｓｎ）を主原料とする合金製の回転研磨板を用いて、遊離砥粒加工を行い、該加工による除去量が約１０μｍとなるように前処理を行った。また、窒化ガリウム基板ついては、Ｇａ面に対し、前記と同様の前処理を行った。
また、ダイヤモンド基板については、（１００）面に対し、固定砥粒盤（ダイヤ砥粒径１０μｍ）を用いて高速回転での＜１００＞方向研磨を行い、該加工による除去量が約１０〜３０μｍとなるように前処理を行った。
【００６９】
上述した前処理の後、前記３種類の基板の各々に対し、従来加工１を施したもの、従来加工２を施したもの、本実施例加工を施したものを、それぞれ作成した。すなわち、計９種類のサンプルを作成した。
【００７０】
従来加工１では、加工条件を以下のように設定した。
スラリー材質：コロイダルシリカ
基盤２１上の加工パッド２３の材質：不織布系パッド
被加工物を基盤２１に押し付ける荷重：１ｋｇ／ｃｍ2
基盤２１の回転数：３０ｍｉｎ-1
【００７１】
従来加工２では、加工条件を以下のように設定した。
プラズマ放電のための投入電力：１００Ｗ
プラズマ発生用の電極と被加工物とのギャップ：３００ｕｍ
キャリアガス：Ｈｅ（３種類の基板共通）
エッチングガス及び該ガスの濃度：炭化ケイ素基板及びダイヤモンド基板に対してはＳＦ6を０．５％、窒化ガリウム基板に対してはＯ2を０．５％
【００７２】
また、本実施例加工では、加工条件を以下のように設定した。
スラリー材質：コロイダルシリカ
基盤２１上の加工パッド２３の材質：不織布系パッド
被加工物を基盤２１に押し付ける荷重：１ｋｇ／ｃｍ2
基盤２１の回転数：３０ｍｉｎ-1
プラズマ放電のための投入電力：炭化ケイ素基板及び窒化ガリウム基板に対しては１００Ｗ、ダイヤモンド基板に対しては４００Ｗ
プラズマ発生用の電極と被加工物とのギャップ：３００ｕｍ
エッチングガス及び該ガスの濃度：炭化ケイ素基板に対してはＳＦ6を０．５％、窒化ガリウム基板に対してはＯ2を０．５％、ダイヤモンド基板に対してはＳＦ6を０．８％
【００７３】
そして、前記３種類の加工方法のそれぞれについて、各被加工物における除去レート、表面粗さ（Ｒａ）、電子顕微鏡画像を得た（図６〜図１０参照）。
除去レートは、被加工物の質量の変化に基づき算出した（秤量法）。
表面粗さ（Ｒａ）は、被加工物の被加工面における１４０×１０５μｍの範囲を、キャノン製計測機器（商品名及び型番：ZYGO New View300）を用いて、所定時間置きに測定した。
【００７４】
上記実験の結果、本願発明者等は以下の知見を得た。
除去レートは、三種類の被加工物の何れにおいても、本実施例加工が、従来加工１及び従来加工２よりも顕著に大きかった（図６，図８及び図１０参照）。
加工前後の表面粗さは、三種類の被加工物の何れにおいても、本実施例加工が、従来加工１及び従来加工２よりも顕著に小さかった（図６，図８及び図１０参照）。
炭化ケイ素基板に対する従来加工２では、時間経過に拘わらず、表面粗さの変化がほとんどなかった（グラフ省略）。
【００７５】
図７及び図９に示すように、炭化ケイ素基板及び窒化ガリウム基板における単位時間あたりの表面粗さの減少量を加工速度とみなすと、この加工速度は、本実施例加工が加工時間の全範囲において従来加工１よりも大きく、特に加工初期（〜１０分）で顕著に大きく、１０分経過後に小さくなり略一定の変化量となった。
本実施例加工における１０分経過後の前記加工速度は、従来加工１（ＣＭＰ）の場合に対し、炭化ケイ素基板で２．１倍、窒化ガリウム基板で１．８倍であった。
なお、前記加工速度が加工初期（〜１０分）で顕著に大きくなったのは、上述した前処理（ダイヤ研磨）によるダメージ層の影響と考えられる。
【００７６】
以上のとおり、前記比較実験では、本実施例加工が、除去レート及び加工後の表面粗さを顕著に改善することを確認した。また、本実施例加工が、炭化ケイ素及び窒化ガリウム等の難加工材料に対する加工をはじめ、ダイヤモンド等の超難加工材料に対する加工についても有用であることを確認した。
【符号の説明】
【００７７】
１：複合加工装置
１０：被加工物保持部
２０：機械加工部
２３：加工パッド
２３ａ：貫通孔（吐出口）
２３ｂ：貫通孔（吸引口）
３０：電極
４０：スラリー吐出部
５０：スラリー吸引部
６０：高周波電源装置
ｓ：プラズマ発生用空間
Ｘ：被加工物
ｘ１：被加工面
ｘ２：被保持面
ｘ３：加工変質層
【図１】
2015179830.tif 000003
【図２】
2015179830.tif 000004
【図３】
2015179830.tif 000005
【図４】
2015179830.tif 000006
【図５】
2015179830.tif 000007
【図６】
2015179830.tif 000008
【図７】
2015179830.tif 000009
【図８】
2015179830.tif 000010
【図９】
2015179830.tif 000011
【図１０】
2015179830.tif 000012