專利名稱：電化學(xué)加工方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用超純凈水的電化學(xué)加工方法及其設(shè)備，特別是涉及僅僅使用超純凈水作為電解溶液，來實現(xiàn)諸如半導(dǎo)體材料或金屬材料工件的氧化膜的清除或形成的電化學(xué)加工方法及其設(shè)備。
此外，各種設(shè)備中的部件已變得更為精密并要求具有更高的精度。雖然亞微米加工技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，但是，材料的性能基本上要受到這種加工技術(shù)的影響。在這些情況下，就常用的加工方法而言，工件表面的有用部分會受到工具的物理損傷和去除，從而，會產(chǎn)生大量的可造成工件性能下降的缺陷。因此，如何在不降低材料性能的情況下完成加工，已變?yōu)橐患匾氖虑椤?br> 為了解決這個問題，已研究出了一些加工方法，例如化學(xué)拋光、電化學(xué)加工及電解拋光。與傳統(tǒng)的物理加工方法相比，這些加工方法通過化學(xué)洗滌來實現(xiàn)清除等加工。因此，就這些方法而言，不會出現(xiàn)因塑性變形而造成加工層變形，而且不會出現(xiàn)諸如位錯之類的缺陷，從而，能夠在不降低材料性能的情況下，完成加工。
此外，利用原子間化學(xué)相互作用的加工方法，已引起人們的注意。這種方法是利用具有高化學(xué)反應(yīng)性的微粒子和原子團等來實現(xiàn)加工。根據(jù)這種加工方法，清除等加工是通過工件在原子水平上的化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)。因此，能夠?qū)⒓庸た刂圃谠铀缴?。這類加工方法包括已被發(fā)明者研究出的彈性輻射匹配(EEM)加工及等離子體化學(xué)汽相(CVM)加工。彈性輻射匹配(EEM)加工，是利用微粒子與工件之間的化學(xué)反應(yīng)，從而，能夠?qū)崿F(xiàn)在原子水平上的加工，而不會降低材料性能。而等離子體化學(xué)汽相(CVM)加工，是在大氣壓力下下利用工件與等離子體中所產(chǎn)生的原子團之間的原子團反應(yīng)，從而，也能夠?qū)崿F(xiàn)在原子水平上的加工。
就上述電化學(xué)加工及電解拋光加工而言，加工被認為是通過工件原子與電解溶液(NaCl、NaNO3、HF、HCl、HNO3、NaOH水溶液等)中電解液離子之間的電化學(xué)相互作用來實現(xiàn)。在使用這類電解溶液的情況下，工件不可以避免地會被電解溶液所沾染。
因此，發(fā)明者考慮，在中性和堿性電解溶液中，加工是與氫氧離子(OH-)有關(guān)。這種考慮促成了這樣一種想法甚至利用含有少量氫氧離子的水，也能夠?qū)崿F(xiàn)加工。發(fā)明者用實驗方法證明了這種技術(shù)的可行性，并提出了一種用來提高超純凈水中離子成份的方法，在超純凈水中，不可避免地含有少量雜質(zhì)，這種方法公開在日本專利文獻特開平10-58236中。
根據(jù)上述方法，將工件浸入氫氧離子濃度提高的超純凈水中，從而，通過與氫氧離子之間的化學(xué)洗滌或氧化反應(yīng)，來實現(xiàn)氧化膜的清除或形成。此外，發(fā)明者還建議，利用具有離子交換功能或催化(catalytic)功能的固體的表面上的電化學(xué)反應(yīng)，來提高氫氧離子的數(shù)量。為此，已研究出了一種創(chuàng)新的加工方法，借此，能夠?qū)崿F(xiàn)清潔的加工，通過利用超純凈水中的氫氧離子，清除加工表面上的雜質(zhì)。預(yù)計，這種加工方法具有廣闊的應(yīng)用范圍，包括與半導(dǎo)體加工有關(guān)的領(lǐng)域。因此，發(fā)明者提出了一種使用超純凈水作為電解溶液的加工方法，這是一種利用化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)的低損傷性加工方法，而且也是一種清潔的和環(huán)境負擔(dān)低的加工方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是針對前面所描述的各種缺點。因此，本發(fā)明的第一個目的是提供一種電化學(xué)加工方法及設(shè)備，它使用超純凈水作為電解溶液，而且能夠有效地實現(xiàn)諸如鋁和鐵之類材料的清除加工。
本發(fā)明的第二個目的是提供一種電化學(xué)加工方法及設(shè)備，它使用超純凈水作為電解溶液，而且不僅能夠?qū)崿F(xiàn)諸如鋁和硅之類材料的氧化膜的成膜加工，也能夠?qū)崿F(xiàn)諸如鋁和硅之類材料的清除加工。
本發(fā)明的第三個目的是提供一種能夠進一步提高工件加工精度的電化學(xué)加工方法及設(shè)備。
為了實現(xiàn)第一個目的，根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種電化學(xué)加工方法，其中包括將一個作為陽極的工件和一個陰極設(shè)置在超純凈水中，使工件與陰極之間有一個預(yù)定的間隔距離；將具有陰離子交換功能的催化劑設(shè)置在工件與陰極之間；以及在工件與陰極之間施加一個電壓時，使工件和催化劑進行相對運動。
因此，電化學(xué)加工是在這樣的狀態(tài)下在超純凈水中實現(xiàn)的工件作為陽極，而且使用了具有陰離子交換功能的催化劑。從而，即使對于諸如鋁和鐵之類的難以進行清除加工的材料來說，也能夠有效地實現(xiàn)清除加工。此外，通過提高在工件與作為反向電極的陰極之間流動的超純凈水的流速，還能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的加工。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，工件是選自下面一組金屬鋁、鐵和銅。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了一種電化學(xué)加工設(shè)備，其中包括一個加工室，用來容納超純凈水；一個陰極，浸在加工室內(nèi)的超純凈水中；一個工件保持器(workpiece holding portion)，用來使工件與陰極保持預(yù)定距離，以致于使工件的加工表面與超純凈水相接觸；一個陽極，與被工件保持器所保持的工件相接觸，從而工件起陽極的作用；一種具有陰離子交換功能的催化劑，設(shè)置在陰極與被工件保持器所保持的工件之間；一個電源，用來在陰極與工件之間提供電壓；以及一個運動機構(gòu)，用于實現(xiàn)工件和催化劑的相對運動。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的第二個目的，根據(jù)本發(fā)明的第三個方面，提供了一種電化學(xué)加工方法，其中包括將一個作為陰極的工件和一個陽極設(shè)置在超純凈水中，工件與陽極之間有一個預(yù)定的間隔距離；將用來使水分子分解成氫離子和氫氧離子的催化劑設(shè)置在工件與陽極之間；以及在工件與陽極之間施加一個電壓。
因此，電化學(xué)加工是在工件作為陰極的狀態(tài)下在超純凈水中實現(xiàn)的。從而，即使對于諸如硅或鋁之類的多種材料，也能夠有效地實現(xiàn)清除加工，就諸如硅或鋁之類的多種材料而言，在工件是作為陽極的情況下，主要是用來進行成膜加工而且難以進行清除加工。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選方面，在工件與陽極之間施加一個電壓時，使工件和陽極之間實現(xiàn)相對運動。
