(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド，グラファイト，炭化ケイ素から選ばれた非金属材料を光触媒粒子と接触させ、光触媒粒子のバンドギャップより大きなエネルギーをもつ光を照射させ、励起した光触媒粒子の光触媒反応で生成するラジカルにより非金属材料の炭素を酸化させることによりその表面をエッチングすることを特徴とする光触媒を用いた加工方法。
【請求項２】
砥粒を光触媒粒子と混合して非金属材料の表面に接触させる請求項１記載の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光触媒反応を利用してダイヤモンド，グラファイト，炭化ケイ素から選ばれる難加工材料を加工する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンド，炭化ケイ素，窒化珪素等は、室温の化学エッチングで加工することは困難な材料である。高温の化学エッチングで加工できるものの、微細加工や取扱い等に難点がある。そのため、ダイヤモンド砥粒等の硬質砥粒を用いた研磨や、高温に加熱した被加工材を超硬工具等で加工する方法が採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、硬質砥粒を用いた研磨では長時間を要し、生産性が低い。高温加熱した被加工材を加工する方法では、加熱された被加工材が変質しやすく、加工条件の制御が困難である。また、グラファイトに代表される脆性材料では、加工時に加えられる応力で材料破壊が生じやすいため微細加工が困難である。レーザビームやイオンビームを用いた加工法も知られているが、何れも大掛かりで高価な装置を必要とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、光触媒反応で生成するラジカルの強い酸化力を利用することにより、複雑で高価な設備を必要とすることなく室温での加工を可能とし、しかも加工精度よく短時間で且つ容易に選択加工することを目的とする。
【０００５】
本発明の加工方法は、その目的を達成するため、ダイヤモンド，グラファイト，炭化ケイ素から選ばれた非金属材料を光触媒粒子と接触させ、光触媒粒子のバンドギャップより大きなエネルギーをもつ光を照射させ、励起した光触媒粒子の光触媒反応で生成するラジカルにより非金属材料の表面をエッチングすることを特徴とする。砥粒を光触媒粒子と混合して非金属材料の表面に接触させて研磨すると、ダイヤモンド，グラファイト，炭化ケイ素から選ばれる難加工材料も容易に研磨できる。
【０００６】
【作用】
ＴｉＯ2，ＺｎＯ，ＷＯ3，ＦｅＴｉＯ3，ＳｒＴｉＯ3等の光触媒は、バンドギャップより高いエネルギーの光が照射されると、価電子帯の電子が伝導帯に励起されることにより価電子帯にホールが生成する。ホールは、酸化力の強い水酸化物ラジカルや酸素分子ラジカルを表面に生成し、有機化合物を酸化分解する。この特性を利用し、有害有機化学物質の分解除去，抗菌等、種々の環境浄化に光触媒が使用されている。
【０００７】
本発明者の研究によるとき、ラジカルの強い酸化力は、有機物質の酸化分解に限ったものでなく、化学的に極めて安定な物質と扱われているダイヤモンドや炭化ケイ素に対しても発現されることが判った。すなわち、光触媒をダイヤモンドや炭化ケイ素と接触させて光照射すると、光触媒の表面に生成した酸化力の強いラジカルがダイヤモンドや炭化ケイ素表面の炭素が酸化されることを見出した。
【０００８】
実際、ダイヤモンドに光触媒を接触させて光照射すると、ダイヤモンドがエッチング或いは研磨される。また、ダイヤモンド粉末，酸化クロム粉末，酸化アルミニウム粉末等の砥粒に光触媒粒子を混合してダイヤモンドに接触させ、光照射しながら機械研磨すると、ダイヤモンドが容易に研磨される。加工されたダイヤモンドの表面を観察すると、光触媒と接触した部分だけがエッチング又は研磨されている。このことは、光触媒の塗布パターンに応じた選択的加工が可能なことを意味する。或いは、光照射パターンによっても必要とする選択的加工が可能になる。また、ダイヤモンドに限らず、グラファイト、炭化ケイ素等の難加工材も同様にして加工される。
【０００９】
