(57)【要約】【課題】  ガラスセラミックス材料を始め、加工プロセスによる加工速度が異なる少なくとも２種類の成分材料が微細化されて混在し、表面状態が均一ではない被加工物を、表面粗さが０．２〜０．０５ｎｍＲＭＳとなるように超精密加工できる電子ビームアシストＥＥＭ法を提供する。【解決手段】  被加工物と化学的な反応性のある微粒子を加工面に沿って流動させて、該微粒子と加工面界面での化学的な相互作用により、微粒子に化学結合した加工面原子を微粒子と共に除去する加工プロセスからなるＥＥＭ法において、被加工物は、加工プロセスによる加工速度が異なる少なくとも２種類の成分材料が微細化されて混在したものであり、被加工物の加工面に電子ビームを照射して、加工面の表層部の加工速度が略均一になるように改質した後、加工プロセスによって超精密平滑化加工をする。【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物と化学的な反応性のある微粒子を加工面に沿って流動させて、該微粒子と加工面界面での化学的な相互作用により、該微粒子に化学結合した加工面原子を該微粒子と共に除去する加工プロセスからなるＥＥＭ法において、前記被加工物は、前記加工プロセスによる加工速度が異なる少なくとも２種類の成分材料が微細化されて混在したものであり、該被加工物の加工面に電子ビームを照射して、該加工面の表層部の加工速度が略均一になるように改質した後、前記加工プロセスによって超精密平滑化加工をすることを特徴とする電子ビームアシストＥＥＭ法。
【請求項２】
前記被加工物は、それを構成する主成分材料の一つが結晶質、他の一つが非晶質であるガラスセラミックスであり、該被加工物の加工面に電子ビームを照射することにより、該加工面の表層部を均一に非晶質化し、その後の前記加工プロセスにより表面粗さが０．２〜０．０５ｎｍＲＭＳの加工面を得る請求項１記載の電子ビームアシストＥＥＭ法。
【請求項３】
前記加工プロセスは、超純水中に微粒子を分散させた加工液を、被加工物の加工面に沿って高速に流動させて加工するものである請求項１又は２記載の電子ビームアシストＥＥＭ法。
【請求項４】
超純水又は前記加工液中に浸漬した被加工物の加工面に対して、傾斜方向より前記加工液を加工ノズルから液中にて噴出させ、前記加工面近傍に沿って加工液の高速剪断流を発生させ、加工面原子と化学結合した微粒子を高速剪断流にて取り除いて加工面原子を除去し、加工を進行させてなる請求項３記載の電子ビームアシストＥＥＭ法。
【請求項５】
前記加工液中に被加工物と弾性回転体を配し、該被加工物の加工面に対して前記弾性回転体を一定荷重にて押圧しながら回転させることにより、該弾性回転体と加工面間に加工液を巻き込んで流動させ、該加工液の流動による流体動圧と荷重との釣り合いによって所定の間隔を維持しながら加工してなる請求項３記載の電子ビームアシストＥＥＭ法。
【請求項６】
前記加工プロセスは、被加工物の加工面を水平にして加工容器内に保持するとともに、該加工容器内に水分子を吸着させた微粒子を収容して前記加工面上に位置させ、前記加工容器を水平面内で二次元的に加振することにより被加工物の加工面に微粒子を流動接触させ、微粒子と加工面界面での相互作用により鏡面加工を進行させるものである請求項１又は２記載の電子ビームアシストＥＥＭ法。
【請求項７】
前記被加工物がZERODUR(SCHOTT AG社の登録商標)である請求項１〜６何れかに記載の電子ビームアシストＥＥＭ法。
【請求項８】
前記電子ビームの加速電圧が１〜５００ｋＶである請求項１〜７何れかに記載の電子ビームアシストＥＥＭ法。
【請求項９】
前記電子ビームのパワー密度が１０〜１０００Ｗ／ｃｍ2である請求項８記載の電子ビームアシストＥＥＭ法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビームアシストＥＥＭ法に係わり、更に詳しくは多結晶あるいは微結晶の表面を有する被加工物を超精密に加工することが可能な電子ビームアシストＥＥＭ法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、微粒子を分散した加工液を被加工物の加工面に沿って流動させて、該微粒子を加工面上に略無荷重の状態で接触させ、その際の微粒子と加工面界面での相互作用（一種の化学結合）により、加工面原子を原子単位に近いオーダで除去して加工する、いわゆるＥＥＭ（Elastic Emission Machining）による超精密加工は、本発明者によって開発され既に知られている。このＥＥＭ法を用いて、シリコン単結晶からなるＸ線用楕円ミラーを最終仕上げ加工し、この２枚のＸ線用楕円ミラーを大型放射光施設（SPring-8）の１ｋｍビームラインに適用して、作り込みミラーによる２次元集光では世界最小サイズとなる９０ｎｍ×１８０ｎｍを既に達成している。現在では更なる小スポットへの絞り込みが可能となる加工精度が得られている。【０００３】
