近年来，技术的发展促成了多种新材料一个接着一个地出现。 但是，可用于这些新材料的加工技术还没有确定，从而，加工技术 的发展已落后于新材料的发展。
此外，各种设备中的部件已变得更为精密并要求具有更高的精 度。虽然亚微米加工技术已得到广泛应用，但是，材料的性能基本 上要受到这种加工技术的影响。在这些情况下，就常用的加工方法 而言，工件表面的有用部分会受到工具的物理损伤和去除，从而， 会产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 料性能的情况下完成加工，已变为一件重要的事情。
为了解决这个问题，已研究出了一些加工方法，例如化学抛光、 电化学加工及电解抛光。与传统的物理加工方法相比，这些加工方 法通过化学洗涤来实现清除等加工。因此，就这些方法而言，不会 出现因塑性变形而造成加工层变形，而且不会出现诸如位错之类的 缺陷，从而，能够在不降低材料性能的情况下，完成加工。
此外，利用原子间化学相互作用的加工方法，已引起人们的注 意。这种方法是利用具有高化学反应性的微粒子和原子团等来实现 加工。根据这种加工方法，清除等加工是通过工件在原子水平上的 化学反应来实现。因此，能够将加工控制在原子水平上。这类加工 方法包括已被发明者研究出的弹性辐射匹配(EEM)加工及等离子 体化学汽相(CVM)加工。弹性辐射匹配(EEM)加工，是利用微 粒子与工件之间的化学反应，从而，能够实现在原子水平上的加工， 而不会降低材料性能。而等离子体化学汽相(CVM)加工，是在大 气压力下下利用工件与等离子体中所产生的原子团之间的原子团反 应，从而，也能够实现在原子水平上的加工。
就上述电化学加工及电解抛光加工而言，加工被认为是通过工 件原子与电解溶液(NaCl、NaNO3、HF、HCl、HNO3、NaOH水溶 液等)中电解液离子之间的电化学相互作用来实现。在使用这类电 解溶液的情况下，工件不可以避免地会被电解溶液所沾染。
因此，发明者考虑，在中性和碱性电解溶液中，加工是与氢氧 离子(OH-)有关。这种考虑促成了这样一种想法：甚至利用含有 少量氢氧离子的水，也能够实现加工。发明者用实验方法证明了这 种技术的可行性，并提出了一种用来提高超纯净水中离子成份的方 法，在超纯净水中，不可避免地含有少量杂质，这种方法公开在日 本专利文献特开平10-58236中。
根据上述方法，将工件浸入氢氧离子浓度提高的超纯净水中， 从而，通过与氢氧离子之间的化学洗涤或氧化反应，来实现氧化膜 的清除或形成。此外，发明者还建议，利用具有离子交换功能或催 化(catalytic)功能的固体的表面上的电化学反应，来提高氢氧离子的 数量。为此，已研究出了一种创新的加工方法，借此，能够实现清 洁的加工，通过利用超纯净水中的氢氧离子，清除加工表面上的杂 质。预计，这种加工方法具有广阔的应用范围，包括与半导体加工 有关的领域。因此，发明者提出了一种使用超纯净水作为电解溶液 的加工方法，这是一种利用化学反应来实现的低损伤性加工方法， 而且也是一种清洁的和环境负担低的加工方法。

本发明就是针对前面所描述的各种缺点。因此，本发明的第一 个目的是：提供一种电化学加工方法及设备，它使用超纯净水作为 电解溶液，而且能够有效地实现诸如铝和铁之类材料的清除加工。
本发明的第二个目的是：提供一种电化学加工方法及设备，它 使用超纯净水作为电解溶液，而且不仅能够实现诸如铝和硅之类材 料的氧化膜的成膜加工，也能够实现诸如铝和硅之类材料的清除加 工。
本发明的第三个目的是：提供一种能够进一步提高工件加工精 度的电化学加工方法及设备。
为了实现第一个目的，根据本发明的第一个方面，提供了一种 电化学加工方法，其中包括：将一个作为阳极的工件和一个阴极设 置在超纯净水中，使工件与阴极之间有一个预定的间隔距离；将具 有阴离子交换功能的催化剂设置在工件与阴极之间；以及在工件与 阴极之间施加一个电压时，使工件和催化剂进行相对运动。
因此，电化学加工是在这样的状态下在超纯净水中实现的：工 件作为阳极，而且使用了具有阴离子交换功能的催化剂。从而，即 使对于诸如铝和铁之类的难以进行清除加工的材料来说，也能够有 效地实现清除加工。此外，通过提高在工件与作为反向电极的阴极 之间流动的超纯净水的流速，还能够实现稳定的加工。
根据本发明的优选方面，工件是选自下面一组金属：铝、铁和 铜。
根据本发明的第二个方面，提供了一种电化学加工设备，其中 包括：一个加工室，用来容纳超纯净水；一个阴极，浸在加工室内 的超纯净水中；一个工件保持器(workpiece holding portion)，用来使 工件与阴极保持预定距离，以致于使工件的加工表面与超纯净水相 接触；一个阳极，与被工件保持器所保持的工件相接触，从而工件 起阳极的作用；一种具有阴离子交换功能的催化剂，设置在阴极与 被工件保持器所保持的工件之间；一个电源，用来在阴极与工件之 间提供电压；以及一个运动机构，用于实现工件和催化剂的相对运 动。
为了实现本发明的第二个目的，根据本发明的第三个方面，提 供了一种电化学加工方法，其中包括：将一个作为阴极的工件和一 个阳极设置在超纯净水中，工件与阳极之间有一个预定的间隔距离； 将用来使水分子分解成氢离子和氢氧离子的催化剂设置在工件与阳 极之间；以及在工件与阳极之间施加一个电压。
因此，电化学加工是在工件作为阴极的状态下在超纯净水中实 现的。从而，即使对于诸如硅或铝之类的多种材料，也能够有效地 实现清除加工，就诸如硅或铝之类的多种材料而言，在工件是作为 阳极的情况下，主要是用来进行成膜加工而且难以进行清除加工。
根据本发明的一个优选方面，在工件与阳极之间施加一个电压 时，使工件和阳极之间实现相对运动。
工件和阳极之间的相对运动，能够提高工件与作为反向电极的 阳极之间流动的超纯净水的流速，从而，能够实现稳定的加工。
