JPH07166375A

JPH07166375A - プラズマｃｖｍ研磨加工用電極

Info

Publication number: JPH07166375A
Application number: JP19377393A
Authority: JP
Inventors: Takenori Tani; 健徳谷
Original assignee: Research Development Corp of Japan; Osaka Fuji Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Osaka Fuji Corp
Priority date: 1993-08-04
Filing date: 1993-08-04
Publication date: 1995-06-27

Abstract

(57)【要約】【構成】反応性ガスおよび不活性ガスの混合ガスに１
気圧以上の圧力下に高周波電圧を印加して生成させたプ
ラズマラジカルにより被加工物表面を反応研磨加工する
ための加工用電極であって、被加工物表面に放射口が対
向する導電性のノズル部と、このノズル部に連設される
中空ディストリビュータ部と、ディストリビュータ部に
混合ガスを供給するケーシング部とを有し、ディストリ
ビュータ部とケーシング部とは混合ガスの供給孔によっ
て連通され、この供給孔はディストリビュータ部および
ノズル部の中心軸に対して傾斜配置されており、供給孔
を通じて供給された混合ガスはディストリビュータ部お
よびノズル部内に旋回流を生成し、高周波電圧がノズル
部に印加されて被加工物表面に旋回ガス流のプラズマラ
ジカルが放射される。【効果】プラズマＣＶＭ加工の特徴を生かし、しかも加
工パターンが明確で、堆積物の付着を抑え、精度の良い
効率的研磨加工を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、プラズマＣＶＭ研磨
加工用電極に関するものである。さらに詳しくは、この
発明は、セラミックス、半導体等の難加工脆性材料であ
っても精密研磨加工の可能なプラズマＣＶＭ加工におい
て有用な、加工パターンを明瞭とし、加工の精度および
効率ともに向上させることのできるプラズマＣＶＭ研磨
加工用の電極に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】近年の材料工学の発展には目
覚ましいものがあり、新しい時代の産業技術を拓くため
の基盤技術として、多様な機能性材料、高性能材料の提
供において極めて重要な地歩を築いてきている。この材
料工学の著しい発展とともに、新素材の利用において欠
くことのできない加工技術についての重要性の認識も高
まってきている。このことは、たとえば機能性材料を加
工する場合には、材料本来の性能を損うことなく加工す
るために、結晶学的な乱れをもたらすことなく加工する
ことは切実な課題になってきていることに理由がある。
つまり、材料の結晶学的な原子、分子レベルでの視点で
の超精密加工技術の進展が欠かせないものとなっている
のである。

【０００３】しかしながら、今日の状況を見るに、依然
として、一般に採用されている加工については、研削や
ラッピングという古典的加工法が機械加工において主流
であり、新しい時代が要請する超精密加工としてはとて
も満足できるものではない。それと言うのも、これらの
古典的機械加工法では、材料のマクロな破壊現象を利用
したものであることから、加工表面の結晶学的な制御性
がなく、確率的に仕上加工層を上回る非常に深いダメー
ジを与えてしまい、材料本来の優れた性能を劣化させる
ことになる。そのため高度な信頼性が要求される分野へ
の応用は困難である。たとえば、切断に関しては、ダイ
ヤモンドホイールによるダイシング加工法を用いた場
合、その加工原理は微細クラックによる脆性破壊である
ため、切断面を厚さ１００μｍ程度除去しなければ、残
留するクラックにより使用に耐える表面とはならない。
また、研磨加工に関しては、砥粒を用いた従来の方法を
用いた場合も、脆性破壊を加工原理としている以上、前
述の問題を解決でき得ていない。さらにまた、レーザの
熱的溶融現象を利用した穴加工及び溝加工等において
も、加工面に熱的変質層が残るという問題があった。

【０００４】このような状況に鑑みて、この出願の発明
者らは、これまでにない全く新しい加工法をすでに提案
している。これは、結晶学的な制御性を十分考慮し、更
に多くの材料への適用性及び高能率性まで考慮した加工
法としてのＣＶＭ(ChemicalVaporization Machining)
法である。この加工法は、極在した真に化学的な反応を
利用し、加工物の表面に確率的要因として製品の信頼性
を低下させていた残留クラック及び熱的変質層等の欠陥
を全く生じさせず、しかも空間分解能の高い高精度の加
工を行うことのできるラジカル反応による無歪精密加工
法である。

