DE102017205115A1 - Düse und werkstück-schleifvorrichtung - Google Patents

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Kazutaka Shibuya
Yoshio Nakamura
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Fujikoshi Machinery Corp
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Abstract

Eine Düse (1) gemäß der Erfindung umfasst einen Flüssigkeits-Strömungskanal (12), durch den eine Flüssigkeit strömt; einen Gasströmungskanal (14), durch den ein Gas strömt, wobei der Gasströmungskanal (14) mit dem Flüssigkeits-Strömungskanal (12) verbunden ist und das Gas in den Flüssigkeits-Strömungskanal (12) leitet; und einen Plasmaerzeugungsmechanismus (20) zum Erzeugen von Plasma in dem von dem Gasströmungskanal (14) in den Flüssigkeits-Strömungskanal (12) geleiteten Gas, wobei der Plasmaerzeugungsmechanismus (20) umfasst: eine erste Elektrode (22), die zur Innenseite des Flüssigkeits-Strömungskanals (12) freiliegt, eine zweite Elektrode (24), die nicht zur Innenseite des Flüssigkeits-Strömungskanals (12) freiliegt, jedoch zur Innenseite des Gasströmungskanals (14) freiliegt, und einer Spannungsquelle (26) zum Anlegen einer vorbestimmten Spannung an die erste Elektrode (22) und die zweite Elektrode (24), und wobei die Flüssigkeit, mit dem das Gas, das das erzeugte Plasma enthält, in Form von Blasen mit einem vorbestimmten Durchmesser gemischt ist, ausgespritzt wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düse und eine Werkstück-Poliervorrichtung und insbesondere eine Düse zur Abgabe einer Flüssigkeit, mit der ein Gas, das ein erzeugtes Plasma enthält, in Form von Blasen mit einem vorbestimmten Durchmesser gemischt ist, und eine Werkstück-Poliervorrichtung, die die Düse umfasst. In dieser Anmeldung wird Polieren in einem umfassenden Sinne verwendet, der auch Schleifen einschließt.
  • Stand der Technik
  • Obwohl ein Substrat (Werkstück) zur Herstellung von Halbleiterleistungsbauteilen geebnet werden muss, ist es schwierig, das Substrat unter Verwendung einer herkömmlichen mechanischen Bearbeitung wirksam zu ebnen, da ein Breitbandlücken-Halbleitersubstrat, das typischerweise Siliciumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder Diamant ist, hart und spröde ist.
  • Als Ergebnis einer umfassenden Studie durch die Erfinder dieser Anmeldung und ihresgleichen wurde herausgefunden, dass durch Polieren eines Werkstücks unter Verwendung einer Polierflüssigkeit, mit der ein Gas, das ein erzeugtes Plasma enthält, in Form feiner Blasen gemischt wird, das Werkstück durch eine zusätzliche chemische Politur und ein hartes Material wie SiC, GaN oder Diamant wirksam poliert werden kann (siehe PTL 1: JP-A-2015-186838 ).
  • Herkömmlich wird von einer Struktur ausgegangen, in der ein durch ein erzeugtes Plasma aktiviertes Gas im Voraus erzeugt und mit einer Polierflüssigkeit gemischt wird. Da jedoch in dieser Struktur zuvor eine Deaktivierung des aktivierten Gases im Voraus auftritt, verringert sich die Menge (das heißt die die Nutzungseffizienz) des Gases, das in dem aktivierten Zustand verwendet werden kann, und die gewünschten Poliereffekte können nicht erreicht werden.
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Die Erfinder fanden durch eine technische Analyse, dass das oben genannte Problem gelöst werden kann, wenn statt der oben beschriebenen Struktur eine Struktur verwendet wird, in der eine Entladung erzeugt wird, wenn in einer Polierflüssigkeit Gas enthalten ist. Die Düse und dergleichen, die in der PTL 2: JP-A-2014-079743 beschrieben sind, können als ein Beispiel dieser Struktur verstanden werden.
  • Das heißt, wenn statt der Struktur, in der ein aktiviertes Gas im Voraus hergestellt wird und das Gas mit einer Polierflüssigkeit gemischt wird, die in der obigen PTL 2 offenbarte Düse verwendet wird, kann eine Entladung in einer Polierflüssigkeit, die ein Gas enthält, erzeugt werden. Demzufolge kann der Grad einer Deaktivierung eines aktivierten Gases verringert werden, so dass eine Erhöhung der Nutzungseffizienz erwartet wird.
