DE69727606T2

DE69727606T2 - Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Mikrostruktur aus zweidimensionalen Mikrostrukturen

Info

Publication number: DE69727606T2
Application number: DE1997627606
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Chiba-shi Muramatsu
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1996-03-07
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2017-03-07
Also published as: EP0794562B1; DE69727606D1; US5976390A; JP2796622B2; JPH09239570A; EP0794562A2; EP0794562A3

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Mikrobearbeitungsverfahren zum Herstellen einer winzigen dreidimensionalen Struktur.
Von einem sogenannten Mikrobearbeitungsverfahren zum Herstellen winziger Maschinen unter Verwendung einer Mikrobearbeitungstechnologie wird erwartet, daß es in verschiedenen Gebieten eingesetzt wird. Als heutige Mikrobearbeitungstechnologie wird hauptsächlich ein Verfahren verwendet, bei dem eine zweidimensionale Photolitographietechnologie und eine anisotrope Ätztechnologie kombiniert werden, um eine winzige Struktur zu bilden mit mehreren Mikrometern bis mehreren Millimetern. Zusätzlich ist eine Technologie verfügbar, bei welcher ein Werkstück geschnitten wird unter Verwendung eines Laserstrahls, um eine zweidimensionale Struktur zu bilden. Weiterhin ist ein Verbindungsverfahren bekannt, mittels welchem Siliziumsubstrate miteinander verbunden werden oder ein Siliziumsubstrat mit einem Glassubstrat usw. verbunden wird, und welches durchgeführt werden kann unter Verwendung einer anodischen Verbindungstechnologie.
Die Beschränkung bei der zweidimensionalen Mikrobearbeitungstechnologie besteht darin, daß selbst dann, wenn eine dreidimensionale Struktur ausgebildet wird durch Kombinieren einer Vielzahl von Teilen, die dreidimensionale Höhe der Struktur beschränkt ist durch die Dicke des ursprünglichen Substrats. Diese Beschränkung stellt ein enormes Hindernis dar beim Herstellen einer beweglichen Struktur, eines dreidimensionalen Sensors usw.
Weiterhin weist der Stand der Technik den Nachteil auf, daß es schwierig ist, eine Mehrfachlagenstruktur herzustellen. Für den Aufbau der Mehrfachlagenstruktur ist ein Verbindungsverfahren für Substrate verfügbar. Jedoch erfordert das Verbinden der Substrate ein Erwärmen oder andere Bearbeitung, so daß die Verbindungsstärke und die Haltbarkeit, welche abhängig sind vom Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem Zustand der verbundenen Oberfläche, variieren können. Weiterhin gilt, da eine verbundene Oberfläche mit einem bestimmten Bereich erforderlich ist, daß die Fläche der verbundenen Oberfläche auf dem Substrat groß sein muß im Vergleich zum Funktionsbereich. Weiterhin ist die Verbindungstechnologie nicht geeignet zum Zusammenfügen einer komplizierten Struktur.
Weiterhin ist aus DE 29 18 100 A ein Verfahren bekannt zum Herstellen einer dreidimensionalen Mikrostruktur aus einer einzelnen zweidimensionalen Mikrostruktur, wobei dieses Verfahren einen Schritt des plastischen Verformens der zweidimensionalen Mikrostruktur umfaßt durch Erwärmen eines begrenzten kragarmähnlichen Teils der zweidimensionalen Mikrostruktur durch Einstrahlen von Laserlicht auf einen Teil der Kragarmstruktur und daraus resultierend ein Biegen der Kragarmstruktur um einen vorbestimmten Winkel, um eine genaue Anpassung des vorbestimmten Winkels zu erzielen. Jedoch bezieht sich die DE 29 18 100 A nicht auf das Bereitstellen einer komplizierten dreidimensionalen Struktur.
Dementsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen zum Herstellen einer dreidimensionalen Mikrostruktur aus zweidimensionalen Mikrostrukturen und ein Verfahren bereitzustellen zum Herstellen einer dreidimensionalen Mikrostruktur, bei dem es möglich ist, winzige Strukturen miteinander zu verbinden.
