TWI720182B - 噴嘴及工件硏磨裝置 - Google Patents

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TWI720182B
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Abstract

實現一種可減低含於液體中之活化氣體的失活量，且可降低活化氣體生成時的電力損失之噴嘴。

本發明之噴嘴1，其具備：液體流路12，其使液體流通；氣體流路14，其使氣體流通，並連通於上述液體流路12使該氣體送出至該液體流路12內；及電漿產生機構20，其在自上述氣體流路14被送出至上述液體流路12內之上述氣體的內部產生電漿，上述電漿產生機構20具備：第1電極22，其在上述液體流路12內露出地配置；第2電極24，其在上述液體流路12內不露出，且在上述氣體流路14內露出地配置；及電源26，其對上述第1電極22與上述第2電極24之間施加既定電壓，且作成使產生上述電漿的上述氣體以既定直徑之氣泡混入上述液體的狀態並使該液體吐出。

Description

噴嘴及工件研磨裝置
本發明係關於一種噴嘴及工件研磨裝置，更詳言之，係關於一種使產生電漿之氣體以既定直徑的氣泡混入後之液體吐出的噴嘴、及具備該噴嘴之工件研磨裝置。再者，本案中之「研磨」，係以包含「研削」之廣義涵義作使用。
在半導體功率元件之製作上必須將基板(工件)平坦化，但由於以碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、鑽石為代表的寬能隙半導體基板，既硬又脆，所以就以往的機械加工而言，難以達成高能效之平坦化。
經本案發明者等專心研究的結果，已發現藉由使用使產生電漿的氣體作為微小氣泡混入之研磨液，進行工件的研磨，不僅可加入化學研磨作用而高能效地研磨工件，而且還可進行SiC、GaN、鑽石等高硬度材料的研磨(參照專利文獻1)。
迄至目前為止，已假想過預先產生藉由產生電漿而活化的氣體，且使該氣體混合於研磨液中作使用的構成。然而該構成中存在以下課題：因為活化氣體的失活進展，所以在活化狀態下能利用的氣體量即利用效率會下降，進而不能獲得希望的研磨功效。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1 日本特開2015-186838號公報
專利文獻2 日本特開2014-079743號公報
本案發明者等，為了謀求解決該課題，想到了若藉由使用使氣體含於研磨液的液體中時產生放電之構成來代替上述構成則應可謀求解決該課題的技術思想。作為該構成的例子，可將專利文獻2記載的噴嘴等作為研討對象。
亦即，假如使用上述專利文獻2例示的噴嘴，則不是在生成預先活化的氣體之後再混合於研磨液之構成，而可在含有氣體的研磨液之液體中產生放電。因此，可降低活化氣體的失活量，從而可期待提昇利用效率的功效。
然而，另一方面，雖然為在含有氣體之研磨液的液體中產生放電之構成，但因成為使作為通電用而設置的一對電極雙方浸漬於液體中之構成，因此電流直接流動於液體中，以致電力損失增大，會產生電力之利用效率惡化的相反課題。
本發明係有鑒於上述情況而完成者，其目的在於實現一種可解決該相反課題之噴嘴，其可減低含於液體中之活化氣體的失活量，且可降低活化氣體生成時的電力損失。
本發明係藉由以下記載的解決手段來解決上述課題。