  • Da jedoch eine Entladung in einer Polierflüssigkeit erzeugt wird, die ein Gas enthält, und ein Paar Elektroden, die zur Erzeugung eines Stromflusses in die Flüssigkeit eingetaucht werden müssen, strömt der elektrische Strom direkt durch die Flüssigkeit und ein Leistungsverlust nimmt zu, was zu einer Verschlechterung des elektrischen Wirkungsgrades führt.
  • Lösung des Problems
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Düse bereitzustellen, die dazu geeignet ist, einander scheinbar widersprechende Ziele zu lösen: eine Verringerung der Grad einer Deaktivierung in einem aktivierten Gas, das in einer Flüssigkeit enthalten ist, einerseits und eine Verringerung eines Leistungsverlusts während der Herstellung eines aktivierten Gases anderseits.
  • Die Erfindung löst die Aufgabe unter Verwendung von Lösungen, die weiter unten beschrieben sind.
  • Eine Düse gemäß der Erfindung umfasst einen Flüssigkeits-Strömungskanal, durch den eine Flüssigkeit strömt; einen Gas-Strömungskanal, durch den ein Gas strömt, wobei der Gas-Strömungskanal mit dem Flüssigkeits-Strömungskanal verbunden ist und das Gas in den Flüssigkeits-Strömungskanal leitet; und einen Plasmaerzeugungsmechanismus zum Erzeugen von Plasma in dem von dem Gas-Strömungskanal in den Flüssigkeits-Strömungskanal geleiteten Gas, wobei der Plasmaerzeugungsmechanismus umfasst: eine erste Elektrode, die zur Innenseite des Flüssigkeits-Strömungskanals freiliegt, eine zweite Elektrode, die nicht zur Innenseite des Flüssigkeits-Strömungskanals freiliegt, jedoch zur Innenseite des Gas-Strömungskanals freiliegt, und einer Spannungsquelle zum Anlegen einer vorbestimmten Spannung an die erste Elektrode und die zweite Elektrode, und wobei die Flüssigkeit, mit der das Gas, das das erzeugte Plasma enthält, in Form von Blasen mit einem vorbestimmten Durchmesser gemischt ist, ausgespritzt wird.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • Mit der Düse gemäß der Erfindung ist es möglich, eine Düse zu realisieren, die dazu geeignet ist, eine Entladung zum Erzeugen von Plasma in einem einer Flüssigkeit zugeführten Gas durchzuführen, ohne ein paar von Elektroden in die Flüssigkeit zu tauchen. Dies kann einander scheinbar widersprechende Ziele zu lösen: eine Verringerung der Grad einer Deaktivierung in einem aktivierten Gas, das in einer Flüssigkeit enthalten ist, einerseits und eine Verringerung eines Leistungsverlusts während der Herstellung eines aktivierten Gases anderseits.
  • Ferner kann die Werkstück-Poliervorrichtung ein Werkstück aus einem harten Material wie insbesondere SiC, GaN oder Diamant wirksam polieren, da die Werkstück-Poliervorrichtung mit der Düse gemäß der Erfindung eine Polierflüssigkeit verwenden kann, die ein aktiviertes Gas mit einer geringeren Deaktivierung enthält.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer Düse gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 2 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer Düse gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 3 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer Werkstück-Poliervorrichtung gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 4 ist eine schematische Ansicht, die eine Modifikation der Werkstück-Poliervorrichtung gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • (Düse gemäß der ersten Ausführungsform)
  • Nachfolgend ist eine Düse 1 gemäß der Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. In allen Zeichnungen, die zur Beschreibung der Ausführungsform verwendet werden, sind Komponenten mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, um eine Wiederholdung der Beschreibung zu vermeiden.
  • Die Düse 1 spritzt eine Flüssigkeit aus, mit der ein Gas, das ein erzeugtes Plasma enthält, in Form von Blasen mit einem vorbestimmten Durchmesser gemischt ist. Wenn der Durchmesser der Blasen auf zum Beispiel etwa 10 nm bis 1000 μm eingestellt ist (als Mikro/Nano-Blasen bezeichnet), wird eine Flüssigkeit, mit der ein durch das erzeugte Plasma aktiviertes Gas in Form solcher Blasen (als Plasma-Mikro/Nano-Blasen bezeichnet) gemischt ist, gewonnen. Demzufolge ist es möglich, wenn, wie in einem weiter unten beschriebenen Beispiel, eine Polierflüssigkeit als die Flüssigkeit und die Düse 1 auf die Werkstück-Poliervorrichtung angewendet werden, sehr nützliche Bearbeitungseffekte wie etwa eine Verbesserung der Polierrate zu erhalten.