Dieses Ziel wird erreicht durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Kurze Figurenbeschreibung
Es zeigen:
1(a) und 1(b) Ansichten zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Biegen einer Kragarmstruktur in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
2(a) und 2(b) Ansichten zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Biegen einer winzigen Struktur in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
3(a) und 3(b) Ansichten zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Bearbeiten der Spitze einer winzigen Struktur in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
4(a) bis 4(d) Ansichten zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Zusammenfügen eines Silizium-IC-Substrats und eines Kristalloszillatorsubstrats in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
5(a) bis 5(c) Ansichten zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Herstellen eines membranartigen Druckwandlers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
6 eine Ansicht zum Veranschaulichen der Konfiguration eines winzigen mobilen Mechanismus und eines Bearbeitungsverfahrens für denselben in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
7(a) bis 7(c) Ansichten zum Veranschaulichen der Betriebsweise eines winzigen mobilen Mechanismus in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
8(a) und 8(b) schematische Ansichten zum Zeigen eines Verfahrens zum Herstellen eines dreidimensionalen Beschleunigungssensors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
9(a) und 9(b) schematische Ansichten zum Zeigen der Konfiguration eines winzigen elektrostatischen Motors und eines Arbeitsverfahrens desselben in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
10 eine schematische Ansicht, die eine Wellenleitersonde zeigt zum Bearbeiten einer winzigen Region, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
11 eine schematische Ansicht, die eine Antriebsvorrichtung für eine Wellenleitersonde zum Bearbeiten einer winzigen Region zeigt, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Um die oben genannten Probleme beim Herstellen einer solchen dreidimensionalen winzigen Struktur zu lösen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine plastische Verformung herbeigeführt durch Erwärmen einer winzigen Struktur unter Verwendung von Erwärmungsmitteln, um eine dreidimensionale Struktur zu bilden. Weiterhin kann durch solch ein Verfahren eine winzige Struktur erhalten werden, die gebildet ist aus einer dreidimensionalen Struktur mit einem plastisch verformten Bereich einer winzigen Struktur mit Thermoplastizität. Weiterhin können durch Zusammenfügen einer Vielzahl von winzigen Strukturen durch den plastisch deformierten Bereich kompliziertere mikrobearbeitete Strukturen erhalten werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch das Bearbeiten einer winzigen Struktur eine plastische Verformung erzeugt durch eine lokale Erwärmung unter Verwendung von Erwärmungsmitteln, um eine dreidimensionale Struktur zu bilden.
Die zuvor genannte winzige Stuktur kann leicht ausgebildet werden durch Anwenden von Photolithographie und anisotropen Ätztechnologien auf ein monokristallines Substrat.
Für die zuvor erläuterten Erwärmungsmittel ist eine Erwärmung durch die Absorption der Energie elektromagnetischer Wellen effizient, welche erzeugt wird durch die Einstrahlung elektromagnetischer Wellen. Weiterhin kann ein Laserstrahl leicht als elektromagnetische Welle verwendet werden.
Weiterhin hat die zuvor erläuterte winzige Struktur einen kragarmähnlichen Aufbau an einem Teil hiervon, und durch Erwärmen eines Teils der kragarmähnlichen Struktur wird der Kragarm verbogen, wodurch eine dreidimensionale Struktur gebildet werden kann.
Alternativ dazu ist die zuvor genannte winzige Struktur ausgelegt, um dünne Verbindungsbereiche im Innern hiervon aufzuweisen, und durch Erwärmen der Verbindungsbereiche kann eine dreidimensionale Struktur geformt werden, bei der die Verbindungsbereiche eine Falte darstellen.
Weiterhin hat die zuvor genannte winzige Struktur eine kragarmähnliche Struktur an einem Teil hiervon, und durch Erwärmen der Spitze der kragarmähnlichen Struktur wird die Spitze geschmolzen, wodurch die Spitze des Kragarms so geformt werden kann, daß der Durchmesser hiervon größer ist als vor dem Schmelzen.
Weiterhin wird ein Kragarm einer ersten winzigen Struktur mit einer kragarmähnlichen Struktur in eine Durchbohrung in einer zweiten winzigen Struktur, die die Durchbohrung aufweist, eingeschoben, und die Spitze des Kragarms, welche durch das Loch hindurchgeführt worden ist, wird erwärmt mittels Erwärmungsmitteln, um eine plastische Verformung herbeizuführen, wodurch die ersten und zweiten winzigen Strukturen miteinander verbunden werden können.