特許文献１には、微粒子を一様に分散した加工液中に浸漬させた被加工物の被研磨面に、回転弾性体を近接させて、この両者の間で前記加工液を流動させることにより前記被加工物の被研磨面を加工する構成の研磨装置において、前記被加工物を回転させる回転駆動機構と、この回転駆動機構の回転中心軸に対して直交する方向にこの回転駆動機構と前記回転弾性体との相対位置を変位させる送り機構とを備えている研磨装置が開示されている。ここで、弾性回転体としては、ポリウレタン製の球体又は円柱体を用いている。また、特許文献２には、同じ加工原理を用いて被加工物を安定に加工することができる加工装置が開示されている。【０００４】
また、特許文献３には、超純水を主体とした加工槽内に被加工物と高圧力ノズルとを所定の間隔を置いて配設し、被加工物の表面近傍に高圧力ノズルから噴射した超純水の高速剪断流を発生させるとともに、超純水の流れによって被加工物と化学的な反応性のある微粒子を被加工物表面に供給し、被加工物と化学結合した微粒子を高速剪断流にて取り除いて被加工物表面の原子を除去し、加工を進行させる加工方法も提案されている。【０００５】
ＥＥＭでは、粒径が１０ｎｍ〜１０μｍの微粒子を用い、微粒子と被加工物の表面原子とが化学的な相互作用によって結合すると、微粒子が結合した表面原子のバックボンドが弱くなり、被加工物表面から微粒子を取り除く際に該微粒子に結合した表面原子も一緒に除去される現象を利用した加工方法である。また、ＥＥＭでは、微粒子を被加工物の表面に沿って流動させるので、被加工物表面の微小突出部が選択的に除去され、それにより表面粗さ０．１ｎｍＲＭＳ（Root mean square）を達成することができるのである。ＥＥＭにおいて加工性能に大きな影響を及ぼす要因として、被加工物と微粒子の組合せ、被加工物の表面状態、微粒子の形状及び形態等が挙げられる。超精密に加工するには、被加工物の表面状態が均一であることが必要で、微粒子の特性もできるだけ均一であることが望ましい。【０００６】
しかし、シリコン単結晶等の均一材料は超精密に加工することができるものの、結晶質と非結晶質が微細化混在した材料等、表面状態が均一ではない被加工物のＥＥＭ加工では、却って表面粗さが１ｎｍＲＭＳ以上に粗くなることもある。例えば、ZERODUR(SCHOTT AG社の登録商標)は、広い温度範囲で極めて優れた形状安定性を有するため、様々な光学系の高精度なミラー用基材として使用されているが、ガラス−セラミック複合材料（以下、「ガラスセラミックス」という）の類に属し、非晶質（アモルファス）と結晶質の両方の組成を含んでいるので、この材料の加工に従来のＥＥＭをそのまま用いても結晶構造によって加工速度が異なるので、表面粗さ０．１ｎｍＲＭＳ以下を達成することは困難を極めるのである。
【特許文献１】特公平７−１６８７０号公報
【特許文献２】特許第３６３０９８７号公報
【特許文献３】特開２０００−１６７７７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、ガラスセラミックス材料であるZERODURを始め、加工プロセスによる加工速度が異なる少なくとも２種類の成分材料が微細化されて混在し、表面状態が均一ではない被加工物を、表面粗さが０．２〜０．０５ｎｍＲＭＳとなるように超精密に加工することが可能な電子ビームアシストＥＥＭ法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】
【０００８】
本発明者は、ZERODURの表面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察した際に、時間の経過につれて表面の結晶質が少なくなり、やがて全体が略均一な非晶質状態になることを確認し、この現象を積極的に利用すれば、ZERODURのような表面の結晶状態が不均一な材料でも電子ビーム照射後は、ＥＥＭによって超精密に加工できるとの知見に基づき、本発明を完成させるに至ったのである。【０００９】