本發明之噴嘴的必要構成要素為，具備：液體流路，其使液體流通；氣體流路，其使氣體流通，並連通於上述液體流路使該氣體送出至該液體流路內；及電漿產生機構，其於自上述氣體流路被送出至上述液體流路內之上述氣體的內部產生電漿，上述電漿產生機構具備：第1電極，其在上述液體流路內露出地配置；第2電極，其在上述液體流路內不露出，且在上述氣體流路內露出地作配置；及電源，其對上述第1電極與上述第2電極之間施加既定電壓，且作成使產生上述電漿的上述氣體以既定直徑之氣泡混入上述液體的狀態並使該液體吐出。
根據本發明之噴嘴，可實現一種噴嘴，其在未使一對電極中的其中一者浸漬於液體中之下可進行用以在送出至液體中之狀態的氣體內部產生電漿之放電。根據此構成，可解決上述相反的課題，即：可降低液體中含有的活化氣體之失活量，且可降低活化氣體生成時之電力損失。
此外，根據具備本發明之噴嘴的工件研磨裝置，因為可使用含有的活化氣體之失活量少的研磨液，所以，特別是對於SiC、GaN、鑽石等高硬度材料之工件，也可高能效地進行研磨。
1、1A、1B‧‧‧噴嘴
12‧‧‧液體流路
12a‧‧‧流入口
12b‧‧‧吐出口
12c‧‧‧中間流路
12d‧‧‧芯材部
14‧‧‧氣體流路
14a‧‧‧供給口
14b‧‧‧送出口
16‧‧‧液體貯留部
18‧‧‧氣體貯留部
20‧‧‧電漿產生機構
22‧‧‧第1電極
24‧‧‧第2電極
26‧‧‧電源
50‧‧‧工件研磨裝置
52‧‧‧研磨頭
54‧‧‧供給部
56‧‧‧平台
58‧‧‧研磨部
60、62‧‧‧軸
64‧‧‧研磨液供給機構
W‧‧‧工件
圖1為顯示本發明之第一實施形態的噴嘴之例子的概略圖。
圖2為顯示本發明之第二實施形態的噴嘴之例子的概略圖。
圖3為顯示本發明之實施形態的工件研磨裝置之例子的概略圖。
圖4為顯示本發明之實施形態的工件研磨裝置之變形的概略圖。
(噴嘴之第一實施形態)
以下，參照圖式就本發明之實施形態之噴嘴1作詳細說明。再者，在用以說明實施形態的全圖中，有時會對具有相同功能之構件，賦予相同的符號，並省略重複的說明。
噴嘴1係一種在使產生電漿的氣體以既定直徑之氣泡混入液體中的狀態下使該液體吐出之噴嘴。例如，只要將氣泡的直徑設定為10[nm]~1000[μm]左右(稱為「微奈米氣泡」)，便可獲得使藉由產生電漿而活化的氣體作為該氣泡(稱為「電漿微奈米氣泡」)混入之狀態的液體。因此，如後述之例子，只要使用研磨液作為該液體，且將噴嘴1應用於工件研磨裝置，即可獲得對研磨率之提高等極有用的作用功效。
在此，圖1顯示第一實施形態之噴嘴1(1A)之剖視圖(概略圖)。噴嘴1(1A)係於本體部10中設置有使液體流通的液體流路12。並且，還設置有氣體流路14，該氣體流路14係使氣體流通，並連通於液體流路12使該氣體自送出口14b送出至液體流路12內。再者，液體流路12及氣體流路14之內徑，可根據用途等適宜地設定。
此外，作為上述液體的例子，假設為水、其他的藥液、處理液等(使用於前述研磨裝置之研磨液等)。另一方面，作為上述氣體的例子，假設為空氣、氧氣、非活性氣體、氟系氣體等。
首先，就液體流路12及氣體流路14之構成進行說明。再者，液體流路12及氣體流路14，係使用絕緣材料(作為一例，陶瓷材)而形成。
液體流路12具有：流入口12a，其供自液體貯留部16經由泵等的輸液部及配管等(皆未圖示)而供給之液體流入；及吐出口12b，其吐出混合有在流路途中被送出的氣體之氣液二相流之液體。於圖1中，以箭頭L顯示液體的流通方向。再者，自吐出口12b吐出的液體，係經由配管等(未圖示)而被供給，且被使用於既定的用途。在此，可為將使用後之液體直接廢棄的構成，或者也可為回收後朝液體貯留部16循環的構成(未圖示)。