Der Umfang des Werkstücks ist bevorzugterweise geschützt durch ein Material, um elektromagnetische Wellen abzuschirmen. Ein metallischer Dünnfilm ist geeignet als Material zum Abschirmen elektromagnetischer Wellen.
Die elektromagnetische Welle wird mittels eines Wellenleiters geführt, und die lokale Erwärmung kann durchgeführt werden durch die Einstrahlung einer elektromagnetischen Welle von der Stirnseite des Wellenleiters.
Es ist auch zu bevorzugen, daß das Ende des Wellenleiters angespitzt ist und bedeckt ist durch ein Material zum Abschirmen elektromagnetischer Wellen, so daß eine schmale Öffnung ausgebildet ist an einer Endstirnfläche der Spitze.
Die Bearbeitung wird durchgeführt, wenn die Spitze des Wellenleiters in Kontakt steht mit der Oberfläche des Werkstücks mittels einer schwachen Kraft durch Erfassen einer elastischen Verschiebung der Spitze des Wellenleiters, die einen elastischen Bereich aufweist, und durch Ausführen einer Kontrolle, so daß die Spitze des Wellenleiters sich an einer vorbestimmten Position befindet, wodurch eine genauere Bearbeitung und eine Bearbeitung mit größerer Reichweite durchgeführt werden können.
Durch das zuvor erläuterte Bearbeitungsverfahren kann eine mikrobearbeitete Struktur erhalten werden, die aus einer dreidimensionalen Struktur gebildet ist mit einem plastisch verformten Bereich, der ausgebildet worden ist durch lokale Erwärmung einer winzigen Struktur mit Thermoplastizität.
Die zuvor erläuterte winzige Struktur kann ausgebildet werden durch Photolithographie und anisotrope Ätztechnologien, die auf ein monokristallines Substrat angewendet werden.
Silizium oder Kristall sind geeignet als das oben erläuterte monokristalline Substrat.
Selbst eine komplizierte Struktur, welche eine erste winzige Struktur umfaßt mit einer kragarmähnlichen Struktur und eine zweite Struktur, die eine Durchbohrung aufweist, können leicht realisiert werden durch Einführen des Kragarms der ersten winzigen Struktur in die Durchbohrung der zweiten winzigen Struktur und durch Zusammenfügen der ersten winzigen Struktur und der zweiten winzigen Struktur durch einen plastisch verformten Bereich, der ausgebildet worden ist durch Erwärmen der Spitze des Kragarms, die durch das Loch hindurchgeführt worden ist, um eine dreidimensionale Struktur zu ergeben.
1 zeigt ein Beispiel für ein Mikrobearbeitungsverfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Wird ein Laserstrahl 5, der von einem Kohlendioxidlaser 3 erzeugt wird, durch ein optisches System, wie zum Beispiel eine Linse 4, gebündelt, und wird er auf einen Teil eines Kragarms 2 eingestrahlt, der auf einem monokristallinen Siliziumsubstrat 1 ausgebildet ist durch Photolithographie und anisotrope Ätztechnologien, so wird Wärme erzeugt durch Absorbieren der optischen Energie in dem durch den Laserstrahl 5 bestrahlten Bereich. Diese Wärme schmilzt einen Teil des Siliziums auf der Seite, auf welche der Laserstrahl 5 eingestrahlt wird, so daß die Oberflächenspannung dieses geschmolzenen Bereichs den Kragarm 2 zu der Seite biegen kann, auf welche der Laserstrahl 5 eingestrahlt wird. Daraufhin wird eine Verformung gemäß 1(a) bis 1(b) durch diese Bearbeitung erzielt.
Durch Einstellen des Winkels, unter welchem der Laserstrahl 5 eingestrahlt wird auf einen Winkel, der größer ist als die Senkrechte, die von der Spitze des Kragarms hin zu dem zu biegenden Kragarm 2 gezogen ist, kann der Biegewinkel größer als 90° gemacht werden. Weiterhin kann durch Vergrößern des Strahldurchmessers des Laserstrahls 5 die Krümmung des gebogenen Bereichs vergrößert werden und umgekehrt kann durch Verringern des Strahldurchmessers die Krümmung verringert werden.