つまり、本発明は、前述の課題解決のために、被加工物と化学的な反応性のある微粒子を加工面に沿って流動させて、該微粒子と加工面界面での化学的な相互作用により、該微粒子に化学結合した加工面原子を該微粒子と共に除去する加工プロセスからなるＥＥＭ法において、前記被加工物は、前記加工プロセスによる加工速度が異なる少なくとも２種類の成分材料が微細化されて混在したものであり、該被加工物の加工面に電子ビームを照射して、該加工面の表層部の加工速度が略均一になるように改質した後、前記加工プロセスによって超精密平滑化加工をすることを特徴とする電子ビームアシストＥＥＭ法を構成した（請求項１）。【００１０】
そして、前記被加工物は、それを構成する主成分材料の一つが結晶質、他の一つが非晶質であるガラスセラミックスであり、該被加工物の加工面に電子ビームを照射することにより、該加工面の表層部を均一に非晶質化し、その後の前記加工プロセスにより表面粗さが０．２〜０．０５ｎｍＲＭＳの加工面を得るのである（請求項２）。【００１１】
ここで、前記加工プロセスは、超純水中に微粒子を分散させた加工液を、被加工物の加工面に沿って高速に流動させて加工するものである（請求項３）。【００１２】
具体的には、超純水又は前記加工液中に浸漬した被加工物の加工面に対して、傾斜方向より前記加工液を加工ノズルから液中にて噴出させ、前記加工面近傍に沿って加工液の高速剪断流を発生させ、加工面原子と化学結合した微粒子を高速剪断流にて取り除いて加工面原子を除去し、加工を進行させてなるのである（請求項４）。【００１３】
あるいは、前記加工液中に被加工物と弾性回転体を配し、該被加工物の加工面に対して前記弾性回転体を一定荷重にて押圧しながら回転させることにより、該弾性回転体と加工面間に加工液を巻き込んで流動させ、該加工液の流動による流体動圧と荷重との釣り合いによって所定の間隔を維持しながら加工してなるのである（請求項５）。【００１４】
また、前記加工プロセスは、被加工物の加工面を水平にして加工容器内に保持するとともに、該加工容器内に水分子を吸着させた微粒子を収容して前記加工面上に位置させ、前記加工容器を水平面内で二次元的に加振することにより被加工物の加工面に微粒子を流動接触させ、微粒子と加工面界面での相互作用により鏡面加工を進行してなることも好ましい（請求項６）。【００１５】
特に、本発明に係る電子ビームアシストＥＥＭ法は、前記被加工物がZERODURであるとその効果は顕著である（請求項７）。【００１６】
前記電子ビームの加速電圧が１〜５００ｋＶであるとより好ましい（請求項８）。また、前記電子ビームのパワー密度が１０〜１０００Ｗ／ｃｍ2であるとより好ましい（請求項９）。
【発明の効果】
【００１７】
以上にしてなる本発明に係る発明の電子ビームアシストＥＥＭ法は、被加工物と化学的な反応性のある微粒子を加工面に沿って流動させて、該微粒子と加工面界面での化学的な相互作用により、該微粒子に化学結合した加工面原子を該微粒子と共に除去する加工プロセスからなるＥＥＭ法で加工する前に、前記加工プロセスによる加工速度が異なる少なくとも２種類の成分材料が微細化されて混在した被加工物の加工面に、電子ビームを照射して、該加工面の表層部の加工速度が略均一になるように改質することにより、その後の前記加工プロセスによって表面粗さ悪化させることなく超精密平滑化加工をすることができるのである。【００１８】
特に、熱膨張係数が殆ど零で形状安定性に優れたガラスセラミックスは、極端紫外線あるいはＸ線領域の光学系材料や超精密部品材料として優れた材料であるが、それを構成する主成分材料の一つが結晶質、他の一つが非晶質であり、それらが微細化混在した表面状態となっているため、そのままＥＥＭ法の加工プロセスを適用すると、結晶質部分と非晶質部分の加工速度が異なることから、表面粗さ０．１ｎｍＲＭＳ以下を達成することは難しいが、このような難加工性のガラスセラミックスでも、加工面に電子ビームを照射して該加工面の表層部を均一に非晶質化することにより、その後のＥＥＭ法の加工プロセスにより表面粗さが０．２〜０．０５ｎｍＲＭＳの加工面を得ることができるのである。【００１９】