根据本发明的第四个方面，提供了一种电化学加工设备，其中 包括：一个加工室，用来容纳超纯净水；一个阳极，浸在加工室内 的超纯净水中；一个工件保持器，用来使工件与阴极保持预定距离， 以致于使工件的加工表面与超纯净水相接触；一个阴极，与被工件 保持器所保持的工件相接触，以致于使工件成为阴极；一种催化剂， 设置在阳极与被工件保持器所保持的工件之间，用来将水分子分解 成氢离子和氢氧离子；以及一个电源，用来在阳极与工件之间提供 电压。
根据本发明的一个优选方面，催化剂是一种具有离子交换功能 的无纺布(nonwoven fabric)。这种无纺布可以按照如下所述来制作： 利用通常所说的辐射诱导接枝聚合，将接枝链引入具有适当纤维直 径和孔隙度的无纺布，辐射诱导接枝聚合包括伽马辐射和接枝聚合。 利用离子交换纤维所制成的无纺布或引入有离子交换基的网，能够 用作催化元件。
从提高电流值的观点看，使无纺布与阳极或工件(阴极)相接 触是有益的。当反应产物可能滞留在电极与无纺布之间，从而可能 会在加工表面上产生不均匀的电化学加工时，提高超纯净水的流速， 会在加工表面上产生不均匀的电化学加工。为了立即从工件或阳极 上清除反应产物，可以在无纺布与电极之间形成一个间隔，特别是 在无纺布与工件之间形成一个间隔。
根据本发明的另一个优选方面，无纺布内的具有离子交换功能 的离子交换基，是选自阴离子交换基和阳离子交换基。通过改变离 子交换纤维，能够控制清除和成膜的加工速度。
为了实现本发明的第三个目的，根据本发明的第五个方面，提 供了一种电化学加工设备，其中包括：一个加工室，用来容纳超纯 净水；一个可旋转的工件保持器，用来可装卸地保持工件，以将工 件浸入加工室内的超纯净水中；一个加工电极，浸在加工室内的超 纯净水中，这个加工电极与工件保持器所保持的工件保持预定距离； 一种催化剂，设置在被工件保持器所保持的工件与加工电极之间， 用来将加工电极与工件之间的水分子分解成氢离子和氢氧离子；一 个电源，用来在加工电极与工件之间提供电压；以及一个超纯净水 喷嘴，用来将超纯净水从加工电极转动方向的上游输送到加工电极 与工件之间。
利用这种结构，能够降低加工表面的表面粗糙度。原因被认为 是：超纯净水从加工电极转动方向的上游，被输送到加工电极与工 件之间，借此，能够有效地从加工表面消除气泡及加工产物，这是 通过简单地转动加工电极而难以消除的。因此，能够消除妨碍工件 平整的因素。此外，还能够消除纤维的沉淀------使用强酸性阳离子 交换纤维作为催化剂时的一个特有现象。
根据本发明的第六个方面，提供了一种电化学加工设备，其中 包括：一个加工室，用来容纳超纯净水；一个可旋转的工件保持器， 用来可装卸地保持工件，以将工件浸入加工室内的超纯净水中；一 个可旋转的加工电极，浸在加工室内的超纯净水中，这个加工电极 与工件保持器所保持的工件保持预定距离；一种催化剂，设置被工 件保持器所保持的工件与加工电极之间，用来将加工电极与工件之 间的水分子分解成氢离子和氢氧离子；以及一个电源，用来在加工 电极与工件之间提供电压；其中，加工电极至少为圆柱形和圆筒形 中的一种，而且轴心方向平行于被工件保持器所保持的工件的转动 平面。
当只有加工电极转动时，在加工过程中，会在加工电极的运动 方向上形成加工痕迹。借助于上述配置，即能够消除加工表面的加 工痕迹。
根据本发明的第七个方面，提供了一种电化学加工设备，其中 包括：一个加工室，用来容纳超纯净水；一个可旋转的工件保持器， 用来可装卸地保持工件，以将工件浸入加工室内的超纯净水中；一 个可旋转的加工电极，浸在加工室内的超纯净水中，这个加工电极 与工件保持器所保持的工件保持预定距离；一种催化剂，设置被工 件保持器所保持的工件与加工电极之间，用来将加工电极与工件之 间的水分子分解成氢离子和氢氧离子；以及一个电源，用来在加工 电极与工件之间提供电压；其中，加工电极至少为椭球形和球形中 的一种，而且轴心方向平行于被工件保持器所保持的工件的转动平 面。
利用这种结构，能够降低加工表面的表面粗糙度。原因被认为 是：加工区域的面积小，从而，超纯净水易于输送到加工区域的周 围，以在稳定的条件下完成加工。
就这些情况而言，电化学加工设备最好包括：一个超纯净水循 环/净化设备，用来净化加工室内的超纯净水；以及一个高压超纯 净水供给设备，用来将高压超纯净水输送到超纯净水喷嘴。
根据本发明的第八个方面，提供了一种电化学加工方法，其中 包括：将一个加工电极和一个工件设置在超纯净水中，使加工电极 与工件之间有一个预定的间隔距离；将一种催化剂设置在加工电极 与工件之间，用来将水分子分解成氢离子和氧离子；在加工电极与 工件之间施加电压；以及在加工电极和工件中的至少一个在转动时， 将超纯净水从加工电极和工件中的至少一个的转动方向的上游，输 送到加工电极与工件之间。
根据本发明的第九个方面，提供了一种电化学加工方法，其中 包括：将一个加工电极和一个工件设置在超纯净水中，使加工电极 与工件之间有一个预定的间隔距离；将一种催化剂设置在加工电极 与工件之间，用来将水分子分解成氢离子和氧离子；在加工电极与 工件之间施加电压；以及使加工电极和工件彼此之间线性接触，并 且使加工电极和工件同时转动。
根据本发明的第十个方面，提供了一种电化学加工方法，其中 包括：将一个加工电极和一个工件设置在超纯净水中，使加工电极 与工件之间有一个预定的间隔距离；将一种催化剂设置在加工电极 与工件之间，用来将水分子分解成氢离子和氧离子；在加工电极与 工件之间施加电压；以及使加工电极和工件彼此之间点接触，并且 使加工电极和工件同时转动。
通过结合附图来阅读下面的说明，本发明的上述目的及其他目 的、特点和优点，将会变得清楚易懂，附图以实例的形式表示了本