【０００５】ここでＣＶＭとは、電気陰性度の大きい原
子を励起状態にして、より化学反応性の強い中性ラジカ
ルに変えて固体と反応させ、これを揮発性物質に変えて
除去を行う加工法のことである。そして、このＣＶＭの
ための具体的方法の一つとして、この発明の発明者ら
は、高周波プラズマを用いることをもすでに提案した。
すなわち、反応ガスを含む１気圧以上の高圧の気体雰囲
気中に配した被加工物の近傍に、電極に印加した高周波
電圧によって不活性ガスに基づくプラズマを発生させ、
その荷電粒子及び電子によって反応ガスを励起して反応
性に富んだ中性ラジカルを生成し、この中性ラジカルと
被加工物を構成する原子又は分子とのラジカル反応によ
って生じた揮発性物質を気化させて加工部分から除去す
ることにより、被加工物の切断加工、平面加工等の加工
を行うのである。

【０００６】この場合、反応ガス及び不活性ガスを含む
雰囲気気体の圧力は、１気圧以上の高圧力に設定してい
るので、発生するプラズマは電極近傍に限定され、また
中性ラジカルの分布もこの電極近傍に限定され、そのた
め加工精度が高く、微細な加工も行える。また、高周波
電源の周波数と、加工用電極に印加される電圧と、加工
用電極と被加工物間の加工ギャップとを、少なくとも不
活性ガスに基づくイオンが該加工ギャップ内に捕捉され
るように設定することで、加工ギャップ内でプラズマに
よって反応ガスを励起して中性ラジカルを効率良く生成
するとともに、電界によって高速に加速されたイオンが
被加工物に衝突してスパッタリングを生じないようにす
る。

【０００７】以上のプラズマＣＶＭ加工は、これまでに
ない高精度な精密加工法として注目されているところで
ある。しかしながら、その実用化に際しては、さらに工
夫、改良すべき点もその後明らかになってきた。その一
つの課題としてプラズマＣＶＭ加工用の電極があった。
それと言うのも、これまでは、主として切断加工用電極
としてはワイヤ状電極を、また研磨用電極としては平板
状電極を提案していたが、被加工物表面の研磨加工にお
いては、平板状電極、さらにはワイヤ状電極は、被加工
物の種類や表面の性状によっては必ずしも充分に満足で
きるものでなく、より精度が良く、効率に優れ、しかも
加工パターンの識別をより明瞭とすることのできる電極
構造の実現が望まれていた。

【０００８】ただ、この電極については、プラズマＣＶ
Ｍ加工特有の課題としてガスのプラズマ励起と、生成ラ
ジカルによる被加工物表面との反応のための加工条件、
加工状態そのものが密接に関係していることから、新し
い電極構造を実現することはそれほど容易ではなかっ
た。この発明は、以上の通りの背景からなされたもので
あって、プラズマＣＶＭ研磨加工の優れた特徴をさらに
生かし、加工パターンがより明瞭で、高精度、高効率で
の研磨加工が可能な新しい電極を提案することを目的と
している。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、反応性ガスおよび不活性ガスの
混合ガスに１気圧以上の圧力下に高周波電圧を印加して
生成させたプラズマラジカルにより被加工物表面を反応
研磨加工するための加工用電極であって、被加工物表面
に放射口が対向する導電性のノズル部と、このノズル部
に連設される中空ディストリビュータ部と、ディストリ
ビュータ部に混合ガスを供給するケーシング部とを有
し、ディストリビュータ部とケーシング部とは混合ガス
の供給孔によって連通され、この供給孔はディストリビ
ュータ部およびノズル部の中心軸に対して傾斜配置され
ており、供給孔を通じて供給された混合ガスは、ディス
トリビュータ部およびノズル部内に旋回流を生成し、高
周波電圧がノズル部に印加されて被加工物表面に旋回ガ
ス流のプラズマラジカルが放射されることを特徴とする
プラズマＣＶＭ研磨加工用電極を提供する。

【００１０】そして、この発明においては、さらに、上
記のノズル部とディストリビュータ部とが一体成形され
てなることや、ノズル部には電極用ロッドが挿入配置さ
れてなること、さらにはノズル部は冷却用ジャケット部
を備えてなること等をその好ましい態様の一つとして提
供する。

