(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を通流させる液体流路と、
気体を通流させると共に、前記液体流路に連通して該気体を該液体流路内に送出させる気体流路と、
前記液体流路内を通流させる前記液体に旋回流を発生させる旋回流発生機構と、
前記気体流路から前記液体流路内に送出される前記気体の内部でプラズマを発生させるプラズマ発生機構と、を備え、
前記旋回流発生機構は、前記液体流路の中間流路を中心軸に対して所定角度ずらした向きとなるように配設されており、
前記プラズマ発生機構は、
前記液体流路内に露出して配設される第１電極と、
前記液体流路内に露出せず、且つ、前記気体流路内に露出して配設される第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に所定電圧を印加する電源と、を有し、
前記プラズマを発生させた前記気体を所定径の気泡として前記液体に混入させた状態にして該液体を吐出させること
を特徴とするノズル。
【請求項２】
前記気泡は、直径が１０ｎｍ〜１０００μｍであること
を特徴とする請求項１記載のノズル。
【請求項３】
前記第２電極は、前記気体流路が前記液体流路に接続される部位に設けられる送出口から１〜３ｍｍ該気体流路の内方へ離間した位置に配設されていること
を特徴とする請求項１または請求項２記載のノズル。
【請求項４】
前記第２電極は、多孔質の導電材料を用いて形成されていること
を特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のノズル。
【請求項５】
前記第１電極は、前記液体流路内において前記送出口よりも下流側の位置に配設されていること
を特徴とする請求項３記載のノズル。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のノズルと、ワークを研磨する定盤と、を備え、
前記ノズルから吐出される、前記プラズマを発生させた前記気体を所定径の気泡として混入させた状態の前記液体を、前記定盤上に供給する供給部をさらに備えること
を特徴とするワーク研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノズルおよびワーク研磨装置に関し、さらに詳細には、プラズマを発生させた気体を所定径の気泡として混入させた液体を吐出させるノズル、および当該ノズルを備えるワーク研磨装置に関する。なお、本願における「研磨」は「研削」を含む広義の意として用いる。
【背景技術】
【０００２】
半導体パワーデバイスを作製する上で基板（ワーク）の平坦化は必須であるが、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドに代表されるワイドバンドギャップ半導体基板は硬く脆いことから、従来の機械的加工では高能率な平坦化は困難である。
【０００３】
本願発明者らが鋭意研究した結果、プラズマを発生させた気体を微小気泡として混入させた研磨液を用いてワークの研磨を行うことにより、化学的研磨作用が加わってワークを高能率に研磨することができるのみならず、ＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンド等の高硬度材料の研磨も行えることが究明された（特許文献１参照）。
【０００４】
これまでは、プラズマ発生により活性化させた気体をあらかじめ生成しておいて、その気体を研磨液に混合させて用いる構成が想定されていた。しかしながら、当該構成では、活性化気体の失活が進行してしまうため、活性化状態で活用できる気体の量、すなわち活用効率が低下して、所望の研磨効果が得られないという課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１８６８３８号公報
【特許文献２】特開２０１４−０７９７４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願発明者らは、当該課題の解決を図るために、上記の構成に代えて、研磨液の液体中に気体を含ませる際に放電を生じさせる構成を用いることによって当該課題の解決を図ることができるのではないかとの技術的思想に想到した。当該構成の例として、特許文献２に記載のノズル等が検討対象となり得る。