发明的优选实施例。

图1为剖面图，示意性地表示本发明第一个实施例的一种电化 学加工设备；
图2为曲线图，表示在使用图1所示的电化学加工设备来进行 铝的清除加工时，在将工件用作阴极而且使用具有阳离子交换功能 或者阴离子交换功能的无纺布的情况下，以及在将工件用作阳极而 且使用具有阴离子交换功能的无纺布取代具有阳离子交换功能的无 纺布的情况下，电流密度与加工速度之间的相互关系；
图3为曲线图，表示在使用图1所示的电化学加工设备来进行 铁的清除加工时，在使用具有强碱性阴离子交换功能的无纺布取代 具有强酸阳离子交换功能的无纺布的情况下，电流密度与加工速度 之间的相互关系；
图4为曲线图，表示在使用图1所示的电化学加工设备来进行 铜的清除加工时，在使用具有强碱性阴离子交换功能的无纺布取代 具有强酸阳离子交换功能的无纺布的情况下，电流密度与加工速度 之间的相互关系；
图5为剖面图，示意性地表示本发明第二个实施例的一种电化 学加工设备；
图6为曲线图，表示在使用图5所示的电化学加工设备来加工p 型硅时，转速与加工速度之间的相互关系；
图7为曲线图，表示在使用具有强酸性阳离子交换功能的无纺 布取代具有强碱性阴离子交换功能的无纺布的情况下，转速与加工 速度之间的相互关系；
图8为曲线图，表示在使用图5所示的电化学加工设备来加工n 型硅时，转速与加工速度之间的相互关系，而且比较了n型硅的加 工结果与p型硅的加工结果；
图9为曲线图，表示在使用图5所示的电化学加工设备来进行 铝的清除加工时，在使用阳离子交换纤维作为催化剂的情况下，电 流密度与加工速度之间的相互关系；
图10为曲线图，表示在使用图5所示的电化学加工设备来进行 铝的清除加工时，在使用阴离子交换纤维作为催化剂的情况下，电 流密度与加工速度之间的相互关系；
图11为示意图，表示根据本发明第三个实施例的一种电化学加 工设备的总体结构；
图12为前视图，表示图11所示的电化学加工设备；
图13为透视图，表示图12所示的电化学加工设备中的保持器 及加工电极；以及
图14为透视图，表示根据本发明另一个实施例的一种电化学加 工设备中的保持器及加工电极。
优选实施例的详细说明
下面，将参照图1～图4，对根据本发明第一个实施例的一种电 化学加工设备进行描述。
图1为示意图，表示根据本发明第一个实施例的一种电化学加 工设备。电化学加工设备10包括：一个加工室14，例如用丙烯酸 类树脂所制成的加工室，用来容纳超纯净水12；一个盖板16，用来 关闭和打开位于加工室14上端的开口部分；以及一个超纯净水供水 管18，用来将超纯净水12输入加工室14。在加工室14与盖板16 之间，设有一个超纯净水出口20，用来将部分超纯净水12排出加 工室14。
连接到电源22的阴极24是可旋转地设置在加工室14之内。阴 极24包括一个旋转电极，例如用不锈钢制成的旋转电极。阴极24 的表面覆盖有一个表面敷层26，例如铂箔，以避免洗涤阴极24。另 一方面，设置在盖板16的背面的工件保持器29用来可装卸地保持 工件28，例如铝制工件。此外，连接到电源22的阳极30安装在盖 板16上。因此，当把工件28保持在盖板16的背面上时，阳极30 和工件28在阳极接触面30a上彼此相互接触，从而，工件28也就 起阳极的作用。
具有强碱性阴离子交换功能的无纺布(催化剂)32，安装在阴 极24的表面上，无纺布32与阴极24的表面紧密接触。当把工件28 保持在盖板16的背面而且盖板16关闭加工室14的上端开口部分的 时候，无纺布32的上端与工件28的下表面(加工表面)相接触。 无纺布32和与无纺布32相接触的工件28，通过安装在阴极24上 的旋转机构(运动机构)33，来实现相对转动(运动)。
例如，具有强碱性阴离子交换功能的无纺布32，能够按照如下 所述来制作：利用通常所说的辐射诱导接枝聚合，将接枝链引入纤 维直径为20μm～50μm且孔隙度大约为90％的聚烯烃无纺布，辐射 诱导接枝聚合包括伽马辐射和接枝聚合。这样，引入的接枝链被胺 化，从而引入季胺基，借此，产生具有强碱性阴离子交换功能的无 纺布。引入离子交换基的能力，取决于引入的接枝链的数量。例如， 这种无纺布的离子交换能力为1meq/g～1.45meq/g。利用强碱性阴 离子交换纤维所制成的无纺布或引入有强碱性阴离子交换基的网， 能够用作催化元件。
根据加工的目的或工件28的特性，可以把工件28和无纺布32 分开，在无纺布32与工件28之间形成一个间隔。另外，也可以把 无纺布32安装在工件28上，把阴极24和无纺布32分开，在无纺 布32与阴极24之间形成一个间隔。
就这种结构的电化学加工设备而言，超纯净水12通过超纯净水 输水管18被输入加工室14，同时，部分超纯净水12从超纯净水出 口20排出加工室14。电源22连接到阴极24和作为阳极的工件28， 以在电极24和电极28之间施加一个电压。与此同时，无纺布32， 与阴极24一起，按照需要进行转动。超纯净水12中的水分子，通 过具有强碱性阴离子交换功能的无纺布32，被分解成氢氧离子和氢 离子。氢氧离子通过超纯净水12的流动和介于工件28与阴极24之 间的电场，被输送到工件28的表面上。因此，工件28周围的氢氧 离子密度被提高，以引起工件原子与氢氧离子反应。反应产物被冲 洗到超纯净水12中，而且通过超纯净水12沿着工件28表面的流动， 从工件28上清除掉。这样，就清除了工件28的表面层。
正如前面所描述的那样，超纯净水12在加工室14内进行流动， 并通过无纺布32来产生大量的氢离子和氢氧离子。离子被输送到工 件28的表面上，以实现高效加工。通过工件原子与氢氧离子的氧化 反应，可以在工件表面形成一个清洁的氧化膜。在这种情况下，通 过氧化膜的积聚，即能够获得所想要的工件形状。