  • Eine Querschnittsansicht (schematische Ansicht) der Düse 1 (1A) gemäß der ersten Ausführungsform ist in 1 gezeigt. Die Düse 1 (1A) umfasst einen Flüssigkeits-Strömungskanal 12, durch den eine Flüssigkeit in einer Haupteinheit 10 strömt. Ferner umfasst die Düse 1 (1A) einen Gas-Strömungskanal 14, durch den ein Gas strömt und der mit dem Flüssigkeits-Strömungskanal 12 so verbunden ist, dass das Gas von einer Einleitungsöffnung 14b in den Flüssigkeits-Strömungskanal 12 geleitet wird. Die Innendurchmesser des Flüssigkeits-Strömungskanals 12 und des Gas-Strömungskanals 14 sind gemäß dem Anwendungszweck oder dergleichen in geeigneter Weise eingestellt.
  • Als ein Beispiel der oben beschriebenen Flüssigkeit wird Wasser, eine weitere Lösung, eine Behandlungsflüssigkeit oder dergleichen (wie etwa eine Polierflüssigkeit oder dergleichen, die in der oben beschriebenen Poliervorrichtung verwendet wird) angenommen. Ferner wird als ein Beispiel des oben beschriebenen Gases Luft, Sauerstoff, ein Inertgas, ein auf Fluor basierendes Gas oder dergleichen angenommen.
  • Zuerst sind die Struktur des Flüssigkeits-Strömungskanal 12 und die Struktur des Gas-Strömungskanal 14 beschrieben. Der Flüssigkeits-Strömungskanal 12 und der Gas-Strömungskanal 14 sind aus einem isolierenden Material (zum Beispiel einem keramischen Material) gebildet.
  • Der Flüssigkeits-Strömungskanal 12 hat eine Einströmungsöffnung 12a und eine Ausströmungsöffnung 12b. Der Einströmungsöffnung 12a wird eine von einer Flüssigkeitsspeichereinheit 16 über eine Flüssigkeitszuleitungsabschnitt (nicht gezeigt) wie etwa eine Pumpe, eine Leitung (nicht gezeigt) oder dergleichen bereitgestellte Flüssigkeit zugeführt. Die Ausströmungsöffnung 12b spritzt eine Flüssigkeit einer Flüssigkeit-Gas-Zweiphasenströmung, die das zu einem Zwischenabschnitt des Kanals geleitete Gas enthält, aus. Die Strömungsrichtung der Flüssigkeit ist durch einen Pfeil L in 1 gezeigt. Die von der Ausströmungsöffnung 12b ausgespritzte Flüssigkeit wird über eine Leitung oder dergleichen (nicht gezeigt) bereitgestellt und für einen vorbestimmten Zweck verwendet. Die gebrauchte Flüssigkeit kann so, wie sie ist, abgegeben werden oder kann gesammelt und durch die Flüssigkeitsspeichereinheit 16 rückgeführt (nicht gezeigt) werden.
  • Ferner kann an der Innenseite (an einer Innenwand) des Flüssigkeits-Strömungskanals 12 ein spiralförmiger (oder im Wesentlichen spiralförmiger) Vorsprung (nicht gezeigt) oder dergleichen in der Längsrichtung (Strömungsrichtung) als ein Mechanismus zur Erzeugung einer spiralförmigen Strömung angeordnet sein. Bei dieser Struktur nimmt die Flüssigkeit, die den Vorsprung durchströmt hat, eine spiralförmige Strömung an, um Blasen (das heißt Mikro/Nano-Blasen) mit einem vorbestimmt Durchmesser (von 10 nm bis 1000 μm) in einer hohen Rate zu erzeugen.
  • Ferner hat der Gas-Strömungskanal 14 eine Versorgungsöffnung 14a und die Einleitungsöffnung 14b. Der Versorgungsöffnung 14a wird über eine Leitung oder dergleichen (nicht gezeigt) Gas von einer Gasspeichereinheit 18 zugeführt. Die Einleitungsöffnung 14b leitet das Gas zu einem Zwischenabschnitt des Flüssigkeits-Strömungskanals 12. Die Strömungsrichtung des Gases ist durch einen Pfeil G in 1 gezeigt. Insbesondere ist die Einleitungsöffnung 14b ein Verbindungsabschnitt, in dem der Gas-Strömungskanal 14 mit dem Flüssigkeits-Strömungskanal 12 verbunden ist, und eine Öffnung, die in einer Innenwand des Flüssigkeits-Strömungskanals 12 gebildet ist.
