JP2018125549A - 加工方法及び加工装置 - Google Patents
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Abstract
Description
上記の目的を達成するために、本発明の加工方法は、金属酸化物で構成された加工部材を被加工物と接触させ、接触部位にオゾンガスを供給すると共に、前記加工部材を前記被加工物に接触させた状態で変位させる工程を備える。
そして、表面の帯電状態が安定化した加工部材と被加工物を接触させた状態で相対的に変位させることによって、加工部材及び被加工物の表面の帯電状態を制御した上で被加工物の表面を物理・化学的に加工することができる。
2GaN+3H2O⇔Ga2O3+2NH3
また、アルカリ性電解水は、取扱い時の安全性が高く、比較的容易に生成可能であるため、加工方法を安全かつより簡易なものにできる。なお、ここでいうアルカリ性電解水とは、pHが9.0以上のアルカリ性の水を意味するものである。
また、上記の目的を達成するために、本発明に係る加工装置は、金属酸化物で構成された加工部材と、所定の被加工物を加工部材と接触させて保持する保持機構と、加工部材及び被加工物との接触部位にオゾンガスを供給するオゾンガス供給部と、加工部材と被加工物を接触させた状態で、加工部材を変位させる駆動部とを備える。
そして、表面の帯電状態が安定化した加工部材と被加工物を接触させた状態で相対的に変位させることによって、加工部材及び被加工物の表面の帯電状態を制御した上で被加工物の表面を物理・化学的に加工することができる。
2GaN+3H2O⇔Ga2O3+2NH3
また、アルカリ性電解水は、取扱い時の安全性が高く、比較的容易に生成可能であるため、加工方法を安全かつより簡易なものにできる。なお、ここでいうアルカリ性電解水とは、pHが9.0以上のアルカリ性の水を意味するものである。
上記の目的を達成するために、本発明の加工方法は、加工部材、若しくは、同加工部材で加工される被加工物の少なくとも一方に、陽イオン、若しくは、陰イオンの少なくとも一方を供給して帯電量を制御すると共に、前記加工部材と前記被加工物を接触させた状態で相対的に変位させる工程を備える。
そして、表面の帯電状態が安定化した加工部材と被加工物を接触させた状態で相対的に変位させることによって、加工部材及び被加工物の表面の帯電状態を制御した上で被加工物の表面を物理・化学的に加工することができる。
また、上記の目的を達成するために、本発明に係る加工装置は、加工部材と、該加工部材、若しくは、同加工部材で加工される被加工物の少なくとも一方に、陽イオン、若しくは、陰イオンの少なくとも一方を供給して帯電量を制御する帯電処理部と、所定の被加工物を保持する保持機構と、前記加工部材と前記被加工物を接触させた状態で、前記加工部材と同被加工物を相対的に変位させる駆動部とを備える。
以下、本発明を実施するための形態(以下、「発明の第1の実施の形態」と称する)について説明する。
図1は本発明を適用した加工装置を説明するための模式図であり、ここで示す加工装置1は、サファイア定盤2と、単結晶ダイヤモンド3を保持する試料ホルダー4を有している。また、加工装置1は、サファイア定盤2と単結晶ダイヤモンド3との接触部位にオゾンガスを供給するオゾン供給部5を有している。なお、単結晶ダイヤモンド4は被加工物の一例である。
本発明を適用した加工方法及び加工装置は、加工部材と被加工物の接触部位、即ち、被加工物の加工がなされる位置で、オゾンの熱分解により生じる原子状酸素を利用するものであるため、紫外光を照射する装置に比べ、加工部材の表面をより均一に処理可能なものとなっている。この結果、より安定的かつ高い加工精度を実現しうるものとなっている。
一方、本発明を適用した加工方法では、砥粒を利用していないためにスラリーが供給されることもなく、加工部材や被加工物が乾いた状態であり、摩擦熱も含めて温度が上がり易く化学反応が進みやすい。即ち、難加工材料の高精度、高能率な加工が実現することができる。
本発明の実施例1の加工方法として、以下の条件で加工を行った。先ず、本発明の実施例1の加工方法として、サファイア定盤に被加工物として単結晶ダイヤモンド(3mm×3mm)を2kg(22.2kg/cm2)の荷重で押圧し、サファイア定盤を回転数250rpm、揺動距離3mm、揺動速度0.1mm/sの条件で回転させると共に、試料ホルダーを1000rpmで回転させた。また、オゾン供給部よりサファイア定盤と単結晶ダイヤモンドとの接触部位にオゾンガス(5L/min)を供給した。この様な状況で1.5時間の加工を行った。
