CN107303653B - 喷嘴和工件研磨装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种喷嘴和工件研磨装置，能够减少液体中所含的活性化气体的灭活量，并且能够减少活性化气体生成时的电力损失。喷嘴(1)具备：液体流路(12)，其使液体流通；气体流路(14)，其使气体流通，并且与液体流路连通而使该气体送出到该液体流路内；和等离子体产生机构(20)，其在从气体流路送出到液体流路内的所述气体的内部产生等离子体，等离子体产生机构具有：第一电极(22)，其露出地配设在液体流路内；第二电极(24)，其不露出于液体流路内，并且露出地配设在气体流路内；和电源(26)，其向第一电极与第二电极之间施加规定电压，在使产生了等离子体的所述气体以规定直径的气泡混入到液体中的状态下使该液体排出。

Description

喷嘴和工件研磨装置
技术领域
本发明涉及喷嘴和工件研磨装置，更具体而言，涉及喷嘴和具备该喷嘴的工件研磨装置，其中，所述喷嘴喷出使产生了等离子体的气体作为规定直径的气泡而混入的液体。另外，本申请中的“研磨”作为包含“磨削”在内的广义含义来使用。
背景技术
在制造半导体功率器件方面必须使基板(工件)平坦，但由于以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石为代表的宽频带半导体基板又硬又脆，因此，通过以往的机械加工很难实现高效率的平坦化。
本申请发明人进行了深入研究，结果发现，通过使用使产生了等离子体的气体以微小气泡混入而成的研磨液来进行工件的研磨，不仅能够施加化学研磨作用来对工件高效率地进行研磨，还能够进行SiC、GaN、金刚石等高硬度材料的研磨(参照专利文献1)。
以往，设想了预先生成通过产生等离子体而活性化的气体、并使该气体混合到研磨液中来使用的结构。但是，根据该结构，存在这样的课题：由于活性化气体的灭活在进行，因此，能够以活性化状态使用的气体的量、即使用效率降低，无法得到所希望的研磨效果。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-186838号公报
专利文献2：日本特开2014-079743号公报
为了解决该课题，本申请发明人想到了通过采用在研磨液的液体中含有气体时发生放电的结构来代替上述的结构以解决该课题的技术思想。作为该结构的示例，专利文献2所述的喷嘴等可成为研究对象。
即，若采用上述的专利文献2中例示的喷嘴，则能够使含有气体的研磨液的液体中发生放电而非预先生成活性化的气体后使其混合到研磨液中的结构。因此，能够减少活性化气体的灭活量，并可期待提高使用效率的效果。
但是，另一方面，由于是在含有气体的研磨液的液体中发生放电的结构，因而是使设置为通电用的一对电极双方浸渍到液体中的结构，因此，产生这样的相反的课题：电流直接流到液体中，电力损失增大，电力的利用效率变差。
发明内容
本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于，实现能够减少液体中所含的活性化气体的灭活量、并且可解决能够减少活性化气体生成时的电力损失这样的相反课题的喷嘴。
本发明利用如下所述的解决手段来解决上述课题。
本发明的喷嘴的要点在于，该喷嘴具备：液体流路，其使液体流通；气体流路，其使气体流通，并且与所述液体流路连通而使该气体送出到该液体流路内；和等离子体产生机构，其在从所述气体流路送出到所述液体流路内的所述气体的内部产生等离子体，所述等离子体产生机构具有：第一电极，其露出地配设在所述液体流路内；第二电极，其不露出于所述液体流路内，并且露出地配设在所述气体流路内；和电源，其向所述第一电极与所述第二电极之间施加规定电压，在使产生了所述等离子体的所述气体作为规定直径的气泡混入到所述液体中的状态下使该液体排出。
发明效果