【００１１】

【作用】この発明の電極では、上記の構成によって、デ
ィストリビュータ部およびノズル部内に旋回ガス流が生
成され、この旋回ガス流によるプラズマラジカルがノズ
ル放射口より放射されることになる。このため、この旋
回流による渦生成は、噴出されるガスの被加工物表面に
至る距離をより長くし、渦状に流れ出させるため、プラ
ズマラジカルの生成が進み、ラジカルの増大とそれにと
もなう加工量の増加がもたらされることになる。また、
ガスの渦流によって、被加工物表面の加工部位には横方
向に流れ出す力が作用するため、反応物の面付着を防止
してその除去を促し、滑らかな表面を生成させ、加工パ
ターンをより明瞭なものとする。

【００１２】以下、この発明の実施例を示し、さらに詳
しくこの発明のプラズマＣＶＭ研磨加工用電極について
説明する。

【００１３】

【実施例】添付した図面の図１、図２および図３は、い
ずれもこの発明の電極例を示した一部断面表示の側面図
と断面図である。たとえばまず、図１に例示したこの発
明のプラズマＣＶＭ研磨加工用電極は、導電性のノズル
部（１）とこのノズル部に連設されるディストリビュー
タ部（２）と、ディストリビュータ部（２）にプラズマ
生成のための反応性ガスと不活性ガスとの混合ガスを供
給するためのケーシング部（３）とを有し、さらにケー
シング部（３）の外側にはカバー部（４）をも有してい
る。そして、この例においては、ノズル部（１）内に
は、電極用ロッド（５）として、たとえば黒鉛棒が挿入
配置されている。

【００１４】導電性のノズル部（１）の放射口（１１）
には被加工物表面（６）が対向し、ノズル部（１）の内
部空間は、放射口（１１）に向って漸縮小してもいる。
この構造において、ディストリビュータ部（２）とケー
シング部（３）との間は、ケーシング部（４）のカバー
部（４）の導入口（４１）より導入した混合ガスを、分
配部（４２）を介してディストリビュータ部（２）内の
空間に供給するための供給孔（２１）により連通されて
いる。そして、この供給孔（２１）は、その複数個、た
とえば図１のように３個がディストリビュータ部（２）
およびノズル部（１）の中心軸に対して傾斜されて配置
されている。

【００１５】傾斜角についてはこの例においては４５°
としているが、水平、垂直方向それぞれに適宜としても
よい。このため、ディストリビュータ部（２）の供給孔
（２１）より供給された混合ガスは、ディストリビュー
タ部（２）およびノズル（１）内に旋回流を生成させ
る。被加工物表面（６）にはこの旋回流によるプラズマ
ラジカルが放射口（１１）より放射されることになる。

【００１６】混合ガスによる旋回流の生成は、強制渦流
の生成に相当するものである。図１の例の場合には、電
極用ロッド（５）としての黒鉛棒と接地された黒鉛製等
の導電性のノズル（１）との間に高周波電圧が印加さ
れ、混合ガスによるプラズマは、ノズル（１）内におい
て発生することになる。このため、このノズル（１）内
において発生したプラズマからのラジカルは、ノズル
（１）の放射口（１１）より被加工物表面（６）に放射
され、これを反応研磨することになる。

【００１７】図１の例をその意味で内部プラズマ発生型
電極と呼ぶとすると、図２の例は、外部プラズマ発生型
電極と呼ぶことができる。なぜならば、この図２の例の
場合には、ノズル（１）内には、図１のような電極用ロ
ッド（５）は配置されておらず、ノズル（１）と、接地
された被加工物表面（６）との間に高周波電圧が印加さ
れて、ノズル（１）の放射口（１１）近傍域にプラズマ
が発生し、ラジカルが生成されて、このラジカルが反応
研磨することになるからである。

【００１８】図３はまた別の電極例を示している。この
図３の例においては、図１および図２のように、ノズル
（１）と別体のディストリビュータ（２）を設けること
はしていない。ノズル（１）とディストリビュータ
（２）とは一体化成形されており、混合ガス供給孔（２
１）は、ノズル（１）内に直接設けられている。このた
め、構造の簡素化が図られている。

【００１９】混合ガスは、ケーシング（３）の分配部
（４２）から、供給孔（２１）を通じてノズル（１）内
に供給され、この供給時に、図１および図２の例と同時
に旋回流が生成されることになる。また、図３の場合に
は、図１および図２のようにカバー部（４）は用いてい
ない。そして、ケーシング部（３）には、ノズル（１）
を囲むように水冷ジャケット部（３１）を設けている。