実施例1と同様の方法で、オゾン供給部によるオゾン供給を行わないものを比較例1とした。
また、上述した実施例1の加工方法の装置構成に紫外光光源を更に設置して、サファイア定盤に上方から、紫外光(172nm)を照射強度6mW/cm2の条件で照射しながら、オゾン供給部によるオゾン供給を行わないものを比較例2とした。
上記の実施例1及び比較例1〜2について、加工後の単結晶ダイヤモンドの表面粗さを非接触形状測定機で測定し、評価を行った。
また、図3及び図4から明らかなように、比較例2の被加工物の加工面に比べ、実施例1の加工により、被加工物の加工面がより精度高く加工されていることが分かった。
なお、比較例2の被加工面の測定範囲における算術平均粗さ(Ra)の値は0.177nmであった。
上述した実施例1及び比較例1〜2の加工方法による加工能率について以下の内容で確認を行った。
被加工物となる単結晶ダイヤモンドに所定の深さの溝を形成しておき、加工前後での溝の深さの変化量から加工能率を算出した。
一方、比較例1における加工能率は33.3nm/hであった。また、比較例2における加工能率は238.1nm/hであった。
[実施例2及び比較例3]
本発明の実施例2の加工方法として、以下の条件で加工を行った。先ず、本発明の実施例2の加工方法として、ソーダ石灰ガラス(soda-lime glass)定盤に被加工物としてSiC基板(Single-crystal 4H-SiC 4°off)(2インチ)を3kgの荷重で押圧し、ソーダ石灰ガラス定盤を回転数200rpm、揺動距離6mm、揺動速度0.1mm/sの条件で回転させると共に、試料ホルダーを30rpmで回転させた。また、紫外光光源を設置し、ソーダ石灰ガラス定盤に上方から、紫外光(172nm)を照射強度6mW/cm2の条件で照射した。また、オゾン供給部よりソーダ石灰ガラス定盤とSiC基板との接触部位にオゾンガス(5L/min)を供給した。この様な状況で2時間の加工を行った。なお、ソーダ石灰ガラスは、SiO2を主成分とするガラスの一例である。
実施例2の加工方法を実施する前の同一サンプルに対して、ダイヤモンド砥粒を用いて機械研磨したものを比較例3とした。
上記の実施例2及び比較例3について、加工後のSiC基板の表面粗さを非接触形状測定機で測定し、評価を行った。
上述した実施例2及び比較例3の加工方法による加工能率について、上記(2)と同様の内容で加工能率を算出した。
[実施例3及び比較例4]
本発明の実施例3の加工方法として、以下の条件で加工を行った。先ず、本発明の実施例3の加工方法として、アルミナセラミックス定盤に被加工物としてGaN基板(10mm×10mm)を250g(250g/cm2)の荷重で押圧し、アルミナセラミックス定盤を回転数250rpm、揺動距離10mm、揺動速度0.5mm/sの条件で回転させると共に、試料ホルダーを250rpmで回転させた。また、オゾン供給部よりアルミナセラミックス定盤とGaN基板との接触部位にオゾンガス(5L/min)を供給した。この様な状況で1時間の加工を行った。
実施例3の加工方法を実施する前の同一サンプルに対して、ダイヤモンド砥粒を用いて機械研磨したものを比較例4とした。
上記の実施例3及び比較例4について、加工後のGaN基板の表面粗さを非接触形状測定機で測定し、評価を行った。
本発明の実施例4の加工方法として、以下の条件で加工を行った。先ず、本発明の実施例4の加工方法として、ガラス定盤に被加工物としてGaN(窒化ガリウム)(10mm×10mm)を0.5kgの荷重で押圧し、ガラス定盤を回転数200rpm、揺動距離3mm、揺動速度0.1mm/sの条件で回転させると共に、試料ホルダーを31.25rpmで回転させた。また、オゾン供給部よりガラス定盤とGaNとの接触部位に、pH9.4のアルカリ性電解水を含有させたオゾンガス(5L/min)を供給した。この様な状況で1時間の加工を行った。
上記の実施例4について、加工前と加工後のGaNの表面粗さを非接触形状測定機で測定し、評価を行った。
以下、本発明を実施するための形態(以下、「発明の第2の実施の形態」と称する)について説明する。
図11は本発明を適用した加工装置を説明するための模式図であり、ここで示す加工装置11は、絶縁性の合成石英定盤12と、合成石英定盤12の帯電量を変化させる帯電ユニット13と、絶縁性の単結晶ダイヤモンド14を保持する試料ホルダー15を有している。なお、帯電ユニット13は帯電処理部の一例であり、単結晶ダイヤモンド14は被加工物の一例である。