工件和陽極之間的相對運動，能夠提高工件與作為反向電極的陽極之間流動的超純凈水的流速，從而，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的加工。
根據(jù)本發(fā)明的第四個方面，提供了一種電化學(xué)加工設(shè)備，其中包括一個加工室，用來容納超純凈水；一個陽極，浸在加工室內(nèi)的超純凈水中；一個工件保持器，用來使工件與陰極保持預(yù)定距離，以致于使工件的加工表面與超純凈水相接觸；一個陰極，與被工件保持器所保持的工件相接觸，以致于使工件成為陰極；一種催化劑，設(shè)置在陽極與被工件保持器所保持的工件之間，用來將水分子分解成氫離子和氫氧離子；以及一個電源，用來在陽極與工件之間提供電壓。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選方面，催化劑是一種具有離子交換功能的無紡布(nonwoven fabric)。這種無紡布可以按照如下所述來制作利用通常所說的輻射誘導(dǎo)接枝聚合，將接枝鏈引入具有適當(dāng)纖維直徑和孔隙度的無紡布，輻射誘導(dǎo)接枝聚合包括伽馬輻射和接枝聚合。利用離子交換纖維所制成的無紡布或引入有離子交換基的網(wǎng)，能夠用作催化元件。
從提高電流值的觀點看，使無紡布與陽極或工件(陰極)相接觸是有益的。當(dāng)反應(yīng)產(chǎn)物可能滯留在電極與無紡布之間，從而可能會在加工表面上產(chǎn)生不均勻的電化學(xué)加工時，提高超純凈水的流速，會在加工表面上產(chǎn)生不均勻的電化學(xué)加工。為了立即從工件或陽極上清除反應(yīng)產(chǎn)物，可以在無紡布與電極之間形成一個間隔，特別是在無紡布與工件之間形成一個間隔。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選方面，無紡布內(nèi)的具有離子交換功能的離子交換基，是選自陰離子交換基和陽離子交換基。通過改變離子交換纖維，能夠控制清除和成膜的加工速度。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的第三個目的，根據(jù)本發(fā)明的第五個方面，提供了一種電化學(xué)加工設(shè)備，其中包括一個加工室，用來容納超純凈水；一個可旋轉(zhuǎn)的工件保持器，用來可裝卸地保持工件，以將工件浸入加工室內(nèi)的超純凈水中；一個加工電極，浸在加工室內(nèi)的超純凈水中，這個加工電極與工件保持器所保持的工件保持預(yù)定距離；一種催化劑，設(shè)置在被工件保持器所保持的工件與加工電極之間，用來將加工電極與工件之間的水分子分解成氫離子和氫氧離子；一個電源，用來在加工電極與工件之間提供電壓；以及一個超純凈水噴嘴，用來將超純凈水從加工電極轉(zhuǎn)動方向的上游輸送到加工電極與工件之間。
利用這種結(jié)構(gòu)，能夠降低加工表面的表面粗糙度。原因被認為是超純凈水從加工電極轉(zhuǎn)動方向的上游，被輸送到加工電極與工件之間，借此，能夠有效地從加工表面消除氣泡及加工產(chǎn)物，這是通過簡單地轉(zhuǎn)動加工電極而難以消除的。因此，能夠消除妨礙工件平整的因素。此外，還能夠消除纖維的沉淀------使用強酸性陽離子交換纖維作為催化劑時的一個特有現(xiàn)象。
根據(jù)本發(fā)明的第六個方面，提供了一種電化學(xué)加工設(shè)備，其中包括一個加工室，用來容納超純凈水；一個可旋轉(zhuǎn)的工件保持器，用來可裝卸地保持工件，以將工件浸入加工室內(nèi)的超純凈水中；一個可旋轉(zhuǎn)的加工電極，浸在加工室內(nèi)的超純凈水中，這個加工電極與工件保持器所保持的工件保持預(yù)定距離；一種催化劑，設(shè)置被工件保持器所保持的工件與加工電極之間，用來將加工電極與工件之間的水分子分解成氫離子和氫氧離子；以及一個電源，用來在加工電極與工件之間提供電壓；其中，加工電極至少為圓柱形和圓筒形中的一種，而且軸心方向平行于被工件保持器所保持的工件的轉(zhuǎn)動平面。
當(dāng)只有加工電極轉(zhuǎn)動時，在加工過程中，會在加工電極的運動方向上形成加工痕跡。借助于上述配置，即能夠消除加工表面的加工痕跡。
根據(jù)本發(fā)明的第七個方面，提供了一種電化學(xué)加工設(shè)備，其中包括一個加工室，用來容納超純凈水；一個可旋轉(zhuǎn)的工件保持器，用來可裝卸地保持工件，以將工件浸入加工室內(nèi)的超純凈水中；一個可旋轉(zhuǎn)的加工電極，浸在加工室內(nèi)的超純凈水中，這個加工電極與工件保持器所保持的工件保持預(yù)定距離；一種催化劑，設(shè)置被工件保持器所保持的工件與加工電極之間，用來將加工電極與工件之間的水分子分解成氫離子和氫氧離子；以及一個電源，用來在加工電極與工件之間提供電壓；其中，加工電極至少為橢球形和球形中的一種，而且軸心方向平行于被工件保持器所保持的工件的轉(zhuǎn)動平面。
利用這種結(jié)構(gòu)，能夠降低加工表面的表面粗糙度。原因被認為是加工區(qū)域的面積小，從而，超純凈水易于輸送到加工區(qū)域的周圍，以在穩(wěn)定的條件下完成加工。
就這些情況而言，電化學(xué)加工設(shè)備最好包括一個超純凈水循環(huán)/凈化設(shè)備，用來凈化加工室內(nèi)的超純凈水；以及一個高壓超純凈水供給設(shè)備，用來將高壓超純凈水輸送到超純凈水噴嘴。
根據(jù)本發(fā)明的第八個方面，提供了一種電化學(xué)加工方法，其中包括將一個加工電極和一個工件設(shè)置在超純凈水中，使加工電極與工件之間有一個預(yù)定的間隔距離；將一種催化劑設(shè)置在加工電極與工件之間，用來將水分子分解成氫離子和氧離子；在加工電極與工件之間施加電壓；以及在加工電極和工件中的至少一個在轉(zhuǎn)動時，將超純凈水從加工電極和工件中的至少一個的轉(zhuǎn)動方向的上游，輸送到加工電極與工件之間。
根據(jù)本發(fā)明的第九個方面，提供了一種電化學(xué)加工方法，其中包括將一個加工電極和一個工件設(shè)置在超純凈水中，使加工電極與工件之間有一個預(yù)定的間隔距離；將一種催化劑設(shè)置在加工電極與工件之間，用來將水分子分解成氫離子和氧離子；在加工電極與工件之間施加電壓；以及使加工電極和工件彼此之間線性接觸，并且使加工電極和工件同時轉(zhuǎn)動。
根據(jù)本發(fā)明的第十個方面，提供了一種電化學(xué)加工方法，其中包括將一個加工電極和一個工件設(shè)置在超純凈水中，使加工電極與工件之間有一個預(yù)定的間隔距離；將一種催化劑設(shè)置在加工電極與工件之間，用來將水分子分解成氫離子和氧離子；在加工電極與工件之間施加電壓；以及使加工電極和工件彼此之間點接觸，并且使加工電極和工件同時轉(zhuǎn)動。
通過結(jié)合附圖來閱讀下面的說明，本發(fā)明的上述目的及其他目的、特點和優(yōu)點，將會變得清楚易懂，附圖以實例的形式表示了本


