(57)【要約】【課題】  複数のプロファイルのスポット加工痕を重ね合わせて目的形状を創成する発想のもとで、スポット加工痕のプロファイルを変化させ得る集流型ノズルを用いて超精密に形状創成できるＥＥＭ加工方法及びその装置を提供する。【解決手段】  先端の開口部へ向けて狭まった集束流路を備え、加工液を所定背圧で集束流路に供給して開口部から吐出させて集束流を発生させる機能を備えた集流型ノズルを用い、静止状態においてギャップとノズル背圧の少なくとも一方を変化させて、スポット加工痕のプロファイルを制御し、異なるプロファイルを有する複数のスポット加工痕を用いて加工する。【選択図】        図１
2014226731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端の開口部へ向けて狭まった集束流路を備え、微粒子を水に分散させた加工液を所定背圧で前記集束流路に供給して前記開口部から吐出させて、該開口部のサイズよりも小さなウエスト部を有する集束流を発生させる機能を備えた集流型ノズルを用い、該集流型ノズルの先端と被加工物との間に所定のギャップを設けて水中に配置し、静止状態において前記集流型ノズルで発生させた集束流を被加工物表面に吹き付けて、該表面に沿って高剪断流を発生させ、固体間化学反応により表面原子に結合した微粒子を水の流れにより離脱させ、微粒子と共に表面原子を除去することにより形成されるスポット加工痕のプロファイルデータを取得し、集流型ノズルを被加工物表面に対して相対的に走査し、滞在時間を制御することで局部的な除去量を制御して加工することを特徴とする集流型ノズルを用いたＥＥＭ加工方法。
【請求項２】
静止状態において前記ギャップと背圧の少なくとも一方を変化させて、それぞれの加工条件でのスポット加工痕のプロファイルデータを取得し、該ギャップと背圧を制御することにより、スポット加工痕のプロファイルを制御し、異なるプロファイルを有する複数のスポット加工痕を用いて加工してなる請求項１記載の集流型ノズルを用いたＥＥＭ加工方法。
【請求項３】
先端部に円錐外面を有するコアと、先端部に円錐内面を有し且つ頂部に開口部を有する外筒とを、前記コアの円錐外面と外筒の円錐内面との間に所定の間隙を設けて同心軸状に配置して、先端の開口部へ向けて狭まった集束流路を備え、微粒子を水に分散させた加工液を所定背圧で前記集束流路に供給して前記開口部から吐出させて、該開口部のサイズよりも小さなウエスト部を有する集束流を発生させる機能を備えた集流型ノズルを用い、該集流型ノズルの先端と被加工物との間に所定のギャップを設けて水中に配置し、前記集流型ノズルで発生させた集束流を被加工物表面に吹き付けて、該表面に沿って高剪断流を発生させ、固体間化学反応により表面原子に結合した微粒子を水の流れにより離脱させ、微粒子と共に表面原子を除去し、集流型ノズルを被加工物表面に対して相対的に走査し、滞在時間を制御することで局部的な除去量を制御して加工することを特徴とする集流型ノズルを用いたＥＥＭ加工装置。
【請求項４】
前記集流型ノズルは、前記コアを中心部に突設するとともに、該コアの周囲に接合面を設けた第１部材と、前記外筒を中心部に設けるとともに、該外筒の周囲に接合面を設けた第２部材とを、両接合面を密閉状態で接合し、前記第１部材には反対側から前記コアの中心にかけて主流路を形成するとともに、該コアの円錐外面よりも基部側の側面に前記主流路に連通する複数の分岐孔を形成し、前記コアの円錐外面と外筒の円錐内面との間に形成した前記集束流路に、主流路から分岐孔を通して加工液を供給してなる請求項３記載の集流型ノズルを用いたＥＥＭ加工装置。
【請求項５】
前記集流型ノズルは、第２部材の外筒の円錐内面が接合面まで延び、前記第１部材のコアの円錐外面よりも基部側の側面との間にバッファ流路を形成してなる請求項４記載の集流型ノズルを用いたＥＥＭ加工装置。
【請求項６】
前記集流型ノズルの先端と被加工物との間のギャップを調整するギャップ調整手段と前記集流型ノズルに加工液を供給する背圧を調整する背圧調整手段とを備え、静止状態において前記ギャップと背圧の少なくとも一方を変化させて、それぞれの加工条件でのスポット加工痕のプロファイルデータを取得し、該ギャップと背圧を制御することにより、スポット加工痕のプロファイルを制御し、異なるプロファイルを有する複数のスポット加工痕を用いて加工してなる請求項３〜５何れか１項に記載の集流型ノズルを用いたＥＥＭ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集流型ノズルを用いたＥＥＭ加工方法及びその装置に係わり、更に詳しくはスポット加工痕のプロファイルを変化させることが可能な集流型ノズルを用いて超精密に形状創成するノズル型加工ヘッド方式のＥＥＭ加工方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属酸化物などの微粒子を水分子が介在する環境で被加工物表面に供給し、固体間化学反応により表面原子に結合した微粒子を水の流れなどの外力により離脱させ、微粒子と共に表面原子を除去する加工方法、即ちＥＥＭ（Elastic Emission Machining）は公知である。