本発明を適用した加工装置は、帯電ユニットを既存の装置に配置するのみで容易に構築することができるものとなっている。
一方、本発明を適用した加工方法では、砥粒を利用していないためにスラリーが供給されることもなく、加工部材や被加工物が乾いた状態であり、摩擦熱も含めて温度が上がり易く化学反応が進みやすい。即ち、難加工材料の高精度、高能率な加工が実現することができる。
[実施例5〜7及び比較例5〜7]
本発明の実施例5の加工方法として、以下の条件で加工を行った。先ず、本発明の実施例5の加工方法として、サファイア定盤に被加工物として単結晶ダイヤモンド(3mm×3mm)を2kg(22.2kg/cm2)の荷重で押圧し、サファイア定盤を回転数250rpm、揺動距離3mm、揺動速度0.1mm/sの条件で回転させると共に、試料ホルダーを1000rpmで回転させた。また、サファイア定盤の上方から帯電ユニットより陰イオンを供給した。また、加湿ユニットによりサファイア定盤の上方から加湿処理を施した。この様な状況で1.5時間の加工を行った。
実施例5と同様の方法で、帯電ユニットより陽イオンを供給したものを実施例6とした。
未加工の単結晶ダイヤモンドを比較例5とした。
また、実施例5と同様の方法で陰イオンまたは陽イオンの供給を行わず、加湿処理をしないものを比較例6とした。即ち、サファイア定盤の帯電量は制御せず、加工部材と被加工物の相対的な変位による物理的な加工のみを施す方法である。
更に、比較例6と同様の方法で、加湿ユニットによりサファイア定盤の上方から加湿処理を施したものを比較例7とした。
上記の実施例5〜6及び比較例5〜7について、走査型白色干渉計にて被加工面の表面粗さを評価した。なお、測定範囲は696μm×522μmである。
また、図示しないが、実施例6の加工においても被加工物の加工面が精度高く加工され、被加工面の測定範囲における算術平均粗さ(Ra)の値は0.341nmであり、平滑に加工されていたことが分かった。
一方、陰イオンまたは陽イオンの供給を行わない比較例6の加工では、被加工面の測定範囲における算術平均粗さ(Ra)の値は2.595nmであった。
上述した実施例5〜6及び比較例6〜7の加工方法による加工能率について以下の内容で確認を行った。
被加工物となる単結晶ダイヤモンドに所定の深さの溝を形成しておき、加工前後での溝の深さの変化量から加工能率を算出した。
一方、比較例6における加工能率は23.2nm/hであった。また、比較例7における加工能率は99.7nm/hであった。
[実施例7〜8及び比較例8]
本発明の実施例7の加工方法として、上述した実施例5の加工方法の装置構成に紫外光光源を更に設置して、サファイア定盤に紫外光を照射する条件で加工を行った。また、実施例7では、実施例5と同様に、サファイア定盤の上方から帯電ユニットより陰イオンを供給した。また、加湿ユニットによりサファイア定盤の上方から加湿処理を施した。その他の条件は実施例5と同一である。
実施例7と同様の方法で、帯電ユニットより陽イオンを供給したものを実施例8とした。
未加工の単結晶ダイヤモンドを比較例8とした。
上記の実施例7〜8及び比較例8について、走査型白色干渉計にて被加工面の表面粗さを評価した。なお、測定範囲は696μm×522μmである。
また、図示しないが、実施例8の加工においても被加工物の加工面が精度高く加工され、被加工面の測定範囲における算術平均粗さ(Ra)の値は0.924nmであり、平滑に加工されていたことが分かった。
上述した実施例7〜8及び比較例9〜10の加工方法による加工能率について以下の内容で確認を行った。
比較例9は、実施例7の加工方法において紫外光の照射及び加湿処理は行うが、帯電ユニットからの陰イオンの供給を行わない方法である。即ち、サファイア定盤の帯電量は制御せず、紫外光の照射のみを行う加工である。なお、その他の加工条件は実施例7の加工方法と同一である。
また、比較例9と同様の方法で、加湿ユニットによりサファイア定盤の上方から加湿処理を行わないものを比較例10とした。
被加工物となる単結晶ダイヤモンドに所定の深さの溝を形成しておき、加工前後での溝の深さの変化量から加工能率を算出した。
一方、比較例9における加工能率は543.4nm/h以上であった。また、比較例10における加工能率は238.1nm/hであった。