此外，也可為在液體流路12之內部(內壁)，沿長邊方向(流通方向)設置螺旋狀的(或以此為準的形狀) 之突起(未圖示)等而作為旋流產生機構的構成。根據此構成，流通的液體成為旋流，從而能以高的比例產生既定直徑之氣泡(直徑10[nm]~1000[μm]左右的氣泡)即微奈米氣泡。
另一方面，氣體流路14具有：供給口14a，其自氣體貯留部18且經由配管等(未圖示)供給氣體；及前述送出口14b，其在液體流路12之途中送出該氣體。於圖1中，以箭頭G顯示氣體的流通方向。更詳言之，送出口14b係將氣體流路14連接於液體流路12之連接部，且具有在液體流路12之內壁開口的形狀。
再者，作為進行氣體的送出(流通)之送出機構，可考慮使用以下之各送出力等的機構(皆未圖示)，這些送出力包含：氣體貯留部18為高壓槽的情況下之藉由其壓力(內壓)而產生的送出力；藉由汽缸、泵所產生的送出力；或者藉由使液體流通於開設有送出口14b之液體流路12內而產生的文氏管效應之送出力。
根據以上之構成，可自吐出口12b吐出使氣體以既定直徑的氣泡混入之狀態的液體、即包含直徑為10[nm]~1000[μm]的微奈米氣泡之液體(氣液二相流)。
其次，作為本實施形態之特徵性構成，設置有電漿產生機構20，該電漿產生機構20，係在自氣體流路14之送出口14b被送出至液體流路12內的液體中之氣體的內部產生電漿。更詳言之，電漿產生機構20，係一種在自送出口14b送出之位置的氣體中、即如圖1所示，自送出口14b被送出至液體流路12內的液體中的狀 態之氣體內部產生電漿(以箭頭P圖示)之機構。再者，此時被保持為液體流路12內的液體不會進入比送出口14b還靠氣體流路14的內側(氣體流通方向的上游側)之壓力狀態。
在此，對電漿產生機構20之構成例進行說明。本實施形態之電漿產生機構20，首先具有第1電極22，該第1電極22係在液體流路12內露出地配置且直接與流通於該液體流路12內的液體接觸。此外，具有第2電極，該第2電極係作為與第1電極22成對的電極，以不與流通於液體流路12內之液體接觸之方式在該液體流路12內不露出，且在氣體流路14內露出地配置而直接與流通於該氣體流路14內的氣體接觸。並且，具有在第1電極22與第2電極24之間施加既定電壓的電源26。此第1電極22及第2電極24，係被構成為藉由絕緣材料(作為一例，陶瓷材)覆蓋各自之周圍。
根據以上之構成，藉由電源26對第1電極22與第2電極24之間施加既定電壓(作為一例，1~20[kV]左右的高電壓)，可於自送出口14b被送出至液體流路12內的液體中之狀態下的氣體內部產生電漿。亦即，可生成電漿微奈米氣泡。根據此構成，由於可根據氣體的種類，生成OH自由基等各種的自由基種，因此可被化學活化，進而可產生氧化作用、蝕刻作用等。
再者，較佳為，第1電極22係在液體流路12內被配置在比送出口14b還靠流通液體之方向(箭頭L方向)的下游側之位置。
根據此構成，雖然自送出口14b送出至液體流路12內的液體中時之氣體，成為朝液體之流通方向伸長的形狀，但由於可於其伸長方向產生電位差，因此可於該氣體內部的全域產生電漿。