ＥＥＭは、微粒子を水に分散させたスラリー（加工液）を被加工物表面に沿って流動させることにより、表面の凸部が優先的に除去されるという自動平坦化作用を備え、空間波長が短周期の凹凸（粗さ）を除去して原子オーダーで平坦化できるという特徴を有している。また、ＥＥＭは、結晶学的には化学エッチングと同等の優れた表面が得られ且つ加工制御性を有するという特徴も備えている。
【０００３】
ＥＥＭでは、被加工物表面に結合した微粒子を除去するために、加工物表面に沿って加工液の高速な速度場を作り出す必要があり、特に表面近傍での流速が加工速度に大きな影響を及ぼすことから、高煎断流を実現することが要求される。このような加工液の速度場を作り出す方法として、特許文献１に記載されたノズル型加工ヘッド方式と、特許文献２などに記載された回転球型加工ヘッド方式が実用化されている。そして、これらの加工ヘッドを被加工物表面に対して相対的に走査し、滞在時間を制御することで局所的な除去量を制御して、任意の曲面を創成する数値制御ＥＥＭ加工方法も提案され、Spring-8などの大型放射光施設で発生するＸ線用の楕円面ミラーや、極端紫外線リソグラフィー（EUVL）で使用される高度な光学素子など、Ｐ−Ｖ値が１ｎｍ以下の形状精度を有する高品位ミラーの作成に使用されている。
【０００４】
ノズル型加工ヘッド方式のＥＥＭは、被加工物表面に対して所定のスタンドオフ距離（ギャップ）だけ離した位置にノズル型加工ヘッドを配置し、ノズルから吐出された噴流によって被加工物表面に加工液の高速な速度場を作り出し、微小領域の数値制御加工を可能としている。ここで使用されるノズルは、開口部の断面形状が円形（円孔）と長方形（スリット孔）であり、内部の流路は開口部に向けて直線状となっている。このような直流型ノズルの特徴は、スポット加工痕がギャップの変化にルーズであり、つまりスポット加工痕が安定的に得られることであり、これは加工精度を高める上で有利であった。そして、直流型ノズルあるいは被加工物を他方に対して数値制御して走査することで、空間波長が長周期の形状を補正することができる。しかし、これまでに長時間安定な加工が実現している直流型ノズルの開口径は最小１５０μｍ程度であり、それにより空間分解能５００μｍを実現している。
【０００５】
回転球型加工ヘッド方式のＥＥＭは、加工液を満たした加工槽内に弾性回転体と被加工物とを配し、該被加工物表面に対して弾性回転体を一定荷重にて押圧しながら回転させ、該弾性回転体と被加工物表面間に巻き込んだ加工液の流体動圧と荷重との釣り合いによって、弾性回転体と被加工物表面との間に１μｍ程度のギャップを維持しながら、該ギャップを横切る加工液の局所的な高煎断流を発生させて加工するのである。この場合、スポット加工痕のサイズはｍｍ単位となり、空間分解能は高くない。
【０００６】
通常、最も空間周波数の低い領域は一般に形状（Low
spatial frequency roughness：LSFR）、中間の領域はうねり（Mid spatial frequency roughness：MSFR）、最も高い領域は表面粗さ（High spatial frequency roughness：HSFR）と呼ばれる。ここで、空間波長の長周期領域はLSFR、中周期領域はMSFR、短周期領域はHSFRに対応するが、領域の範囲に対する明確な規定はない。本発明は、Ｘ線光学系に使用できるミラー等の仕上げ加工に適用することを想定しているので、短周期領域の凹凸は走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）で観察する程度の粗さに対応し、また形状精度はＰ−Ｖ値で０．１ｎｍのオーダーである。本発明では、空間波長の中周期領域として５０〜１０００μｍ程度を想定している。
【０００７】
