(57)【要約】  金属材料表面を対象物として、その対象物の所定部位又は所定面に対して衝撃を与え、残留応力を発生させることにより金属材料の疲労強度向上を図る、ピーニング加工による金属表面改質方法及びそのシステムにおいて、必ずしもショットを使用する必要がなくかつ低圧流体でも所望のピーニング加工を可能な手段を提供する。本発明は、気体（水蒸気）と液滴（水）とを含む混相流体を金属材料に照射する工程を含む金属材料のピーニング加工方法及びピーニングシステムであり、液滴の温度制御を行うことにより、液滴の金属材料への衝突時のキャビテーションの程度を制御して所望の衝撃力を得るものであり、また、液滴衝突時のキャビテーションの程度を測定する、物理的変化測定手段、音響的測定手段又は視覚的測定手段を有するものである。
2008152717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体と液滴とを含む混相流体を金属材料に照射する工程を含むことを特徴とする、金属材料のピーニング加工方法。
【請求項２】
前記混相流体はショットを含有していない、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記混相流体中の前記液滴が前記金属材料に衝突した際に発生し得る、液滴衝突時キャビテーションの程度を制御することにより、所望の衝撃力を得る工程を更に含む、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記制御が、前記液滴の温度制御である、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記気体が水蒸気であり、前記液滴が水である、請求項１〜４のいずれか一項記載の方法。
【請求項６】
前記混相流体の前記気体の圧力が、０．０５〜０．２５ＭＰａである、請求項１〜５のいずれか一項記載の方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項記載の方法を含む、ピーニング加工された金属材料の製造方法。
【請求項８】
気体と液滴とを含む混相流体を金属材料に照射する手段を有することを特徴とする、金属材料のピーニングシステム。
【請求項９】
前記混相流体中の前記液滴が前記金属材料に衝突した際に発生し得る、液滴衝突時キャビテーションの程度を測定する測定手段を更に有する、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記測定手段が、
（１）前記金属材料又は測定用サンプルに前記混相流体を照射したときの、前記金属材料又は前記測定用サンプルの物理的変化を定量的に測定する物理的変化測定手段であるか、
（２）前記金属材料又は測定用サンプルに前記混相流体を照射したときの、キャビテーションノイズの大きさを感知可能な音響的測定手段であるか、
（３）前記金属材料又は測定用サンプルに前記混相流体を照射したときの、前記金属材料又は前記測定用サンプルの視覚的変化を定量的に測定する視覚的変化測定手段である、請求項９記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板／精密機械加工部材等の金属材料表面を対象物として、その対象物の所定部位または所定面に対して衝撃を与え、残留応力を発生させることにより金属材料の疲労強度向上を図る、ピーニング加工による金属表面改質方法及びそのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ウォータージェットを利用した各種表面改質法が提案されている。例えば、特許文献１には、高圧液体に比重３．０以上の球状の微粒子を混入して噴射ノズルから被加工材に噴射するアブレシブジェット加工法が開示されている。ここで、特許文献１では、球状の微粒子として真球に近い球状ジルコンビーズを用いており、当該ビーズは高速水流の流速に乗るため、従来の研磨剤を用いたアブレシブジェット処理においては１００ＭＰａ〜１５０ＭＰａの高圧水が必要であったのに対して、高圧水の圧力を３０ＭＰａ〜５０ＭＰａに下げても同等の効果が得られたことが開示されている（段落番号００４７）。同じく、特許文献２でも、高圧液体に球状の微粒子を混入して噴射ノズルから対象物に照射する表面処理（デバリング）法が開示されている。当該技術においては、高圧液体の圧力を５ＭＰａ〜５０ＭＰａに下げても同等の効果が得られると記載されている（段落番号００３１）。更に、特許文献３には、超高圧流体により金属にピーニング加工を施すための方法が開示されている。ここで、当該流体の圧力は、１４０６．１４ｋｇ／ｃｍ２（約１３８ＭＰａ）以上とすることが記載されている（請求項２）。
【特許文献１】特開２００５−２７９７９６
【特許文献２】特開２００６−２２４２９２
【特許文献３】特開平１１−３３３７２４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１及び２に示したショット（衝突粒子）を使用した態様に関しては、ショットは１回限りの使い捨てであるためランニングコストが大きくなり、更に環境負荷も大きい。加えて、ショットが金属製である場合、ショットによる汚染の問題もある。また、特許文献１〜３に示したいずれの態様に関しても、流体の圧力が非常に高いため、高圧ポンプ、高圧配管及び噴射ノズルの寿命が短くなるという問題がある。そこで、本発明は、必ずしもショットを使用する必要がなくかつ低圧流体でも所望のピー二ング加工を可能な手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者らは鋭意研究の結果、気体と液滴を含む混相流体を金属材料に照射すると、従来の１／１００以下の圧力で金属材料をピーニングできることを見出し、本発明（１）〜（１０）を完成させたものである。【０００５】