此外，較佳為，第2電極24係被配置於自送出口14b(即，氣體流路14被連接於液體流路12的部位)朝氣體流路14之內側(氣體的流通方向(箭頭G方向)之上游側)分離既定長度X(作為一例，X=1~3[mm]左右)之位置。再者，上述X的尺寸，係一例而已，經綜合考慮氣體流路14之內徑尺寸、液體流路12之內徑尺寸、流通於氣體流路14內的氣體之壓力等諸條件後，只要設定為第2電極24可保持不與流通於液體流路12內的液體接觸之狀態的尺寸即可。
根據此構成，一面保持第2電極24不與流通於液體流路12內的液體接觸之狀態，一面藉由該第2電極24、及接觸於液體的第1電極22，對自送出口14b被送出至液體流路12內的液體中的位置之氣體施加電壓，可於該氣體內部產生電漿。
如此，可實現一種在不讓作為通電用所設置的一對電極(第1電極22、第2電極24)中的一者(第2電極24)浸漬於液體中之下可對自送出口14b被送出至液體流路12內的液體中之位置的氣體施加既定電壓的構成。因此，可期解決如一對電極的雙方被浸漬於液體中之以往的裝置之電力利用效率惡化之課題，亦即被施加的電流直接流動於液體中以致電力損失增大的課題。
此外，以第2電極24係使用多孔質的導電材料而形成者較佳。作為一例，可採用由不鏽鋼合金等構成的多孔質材。根據此構成，由於可增加第2電極24與在氣體流路14內流通而與第2電極24接觸的氣體之接觸面積，因此可提高該氣體中的電漿之產生效率(使產生量增加)。
(噴嘴之第二實施形態)
接著，對本發明之第二實施形態之噴嘴1(1B)進行說明。本實施形態之噴嘴1(1B)，在基本構成上與前述第一實施形態的噴嘴1(1A)相同，但特別是在液體流路12、氣體流路14之構成上存在有差異。以下，以該差異為重點對本實施形態進行說明。
圖2顯示第二實施形態之噴嘴1(1B)的剖視圖(概略圖)。噴嘴1(1B)係被構成為液體流路12具有構成圓錐形狀的空間部。作為一例，圓錐之頂部的角度，相對於中心軸被設定為20~45[°]左右。
在此，作為液體流路12之旋流產生機構，以成為相對於中心軸偏斜既定角度的方向之方式配置中間流路12c的構成者較佳。根據此構成，流通於液體流路12內之液體成為旋流，從而能以高的比例產生既定直徑的氣泡(直徑10[nm]~1000[μm]左右的氣泡)即微奈米氣泡。此外，作為該既定角度的一例，設定為20~60[°]，但不限於此。
另一方面，氣體流路14，係貫通圓錐形狀之芯材部12d之內部而被形成，該芯材部12d係構成圓錐 形狀之液體流路12的內壁部分。並且，自氣體流路14內朝液體流路12內送出氣體之送出口14b，係配置於芯材部12d之頂部前端。根據此構成，由於可獲得在氣體被送出至液體中之後使該氣體存在於旋流之中心的作用，因此可有效率且穩定地產生微奈米氣泡。
再者，液體流路12之內徑，係以從氣體的送出口14b之位置越靠近吐出口12b的位置而變得越小徑之方式形成。根據此構成，在液體流路12中產生的氣液二相流之旋流在越靠近吐出口12b的位置越可提高旋轉速度，從而可獲得產生更微細的微奈米氣泡之功效。
(工件研磨裝置)
接著，就本發明之實施形態之工件研磨裝置50進行說明。工件研磨裝置50，其特別之特徵在於：具備噴嘴1，並使用混入有電漿微奈米氣泡之狀態的研磨液作為研磨液。圖3顯示工件研磨裝置50之概略圖。
工件研磨裝置50，係一面自供給部54供給研磨液，一面將被保持於研磨頭52的工件W表面按壓於旋轉之平台56表面的研磨部58而進行研磨之裝置。以下，就具體之構成例進行說明。
首先，平台56係藉由未圖示的旋轉機構以軸60為中心在水平面內旋轉。平台56之表面係被形成為研磨部58。研磨部58係貼附例如由不織布或聚胺基甲酸酯樹脂片等構成的研磨布而成。或者，研磨部58也可藉由將特殊的粒子埋入平台56之表面而形成等之方法所構成。