【００２０】もちろん、冷却のためのジャケット部は、
さらに別の配置でもよく、水冷以外にも他の冷媒を使用
するようにしてもよい。絶縁部（７）を介してノズル
（１）内に挿入配置した電極用ロッド（５）に循環水に
よる冷却構造を形成してもよい。この図３の例の場合に
は、電極用ロッド（５）と、接地されたケーシング
（３）およびノズル（１）との間に高周波電圧を印加し
て、ノズル（１）内にプラズマを発生させてもよいし
（Ａ）、あるいは、ケーシング（３）およびノズル
（１）と接地された被加工物表面（６）との間に高周波
電圧を印加して、ノズル（１）の放射口（１１）近傍域
にプラズマを発生させるようにしてもよい（Ｂ）。

【００２１】以上の図１〜３のいずれの場合にも、プラ
ズマは、高周波電圧の印加によって、旋回流として渦を
形成している混合ガスによって生じている。もちろん、
プラズマの発生は、放電やレーザ照射などで実現できる
が、本発明の加工原理であるプラズマＣＶＭでは、電極
と被加工物との間に高周波電界をかけることにより、電
離度の小さい弱電離プラズマを得る。弱電離プラズマ内
の粒子は、大部分が中性ラジカルとなっており、この活
性化した中性ラジカルとの表面反応を利用して加工を行
うのである。この時、残り少数の荷電粒子が不必要に大
きな運動エネルギーを持ち、それが被加工物との衝突に
よって熱エネルギーに変わり、またスパッタリングを生
じるのを防ぐため、電極に印加される電圧はプラズマを
持続させるのに必要最小限にすることが重要である。

【００２２】高周波電圧の周波数を上げると、電極間に
存在する電子やイオンは電界の変化に追従できなくな
り、電極に到達できなくなる。これを電子、イオンの捕
捉というが、この状態では被加工物への電子、イオンの
衝突が殆どないため、加工は純粋に化学的作用のみによ
って起こり得る。また、高周波電界を用いた場合、荷電
粒子の捕捉と同時に、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃のような絶
縁体の加工が可能となる。さらに、機械加工では困難で
あったセラミックスの加工を無歪に行えるようになる。

【００２３】なお、この発明でも、電極としては、反応
性雰囲気内において腐食されてはならず、各反応ガスに
対して耐蝕性をもつ材料を電極として使用し、又は電極
表面にコーティングすることが必要である。それと言う
のもプラズマＣＶＭでは、ヘリウム、アルゴン等の不活
性ガスとともにフッ素系、塩素系等の腐食性ガス雰囲気
で加工が行われるため、加工用電極には耐食性のある適
切な材料を用いる必要があるからである。

【００２４】電極材料としては、フッ素系の反応ガスに
対しては、反応生成物の蒸気圧が低い元素、Ｎｉ、Ｎｉ
−Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｂａ、Ｓｒ等があ
り、塩素系の反応ガスに対しては、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｎｉ−
Ｃｒ、インコネル、モネル、グラファイト（Ｃ）を用い
ることができる。また、電極には、コーティングを施し
てもよく、低蒸気圧のフッ化物、塩化物のコーティング
（プラズマＣＶＤ、イオンプレーティング、真空蒸着）
や、表面処理（プラズマ酸化、熱酸化、フッ化、塩化）
や、複合電極（不活性元素＋高張力、高融点材料）、た
とえばＷの表面にＮｉを電気メッキしたり、Ｗ又はＭｏ
の表面にカーボン（Ｃ）をプラズマＣＶＤ等による処
理、反応ガス供給用高蒸気圧フッ化物（ＮａＨＦ₂、Ｋ
ＨＦ₂、ＮｂＦ₅、ＢｒＦ₅、ＩＦ₅、ＨＦ等）又は塩
化物（ＨＣｌ、ＣＣｌ₄、Ｓ₂Ｃｌ₂、ＳＣｌ₂等）の
コーティング及びディップしたもの等が使用できる。

【００２５】また、この発明の電極においても、加工ギ
ャップ間に不活性ガスに基づくイオンを捕捉する必要が
あるため、通常は、１００ＭＨｚ以上の周波数の高周波
電圧を電極に印加する必要がある。そのために用いる高
周波電源は、発振器と高周波増幅器からなり、発振器で
発生された１４６ＭＨｚ帯高周波信号を、高周波増幅器
で所望電力に増幅する。

【００２６】さらに、高周波を扱うため通常の集中定数
回路理論は適用できず、高周波電源から負荷（加工用電
極）へ電力を効率的で供給するには種々の工夫が必要と
なる。たとえば、高周波電源と負荷を導線（伝送線）で
接続した場合、電源を出発した正の半サイクルの電圧の
波が負荷に達するまでに、電源は次の負の半サイクルの
波を送り込むというような事態が発生する。その現象を
うまく利用して様々な回路素子が考えられる。