根据本发明的喷嘴，无需使一对电极的一方浸渍到液体中就能够实现可进行用于在送出到液体中的状态的气体的内部产生等离子体的放电的喷嘴。由此，可解决能够减少液体中所含的活性化气体的灭活量并且能够减少活性化气体生成时的电力损失这样的相反课题。
此外，根据本发明的具备喷嘴的工件研磨装置，由于能够使用含有的活性化气体的灭活量少的研磨液，因此，特别是即使对SiC、GaN、金刚石等高硬度材料的工件也能够高效率地进行研磨。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施方式的喷嘴的示例的概略图。
图2是示出本发明的第二实施方式的喷嘴的示例的概略图。
图3是示出本发明的实施方式的工件研磨装置的示例的概略图。
图4是示出本发明的实施方式的工件研磨装置的变形例的概略图。
具体实施方式
(喷嘴的第一实施方式)
下面，参照附图对本发明的实施方式的喷嘴1详细地进行说明。另外，在用于说明实施方式的所有图中，对具有相同功能的部件标注相同的标号，有时省略其重复的说明。
该喷嘴1是在使产生了等离子体的气体作为规定直径的气泡混入到液体中的状态下使该液体喷出的喷嘴。例如，若将气泡的直径设定成约为10[nm]～1000[μm](称为“微纳米气泡”)，则能够得到通过产生等离子体而活性化的气体作为该气泡(称为“等离子体微纳米气泡”)而被混入的状态下的液体。因此，若如后述的示例那样使用该液体作为研磨液而在工件研磨装置中应用喷嘴1，则能够得到提高研磨率等极有用的作用效果。
这里，图1中示出了第一实施方式的喷嘴1(1A)的剖视图(概略图)。该喷嘴1(1A)在主体部10中设置有使液体流通的液体流路12。并且，设置有气体流路14，该气体流路14使气体流通，并与液体流路12连通而将该气体从送出口14b送出到液体流路12内。另外，液体流路12和气体流路14的内径是根据用途等适当地设定的。
此外，作为上述液体的示例，可想到水、其它药液、处理液等(用于前述的研磨装置的研磨液等)。另一方面，作为上述气体的示例，可想到空气、氧气、惰性气体、氟系气体等。
首先，对液体流路12和气体流路14的结构进行说明。另外，液体流路12和气体流路14采用绝缘材料(作为一个示例是陶瓷件)形成。
液体流路12具有：流入口12a，其使从液体储存部16经由泵等送液部和配管等(均未图示)而被供给的液体流入；和喷出口12b，其使该液体作为混合有在流路中途被送出的气体的气液二相流的液体而喷出。在图1中，用箭头L示出了液体的流通方向。另外，从喷出口12b被喷出的液体经由配管等(未图示)而被供给并被用于规定的用途。这里，使用后的液体既可以直接废弃，或者也可以回收而在液体储存部16中循环(未图示)。
此外，在液体流路12的内部(内壁)，也可以沿长度方向(流通方向)设置螺旋状(或者依照其的形状)的突起(未图示)等作为回旋流产生机构。由此，流通的液体可成为回旋流而以高比例产生规定直径的气泡(直径约为10[nm]～1000[μm]的气泡)即微纳米气泡。
另一方面，气体流路14具有：供给口14a，其从气体储存部18经由配管等(未图示)而被供给气体；和前述的送出口14b，其在液体流路12的中途送出该气体。在图1中，用箭头G示出了气体的流通方向。更具体而言，送出口14b是气体流路14与液体流路12连接的连接部，并且具有在液体流路12的内壁开口的形状。
另外，作为进行气体的送出(流通)的送出机构，可以考虑采用在气体储存部18是高压箱的情况下的其压力(内压)产生的送出力、气缸、泵的送出力、或者通过液体在开口有送出口14b的液体流路12内流通而产生的文丘里效应的送出力等的机构(均未图示)。
根据以上结构，能够使作为规定直径的气泡而混入有气体的状态下的液体、即含有直径为10[nm]～1000[μm]的微纳米气泡的液体(气液二相流)从喷出口12b喷出。