2 zeigt ein Biegeverfahren zum Ändern der Gesamtheit einer winzigen Struktur. In 2 werden die Verbindungsbereiche 7 erweicht durch wiederholtes Einstrahlen des Laserstrahls 5 eines Kohlendioxidlasers 3 auf Verbindungsbereiche 7 eines monokristallinen Siliziumsubstrats 6 mit Verbindungsbereichen 7, die in dieser Struktur teilweise fein ausgebildet sind. Dadurch kann der Winkel in der Richtung der Schwerkraft oder einer einwirkenden Kraft geändert werden. Somit wird die in der 2(a) bis 2(b) gezeigte Verformung durch dieses Arbeitsverfahren bewirkt.
Bei diesem Bearbeitungsverfahren ist die Kontrolle der Position und des Durchmessers des Laserstrahls 5 für die Bearbeitung wichtig. Da die Energieabsorption in einem nicht bedeckten Bereich selektiv auftritt, gilt weiterhin, daß durch vorhergehendes Bedecken des Umfangs des zu bearbeitenden Bereichs mit einem metallischen Material wie zum Beispiel Gold zum Abschirmen der elektromagnetischen Welle, die Bearbeitungsgenauigkeit vergrößert werden kann.
3 zeigt ein weiteres Beispiel eines Mikrobearbeitungsverfahrens in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Diese Figur zeigt, daß durch Erwärmen einer Spitze 9 eines Kragarms 8, der, wie in 1 gezeigt, gebogen worden ist, die Spitze 9 auf Grund ihrer Oberflächenspannung in eine kugelförmige Gestalt geschmolzen und verformt wird, wodurch der Durchmesser der Spitze 9 des Kragarms 8 größer gemacht werden kann als vor dem Schmelzen.
Durch Kombinieren der in 1 und 3 gezeigten Arbeitsverfahren kann der Zusammenbau einer winzigen Struktur durchgeführt werden.
4 zeigt ein Verfahren, bei dem ein Siliziumsubstrat 10, welches einen Kristallschwingkreis usw. umfaßt, ausgebildet wird in einen Aufbau in der Form eines Kragarms 11, und kombiniert wird mit einem Kristallsubstrat 12, welches einen Kristalloszillator 13 vom Stimmgabeltyp umfaßt und Durchbohrungen 14 am Umfang hiervon aufweist.
Als erstes werden auf dem Siliziumsubstrat 10, welches einen Aufbau in der Form eines in 4(a) gezeigten Kragarms aufweist, die Kragarme 11, wie in 4(b) gezeigt, mittels des in 1 gezeigten Arbeitsverfahrens gebogen. Die zwei gebogenen Kragarme 11 werden in die Durchbohrungen 14 eingeführt, die zuvor in Kristallsubstrat 10 ausgebildet worden sind, wie in 4(c) gezeigt, und die durch die Löcher hindurchgeschobenen Spitzen 15 werden erwärmt. Die erwärmte Spitze 15 wird dicker gemacht und zur selben Zeit kürzer, so daß das Kristallsubstrat 12 auf dem Siliziumsubstrat 10 ohne Toleranzspiel befestigt werden kann, wie in 4(d) gezeigt.
Bei diesem Verfahren kann die elektrische Verbindung des Elektrodenmusters zwischen dem Siliziumsubstrat 10 und dem Kristallsubstrat 12 leicht durch einen Drahtanschluß herbeigeführt werden. Weiterhin kann durch Übereinanderschichten von Siliziumsubstrat in ähnlicher Weise ein Mehrlagen-IC ausgebildet werden. Dieses Zusammenfügen kann mittels zweier Verfahren durchgeführt werden: Ein Verfahren, bei dem ein Zusammenfügen durchgeführt wird nach dem Trennen in Einzelteile, und ein Verfahren, bei welchem ein Zusammenfügen durchgeführt wird für eine Wafereinheit und dann ein Schneiden in einzelne Chips durchgeführt wird.
Als weiteres Beispiel zum Zusammenfügen zeigt 5 ein Verfahren zum Herstellen eines Druckwandlers 20, welcher eine Membran verwendet.