平面形状あるいは平面に近い曲面形状の加工は、前述のノズル型加工ヘッド方式と回転球型加工ヘッド方式のＥＥＭを併用して、ほぼ全空間波長の表面凹凸を除去することができた。しかし、曲率が大きな曲面や急峻に変化する形状であれば、回転球型加工ヘッド方式のＥＥＭによる除去可能な空間分解能領域は小さくなり、また従来のノズル型加工ヘッド方式のＥＥＭでは中間空間波長領域の加工に弱みがあるので、理想形状に仕上げることができない。一般的に、この種のスポット加工痕を連続させて凹凸を除去し、目的形状を創成する加工方法では、スポット加工痕のサイズの半分程度の凹凸は除去できるが、それよりも小さな中周期の凹凸を完全に除去することは難しい。同様に、目的形状がスポット加工痕のサイズのオーダーで急峻に変化するような場合にも、従来の直流型ノズルでも加工が困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３８６０３５２号公報
【特許文献２】特公平０７−０１６８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、ノズル型加工ヘッド方式のＥＥＭ加工方法であって、従来のようにスポット加工痕のプロファイルを固定せずに、複数のプロファイルのスポット加工痕を積極的に使用して、それらを重ね合わせることにより目的形状を創成するという新しい発想のもとで、スポット加工痕のプロファイルを変化させることが可能な集流型ノズルを用いて超精密に形状創成することが可能なＥＥＭ加工方法及びその装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、前述の課題解決のために、先端の開口部へ向けて狭まった集束流路を備え、微粒子を水に分散させた加工液を所定背圧で前記集束流路に供給して前記開口部から吐出させて、該開口部のサイズよりも小さなウエスト部を有する集束流を発生させる機能を備えた集流型ノズルを用い、該集流型ノズルの先端と被加工物との間に所定のギャップを設けて水中に配置し、静止状態において前記集流型ノズルで発生させた集束流を被加工物表面に吹き付けて、該表面に沿って高剪断流を発生させ、固体間化学反応により表面原子に結合した微粒子を水の流れにより離脱させ、微粒子と共に表面原子を除去することにより形成されるスポット加工痕のプロファイルデータを取得し、集流型ノズルを被加工物表面に対して相対的に走査し、滞在時間を制御することで局部的な除去量を制御して加工することを特徴とする集流型ノズルを用いたＥＥＭ加工方法を構成した（請求項１）。
【００１１】
そして、静止状態において前記ギャップと背圧の少なくとも一方を変化させて、それぞれの加工条件でのスポット加工痕のプロファイルデータを取得し、該ギャップと背圧を制御することにより、スポット加工痕のプロファイルを制御し、異なるプロファイルを有する複数のスポット加工痕を用いて加工してなるのである（請求項２）。
【００１２】
また、本発明は、先端部に円錐外面を有するコアと、先端部に円錐内面を有し且つ頂部に開口部を有する外筒とを、前記コアの円錐外面と外筒の円錐内面との間に所定の間隙を設けて同心軸状に配置して、先端の開口部へ向けて狭まった集束流路を備え、微粒子を水に分散させた加工液を所定背圧で前記集束流路に供給して前記開口部から吐出させて、該開口部のサイズよりも小さなウエスト部を有する集束流を発生させる機能を備えた集流型ノズルを用い、該集流型ノズルの先端と被加工物との間に所定のギャップを設けて水中に配置し、前記集流型ノズルで発生させた集束流を被加工物表面に吹き付けて、該表面に沿って高剪断流を発生させ、固体間化学反応により表面原子に結合した微粒子を水の流れにより離脱させ、微粒子と共に表面原子を除去し、集流型ノズルを被加工物表面に対して相対的に走査し、滞在時間を制御することで局部的な除去量を制御して加工することを特徴とする集流型ノズルを用いたＥＥＭ加工装置を構成した（請求項３）。
【００１３】
具体的には、前記集流型ノズルは、前記コアを中心部に突設するとともに、該コアの周囲に接合面を設けた第１部材と、前記外筒を中心部に設けるとともに、該外筒の周囲に接合面を設けた第２部材とを、両接合面を密閉状態で接合し、前記第１部材には反対側から前記コアの中心にかけて主流路を形成するとともに、該コアの円錐外面よりも基部側の側面に前記主流路に連通する複数の分岐孔を形成し、前記コアの円錐外面と外筒の円錐内面との間に形成した前記集束流路に、主流路から分岐孔を通して加工液を供給してなることが好ましい（請求項４）。
【００１４】
更に、前記集流型ノズルは、第２部材の外筒の円錐内面が接合面まで延び、前記第１部材のコアの円錐外面よりも基部側の側面との間にバッファ流路を形成してなることがより好ましい（請求項５）。
【００１５】