当阴极(旋转电极)24旋转时，在作为阳极的工件28与作为反 向电极的阴极24之间，超纯净水12能够有效地被新的超纯净水更 换。因此，在加工过程中所产生的气体及加工产物，能够有效地从 加工表面上清除掉，以实现稳定的加工。为了提高超纯净水在加工 点的流速，可以转动电极(就这种情况而言，是阴极24)，或者可 以使用一个诸如泵之类的设备，来促成超纯净水在加工点位置的流 动。
根据本发明，由于没有使用除了超纯净水之外的任何化学物质， 因此，污染加工室14的物质仅仅是在加工过程中所产生的反应产 物。超纯净水的循环，能够减少废水的数量。而且，由于没有必要 处理化学液体，因此，运行成本也能够明显减少。
此外，在加工过程中所产生的加工产物，是被强制性地吸到加 工部分的下游，以保持加工环境的清洁。另外，超纯净水还通过溢 流(overflow)，不断地被新的超纯净水更换，而且，加工室14内的 超纯净水12，还通过一个独立的超纯净水净化设备(图中未示出) 来进行净化。 实例1
图1所示的电化学加工设备，用来进行铝(Al)的清除加工。 试件的下表面(加工表面)，面向超纯净水，其尺寸为12.5mm× 34mm。在试件的下表面，只有一部分暴露在超纯净水中而且与超纯 净水相接触，这部分的尺寸为12.5mm×8mm。其他部分，则是利用 聚醚醚酮(PEEK)材料遮蔽起来。加工条件列在下面的表1中。就 这种情况而言，电流密度与加工速度之间的相互关系，如图2中的 “阳极/阴离子纤维”的直线所示。
              表1     加工条件   电压施加周期     600秒   转速     200转/分   间隙     0mm
另外，还利用同样的配置，在颠倒了电源电极的情况下，即工 件被用作阴极的情况下，在如前描述的加工条件下，进行铝的清除 加工。就这种情况而言，电流密度与加工速度之间的相互关系，如 图2中的“阴极/阴离子纤维”的直线所示。
此外，还利用同样的配置，在工件被用作阴极而且使用具有强 酸性阳离子交换功能的无纺布取代具有强碱性阴离子交换功能的无 纺布的情况下，在如前描述的加工条件下，进行了铝的清除加工。 就这种情况而言，电流密度与加工速度之间的相互关系，如图2中 的“阴极/阳离子纤维”的直线所示。
正如图2所清楚表明的那样，在铝的清除加工中，当工件是被 用作阳极而且无纺布采用的是具有强碱性阴离子交换功能的无纺布 的时候，能够获得的加工速度要明显高于工件是被用作阴极而且无 纺布采用的是具有强碱性阴离子交换功能或强酸性阳离子交换功能 的无纺布的时候。 实例2
实例1所描述的电化学加工设备，用来在与实例1相同的加工 条件下，进行铁(Fe)的清除加工。就这种情况而言，电流密度与 加工速度之间的相互关系，如图3中的“阳极/阴离子纤维”的直 线所示。
此外，还利用同样的配置，在使用具有强酸性阳离子交换功能 的无纺布取代具有强碱性阴离子交换功能的无纺布的情况下，在如 前描述的相同加工条件下，进行了铁的清除加工。就这种情况而言， 电流密度与加工速度之间的相互关系，如图3中的“阳极/阳离子 纤维”的直线所示。
正如图3所清楚表明的那样，在铁的清除加工中，当工件是被 用作阳极而且无纺布采用的是具有强碱性阴离子交换功能的无纺布 的时候，其加工速度比采用具有强酸性阳离子交换功能的无纺布的 时候高10倍～20倍。 实例3
实例1所描述的电化学加工设备，用来在与实例1相同的加工 条件下，进行铜(Cu)的清除加工。就这种情况而言，电流密度与 加工速度之间的相互关系，如图4中的“阳极/阴离子纤维”的直 线所示。
此外，还利用同样的配置，在使用具有强酸性阳离子交换功能 的无纺布取代具有强碱性阴离子交换功能的无纺布的情况下，在如 前描述的相同加工条件下，进行了铜的清除加工。就这种情况而言， 电流密度与加工速度之间的相互关系，如图4中的“阳极/阳离子 纤维”的直线所示。
正如图4所清楚表明的那样，在铜的清除加工中，当工件被用 作阳极而且无纺布采用的是具有强碱性阴离子交换功能的无纺布的 时候，其加工速度比采用具有强酸性阳离子交换功能的无纺布的时 候高大约1.5倍。
正如前面所描述的那样，根据本发明，即使对于诸如铝和铁之 类的材料，通过使用具有阴离子交换功能的无纺布，也能够有效地 实现清除加工，而通过使用具有阳离子交换功能的无纺布，清除加 工则难以实现。此外，由于加工是通过氢离子、氢氧离子与工件原 子之间的电化学作用来实现的，因此，能够避免在加工过程中造成 物理缺陷而引起工件性能下降。另外，与常用电化学加工方法中所 使用的含水溶液不同，超纯净水仅仅含有氢离子、氢氧离子及水分 子，而且没有诸如金属离子之类的杂质。因此，如果能够完全防止 杂质从外面进入系统，则就能够实现完全清洁的环境。另外，由于 仅仅使用超纯净水，因此，还能够大大减轻废水处理的负担，从而 能够大大降低加工成本。
下面，将参照图5～图10，对本发明第二个实施例的一种电化 学加工设备进行描述。
图5为示意图，表示根据本发明第二个实施例的一种电化学加 工设备。电化学加工设备110包括：一个加工室114，例如用丙烯酸 类树脂所制成的加工室，用来容纳超纯净水112；一个盖板116，用 来关闭和打开位于加工室114上端的开口部分；以及一个超纯净水 供水管118，用来将超纯净水112输入加工室114。在加工室114与 盖板116之间，设有一个超纯净水出口120，用来将部分超纯净水112 排出加工室114。
连接到电源122的阳极124可旋转地设置在加工室114之内。 阳极124包括一个旋转电极，例如用不锈钢制成的旋转电极。阳极 124的表面覆盖有一个表面敷层126，例如铂箔，以避免洗涤阳极 124。另一方面，在盖板116的背面设置工件保持器129，用来可装 卸地保持工件128，例如硅工件。此外，连接到电源122的阴极130 安装在盖板116上。因此，当把工件128保持在盖板116的背面上 时，阴极130和工件128在阴极接触面130a上彼此相互接触，从而， 工件128也就起阴极的作用。