Zunächst werden auf einem Siliziumsubstrat 22, welches Elektroden 21 in der Mitte hiervon aufweist und ausgebildet ist mit vier Kragarmen 23, wie in 5(b) gezeigt, die Kragarme 23 mittels des in 1 gezeigten Verfahrens gebogen. Als nächstes werden Durchbohrungen 27 in einem Siliziumsubstrat 24 ausgebildet, welches eine Membran 26 aufweist, die mit einer Elektrode 25 versehen ist. Die Kragarme 23 werden in die Durchbohrungen 27 eingeführt, und die Spitzen der Kragarme 23, die durch die Löcher hindurchgeführt worden sind, werden erwärmt, wodurch das Siliziumsubstrat 22 und das Siliziumsubstrat 24 zusammengefügt werden können.
So kann der Druckwandler 20 vom Membrantyp zusammengebaut werden. Durch Verwenden eines hochmolekularen Klebers niedriger Viskosität zwischen den Substraten kann die Luftdichtigkeit zwischen den Substraten verbessert werden.
Als nächstes wird ein typischer Aufbau eines winzigen mobilen Mechanismus 30, bei dem die Bearbeitungstechnologie in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, erläutert. 6 zeigt, daß acht Durchbohrungen 33 ausgebildet sind in einem Z-Platten Kristallsubstrat 31, welches ausgebildet ist mit zwei kammzahnförmigen Verschiebungsmechanismen 32. Zwei Kragarme 36 sind ausgebildet auf einem Z-Platten Kristallsubstrat 34, welches ausgebildet ist mit einem kammzahnförmigen Verschiebungsmechanismus 35. Obwohl nur ein Z-Platten Kristallsubstrat 34 aus Gründen der Einfachheit in der Figur gezeichnet ist, wird, nachdem ein jeder Kragarm 36 von vier Z-Platten Kristallsubstraten 34 in ein jedes der acht Durchbohrungen 33 eingeschoben worden ist, die Spitze eines Kragarms 36, welche durch ein Loch eingeführt worden ist, erwärmt und unter Verwendung des in 3 gezeigten Verfahrens verformt. Somit wird eine dreidimensionale Struktur geformt, bei welcher vier Z-Platten Kristallsubstrate 34 mit einem Z-Platten Kristallsubstrat 31 mittels eines verformten Bereichs zusammengefügt sind. In den kammzahnförmigen Verschiebungsmechanismen 32 und 35 sind Elektroden individuell auf vier Stirnflächen eines in 6 durch Streifen gezeigten Kristallstabes ausgebildet, so daß eine Verschiebung einer Kristallplatte in X-Kristallachsenrichtung erzielt werden kann durch Anlegen einer Spannung.
7 ist eine Ansicht zum Veranschaulichen der Bedienweise eines auf diese An hergestellten winzigen mobilen Mechanismus 30. In 7(a) wird ein Z-Platten Kristallsubstrat 31, welches eine obere Basis darstellt, durch vier Z-Platten Kristallsubstrate 34 gestützt, die Beine darstellen. Durch Ausdehnen/Zusammenziehen des auf einem jeden Z-Platten Kristallsubstrat 34 gebildeten kammzahngeformten Verschiebungsmechanismus in Pfeilrichtung wird der mobile Bereich des winzigen mobilen Mechanismus 30 bereitgestellt. In 7(b) wird der Körper durch Ausdehnen von zwei Beinen in der Mitte und Zusammenziehen von zwei Beinen am Ende durch zwei Beine in der Mitte gestützt, und eine Seite des oberen Verschiebungsmechanismus wird ausgedehnt und die andere Seite hiervon wird zusammengezogen. Als nächstes wird in 7(c) durch Ausdehnen zweier Beine an den Enden und Zusammenziehen zweier Beine in der Mitte der Körper gestützt durch zwei Beine an den Enden, und die Ausdehnung und das Zusammenziehen des oberen Verschiebungsmechanismus wird umgekehrt. Durch Wiederholen der in 7(b) und 7(c) gezeigten Arbeitsweise kann der mobile Mechanismus 30 in der in 7(c) durch einen Pfeil markierten Richtung bewegt werden.