圖1為剖面圖，示意性地表示本發(fā)明第一個實施例的一種電化學(xué)加工設(shè)備；圖2為曲線圖，表示在使用圖1所示的電化學(xué)加工設(shè)備來進行鋁的清除加工時，在將工件用作陰極而且使用具有陽離子交換功能或者陰離子交換功能的無紡布的情況下，以及在將工件用作陽極而且使用具有陰離子交換功能的無紡布取代具有陽離子交換功能的無紡布的情況下，電流密度與加工速度之間的相互關(guān)系；圖3為曲線圖，表示在使用圖1所示的電化學(xué)加工設(shè)備來進行鐵的清除加工時，在使用具有強堿性陰離子交換功能的無紡布取代具有強酸陽離子交換功能的無紡布的情況下，電流密度與加工速度之間的相互關(guān)系；圖4為曲線圖，表示在使用圖1所示的電化學(xué)加工設(shè)備來進行銅的清除加工時，在使用具有強堿性陰離子交換功能的無紡布取代具有強酸陽離子交換功能的無紡布的情況下，電流密度與加工速度之間的相互關(guān)系；圖5為剖面圖，示意性地表示本發(fā)明第二個實施例的一種電化學(xué)加工設(shè)備；圖6為曲線圖，表示在使用圖5所示的電化學(xué)加工設(shè)備來加工p型硅時，轉(zhuǎn)速與加工速度之間的相互關(guān)系；圖7為曲線圖，表示在使用具有強酸性陽離子交換功能的無紡布取代具有強堿性陰離子交換功能的無紡布的情況下，轉(zhuǎn)速與加工速度之間的相互關(guān)系；圖8為曲線圖，表示在使用圖5所示的電化學(xué)加工設(shè)備來加工n型硅時，轉(zhuǎn)速與加工速度之間的相互關(guān)系，而且比較了n型硅的加工結(jié)果與p型硅的加工結(jié)果；圖9為曲線圖，表示在使用圖5所示的電化學(xué)加工設(shè)備來進行鋁的清除加工時，在使用陽離子交換纖維作為催化劑的情況下，電流密度與加工速度之間的相互關(guān)系；圖10為曲線圖，表示在使用圖5所示的電化學(xué)加工設(shè)備來進行鋁的清除加工時，在使用陰離子交換纖維作為催化劑的情況下，電流密度與加工速度之間的相互關(guān)系；圖11為示意圖，表示根據(jù)本發(fā)明第三個實施例的一種電化學(xué)加工設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)；圖12為前視圖，表示圖11所示的電化學(xué)加工設(shè)備；圖13為透視圖，表示圖12所示的電化學(xué)加工設(shè)備中的保持器及加工電極；以及圖14為透視圖，表示根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的一種電化學(xué)加工設(shè)備中的保持器及加工電極。
圖1為示意圖，表示根據(jù)本發(fā)明第一個實施例的一種電化學(xué)加工設(shè)備。電化學(xué)加工設(shè)備10包括一個加工室14，例如用丙烯酸類樹脂所制成的加工室，用來容納超純凈水12；一個蓋板16，用來關(guān)閉和打開位于加工室14上端的開口部分；以及一個超純凈水供水管18，用來將超純凈水12輸入加工室14。在加工室14與蓋板16之間，設(shè)有一個超純凈水出口20，用來將部分超純凈水12排出加工室14。
連接到電源22的陰極24是可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在加工室14之內(nèi)。陰極24包括一個旋轉(zhuǎn)電極，例如用不銹鋼制成的旋轉(zhuǎn)電極。陰極24的表面覆蓋有一個表面敷層26，例如鉑箔，以避免洗滌陰極24。另一方面，設(shè)置在蓋板16的背面的工件保持器29用來可裝卸地保持工件28，例如鋁制工件。此外，連接到電源22的陽極30安裝在蓋板16上。因此，當(dāng)把工件28保持在蓋板16的背面上時，陽極30和工件28在陽極接觸面30a上彼此相互接觸，從而，工件28也就起陽極的作用。
具有強堿性陰離子交換功能的無紡布(催化劑)32，安裝在陰極24的表面上，無紡布32與陰極24的表面緊密接觸。當(dāng)把工件28保持在蓋板16的背面而且蓋板16關(guān)閉加工室14的上端開口部分的時候，無紡布32的上端與工件28的下表面(加工表面)相接觸。無紡布32和與無紡布32相接觸的工件28，通過安裝在陰極24上的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(運動機構(gòu))33，來實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動(運動)。
例如，具有強堿性陰離子交換功能的無紡布32，能夠按照如下所述來制作利用通常所說的輻射誘導(dǎo)接枝聚合，將接枝鏈引入纖維直徑為20μm～50μm且孔隙度大約為90％的聚烯烴無紡布，輻射誘導(dǎo)接枝聚合包括伽馬輻射和接枝聚合。這樣，引入的接枝鏈被胺化，從而引入季胺基，借此，產(chǎn)生具有強堿性陰離子交換功能的無紡布。引入離子交換基的能力，取決于引入的接枝鏈的數(shù)量。例如，這種無紡布的離子交換能力為1meq/g～1.45meq/g。利用強堿性陰離子交換纖維所制成的無紡布或引入有強堿性陰離子交換基的網(wǎng)，能夠用作催化元件。
根據(jù)加工的目的或工件28的特性，可以把工件28和無紡布32分開，在無紡布32與工件28之間形成一個間隔。另外，也可以把無紡布32安裝在工件28上，把陰極24和無紡布32分開，在無紡布32與陰極24之間形成一個間隔。
就這種結(jié)構(gòu)的電化學(xué)加工設(shè)備而言，超純凈水12通過超純凈水輸水管18被輸入加工室14，同時，部分超純凈水12從超純凈水出口20排出加工室14。電源22連接到陰極24和作為陽極的工件28，以在電極24和電極28之間施加一個電壓。與此同時，無紡布32，與陰極24一起，按照需要進行轉(zhuǎn)動。超純凈水12中的水分子，通過具有強堿性陰離子交換功能的無紡布32，被分解成氫氧離子和氫離子。氫氧離子通過超純凈水12的流動和介于工件28與陰極24之間的電場，被輸送到工件28的表面上。因此，工件28周圍的氫氧離子密度被提高，以引起工件原子與氫氧離子反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物被沖洗到超純凈水12中，而且通過超純凈水12沿著工件28表面的流動，從工件28上清除掉。這樣，就清除了工件28的表面層。
正如前面所描述的那樣，超純凈水12在加工室14內(nèi)進行流動，并通過無紡布32來產(chǎn)生大量的氫離子和氫氧離子。離子被輸送到工件28的表面上，以實現(xiàn)高效加工。通過工件原子與氫氧離子的氧化反應(yīng)，可以在工件表面形成一個清潔的氧化膜。在這種情況下，通過氧化膜的積聚，即能夠獲得所想要的工件形狀。
當(dāng)陰極(旋轉(zhuǎn)電極)24旋轉(zhuǎn)時，在作為陽極的工件28與作為反向電極的陰極24之間，超純凈水12能夠有效地被新的超純凈水更換。因此，在加工過程中所產(chǎn)生的氣體及加工產(chǎn)物，能夠有效地從加工表面上清除掉，以實現(xiàn)穩(wěn)定的加工。為了提高超純凈水在加工點的流速，可以轉(zhuǎn)動電極(就這種情況而言，是陰極24)，或者可以使用一個諸如泵之類的設(shè)備，來促成超純凈水在加工點位置的流動。
根據(jù)本發(fā)明，由于沒有使用除了超純凈水之外的任何化學(xué)物質(zhì)，因此，污染加工室14的物質(zhì)僅僅是在加工過程中所產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物。超純凈水的循環(huán)，能夠減少廢水的數(shù)量。而且，由于沒有必要處理化學(xué)液體，因此，運行成本也能夠明顯減少。
此外，在加工過程中所產(chǎn)生的加工產(chǎn)物，是被強制性地吸到加工部分的下游，以保持加工環(huán)境的清潔。另外，超純凈水還通過溢流(overflow)，不斷地被新的超純凈水更換，而且，加工室14內(nèi)的超純凈水12，還通過一個獨立的超純凈水凈化設(shè)備(圖中未示出)來進行凈化。實例1圖1所示的電化學(xué)加工設(shè)備，用來進行鋁(Al)的清除加工。試件的下表面(加工表面)，面向超純凈水，其尺寸為12.5mm×34mm。在試件的下表面，只有一部分暴露在超純凈水中而且與超純凈水相接觸，這部分的尺寸為12.5mm×8mm。其他部分，則是利用聚醚醚酮(PEEK)材料遮蔽起來。加工條件列在下面的表1中。就這種情況而言，電流密度與加工速度之間的相互關(guān)系，如圖2中的“陽極/陰離子纖維”的直線所示。
