以下、最良形態として、気体として「水� ��気」、液滴として「純水」を例に採り、本� ��明を具体的に説明することとする。尚、本� ��良形態はあくまで最良的な例示に留まり、� ��発明の技術的範囲を何ら限定するものでは� ��い。

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� ��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。

 ここで、水蒸気を使用する理由は、比熱� ��高いことに加え、潜熱を利用することがで� ��、流体の圧力の変化に伴い液滴の持つ熱量� ��奪われるような状況下においても、温度が� ��とんど低下しない点で有利であるからであ� ��。水滴と気体が、流体混合部において混合� ��れた際に、水滴と気体の間で熱移動が起こ� ��たり、水滴と混合部や配管等の内壁との間� ��熱移動が起こったりする。また、ノズル部� ��加速され大気に放出される際に減圧膨張が� ��きる為、気体の温度が下がる。この際に、� ��滴の温度が低下するか否かは、気体の潜熱� ��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� ��混合した場合、気体の温度は低下し温度制� ��が困難となる。一方、気体が水蒸気である� ��合には、所定量の潜熱を有するため、比較� ��低温の水滴と混合した場合にも、配管の内� ��に熱を奪われた場合にも熱の移動により気� ��の温度が低下しにくくなり、温度の制御が� ��易になる傾向がある。しかし、水蒸気の潜� ��が充分でなければ、水蒸気の一部が液化す� ��ことに伴い液滴が生成し、これが処理対象� ��表面で発生する衝撃波に影響を及ぼすこと� ��なる。また、この混相流体が最終的にノズ� ��のノド部で加速されるとき、流体の運動エ� ��ルギーを得る為に、流体の温度が低下する� ��、水蒸気の持つ潜熱で、流体の温度が低下� ��ることを低減できる。

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� ��る。本装置100は、水蒸気供給部(A)、純水供� ��部(B)、水蒸気流体調整部(C)、混相流体照射� ��(D)、処理対象物保持・回転・上下機構部(E)� ��有する構成である。以下、各部を詳述する� ��

(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� ��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。

(B)純水供給部
 純水供給部(B)は、純水を供給するための水� ��給管121と、純水に熱エネルギーを持たせる� ��めの純水温度制御機構付加熱部122と、純水� ��供給の停止及び再開を司る純水開閉バルブ1 23と、純水の流量を確認するための純水流量� ��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� �ブ125と、から構成される。

(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� ��飽和水蒸気の湿り度を調整するための水蒸� ��流体温度制御機構付加熱部131を有している� ��

(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� ��体を照射するための、前後左右方向(図1のX� ��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� �移動を円滑に行うためのするためのフレキ� �ブル配管142と、混相流体のノズル直前の圧� �を計測するための圧力計143と、純水を蒸気� �管に円滑に導入しかつ混合部内での相変化� �最小化するための温度制御機能付混相流体� �液混合部144と、純水が気体配管内に円滑に� �入されるためのオリフィス145から構成され� �。ここで、ノズル141は、この混相流体を加� �する又は照射面積を広げるための役割を有� �るような形状を有するのが好ましい。例え� �、先細の形状や末広がり形状等が挙げられ� �。尚、温度制御機能付混相流体気液混合部14 4については、後で詳述する。

(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、� ��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� ��152と、ステージ151を上下方向に移動させる� ��とによりノズル141の出口と処理対象物との� ��離を調整可能な処理対象物上下駆動機構153� ��、処理対象物を冷却する冷却水を供給する� ��めの冷却水管154と、冷却水の供給を停止及� ��再開するための開閉可能な冷却水開閉バル� ��155と、冷却水の流量を調整するための冷却� ��流量調整バルブ156と、冷却水の流量を計測� ��るための冷却水流量計157と、から構成され� ��。

 以上で、本最良形態に係る対象物処理装� ��の全体構成を概説したので、次に、純水供� ��部(D)における温度制御機構付混相流体気液� ��合部144について詳述することとする。ここ� ��、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、� �記のような構造を採ることが好適である。

1)混合を安定にするために気体及び液体の各� ��体の方向が混合部で90度未満の角度を有す� �こと。
2)液体流体の配管径又は配管に装着されたオ� ��フィスが混合部で気体流体の流路の断面積� ��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� ��う制御する。より内壁の温度が、混合部内� ��圧力下においてその液体の飽和温度から大� ��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� �体の飽和温度に近づいてくるので、混相流� �状態が安定するまでの時間が気にならない� �途には、混合部の保温が十分に施されてい� �ことを条件下で、このヒーターによる加熱� �能を外すことができる。

 液滴と気体を混合した混相流体により対� ��物を処理する装置では、当該装置を起動し� ��時点では、流体混合部は常温である。そし� ��、当該部分と水蒸気の温度差がある場合に� ��、当該液体混合装置の内部に温度のムラが� ��き、これにより、一部の蒸気が水滴に相変� ��する等で混相流体の吐出圧力が不安定にな� ��、処理対象物表面上に一定の衝撃波を安定� ��て与えることが困難となるため、装置が安� ��して動作するまでに時間がかかる。即ち、� ��相流体調整部にヒーターを設置すると、流� ��混合部を、起動当初から、水蒸気の温度と� ��じ温度に設定することができ、混合部内で� ��気液相変化を起こりにくくして装置が、対� ��処理面に対して、安定した衝撃波を与える� ��とが出来るようになる。