8 zeigt einen typischen Aufbau eines dreidimensionalen Beschleunigungssensors 40, bei welchem die Bearbeitungstechnologie in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird. In 8(a) wird eine Z-Platten Kristallplatte 41 mit drei Beschleunigungssensoren 42, 43 und 44 in einer Ebene ausgebildet. Ein jeder Beschleunigungssensor umfaßt ein Gewicht 45, einen Sensorbereich 46, der eine Elektrode an jedem der vier Stirnflächen aufweist, und Elektrodenanschlüsse 47 zum Erfassen einer elektrischen Ladung, die im Sensorbereich 46 durch Ablenkung erzeugt worden ist, so daß eine elektrische Ladung erzeugt wird als Antwort auf die Verschiebung des Kristalls in der X-Kristallachsenrichtung. Bei dieser in einer Ebene ausgebildeten Kristallplatte wird ein Sensorbereich 42 in vertikaler Richtung gebogen, wobei der mittige Sensorbereich 43 als Referenz dient, und ein weiterer Sensorbereich 44 wird um 90° in der horizontalen Richtung gebogen, wie in 8(b) gezeigt, wodurch ein dreidimensionaler Beschleunigungssensor 40 hergestellt werden kann. Dieser dreidimensionale Beschleunigungssensor 40 kann auch angebracht werden auf einem Siliziumsubstrat, welches ausgebildet ist mit einer Treiberschaltung gemäß dem bei der oben bereits beschriebenen Ausführungsform verwendeten Arbeitsverfahren. Zum Verdrahten eines jeden Beschleunigungssensors kann ebenfalls ein Verfahren verwendet werden, bei dem, nachdem Drähte in einer Ebene durch ein Drahtbondingverfahren angeschlossen worden sind, eine Biegeoperation durchgeführt wird.
9 zeigt einen typischen Aufbau eines elektrostatischen Motors 50, bei welchem das Bearbeitungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Wie in 9(a) gezeigt, umfaßt der elektrostatische Motor einen Läufer 51, ein oberes Lager 52 und ein unteres Lager 54. Der Läufer 51 wird hergestellt durch Schmelzschweißen einer Kapillare aus einem Glas mit niedrigem Schmelzpunkt in der Mitte einer Quarzfaser mit einem Durchmesser von ungefähr 60 Mikrometer, und eine Elektrode 53 wird abgeschieden auf einer Seitenfläche, um elektrische Ladungen nur auf eine Seite des Läufers 51 zu geben.
Das obere Lager 52, welches aus einem Kristallsubstrat besteht, ist ausgebildet mit vier Durchbohrungen 56, um Säulen 55 auf dem unteren Lagersubstrat 54 dadurch hindurchtreten zu lassen, und ist auch ausgebildet mit einem Loch, um den Läufer 51 in der Mitte hiervon durchtreten zu lassen. Das Loch in der Mitte ist ausgebildet mit einer Elektrode 57 in einem Teil, welcher durch Schraffur gekennzeichnet ist, um eine elektrische Verbindung mit dem Läufer 51 bereitzustellen.
Das untere Lagersubstrat 54, welches ebenfalls aus einem Kristallsubstrat besteht, ist mit einem Loch ausgebildet, damit der Läufer 51 in der Mitte hiervon hindurchtritt, und ist auch mit acht Säulen 55 versehen, welche mit Elektroden ausgebildet sind, um den Läufer 51 zu drehen, und zwar mittels der Biegetechnologie in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Von diesen Säulen sind vier Säulen lang, und vier Säulen sind kurz. Die kurzen Säulen stützen das obere Lagersubstrat 52. Die langen Säulen treten durch das obere Lagersubstrat 52 hindurch, und die Spitzen der Säulen, die durch das obere Lager hindurchgetreten sind, werden geschmolzen, um das obere und untere Lager zusammenzufügen. Für die Welle des Läufers 51 werden beide Enden geschmolzen, so daß der Läufer gedreht werden kann.
9(b) ist ein Querschnitt des so zusammengebauten elektrostatischen Motors. Positive oder negative elektrische Ladungen werden auf den Läufer 51 gegeben, und die auf die Säulen 55 gegebenen elektrischen Ladungen werden nacheinander geändert, wodurch der Läufer gedreht werden kann. Der so gebildete elektrostatische Motor kann eine größere Länge in axialer Richtung aufweisen als ein elektrostatischer Motor, bei dem die Läuferlänge ausgebildet wird durch Ätzen eines herkömmlichen Substrats, so daß ein höheres Drehmoment erreicht werden kann.