本発明（１）は、気体と液滴とを含む混相流体を照射する工程を含むことを特徴とする、金属材料のピーニング加工方法である。【０００６】
本発明（２）は、前記混相流体はショットを含有していない、前記発明（１）の方法である。【０００７】
本発明（３）は、前記混相流体中の前記液滴が前記金属材料に衝突した際に発生し得る、液滴衝突時キャビテーションの程度を制御することにより、所望の衝撃力を得る工程を更に含む、前記発明（１）又は（２）の方法である。【０００８】
本発明（４）は、前記制御が、前記液滴の温度制御である、前記発明（３）の方法である。【０００９】
本発明（５）は、前記気体が水蒸気であり、前記液滴が水である、前記発明（１）〜（４）のいずれか一つの方法である。【００１０】
本発明（６）は、前記混相流体の前記気体の圧力が、０．０５〜０．２５ＭＰａである、前記発明（１）〜（５）のいずれか一つの方法である。【００１１】
本発明（７）は、前記発明（１）〜（６）のいずれか一つの方法を含む、ピーニング加工された金属材料の製造方法である。【００１２】
本発明（８）は、気体と液滴とを含む混相流体を金属材料に照射する手段を有することを特徴とする、金属材料のピーニングシステムである。【００１３】
本発明（９）は、前記混相流体中の前記液滴が前記金属材料に衝突した際に発生し得る、液滴衝突時キャビテーションの程度を測定する測定手段を更に有する、前記発明（８）のシステムである。【００１４】
本発明（１０）は、前記測定手段が、
（１）前記金属材料又は測定用サンプルに前記混相流体を照射したときの、前記金属材料又は前記測定用サンプルの物理的変化を定量的に測定する物理的変化測定手段であるか、
（２）前記金属材料又は測定用サンプルに前記混相流体を照射したときの、キャビテーションノイズの大きさを感知可能な音響的測定手段であるか、
（３）前記金属材料又は測定用サンプルに前記混相流体を照射したときの、前記金属材料又は前記測定用サンプルの視覚的変化を定量的に測定する視覚的変化測定手段である、前記発明（９）のシステムである。【００１５】
以下、本明細書における各用語の意義について説明する。まず、「液滴」とは、例えば、液滴が水（例えば純水）である場合には、水由来の液滴のみならず、湿り飽和水蒸気由来の微小な液滴をも含む概念である。「混相流体」とは、２流体や３流体等複数の流体成分を有する流体であり、例えば、１）飽和水蒸気と沸点以下の純水液滴（前述のように、湿り飽和水蒸気も、微小な液滴を含むため、混相流体に含まれるものとする。）、２）加熱水蒸気と沸点以下の純水液滴、３）前記１）又は２）に更に不活性ガス又は清浄高圧空気を組み合わせたもの、を挙げることができる。但し、対象物の酸化や化学反応が気にならない用途に使用される場合は、酸素ガスやその他活性ガスを用いることもある。「金属材料」とは、単体金属、合金等、金属を含有する材料である限り特に限定されず、例えば、電子部品、半導体基板、ガラス基板、レンズ、ディスク部材、精密機械加工部材、モールド樹脂部材を挙げることができる。「ピーニング加工」とは、衝撃によって材料の表面を変化させるプロセスを指す。「ショット」とは、金属やセラミック等の固体微粒子を指す。「水」とは、対象物上での微小異物や金属イオン等の汚染が気になる用途には、純水或いは超純水として使用されている程度の特性の水を指し、対象物上での微小異物や金属イオンなどの汚染が気にならない用途には、更にグレードの低い水道水まで包含される。「システム」とは、各構成要素を一体的に収納している「装置」のみならず、各構成要素が物理的に離隔した位置に配されていたり（例えばプラント）、各構成要素同士が情報伝達可能に接続されていない場合も、請求の範囲に規定された機能を有する構成要素を全体として備えている限り、当該システムに該当する。【００１６】
本発明は、気体と液滴を含む混相流体を金属材料に照射してピーニング加工することを本質とするが、当該ピーニング加工の際に、液滴衝突時キャビテーションの程度を制御することが好適である。ここで、図を参照しながら、対象物処理に係る当該分野で既知であった他の作用機序のキャビテーションとの相違を明確にすべく、本発明に係る液滴衝突時キャビテーションを詳述する。【００１７】
まずは、キャビテーションの一般的な概念について以下に説明する。
通常は液体の温度が、その圧力における飽和温度より高くなると沸騰が開始するが、液体の圧力が、その温度における飽和圧力より低くなっても、液体は沸騰を開始する。すなわち蒸気泡が液体中に生成する。このように温度変化によるものではなく、減圧効果により沸騰し発生する気泡は通常キャビテーション気泡と呼ばれている。この気泡が収縮し、崩壊することによって高圧が生じ、壊食・騒音等が発生する。この現象もキャビテーションと呼ばれることがある。【００１８】
従来から洗浄に用いられてきた超音波洗浄装置においては、以下のような作用機序により、キャビテーションが発生する（図２４）。
１．超音波発生器により媒液中に音波が伝搬する。
２．音波は激しい周期で圧縮と減圧を繰り返して媒液中を進行する。
３．圧縮から減圧に移る過程で、局所的に飽和水蒸気圧以下にまで減圧する。
４．そこで気泡の成長（常温沸騰）が開始する。
５．また、成長蒸気気泡に媒液中に溶解している不凝縮気体も混入する。
６．気泡がさらに成長する。
７．気泡は次の圧縮力を受けて断熱的に圧縮され高いエネルギーをもつ。
８．気泡は、ついに押しつぶされて崩壊する。
９．押しつぶされるとき、局所的に極めて大きな衝撃エネルギーとなって、周囲にある汚れを解離する。
１０．音波は、通常媒液中を進行する進行波と液面で反射する反射波によって定在波が生じる。