【０００７】
つまり、上記の特許文献２に例示されるノズルを用いれば、あらかじめ活性化させた気体を生成しておいてから研磨液に混合させる構成ではなく、気体を含ませた研磨液の液体中で放電を生じさせることができる。したがって、活性化気体の失活量を低減でき、活用効率を上昇させる効果が期待できる。
【０００８】
しかしながら、その一方で、気体を含ませた研磨液の液体中で放電を生じさせる構成であるが故に、通電用として設けられる一対の電極の両方を液体中に浸漬させる構成となっているため、電流が直接、液体中に流れて、電力損失が大きくなってしまい、電力の利用効率が悪化するという相反する課題が生じることとなる。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされ、液体中に含ませる活性化気体の失活量を低減でき、且つ、活性化気体生成時の電力損失を低減できるという相反する課題の解決が可能なノズルを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
【００１１】
本発明に係るノズルは、液体を通流させる液体流路と、気体を通流させると共に、前記液体流路に連通して該気体を該液体流路内に送出させる気体流路と、前記液体流路内を通流させる前記液体に旋回流を発生させる旋回流発生機構と、前記気体流路から前記液体流路内に送出される前記気体の内部でプラズマを発生させるプラズマ発生機構と、を備え、前記旋回流発生機構は、前記液体流路の中間流路を中心軸に対して所定角度ずらした向きとなるように配設されており、前記プラズマ発生機構は、前記液体流路内に露出して配設される第１電極と、前記液体流路内に露出せず、且つ、前記気体流路内に露出して配設される第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に所定電圧を印加する電源と、を有し、前記プラズマを発生させた前記気体を所定径の気泡として前記液体に混入させた状態にして該液体を吐出させることを要件とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るノズルによれば、一対の電極の一方を液体中に浸漬させることなく、液体中に送出させた状態の気体の内部においてプラズマを発生させるための放電を行うことができるノズルの実現が可能となる。これにより、液体中に含ませる活性化気体の失活量を低減でき、且つ、活性化気体生成時の電力損失を低減できるという相反する課題の解決が可能となる。
【００１３】
また、本発明に係るノズルを備えるワーク研磨装置によれば、含有される活性化気体の失活量が少ない研磨液を使用することができるため、特に、ＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンド等の高硬度材料のワークに対しても高能率に研磨を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第一の実施形態に係るノズルの例を示す概略図である。
【図２】本発明の第二の実施形態に係るノズルの例を示す概略図である。
【図３】本発明の実施形態に係るワーク研磨装置の例を示す概略図である。
【図４】本発明の実施形態に係るワーク研磨装置の変形例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（ノズルの第一の実施形態）
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るノズル１について詳しく説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００１６】
このノズル１は、プラズマを発生させた気体を所定径の気泡として液体に混入させた状態にして当該液体を吐出させるノズルである。例えば、気泡の直径を１０［ｎｍ］〜１０００［μｍ］程度（「マイクロナノバブル」と称する）に設定すれば、プラズマ発生により活性化された気体が当該気泡（「プラズママイクロナノバブル」と称する）として混入された状態の液体が得られることとなる。したがって、後述する例のように当該液体として研磨液を用いて、ノズル１をワーク研磨装置に適用すれば、研磨レートの向上等、きわめて有用な作用効果を得ることが可能となる。