  • Der Zuleitungsmechanismus zum Zuleiten (Zuströmen) des Gases verwendet eine Zuleitungskraft unter Verwendung des Drucks (Innendruck) der Gasspeichereinheit, wenn die Gasspeichereinheit 18 ein Hochdrucktank ist, eine Zuleitungskraft durch einen Zylinder oder eine Pumpe, eine Zuleitungskraft durch den Venturi-Effekt, der auftritt, wenn eine Flüssigkeit durch den Flüssigkeits-Strömungskanal 12 in Richtung der geöffneten Einleitungsöffnung 14b strömt, oder dergleichen (keine der Komponenten sind gezeigt).
  • In der oben beschriebenen Struktur kann die Flüssigkeit, mit der das Gas in Form von Blasen mit einem vorbestimmten Durchmesser gemischt ist (das heißt die Flüssigkeit (einer Flüssigkeit-Gas-Zweiphasenströmung), die die Mikro/Nano-Blasen mit einem Durchmesser von 10 nm bis 1000 μm enthält) von der Ausströmungsöffnung 12b ausgespritzt werden.
  • Ferner hat die Ausführungsform als ein charakteristisches Merkmal einen Plasmaerzeugungsmechanismus 20 zum Erzeugen von Plasma in dem in die Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Strömungskanal 12 von der Einleitungsöffnung 14b des Gas-Strömungskanal 14 eingeleiteten Gas. Insbesondere erzeugt der Plasmaerzeugungsmechanismus 20 Plasma (gezeigt durch einen Pfeil P) in dem Gas (das heißt dem Gas, das von der Einleitungsöffnung 14b in die Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Strömungskanal 12 eingeleitet wird, wie es in 1 gezeigt ist) an der Position der Einleitung von der Einleitungsöffnung 14b. Zu diesem Zeitpunkt wird der Druck so gehalten, dass verhindert wird, dass die Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Strömungskanal 12 von der Einleitungsöffnung 14b ins Innere (strömungsaufwärtsseitig der Gasströmungsrichtung) des Gas-Strömungskanals 14 gelangt.
  • Nachfolgend ist ein Beispiel der Struktur des Plasmaerzeugungsmechanismus 20 beschrieben. Der Plasmaerzeugungsmechanismus 20 gemäß der Ausführungsform umfasst die erste Elektrode 22, die ins Innere des Flüssigkeits-Strömungskanals 12 freiliegt und sich in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit befindet, die durch den Flüssigkeits-Strömungskanal 12 strömt. Ferner umfasst der Plasmaerzeugungsmechanismus 20 als eine Elektrode, die mit der ersten Elektrode 22 kombiniert wird, eine zweite Elektrode 24, die nicht ins Innere des Flüssigkeits-Strömungskanals 12 freiliegt, so dass sie sich nicht in Kontakt mit der Flüssigkeit befindet, die durch den Flüssigkeits-Strömungskanal 12 strömt, sondern ins Innere des Gas-Strömungskanals 14 freiliegt und sich in direktem Kontakt mit dem Gas befindet, das durch den Gas-Strömungskanal 14 strömt. Ferner umfasst der Plasmaerzeugungsmechanismus 20 eine Spannungsquelle 26, die eine vorbestimmte Spannung an die erste Elektrode 22 und die zweite Elektrode 24 anlegt. Die erste Elektrode 22 und die zweite Elektrode 24 sind außen mit einem isolierenden Material (zum Beispiel einem Keramikmaterial) bedeckt.
  • In der oben beschriebenen Struktur kann durch Anlegen einer vorbestimmten Spannung (zum Beispiel einer Hochspannung von etwa 1 kV bis 20 kV) an die erste Elektrode 22 und die zweite Elektrode 24 unter Verwendung der Spannungsquelle 26 in dem von der Einleitungsöffnung 14b in die Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Strömungskanal 12 eingeleiteten Gas ein Plasma erzeugt werden. Das heißt, es können Plasma-Mikro/Nano-Blasen erzeugt werden. Dies ermöglicht die Erzeugung verschiedener, gasspezifischer Radikale wie etwa OH-Radikale, so dass eine chemische Aktivierung gefördert und dadurch eine Oxidation, ein Ätzen und dergleichen möglich ist.
  • Die erste Elektrode 22 ist vorzugsweise an einer Position strömungsabwärts in der Flüssigkeitsströmungsrichtung (der durch den Pfeil L gezeigten Richtung) der Einleitungsöffnung 14b in dem Flüssigkeits-Strömungskanal 12 angeordnet.
  • Obwohl sich das Gas, das von der Einleitungsöffnung 14b in die Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Strömungskanal 12 eingeleitet wird, in der Strömungsrichtung der Flüssigkeit erstreckt, kann, da die oben beschriebene Struktur eine elektrische Potentialdifferenz in der Erstreckungsrichtung bewirken kann, Plasma über den gesamten Querschnitt innerhalb des Gases erzeugt werden.