ここで、微粒子を加工面に沿って流動させる具体的手段として、既に開発されている各種の方式を採用することができる。即ち、超純水中に微粒子を分散させた加工液を、被加工物の加工面に沿って高速に流動させて加工する方式として、請求項３のようなノズル型加工ヘッド方式のもの、請求項４のような回転球型加工ヘッド方式のものが使用でき、それぞれ要求される空間波長領域の加工精度に応じて使い分けることができる。また、請求項５のような振動型ＥＥＭでは、一度に大量の平板状の被加工物を鏡面加工することができる。【００２０】
特に、被加工物がZERODURであると、超精密な表面が要求されるＸ線用ミラーやＥＵＶＬ（極端紫外露光装置）用非球面ミラー等の超精密光学部品を作製することが可能である。ＥＵＶＬに用いる露光光学系は０．２ｎｍＲＭＳ以下、好ましくは０．１〜０．０５ｎｍＲＭＳといった極めて厳しい形状精度と表面粗さを広範囲な空間周波数領域に求められるが、本発明の加工方法によって達成可能である。尚、本発明は、ZERODUR以外のガラスセラミックスからなる熱膨張率が極めて低い光学材料の加工にも、微細な結晶質を電子ビーム照射によって非晶質化できれば、適用できるのである。【００２１】
本発明における電子ビームの加速電圧とパワー密度は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）において実用化されており、そのまま利用できるので実用的である。尚、電子ビームの照射条件によっては、逆にアモルファスが結晶化することもあるので、加速電圧が１〜５００ｋＶ、パワー密度が１０〜１０００Ｗ／ｃｍ2の範囲で、被加工物の特性に応じて最適な照射条件に設定する必要がある。被加工物の表面が均一に単結晶化すれば、ＥＥＭ加工による表面粗さは改善されることもあるが、実際には微結晶の緻密な集合となるので表面粗さを結晶粒径以上に改善することは困難であるとともに、一般的に結晶質よりも非晶質の方が加工速度が速いので好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
先ず、本発明の電子ビームアシストＥＥＭ法は、被加工物と化学的な反応性のある微粒子を加工面に沿って流動させて、該微粒子と加工面界面での化学的な相互作用により、該微粒子に化学結合した加工面原子を該微粒子と共に除去する加工プロセスからなるＥＥＭ法において、前記被加工物は、前記加工プロセスによる加工速度が異なる少なくとも２種類の成分材料が微細化されて混在したものであり、該被加工物の加工面に電子ビームを照射して、該加工面の表層部の加工速度が略均一になるように改質した後、前記加工プロセスによって超精密平滑化加工をすることが特徴である。このような被加工物の代表例としてZERODURがある。【００２３】
ZERODURは、独SCHOTT AG社の商品名（登録商標）であり、熱膨張率がゼロに近くて熱ショックに強い性質を有している。更に詳しくは、ZERODURは、室温での熱膨張率が極めて小さいとことが特徴であり、ガラス−セラミック複合材料の類に属し、非晶質（アモルファス）と結晶質の両方の組成を含んでいる。ZERODURは、製造工程中に特殊な温度サイクル処理を行ない、ガラス材料の約７５％を水晶結晶化させて製造したものであり、結晶は５０ｎｍ程の微小なサイズの上、非晶質と結晶質との屈折率の差が僅かなので、見た目には程々に透明であるが、微小結晶による光散乱が大きいので、透過光学部品用には不向きである。非晶質相の熱膨張率は正であるのに対し、結晶質の相の熱膨張率は、室温では負になり、ZERODUR中のこれら２相を平均化した全体の熱膨張率は、使用可能な温度範囲内で殆ど零になっている。表1にZERODURの物性を示す。【００２４】
【表１】
2007018117.tif 000002
@0014【００２５】