【００１７】
ここで、第一の実施形態に係るノズル１（１Ａ）の断面図（概略図）を図１に示す。このノズル１（１Ａ）は、本体部１０において、液体を通流させる液体流路１２が設けられている。さらに、気体を通流させると共に、液体流路１２に連通して当該気体を送出口１４ｂから液体流路１２内に送出させる気体流路１４が設けられている。なお、液体流路１２および気体流路１４の内径は、用途等に応じて適宜設定される。
【００１８】
また、上記液体の例としては、水、その他の薬液、処理液等（前述の研磨装置に用いる研磨液等）が想定される。一方、上記気体の例としては、空気、酸素、不活性ガス、フッ素系ガス等が想定される。
【００１９】
先ず、液体流路１２および気体流路１４の構成について説明する。なお、液体流路１２および気体流路１４は、絶縁材料（一例としてセラミックス材）を用いて形成されている。
【００２０】
液体流路１２は、液体貯留部１６からポンプ等の送液部および配管等（いずれも不図示）を介して供給される液体を流入させる流入口１２ａと、流路途中において送出された気体が混合された気液二相流の液体として吐出させる吐出口１２ｂと、を有している。図１において、液体の通流方向を矢印Ｌで示す。なお、吐出口１２ｂから吐出された液体は配管等（不図示）を介して供給され、所定の用途に使用される。ここで、使用後の液体は、そのまま廃棄する構成としてもよく、あるいは回収して液体貯留部１６に循環させる構成としてもよい（不図示）。
【００２１】
また、液体流路１２の内部（内壁）において、旋回流発生機構として長手方向（通流方向）に螺旋状（あるいはそれに準ずる形状）の突起（不図示）等を設ける構成としてもよい。これによれば、通流させる液体が旋回流となって、所定径の気泡（直径１０［ｎｍ］〜１０００［μｍ］程度の気泡）すなわちマイクロナノバブルを高い割合で発生させることが可能となる。
【００２２】
一方、気体流路１４は、気体貯留部１８から配管等（不図示）を介して気体が供給される供給口１４ａと、当該気体を液体流路１２の途中において送出させる前述の送出口１４ｂと、を有している。図１において、気体の通流方向を矢印Ｇで示す。より詳しくは、送出口１４ｂは、気体流路１４が液体流路１２に接続される接続部であって、液体流路１２の内壁において開口する形状を有している。
【００２３】
なお、気体の送出（通流）を行わせる送出機構としては、気体貯留部１８が高圧タンクである場合におけるその圧力（内圧）による送出力や、シリンダ、ポンプによる送出力、あるいは、送出口１４ｂが開口する液体流路１２内を液体が通流することにより発生するベンチュリー効果による送出力、等を用いる機構が考えられる（いずれも不図示）。
【００２４】
以上の構成によれば、気体を所定径の気泡として混入させた状態の液体、すなわち直径が１０［ｎｍ］〜１０００［μｍ］であるマイクロナノバブルを含む液体（気液二相流である）を吐出口１２ｂから吐出させることができる。
【００２５】
次に、本実施形態に特徴的な構成として、気体流路１４の送出口１４ｂから液体流路１２内の液体中に送出される気体の内部でプラズマを発生させるプラズマ発生機構２０が設けられている。より詳しくは、このプラズマ発生機構２０は、送出口１４ｂから送出される位置における気体、すなわち、図１に示すように、送出口１４ｂから液体流路１２内の液体中に送出されている状態の気体内部でプラズマ（矢印Ｐで図示）を発生させる機構である。なお、このとき、送出口１４ｂよりも気体流路１４の内方（気体通流方向における上流側）には液体流路１２内の液体が進入しない圧力状態に保持されている。
【００２６】