  • Ferner ist die zweite Elektrode 24 vorzugsweise in einem vorbestimmten Abstand einer Länge X (zum Beispiel beträgt X etwa 1 mm bis 3 mm) von der Einleitungsöffnung 14b (das heißt dem Abschnitt, in dem der Gas-Strömungskanal 14 mit dem Flüssigkeits-Strömungskanal 12 verbunden ist) zur Innenseite (aufwärts in der Strömungsrichtung (der durch den Pfeil G angezeigten Richtung) der Flüssigkeit) des Gas-Strömungskanals 14 angeordnet. Der Wert des oben genannten X ist ein Beispiel und muss lediglich auf einen Wert eingestellt werden, um den Zustand zu halten, in dem sich die zweite Elektrode 24 nicht in Kontakt mit der Flüssigkeit befindet, die durch den Flüssigkeits-Strömungskanal 12 strömt, unter Berücksichtigung verschiedener Bedingungen wie etwa der Innendurchmesser des Gas-Strömungskanals 14, der Innendurchmesser des Flüssigkeits-Strömungskanals 12 und der Druck eines Gases, das durch den Gas-Strömungskanal 14 strömt.
  • Dadurch kann in dem Gas an der Position der Zuleitung von der Einleitungsöffnung 14b in die Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Strömungskanal 12 durch Anlagen einer Spannung unter Verwendung der zweiten Elektrode 24 und der ersten Elektrode 22 in Kontakt mit der Flüssigkeit Plasma erzeugt werden, während der Zustand aufrecht erhalten wird, in dem sich die zweite Elektrode 24 nicht in Kontakt mit der Flüssigkeit befindet, die durch den Flüssigkeits-Strömungskanal 12 strömt.
  • Wie es oben beschrieben ist, ist es möglich, die Struktur zu erhalten, in der eine vorbestimmte Spannung an das Gas an der Position der Einleitung von der Einleitungsöffnung 14b in die Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Strömungskanal 12 angelegt wird, eine (die zweite Elektrode 24) von dem Paar von Elektroden (die erste Elektrode 22 und die zweite Elektrode 24), die zur Erzeugung eines Stromflusses vorgesehen sind, in die Flüssigkeit einzutauchen. Demzufolge ist es möglich, das Problem zu lösen, das in der herkömmlichen Vorrichtung auftritt, in der beide von einem Paar von Elektroden in die Flüssigkeit eintauschen, der elektrische Strom direkt durch die Flüssigkeit fließt, ein Leistungsverlust groß wird und der elektrische Wirkungsgrad abnimmt.
  • Die zweite Elektrode 24 ist vorzugsweise aus einem porösen, leitenden Material gebildet. Zum Beispiel wird ein poröses Material aus einer rostfreien Legierung oder dergleichen verwendet. Da dies die Kontaktfläche zwischen der zweiten Elektrode 24 und dem Gas vergrößert, das durch den Gas-Strömungskanal 14 strömt und sich in Kontakt mit der zweiten Elektrode 24 befindet, kann die Effizienz der Plasmaerzeugung in dem Gas verbessert werden (die Menge des erzeugten Plasmas kann vergrößert werden).
  • (Düse gemäß der zweiten Ausführungsform)
  • Nachfolgend ist die Düse 1 (1B) gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Die grundlegende Struktur der Düse 1 (1B) gemäß der Ausführungsform ist die gleiche wie die der Düse 1 (1A) gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform. Jedoch weist die Düse 1 (1B) Unterschiede insbesondere in der Struktur des Flüssigkeits-Strömungskanals 12 und des Gas-Strömungskanals 14 auf. Nachfolgend sind im Wesentlichen die Unterschiede der Ausführungsform beschrieben.
  • Eine Querschnittsansicht (schematische Ansicht) der Düse 1 (1B) gemäß der zweiten Ausführungsform ist in 2 gezeigt. In der Düse 1 (1B) umfasst der Flüssigkeits-Strömungskanal 12 einen konischen Raum. Zum Beispiel hat die Spitze des Kegels einen Winkel von etwa 20 bis 45 Grad bezüglich der Mittelachse.
  • Als ein Mechanismus zur Erzeugung einer spiralförmigen Strömung in dem Flüssigkeits-Strömungskanal 12 ist ein Zwischenkanal 12c vorzugsweise um einen vorbestimmten Winkel bezüglich der Mittelachse geneigt. Dies bewirkt, dass die Flüssigkeit, die durch den Flüssigkeits-Strömungskanal 12 strömt, spiralförmig ausgebildet wird, wodurch die Erzeugung von Blasen (das heißt Mikro/Nano-Blasen) mit einem vorbestimmten Durchmesser (etwa 10 nm bis 1000 μm) mit einer hohen Rate ermöglicht wird. Obwohl der vorbestimmte Winkel auf zum Beispiel etwa 20 bis 60 Grad eingestellt ist, ist die Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt.