加工能率は、上述したように、あらかじめ被加工物である単結晶ダイヤモンドに溝の加工を行っており、加工前後の溝の深さの変化量により算出しようとしたものであるが、実施例7及び比較例9の加工では単結晶ダイヤモンドの溝が消失したため、実施例7の加工能率の数値は、「3741.4nm/h以上」、比較例9の加工能率は、「543.4nm/h以上」として表記している。
[実施例9〜11及び比較例11]
本発明の実施例9の加工方法として、上述した実施例5の加工方法の装置構成から帯電ユニットを除き(加湿処理も行わず)、かつ、加工部材をサファイア定盤から合成石英定盤に変更し、定盤と被加工物である単結晶ダイヤモンドとの接触部位である加工点近傍にN2ガスを供給したものを実施例9とした。この様な状況で1.5時間の加工を行った。
実施例9と同様の方法で、加湿ユニットより加湿処理を施したものを実施例10とした。
実施例10と同様の方法で、帯電ユニットより陰イオンを供給したものを実施例11とした。
また、実施例9の加工方法からN2ガスの供給を行わなかったものを比較例11とした。
上記の実施例9〜11及び比較例11について、表面電位計により合成石英定盤の表面電位を測定して、帯電量を評価した。
上述した実施例9〜11及び比較例11について、上述した方法と同様の内容で、走査型白色干渉計にて被加工面の表面粗さを評価した。
また、図22及び図23に示すように、実施例10及び実施例11の加工では、被加工物の加工面がより一層精度高く加工され、実施例6の被加工面の測定範囲における算術平均粗さ(Ra)の値は0.184nmであり、また、実施例11の被加工面の測定範囲における算術平均粗さ(Ra)の値は0.149nmであり、平滑に加工されていたことが分かった。
上述した実施例9〜11及び比較例11について、上述した方法と同様の内容で、加工能率を評価した。
一方、比較例11における加工能率は38.33nm/hであった。
2 サファイア定盤
3 単結晶ダイヤモンド
4 試料ホルダー
5 オゾン供給部
6 加工テーブル
7 回転軸
11 加工装置
12 合成石英定盤
13 帯電ユニット
14 単結晶ダイヤモンド
15 試料ホルダー
16 加工テーブル
17 回転軸
18 加工装置
19 紫外光光源
Claims (6)
- 金属酸化物で構成された加工部材を被加工物と接触させ、接触部位にアルカリ性溶液を含有するオゾンガスを供給すると共に、前記加工部材を前記被加工物に接触させた状態で変位させる工程を備え、
前記加工部材は、アルミナセラミックスまたはSiO2を主成分とするガラスのうちいずれか1つからなり、
前記被加工物は、GaNからなる
加工方法。 - 金属酸化物で構成された加工部材を被加工物と接触させ、接触部位にオゾンガスを供給すると共に、前記加工部材を前記被加工物に接触させた状態で変位させる工程を備え、
前記加工部材は、アルミナセラミックスまたはSiO2を主成分とするガラスのうちいずれか1つからなり、
前記被加工物は、GaNからなり、
前記加工部材、若しくは、前記被加工物の少なくとも一方に、陽イオン、若しくは、陰イオンの少なくとも一方を供給して帯電量を制御する
加工方法。 - 前記オゾンガスがアルカリ性電解水を含有する
請求項1に記載の加工方法。 - 金属酸化物で構成された加工部材と、
所定の被加工物を前記加工部材と接触させて保持する保持機構と、
前記加工部材及び前記被加工物との接触部位にアルカリ性溶液を含有するオゾンガスを供給するオゾンガス供給部と、
前記加工部材と前記被加工物を接触させた状態で、前記加工部材を変位させる駆動部とを備え、
前記加工部材は、アルミナセラミックスまたはSiO2を主成分とするガラスのうちいずれか1つからなり、
前記被加工物は、GaNからなる
加工装置。 - 金属酸化物で構成された加工部材と、
所定の被加工物を前記加工部材と接触させて保持する保持機構と、
前記加工部材及び前記被加工物との接触部位にオゾンガスを供給するオゾンガス供給部と、
前記加工部材と前記被加工物を接触させた状態で、前記加工部材を変位させる駆動部と、
前記加工部材、若しくは、前記被加工物の少なくとも一方に、陽イオン、若しくは、陰イオンの少なくとも一方を供給して帯電量を制御する帯電処理部とを備え、
前記加工部材は、アルミナセラミックスまたはSiO2を主成分とするガラスのうちいずれか1つからなり、
前記被加工物は、GaNからなる
加工装置。 - 前記オゾンガスがアルカリ性電解水を含有する
請求項4に記載の加工装置。
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