ここで、プラズマ発生機構２０の構成例について説明する。本実施形態に係るプラズマ発生機構２０は、先ず、液体流路１２内に露出して配設されて当該液体流路１２内を通流させる液体と直接、接触する第１電極２２を有している。また、第１電極２２と対をなす電極として、液体流路１２内を通流させる液体とは接触しないように当該液体流路１２内に露出せず、且つ、気体流路１４内に露出して配設されて当該気体流路１４内を通流させる気体と直接、接触する第２電極を有している。さらに、第１電極２２と第２電極２４との間に所定電圧を印加する電源２６を有している。この、第１電極２２および第２電極２４は、それぞれの周囲が絶縁材料（一例としてセラミックス材）によって覆われた構成となっている。
【００２７】
以上の構成によれば、電源２６によって第１電極２２と第２電極２４との間に所定電圧（一例として、１〜２０［ｋＶ］程度の高電圧）を印加することで、送出口１４ｂから液体流路１２内の液体中に送出されている状態の気体内部でプラズマを発生させることができる。すなわち、プラズママイクロナノバブルの生成が可能となる。これによれば、気体の種類に応じて、ＯＨラジカル等の各種のラジカル種を生成することができるため、化学的に活性化されて、酸化作用、エッチング作用等を生じさせることができる。
【００２８】
なお、第１電極２２は、液体流路１２内において送出口１４ｂよりも液体が通流する方向（矢印Ｌ方向）の下流側の位置に配設されていることが好適である。
【００２９】
これによれば、送出口１４ｂから液体流路１２内の液体中に送出される際の気体は、液体の通流方向に伸長する形状となるが、その伸長方向に電位差を生じせることができるため、当該気体内部の全域に亘ってプラズマを発生させることが可能となる。
【００３０】
また、第２電極２４は、送出口１４ｂ（すなわち、気体流路１４が液体流路１２に接続される部位）から所定長さＸ（一例として、Ｘ＝１〜３［ｍｍ］程度）、気体流路１４の内方（気体の通流方向（矢印Ｇ方向）における上流側）へ離間した位置に配設されていることが好適である。なお、上記Ｘの寸法は一例であって、気体流路１４内径寸法、液体流路１２内径寸法、気体流路１４内を通流させる気体の圧力、等の諸条件を勘案して、第２電極２４が液体流路１２内を通流させる液体と接触しない状態を保持できる寸法に設定すればよい。
【００３１】
これによれば、第２電極２４が液体流路１２内を通流させる液体と接触しない状態を保持しつつ、送出口１４ｂから液体流路１２内の液体中に送出される位置の気体に対して、当該第２電極と、液体に接触している第１電極２２とによって電圧を印加して当該気体内部にプラズマを発生させることができる。
【００３２】
このように、通電用として設けられる一対の電極（第１電極２２、第２電極２４）のうちの一方（第２電極２４）を液体中に浸漬させることなく、送出口１４ｂから液体流路１２内の液体中に送出される位置の気体に所定電圧を印加する構成が実現できる。したがって、一対の電極の両方が液体中に浸漬される従来の装置のように、印加される電流が直接、液体中に流れて、電力損失が大きくなってしまい、電力の利用効率が悪化してしまうという課題の解決を図ることが可能となる。
【００３３】
なお、第２電極２４は、多孔質の導電材料を用いて形成されていることが好適である。一例として、ステンレス合金等からなる多孔質材が採用される。これによれば、第２電極２４と、気体流路１４内を通流して第２電極２４に触れる気体との接触面積を増加させることができるため、当該気体におけるプラズマの発生効率を高める（発生量を増加させる）ことが可能となる。
【００３４】
（ノズルの第二の実施形態）
続いて、本発明の第二の実施形態に係るノズル１（１Ｂ）について説明する。本実施形態に係るノズル１（１Ｂ）は、前述の第一の実施形態に係るノズル１（１Ａ）と基本的な構成は同様であるが、特に、液体流路１２、気体流路１４の構成において相違点を有する。以下、当該相違点を中心に本実施形態について説明する。
【００３５】
第二の実施形態に係るノズル１（１Ｂ）の断面図（概略図）を図２に示す。このノズル１（１Ｂ）は、液体流路１２が円錐形状をなす空間部を有して構成されている。一例として、円錐の頂部の角度は、中心軸に対して２０〜４５［°］程度に設定されている。
【００３６】
ここで、液体流路１２における旋回流発生機構として、中間流路１２ｃを中心軸に対して、所定角度ずらした向きとなるように配設する構成が好適である。これによれば、液体流路１２内を通流させる液体が旋回流となって、所定径の気泡（直径１０［ｎｍ］〜１０００［μｍ］程度の気泡）すなわちマイクロナノバブルを高い割合で発生させることが可能となる。なお、当該所定角度は一例として２０〜６０［°］程度に設定されるが、これに限定されるものではない。