接着，作为本实施方式中特征性的结构，设置有等离子体产生机构20，该等离子体产生机构20在从气体流路14的送出口14b送出到液体流路12内的液体中的气体的内部产生等离子体。更具体而言，该等离子体产生机构20是使从送出口14b被送出的位置处的气体、即如图1所示从送出口14b被送出到液体流路12内的液体中的状态下的气体内部产生等离子体(利用箭头P图示)的机构。另外，此时，液体流路12内的液体被保持在不进入到比送出口14b靠气体流路14的内侧(气体流通方向的上游侧)的压力状态。
这里，对等离子体产生机构20的构成例进行说明。本实施方式的等离子体产生机构20首先具有第一电极22，该第一电极在液体流路12内露出地配设而与在该液体流路12内流通的液体直接接触。此外，作为与第一电极22成对的电极而具有第二电极，该第二电极在该液体流路12内不露出以避免与在液体流路12内流通的液体接触，并且在气体流路14内露出地配设而与在该气体流路14内流通的气体直接接触。并且，具有向第一电极22与第二电极24之间施加规定电压的电源26。该第一电极22和第二电极24各自的周围被绝缘材料(作为一个示例是陶瓷件)覆盖。
根据以上结构，通过由电源26向第一电极22与第二电极24之间施加规定电压(作为一个示例是约为1[kV]～20[kV]的高电压)，从而能够在从送出口14b被送出到液体流路12内的液体中的状态下的气体内部产生等离子体。即，能够生成等离子体微纳米气泡。由此，能够根据气体的种类而生成OH基等各种基种，因此，能够被化学活性化而产生氧化作用、蚀刻作用等。
另外，第一电极22优选在液体流路12内配设于比送出口14b靠液体流通方向(箭头L方向)的下游侧的位置。
由此，从送出口14b被送出到液体流路12内的液体中时的气体成为沿液体的流通方向伸长的形状，但由于能够在其伸长方向上产生电位差，因此，能够在该气体内部的整个区域中产生等离子体。
此外，第二电极24优选配设在从送出口14b(即，气体流路14与液体流路12连接的部位)向气体流路14的内侧(气体的流通方向(箭头G方向)的上游侧)离开规定长度X(作为一个示例是X＝1[mm]～3[mm]左右)的位置。另外，上述X的尺寸是一个示例，考虑气体流路14内径尺寸、液体流路12内径尺寸、在气体流路14内流通的气体的压力等各条件而设定成能够保持第二电极24不与在液体流路12内流通的液体接触的状态的尺寸即可。
由此，第二电极24保持不与在液体流路12内流通的液体接触的状态，并且能够通过该第二电极24和与液体接触的第一电极22对从送出口14b被送出到液体流路12内的液体中的位置处的气体施加电压，从而在该气体内部产生等离子体。
这样，能够实现如下结构：无需使设置为通电用的一对电极(第一电极22、第二电极24)中的一方(第二电极24)浸渍在液体中，就能够对从送出口14b被送出到液体流路12内的液体中的位置处的气体施加规定电压。因此，能够解决如一对电极双方被浸渍在液体中的现有装置那样被施加的电流直接流到液体中而电力损失变大、电力的利用效率变差的课题。
另外，第二电极24优选使用多孔质的导电材料而形成。作为一个示例，可采用由不锈钢合金等构成的多孔质件。由此，能够增加第二电极24与在气体流路14内流通而与第二电极24接触的气体的接触面积，因此，能够提高该气体的等离子体的产生效率(增加产生量)。
(喷嘴的第二实施方式)
接着，对本发明的第二实施方式的喷嘴1(1B)进行说明。本实施方式的喷嘴1(1B)与前述的第一实施方式的喷嘴1(1A)的基本结构相同，但特别是在液体流路12、气体流路14的结构上具有不同点。下面，以该不同点为中心对本实施方式进行说明。
图2示出了第二实施方式的喷嘴1(1B)的剖视图(概略图)。该喷嘴1(1B)的液体流路12构成为具有呈圆锥形状的空间部。作为一个示例，圆锥的顶部角度被设定成相对于中心轴线约为20[°]～45[°]。
这里，作为液体流路12的回旋流产生机构，优选的结构是，将中间流路12c配设成相对于中心轴线偏离规定角度的方向。由此，在液体流路12内流通的液体成为回旋流，能够以高比例产生规定直径的气泡(直径约为10[nm]～1000[μm]的气泡)即微纳米气泡。另外，作为一个示例，该规定角度被设定成约为20[°]～60[°]，但不限于此。