１１．この場合キャビテーションは最大音圧体に沿って媒液中に縞状に発生する。【００１９】
続いて、本発明に係る方法により、発生する液滴衝突時キャビテーションについて、考えられる発生メカニズムについて、過去に報告された例を参考に説明する（
Martin Rein,"Drop-Surface Interactions (Cism International Centre for Mechanical Sciences Courses and Lectures)" pp.39-102, Martin Eein ed., Springer-Verlag, 2002,）。【００２０】
１．液滴がある速度で固体境界面に衝突すると、液滴の運動エネルギーが圧力エネルギーに変換されて、液滴と固体境界面との接触面において、高圧が発生する（図２５）。
２．発生した圧力は圧力波（圧縮波）として液滴内部を上方に伝播し、液滴と周囲気体との境界面、すなわち自由界面に到達する（図２６）。
３．水の音響インピーダンスは周囲気体の音響インピーダンスに比較して圧倒的に大きいためインピーダンスミスマッチングとなり、圧力波はほぼ１００％反射する。すなわち、圧力波の周囲気体へと伝播は非常に小さくなるため、結果として自由界面上での圧力変化は小さく抑えられる（図２７）。
４．自由界面上での圧力変化が小さくなるのは、圧縮波を打ち消す膨張波、すなわち周囲より低い圧力波が発生し、液体内部へと伝播するからである。
５．液滴内部へと伝播した膨張波は、液滴内部の圧力を低下させる。液滴の温度が３０℃程度であれば、約０．０４気圧、６０℃程度であれば約０．２気圧、８０℃程度であれば約０．５気圧まで低下すれば沸騰が開始し、気泡が発生・成長する（図２８、２９）。
６．発生した蒸気泡は、成長しながら液体中の不凝縮気体も取り込み、さらに大きくなる。
７．十分成長した気泡は成長限界に達し、リバウンドすなわち収縮を開始する。収縮過程は膨張過程に比較して急激に起こるため、気泡は激烈に収縮し、気泡内部圧力は成長開始時よりも極端に高い圧力にまで達しうる。この高圧力は気泡崩壊時圧力と呼ばれている。
８．気泡崩壊は気泡周囲条件の擾乱によっても誘起される。また、気泡は必ずしも単一で崩壊せず、むしろ気泡が集積した気泡群として崩壊する。そのような場合の気泡崩壊圧力は単一気泡崩壊圧力の数１００倍程度以上であることが報告されている。
９．液滴内部で発生した気泡崩壊圧力は、圧力波（圧縮波）として液滴内部を伝播して、液滴と固体面との接触面に到達し、固体面上に非常に大きな圧力を発生させる。これが、液滴衝突時に発生するキャビテーションの崩壊圧力であり、この圧力を利用してピーニングを行っている。【００２１】
本発明において本質的に重要なのは、液滴周囲の熱環境が水蒸気によって、十分高温に保たれている、もしくは液滴よりの熱の漏れを防いでいることである。そのため、液滴内部の膨張波による圧力低下が激烈なものでなくても十分気泡が発生しうる条件となっていることである。この特性があるために、他の発明にあるように液滴が激烈な速度を有して固体表面に衝突しなくても、ある程度の圧縮波を発生させることのできる速度であれば十分である。【００２２】
他の発明に比較すると２桁程度低い圧力で発生させた速度を有する液滴によって、キャビテーションを発生させる点が、本発明の最も特異な点である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、金属材料のピーニング加工の際、流体の圧力が極めて低い（例えば０．０５〜０．２５ＭＰａ）ので、高圧ポンプ、高圧配管及び噴射ノズルの寿命を延長することが可能になるという効果を奏する。更には、ショットを使用しなくともよいため、ショットを使用したことに起因するランニングコストや環境負荷の問題が無いという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、最良形態として、気体として「水蒸気」、液滴として「純水」を例に採り、本発明を具体的に説明することとする。尚、本最良形態はあくまで最良的な例示に留まり、本発明の技術的範囲を何ら限定するものでは無い。【００２５】
混相流体の構成
まず、本最良形態での混相流体を構成する「液滴」は、化学薬品を嫌う材料からなる対象物を処理するのに好適である純水からなる（加えて、湿り度の高い水蒸気の一部）。また、本最良形態での混相流体を構成する「気体」は、少なくとも水蒸気を含む気体である。【００２６】
ここで、水蒸気を使用する理由は、比熱が高いことに加え、潜熱を利用することができ、流体の圧力の変化に伴い液滴の持つ熱量が奪われるような状況下においても、温度がほとんど低下しない点で有利であるからである。水滴と気体が、流体混合部において混合された際に、水滴と気体の間で熱移動が起こったり、水滴と混合部や配管等の内壁との間で熱移動が起こったりする。また、ノズル部で加速され大気に放出される際に減圧膨張が起きる為、気体の温度が下がる。この際に、水滴の温度が低下するか否かは、気体の潜熱により決定される。潜熱を多く含まない気体、例えば、不活性ガスや清浄高圧空気と純水を混合した場合、気体の温度は低下し温度制御が困難となる。一方、気体が水蒸気である場合には、所定量の潜熱を有するため、比較的低温の水滴と混合した場合にも、配管の内壁に熱を奪われた場合にも熱の移動により気体の温度が低下しにくくなり、温度の制御が容易になる傾向がある。しかし、水蒸気の潜熱が充分でなければ、水蒸気の一部が液化することに伴い液滴が生成し、これが処理対象物表面で発生する衝撃波に影響を及ぼすこととなる。また、この混相流体が最終的にノズルのノド部で加速されるとき、流体の運動エネルギーを得る為に、流体の温度が低下するが、水蒸気の持つ潜熱で、流体の温度が低下することを低減できる。【００２７】