Wie oben beschrieben, wird ein winziger Aufbau, der ausgebildet wird durch Anwenden von Photolithographie und anisotropen Ätztechnologien auf ein monokristallines Substrat, lokal erwärmt mittels Erwärmungsmitteln, um eine plastische Verformung zu erzielen, wodurch eine dreidimensionale Struktur gebildet werden kann. Die zu bearbeitende Struktur ist nicht beschränkt auf ein monokristallines Substrat, und ein mittels eines Lasers geschnittenes Glassubstrat und andere Substrate können ebenfalls verwendet werden.
In den oben genannten Ausführungsformen wird ein Kohlendioxidlaser als Erwärmungsmittel verwendet. Weiterhin können verschiedene Laser verwendet werden, wie zum Beispiel ein Kohlenmonoxidlaser, Excimelaser, YAG Laser und Argonionenlaser. Zu diesem Zeitpunkt ist es notwendig, die Intensität des eingestrahlten Strahls in Übereinstimmung mit dem Energieabsorptionskoeffizienten eines Laserstrahls auf dem Werkstück zu ändern. Um einen Silikonsubstrat-Kragarm von 100 nm Durchmesser unter Verwendung eines Kohlendi-oxidlasers zu biegen, wird ein Laser mit einer Ausgabeintensität von ungefähr 1 bis 10 W benötigt.
Jedoch sind die Erwärmungsmittel, die für die vorliegende Erfindung verwendet werden, nicht auf die oben erläuterten Laser beschränkt, und jede elektromagnetische Welle mit einer durch eine zu bearbeitende Probe absorbierten Wellenlänge kann verwendet werden. Bei den oben genannten Ausführungsformen ist ein Laserstrahl verwendet worden, welcher typisch ist für solche elektromagnetischen Wellen.
Bei den oben genannten Ausführungsformen wurde eine Bearbeitung durchgeführt durch Bündeln eines Laserstrahls mittels einer Linse. In diesem Falle hat ein Kohlendioxidlaser eine Arbeitsauflösung von ungefähr 10 Mikrometer auf Grund der Beschränkung der Wellenlänge. In dem Falle, wo winzigere Bearbeitungen notwendig sind, sollte ein Wellenleiter verwendet werden. Für den Kohlendioxidlaser können Silberhalogenide (Silberchlorid, Silberbromid) polykristalline Fasern, auf Chalkogenelemente (S, Se, Te) basierende Glasfasern usw. als Wellenleiter verwendet werden.
Wie in 10 gezeigt, kann man, wenn man einen mit einer angespitzten Spitze versehenen Wellenleiter überall außer an der Spitze mit einem elektromagnetische Wellen reflektierenden Material 61 beschichtet, einen Laserstrahl auf einen Bereich von ungefähr 1 Mikrometer einstrahlen. In diesem Falle wird eine Bearbeitung durchgeführt durch Bewegen des Wellenleiters in horizontaler Richtung auf so eine Weise, daß es nahe am Werkstück 62 ist. Durch Regeln des Abstands zwischen der Spitze des Wellenleiters 60 und dem Werkstück 62 kann eine genauere Bearbeitung erzielt werden.
11 zeigt einen typischen Aufbau eines Mechanismus zum Steuern des Abstands zwischen einer Wellenleitersonde 63 und dem Werkstück 62. In 11 wird die kragarmförmig ausgebildete Wellenleitersonde 63, welche Elastizität aufweist, nahe an das Werkstück 62 gebracht, und durch Erfassen einer elastischen Ablenkung der Wellenleitersonde 63 unter Verwendung von Verschiebungserfassungsmitteln 64 wird die Spitze der Wellenleitersonde 63 in Kontakt gebracht mit dem Werkstück 62 mittels einer schwachen Kraft. Z-Achsen-Verschiebungsmittel 65 werden verwendet für diese Abstandsregelung, wobei die Bewegung in der ebenen Richtung herbeigeführt wird durch XY-Abtastmittel 66. Diese Mittel werden geregelt durch einen Regler 67. Gemäß diesem Verfahren kann eine Überwachung durchgeführt werden durch Abtasten der Form des Werkstücks mittels der Spitze der Wellenleitersonde 63, so daß eine genauere Bearbeitung durchgeführt werden kann.