表1

另外，還利用同樣的配置，在顛倒了電源電極的情況下，即工件被用作陰極的情況下，在如前描述的加工條件下，進行鋁的清除加工。就這種情況而言，電流密度與加工速度之間的相互關(guān)系，如圖2中的“陰極/陰離子纖維”的直線所示。
此外，還利用同樣的配置，在工件被用作陰極而且使用具有強酸性陽離子交換功能的無紡布取代具有強堿性陰離子交換功能的無紡布的情況下，在如前描述的加工條件下，進行了鋁的清除加工。就這種情況而言，電流密度與加工速度之間的相互關(guān)系，如圖2中的“陰極/陽離子纖維”的直線所示。
正如圖2所清楚表明的那樣，在鋁的清除加工中，當(dāng)工件是被用作陽極而且無紡布采用的是具有強堿性陰離子交換功能的無紡布的時候，能夠獲得的加工速度要明顯高于工件是被用作陰極而且無紡布采用的是具有強堿性陰離子交換功能或強酸性陽離子交換功能的無紡布的時候。實例2實例1所描述的電化學(xué)加工設(shè)備，用來在與實例1相同的加工條件下，進行鐵(Fe)的清除加工。就這種情況而言，電流密度與加工速度之間的相互關(guān)系，如圖3中的“陽極/陰離子纖維”的直線所示。
此外，還利用同樣的配置，在使用具有強酸性陽離子交換功能的無紡布取代具有強堿性陰離子交換功能的無紡布的情況下，在如前描述的相同加工條件下，進行了鐵的清除加工。就這種情況而言，電流密度與加工速度之間的相互關(guān)系，如圖3中的“陽極/陽離子纖維”的直線所示。
正如圖3所清楚表明的那樣，在鐵的清除加工中，當(dāng)工件是被用作陽極而且無紡布采用的是具有強堿性陰離子交換功能的無紡布的時候，其加工速度比采用具有強酸性陽離子交換功能的無紡布的時候高10倍～20倍。實例3實例1所描述的電化學(xué)加工設(shè)備，用來在與實例1相同的加工條件下，進行銅(Cu)的清除加工。就這種情況而言，電流密度與加工速度之間的相互關(guān)系，如圖4中的“陽極/陰離子纖維”的直線所示。
此外，還利用同樣的配置，在使用具有強酸性陽離子交換功能的無紡布取代具有強堿性陰離子交換功能的無紡布的情況下，在如前描述的相同加工條件下，進行了銅的清除加工。就這種情況而言，電流密度與加工速度之間的相互關(guān)系，如圖4中的“陽極/陽離子纖維”的直線所示。
正如圖4所清楚表明的那樣，在銅的清除加工中，當(dāng)工件被用作陽極而且無紡布采用的是具有強堿性陰離子交換功能的無紡布的時候，其加工速度比采用具有強酸性陽離子交換功能的無紡布的時候高大約1.5倍。
正如前面所描述的那樣，根據(jù)本發(fā)明，即使對于諸如鋁和鐵之類的材料，通過使用具有陰離子交換功能的無紡布，也能夠有效地實現(xiàn)清除加工，而通過使用具有陽離子交換功能的無紡布，清除加工則難以實現(xiàn)。此外，由于加工是通過氫離子、氫氧離子與工件原子之間的電化學(xué)作用來實現(xiàn)的，因此，能夠避免在加工過程中造成物理缺陷而引起工件性能下降。另外，與常用電化學(xué)加工方法中所使用的含水溶液不同，超純凈水僅僅含有氫離子、氫氧離子及水分子，而且沒有諸如金屬離子之類的雜質(zhì)。因此，如果能夠完全防止雜質(zhì)從外面進入系統(tǒng)，則就能夠?qū)崿F(xiàn)完全清潔的環(huán)境。另外，由于僅僅使用超純凈水，因此，還能夠大大減輕廢水處理的負擔(dān)，從而能夠大大降低加工成本。
下面，將參照圖5～圖10，對本發(fā)明第二個實施例的一種電化學(xué)加工設(shè)備進行描述。
圖5為示意圖，表示根據(jù)本發(fā)明第二個實施例的一種電化學(xué)加工設(shè)備。電化學(xué)加工設(shè)備110包括一個加工室114，例如用丙烯酸類樹脂所制成的加工室，用來容納超純凈水112；一個蓋板116，用來關(guān)閉和打開位于加工室114上端的開口部分；以及一個超純凈水供水管118，用來將超純凈水112輸入加工室114。在加工室114與蓋板116之間，設(shè)有一個超純凈水出口120，用來將部分超純凈水112排出加工室114。
連接到電源122的陽極124可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在加工室114之內(nèi)。陽極124包括一個旋轉(zhuǎn)電極，例如用不銹鋼制成的旋轉(zhuǎn)電極。陽極124的表面覆蓋有一個表面敷層126，例如鉑箔，以避免洗滌陽極124。另一方面，在蓋板116的背面設(shè)置工件保持器129，用來可裝卸地保持工件128，例如硅工件。此外，連接到電源122的陰極130安裝在蓋板116上。因此，當(dāng)把工件128保持在蓋板116的背面上時，陰極130和工件128在陰極接觸面130a上彼此相互接觸，從而，工件128也就起陰極的作用。
具有離子交換功能的無紡布(催化劑)132，安裝在陽極124的表面上，無紡布132與陽極124的表面緊密接觸。當(dāng)把工件128保持在蓋板116的背面而且蓋板116關(guān)閉加工室114的上端開口部分的時候，無紡布132的上端與工件128的下表面(加工表面)相接觸。無紡布132和與無紡布132相接觸的工件128，通過安裝在陽極124上的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(運動機構(gòu))133，來實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動(運動)。
例如，無紡布132能夠用這樣的方法來制作利用通常所說的輻射誘導(dǎo)接枝聚合，將接枝鏈引入纖維直徑適當(dāng)而且孔隙度適當(dāng)?shù)木巯N無紡布，輻射誘導(dǎo)接枝聚合包括伽馬輻射和接枝聚合。利用離子交換纖維所制成的無紡布或引入有離子交換基的網(wǎng)，能夠用作催化元件。具有離子交換功能的無紡布132的離子交換基包括強堿性陰離子交換基或強酸性陽離子交換基。
根據(jù)加工的目的或工件128的特性，可以把工件128和無紡布132分開，在無紡布132與工件128之間形成一個間隔。另外，也可以把無紡布132安裝在工件128上，把陽極124和無紡布132分開，在無紡布132與陽極124之間形成一個間隔。
就這種結(jié)構(gòu)的電化學(xué)加工設(shè)備而言，超純凈水112通過超純凈水輸水管118被輸入加工室114，同時，部分超純凈水112從超純凈水出口120排出加工室114。電源122連接到陽極124和作為陰極的工件128，以在電極124和電極128之間施加一個電壓。與此同時，陽極124按照需要進行轉(zhuǎn)動。在具有離子交換功能的無紡布132的固態(tài)表面上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氫氧離子和氫離子，以實現(xiàn)清除氧化膜或形成氧化膜的加工。超純凈水112在加工室114內(nèi)進行流動，并通過無紡布132來產(chǎn)生大量的氫離子和氫氧離子。離子被輸送到工件28的表面上，以實現(xiàn)高效加工。
當(dāng)陽極(旋轉(zhuǎn)電極)124旋轉(zhuǎn)時，在作為陰極的工件128與作為反向電極的陽極124之間，超純凈水112能夠有效地被新的超純凈水更換。因此，在加工過程中所產(chǎn)生的氣體及加工產(chǎn)物，能夠有效地從加工表面上清除掉，以實現(xiàn)穩(wěn)定的加工。為了提高超純凈水在加工點的流速，可以轉(zhuǎn)動電極(就這種情況而言，是陽極124)，或者可以使用一個諸如泵之類的設(shè)備，來促成超純凈水在加工點位置的流動。