  • Hingegen durchdringt der Gas-Strömungskanal 14 einen konischen Kernmaterialabschnitt 12d, der die Innenwand des konischen Flüssigkeits-Strömungskanals 12 bildet. Ferner ist die Einleitungsöffnung 14b, durch die das Gas von dem Gas-Strömungskanal 14 in den Flüssigkeits-Strömungskanal 12 geleitet wird, an der Spitze des Kernmaterialabschnitts 12d angeordnet. Da dies das Gas unmittelbar, nachdem es in die Flüssigkeit eingeleitet wurde, in die Mitte einer spiralförmigen Strömung zwingt, können Mikro/Nano-Blasen effizient und stabil erzeugt werden.
  • Der Flüssigkeits-Strömungskanal 12 hat einen sich von der Position der Einleitungsöffnung 14b für das Gas in Richtung der Ausströmungsöffnung 12b verringernden Innendurchmesser. Dies bewirkt, dass die spiralförmige Strömung einer in dem Flüssigkeits-Strömungskanal 12 erzeugten Flüssigkeit-Gas-Zweiphasenströmung eine große Spiralgeschwindigkeit in Richtung der Ausströmungsöffnung 12b besitzt, wodurch Mikro/Nano-Blasen erzeugt werden.
  • (Werkstück-Poliervorrichtung)
  • Nachfolgend ist eine Werkstück-Poliervorrichtung 50 gemäß der Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Diese Werkstück-Poliervorrichtung 50 umfasst insbesondere die Düse 1 und verwendet eine Polierflüssigkeit, mit der Plasma-Mikro/Nano-Blasen gemischt werden. 3 ist eine schematische Ansicht, die die Werkstück-Poliervorrichtung 50 zeigt.
  • Diese Werkstück-Poliervorrichtung 50 poliert die Oberfläche eines durch einen Polierkopf 52 gehaltenen Werkstücks W durch Drücken des Werkstücks W gegen einen Polierabschnitt 58 der Oberfläche einer drehenden Oberflächenplatte 56, während die Polierflüssigkeit zugeführt wird. Ein konkretes Beispiel der Struktur ist nachfolgend beschrieben.
  • Zuerst wird die Oberflächenplatte 56 durch einen Drehmechanismus (nicht gezeigt) in einer horizontalen Ebene um eine Welle 60 gedreht. Die Oberfläche der Oberflächenplatte 56 ist als der Polierabschnitt 58 gebildet. Ein aus Stoff wie zum Beispiel einem Flies oder einem Stück Polyurethanharz hergestelltes Poliertuch wird an dem Polierabschnitt 58 befestigt. Alternativ kann der Polierabschnitt 58 zum Beispiel durch Einbetten spezieller Teilchen in die Oberfläche der Oberflächenplatte 56 gebildet sein.
  • Ferner hält der Polierkopf 52 das Werkstück W unter Verwendung eines doppelseitigen Klebebades oder durch Saugen auf seiner unteren Oberfläche fest. Bekannte Polierköpfe mit verschiedenen Strukturen können als der Polierkopf 52 verwendet werden. De Polierkopf 52 kann sich nach oben und nach unten bewegen und sich in einer horizontalen Ebene um eine Welle 62 drehen.
  • In Abhängigkeit von dem Material oder dergleichen des Werkstücks W können verschiedene bekannte Polierflüssigkeiten als die über die Versorgungseinheit 54 auf die Oberflächenplatte 56 aufzubringende Polierflüssigkeit verwendet werden. Die Versorgungseinheit 54 kann eine Pumpe, einen Regulator, ein Schaltventil und dergleichen, die nicht gezeigt sind, umfassen.
  • Als ein Mechanismus zum Zuführen der Polierflüssigkeit wird die Struktur, die direkt eine Polierflüssigkeit als die der Düse 1 zugeführte und von der Ausströmungsöffnung 12b ausgespritzte Flüssigkeit verwendet, betrachtet. In dieser Struktur kann eine Polierflüssigkeit, mit der Blasen (Plasma-Mikro/Nano-Blasen), die erzeugtes Plasma enthalten und einen vorbestimmten Durchmesser haben, gemischt sind, über die Versorgungseinheit 54 auf die Oberflächenplatte 56 aufgebracht werden. In diesem Fall wird vorzugsweise Luft, Sauerstoff, ein Inertgas, ein auf Fluor basierendes Gas oder eine Mischung aus diesen Gasen als das Gas verwendet.