此外，研磨頭52係藉由雙面膠帶或吸引作用等將工件W保持於下面。研磨頭52可使用各種構造之公知的研磨頭。研磨頭52係可上下移動，且以軸62為中心在水平面內旋轉。
此外，經由供給部54供給於平台56上的研磨液，可根據工件W的材料等，使用各種公知的研磨液。再者，供給部54也可為被構成為適宜具備未圖示之泵、調節器、開閉閥等。
在此，作為供給研磨液之機構的例子，可考慮直接使用研磨液作為被供給於噴嘴1且自吐出口12b吐出的液體之構成。根據此構成，可將自噴嘴1之吐出之研磨液，經由供給部54供給於平台56上，該研磨液係使產生電漿的既定直徑之氣泡(電漿微奈米氣泡)混入之狀態的研磨液。此時，作為氣體，宜使用空氣、氧氣、非活性氣體、氟系氣體或這些之混合氣體。
根據此構成，混入研磨液的研磨粒，藉由微奈米氣泡之作用，可獲得在研磨液中被進一步均一地分散的作用，因此可達成工件W之均勻研磨。
並且，由於使產生電漿而被活化的氣體以既定直徑之微小氣泡(電漿微奈米氣泡)混入研磨液中，因此該電漿微奈米氣泡直接作用於工件W表面，可於工件W表面產生氧化作用或蝕刻作用。藉由此氧化作用或蝕刻作用，可獲得工件W表面變質，且藉由混入研磨粒的研磨液之機械研磨作用除去此變質層之作用功效。
此外，可想成電漿微奈米氣泡的氣泡在帶電時具有聚集多的OH-之傾向，當氣泡由此OH-多的狀態消滅時，則藉由OH自由基的活性帶來氧化作用或蝕刻作用可獲得強大的功效。
亦即，本實施形態中，藉由研磨粒之機械研磨作用(藉由微奈米氣泡而被均勻化的機械研磨作用)、與產生電漿而活化之氣體(電漿微奈米氣泡)的化學研磨作用(藉由微奈米氣泡而被均勻化之化學研磨作用)之相互作用，可高能效地研磨工件W，而且也會增長氣泡消滅時的OH自由基之活性所產生的氧化．蝕刻作用。此外，由於不僅僅是機械研磨作用，而且還產生化學研磨作用，因此還可進行SiC、GaN、鑽石等高硬度材料之研磨。
另一方面，作為工件研磨裝置50之變形例，可考慮使用水(包含添加有既定的添加劑者、或被調整PH者等)，作為被供給於噴嘴1而自吐出口12b吐出之液體之構成。根據此構成，可將自噴嘴12吐出之使產生電漿的既定直徑之氣泡(電漿微奈米氣泡)混入的狀態之水，在供給部54中與研磨液混合而供給於平台56上(參照圖4)。再者，圖中的符號64，係供給研磨液之研磨液供給機構。根據此變形例，也可獲得與前述構成相同的作用功效。
根據本案發明者等之研究，已確定於以混入有電漿微奈米氣泡之狀態的水(電漿微奈米氣泡水)50比研磨液(漿液)50的百分比之情況下，與僅為微奈米氣泡 水50比漿液50的百分比之情況相較下，可獲得約2倍以上之研磨率。此外要順便一提的是，即使在僅為微奈米氣泡水50比漿液50的百分比之情況，與僅為漿液100%的情況相較下，仍可獲得提高研磨率之結果。
如以上說明，根據本發明之噴嘴，其在不讓用以對氣體施加電壓之一對電極中的一者浸漬於液體之下可於送出至液體中之狀態的該氣體內部進行用以產生電漿之放電。根據此構成，可降低液體中含有之活化氣體的失活量，且可降低活化氣體生成時之電力損失，因此可解決相反的課題。如此，可極有效率地生成電漿微奈米氣泡。
此外，根據具備本發明之噴嘴的工件研磨裝置，因為可使用含有之活化氣體的失活量少的研磨液，所以，特別是對於SiC、GaN、鑽石等高硬度材料的工件，也可高能效地進行研磨。