キャビテーション制御の原理(気� �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� ��力、混相流体内の水混合流量、気体温度、� ��合される水の温度、ノズル形状、ノズル出� ��から対象物への距離、対象物の温度、ノズ� ��と対象物間の相対的移動時間を調整するこ� ��により、液滴の温度、液滴の流速、液滴の� ��きさ、液滴の数、処理対象物表面の温度、� ��位時間当たりの混相流体照射面積を制御す� ��機能を有する。これら気泡崩壊関連パラメ� ��タのうち、特に液滴の流速、温度、液滴密� ��が重要である。これらのパラメータを制御� ��ることにより、処理対象物表面上で、液滴� ��よるジェットや気泡崩壊による衝撃波、前� ��衝撃波による連鎖反応の衝撃力を得ること� ��でき、ピーニング等において効果的な処理� ��行うことが出来る。流速は液滴が衝突時の� ��滴内の気泡の崩壊による衝撃波の発生に寄� ��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� ��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� ��度低下や温度低下をもたらして衝撃波発生� ��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� ��当たりの総ての液滴数を示すが、高速で移� ��するμオーダーの微小液滴を正確に測定す� �測定器は未だ開発されていないため、混相� �体に導入された純水量で代用するものとす� �。

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� ��を対象物又は測定用サンプルに照射した上� ��、当該条件でどの程度のキャビテーション� ��発生しているかを測定するための測定手段� ��備えている。ここで、現在の技術では、キ� ��ビテーション(衝撃波)の大きさ(キャビテー� ��ョンのマグニチュード)と密度(単位面積・� �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� ��る。したがって、本システムでは、あらか� ��めの実験でキャビテーションの発生に関与� ��るパラメータを変化させて、プロセス処理� ��行い、その結果得られた以下のデータから� ��ャビテーションの大きさを判断する手法を� ��用している。

(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� �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� �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� �程の映像データ

 例えば、混相流体温度とそれが照射され� ��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� �み上げた多くのデータにより確認されてい� �。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。

 尚、従来技術(例えば特許文献1)において� ��、装置的には本最良形態と大きくは相違し� ��い構成を採る。しかしながら、従来技術に� ��いては、対象物の処理に際し「衝撃波」と� ��う物理力には全く着目しておらず、したが� ��て、対象物上で衝撃波を発生させる・発生� ��せないといったコントロールが全く行われ� ��いなかった。そして、従来技術における条� ��下では、「キャビテーション」は、専ら先� ��が先細りテーパー状となったノズル内で発� ��し、当該発生した衝撃波は、極めて短命で� ��り対象物に到達する前に消滅する。具体的� ��は、ノズル内を流れる混相流体はノズル先� ��部に差し掛かると流速を上げる。そして、� ��該流速が上がったことに起因して減圧状態� ��なる結果、液体がキャビテーション現象を� ��こして衝撃波が発生する。加藤洋治著、槇� ��店出版の「キャビテーション」によると、� ��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� ��ズル出口までの間で気泡崩壊現象は消滅し� ��しまう。また、ノズル出口で気泡崩壊が発� ��したとしても、対象物距離を1.2mm以下に設� �するのは機構的に困難である。他方、本発� �においては、ノズルは混相流体を加速する� �照射面積を広げる機能が中心である。そし� �、キャビテーションの発生に関連した気泡� �壊関連パラメータは、対象物上でのキャビ� �ーションに着目している限りにおいては、� �本的にどこで調整してもよく、例えば、ノ� �ル手前の流体配管の任意の個所の流体混合� �で行ってもよい。具体的には、図1のαで示� �矢印の範囲内(蒸気発生器からノズル出口ま� ��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 。

(イ)液滴の温度
 当該衝撃波は、液滴が処理対象物表面に衝� ��した際に生じるキャビテーションとキャビ� ��ーションの崩壊により発生するものが主で� ��ると考えられる。キャビテーションは、水� ��の液体の一部に低圧部分が発生した際に生� ��る空洞であり、気体および液体の温度が高� ��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� ��内での気泡が発生しやすくなり、それに伴� ��、処理対象物表面上では大きなエネルギー� ��衝撃波の基になる気泡崩壊が多く発生し、� ��えば、当該処理方法をピーニング加工に用� ��る場合には、比較的強く衝撃をあたえるこ� ��ができる。一方、混相流体や水滴の温度を� ��く設定すれば、それに伴い、処理対象物表� ��上では衝撃波の発生が抑えられ、比較的強� ��の弱い対象物のピーニングを行うことがで� ��る。但し、対象物の耐熱性による制限等で� ��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� ��なると液滴内の気体成分が抜けてしまい気� ��核が発生し難くなることが予想されるが、� ��ズル出口から対象物の距離が2~30mmくらいの� ��離では無視できるものとする。

(ロ)液滴の流速
 液滴の流速は、高ければ高いほど処理対象� ��表面に液滴が衝突した際に変形する度合い� ��大きくなるため、内部圧力差が発生しやす� ��なり、結果として気泡崩壊が生じキャビテ� ��ションが発生しやすくなる。即ち、液滴の� ��速を高く設定すれば、それに伴い、処理対� ��物表面上では大きなエネルギーの衝撃波が� ��生し、例えば、当該処理方法をピーニング� ��工に用いる場合には、比較的強く衝撃波を� ��えることができる。一方、液滴の流速を低� ��設定すれば、それに伴い、処理対象物表面� ��では衝撃波の発生が抑えられ、比較的強度� ��弱い対象物のピーニングを行うことができ� ��。

(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� ��的でノド部を絞ったもの、流体の加速より� ��照射面積を広げることを目的としたもの、� ��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� ��れるものを使い分けることが好適である。� ��のノズルの種類により流体の流速が変わり� ��撃波の大きさも変わる。原則として、流速� ��大きなノズルを使うと衝撃波を得やすくな� ��。次に、ノズル出口から対象物への距離に� ��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� �までの距離を縮めていけば同様にピーニン� �性能が向上するが、最適距離が存在し近づ� �すぎると性能が低下する。逆にピーニング� �能を抑えたい場合は最適距離から遠ざけて� �けばよい。