根據(jù)本發(fā)明，由于沒有使用除了超純凈水之外的任何化學(xué)物質(zhì)，因此，污染加工室114的物質(zhì)僅僅是在加工過程中所產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物。超純凈水的循環(huán)，能夠減少廢水的數(shù)量。而且，由于沒有必要處理化學(xué)液體，因此，運行成本也能夠明顯減少。
此外，在加工過程中所產(chǎn)生的加工產(chǎn)物，是被強制性地吸到加工部分的下游，以保持加工環(huán)境的清潔。另外，超純凈水還通過溢流，不斷地被新的超純凈水更換，而且在加工室114內(nèi)的超純凈水112，還通過一個獨立的超純凈水凈化設(shè)備(圖中未示出)來進行凈化。實例4圖5所示的電化學(xué)加工設(shè)備用來加工硅。所使用的硅是電阻率為11.5Ω·cm～15.5Ω·cm的p型硅。試件的下表面(加工表面)面向超純凈水，其尺寸為12.5mm×34mm。在試件的下表面內(nèi)，只有一部分暴露在超純凈水中而且與超純凈水相接觸，這部分的尺寸為12.5mm×8mm。其他部分，則是利用聚醚醚酮(PEEK)材料遮蔽起來。一種具有強堿性陰離子交換功能的無紡布(陰離子纖維)被用作促進水分子分解的催化材料。加工條件列在下面的表2中。相對于三種電流密度，測定了加工速度與陽極轉(zhuǎn)速之間的相互關(guān)系。結(jié)果如圖6所示。
表2

如圖6所示，當(dāng)陽極的轉(zhuǎn)速為0轉(zhuǎn)/分(100mA/cm2)或200轉(zhuǎn)/分(30mA/cm2，300mA/cm2)時，在工件的表面上形成了氧化膜。當(dāng)陽極的轉(zhuǎn)速在20轉(zhuǎn)/分～150轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)時，可進行硅的清除加工。特別是對硅來說，當(dāng)工件(硅)被用作陽極時，主要是進行氧化膜的成膜加工。但是，當(dāng)工件(硅)被用作陰極而且適當(dāng)?shù)卣{(diào)整電流密度和陽極轉(zhuǎn)速時，則既可以進行氧化膜的成膜加工也可以進行氧化膜的清除加工。比較實例1圖5所示的電化學(xué)加工設(shè)備，在陽極的轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分時，在電極之間不施加電壓的情況下，即沒有電流的情況下，用來加工硅。在這種情況下，硅的表面沒有發(fā)生變化，而且既沒有進行氧化膜的成膜加工，也沒有進行氧化膜的清除加工。這表明本發(fā)明的清除加工原理并不是通過簡單的機械加工，而是通過施加電壓所引起的電化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)加工過程。比較實例2在使用具有強酸性陽離子交換功能的無紡布，而不是使用具有強堿性陰離子交換功能的無紡布，作促進水分子分解的催化材料的情況下，進行了類似的加工。在這種情況下，硅的表面沒有發(fā)生明顯變化，從而既沒有進行氧化膜的成膜加工，也沒有進行氧化膜的清除加工。這表明本發(fā)明的加工現(xiàn)象不僅僅與工件的極性有關(guān)，而且還與具有離子交換功能的無紡布的類型有關(guān)。比較實例3根據(jù)下面的表3中所列出的條件，進行類似的加工。用來促進水分子分解的催化材料使用的是具有強酸性陽離子交換功能的無紡布，而不是具有強堿性陰離子交換功能的無紡布。測定加工速度與陽極轉(zhuǎn)速之間的相互關(guān)系。結(jié)果如圖7所示。在圖7中，當(dāng)陽極的轉(zhuǎn)速為0、20和200轉(zhuǎn)/分時，硅的表面被氧化。另一方面，當(dāng)陽極的轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分和100轉(zhuǎn)/分時，可以實現(xiàn)清除加工，而且與使用具有強堿性陰離子交換功能的無紡布的情況相比，其加工速度下降低到10倍。
表3

實例5不用實例1中所用的p型硅，而是用電阻率實質(zhì)上與實例1中所用p型硅相等的n型硅作為工件，在下面的表4所列的條件下進行加工。在這種情況下，在電流密度為100mA/cm2的情況下，測定加工速度與陽極轉(zhuǎn)速之間的相互關(guān)系。結(jié)果如圖8所示，圖中將n型硅的結(jié)果與p型硅的結(jié)果進行了對比。
表4

正如圖8所清楚表明的那樣，在實質(zhì)上相同的電流密度和轉(zhuǎn)速下，比較結(jié)果表明了這樣一種趨勢n型硅的清除加工速度高于p型硅的清除加工速度。實例6實例4所描述的電化學(xué)加工設(shè)備，用來在鋁用作陰極工件的情況下，在下面的表5所列出的加工條件下，進行鋁的清除加工。圖9表示在使用具有強酸性陽離子交換功能的無紡布(陽離子交換纖維)作催化材料的情況下，電流密度與加工速度之間的相互關(guān)系。圖10表示在使用具有強堿性陰離子交換功能的無紡布(陰離子交換纖維)作催化材料的情況下，電流密度與加工速度之間的相互關(guān)系。具有酸性陽離子交換功能的無紡布，可按照如下所述來制作利用通常所說的輻射誘導(dǎo)接枝聚合，將接枝鏈引入纖維直徑為20μm～50μm且孔隙度大約為90％的聚烯烴無紡布，輻射誘導(dǎo)接枝聚合包括伽馬輻射和接枝聚合。這樣，引入的接枝鏈被硫化，以便引入硫酸基，借此，產(chǎn)生具有酸性陽離子交換功能的無紡布。這種無紡布的離子交換能力為2.8meq/g。
表5

正如圖9和圖10所清楚表明的那樣，當(dāng)進行清除加工時，加工速度實質(zhì)上是與電流密度成正比。清除加工被認為是通過相同的反應(yīng)來實現(xiàn)，而與電流密度無關(guān)。
表6表示在使用不同類型的離子交換材料時所顯現(xiàn)出的加工現(xiàn)象，其中包括硅的加工現(xiàn)象。根據(jù)質(zhì)量和表面外形(加工部分與非加工部分之間的高度差)的變化，可以判定所進行的加工現(xiàn)象的類型(清除加工還是成膜加工)。
表6

(注)○清除加工●成膜加工當(dāng)鋁或硅用作陽極工件時，主要是進行成膜加工。但是，正如表6所清楚表明的那樣，當(dāng)鋁或硅用作陰極工件時，能夠進行清除加工。
正如前面所描述的那樣，根據(jù)本發(fā)明的第二個實施例，當(dāng)諸如硅和鋁之類的難以進行清除和成膜加工的材料是被用作陰極時，即能夠進行清除加工。此外，清除或成膜的加工速度，能夠通過控制電流密度和轉(zhuǎn)速(相對運動速度)或改變催化劑(無紡布)來進行控制。
由于加工是通過氫離子、氫氧離子與工件原子之間的電化學(xué)作用來實現(xiàn)的，因此，能夠避免在加工過程中造成物理缺陷而引起工件性能下降。另外，與常用電化學(xué)加工方法中所使用的含水溶液不同，超純凈水僅僅含有氫離子、氫氧離子及水分子，而且沒有諸如金屬離子之類的雜質(zhì)。因此，如果能夠完全防止雜質(zhì)從外面進入系統(tǒng)，則能夠?qū)崿F(xiàn)完全清潔的環(huán)境。另外，由于僅僅使用超純凈水，因此，廢水處理的負擔(dān)能夠極小，從而能夠大大降低加工成本。
下面，將參照圖11～圖14，對本發(fā)明第三個實施例的一種電化學(xué)加工設(shè)備進行描述。
當(dāng)工件和加工電極是彼此平行布置而且彼此之間沒有相對運動時，則在加工過程中所產(chǎn)生的加工產(chǎn)物或氣泡將會滯留在電極之間。因此，加工后的工件的表面粗糙度將會不利地變得大于加工前的工件的表面粗糙度。通過轉(zhuǎn)動反向電極(加工電極)來加強清除滯留在電極之間的加工產(chǎn)物及氣泡，即能夠在一定程度上解決這個問題。盡管如此，在沿著轉(zhuǎn)動方向大約100μm長度上，還是存在著波動或起伏，在加工表面上形成有直徑為1μm～10μm的侵蝕坑和離子交換纖維的痕跡(加工痕跡)。因此，表面粗糙度達到約為100μm乘以中心線高度(Ra)。通過下面所描述的根據(jù)本發(fā)明第三個實施例的一種電化學(xué)加工設(shè)備，能夠解決這類問題。