具有离子交换功能的无纺布(催化剂)132，安装在阳极124的表 面上，无纺布132与阳极124的表面紧密接触。当把工件128保持 在盖板116的背面而且盖板116关闭加工室114的上端开口部分的 时候，无纺布132的上端与工件128的下表面(加工表面)相接触。 无纺布132和与无纺布132相接触的工件128，通过安装在阳极124 上的旋转机构(运动机构)133，来实现相对转动(运动)。
例如，无纺布132能够用这样的方法来制作：利用通常所说的 辐射诱导接枝聚合，将接枝链引入纤维直径适当而且孔隙度适当的 聚烯烃无纺布，辐射诱导接枝聚合包括伽马辐射和接枝聚合。利用 离子交换纤维所制成的无纺布或引入有离子交换基的网，能够用作 催化元件。具有离子交换功能的无纺布132的离子交换基包括：强 碱性阴离子交换基或强酸性阳离子交换基。
根据加工的目的或工件128的特性，可以把工件128和无纺布132 分开，在无纺布132与工件128之间形成一个间隔。另外，也可以 把无纺布132安装在工件128上，把阳极124和无纺布132分开， 在无纺布132与阳极124之间形成一个间隔。
就这种结构的电化学加工设备而言，超纯净水112通过超纯净 水输水管118被输入加工室114，同时，部分超纯净水112从超纯净 水出口120排出加工室114。电源122连接到阳极124和作为阴极 的工件128，以在电极124和电极128之间施加一个电压。与此同 时，阳极124按照需要进行转动。在具有离子交换功能的无纺布132 的固态表面上发生的化学反应，产生氢氧离子和氢离子，以实现清 除氧化膜或形成氧化膜的加工。超纯净水112在加工室114内进行 流动，并通过无纺布132来产生大量的氢离子和氢氧离子。离子被 输送到工件28的表面上，以实现高效加工。
当阳极(旋转电极)124旋转时，在作为阴极的工件128与作为 反向电极的阳极124之间，超纯净水112能够有效地被新的超纯净 水更换。因此，在加工过程中所产生的气体及加工产物，能够有效 地从加工表面上清除掉，以实现稳定的加工。为了提高超纯净水在 加工点的流速，可以转动电极(就这种情况而言，是阳极124)，或 者可以使用一个诸如泵之类的设备，来促成超纯净水在加工点位置 的流动。
根据本发明，由于没有使用除了超纯净水之外的任何化学物质， 因此，污染加工室114的物质仅仅是在加工过程中所产生的反应产 物。超纯净水的循环，能够减少废水的数量。而且，由于没有必要 处理化学液体，因此，运行成本也能够明显减少。
此外，在加工过程中所产生的加工产物，是被强制性地吸到加 工部分的下游，以保持加工环境的清洁。另外，超纯净水还通过溢 流，不断地被新的超纯净水更换，而且在加工室114内的超纯净水 112，还通过一个独立的超纯净水净化设备(图中未示出)来进行净 化。 实例4
图5所示的电化学加工设备用来加工硅。所使用的硅是电阻率 为11.5Ω·cm～15.5Ω·cm的p型硅。试件的下表面(加工表面) 面向超纯净水，其尺寸为12.5mm×34mm。在试件的下表面内，只 有一部分暴露在超纯净水中而且与超纯净水相接触，这部分的尺寸 为12.5mm×8mm。其他部分，则是利用聚醚醚酮(PEEK)材料遮 蔽起来。一种具有强碱性阴离子交换功能的无纺布(阴离子纤维) 被用作促进水分子分解的催化材料。加工条件列在下面的表2中。 相对于三种电流密度，测定了加工速度与阳极转速之间的相互关系。 结果如图6所示。
               表2                 加工条件     电流密度     30mA/cm2     100mA/cm2     300mA/cm2     电压施加周期     30分钟     催化材料     阴离子纤维     转速     0到250转/分     间隙     0mm
如图6所示，当阳极的转速为0转/分(100mA/cm2)或200 转/分(30mA/cm2，300mA/cm2)时，在工件的表面上形成了氧化 膜。当阳极的转速在20转/分～150转/分范围内时，可进行硅的 清除加工。特别是对硅来说，当工件(硅)被用作阳极时，主要是 进行氧化膜的成膜加工。但是，当工件(硅)被用作阴极而且适当 地调整电流密度和阳极转速时，则既可以进行氧化膜的成膜加工也 可以进行氧化膜的清除加工。 比较实例1    
图5所示的电化学加工设备，在阳极的转速为60转/分时，在 电极之间不施加电压的情况下，即没有电流的情况下，用来加工硅。 在这种情况下，硅的表面没有发生变化，而且既没有进行氧化膜的 成膜加工，也没有进行氧化膜的清除加工。这表明本发明的清除加 工原理并不是通过简单的机械加工，而是通过施加电压所引起的电 化学反应来实现加工过程。 比较实例2
在使用具有强酸性阳离子交换功能的无纺布，而不是使用具有 强碱性阴离子交换功能的无纺布，作促进水分子分解的催化材料的 情况下，进行了类似的加工。在这种情况下，硅的表面没有发生明 显变化，从而既没有进行氧化膜的成膜加工，也没有进行氧化膜的 清除加工。这表明本发明的加工现象不仅仅与工件的极性有关，而 且还与具有离子交换功能的无纺布的类型有关。 比较实例3
根据下面的表3中所列出的条件，进行类似的加工。用来促进 水分子分解的催化材料使用的是具有强酸性阳离子交换功能的无纺 布，而不是具有强碱性阴离子交换功能的无纺布。测定加工速度与 阳极转速之间的相互关系。结果如图7所示。在图7中，当阳极的 转速为0、20和200转/分时，硅的表面被氧化。另一方面，当阳 极的转速为60转/分和100转/分时，可以实现清除加工，而且与 使用具有强碱性阴离子交换功能的无纺布的情况相比，其加工速度 下降低到10倍。