Die vorliegende Erfindung, welche gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen ausgeführt wird, erzielt die unten erläuterten Effekte. Durch lokales Erwärmen einer winzigen Struktur unter Verwendung von Erwärmungsmitteln, um eine plastische Verformung herbeizuführen, wird ein Biegen einer winzigen Struktur und Verformen eines winzigen spitzen Endes bewirkt, was schwierig gewesen war bei Verwendung der herkömmlichen Bearbeitungstechnologie, und nun ermöglicht werden. Weiterhin wird ein Zusammenfügen von winzigen Strukturen ermöglicht, was schwierig gewesen war bei Verwendung der herkömmlichen Herstellungsverfahren, und die Bildung einer dreidimensionalen Struktur wird ermöglicht.

Claims

Mikrobearbeitungsverfahren zum Herstellen einer dreidimensionalen Mikrostruktur aus zweidimensionalen Mikrostrukturen (1, 6), welches folgenden Schritt umfaßt: plastisches Verformen eines Teils der zweidimensionalen Mikrostrukturen (1, 6) durch Erwärmen begrenzter Teile (2, 7) von zumindest einer der zweidimensionalen Mikrostrukturen, wobei eine erste zweidimensionale Mikrostruktur (1) einen Kragarm (2) umfaßt und das plastische Verformen im plastischen Verbiegen des Kragarms besteht, und die erste zweidimensionale Mikrostruktur zusammengefügt wird mit einer zweiten zweidimensionalen Mikrostruktur mittels des Kragarms (2), wodurch die dreidimensionale Mikrostruktur gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine jede der Mikrostrukturen ausgebildet wird durch Photolithographie und anisotrope Ätztechnologien, die auf ein monokristallines Substrat angewandt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Erwärmungsmittel eine Erwärmung durchführen durch die Absorption elektromagnetischer Energie durch die erste zweidimensionale Mikrostruktur, wobei die elektromagnetische Energie erzeugt wird durch die Einstrahlung einer elektromagnetischen Welle.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die elektromagnetische Welle ein Laserstrahl (5) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine der zweidimensionalen Mikrostrukturen (6) einen dünnen Verbindungsbereich (7) umfaßt, welcher zwei Teile mit zweidimensionaler Struktur verbindet und die plastische Verformung ein plastisches Biegen des Verbindungsteils ist, um eine gefaltete Struktur zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine der Mikrostrukturen (10) eine kragarmähnliche Struktur (11) in einem Teil hiervon aufweist, und die Spitze der kragarmähnlichen Struktur geschmolzen wird durch Erwärmen der Spitze, wodurch der Durchmesser der Spitze des Kragarms so geformt wird, daß er größer ist als wie vor dem Schmelzen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Kragarm einer ersten Mikrostruktur (10) mit einer kragarmähnlichen Struktur in eine Durchbohrung (14) einer zweiten Mikrostruktur (12) eingeführt wird, welche die Durchbohrng aufweist, und die Spitze des Kragarms (11), welcher durch die Durchbohrung (14) hindurchgeführt worden ist, erwärmt wird mittels den Erwärmungsmitteln, um die Spitze des Kragarms (11) plastisch zu verformen, wodurch die erste winzige Struktur und die zweite winzige Struktur zusammengefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Umfang eines bearbeiteten Bereichs geschützt wird durch ein Material, welches elektromagnetische Wellen abschirmt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Material ein metallischer Dünnfilm ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die elektromagnetische Welle durch einen Wellenleiter (60) geführt wird, und eine lokale Erwärmung durchgeführt wird durch die Einstrahlung einer elektromagnetischen Welle von der Stirnfläche des Wellenleiters (60).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Spitze (63) des Wellenleiters (60) angespitzt ist, und bedeckt ist mit einem elektromagnetische Wellen reflektierenden Material, um elektromagnetische Wellen abzuschirmen, so daß eine kleine Öffnung hergestellt wird an der Endstirnfläche der Spitze (63).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Wellenleiter (60) einen Bereich mit Elastizität aufweist, und eine Bearbeitung durchgeführt wird mit der Spitze (63) des Wellenleiters (60) in Kontakt mit der Oberfläche eines Werkstückes (62) mittels einer schwachen Kraft durch Erfassen einer elastischen Verformung der Spitze des Wellenleiters (60) und durch Ausführen einer Reglung, so daß die Spitze des Wellenleiters (60) sich in einer vorbestimmten Position befindet.