そして、前記集流型ノズルの先端と被加工物との間のギャップを調整するギャップ調整手段と前記集流型ノズルに加工液を供給する背圧を調整する背圧調整手段とを備え、静止状態において前記ギャップと背圧の少なくとも一方を変化させて、それぞれの加工条件でのスポット加工痕のプロファイルデータを取得し、該ギャップと背圧を制御することにより、スポット加工痕のプロファイルを制御し、異なるプロファイルを有する複数のスポット加工痕を用いて加工してなるのである（請求項６）。
【発明の効果】
【００１６】
以上にしてなる本発明の集流型ノズルを用いたＥＥＭ加工方法は、先端の開口部へ向けて狭まった集束流路を備え、微粒子を水に分散させた加工液を所定背圧で前記集束流路に供給して前記開口部から吐出させて、該開口部のサイズよりも小さなウエスト部を有する集束流を発生させる機能を備えた集流型ノズルを用い、該集流型ノズルの先端と被加工物との間に所定のギャップを設けて水中に配置し、静止状態において前記集流型ノズルで発生させた集束流を被加工物表面に吹き付けて、該表面に沿って高剪断流を発生させ、固体間化学反応により表面原子に結合した微粒子を水の流れにより離脱させ、微粒子と共に表面原子を除去することにより形成されるスポット加工痕のプロファイルデータを取得し、集流型ノズルを被加工物表面に対して相対的に走査し、滞在時間を制御することで局部的な除去量を制御して加工するので、ノズルの開口部のサイズよりも小さなスポット加工痕を得ることでき、それにより空間分解能を高めて超精密に加工することができ、またギャップや背圧を制御して異なるプロファイルを有するスポット加工痕を簡単に作り出すことができ、加工対象となる目的形状に応じて最適なスポット加工痕のプロファイルを選択でき、それによりスポット加工痕そのもので積極的に形状創成することができる。
【００１７】
そして、静止状態において前記ギャップと背圧の少なくとも一方を変化させて、それぞれの加工条件でのスポット加工痕のプロファイルデータを取得し、該ギャップと背圧を制御することにより、スポット加工痕のプロファイルを制御し、異なるプロファイルを有する複数のスポット加工痕を用いて加工することにより、複数のプロファイルのスポット加工痕を重ね合わせて目的形状に合致した除去量分布を作成することができ、それにより急峻な形状や複雑形状も加工することができる。ここで、急峻な形状とは、例えば幅１ｍｍ、長さ５０ｍｍ、深さ１０μｍ程度の回転楕円面のような形状である。
【００１８】
複数のプロファイルのスポット加工痕を足し合わせることにより、色々な形状を創出でき、加工対象の応用が広がる。特に、複雑形状の光学素子の超精密加工に適用できるようになる。即ち、スポット加工痕の形状自体が光学素子の形状になるという発想で、最低限の走査で目的形状を短時間で作製することができるようになる。複数のスポット加工痕の形状を計算機に入れて、複数のスポット加工痕を用いた際の最適な形状加工の条件を見つけ出すことが可能になり、特に複雑形状の加工の時に理論上有効に働くと予想される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ノズル型加工ヘッド方式のＥＥＭ加工装置の概略図である。
【図２】（ａ）は比較のための従来の直流型ノズルの部分断面図、（ｂ）は本発明に用いた集流型ノズルの部分断面図である。
【図３】直線流路と集束流路のシミュレーション結果を示し、（ａ）は直線流路の場合の中心線を含むＸＺ平面上の速度分布、（ｂ）は集束流路の場合の中心線を含むＸＺ平面上の速度分布、（ｃ）は直線流路の場合の被加工物表面から１μｍの面上の速度分布、（ｄ）は集束流路の場合の被加工物表面から１μｍの面上の速度分布、（ｅ）は直線流路の場合の速度分布の断面形状、（ｆ）は集束流路の場合の速度分布の断面形状を示している。
【図４】スタンドオフ距離（ギャップ）が１ｍｍの場合の静止スポットプロファイルの除去分布を示し、（ａ）は直流型ノズル、（ｂ）は集流型ノズルの場合である。
【図５】０．４ｍｍから１．８ｍｍのスタンドオフ距離（ギャップ）での静止スポット加工痕のプロファイルの除去分布を示し、（ａ）は直流型ノズル、（ｂ）は集流型ノズルの場合である。
【図６】０．４ｍｍから１．８ｍｍのスタンドオフ距離（ギャップ）でのスポット加工痕の横断面プロファイルを示し、（ａ）は直流型ノズル、（ｂ）は集流型ノズルの場合である。
【図７】０．４ｍｍから１．８ｍｍのスタンドオフ距離（ギャップ）でのスポット加工痕の縦断面プロファイルを示し、（ａ）は直流型ノズル、（ｂ）は集流型ノズルの場合である。
【図８】スタンドオフ距離（ギャップ）に対する除去量やスポットサイズとの関係を示し、（ａ）は直流型ノズル、（ｂ）は集流型ノズルの場合である。