並且，根據具備本發明之噴嘴的工件研磨裝置，可縮短自生成電漿微奈米氣泡後直到含有電漿微奈米氣泡的研磨液到達工件之時間，因此可謀求研磨液之作用功效的穩定化，且對研磨之再現性也有利。
亦即，本發明因為對研磨之再現性有效，所以可說亦適合於高硬度材料之研磨的高精度化。
再者，本發明不限於以上說明之實施例，可於不超出本發明之範圍內進行各式各樣之變更。特別是，雖然以工件研磨裝置為例進行了說明，但不限於此，當然也可應用於各種工件加工裝置。
1、1A‧‧‧噴嘴
10‧‧‧本體部
12‧‧‧液體流路
12a‧‧‧流入口
12b‧‧‧吐出口
14‧‧‧氣體流路
14a‧‧‧供給口
14b‧‧‧送出口
16‧‧‧液體貯留部
18‧‧‧氣體貯留部
20‧‧‧電漿產生機構
22‧‧‧第1電極
24‧‧‧第2電極
26‧‧‧電源
G‧‧‧氣體的流通方向
L‧‧‧液體的流通方向

Claims (9)

  1. 一種噴嘴，其特徵在於具備：液體流路，其使液體流通；氣體流路，其使氣體流通，並連通於上述液體流路使該氣體送出至該液體流路內；旋流產生機構，使流通於上述液體流路內的上述液體產生旋流；及電漿產生機構，其於自上述氣體流路被送出至上述液體流路內之上述氣體的內部產生電漿，上述旋流產生機構係以成為相對於中心軸偏斜既定角度的方向之方式配置有上述液體流路的中間流路，上述電漿產生機構具備：第1電極，其在上述液體流路內露出而配置；第2電極，其在上述液體流路內不露出，且在上述氣體流路內露出而配置；及電源，其對上述第1電極與上述第2電極之間施加既定電壓，且作成使產生上述電漿的上述氣體以既定直徑之氣泡混入上述液體的狀態並使該液體吐出。
  2. 如請求項1之噴嘴，其中上述氣泡之直徑為10nm~1000μm。
  3. 如請求項1之噴嘴，其中上述第2電極係配置在從送出口朝該氣體流路的內側分離1~3mm的位置，該送出口設置在上述氣體流路被連接於上述液體流路的部位。
  4. 如請求項2之噴嘴，其中上述第2電極係配置在從送出口朝該氣體流路的內側分離1~3mm的位置，該送出口設置在上述氣體流路被連接於上述液體流路的部位。
  5. 如請求項3之噴嘴，其中上述第1電極係於上述液體流路內被配置在比上述送出口還靠下游側的位置。
  6. 如請求項4之噴嘴，其中上述第1電極係於上述液體流路內被配置在比上述送出口還靠下游側的位置。
  7. 如請求項1至6中任一項之噴嘴，其中上述第2電極係使用多孔質的導電材料而形成。
  8. 一種工件研磨裝置，其特徵在於具備：噴嘴，具備：液體流路，其使液體流通；氣體流路，其使氣體流通，並連通於上述液體流路使該氣體送出至該液體流路內；及電漿產生機構，其於自上述氣體流路被送出至上述液體流路內之上述氣體的內部產生電漿，上述電漿產生機構具備：第1電極，其在上述液體流路內露出而配置；第2電極，其在上述液體流路內不露出，且在上述氣體流路內露出而配置；及電源，其對上述第1電極與上述第2電極之間施加既定電壓，且上述噴嘴使產生上述電漿的上述氣體以既定直徑之氣泡混入上述液體的狀態並使該液體吐出；及 平台，其研磨工件，並且，更具備供給部，其將自上述噴嘴吐出之使產生上述電漿的上述氣體以既定直徑的氣泡混入之狀態的上述液體，供給於上述平台上。
  9. 如請求項8之工件研磨裝置，其中作為上述氣體可使用空氣、氧氣、非活性氣體、氟系氣體。
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