另一方面，气体流路14是贯通构成圆锥形状的液体流路12的内壁部分的圆锥形状的芯材部12d的内部而形成的。并且，将气体从气体流路14内送出到液体流路12内的送出口14b被配设在芯材部12d的顶点部。由此，能够得到气体被送出到液体中后立即使该气体存在于旋回流的中心的作用，因此，能够高效率且稳定地产生微纳米气泡。
另外，液体流路12的内径形成为：从气体的送出口14b的位置起，越是接近喷出口12b的位置直径越小。由此，在液体流路12中产生的气液二相流的回旋流越是接近喷出口12b的位置越能够提高回旋速度，并越能够得到产生更微小的微纳米气泡的效果。
(工件研磨装置)
接着，对本发明的实施方式的工件研磨装置50进行说明。该工件研磨装置50的特征在于，特别是具备喷嘴1，并且使用混入有等离子体微纳米气泡的状态的研磨液作为研磨液。图3中示出了工件研磨装置50的概略图。
该工件研磨装置50是从供给部54供给研磨液的同时将被保持于研磨头52的工件W表面按压到旋转的定盘56的表面的研磨部58来进行研磨的装置。下面，对具体的构成示例进行说明。
首先，定盘56借助于未图示的旋转机构以轴60为中心在水平面内旋转。定盘56的表面形成于研磨部58。研磨部58是粘贴由例如无纺布、聚氨酯树脂片等构成的研磨布而形成的。或者研磨部58也可以通过将特殊的粒子嵌在定盘56的表面而形成等方法构成。
此外，研磨头52利用双面带或抽吸作用等将工件W保持在下表面。研磨头52可以使用各种结构的公知的研磨头。研磨头52可上下活动，并且以轴62为中心在水平面内旋转。
此外，经由供给部54被供给到定盘56上的研磨液可根据工件W的材料等而使用各种公知的研磨液。另外，供给部54也可以构成为适当地具备未图示的泵、调整器、开闭阀等。
这里，作为供给研磨液的机构的示例，可以考虑直接使用研磨液作为被供给到喷嘴1而从喷出口12b被喷出的液体。由此，能够将从喷嘴1喷出的、混入有产生了等离子体的规定直径的气泡(等离子体微纳米气泡)的状态的研磨液经由供给部54供给到定盘56上。此时，作为气体，适合使用空气、氧气、惰性气体、氟系气体或这些的混合气体。
由此，能够得到如下作用：被混入到研磨液中的磨粒通过微纳米气泡的作用而在研磨液中进一步均匀地被分散，因此，能够实现工件W的均匀研磨。
并且，由于产生等离子体而被活性化的气体作为规定直径的微小气泡(等离子体微纳米气泡)而被混入到研磨液中，因此，该等离子体微纳米气泡直接作用于工件W表面，能够使工件W表面受到氧化作用及蚀刻作用。通过该氧化作用及蚀刻作用，可得到这样的作用效果：工件W表面变质，该变质层通过混入有磨粒的研磨液的机械研磨作用被除去。
此外，等离子体微纳米气泡的气泡具有在带电时OH-更多地集中的趋势，可以考虑到，当从该OH-较多的状态起气泡消失时，通过利用OH基的活性带来氧化作用及蚀刻作用，从而可得到较强的效果。
即，在本实施方式中，能够通过磨粒的机械研磨作用(通过微纳米气泡被均匀化的机械研磨作用)与产生等离子体而活性化的气体(等离子体微纳米气泡)的化学研磨作用(通过微纳米气泡被均匀化的化学研磨作用)的相互作用来对工件W高效率地进行研磨，并且，还加上气泡消失时的OH基的活性产生的氧化和蚀刻作用。此外，由于不仅产生机械研磨作用，还产生化学研磨作用，因此，也能够进行SiC、GaN、金刚石等高硬度材料的研磨。
另一方面，作为工件研磨装置50的变形例，可考虑使用水(包括添加有规定的添加剂的水、进行PH调整后的水等)作为被供给到喷嘴1而从喷出口12b被喷出的液体。由此，能够使从喷嘴12喷出的、混入有产生了等离子体的规定直径的气泡(等离子体微纳米气泡)的状态下的水在供给部54中与研磨液混合而供给到定盘56上(参照图4)。另外，图中的标号64是供给研磨液的研磨液供给机构。通过该变形例也能够得到与前述的结构同样的作用效果。