ここで、被加工物に照射する電子ビームの加速電圧は１〜５００ｋＶであることが好ましい。電子ビームの加速電圧が１ｋＶより低いと、結晶質の非晶質化が困難若しくは長時間の照射が必要となって効率が悪く、また加速電圧が５００ｋＶより高いと、高速電子によって被加工物の深層までダメージを与える恐れがあるとともに、電子ビーム照射装置が大型化して経済的でない。また、電子ビームのパワー密度が１０Ｗ／ｃｍ2より低いと、照射時間が長くなり過ぎ、１０００Ｗ／ｃｍ2より高いと、被加工物の表面にダメージを与える恐れがあるとともに、電子ビーム照射装置が大型化して経済的でない。従って、被加工物の特性に応じて結晶質を非晶質化するために最適な電子ビーム照射条件を、加速電圧が１〜５００ｋＶ、パワー密度が１０〜１０００Ｗ／ｃｍ2の範囲で設定する。電子ビームの物質への透過深さは、加速電圧と物質の密度から簡便的に計算できる。例えば、石英（密度２．６５ｇ／ｃｍ3）に対する透過深さは、電子ビームの加速電圧が１ｋＶで約２５ｎｍ、１０ｋＶで約１．２μｍ、１００ｋＶで約５５μｍである。本発明では、表層部のみの改質で良いので、電子ビームの加速電圧は１０〜１００ｋＶの範囲がより好ましい。尚、Ｓｉ単結晶の場合、密度が２．３３６ｇ／ｃｍ3であるので、同じ加速電圧であれば石英よりも電子の透過深さは若干深くなる。【００２６】
試料を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察するには、電子が透過できるように薄い試料を作製する必要がある。先ず、数ｍｍ角のZERODURのブロックをダイヤモンドカッターにより薄板状に切断し、更にヤスリで厚みを約２００μｍにする。それから超音波加工による打ち抜きにより直径約３ｍｍの円板を取り出す。この円板を小型の研磨装置で研磨して中央部の厚さを３０μｍ程度にし、中央部にイオンシンニングにより一部穴を開けて観察用試料を作製する。【００２７】
透過型電子顕微鏡による明視野観察条件は、加速電圧２００ｋＶ、試料の穴の淵部分を観察する。図1（ａ）は、スキャン開始直後のＴＥＭ像（２万倍）であり、図１（ｂ）は同じくスキャン開始直後のＴＥＭ像（５万倍）である。また、図２は、スキャン開始から約１分経過後のＴＥＭ像（２万倍）である。図１より、ZERODURには無数の白点が存在し、表面状態が一様でないことが分かる。図２より、電子ビームの照射によりZERODURの表面から白点が消え、一様な状態になっていることが分かる。尚、図１（ａ）及び図２において、左から右にかけて背景の色が濃くなっているのは、試料の厚さが左から右にかけて漸増しているからである。この図１における白点部分の電子回折パターンを図３（ａ）に示し、白点部分以外の部分の電子回折パターンを図３（ｂ）に示している。【００２８】
図３（ａ）の電子回折パターンでは明らかに結晶性を示すリングが観察され、白点部分は結晶質であることが分かった。一方、図３（ｂ）の電子回折パターンではアモルファスを示すハローが観察され、白点部分以外の黒い部分は非晶質であることが分かる。そして、図２の電子ビームを１分間照射した後のZERODURの表面状態は非晶質であることを確認している。また、図４は、電子ビーム径が６０ｎｍの場合の特性Ｘ線スペクトルである。ＳｉとＡｌに鋭いピークが観察され、これらがZERODURの主成分元素であることが分かる。その他にもＰ、Ｃａ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｋ等も観測されている。【００２９】
図３（ａ）の実測された電子回折パターンのリングの直径から、回折パターンを作る面間隔を算出し、データベースから最も一致するものを選ぶと、表２のようになる。【００３０】
【表２】
2007018117.tif 000003
@0015【００３１】
この中で、３．３９、１．８４、４．４７の面間隔に相当する回折パターンが非常に強い。この強度の強い回折パターンから求まる面間隔も含めて、表２中で*印のついた面間隔は、単斜晶ＳｉＯ2の場合に観察される面間隔に相当する。【００３２】
このように、透過型電子顕微鏡の観察用電子ビームをZERODURに照射し始めたときには、明らかに５０ｎｍ以内大きさの結晶質が無数に存在していたが、電子ビームを照射し続けると１分以内に結晶質は消えて非晶質に変化することが示された。このことから電子ビーム照射によってZERODURの少なくとも３０μｍ程度の表層部が均一に非晶質化することが実証された。尚、電子ビームの加速電圧によって、被加工物の内部に進入する電子の深さが変わり、加速電圧が小さいと極浅い表層部のみが非晶質化され、加速電圧が大きいと更に深くまで非晶質化される。その後に行うＥＥＭの加工によって除去する量に応じて非晶質化する表層部の厚さを必要最小限にすることが、被加工物の物性に及ぼす影響を最小に抑制する上で好ましい。【００３３】