               表3               加工条件   电流密度     100mA/cm2   电压施加周期     90分钟   催化材料     阳离子纤维   转速     0～200转/分   间隙     0mm 实例5
不用实例1中所用的p型硅，而是用电阻率实质上与实例1中 所用p型硅相等的n型硅作为工件，在下面的表4所列的条件下进 行加工。在这种情况下，在电流密度为100mA/cm2的情况下，测定 加工速度与阳极转速之间的相互关系。结果如图8所示，图中将n 型硅的结果与p型硅的结果进行了对比。
            表4             加工条件   电流密度     100mA/cm2   电压施加周期     30分钟   催化材料     阴离子纤维   转速     0～200转/分   间隙     0mm
正如图8所清楚表明的那样，在实质上相同的电流密度和转速 下，比较结果表明了这样一种趋势：n型硅的清除加工速度高于p 型硅的清除加工速度。 实例6
实例4所描述的电化学加工设备，用来在铝用作阴极工件的情 况下，在下面的表5所列出的加工条件下，进行铝的清除加工。图 9表示在使用具有强酸性阳离子交换功能的无纺布(阳离子交换纤 维)作催化材料的情况下，电流密度与加工速度之间的相互关系。 图10表示在使用具有强碱性阴离子交换功能的无纺布(阴离子交换 纤维)作催化材料的情况下，电流密度与加工速度之间的相互关系。 具有酸性阳离子交换功能的无纺布，可按照如下所述来制作：利用 通常所说的辐射诱导接枝聚合，将接枝链引入纤维直径为20μm～ 50μm且孔隙度大约为90％的聚烯烃无纺布，辐射诱导接枝聚合包括 伽马辐射和接枝聚合。这样，引入的接枝链被硫化，以便引入硫酸 基，借此，产生具有酸性阳离子交换功能的无纺布。这种无纺布的 离子交换能力为2.8meq/g。
             表5              加工条件   催化材料   阳离子交换纤维   阴离子交换纤维   作工件的金属     铝   电流密度     0A/cm2     0.5A/cm2     1.0A/cm2     2.0A/cm2   电压施加周期     600秒   转速     200转/分   间隙     0mm
正如图9和图10所清楚表明的那样，当进行清除加工时，加工 速度实质上是与电流密度成正比。清除加工被认为是通过相同的反 应来实现，而与电流密度无关。
表6表示在使用不同类型的离子交换材料时所显现出的加工现 象，其中包括硅的加工现象。根据质量和表面外形(加工部分与非 加工部分之间的高度差)的变化，可以判定所进行的加工现象的类 型(清除加工还是成膜加工)。
                    表6   强碱性阴离子交换   无纺布   强酸性阳离子交换   无纺布     Al     ○     ○     Si     ○     ● (注)○：清除加工
●：成膜加工
当铝或硅用作阳极工件时，主要是进行成膜加工。但是，正如 表6所清楚表明的那样，当铝或硅用作阴极工件时，能够进行清除 加工。
正如前面所描述的那样，根据本发明的第二个实施例，当诸如 硅和铝之类的难以进行清除和成膜加工的材料是被用作阴极时，即 能够进行清除加工。此外，清除或成膜的加工速度，能够通过控制 电流密度和转速(相对运动速度)或改变催化剂(无纺布)来进行 控制。
由于加工是通过氢离子、氢氧离子与工件原子之间的电化学作 用来实现的，因此，能够避免在加工过程中造成物理缺陷而引起工 件性能下降。另外，与常用电化学加工方法中所使用的含水溶液不 同，超纯净水仅仅含有氢离子、氢氧离子及水分子，而且没有诸如 金属离子之类的杂质。因此，如果能够完全防止杂质从外面进入系 统，则能够实现完全清洁的环境。另外，由于仅仅使用超纯净水， 因此，废水处理的负担能够极小，从而能够大大降低加工成本。
下面，将参照图11～图14，对本发明第三个实施例的一种电化 学加工设备进行描述。
当工件和加工电极是彼此平行布置而且彼此之间没有相对运动 时，则在加工过程中所产生的加工产物或气泡将会滞留在电极之间。 因此，加工后的工件的表面粗糙度将会不利地变得大于加工前的工 件的表面粗糙度。通过转动反向电极(加工电极)来加强清除滞留 在电极之间的加工产物及气泡，即能够在一定程度上解决这个问题。 尽管如此，在沿着转动方向大约100μm长度上，还是存在着波动或 起伏，在加工表面上形成有直径为1μm～10μm的侵蚀坑和离子交 换纤维的痕迹(加工痕迹)。因此，表面粗糙度达到约为100μm乘 以中心线高度(Ra)。通过下面所描述的根据本发明第三个实施例的 一种电化学加工设备，能够解决这类问题。
图11～图13为示意图，表示本发明第三个实施例的一种电化学 加工设备的总体结构。这种电化学加工设备主要包括：主体214， 含有一个加工室212，加工室212用来容纳超纯净水210；超纯净水 循环/净化部分218，带有一个废水箱216、一个超纯净水循环/净 化装置222和一个高压泵220；以及高压超纯净水供给装置228，含 有一个柱塞泵224和一个压力变送器226。例如，加工室212可以 是用不锈钢制成的加工室。
如图12和图13所示，主体214是设置在加工室212之内，而 且是具有XYθ三个自由度。主体214含有加工室212，加工室212 中包括一个保持器(保持平台)230，保持器230通过真空吸盘等同 类装置，用来水平地保持诸如半导体晶片之类的可装卸的工件W。 由保持器230所保持的工件W，在处于浸入超纯净水210的状态下， 能够在X、Y方向上水平移动，而且能够在水平面上围绕θ轴(Z 轴)转动。保持器230用来保持工件W并将电流输送给工件W。例 如，保持器230是用钛制成而且带有一个厚度为1μm的铂层表面。 保持器230，通过一个利用超纯净水的液压轴承232(见图11)，被 支承在径向方向及推力方向上。