根据本申请发明人的研究可知，在混入有等离子体微纳米气泡的状态的水(等离子体微纳米气泡水)50:研磨液(悬浊液)50的情况下，与仅微纳米气泡水50:悬浊液50的情况相比，能够得到约2倍程度以上的研磨率。另外，附带说，即使是仅微纳米气泡水50:悬浊液50的情况下，与仅悬浊液100％的情况相比，也可得到研磨率提高这样的结果。
如以上说明的那样，根据本发明的喷嘴，无需使用于对气体施加电压的一对电极的一方浸渍到液体中就能够进行用于在送出到液体中的状态的该气体的内部产生等离子体的放电。由此，能够减少液体中所含的活性化气体的灭活量，并且可减少活性化气体生成时的电力损失，因此，能够解决相反的课题。这样，能够极其高效率地生成等离子体微纳米气泡。
此外，根据本发明的具备喷嘴的工件研磨装置，由于能够使用含有的活性化气体的灭活量少的研磨液，因此，特别是即使对SiC、GaN、金刚石等高硬度材料的工件也能够高效率地进行研磨。
并且，根据本发明的具备喷嘴的工件研磨装置，由于能够缩短从生成等离子体微纳米气泡后直至含有等离子体微纳米气泡的研磨液到达工件的时间，因此，能够实现研磨液的作用效果的稳定化，也有利于研磨的重复性。
即，由于本发明对研磨的重复性有效，因此，也可以说本发明适于高硬度材料的研磨的高精度化。
另外，本发明不限于以上说明的实施例，在不脱离本发明的范围内可进行各种变更。特别是列举工件研磨装置为例进行了说明，但不限于此，当然可应用于各种工件加工装置。

Claims (8)

1.一种喷嘴，其特征在于，
该喷嘴具备：
液体流路，其使液体流通；
气体流路，其使气体流通，并且与所述液体流路连通而使该气体送出到该液体流路内；
回旋流产生机构，其使在所述液体流路内流通的液体产生回旋流；和
等离子体产生机构，其在从所述气体流路送出到所述液体流路内的所述气体的内部产生等离子体，
所述回旋流产生机构被配设成，使得所述液体流路的中间流路朝向相对于中心轴线偏离规定角度的方向，
所述等离子体产生机构具有：
第一电极，其露出地配设在所述液体流路内；
第二电极，其不露出于所述液体流路内，并且露出地配设在所述气体流路内；和
电源，其向所述第一电极与所述第二电极之间施加规定电压，
在使产生了所述等离子体的所述气体作为规定直径的气泡混入到所述液体中的状态下使该液体排出。
2.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，
所述气泡的直径为10nm～1000μm。
3.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，
所述第二电极配设在从送出口向该气体流路的内侧离开1mm～3mm的位置，该送出口设置在所述气体流路与所述液体流路连接的部位。
4.根据权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，
所述第二电极配设在从送出口向该气体流路的内侧离开1mm～3mm的位置，该送出口设置在所述气体流路与所述液体流路连接的部位。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的喷嘴，其特征在于，
所述第二电极采用多孔质的导电材料形成。
6.根据权利要求3或4所述的喷嘴，其特征在于，
所述第一电极在所述液体流路内配设于比所述送出口靠下游侧的位置。
7.一种工件研磨装置，其特征在于，
该工件研磨装置具备权利要求1至6中的任一项所述的喷嘴和对工件进行研磨的定盘，
所述工件研磨装置还具备供给部，该供给部向所述定盘上供给从所述喷嘴喷出的、作为规定直径的气泡而混入有产生了所述等离子体的所述气体的状态下的所述液体。
8.根据权利要求7所述的工件研磨装置，其特征在于，
所述工件研磨装置采用空气、氧气、惰性气体、氟系气体作为所述气体。
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