【００３７】
一方、気体流路１４は、円錐形状の液体流路１２の内壁部分を構成する円錐形状の芯材部１２ｄの内部を貫通して形成されている。さらに気体流路１４内から液体流路１２内に気体を送出する送出口１４ｂは、芯材部１２ｄの頂上部に配設されている。これによれば、気体が液体中に送出された直後から旋回流の中心に当該気体を存在させる作用が得られるため、効率的に且つ安定してマイクロナノバブルを発生させることが可能となる。
【００３８】
なお、液体流路１２の内径は、気体の送出口１４ｂの位置から、吐出口１２ｂに近い位置になるほど小径となるように形成されている。これにより、液体流路１２において発生する気液二相流の旋回流が吐出口１２ｂに近い位置ほど旋回速度を高めることができ、より微細なマイクロナノバブルを発生させる効果が得られる。
【００３９】
（ワーク研磨装置）
続いて、本発明の実施形態に係るワーク研磨装置５０について説明する。このワーク研磨装置５０は、特に、ノズル１を備えると共に、研磨液としてプラズママイクロナノバブルが混入された状態の研磨液を用いることを特徴とする。図３に、ワーク研磨装置５０の概略図を示す。
【００４０】
このワーク研磨装置５０は、研磨ヘッド５２に保持されたワークＷ表面を、供給部５４から研磨液を供給しながら、回転する定盤５６の表面の研磨部５８に押圧して研磨する装置である。以下、具体的な構成例について説明する。
【００４１】
先ず、定盤５６は、図示しない回転機構によりシャフト６０を中心に水平面内で回転する。定盤５６の表面は研磨部５８に形成されている。研磨部５８は、例えば不織布やポリウレタン樹脂シート等からなる研磨布が貼付されて成る。あるいは研磨部５８は、定盤５６の表面に特殊な粒子を埋没して形成するなどの方法により構成することもできる。
【００４２】
また、研磨ヘッド５２は、両面テープや吸引作用等によって下面にワークＷを保持するものである。研磨ヘッド５２には種々の構造の公知の研磨ヘッドを用いることができる。研磨ヘッド５２は、上下動が可能であり、且つ、シャフト６２を中心に水平面内で回転する。
【００４３】
また、供給部５４を介して定盤５６上に供給される研磨液には、ワークＷの材料等に応じて種々の公知の研磨液を用いることができる。なお、供給部５４は、図示しないポンプ、レギュレータ、開閉弁等を適宜備えて構成してもよい。
【００４４】
ここで、研磨液を供給する機構の例として、ノズル１に供給されて吐出口１２ｂから吐出される液体として直接、研磨液を用いる構成が考えられる。これによれば、ノズル１から吐出される、プラズマを発生させた所定径の気泡（プラズママイクロナノバブル）を混入させた状態の研磨液を、供給部５４を介して定盤５６上に供給することができる。このとき、気体として、空気、酸素、不活性ガス、フッ素系ガスもしくはこれらの混合ガスを用いることが好適である。
【００４５】
これによれば、研磨液に混入されている砥粒が、マイクロナノバブルの作用により、研磨液中において一層、均一に分散される作用が得られるため、ワークＷの均一研磨が可能となる。
【００４６】
さらに、研磨液中には、プラズマを発生させて活性化された気体が所定径の微小気泡（プラズママイクロナノバブル）として混入されているため、このプラズママイクロナノバブルがワークＷ表面に直接作用し、ワークＷ表面に酸化作用やエッチング作用を及ぼすことができる。この酸化作用やエッチング作用により、ワークＷ表面が変質し、この変質層が、砥粒が混入する研磨液による機械的研磨作用によって除去されるという作用効果を得ることができる。
【００４７】
また、プラズママイクロナノバブルの気泡は、帯電するにあたってＯＨ-がより多く集まる傾向を有しており、このＯＨ-が多い状態から気泡が消滅すると、ＯＨラジカルの活性によって酸化作用やエッチング作用がもたらされることで、強い効果が得られると考えられる。
【００４８】