圆筒形或圆柱形加工电极(反向电极)234，是设置在保持器230 的上方，而且加工电极234的轴心O-O在是水平方向上延伸。加工 电极234，连接着一根可在垂直方向上运动的、延伸自轴心O-O的 转动轴236。因此，加工电极234能够随着转动轴236的转动而绕 着轴心O-O进行转动，而且加工电极234与被保持器230所保持的 工件W两者之间的距离，也能够进行调整。例如，加工电极234是 用不锈钢制成，而且带有一层厚度为1μm的铂层表面，以稳定电化 学反应，并防止杂质被洗涤而进入超纯净水。与保持器230一样， 转动轴236也是通过一个利用超纯净水的液压轴承(图中未示出)， 被支承在径向方向及推力方向上。
离子交换材料238，作为一种用来将超纯净水中的水分子在加工 电极234与工件W之间分解成为氢离子和氢氧离子的催化材料，安 装在加工电极234的主体的圆周表面上，使离子交换材料与加工电 极234的主体的圆周表面之间保持紧密接触。例如，离子交换材料 (催化材料)238包括：具有阴离子交换功能无纺布或阳离子交换 功能的无纺布。阳离子交换材料最好具有强酸性阳离子交换基(硫 酸基)。另外，阳离子交换材料也可以具有弱酸性交换基(羧基)。 另一方面，阴离子交换材料最好具有强碱性阴离子交换基(季胺基)。 另外，阴离子交换材料也可以具有弱碱性阴离子交换基(叔胺基或 低胺基)。
例如，具有强碱性阴离子交换功能的无纺布，能够按照如下所 述来制作：利用通常所说的辐射诱导接枝聚合，将接枝链引入纤维 直径为20μm～50μm且孔隙度大约为90％的聚烯烃无纺布，辐射诱 导接枝聚合包括伽马辐射和接枝聚合。这样，引入的接枝链被胺化， 从而引入季胺基，借此，产生具有强碱性阴离子交换功能的无纺布。 引入离子交换基的能力取决于引入的接枝链的数量。例如，这种无 纺布的离子交换能力为1meq/g～1.45meq/g。利用强碱性阴离子交 换纤维所制成的无纺布或引入有强碱性阴离子交换基的网，能够用 作催化元件。
另一方面，具有强酸性阳离子交换功能的无纺布，能够按照如 下所述来制作：利用通常所说的辐射诱导接枝聚合，将接枝链引入 纤维直径为20μm～50μm且孔隙度大约为90％的聚烯烃无纺布，辐 射诱导接枝聚合包括伽马辐射和接枝聚合。这样，引入的接枝链被 硫化，从而引入硫酸基，借此，产生具有强酸性阳离子交换功能的 无纺布。例如，这种无纺布的离子交换能力为2.8meq/g。
通常，加工电极234是被降下来，在加工电极234的下端接触 到被保持器230所保持的工件W的表面的状态下，进行电化学加工。 另外，根据加工的目的或工件W的特性，加工电极234也可以在这 样的状态下进行加工：把工件W和离子交换材料238分开，在离子 交换材料238与工件W之间形成一个间隔。另外，也可以把离子交 换材料238安装在工件W上，而且把加工电极234和离子交换材料 238分开，在离子交换材料238与加工电极234之间形成一个间隔。
这种电化学加工设备还包括一个电源240，用来在加工电极234 与被保持器230所保持的工件W之间施加一个电压。就本实施例而 言，例如，为了电解抛光作为工件的铜，加工电极234连接到电源 240的阴极，而工件(铜)W连接到电源240的阳极。但是，根据 工件的类型，加工电极234也可以连接到电源240的阳极，而工件 (铜)W可以连接到电源240的阴极。
保持器230被制成能够绕着垂直轴进行转动。加工电极234被 制成能够绕着水平轴进行转动。就这种情况而言，保持器230和加 工电极234是以能够使超纯净水旋转起来的方式进行转动。超纯净 水喷嘴242，用来将高压超纯净水提供在被保持器230所保持的工 件W与加工电极234之间，并且设置在转动方向的上游。因此，当 加工电极234和工件W中至少有一个转动时，超纯净水210即从转 动方向的上游，被输送到加工电极234与工件W之间，以有效地清 除滞留在加工电极234与工件W之间的气泡或加工产物。
如图11所示，废水是通过超纯净水循环/净化部分218内的超 纯净水循环/净化装置222来进行净化，并且在高压超纯净水供给 装置228内的压力变送器226的输送压力作用下，通过柱塞泵224 进入超纯净水喷嘴242。
另外，如图11所示，加工室212中的废水210溢流出来之后， 存储在废水箱216内。而后，超纯净水在超纯净水循环/净化装置 222中进行净化，并通过高压泵220被返送回到加工室212。超纯净 水210的一部分被输送给液压轴承232。
借助于这种结构的电化学加工设备，工件W是被保持器230所 保持，而加工电极234是被降低到使安装在加工电极234上的离子 交换材料238线性接触到工件W的表面，或者被降低到使离子交换 材料238接近于工件W的表面。在这种情况下，加工室212内的超 纯净水210，通过超纯净水循环/净化装置222来进行净化，以循 环使用。加工电极234连接到电源240的阴极，而工件W连接到电 源240的阳极，从而，在加工电极234与工件W之间施加一个电压。 这时，保持器230和加工电极234，是以能够使超纯净水旋转起来 的方式同时进行转动。通过设置在转动方向上游的超纯净水喷嘴 242，在高的压力下，将超纯净水210输送到加工电极234与工件 W之间。超纯净水中的水分子，在离子交换材料(催化材料)238 的固态表面上，被分解成氢氧离子和氢离子，用以进行清除加工。 就这种情况而言，超纯净水210在加工室214内进行流动，并通过 离子交换材料(无纺布)238来产生大量的氢离子和氢氧离子，离 子被输送到工件W的表面上，以实现高效的电化学加工。