圖11～圖13為示意圖，表示本發(fā)明第三個實施例的一種電化學(xué)加工設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)。這種電化學(xué)加工設(shè)備主要包括主體214，含有一個加工室212，加工室212用來容納超純凈水210；超純凈水循環(huán)/凈化部分218，帶有一個廢水箱216、一個超純凈水循環(huán)/凈化裝置222和一個高壓泵220；以及高壓超純凈水供給裝置228，含有一個柱塞泵224和一個壓力變送器226。例如，加工室212可以是用不銹鋼制成的加工室。
如圖12和圖13所示，主體214是設(shè)置在加工室212之內(nèi)，而且是具有XYθ三個自由度。主體214含有加工室212，加工室212中包括一個保持器(保持平臺)230，保持器230通過真空吸盤等同類裝置，用來水平地保持諸如半導(dǎo)體晶片之類的可裝卸的工件W。由保持器230所保持的工件W，在處于浸入超純凈水210的狀態(tài)下，能夠在X、Y方向上水平移動，而且能夠在水平面上圍繞θ軸(Z軸)轉(zhuǎn)動。保持器230用來保持工件W并將電流輸送給工件W。例如，保持器230是用鈦制成而且?guī)в幸粋€厚度為1μm的鉑層表面。保持器230，通過一個利用超純凈水的液壓軸承232(見圖11)，被支承在徑向方向及推力方向上。
圓筒形或圓柱形加工電極(反向電極)234，是設(shè)置在保持器230的上方，而且加工電極234的軸心O-O在是水平方向上延伸。加工電極234，連接著一根可在垂直方向上運動的、延伸自軸心O-O的轉(zhuǎn)動軸236。因此，加工電極234能夠隨著轉(zhuǎn)動軸236的轉(zhuǎn)動而繞著軸心O-O進行轉(zhuǎn)動，而且加工電極234與被保持器230所保持的工件W兩者之間的距離，也能夠進行調(diào)整。例如，加工電極234是用不銹鋼制成，而且?guī)в幸粚雍穸葹?μm的鉑層表面，以穩(wěn)定電化學(xué)反應(yīng)，并防止雜質(zhì)被洗滌而進入超純凈水。與保持器230一樣，轉(zhuǎn)動軸236也是通過一個利用超純凈水的液壓軸承(圖中未示出)，被支承在徑向方向及推力方向上。
離子交換材料238，作為一種用來將超純凈水中的水分子在加工電極234與工件W之間分解成為氫離子和氫氧離子的催化材料，安裝在加工電極234的主體的圓周表面上，使離子交換材料與加工電極234的主體的圓周表面之間保持緊密接觸。例如，離子交換材料(催化材料)238包括具有陰離子交換功能無紡布或陽離子交換功能的無紡布。陽離子交換材料最好具有強酸性陽離子交換基(硫酸基)。另外，陽離子交換材料也可以具有弱酸性交換基(羧基)。另一方面，陰離子交換材料最好具有強堿性陰離子交換基(季胺基)。另外，陰離子交換材料也可以具有弱堿性陰離子交換基(叔胺基或低胺基)。
例如，具有強堿性陰離子交換功能的無紡布，能夠按照如下所述來制作利用通常所說的輻射誘導(dǎo)接枝聚合，將接枝鏈引入纖維直徑為20μm～50μm且孔隙度大約為90％的聚烯烴無紡布，輻射誘導(dǎo)接枝聚合包括伽馬輻射和接枝聚合。這樣，引入的接枝鏈被胺化，從而引入季胺基，借此，產(chǎn)生具有強堿性陰離子交換功能的無紡布。引入離子交換基的能力取決于引入的接枝鏈的數(shù)量。例如，這種無紡布的離子交換能力為1meq/g～1.45meq/g。利用強堿性陰離子交換纖維所制成的無紡布或引入有強堿性陰離子交換基的網(wǎng)，能夠用作催化元件。
另一方面，具有強酸性陽離子交換功能的無紡布，能夠按照如下所述來制作利用通常所說的輻射誘導(dǎo)接枝聚合，將接枝鏈引入纖維直徑為20μm～50μm且孔隙度大約為90％的聚烯烴無紡布，輻射誘導(dǎo)接枝聚合包括伽馬輻射和接枝聚合。這樣，引入的接枝鏈被硫化，從而引入硫酸基，借此，產(chǎn)生具有強酸性陽離子交換功能的無紡布。例如，這種無紡布的離子交換能力為2.8meq/g。
通常，加工電極234是被降下來，在加工電極234的下端接觸到被保持器230所保持的工件W的表面的狀態(tài)下，進行電化學(xué)加工。另外，根據(jù)加工的目的或工件W的特性，加工電極234也可以在這樣的狀態(tài)下進行加工把工件W和離子交換材料238分開，在離子交換材料238與工件W之間形成一個間隔。另外，也可以把離子交換材料238安裝在工件W上，而且把加工電極234和離子交換材料238分開，在離子交換材料238與加工電極234之間形成一個間隔。
這種電化學(xué)加工設(shè)備還包括一個電源240，用來在加工電極234與被保持器230所保持的工件W之間施加一個電壓。就本實施例而言，例如，為了電解拋光作為工件的銅，加工電極234連接到電源240的陰極，而工件(銅)W連接到電源240的陽極。但是，根據(jù)工件的類型，加工電極234也可以連接到電源240的陽極，而工件(銅)W可以連接到電源240的陰極。
保持器230被制成能夠繞著垂直軸進行轉(zhuǎn)動。加工電極234被制成能夠繞著水平軸進行轉(zhuǎn)動。就這種情況而言，保持器230和加工電極234是以能夠使超純凈水旋轉(zhuǎn)起來的方式進行轉(zhuǎn)動。超純凈水噴嘴242，用來將高壓超純凈水提供在被保持器230所保持的工件W與加工電極234之間，并且設(shè)置在轉(zhuǎn)動方向的上游。因此，當(dāng)加工電極234和工件W中至少有一個轉(zhuǎn)動時，超純凈水210即從轉(zhuǎn)動方向的上游，被輸送到加工電極234與工件W之間，以有效地清除滯留在加工電極234與工件W之間的氣泡或加工產(chǎn)物。
如圖11所示，廢水是通過超純凈水循環(huán)/凈化部分218內(nèi)的超純凈水循環(huán)/凈化裝置222來進行凈化，并且在高壓超純凈水供給裝置228內(nèi)的壓力變送器226的輸送壓力作用下，通過柱塞泵224進入超純凈水噴嘴242。
另外，如圖11所示，加工室212中的廢水210溢流出來之后，存儲在廢水箱216內(nèi)。而后，超純凈水在超純凈水循環(huán)/凈化裝置222中進行凈化，并通過高壓泵220被返送回到加工室212。超純凈水210的一部分被輸送給液壓軸承232。
借助于這種結(jié)構(gòu)的電化學(xué)加工設(shè)備，工件W是被保持器230所保持，而加工電極234是被降低到使安裝在加工電極234上的離子交換材料238線性接觸到工件W的表面，或者被降低到使離子交換材料238接近于工件W的表面。在這種情況下，加工室212內(nèi)的超純凈水210，通過超純凈水循環(huán)/凈化裝置222來進行凈化，以循環(huán)使用。加工電極234連接到電源240的陰極，而工件W連接到電源240的陽極，從而，在加工電極234與工件W之間施加一個電壓。這時，保持器230和加工電極234，是以能夠使超純凈水旋轉(zhuǎn)起來的方式同時進行轉(zhuǎn)動。通過設(shè)置在轉(zhuǎn)動方向上游的超純凈水噴嘴242，在高的壓力下，將超純凈水210輸送到加工電極234與工件W之間。超純凈水中的水分子，在離子交換材料(催化材料)238的固態(tài)表面上，被分解成氫氧離子和氫離子，用以進行清除加工。就這種情況而言，超純凈水210在加工室214內(nèi)進行流動，并通過離子交換材料(無紡布)238來產(chǎn)生大量的氫離子和氫氧離子，離子被輸送到工件W的表面上，以實現(xiàn)高效的電化學(xué)加工。