すなわち、本実施の形態では、砥粒による機械的研磨作用（マイクロナノバブルにより均一化された機械的研磨作用）と、プラズマを発生させて活性化された気体（プラズママイクロナノバブル）による化学的研磨作用（マイクロナノバブルにより均一化された化学的研磨作用）との相互作用により、ワークＷを高能率に研磨することができ、さらに、気泡消滅時におけるＯＨラジカルの活性による酸化・エッチング作用も加わる。また、単に機械的研磨作用でなく、化学的研磨作用が生じるので、ＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンド等の高硬度材料の研磨を行うことも可能となる。
【００４９】
一方、ワーク研磨装置５０の変形例として、ノズル１に供給されて吐出口１２ｂから吐出される液体として水（所定の添加剤が添加されたものや、ＰＨ調整されたもの等を含む）を用いる構成が考えられる。これによれば、ノズル１２から吐出される、プラズマを発生させた所定径の気泡（プラズママイクロナノバブル）を混入させた状態の水を、供給部５４において研磨液と混合させて定盤５６上に供給することができる（図４参照）。なお、図中の符号６４は、研磨液を供給する研磨液供給機構である。この変形例によっても、前述の構成と同様の作用効果を得ることができる。
【００５０】
本願発明者らの研究によれば、プラズママイクロナノバブルを混入させた状態の水（プラズママイクロナノバブル水）５０：研磨液（スラリー）５０の場合において、単なるマイクロナノバブル水５０：スラリー５０の場合と比較して約２倍程度以上の研磨レートが得られることが判明した。なお、単なるマイクロナノバブル水５０：スラリー５０の場合でも、単にスラリー１００％の場合のものよりも、研磨レートが向上しているという結果が得られていることも付言する。
【００５１】
以上、説明した通り、本発明に係るノズルによれば、気体に電圧を印加させるための一対の電極のうちの一方を液体中に浸漬させることなく、液体中に送出させた状態の当該気体の内部においてプラズマを発生させるための放電を行うことが可能となる。これによれば、液体中に含ませる活性化気体の失活量の低減が可能となり、且つ、活性化気体生成時の電力損失の低減が可能となるため、相反する課題の解決が可能となる。このように、極めて効率よくプラズママイクロナノバブルを生成することが可能となる。
【００５２】
また、本発明に係るノズルを備えるワーク研磨装置によれば、含有される活性化気体の失活量が少ない研磨液を使用することができるため、特に、ＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンド等の高硬度材料のワークに対しても高能率に研磨を行うことが可能となる。
さらに、本発明に係るノズルを備えるワーク研磨装置によれば、プラズママイクロナノバブルを生成してから、プラズママイクロナノバブルを含む研磨液がワークに届くまでの時間を短縮できるため、研磨液の作用効果の安定化を図ることができ、研磨の再現性にも有利となる。
つまり、本発明は、研磨の再現性に有効であることから、高硬度材料の研磨における高精度化にも適していると言える。
【００５３】
なお、本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、本発明を逸脱しない範囲において種々変更可能である。特に、ワーク研磨装置を例に挙げて説明を行ったが、これに限定されるものではなく、各種ワーク加工装置に適用できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５４】
１、１Ａ、１Ｂ  ノズル
１２  液体流路
１２ａ  流入口
１２ｂ  吐出口
１２ｃ  中間流路
１２ｄ  芯材部
１４  気体流路
１４ａ  供給口
１４ｂ  送出口
１６  液体貯留部
１８  気体貯留部
２０  プラズマ発生機構
２２  第１電極
２４  第２電極
２６  電源
５０  ワーク研磨装置
５２  研磨ヘッド
５４  供給部
５６  定盤
５８  研磨部
６０、６２  シャフト
６４  研磨液供給機構
Ｗ  ワーク
【図１】
0006744618.tif 000002
【図２】
0006744618.tif 000003
【図３】
0006744618.tif 000004
【図４】
0006744618.tif 000005