対象物処理装置の全体構造
図１は、本発明の一実施形態による対象物処理装置（対象物ピーニング装置）１００の全体図である。本装置１００は、水蒸気供給部（Ａ）、純水供給部（B）、水蒸気流体調整部（C）、混相流体照射部（D）、処理対象物保持・回転・上下機構部（E）を有する構成である。以下、各部を詳述する。【００２８】
（Ａ）水蒸気供給部
水蒸気供給部（Ａ）は、純水を供給するための水供給管１１１と、所定温度Ｄ１（℃）以上に加温して水蒸気を発生させ、水蒸気の発生量を制御して水蒸気を所定値Ｃ１（ＭＰ）に加圧する蒸気発生器１１２と、蒸気の供給及びその停止を司る開閉可能な水蒸気開閉バルブ１１３と、蒸気発生器１１２から下流に供給される水蒸気の圧力を計測するための圧力計１１４と、蒸気供給圧力を所望の値に調整するための水蒸気圧力調整バルブ１１５と、供給水蒸気内の微小液滴量を調整する温度制御機構付き加熱蒸気生成器兼飽和蒸気湿り度調整器１１６と、安全装置としての圧力開放バルブ１１７と、から構成される。【００２９】
（B）純水供給部
純水供給部（B）は、純水を供給するための水供給管１２１と、純水に熱エネルギーを持たせるための純水温度制御機構付加熱部１２２と、純水の供給の停止及び再開を司る純水開閉バルブ１２３と、純水の流量を確認するための純水流量計１２４と、２流体の場合に下流への純水の供給の停止及び再開を司る２流体生成用純水開閉バルブ１２５と、から構成される。【００３０】
（C）水蒸気流体調整部
水蒸気流体調整部（C）は、水蒸気流体の温度や飽和水蒸気の湿り度を調整するための水蒸気流体温度制御機構付加熱部１３１を有している。【００３１】
（D）混相流体照射部
混相流体照射部（D）は、対象物に対して混相流体を照射するための、前後左右方向（図１のＸ軸ノズルスキャン範囲又はＹ軸ノズルスキャン範囲）に移動可能な照射ノズル１４１と、ノズルの移動を円滑に行うためのするためのフレキシブル配管１４２と、混相流体のノズル直前の圧力を計測するための圧力計１４３と、純水を蒸気配管に円滑に導入しかつ混合部内での相変化を最小化するための温度制御機能付混相流体気液混合部１４４と、純水が気体配管内に円滑に導入されるためのオリフィス１４５から構成される。ここで、ノズル１４１は、この混相流体を加速する又は照射面積を広げるための役割を有するような形状を有するのが好ましい。例えば、先細の形状や末広がり形状等が挙げられる。尚、温度制御機能付混相流体気液混合部１４４については、後で詳述する。【００３２】
（E）処理対象物保持・回転・上下機構部
処理対象物保持・回転・上下機構部（E）は、処理対象物を搭載・保持可能なステージ１５１と、ステージ１５１を回転させるための回転モーター１５２と、ステージ１５１を上下方向に移動させることによりノズル１４１の出口と処理対象物との距離を調整可能な処理対象物上下駆動機構１５３と、処理対象物を冷却する冷却水を供給するための冷却水管１５４と、冷却水の供給を停止及び再開するための開閉可能な冷却水開閉バルブ１５５と、冷却水の流量を調整するための冷却水流量調整バルブ１５６と、冷却水の流量を計測するための冷却水流量計１５７と、から構成される。【００３３】
以上で、本最良形態に係る対象物処理装置の全体構成を概説したので、次に、純水供給部（D）における温度制御機構付混相流体気液混合部１４４について詳述することとする。ここで、図２は、当該混合部１４４の詳細構成を示した図である。混合部１４４においては、混合部内壁で水蒸気の液化や水の気化という相変化現象の発生を最小化することが重要である。このため、図２に示すように、当該混合部１４４は、下記のような構造を採ることが好適である。【００３４】
１）混合を安定にするために気体及び液体の各流体の方向が混合部で９０度未満の角度を有すること。
２）液体流体の配管径又は配管に装着されたオリフィスが混合部で気体流体の流路の断面積に比較して十分小さいこと。
３）混合部にヒーターを組み込むことによって、混合部の内壁温度を以下の条件に適合するよう制御する。より内壁の温度が、混合部内の圧力下においてその液体の飽和温度から大きく外れないこと（±２０％以内）。また、より内壁の温度が、混合部内の圧力下においてその気体の飽和温度から大きく外れないこと（±２０％以内）。尚、時間経過により、混合部の内壁は流体の飽和温度に近づいてくるので、混相流の状態が安定するまでの時間が気にならない用途には、混合部の保温が十分に施されていることを条件下で、このヒーターによる加熱機能を外すことができる。【００３５】
液滴と気体を混合した混相流体により対象物を処理する装置では、当該装置を起動した時点では、流体混合部は常温である。そして、当該部分と水蒸気の温度差がある場合には、当該液体混合装置の内部に温度のムラができ、これにより、一部の蒸気が水滴に相変化する等で混相流体の吐出圧力が不安定になり、処理対象物表面上に一定の衝撃波を安定して与えることが困難となるため、装置が安定して動作するまでに時間がかかる。即ち、混相流体調整部にヒーターを設置すると、流体混合部を、起動当初から、水蒸気の温度と同じ温度に設定することができ、混合部内での気液相変化を起こりにくくして装置が、対象処理面に対して、安定した衝撃波を与えることが出来るようになる。【００３６】
キャビテーション制御の原理（気泡崩壊関連パラメータ）