【図９】石英表面のＳＴＭ像と表面粗さを示し、（ａ）は加工する前の表面、（ｂ）は集流型ノズルを用いて加工した後の表面を示す。
【図１０】集流型ノズルの実施例を示す分解斜視図である。
【図１１】同じく集流型ノズルの実施例を示す断面図である。
【図１２】背圧と流量の関係を示すグラフである。
【図１３】背圧をパラメータとしてギャップとスポット加工痕の半値幅の関係を示すグラフである。
【図１４】背圧をパラメータとしてギャップとスポット加工痕の加工レートの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図１は、ノズル型加工ヘッド方式のＥＥＭ加工装置の概略図を示し、図中符号１はノズルヘッド、２は被加工物、３は水槽、４はＮＣステージをそれぞれ示している。
【００２１】
この加工装置では、ノズルヘッド１と被加工物２とを水槽３の内部に所定のギャップを設けて配置し、前記被加工物２の表面に沿って前記ノズルヘッド１を相対的に走査できるようにしている。例えば前記ノズルヘッド１を固定し、前記被加工物２をＮＣステージ４に保持して、ＮＣステージ４の駆動により、前記ギャップを設定するとともに、前記被加工物２の表面を前記ノズルヘッド１に対して移動できるようにしている。そして、水と微粒子を分散させたスラリー（加工液）は、ダイヤフラムポンプ５からノズルヘッド１に供給して水槽３内に吐出させ、水槽３に溜まった加工液を前記ダイヤフラムポンプ５で吸引して循環させている。この際、前記ノズルヘッド１に供給する加工液の圧力（背圧）は、前記ダイヤフラムポンプ５の出口管に接続されたダンパ６に空気圧縮機７からレギュレータ８を通して供給した圧縮空気によって設定値に保たれ、背圧は圧力計９でモニターしている。
【００２２】
本実施形態では、前記ＮＣステージ４は、前記水槽３内で被加工物２を水平面上に載せて制御するＸＹステージと、前記ノズルヘッド１と被加工物２の間のギャップを調整するＺステージで構成されている。そして、先ず、静止状態において、前記ノズルヘッド１から吐出された加工液の噴流を被加工物２の表面に吹き付けて、該表面に沿った高剪断流を安定的に発生させ、固体間化学反応により表面原子に結合した微粒子を水の流れにより離脱させ、微粒子と共に表面原子を除去することにより形成されるスポット加工痕のプロファイルデータを取得する。そして、被加工物２の加工前形状と目的形状との差に相当する除去量分布を求め、前記スポット加工痕のプロファイルデータに基づき、被加工物２の表面の局所毎に対するノズルヘッド１の滞在時間を決定し、その局所的な滞在時間を実現できるように、前記ノズルヘッド１を被加工物２の表面に対して相対的に走査する走査速度を規定したＮＣデータを作成する。それから、加工装置の制御部にＮＣデータを入力して、前記ノズルヘッド１を被加工物２の表面に対して相対的に走査し、走査速度を制御することで局部的な除去量を制御して加工するのである。除去量が多い場合には、一度の走査で目的形状を得ることが難しいので、中間目的形状を設定して複数回の走査を行えば良い。
【００２３】
スポット加工痕は、前記ギャップと背圧を加工条件のパラメータとして、そのプロファイルを変更することができる。先ず、ノズルヘッド１と被加工物２が静止状態で、ギャップと背圧で決まる加工条件毎の複数のスポット加工痕のプロファイルデータを取得する。それから、目的の除去量分布を得るために最適なスポット加工痕のプロファイルの組み合わせを選んでＮＣデータを作成する。そして、ＮＣデータに基づき、ギャップと背圧を制御して、スポット加工痕のプロファイルを制御し、異なるプロファイルを有する複数のスポット加工痕を用いて加工するのである。
【００２４】
ここで、微粒子としては、粒径が１０ｎｍ〜５μｍの酸化ケイ素（シリカ）や酸化ジルコニウムなどの金属酸化物が主に使用される。また、微粒子は、単粒子の他に、粒径が１〜１００ｎｍの微粒子が凝集して平均径が０．５〜５μｍの集合体となった凝集微粒子を用いることも好ましい。そして、微粒子を分散させる水は、超純水あるいは純水を用いることが好ましく、加工液の濃度は１〜１０vol％である。
【００２５】
プロファイルデータを用いた処理では、スポット加工痕のプロファイルの滞留時間は、除去深さを制御するために使用されるパラメータである。滞留時間分布は、ＮＣステージ４の走査速度分布に変換される。静止状態のスポット加工痕のサイズ、除去率、再現性などの特徴は、基本的には形状補正の性能を決定する。スポット加工痕のサイズと除去速度は、形状補正においてそれぞれ空間分解能及び加工時間に直接関連している。特性の高い再現性は、必要な精度が達成されるまで行われる加工と測定間のサイクル数を減らすことができる。