正如前面所描述的那樣，保持器230和加工電極234，是以能夠使超純凈水旋轉(zhuǎn)起來的方式同時進行轉(zhuǎn)動。通過設(shè)置在轉(zhuǎn)動方向上游的超純凈水噴嘴242，在高的壓力下，將超純凈水210輸送到加工電極234與工件W之間。因此，加工電極234與工件W之間的超純凈水210，能夠有效地被新的超純凈水更換，從而，能夠從加工表面上有效地清除在加工過程中所產(chǎn)生的氣泡和加工產(chǎn)物，以實現(xiàn)穩(wěn)定的電化學(xué)加工。
圖14為透視圖，表示本發(fā)明另一個實施例的一種電化學(xué)加工設(shè)備。在這個實施例中，加工電極234a為橢球形或球形。因此，當(dāng)加工電極234a被降下時，安裝在加工電極234a表面上的離子交換材料238a的下端，與被保持器230所保持的工件W之間的接觸是點接觸。就這種情況而言，加工電極234a和保持器230同時進行轉(zhuǎn)動。這個實施例的其他結(jié)構(gòu)，與前面所描述過的第三個實施例中的結(jié)構(gòu)相同。
根據(jù)這個實施例，由于加工面積減小，超純凈水210易于輸送到圍繞著加工部分的區(qū)域。因此，能夠在穩(wěn)定的條件下，實現(xiàn)電化學(xué)加工。
根據(jù)本發(fā)明，由于沒有使用除了超純凈水之外的任何化學(xué)物質(zhì)，因此，污染加工室214的物質(zhì)僅僅是在加工過程中所產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物。超純凈水的循環(huán)，能夠減少廢水的數(shù)量。而且，由于沒有必要處理化學(xué)液體，因此，運行成本也能夠明顯減少。實例7
利用圖11～圖13所示的電化學(xué)加工設(shè)備，對銅板進行電化學(xué)加工。使用強酸性陽離子交換纖維作為離子交換材料(催化材料)238。在工件W固定的狀態(tài)下，直徑100mm的加工電極234以60轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進行轉(zhuǎn)動。電化學(xué)加工的電流密度為133mA/cm2，時間為1分鐘。屆時，超純凈水以高的壓力從加工電極234的轉(zhuǎn)動方向的上游，通過超純凈水噴嘴242，輸送到加工電極234與工件W之間。高壓超純凈水在超純凈水噴嘴242出口處的平均流速為5.3m/s。在上述加工條件下，平均加工深度為1.5μm。
針對使用超純凈水噴嘴的試驗和沒有使用超純凈水噴嘴的試驗，在一個194μm×258μm的區(qū)域內(nèi)，測定了加工表面的表面粗糙度(中線平均高度Ra)，而且使用相移干涉顯微鏡，測定所形成的侵蝕坑和離子交換纖維的痕跡。
因此，就沒有使用超純凈水噴嘴的試驗而言，加工表面的表面粗糙度Ra＝93nm。就使用超純凈水噴嘴的試驗而言，加工表面的表面粗糙度幾乎減小了一半，降低到Ra＝51nm。另外，就沒有使用超純凈水噴嘴的試驗而言，在加工表面發(fā)現(xiàn)了大量的侵蝕坑和離子交換纖維的痕跡。而就使用超純凈水噴嘴的試驗而言，則既沒有發(fā)現(xiàn)侵蝕坑，也沒有發(fā)現(xiàn)離子交換纖維的痕跡。實例8利用圖11～圖13所示的電化學(xué)加工設(shè)備及圖14所示的電化學(xué)加工設(shè)備，在下面的表7所列的條件下，對銅板進行了電化學(xué)加工。而且，對加工表面的表面粗糙度進行了對比。就圖11～圖13所示的電化學(xué)加工設(shè)備而言，使用直徑為100mm的圓柱形電極作為加工電極234。而在圖14所示的電化學(xué)加工設(shè)備中，使用直徑為50mm的球形電極作為加工電極234a。這些電極以20轉(zhuǎn)/分～250轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速來進行轉(zhuǎn)動，而且電化學(xué)加工是以33mA/cm2～333mA/cm2的電流密度來進行的。在上述情況下，就圖11～圖13所示的電化學(xué)加工設(shè)備而言，加工表面的最低的表面粗糙度Ra＝51nm(轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分，電流密度為133mA/cm2)，而就圖14所示的電化學(xué)加工設(shè)備而言，加工表面的最低的表面粗糙度Ra＝40nm(轉(zhuǎn)速為120轉(zhuǎn)/分，電流密度為133mA/cm2)。
就上述兩種情況的每一種情況而言，均使用了超純凈水噴嘴，而且在加工之后，在銅板上實質(zhì)上既沒有發(fā)現(xiàn)侵蝕坑，也沒有發(fā)現(xiàn)離子交換纖維的痕跡。
表7

實例9利用圖14所示的電化學(xué)加工設(shè)備，對銅板進行了電化學(xué)加工。在這個實例中，加工電極234a以120轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速來進行轉(zhuǎn)動，加工的電流密度為130mA/cm2，加工時間為1分鐘。在工件(銅板)W不轉(zhuǎn)動和工件(銅板)W轉(zhuǎn)動的情況下，均進行了試驗。而且，對加工表面的表面粗糙度進行了對比。就工件(銅板)W不轉(zhuǎn)動的情況而言，沿著加工電極234a的轉(zhuǎn)動方向發(fā)現(xiàn)了波動，而且表面粗糙度Ra＝40nm。而就工件(銅板)W轉(zhuǎn)動的情況而言，沿著加工電極234a的轉(zhuǎn)動方向沒有發(fā)現(xiàn)波動，而且表面粗糙度能夠降低到Ra＝20nm。
此外，還利用其他電流密度及加工電極234a的轉(zhuǎn)速的其他組合，進行了其他試驗。結(jié)果，在加工電極234a的轉(zhuǎn)速為250轉(zhuǎn)/分、電流密度為130mA/cm2、工件W的轉(zhuǎn)速為10轉(zhuǎn)/分的條件下，能夠獲得表面粗糙度Ra＝10nm的加工表面。
正如前面所描述過的那樣，根據(jù)本發(fā)明，能夠降低加工表面的表面粗糙度，以提高工件加工的精度，加工表面的表面粗糙度是隨著波文、侵蝕坑及離子交換纖維的痕跡(加工痕跡)的增多而增大，隨著波文、侵蝕坑及離子交換纖維的痕跡(加工痕跡)的減少而減小。
就上述實施例而言，離子交換材料有強堿性陰離子交換基或強酸性陽離子交換基。但是，離子交換材料也可以有弱堿性陰離子交換基(例如叔胺基或低胺基)或弱酸性陽離子交換基(例如羧基)。
雖然本文詳細表明并描述了本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例，但應(yīng)當(dāng)知道的是，在不偏離附屬權(quán)利要求的范圍的情況下，可以進行多種變化和改進。
權(quán)利要求
1.一種電化學(xué)加工方法，包括將一個作為陽極的工件和一個陰極設(shè)置在超純凈水中，使所述工件與所述陰極之間有一個預(yù)定的間隔距離；將具有陰離子交換功能的一種催化劑設(shè)置在所述工件與所述陰極之間；以及在所述工件與所述陰極之間施加電壓時，使所述工件和所述催化劑進行相對運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)加工方法，其中，所述工件是選自下面一組金屬鋁、鐵和銅。
3.一種電化學(xué)加工設(shè)備，包括一個加工室，用來容納超純凈水；一個陰極，浸入所述加工室內(nèi)的所述超純凈水中；一個工件保持器，用來保持所述工件，使所述工件與所述陰極的距離為一個預(yù)定距離，從而使所述工件的加工表面與所述超純凈水相接觸；一個陽極，與被所述工件保持器所保持的所述工件相接觸，從而所述工件起陽極的作用；一種具有陰離子交換功能的催化劑，設(shè)置在所述陰極與被所述工件保持器所保持的所述工件之間；一個電源，用來在所述陰極與所述工件之間提供電壓；以及一個運動機構(gòu)，用于實現(xiàn)所述工件和所述催化劑的相對運動。