本最良形態に係るピーニング装置は、気体圧力、混相流体内の水混合流量、気体温度、混合される水の温度、ノズル形状、ノズル出口から対象物への距離、対象物の温度、ノズルと対象物間の相対的移動時間を調整することにより、液滴の温度、液滴の流速、液滴の大きさ、液滴の数、処理対象物表面の温度、単位時間当たりの混相流体照射面積を制御する機能を有する。これら気泡崩壊関連パラメータのうち、特に液滴の流速、温度、液滴密度が重要である。これらのパラメータを制御することにより、処理対象物表面上で、液滴によるジェットや気泡崩壊による衝撃波、前記衝撃波による連鎖反応の衝撃力を得ることができ、ピーニング等において効果的な処理を行うことが出来る。流速は液滴が衝突時の液滴内の気泡の崩壊による衝撃波の発生に寄与し、温度は液滴内の気泡の発生に寄与する。また液滴密度が多いほど衝撃波の起きる確率が高まる。例えば、液滴の数が零であれば、液滴の衝突による衝撃波は生じない。但し、液滴の数が密になり過ぎても、混相流体の速度低下や温度低下をもたらして衝撃波発生確率が低下してしまう可能性がある。ここで、液滴密度とは、混相流体内の単位体積・時間当たりの総ての液滴数を示すが、高速で移動するμオーダーの微小液滴を正確に測定する測定器は未だ開発されていないため、混相流体に導入された純水量で代用するものとする。【００３７】
キャビテーション測定手段
本発明に係るシステムは、ある条件で混相流を対象物又は測定用サンプルに照射した上で、当該条件でどの程度のキャビテーションが発生しているかを測定するための測定手段を備えている。ここで、現在の技術では、キャビテーション（衝撃波）の大きさ（キャビテーションのマグニチュード）と密度（単位面積・時間当たりの発生数）をモニターしながら剥離・ピーニングプロセスを行うことは不可能である。したがって、本システムでは、あらかじめの実験でキャビテーションの発生に関与するパラメータを変化させて、プロセス処理を行い、その結果得られた以下のデータからキャビテーションの大きさを判断する手法を採用している。【００３８】
（１）対象物又は測定用サンプルの物理的変化を定量的に測定する物理的変化測定手段
・金属表面に混相流体を照射したときの、金属表面の凸凹度
・レジスト表面に照射したときのレジスト剥離面積及び残渣の少なさ
・ウェハ全面に付着させた異物の除去率
（２）キャビテーションノイズの大きさを感知可能な音響的測定手段
・音響センサーで感知したキャビテーションノイズの大きさ
（３）対象物又は測定サンプルの視覚的変化を定量的に測定する視覚的変化測定手段
・高速度カメラで撮影したレジスト剥離過程の映像データ【００３９】
例えば、混相流体温度とそれが照射された金属表面の凸凹度とのデータは図９のように確認されている。また、ピーニング性能と、各パラメータとの相関関係は、過去３年間で積み上げた多くのデータにより確認されている。その１例として図８のデータがある。例えば、混相流体のノズルからの噴出圧力を上げれば、ピーニング面積は広がる。但し、噴出圧力を上げ過ぎると対象物への物理ダメージが懸念され、本装置の特徴である低圧でのプロセスという優位性を損なってしまう。したがって、本装置ではノズルからの最大噴出圧力を０．３ＭＰａとしている。これは、特別な耐高圧部品を使用しなくてもよいという結果も生みだし、容易に安価で安全な装置の製造が可能になる。ノズルの種類、ノズルと対象物間の距離を一定にしたときは、図２１、図２２、図２３のような結果になる。ただし、前述のように、高速で衝突する液滴によって生じる衝撃波の大きさを表す特定の単位はなく単位なしの相対値として表現される。【００４０】
尚、従来技術（例えば特許文献１）においても、装置的には本最良形態と大きくは相違しない構成を採る。しかしながら、従来技術においては、対象物の処理に際し「衝撃波」という物理力には全く着目しておらず、したがって、対象物上で衝撃波を発生させる・発生させないといったコントロールが全く行われていなかった。そして、従来技術における条件下では、「キャビテーション」は、専ら先端が先細りテーパー状となったノズル内で発生し、当該発生した衝撃波は、極めて短命であり対象物に到達する前に消滅する。具体的には、ノズル内を流れる混相流体はノズル先端部に差し掛かると流速を上げる。そして、当該流速が上がったことに起因して減圧状態となる結果、液体がキャビテーション現象を起こして衝撃波が発生する。加藤洋治著、槇書店出版の「キャビテーション」によると、液体衝撃波管内の水素気泡の崩壊持続時間は２〜３μ秒である。流速４００ｍ／秒の流体の３μ秒間の移動時間はわずか１．２ｍｍでありノズルノド部からノズル出口までの間で気泡崩壊現象は消滅してしまう。また、ノズル出口で気泡崩壊が発生したとしても、対象物距離を１．２ｍｍ以下に設定するのは機構的に困難である。他方、本発明においては、ノズルは混相流体を加速するか照射面積を広げる機能が中心である。そして、キャビテーションの発生に関連した気泡崩壊関連パラメータは、対象物上でのキャビテーションに着目している限りにおいては、基本的にどこで調整してもよく、例えば、ノズル手前の流体配管の任意の個所の流体混合部で行ってもよい。具体的には、図１のαで示す矢印の範囲内（蒸気発生器からノズル出口までの間）であればどこで制御してもよい。以下、主要な気泡崩壊関連パラメータを詳述する。【００４１】
（イ）液滴の温度
当該衝撃波は、液滴が処理対象物表面に衝突した際に生じるキャビテーションとキャビテーションの崩壊により発生するものが主であると考えられる。キャビテーションは、水等の液体の一部に低圧部分が発生した際に生じる空洞であり、気体および液体の温度が高ければ高いほど発生しやすくなる傾向にある。即ち、液滴の温度が高ければ高いほど、水滴内での気泡が発生しやすくなり、それに伴い、処理対象物表面上では大きなエネルギーの衝撃波の基になる気泡崩壊が多く発生し、例えば、当該処理方法をピーニング加工に用いる場合には、比較的強く衝撃をあたえることができる。一方、混相流体や水滴の温度を低く設定すれば、それに伴い、処理対象物表面上では衝撃波の発生が抑えられ、比較的強度の弱い対象物のピーニングを行うことができる。但し、対象物の耐熱性による制限等で設定出来る温度の高さに制限が生じる。また、温度が高すぎる状態で対象物との距離が長くなると液滴内の気体成分が抜けてしまい気泡核が発生し難くなることが予想されるが、ノズル出口から対象物の距離が２〜３０ｍｍくらいの距離では無視できるものとする。【００４２】