【００２６】
本発明では、先端の開口部へ向けて狭まった集束流路を備え、微粒子を水に分散させた加工液を所定背圧で前記集束流路に供給して前記開口部から吐出させて、該開口部のサイズよりも小さなウエスト部を有する集束流を発生させる機能を備えた集流型ノズルを使用する。ノズル型ＥＥＭでは、被加工物表面に粒子を輸送し、表面からそれらを除去するために、高剪断流が表面に必要である。除去領域及び除去速度は、表面と接触する流体の速度分布に依存する。速度分布の形状は、流路の幅、速度、角度、スタンドオフ距離などのノズル仕様を変更することによって制御することができる。ここで、スタンドオフ距離は、ノズル出口と被加工物表面との間の長さとして定義される。
【００２７】
従来のノズル型加工ヘッド方式のＥＥＭに用いたノズルは、流路が直線であり、図２（ａ）に示すように、その開口部は、矩形または円形であった。加圧された流体は、容器内の流体に向けてノズルから吐出する。この場合には、一般的にジェット流は強い乱流状態であるので、開口部から出た後に流れは発散することが考えられる。静止スポット加工に必要な小ささ及び除去速度の両方を満足させるために、スタンドオフ距離が短くなるように選択される。直径５００μｍのスポットサイズの微小な静止スポット加工が、３００μｍ未満のスタンドオフ距離で実現している。
【００２８】
更に詳しくは、図２（ａ）は比較のための従来の直流型ノズル１０を示し、図２（ｂ）は本発明に用いた集流型ノズル２０を示している。直流型ノズル１０は、内部の流路の断面形状が先端の開口部１１まで同じ形状で直線流路１２を備えたものである。それに対して、集流型ノズル２０は、先端の開口部２１へ向けて狭まった集束流路２２を備えたものであり、先端部に円錐外面２４を有するコア２３と、先端部に円錐内面２６を有し且つ頂部に開口部２１を有する外筒２５とを、前記コア２３の円錐外面２４と外筒２５の円錐内面２６との間に所定の間隙を設けて同心軸状に配置した構造を有している。
【００２９】
前記集流型ノズル２０は、加工液を所定圧力で前記集束流路２２に供給して前記開口部２１から吐出させて、該開口部２１から一定の距離で該開口部２１のサイズよりも小さなウエスト部２７を有する集束流２８を発生させる機能を備えている。一方、直流型ノズル１０から吐出させた加工液は、開口部１１のサイズよりも小さくなることはなく、前記開口部１１からの距離の増加とともに拡がる拡散流１３となる。実際は、図２（ａ）に示すような極端な拡散流１３ではなく、前記開口部１１からの距離の増加とともに緩やかに拡がる流れとなる。集流型ノズル２０は、収束した点で、開口部２１から遠くても最大流速は高い。更に、図２（ａ）に示す直流型ノズル１０と比較して、集流型ノズル２０は、被加工物表面上の速度分布は狭く、長いスタンドオフ距離の場合にも高い除去率を持つ小さい静止スポットプロファイルを可能にする。
【００３０】
集束流れの特性を検証するために、流体シミュレーションソフトウェア（PHOENICS CHAM社）を用いて、いくつかの流体シミュレーションを行った。シミュレーションパラメータは、表１に記載されている。集流型ノズル２０の場合、図２（ｂ）に示すように幅５００μｍ、厚さ３００μｍを有する二つの開口から流入した後に二つの流れが合流する。二つの流れの間の角度は９０°である。それに対して、直流型ノズル１０は１ｍｍ×３００μｍ程度の寸法を有する長方形の開口部を有している。両ノズルの開口部の断面積は同じにしている。両方のノズルについて、三次元の速度及び圧力分布を計算した。ソフトウェアに含まれたｋ−εモデルは、乱流を計算するために用いられる。流路構造の効果を定量的に分析するために、両方のノズル開口における流れ速度は同じに設定されている。図３は、直線流路と集束流路のシミュレーション結果を示している。中心線を含むＸＺ平面上の速度分布は、図３（ａ）及び（ｂ）に示している。被加工物表面から１μｍの面上の速度分布は、図３（ｃ）及び（ｄ）に比較されている。
【００３１】
【表１】
2014226731.tif 000003
【００３２】