本発明において対象とする被加工物は、それを構成する主成分材料の一つが結晶質、他の一つが非晶質であるガラスセラミックスであり、前述のZERODUR以外にもＵＬＥ(Corning社の登録商標)、CLEARCERAM-Z（株式会社オハラの登録商標）、KERALITE(Eurokera社の登録商標)等も同様に加工することが可能である。【００３４】
次に、前述の工程で電子ビームを照射して表面を均一に非晶質化した被加工物（ZERODUR）をＥＥＭによって微小な凹凸を除去する。ＥＥＭにおいて、被加工物の表面原子と化学的な反応性のある微粒子を加工面に沿って流動させる方法は幾つか開発されている。添付図面に示した実施形態に基づき、ＥＥＭによる具体的な加工方法を説明する。【００３５】
〔ノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ〕
先ず、ノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭを図５に基づいて説明する。加工ノズル１と被加工物２を加工槽内の超純水中に浸漬し、該加工ノズル１のスリット状の噴出口３を被加工物２の加工面４に対して平行に配するとともに、噴出方向を加工面４に対して傾斜させて配し、被加工物２の表面原子と化学的な反応性のある微粒子５を均一に分散させた加工液６を、前記加工ノズル１から液中にて噴出させ、前記加工面４近傍に沿って加工液６の高速剪断流を発生させ、加工面原子と化学結合した微粒子５を高速剪断流にて取り除いて加工面原子を除去し、加工を進行させる。そして、前記加工ノズル１を加工面４に対して相対的に走査し、予め計測した加工前のプロファイルから目的面プロファイルを差し引いて求めた加工量に応じて加工ノズル１の滞在時間等を調整して加工する。【００３６】
ここで、前記加工槽内の超純水中には、前記微粒子５が混合していても構わない。また、加工ノズル１から超純水のみを噴き出す場合、超純水の流れに合わせて別の供給口より加工液を供給してもよい。又は、予め加工槽内に超純水に微粒子を分散させた加工液を満たしておき、この加工液内に加工ノズル１から超純水を噴射し、同様に被加工物２の加工面４に沿った所定の剪断流を作ることも可能である。しかし、実際には加工ノズル１から加工液６を噴出することが最も加工効率が良い。【００３７】
また、ノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭでは、平均粒径が１０ｎｍ〜１０μｍの微粒子５を使用することができる。但し、微粒子の粒径が大きくなり過ぎると加工面４に微粒子５の接触による引っ掻き傷が生じるので、実用上は上限を数μｍ程度とし、また粒径が小さくなり過ぎると加工面４に付着した微粒子５を取り除くための剪断流を極端に速くする必要があるので、実用上は下限を０．１μｍ程度とすることが好ましい。【００３８】
ここで、表面粗さが若干粗くなることを犠牲にすれば、複数の微粒子の集合体である凝集微粒子を用いると、加工速度を数１００倍に高めることが可能である。加工速度が極端に速くなる理由は、凝集微粒子が非常に大きい表面積を有し、表面原子と結合する突起部が多数存在するからである。前記凝集微粒子としては、粒径が１〜１００ｎｍの微粒子が凝集して平均径が０．５〜５μｍの集合体となったものを用いる。具体的には、前記凝集微粒子は、粒子径が０．１μｍ以下、実際には数十ｎｍのＳｉＯ2微粒子を加熱により凝集させた集合体で、平均径が約２μｍのものである。そして、前記加工液中の凝集微粒子の濃度は３〜７vol％とすることが好ましい。【００３９】
そして、凝集微粒子を用いて高速加工した後、通常の微粒子を用いて仕上げ加工すれば、超精密な加工を短時間で行うことができる。尚、凝集微粒子を用いた高速加工から仕上げ加工へ変更するには、単に加工液を交換するだけで済むので簡単である。【００４０】
〔回転球型加工ヘッド方式ＥＥＭ〕
次に、回転球型加工ヘッド方式ＥＥＭを図６〜図８に基づいて説明する。微粒子を一様に分散した加工液を入れた加工槽内に、弾性回転体１１と被加工物１２とを配し、該被加工物１２の加工面１３に対して前記弾性回転体１１を一定荷重Ｆにて押圧しながら回転させることにより、該弾性回転体１１と加工面１３間に加工液を巻き込んで流動させ、該加工液の流動による流体動圧と荷重との釣り合いによって所定の間隔を維持しながら加工するのである。前記弾性回転体１１として、ポリウレタンからなる球体を用い、該弾性回転体１１を加工用モータ１４の回転軸１５の先端に設けている。そして、前記弾性回転体１１と被加工物１２とを３次元的に数値制御して走査する。【００４１】