（ロ）液滴の流速
液滴の流速は、高ければ高いほど処理対象物表面に液滴が衝突した際に変形する度合いが大きくなるため、内部圧力差が発生しやすくなり、結果として気泡崩壊が生じキャビテーションが発生しやすくなる。即ち、液滴の流速を高く設定すれば、それに伴い、処理対象物表面上では大きなエネルギーの衝撃波が発生し、例えば、当該処理方法をピーニング加工に用いる場合には、比較的強く衝撃波を与えることができる。一方、液滴の流速を低く設定すれば、それに伴い、処理対象物表面上では衝撃波の発生が抑えられ、比較的強度の弱い対象物のピーニングを行うことができる。【００４３】
（ハ）その他パラメータ
まず、ノズルに関しては、流体を加速する目的でノド部を絞ったもの、流体の加速よりも照射面積を広げることを目的としたもの、ノズルなしでそのまま流体を噴出させるもの、処理速度を重視してカーテン状に広く照射されるものを使い分けることが好適である。このノズルの種類により流体の流速が変わり衝撃波の大きさも変わる。原則として、流速の大きなノズルを使うと衝撃波を得やすくなる。次に、ノズル出口から対象物への距離に関しては、通常の適応値は２〜３０ｍｍの範囲（最適範囲２〜１０ｍｍ）である。ノズルの出口から処理対象物までの距離を縮めていけば同様にピーニング性能が向上するが、最適距離が存在し近づきすぎると性能が低下する。逆にピーニング性能を抑えたい場合は最適距離から遠ざけていけばよい。
【実施例】
【００４４】
例１
以下の条件下、アルミ表面に混相流体（気体として蒸気を用いた場合と空気を用いた場合）を１０分照射した。処理の前後におけるＡＦＭ写真を図３に示した。図５に表面粗さのデータを示した。尚、本例において表面粗さは、AFM付属のプロファイル分析の方法で測定した。
蒸気の圧力：０．２ＭＰａ
蒸気の温度：１３０℃
純水の流量：３００ｃｃ／ｍｉｎ
純水の温度：２０℃
ＧＡＰ：５ｍｍ
ノズルスキャン：固定【００４５】
例２
例１と同条件の下で、鋼表面に混相流体（気体として蒸気を用いた場合と空気を用いた場合）を１０分照射した。処理の前後におけるＡＦＭ写真を図４に示した。図６に表面粗さのデータを示した。【００４６】
例３
特許文献１に示された蒸気洗浄技術は、蒸気の化学反応と噴流の機械的作用によりレジストを剥離するものであるため、レジストの剥離には分オーダの時間を必要とする。本手法も同様のメカニズムなのかを確認するため、高速度ビデオによる可視化を行った。ノズルスキャン速度が１００ｍｍ／ｓｅｃであること以外は例１と同条件で、混相流体を照射し、石英ウェハの下部より観察した、i線ポジレジストが剥離する際の経時変化の様子を図７に示す。図に示されるように、レジストは、剥離した領域が徐々に広がりながら非常に高速に剥離した。【００４７】
例４
ノズルスキャン速度を４０ｍｍ／ｓｅｃとした点以外は例１と同条件で、高濃度イオン注入後のシリコンウェハに対して混相流体を照射し、i線ポジレジスト剥離の経時変化の様子を観察した。結果を図８に示した。【００４８】
例５〜８
以下の条件下、混相流体の気体及び温度を変化させて、アルミニウム表面に対して混相流体を１０分照射した。処理の前後におけるＡＦＭ写真を図９に示した。図１０に表面粗さのデータを示した。尚、照射前の処理対象のアルミニウムの表面は、Ｒａが３４．９ｎｍであった。
気体圧力：０．２MPａ
液体流量：３００ｃｃ／ｍｉｎ
Ｇａｐ：１０ｍｍ【００４９】
低温空気（２０℃）と低温純水液滴（２０℃）からなる混相流体を照射した結果、Ｒａが３０．５nmの表面を得ることが出来た。表面のＡＦＭ写真を図９（ａ）に、表面粗さのデータを図１０（ａ）に示した（例５）。次に、高温空気（１３０℃）と低温純水液滴（２０℃）からなる混相流体を照射した結果、Ｒａが９６．４ｎｍの表面が得られた。表面のＡＦＭ写真を図９（ｂ）に、表面粗さのデータを図１０（ｂ）に示した（例６）。次に、高温空気（１３０℃）と高温純水液滴（６０℃）からなる混相流体を照射した結果、Ｒａが８６．３ｎｍの表面が得られた。表面のＡＦＭ写真を図９（ｃ）に、表面粗さのデータを図１０（ｃ）に示した（例７）。（ｃ）の表面粗さは若干（ｂ）よりも小さくなっているが、荒れている部分の密度は（ｂ）よりも大きいので（ｃ）は（ｂ）よりも衝撃波の影響が多くみられる。次に、水蒸気と低温純水液滴（２０℃）からなる混相流体を照射した結果、Ｒａが２５７ｎｍの表面が得られた。表面のＡＦＭ写真を図９（ｄ）に、表面粗さのデータを図１０（ｄ）に示した（例８）。以上の結果から、温度が上昇するにつれて衝撃波は大きくなり、特に、気体に水蒸気を用いた場合、処理対象表面に対して最も大きい衝撃波を与えることが明らかになった。【００５０】
例９〜１０
Ｒａが３４８．８ｎｍのＡｌアルマイト表面に対して、例５〜８と同条件で、混相流体の気体及び温度を変化させて照射した。２０℃の空気と２０℃の純水液滴からなる混相流体を照射した結果、Ｒａが３８０nmの表面を得ることが出来た。表面のＡＦＭ写真を図１１（ａ）に、表面粗さのデータを図１１（ｃ）に示した（例９）。次に、１３０℃水蒸気と２０℃の純水液滴からなる混相流体を照射した結果、Ｒａが４４０ｎｍの表面が得られた。表面のＡＦＭ写真を図１１（ｂ）に、表面粗さのデータを図１１（ｄ）に示した（例１０）。【００５１】
例１１
Ｒａが８．１nmのＳＵＳ表面に対して、例５〜８と同条件で、混相流体の気体及び温度を変化させて照射した。１３０℃の水蒸気と２０℃の純水液滴からなる混相流体を照射した結果、Ｒａが１９．９ｎｍの表面が得られた。表面のＡＦＭ写真を図１２（ａ）に、表面粗さのデータを図１２（ｂ）に示した（例１１）。【００５２】