  • Da in dieser Struktur Schleifkörner, die mit der Polierflüssigkeit gemischt sind, durch die Mikro/Nano-Blasen weiter gleichmäßig in der Polierflüssigkeit verteilt werden, kann das Werkstück W gleichmäßig poliert werden.
  • Da ferner die Polierflüssigkeit ein Gas enthält, das durch erzeugtes Plasma als feine Blasen (Plasma-Mikro/Nano-Blasen) mit vorbestimmtem Durchmesser aktiviert wird, wirken die Plasma-Mikro/Nano-Blasen direkt auf die Oberfläche des Werkstücks W und oxidieren und ätzen die Oberfläche des Werkstücks W. Die Oxidation und das Ätzen verschlechtern die Oberfläche des Werkstücks W, und es ist möglich, den Bearbeitungseffekt des Entfernens der verschlechterten Oberfläche durch mechanisches Polieren unter Verwendung der Polierflüssigkeit mit den Schleifkörnern zu erhalten.
  • Ferner sind die Plasma-Mikro/Nano-Blasen dazu geeignet, wenn sie geladen sind, mehrere OH–-Gruppen zu sammeln. Wenn Blasen in dem Zustand verschwinden, in dem es viele OH–-Gruppen gibt, können starke Effekte gewonnen werden, da die Aktivität von OH-Radikalen eine Oxidation und eine Ätzung bewirkt.
  • Das heißt, in der Ausführungsform kann das Werkstück W durch das Zusammenspiel zwischen mechanischer Politur (durch Mikro/Nano-Blasen gleichmäßig gemachtes mechanisches Polieren) durch Schleifkörner und chemischer Politur (durch Mikro/Nano-Blasen gleichmäßig gemachtes chemisches Polieren) durch ein durch erzeugtes Plasma aktiviertes Gas (Plasma-Mikro/Nano-Blasen) wirksam poliert werden, wobei, wenn die Blasen verschwinden, zusätzlich eine Oxidation und eine Ätzung durch Aktivierung von OH-Radikalen erreicht werden kann. Ferner können harte Materialien wie insbesondere SiC, GaN und Diamant poliert werden, da nicht nur mechanisches Polieren, sondern auch chemisches Polieren verursacht wird.
  • Hingegen wird in einer Modifikation der Werkstück-Poliervorrichtung 50 die Verwendung von Wasser (einschließlich Wasser, das ein vorbestimmtes Additiv enthält, Wasser, dessen pH-Wert eingestellt worden ist, und desgleichen) als die Flüssigkeit verwendet, die der Düse 1 zugeführt und von der Ausströmungsöffnung 12b ausgespritzt wird, erwogen. In dieser Struktur kann Wasser, mit dem Blasen (Plasma-Mikro/Nano-Blasen), die ein erzeugtes Plasma enthalten und einen vorbestimmten Durchmesser haben, gemischt sind, auf die Oberflächenplatte 56 aufgebracht werden, nachdem es mit der Polierflüssigkeit in der Versorgungseinheit 54 gemischt wurde (siehe 4). Das Bezugszeichen 64 in den Zeichnungen bezeichnet einen Polierflüssigkeit-Zuführungsmechanismus zum Zuführen der Polierflüssigkeit. Auch diese Modifikation liefert den Bearbeitungseffekt der oben beschriebene Struktur.
  • Untersuchungen durch die Erfinder dieser Anmeldung und ihresgleichen haben gezeigt, dass die Polierrate mindestens etwa verdoppelt wird bei einer Mischung aus 50% Wasser (Plasma-Mikro/Nano-Blasen-Wasser) mit Plasma-Mikro/Nano-Blasen und 50% der Polierflüssigkeit (inhomogen Dispersion), im Vergleich zu einer Mischung aus 50% Mikro/Nano-Blasen-Wasser und 50% inhomogene Dispersion. Selbst bei einer Mischung von 50% von einfachem Mikro/Nano-Blasen-Wasser und 50% inhomogener Dispersion wird die Polierrate höher als bei einer Verwendung von 100% inhomogener Dispersion.
  • Wie es oben beschrieben ist, ist es in der Düse gemäß der Erfindung möglich, eine Entladung zum Erzeugen von Plasma in einem in eine Flüssigkeit eingeleiteten Gas durchzuführen, ohne eine von einem Paar von Elektroden zum Anlegen einer Spannung an das Gas in die Flüssigkeit einzutauchen. Da dadurch der Grad einer Deaktivierung eines aktivierten Gases, das in der Flüssigkeit enthalten ist, und der Leistungsverlust, wenn das aktivierte Gas erzeugt wird, verringert werden können, können Widersprüche gelöst werden. Wie es oben beschrieben ist, können Plasma-Mikro/Nano-Blasen sehr wirksam erzeugt werden.