ここで、前記弾性回転体１１を前記加工面１３へ一定荷重Ｆで押圧しながら一定方向に回転させると、図７及び図８に示したように、加工液は該弾性回転体１１と加工面１３間に巻き込まれ、それから該加工面１３に沿った方向に流れる局所的な加工液流が発生し、それにより前記弾性回転体１１と加工面１３との間に発生する流体動圧によって、該弾性回転体１１と加工面１３との間に１μｍ程度の隙間が維持され、そして加工液流に伴い加工液中の微粒子１６は前記加工面１３に接触しながら次々に該加工面１３と弾性回転体１１間を通過し、該加工面１３と微粒子１６との界面での化学的な相互作用により該加工面１３の加工を進行させるのである。【００４２】
また、広い面積の加工面１３を連続的に加工するには、前記被加工物１２と弾性回転体１１を相対的に走査することにより行える。また、前記弾性回転体１１として円柱状のものを用いることも可能である。【００４３】
尚、本実施形態の回転球型加工ヘッド方式ＥＥＭでは、前記弾性回転体１１と加工面１３との間に１μｍ程度の隙間が形成され、この隙間を維持することが非接触加工には重要である。そのため、ここで使用できる微粒子１６の粒径は、前述の隙間よりも十分に小さくなければならない。従って、ノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭで用いた凝集微粒子は粒径が大きく、また粒径の分散が大きいので使用できない。通常は、粒径が０．１μｍ程度の微粒子を用いて加工する。【００４４】
〔振動型ＥＥＭ〕
最後に、振動型ＥＥＭを図９〜図１１に基づいて説明する。この振動型ＥＥＭは、前述のノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭや回転球型加工ヘッド方式ＥＥＭが湿式であったのに対し、乾式である。但し、完全に乾式ではなく、加湿した微粒子を用いる。この振動型ＥＥＭ装置は、慣性質量の大きな定盤体３１を、床面に設置した設置板３２上に同心円上に配設した複数の振動吸収体３３，…にて浮遊状態で水平に支持し、前記定盤体３１に対して固定した駆動モータ３４による偏心回転により振動体３５を加振し、もって該振動体３５に上置して固定した加工容器Ｋを加振する構造である。そして、前記加工容器Ｋ内に被加工物Ｗの加工面を水平にして保持するとともに、該加工容器Ｋ内に水分子を吸着させた微粒子を収容して前記加工面上に位置させ、前記加工容器Ｋを加振することにより被加工物Ｗの加工面に微粒子を流動接触させ、微粒子と加工面界面での相互作用により鏡面加工を進行させるのである。【００４５】
更に詳しくは、振動型ＥＥＭ装置は、平面視円形のベース体３６の周囲にリング状のウエイト体３７を固定した定盤体３１を、該ウエイト体３７の直下を振動吸収体３３，…により支持して浮遊状態で水平に配置し、前記定盤体３１の重心を通る鉛直腺に中心を一致させて前記ベース体３６に軸受孔３８を貫通形成し、前記ベース体３６の下面中心部に駆動モータ３４を取付けてその駆動軸３９を前記軸受孔３８に回転可能に支持するとともに、前記駆動軸３９の周囲のベース体３６に該駆動軸３９と同一回転姿勢で複数の従動軸４０，…を回転可能に支持し、前記ベース体３６の上位に円板状の振動体３５を水平に配し、該振動体３５の重心位置を前記駆動軸３９の上端に延設した偏心駆動軸４１で回転可能に支持すると同時に、該振動体３５の周囲を前記従動軸４０，…の上端に延設した偏心従動軸４２，…で前記偏心駆動軸４１に同期して回転可能に支持した構造を有している。【００４６】
また、前記振動吸収体３３として空気バネを用い、該空気バネを設置板３２上に設けるとともに、該空気バネが作動しないときに前記定盤体３１を載支する支持棒４３，…を前記設置板３２に複数立設している。そして、前記空気バネ３３には、エアーポンプ４４から複数の圧力ホース４５，…でそれぞれ圧縮空気を供給し、前記定盤体３１を浮遊状態で支持するようになっている。【００４７】
そして、前記振動体３５を前記ベース体３６とリング状のウエイト体３７とで囲まれる空間内に配置するとともに、該振動体３５の上下位置を前記定盤体３１の重心近傍に設定すると、前記定盤体３１及び振動体３５の縦振動を抑制することができる。更に、前記振動体３５に対する前記定盤体３１の重量比を１００倍以上に設定し、定盤体３１の振動を抑制して振動体３５に予期しない振動を与えないようにすることができる。【００４８】