例１２
Ｒａが７５．５nmのチタン表面に対して、例５〜８と同条件で、混相流体の気体及び温度を変化させて照射した。１３０℃の水蒸気と２０℃の純水液滴からなる混相流体を照射した結果、Ｒａが９８nmの表面を得ることが出来た。表面のＡＦＭ写真を図１３（ａ）に、表面粗さのデータを図１３（ｂ）に示した（例１２）。チタンでは、目視にて干渉縞が見られた。表面に酸化皮膜形成された可能性もある。【００５３】
例１３
Ｒａが１．９ｎｍのシリコン表面に対して、例５〜８と同条件で、混相流体の気体及び温度を変化させて照射した。１３０℃の水蒸気と２０℃の純水液滴からなる混相流体を照射した結果、Ｒａが７．６nmの表面を得ることが出来た。表面のＡＦＭ写真を図１４（ａ）に、表面粗さのデータを図１４（ｂ）に示した（例１３）。【００５４】
例１４〜２５
例１４〜２５では、レジスト塗布条件による剥離の様子に差があるか否かを検討した。ＨＭＤＳの有無、Ｂａｋｅ温度を９０℃、１１０℃と変化させて、当該条件変化の影響を観察した。処理後の表面プロファイルは、下地処理ＨＭＤＳに依存しないと考えられる結果が得られた。実験は以下の条件で行った。
使用サンプル：Ｉ線レジスト
照射時間：目視で剥離が観察されるまで
気体圧力：０．２ＭＰａ
液体流量：３００ｃｃ／ｍｉｎ
ノズルスキャン：固定
Ｇａｐ：１０ｍｍ【００５５】
ＨＭＤＳ無し、Ｂａｋｅ９０℃の条件でレジスト膜を塗布し、当該サンプルを上記の条件にて照射した後に、処理剥離境界面を顕微鏡にて観察した様子を図１５（ａ）〜（ｃ）、ＡＦＭで観察した様子を図１５（ｄ）〜（ｆ）に示した。図１５（ａ）は、２０℃の空気と２０℃の純水からなる混相流体を照射後、表面を顕微鏡にて観察した様子であり、図１５（ｄ）は、対応するＡＦＭ写真である（例１４）。図１５（ｂ）は、１３０℃の空気と９０℃の純水からなる混相流体を照射後、表面を顕微鏡にて観察した様子であり、図１５（ｅ）は、対応するＡＦＭ写真である（例１５）。図１５（ｃ）は、１３０℃の水蒸気と２０℃の純水からなる混相流体を照射後、表面を顕微鏡にて観察した様子であり、図１５（ｆ）は、対応するＡＦＭ写真である（例１６）。【００５６】
ＨＭＤＳ無し、Ｂａｋｅ１１０℃の条件でレジスト膜を塗布し、当該サンプルを上記の条件にて照射した後に、処理剥離境界面を顕微鏡にて観察した様子を図１６（ａ）〜（ｃ）、ＡＦＭで観察した様子を図１６（ｄ）〜（ｆ）に示した。図１６（ａ）は、２０℃の空気と２０℃の純水からなる混相流体を照射後、表面を顕微鏡にて観察した様子であり、図１６（ｄ）は、対応するＡＦＭ写真である（例１７）。図１６（ｂ）は、１３０℃の空気と９０℃の純水からなる混相流体を照射後、表面を顕微鏡にて観察した様子であり、図１６（ｅ）は、対応するＡＦＭ写真である（例１８）。図１６（ｃ）は、１３０℃の水蒸気と２０℃の純水からなる混相流体を照射後、表面を顕微鏡にて観察した様子であり、図１６（ｆ）は、対応するＡＦＭ写真である（例１９）。【００５７】
ＨＭＤＳ有り、Ｂａｋｅ９０℃の条件でレジスト膜を塗布し、当該サンプルを上記の条件にて照射した後に、処理剥離境界面を顕微鏡にて観察した様子を図１７（ａ）〜（ｃ）、ＡＦＭで観察した様子を図１７（ｄ）〜（ｆ）に示した。図１７（ａ）は、２０℃の空気と２０℃の純水からなる混相流体を照射後、表面を顕微鏡にて観察した様子であり、図１７（ｄ）は、対応するＡＦＭ写真である（例２０）。図１７（ｂ）は、１３０℃の空気と９０℃の純水からなる混相流体を照射後、表面を顕微鏡にて観察した様子であり、図１７（ｅ）は、対応するＡＦＭ写真である（例２１）。図１７（ｃ）は、１３０℃の水蒸気と２０℃の純水からなる混相流体を照射後、表面を顕微鏡にて観察した様子であり、図１７（ｆ）は、対応するＡＦＭ写真である（例２２）。【００５８】
ＨＭＤＳ有り、Ｂａｋｅ１１０℃の条件でレジスト膜を塗布し、当該サンプルを上記の条件にて照射した後に、処理剥離境界面を顕微鏡にて観察した様子を図１８（ａ）〜（ｃ）、ＡＦＭで観察した様子を図１８（ｄ）〜（ｆ）に示した。図１８（ａ）は、２０℃の空気と２０℃の純水からなる混相流体を照射後、表面を顕微鏡にて観察した様子であり、図１８（ｄ）は、対応するＡＦＭ写真である（例２３）。図１８（ｂ）は、１３０℃の空気と９０℃の純水からなる混相流体を照射後、表面を顕微鏡にて観察した様子であり、図１８（ｅ）は、対応するＡＦＭ写真である（例２４）。図１８（ｃ）は、１３０℃の水蒸気と２０℃の純水からなる混相流体を照射後、表面を顕微鏡にて観察した様子であり、図１８（ｆ）は、対応するＡＦＭ写真である（例２５）。【００５９】
例２６
液滴径及び流速の関係を図１９に示した。水蒸気圧力を一定（０．２ＭＰａ）として、様々な純水流量で、液滴の流速、液滴径を測定した。結果を図１９に示した。ＰＤＡで計測した液滴速度ｖ・径ｄの関係を示す。ｖとｄは共に正規分布に近く、その平均はそれぞれ、２８０m/sと１０μm程度であった。【００６０】
例２７
図２０に純水の流量ｑ=１００mL/minの場合のｖとｄに関して、蒸気圧力ｐおよびノズルとの距離ｈをパラメータとした際の結果を示す。また比較のため、空気と液滴の混合噴流の結果も点線にて示す。図より対象としている液滴速度は２００〜３００m/s程度、液滴径は１０μm程度であることがわかる。また大まかな傾向は空気の場合と変わらない。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、強度の大きい材料から強度の小さい材料まで、極めて広範囲な対象物に亘り様々な加工についてその適用が可能である。例えば、精密機械加工部品等についてのピー二ング加工処理等に、本発明を活用することができる。更に、本発明はとりわけ化学薬品を嫌う材料の処理には好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】図１は、本最良形態に係る処理装置の全体の構成を示した図である。