  • Da ferner die Werkstück-Poliervorrichtung mit der Düse gemäß der Erfindung eine Polierflüssigkeit verwenden kann, die ein aktiviertes Gas mit einer geringeren Deaktivierung enthält, kann die Werkstück-Poliervorrichtung wirksam ein Werkstück aus einem harten Material wie insbesondere SiC, GaN oder Diamant polieren.
  • Da ferner die Werkstück-Poliervorrichtung mit der Düse gemäß der Erfindung die Zeitspanne von der Erzeugung der Plasma-Mikro/Nano-Blasen bis dann, wenn die Polierflüssigkeit mit den Plasma-Mikro/Nano-Blasen das Werkstück erreicht, verkürzen kann, kann der Bearbeitungseffekt der Polierflüssigkeit stabilisiert werden, wodurch die Polierreproduzierbarkeit verbessert ist.
  • Das heißt, die Erfindung kann effektiv die Polierreproduzierbarkeit verbessern und ist dadurch zur Verbesserung der Poliergenauigkeit harter Materialien geeignet.
  • Die Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen begrenzt, sondern es können verschiedenen Modifikationen durchgeführt werden, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen. Insbesondere wird eine Werkstück-Poliervorrichtung als ein Beispiel verwendet, aber die Erfindung ist nicht auf das Beispiel begrenzt, sondern es ist klar, dass die Erfindung auf verschiedene Werkstückbearbeitungsvorrichtung anwendbar ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2015-186838 A [0003]
    • JP 2014-079743 A [0005]

Claims (7)

  1. Düse (1) mit: einem Flüssigkeits-Strömungskanal (12), durch den eine Flüssigkeit strömt; einem Gasströmungskanal (14), durch den ein Gas strömt, wobei der Gasströmungskanal (14) mit dem Flüssigkeits-Strömungskanal (12) verbunden ist und das Gas in den Flüssigkeits-Strömungskanal (12) leitet; und einem Plasmaerzeugungsmechanismus (20) zum Erzeugen von Plasma in dem von dem Gasströmungskanal (14) in den Flüssigkeits-Strömungskanal (12) geleiteten Gas, wobei der Plasmaerzeugungsmechanismus (20) umfasst: eine erste Elektrode (22), die zur Innenseite des Flüssigkeits-Strömungskanals (12) freiliegt, eine zweite Elektrode (24), die nicht zur Innenseite des Flüssigkeits-Strömungskanals (12) freiliegt, jedoch zur Innenseite des Gasströmungskanals (14) freiliegt, und einer Spannungsquelle (26) zum Anlegen einer vorbestimmten Spannung an die erste Elektrode (22) und die zweite Elektrode (24), und wobei die Flüssigkeit, mit dem das Gas, das das erzeugte Plasma enthält, in Form von Blasen mit einem vorbestimmten Durchmesser gemischt ist, ausgespritzt wird.
  2. Düse (1) nach Anspruch 1, wobei die Blasen einen Durchmesser von 10 nm bis 1000 μm haben.
  3. Düse (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Elektrode (24), die in einem Abstand von 1 mm bis 3 mm in Richtung der Innenseite des Gasströmungskanal (14) von der Einleitungsöffnung (14b) angeordnet ist, wobei die Einleitungsöffnung (14b) an einem Abschnitt angeordnet ist, an dem der Gasströmungskanal (14) mit dem Flüssigkeits-Strömungskanal (12) verbunden ist.
  4. Düse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Elektrode (24) aus einem porösen, leitenden Material hergestellt ist.
  5. Düse (1) nach Anspruch 3, wobei die erste Elektrode (22) strömungsabwärts der Einleitungsöffnung (14b) in dem Flüssigkeits-Strömungskanal (12) angeordnet ist.
  6. Werkstück-Poliervorrichtung (50) mit: der Düse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5; einer Oberflächenplatte (56) zum Polieren eines Werkstücks (W); und einer Versorgungseinheit (54) zum Aufbringen, auf die Oberflächenplatte (56), der Flüssigkeit, mit der das Gas, das das erzeugte Plasma enthält, in Form von Blasen mit einem vorbestimmten Durchmesser gemischt ist.
  7. Werkstück-Poliervorrichtung (50) nach Anspruch 6, wobei Luft, Sauerstoff, ein Inertgas oder ein auf Fluor basierendes Gas als das Gas verwendet wird.
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