正如前面所描述的那样，保持器230和加工电极234，是以能够 使超纯净水旋转起来的方式同时进行转动。通过设置在转动方向上 游的超纯净水喷嘴242，在高的压力下，将超纯净水210输送到加 工电极234与工件W之间。因此，加工电极234与工件W之间的 超纯净水210，能够有效地被新的超纯净水更换，从而，能够从加 工表面上有效地清除在加工过程中所产生的气泡和加工产物，以实 现稳定的电化学加工。
图14为透视图，表示本发明另一个实施例的一种电化学加工设 备。在这个实施例中，加工电极234a为椭球形或球形。因此，当加 工电极234a被降下时，安装在加工电极234a表面上的离子交换材 料238a的下端，与被保持器230所保持的工件W之间的接触是点 接触。就这种情况而言，加工电极234a和保持器230同时进行转动。 这个实施例的其他结构，与前面所描述过的第三个实施例中的结构 相同。
根据这个实施例，由于加工面积减小，超纯净水210易于输送 到围绕着加工部分的区域。因此，能够在稳定的条件下，实现电化 学加工。
根据本发明，由于没有使用除了超纯净水之外的任何化学物质， 因此，污染加工室214的物质仅仅是在加工过程中所产生的反应产 物。超纯净水的循环，能够减少废水的数量。而且，由于没有必要 处理化学液体，因此，运行成本也能够明显减少。 实例7
利用图11～图13所示的电化学加工设备，对铜板进行电化学加 工。使用强酸性阳离子交换纤维作为离子交换材料(催化材料)238。 在工件W固定的状态下，直径100mm的加工电极234以60转/ 分的转速进行转动。电化学加工的电流密度为133mA/cm2，时间 为1分钟。届时，超纯净水以高的压力从加工电极234的转动方向 的上游，通过超纯净水喷嘴242，输送到加工电极234与工件W之 间。高压超纯净水在超纯净水喷嘴242出口处的平均流速为5.3m/s。 在上述加工条件下，平均加工深度为1.5μm。
针对使用超纯净水喷嘴的试验和没有使用超纯净水喷嘴的试 验，在一个194μm×258μm的区域内，测定了加工表面的表面粗糙 度(中线平均高度Ra)，而且使用相移干涉显微镜，测定所形成的 侵蚀坑和离子交换纤维的痕迹。
因此，就没有使用超纯净水喷嘴的试验而言，加工表面的表面 粗糙度Ra＝93nm。就使用超纯净水喷嘴的试验而言，加工表面的表 面粗糙度几乎减小了一半，降低到Ra＝51nm。另外，就没有使用超 纯净水喷嘴的试验而言，在加工表面发现了大量的侵蚀坑和离子交 换纤维的痕迹。而就使用超纯净水喷嘴的试验而言，则既没有发现 侵蚀坑，也没有发现离子交换纤维的痕迹。 实例8
利用图11～图13所示的电化学加工设备及图14所示的电化学加 工设备，在下面的表7所列的条件下，对铜板进行了电化学加工。 而且，对加工表面的表面粗糙度进行了对比。就图11～图13所示的 电化学加工设备而言，使用直径为100mm的圆柱形电极作为加工 电极234。而在图14所示的电化学加工设备中，使用直径为50mm 的球形电极作为加工电极234a。这些电极以20转/分～250转/分的转 速来进行转动，而且电化学加工是以33mA/cm2～333mA/cm2的 电流密度来进行的。在上述情况下，就图11～图13所示的电化学加 工设备而言，加工表面的最低的表面粗糙度Ra＝51nm(转速为60 转/分，电流密度为133mA/cm2)，而就图14所示的电化学加工设 备而言，加工表面的最低的表面粗糙度Ra＝40nm(转速为120转/ 分，电流密度为133mA/cm2)。
就上述两种情况的每一种情况而言，均使用了超纯净水喷嘴，而 且在加工之后，在铜板上实质上既没有发现侵蚀坑，也没有发现离 子交换纤维的痕迹。
               表7   工件   铜板   催化材料   强酸性阳离子   交换纤维   转速   60转/分   电流密度   133mA/cm2(1.0A)   平均加工速度   1.5μm/min   电压施加周期   1分钟 实例9
利用图14所示的电化学加工设备，对铜板进行了电化学加工。 在这个实例中，加工电极234a以120转/分的转速来进行转动，加 工的电流密度为130mA/cm2，加工时间为1分钟。在工件(铜板) W不转动和工件(铜板)W转动的情况下，均进行了试验。而且， 对加工表面的表面粗糙度进行了对比。就工件(铜板)W不转动的 情况而言，沿着加工电极234a的转动方向发现了波动，而且表面粗 糙度Ra＝40nm。而就工件(铜板)W转动的情况而言，沿着加工 电极234a的转动方向没有发现波动，而且表面粗糙度能够降低到Ra ＝20nm。
此外，还利用其他电流密度及加工电极234a的转速的其他组合， 进行了其他试验。结果，在加工电极234a的转速为250转/分、电 流密度为130mA/cm2、工件W的转速为10转/分的条件下，能够 获得表面粗糙度Ra＝10nm的加工表面。
正如前面所描述过的那样，根据本发明，能够降低加工表面的 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随 着波文、侵蚀坑及离子交换纤维的痕迹(加工痕迹)的增多而增大， 随着波文、侵蚀坑及离子交换纤维的痕迹(加工痕迹)的减少而减 小。
就上述实施例而言，离子交换材料有强碱性阴离子交换基或强 酸性阳离子交换基。但是，离子交换材料也可以有弱碱性阴离子交 换基(例如：叔胺基或低胺基)或弱酸性阳离子交换基(例如：羧 基)。
虽然本文详细表明并描述了本发明的一些优选实施例，但应当 知道的是，在不偏离附属权利要求的范围的情况下，可以进行多种 变化和改进。