ダイヤモンドを微細加工できることは、半導体デバイスの作製に当たり種々の長所をもたらす。すなわち、従来では、一旦作製されたダイヤモンド薄膜の微細加工が困難であるため、成膜時に目的に応じた形状にダイヤモンド薄膜を基板上に形成している。これに対し、本発明では基板上のダイヤモンド薄膜が微細加工され、基板自体を加工する際にダイヤモンド薄膜が保護膜として働く。したがって、シリコン基板上に形成したダイヤモンド薄膜をミクロンレベルで選択的にエッチング除去しておくことにより、シリコンのミクロンレベルでのデザインが可能となる。また、たとえば光スイッチの半導体等としてダイヤモンド薄膜を使用する場合、ミクロンレベルでのデザインも容易である。ダイヤモンド薄膜を微小電極として使用する場合でも、目的に応じた形状の電極が容易に作製される。或いは、切削工具として使用されるダイヤモンドの刃先をミクロンレベルで選択的にエッチングでき、目的に応じた刃先が作製される。
【００１０】
【実施例１】
図１に示すように、２０ｍｍ×２０ｍｍ，厚み０．５ｍｍのシリコン基板１上にマイクロ波プラズマ法で膜厚１０μｍのダイヤモンド薄膜２を成膜した。粒径３０ｎｍのアナターゼ型ＴｉＯ2粒子１０ｍｇをダイヤモンド薄膜２の上に塗布し、長さ１０ｍｍ，幅１ｍｍの帯状光触媒層３を形成した。次に、５００Ｗの高圧水銀ランプを光源に使用し、ＴｉＯ2のバンドギャップエネルギー３．０に相当する波長４００ｎｍより大きなエネルギーの波長を含む光ビームＬをダイヤモンド薄膜２に照射した。光照射を１時間継続した後、ダイヤモンド薄膜２から帯状光触媒層３を除去し、ダイヤモンド薄膜２の表面を観察した。
その結果、帯状光触媒層３で覆われていた部分だけエッチングされており、エッチング深さは約０．１μｍであった。
【００１１】
【実施例２】
図２に示すように、実施例１と同じダイヤモンド薄膜２を形成したシリコン基板１を直径５０ｍｍの回転円盤４の中心に固定し、回転軸５を介して伝達される動力で回転円盤４を毎秒５回転で回転させた。研磨工具としては、断面３ｍｍ×２ｍｍ，長さ１００ｍｍの石英ロッド６の先端に、粒径３０ｎｍのアナターゼ型ＴｉＯ2粒子１０ｇ及び粒径０．１μｍのＡｌ2Ｏ3粒子１０ｇを混合分散させた研磨布７を取り付けたものを使用した。水で湿らした研磨布７を回転しているシリコン基板１のダイヤモンド薄膜２に押し付け、ダイヤモンド薄膜２に研磨布７が接触する部分に波長４００ｎｍ（エネルギー３．０ｅＶ）より大きなエネルギーの波長を含む光ビームＬを照射しながら、ダイヤモンド薄膜２を研磨した。１時間研磨した後、ダイヤモンド薄膜２の表面を観察すると、研磨前に０．５μｍであった表面粗さが０．１μｍになっていた。
【００１２】
比較のため、ＴｉＯ2粒子を分散させていない研磨布７を使用する他は同じ条件下で研磨したところ、１時間研磨後のダイヤモンド薄膜２は、研磨前と同じ表面粗さ０．５μｍであった。また、実施例２において光照射を省略した場合でも、同様にダイヤモンド薄膜２の表面粗さに変化がなかった。この対比から明らかなように、光触媒をダイヤモンド薄膜２と接触させて光照射するとき、代表的な難加工材料として扱われてきたダイヤモンドであっても、室温で研磨できることが確認された。
【００１３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は、光触媒を被加工材と接触させて光照射することにより、接触界面に生起する光触媒反応で生じる水酸化物ラジカル，酸素分子ラジカル等の強い酸化力で被加工材を酸化分解することにより、ダイヤモンド，グラファイト、炭化ケイ素から選ばれる難加工材料の室温加工を可能にしている。しかも、光触媒が存在し且つ光照射された部分だけが加工されるため、ミクロンオーダーの選択的な微細加工も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１において、シリコン基板上に形成したダイヤモンド薄膜をエッチングしている状態の説明図。
【図２】実施例２において、ダイヤモンド薄膜を光ビームＬを照射しながら研磨している状態の説明図。
【符号の説明】
１：シリコン基板
２：ダイヤモンド薄膜
３：帯状光触媒層
４：回転円盤
５：回転円盤の回転軸
６：石英ロッド
７：研磨布
Ｌ：光ビーム
【図１】
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【図２】
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