4.一種電化學(xué)加工方法，包括將一個作為陰極的工件和一個陽極設(shè)置在超純凈水中，使所述工件與所述陽極之間有一個預(yù)定的間隔距離；將用來使水分子分解成氫離子和氫氧離子的一種催化劑設(shè)置在所述工件與所述陽極之間；以及在所述工件與所述陽極之間施加電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電化學(xué)加工方法，其中，在所述工件與所述陽極之間施加電壓時，使所述工件和所述陽極之間進行相對運動。
6.一種電化學(xué)加工設(shè)備，包括一個加工室，用來容納超純凈水；一個陽極，浸在所述加工室內(nèi)的所述超純凈水中；一個工件保持器，用來保持所述工件，使所述工件與所述陽極的距離為一個預(yù)定距離，從而使所述工件的加工表面與所述超純凈水相接觸；一個陰極，與被所述工件保持器所保持的所述工件相接觸，從而，所述工件起陰極的作用；一種催化劑，設(shè)置在所述陽極與被所述工件保持器所保持的所述工件之間，用來將水分子分解成氫離子和氫氧離子；以及一個電源，用來在所述陽極與所述工件之間提供電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電化學(xué)加工設(shè)備，其中，所述催化劑是一種具有離子交換功能的無紡布。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電化學(xué)加工設(shè)備，其中，所述無紡布內(nèi)的具有離子交換功能的離子交換基，是選自陰離子交換基和陽離子交換基。
9.一種電化學(xué)加工設(shè)備，包括一個加工室，用來容納超純凈水；一個可旋轉(zhuǎn)的工件保持器，用來可裝卸地保持工件，以將所述工件浸入所述加工室內(nèi)的所述超純凈水中；一個加工電極，浸在所述加工室內(nèi)的所述超純凈水中，所述加工電極與被所述工件保持器所保持的所述工件的距離為預(yù)定距離；一種催化劑，設(shè)置在被所述工件保持器所保持的所述工件與所述加工電極之間，用來將所述加工電極與所述工件之間的水分子分解成氫離子和氫氧離子；一個電源，用來在所述加工電極與所述工件之間提供電壓；以及一個超純凈水噴嘴，用來將所述超純凈水從所述加工電極轉(zhuǎn)動方向的上游輸送到所述加工電極與所述工件之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電化學(xué)加工設(shè)備，還包括一個超純凈水循環(huán)/凈化設(shè)備，用來凈化所述加工室內(nèi)的所述超純凈水，以循環(huán)所述超純凈水；以及一個高壓超純凈水供給設(shè)備，用來將高壓超純凈水輸送到所述超純凈水噴嘴。
11.一種電化學(xué)加工設(shè)備，包括一個加工室，用來容納超純凈水；一個可旋轉(zhuǎn)的工件保持器，用來可裝卸地保持工件，以將所述工件浸入所述加工室內(nèi)的所述超純凈水中；一個可旋轉(zhuǎn)的加工電極，浸在所述加工室內(nèi)的所述超純凈水中，所述加工電極與被所述工件保持器所保持的所述工件的距離為預(yù)定距離；一種催化劑，設(shè)置被所述工件保持器所保持的所述工件與所述加工電極之間，用來將所述加工電極與所述工件之間的水分子分解成氫離子和氫氧離子；以及一個電源，用來在所述加工電極與所述工件之間提供電壓；其中，所述加工電極至少為圓柱形和圓筒形中的一種，而且軸心方向平行于被所述工件保持器所保持的所述工件的轉(zhuǎn)動平面。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電化學(xué)加工設(shè)備，還包括一個超純凈水循環(huán)/凈化設(shè)備，用來凈化所述加工室內(nèi)的所述超純凈水，以循環(huán)所述超純凈水；以及一個高壓超純凈水供給設(shè)備，用來將高壓超純凈水輸送到一個超純凈水噴嘴。
13.一種電化學(xué)加工設(shè)備，包括一個加工室，用來容納超純凈水；一個可旋轉(zhuǎn)的工件保持器，用來可裝卸地保持工件，以將所述工件浸入所述加工室內(nèi)的所述超純凈水中；一個可旋轉(zhuǎn)的加工電極，浸在所述加工室內(nèi)的所述超純凈水中，所述加工電極與被所述工件保持器所保持的所述工件的距離為預(yù)定距離；一種催化劑，設(shè)置被所述工件保持器所保持的所述工件與所述加工電極之間，用來將所述加工電極與所述工件之間的水分子分解成氫離子和氫氧離子；以及一個電源，用來在所述加工電極與所述工件之間提供電壓；其中，所述加工電極至少為橢球形和球形中的一種，而且軸心方向平行于被所述工件保持器所保持的所述工件的轉(zhuǎn)動平面。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電化學(xué)加工設(shè)備，還包括一個超純凈水循環(huán)/凈化設(shè)備，用來凈化所述加工室內(nèi)的所述超純凈水，以循環(huán)所述超純凈水；以及一個高壓超純凈水供給設(shè)備，用來將高壓超純凈水輸送到一個超純凈水噴嘴。
15.一種電化學(xué)加工方法，包括將一個加工電極和一個工件設(shè)置在超純凈水中，使所述加工電極與所述工件之間有一個預(yù)定的間隔距離；將一種催化劑設(shè)置在所述加工電極與所述工件之間，用來將水分子分解成氫離子和氧離子；在所述加工電極與所述工件之間施加一個電壓；以及所述加工電極和所述工件中的至少一個在轉(zhuǎn)動時，將超純凈水從所述加工電極和所述工件中至少一個的轉(zhuǎn)動方向的上游，輸送到所述加工電極與所述工件之間。
16.一種電化學(xué)加工方法，包括將一個加工電極和一個工件設(shè)置在超純凈水中，使所述加工電極與所述工件之間有一個預(yù)定的間隔距離；將一種催化劑設(shè)置在所述加工電極與所述工件之間，用來將水分子分解成氫離子和氧離子；在所述加工電極與所述工件之間施加一個電壓；以及使所述加工電極和所述工件彼此之間線性接觸，并且使所述加工電極和所述工件同時轉(zhuǎn)動。
17.一種電化學(xué)加工方法，包括將一個加工電極和一個工件設(shè)置在超純凈水中，使所述加工電極與所述工件之間有一個預(yù)定的間隔距離；將一種催化劑設(shè)置在所述加工電極與所述工件之間，用來將水分子分解成氫離子和氧離子；在所述加工電極與所述工件之間施加一個電壓；以及使所述加工電極和所述工件彼此之間點接觸，并且使所述加工電極和所述工件同時轉(zhuǎn)動。
全文摘要
一種電化學(xué)加工設(shè)備,包括:一個加工室,用來容納超純凈水;一個陰極/陽極,浸在加工室內(nèi)的超純凈水中;以及一個工件保持器,用來將工件保持在距離陰極/陽極的一個預(yù)定距離上,使工件的加工表面與超純凈水相接觸。這種電化學(xué)加工設(shè)備還包括:一個陽極/陰極接觸面,與被工件保持器所保持的工件相接觸,從而,工件起陽極/陰極的作用;一種催化劑,具有強堿性陰離子交換功能或強酸性陽離子交換功能;一個電源,用來在陰極/陽極與工件之間施加一個電壓;以及一個運動機構(gòu),用來使工件和催化劑實現(xiàn)相對運動。催化劑是設(shè)置在陰極/陽極與被工件保持器所保持的工件之間。
文檔編號C25F1/02GK1380447SQ0210270
公開日2002年11月20日 申請日期2002年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月23日
發(fā)明者森勇藏, 白樫充彥, 當(dāng)間康, 小畠嚴貴, 齊藤孝行 申請人:株式會社荏原制作所, 森勇藏