そして、前記駆動軸３９を回転させると、偏心駆動軸４１が偏心回転し、それに同調して全ての偏心従動軸４２，…が偏心回転することで、前記振動体３５を水平面内で揺動させるのである。従って、前記振動体３５の上面のどの位置に加工容器Ｋを装着しても同じ振動を付与することができる。前記駆動軸３９の回転数（振動体３５の振動周期）は、５００〜２０００ｒｐｍの範囲とすることが好ましい。また、微粒子は、被加工物の材質に応じて加工速度が異なるので、被加工物に応じて最適な表面物性を有するものを使用すべきである。例えば、被加工物がシリコンウエハである場合には、平均粒径が１μｍ〜１０μｍのＳｉＯ2やＺｒＯ2を用いることが好ましい。尚、前述の微粒子は、内部まで均一な物性を有するものでなくても、比較的粒度が揃い、入手が容易なＡｌ2Ｏ3やＧｅＯ2などの核となる微粒子の表面に目的の物性を有する材料をコーティングして作製したものでも良い。本実施形態の装置では、前記振動体３５の上面の垂直方向への振動は、１８００ｒｐｍの回転で最大振幅が１５μｍ以内となっている。【００４９】
ここで、水分子を吸着させた微粒子を調製するには、前記ＳｉＯ2の粉末を上面が解放した容器に入れ、それを密封容器内に超純水を入れて実現した飽和水蒸気中に１２〜２４時間曝し、ＳｉＯ2の粉末に水分子を吸着させた状態で使用する。加工中、前記加工容器Ｋは密閉し、ＳｉＯ2の粉末が乾燥しないようにしている。尚、乾燥したＳｉＯ2の粉末を用いると、Ｓｉウエハの表面は殆ど加工されないことが確認されている。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】ZERODURを透過型電子顕微鏡で明視野観察した結果を示し、（ａ）はスキャン開始直後の２万倍ＴＥＭ像、（ｂ）は同じくスキャン開始直後の５万倍ＴＥＭ像である。
【図２】ZERODURを透過型電子顕微鏡で明視野観察した結果を示し、スキャン開始から１分経過後の２万倍ＴＥＭ像である。
【図３】（ａ）は図１の白点部分の回折パターン、（ｂ）は図１の白点以外の回折パターンをそれぞれ示している。
【図４】ZERODURの特性Ｘ線スペクトルである。
【図５】（ａ）はノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭの概念図、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大断面説明図である。
【図６】回転球型加工ヘッド方式ＥＥＭの概念図である。
【図７】弾性回転体と被加工物の加工面との関係を示し、加工原理を説明するための簡略説明図である。
【図８】図７の部分拡大図である。
【図９】振動型ＥＥＭ装置の全体斜視図である。
【図１０】同じく要部の縦断面図である。
【図１１】振動体の軌跡を示す簡略平面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  加工ノズル          ２  被加工物
３  噴出口              ４  加工面
５  微粒子              ６  加工液
１１  弾性回転体        １２  被加工物
１３  加工面            １４  加工用モータ
１５  回転軸            １６  微粒子
３１  定盤体            ３２  設置板
３３  振動吸収体        ３４  駆動モータ
３５  振動体            ３６  ベース体
３７  ウエイト体        ３８  軸受孔
３９  駆動軸            ４０  従動軸
４１  偏心駆動軸        ４２  偏心従動軸
４３  支持棒            ４４  エアーポンプ
４５  圧力ホース
Ｋ  加工容器
Ｗ  被加工物
【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１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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