【図２】図２は、本最良形態に係る処理装置に係る温度制御機構付混相流体気液混合部の概略図である。
【図３】図３は、例１における、アルミ表面に混相流体を照射１０分後の表面観察ＡＦＭ写真を示した図である。
【図４】図４は、例２における、鋼表面に混相流体を照射１０分後の表面観察ＡＦＭ写真を示した図である。
【図５】図５は、例１における、アルミ表面に混相流体を照射１０分後の表面粗さのデータを示した図である。
【図６】図６は、例２における、鋼表面に混相流体を照射１０分後の表面粗さデータを示した図である。
【図７】図７は、例３における、透明ウェハに塗布したレジストに混相流体を照射しながら、裏面からレジスト剥離過程を高速度カメラにて観測した結果を示した図である。
【図８】図８は、例４における、高濃度イオン注入後の混相流体照射によるレジスト剥離データを示した図である。
【図９】図９は、例５〜８の結果を示した図である。
【図１０】図１０は、例５〜８の結果を示した図である。
【図１１】図１１は、例９〜１０の結果を示した図である。
【図１２】図１２は、例１１の結果を示した図である。
【図１３】図１３は、例１２の結果を示した図である。
【図１４】図１４は、例１３の結果を示した図である。
【図１５】図１５は、例１４〜１６の結果を示した図である。
【図１６】図１６は、例１７〜１９の結果を示した図である。
【図１７】図１７は、例２０〜２２の結果を示した図である。
【図１８】図１８は、例２３〜２５の結果を示した図である。
【図１９】図１９は、例２６の結果を示した図である。
【図２０】図２０は、例２７の結果を示した図である。
【図２１】図２１は、混相流体の熱エネルギーの違いによる、衝撃波の大きさの変化を示した図である。
【図２２】図２２は、混相流体の速度の違いによる、衝撃波の大きさの変化を示した図である。
【図２３】図２３は、混相流体の密度の違いによる、衝撃波の大きさの変化を示した図である。
【図２４】図２４は、超音波によるキャビテーション発生のメカニズムを示した図である。
【図２５】図２５は、液滴衝突時に発生するキャビテーションのメカニズムを示した図である。
【図２６】図２６は、液滴衝突時に発生するキャビテーションのメカニズムを示した図である。
【図２７】図２７は、液滴衝突時に発生するキャビテーションのメカニズムを示した図である。
【図２８】図２８は、液滴衝突時に発生するキャビテーションのメカニズムを示した図である。
【図２９】図２９は、液滴衝突時に発生するキャビテーションのメカニズムを示した図である。
【符号の説明】
【００６３】
１００：対象物処理装置
１１１：水供給管
１１２：蒸気発生器
１１３：水蒸気開閉バルブ
１１４：圧力計
１１５：水蒸気圧力調整バルブ
１１６：温度制御機構付き加熱蒸気生成器兼飽和蒸気湿り度調整器
１１７：圧力開放バルブ
１２１：水供給管
１２２：純水温度制御機構付加熱部
１２３：純水開閉バルブ
１２４：純水流量計
１２５：２流体生成用純水開閉バルブ
１３１：水蒸気流体温度制御機構付加熱部
１４１：照射ノズル
１４２：フレキシブル配管
１４３：圧力計
１４４：温度制御機能付混相流体気液混合部
１４５：オリフィス
１５１：搭載・保持可能なステージ
１５２：回転モーター
１５３：ウェハ上下駆動機構
１５４：冷却水管
１５５：冷却水開閉バルブ
１５６：冷却水流量調整バルブ
１５７：冷却水流量計
【図１】
2008152717.tif 000003
【図２】
2008152717.tif 000004
【図３】
2008152717.tif 000005
【図４】
2008152717.tif 000006
【図５】
2008152717.tif 000007
【図６】
2008152717.tif 000008
【図７】
2008152717.tif 000009
【図８】
2008152717.tif 000010
【図９】
2008152717.tif 000011
【図１０】
2008152717.tif 000012
【図１１】
2008152717.tif 000013
【図１２】
2008152717.tif 000014
【図１３】
2008152717.tif 000015
【図１４】
2008152717.tif 000016
【図１５】
2008152717.tif 000017
【図１６】
2008152717.tif 000018
【図１７】
2008152717.tif 000019
【図１８】
2008152717.tif 000020
【図１９】
2008152717.tif 000021
【図２０】
2008152717.tif 000022
【図２１】
2008152717.tif 000023
【図２２】
2008152717.tif 000024
【図２３】
2008152717.tif 000025
【図２４】
2008152717.tif 000026
【図２５】
2008152717.tif 000027
【図２６】
2008152717.tif 000028
【図２７】
2008152717.tif 000029
【図２８】
2008152717.tif 000030
【図２９】
2008152717.tif 000031
【国際調査報告】
2008152717.tif 000032
2008152717.tif 000033
2008152717.tif 000034
2008152717.tif 000035