流れが被加工物表面に近づくにつれて、その速度方向において、垂直な方向から壁にほぼ平行な方向に回転するように、有意な変化を受ける。スタンドオフ距離が１ｍｍである場合でも、これが被加工物表面上の高剪断速度を有する流れをもたらす。流体圧力は、二つの流れが交わる中心における面上で増加する。そして、主流の方向はＹ軸に向かって変化する。加工性の観点から、表面近傍の速度が重要な評価因子である。図３（ｅ）及び（ｆ）は、２種類のノズルに対する速度分布の断面形状を示している。集流型ノズル２０が使用されている場合の速度分布プロファイルは、０．５ｍｍの半値全幅を有するガウス状である。それに対して、直流型ノズル１０では、速度分布プロファイルに二つのピークがあり、この二つのピークの間の距離は、ノズル開口幅と同じで１ｍｍである。ＥＥＭにおいて、静止状態でのスポット加工痕のプロファイルの形状は、被加工物表面に供給され、表面から除去された粒子数の分布に依存する。本実施形態での微粒子の直径は２μｍ程度であるため、粒子は流線に沿って移動する。二つのプロファイルを比較すると、除去深さが被加工物表面に近い速度に基本的に比例するので、集流型ノズルを用いて微細な静止スポットプロファイルを得ることができることを示している。
【００３３】
次に、流体シミュレーションで用いたものと同じ流路構造を有する２種類のノズルを用意し、加工装置に取り付けた。いくつかの静止スポット加工痕が石英表面上に加工され、３．７４×２．８１ｍｍ２の視野範囲を持つ顕微干渉計（ZYGO NewViewTM700）により測定した。速度もまた、シミュレーションに応じて調整した。スタンドオフ距離は、０．４ｍｍから１．８ｍｍまで変化させた。実験パラメータを表２に記載されている。
【００３４】
【表２】
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【００３５】
図４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれスタンドオフ距離（ギャップ）が１ｍｍである直流型ノズルと集流型ノズルを使って得た静止スポット加工痕のプロファイルの除去分布を拡大して示している。図５（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ０．４ｍｍから１．８ｍｍのスタンドオフ距離での直流型ノズルと集流型ノズルを使って得た静止スポット加工痕のプロファイルの除去分布を示している。図６（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ０．４ｍｍから１．８ｍｍのスタンドオフ距離での直流型ノズルと集流型ノズルを使って得たスポット加工痕の横断面プロファイルを示し、図７（ａ）及び（ｂ）は同じく直流型ノズルと集流型ノズルを使って得た縦断面プロファイルを示している。スタンドオフ距離（ギャップ）は、スポット加工痕の形状、深さ、サイズに影響することがわかる。図８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ直流型ノズルと集流型ノズルの場合におけるスタンドオフ距離（ギャップ）に対する除去量やスポットサイズとの関係を示す。ここで、スポットサイズは、全容積の８０％を含む領域の直径として定義する。
【００３６】
集流型ノズルを用いた場合には、スポットサイズは、スタンドオフ距離（ギャップ）が０．４ｍｍ から１ｍｍへ増加と共に減少する。最小スポットサイズは、１ｍｍのスタンドオフ距離（ギャップ）で１．３ｍｍであり、スタンドオフ距離（ギャップ）が増加すると、スポット径が徐々に大きくなる。その結果、スポットサイズ及び除去速度は、ノズルを交換せずに単にスタンドオフ距離（ギャップ）を調節することによって制御することができることを示している。更に、図６及び図７より、集流型ノズルの場合、スタンドオフ距離（ギャップ）に応じてスポット加工痕のプロファイルも大きく変化することがわかる。一方、直流型ノズルを用いた場合、スポット加工痕がスタンドオフ距離（ギャップ）に関わらず同じ大きさのままで、プロファイルの変化も少ない。加工条件の変更が必要な場合は、異なるサイズのノズルを取り付けなければならない。それに対して、集流型ノズルを用いた場合には、同じノズルのまま、ギャップなどの加工条件を変更することにより、スポット加工痕のプロファイルを変更することが可能である。尚、集流型ノズルの開口部の形状が円形のように回転対称形であれば、理想的にはスポット加工痕も回転対称形になる。
【００３７】
次に、ＥＥＭ加工表面の粗さを評価するために、石英表面上の５ｍｍの正方形領域にわたりラスター走査を行い、図９に集流型ノズルを用いた処理の前と後の表面粗さを示す。処理前と後のRMS値はほぼ同じであり、従って集流型ノズルも高度な光学素子の形状補正に用いることができる。図４（ａ）及び（ｂ）の中の静止スポットプロファイルは、それぞれ図３（ｃ）及び（ｄ）における速度分布とよく一致していることがわかる。従って、流体シミュレータを使用して、様々な形態のノズルによる静止スポットプロファイルの形状を予測することができる。