【００２７】たとえば整合器や空調共振器などがその例
である。電極の研磨加工への適用そのものについては様
々な態様が可能であることは言うまでもない。その際の
研磨装置の構成についても、通常の加工装置と同様の被
加工物のためのステージと、電極の移動、適用のための
支持手段の他に、プラズマ発生のための電源回路装置と
モニタ装置等により適宜に構成する。

【００２８】たとえば、フレキシブルにこの発明の電極
ノズルと電極用端子とを結線し、ロボット等の利用によ
ってノズルヘッドを動かし、三次元形状の曲面研磨加工
等が可能となる。いずれの態様においても、プラズマＣ
ＶＭ加工における諸条件、たとえば不活性ガスと反応性
ガスの種類による加工速度の一般的な相違等を考慮して
具体的な加工条件を選択する。

【００２９】次の表１は、不活性ガスの種類による加工
速度の変化を、表２は、反応ガスの種類による加工速度
の変化を、さらに表３は絶縁体の場合の加工速度を一つ
の指針として例示したものである。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】

【表３】

【００３３】この発明の電極は、旋回流生成された混合
ガスにおけるプラズマ発生と、ノズル放射のラジカルに
よる反応研磨を、以上の通りの諸条件を考慮して実施す
ることを特徴としているものであるが、実際にその作用
効果の顕著なことも確認されている。たとえばその一つ
の観点は、この発明の装置によて、加工パターンが明瞭
になったことが挙げられる。これは、旋回流による渦生
成がある場合とない場合とを比較すると明らかなよう
に、この発明の電極を使用する場合には、研磨による境
界は明確で、生成する堆積物は無いか、極少量で、加工
量そのものが明確であるのに対し、渦生成がない場合に
は、境界も加工量も不明であって、堆積物が多いという
点が無視できないものとしてある。

【００３４】内部プラズマ発生型の電極の場合には、図
４に示したように、殊に加工面のピット数は少なく、堆
積物が少なく、深さが浅いという特徴があり、加工と同
時に仕上が期待できる。外部プラズマ発生型の場合には
加工部がより集中して加工されるという特徴がある。も
ちろん、この発明は、以上の例によって限定されるもの
ではない。様々な態様が可能である。

【００３５】

【発明の効果】この発明は、以上詳しく説明した通り、
プラズマＣＶＭ加工の特徴を生かし、しかも加工パター
ンが明確で、堆積物の付着を抑え、精度の良い効率的研
磨加工を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示した一部断面側面図であ
る。

【図２】別の実施例を示した一部断面側面図である。

【図３】さらに別の実施例を示した断面図である。

【図４】この発明による加工の特徴を示した加工後表面
の模式断面図である。

【符号の説明】

１ノズル部２ディストリビュータ部３ケーシング部４カバー部５電極用ロッド部６被加工物表面部７絶縁部１１放射口２１供給孔３１冷却ジャケット部４１導入部４２分配部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応性ガスおよび不活性ガスの混合ガス
に１気圧以上の圧力下に高周波電圧を印加して生成させ
たプラズマラジカルにより被加工物表面を反応研磨加工
するための加工用電極であって、被加工物表面に放射口
が対向する導電性のノズル部と、このノズル部に連設さ
れる中空ディストリビュータ部と、ディストリビュータ
部に混合ガスを供給するケーシング部とを有し、ディス
トリビュータ部とケーシング部とは混合ガスの供給孔に
よって連通され、この供給孔はディストリビュータ部お
よびノズル部の中心軸に対して傾斜配置されており、供
給孔を通じて供給された混合ガスはディストリビュータ
部およびノズル部内に旋回流を生成し、高周波電圧がノ
ズル部に印加されて被加工物表面に旋回ガス流のプラズ
マラジカルが放射されることを特徴とするプラズマＣＶ
Ｍ研磨加工用電極。
【請求項２】ノズル部とディストリビュータ部とが一
体成形されてなる請求項１の電極。
【請求項３】ノズル部内には電極用ロッドが挿入配置
されてなる請求項１または２の電極。
【請求項４】ノズル部周囲に冷却ジャケット部が配置
されてなる請求項１、２または３の電極。
【請求項５】冷却ジャケット部はケーシング部に形成
されてなる請求項４の電極。
【請求項６】ノズル部空間は放射口に向って漸縮小し
ている請求項１の電極。