【００３８】
前記集流型ノズル２０の具体的構造を図１０、図１１に基づいて更に詳しく説明する。本実施形態では、前記集流型ノズル２０は、前記コア２３を中心部に突設するとともに、該コア２３の周囲に接合面３０を設けた第１部材２９と、前記外筒２５を中心部に設けるとともに、該外筒２５の周囲に接合面３２を設けた第２部材３１とを、両接合面３０，３２を密閉状態で接合し、前記第１部材２９には反対側から前記コア２３の中心にかけて主流路３３を形成するとともに、該コア２３の円錐外面２４よりも基部側の側面に前記主流路３３に連通する複数の分岐孔３４，…を形成し、前記コア２３の円錐外面２４と外筒２５の円錐内面２６との間に形成した前記集束流路２２に、主流路３３から分岐孔３４，…を通して加工液を供給する構造である。更に、前記集流型ノズル２０は、第２部材３１の外筒２５の円錐内面２６が接合面３２まで延び、前記第１部材２９のコア２３の円錐外面２４よりも基部側の側面との間にバッファ流路３５を形成している。
【００３９】
また、前記第１部材２９の接合面３０又は前記第２部材３１の接合面３２の一方に、前記流路を取り囲むようにＯリング溝３６を設け、該Ｏリング溝３６に嵌めたＯリング３７を他方の接合面に圧接してシールしている。更に、前記コア２３と外筒２５とが正確に同心状に組み付けることができるように、前記第１部材２９の接合面３０の周囲に環状段部３８を設け、前記第２部材３１の外周縁を嵌合する構造となっている。また、図示しないが、前記第１部材２９と第２部材３１は、前記Ｏリング溝３６の外側をネジで互いに締結する。
【００４０】
本実施形態の集流型ノズル２０の開口部２１は、内径１ｍｍ（コア２３の先端の直径）、集束流路２２の幅が３００μｍの環状スリットである。先ず、このノズルに対して流量測定を純水にて行ったところ、図１２のように、ほぼ理論値通りの値となった。バッファ流路３５を設けたことにより、圧力損失の少ない構造となっている。それから、雰囲気を加工液に取り換えて、ギャップと背圧を変化させて実験を行ったところ、ノズル開口よりは小さな加工痕が得られた。図１３は、背圧が２、３、４atmの場合におけるギャップに対するスポット加工痕の半値幅のグラフであり、ギャップを離しても加工痕の大きさは劇的な変化は見られないことがわかる。図１４は、背圧が２、３、４atmの場合におけるギャップに対するスポット加工痕の加工レートのグラフである。このグラフから、従来の直流型ノズルであればＥＥＭ加工が行われなかった長ギャップでも、集流型ノズルであれば加工可能であることがわかる。また、ギャップが小さい場合には、背圧を変化させることにより加工レ−トを有意に変更できることも確認できた。つまり、背圧を制御することによって、スポット加工痕のプロファイルを制御可能であることを示唆している。
【００４１】
ＥＥＭにおいて、ノズル出口と被加工物表面との間に集束流状態を実現し、ギャップと背圧を制御することによって、静止状態におけるスポット加工痕のプロファイルの形状の制御することを実験的に確かめ、複数のプロファイルのスポット加工痕を用いて複雑形状や急峻な形状の加工ができる可能性を示した。そして、シミュレーション結果は、集流型ノズルが被加工物表面上の速度分布をシャープにしたことを示す。また、加工実験の結果は、シミュレーションのものを確認した。流路の形状は、加工パラメータに影響を与えることがわかった。静止スポット加工痕のプロファイルの形状を制御するために、ノズル孔の大きさだけでなく、流路構造をも考慮する基本的な考え方は、種々のＥＥＭ光学製造プロセス、特に複雑な形状を有する高度な光学系に広く適用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１  ノズルヘッド
２  被加工物
３  水槽
４  ＮＣステージ
５  ダイヤフラムポンプ
６  ダンパ
７  空気圧縮機
８  レギュレータ
９  圧力計
１０  直流型ノズル
１１  開口部
１２  直線流路
１３  拡散流
２０  集流型ノズル
２１  開口部
２２  集束流路
２３  コア
２４  円錐外面
２５  外筒
２６  円錐内面
２７  ウエスト部
２８  集束流
２９  第１部材
３０  接合面
３１  第２部材
３２  接合面
３３  主流路
３４  分岐孔
３５  バッファ流路
３６  Ｏリング溝
３７  Ｏリング
３８  環状段部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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