JP2004074352A - Three-dimensionally assembling device for micro-object - Google Patents

Three-dimensionally assembling device for micro-object Download PDF

Info

Publication number
JP2004074352A
JP2004074352A JP2002238431A JP2002238431A JP2004074352A JP 2004074352 A JP2004074352 A JP 2004074352A JP 2002238431 A JP2002238431 A JP 2002238431A JP 2002238431 A JP2002238431 A JP 2002238431A JP 2004074352 A JP2004074352 A JP 2004074352A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
probe
monitoring
work
micro
discharge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2002238431A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3787620B2 (en
Inventor
Mitsuru Egashira
江頭 満
Takeshi Konno
今野 武志
Kyoko Saito
齋藤 恭子
Mikihiko Kobayashi
小林 幹彦
Norio Shintani
新谷 紀雄
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute for Materials Science
Original Assignee
National Institute for Materials Science
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute for Materials Science filed Critical National Institute for Materials Science
Priority to JP2002238431A priority Critical patent/JP3787620B2/en
Publication of JP2004074352A publication Critical patent/JP2004074352A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3787620B2 publication Critical patent/JP3787620B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Micromachines (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To three-dimensionally assemble a micro-object using a single probe in the same place to do all the work necessary for three-dimensionally disposing or processing the micro-object for catching, moving, jointing, sputtering, etc., using the probe while monitoring a micro-work range in multiple directions by means of a monitoring device simultaneously. <P>SOLUTION: This three-dimensionally assembling device for a micro-object for assembling/processing the micro-object is composed of a probe comprising material of a high fusing point, a probe attitude control system, a pulse voltage control power source for controlling through 5V-20 kV between the probe and a substrate, a work table having freedom of translation and rotation, and an intensive monitoring system to three-dimensionally monitor a micro work range on the work table by simultaneously monitoring a point in multiple directions. The three-dimensionally assembling device is provided with a function of catching the micro-object of 5 μm-1 mm by an electric field at a tip of the probe for jointing/processing the micro-object by discharge between the probe and the substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本願発明は微小な作業領域を監視装置で多方向から同時に監視しながら、プローブを用いて微小物を捕捉・移動・接合・スパッター加工等、微小物の立体的な配置や加工に必要な全ての作業を同一場所で同一プローブを用いて、精度よく微小物の三次元アセンブルが実行可能な装置である。
【0002】
【従来の技術の課題とその解決手段】
携帯電話で代表されるような各種器具の小型化は、部品の小型化とその高密度集積化に加えてこれらの小型部品の実装技術によるところが大きい。このため小型機器の製造にあたってはマイクロメーターオーダーの素材・部品の高精度な加工、組み立て、集積化等の技術が必要である。本発明は、このような分野の需要に対応する、マイクロメーターオーダーの微小物を捕捉・移動し、精度よく配置して接合し、また加工する装置を提供する。
【0003】
従来のプローブを用いたマニピュレーション装置は、掴む方式のマイクログリッパーや真空吸引による吸着方式などが開発されている。これらの方式による装置は、微小物の捕捉・移動および配置作業用として特化されており、配置した場所に微小物を接合することはできない。また、対象物の監視が単眼視画像もしくは、集中監視装置による個々の監視画像の表示に止まり、距離感が得られる立体的な監視画像の提供はされていない。
【0004】
他方マイクロ接合に関しては、高真空容器内で接合対象物の表面を高速荷電ビーム等でエッチングし、接合表面を活性化することにより常温での拡散接合を可能としている。しかしながらこの方式による装置においては微小物の接合のみに特化されており、捕捉・操作・組み立てを配慮した装置とはなっていない。
【0005】
また半導体やマイクロマシン作製に広く用いられているリソグラフィーとその応用技術は、基本的に成膜とエッチングを組み合わせた技法である。このため、使える材質に一定の制約があること、工程が複雑であること、資源とエネルギー面で無駄が多いことといった欠点があった。
【0006】
【発明の解決手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第1には、高融点材料からなるプローブ、プローブ姿勢制御系、プローブと基板間を5V〜20kVに亘り制御できるパルス電圧制御電源、並進および回転の自由度をもつ作業台、一点を多方位から同時に監視することにより作業台の微小作業域を立体的に監視する集中監視系からなる微小物の組み立て・加工装置で、5μm〜1mmの微小物をプローブ先端の電界により捕捉し、プローブと基板間の放電により接合・加工する機能を合わせもつ微小物3次元アセンブル装置(請求項1)を提供する。
【0007】
この出願の発明は、第2には、作業環境制御系を追加し、その具体的手段として、接合およびスパッター加工時に酸化防止や加工性向上の役割を果たすために、さらにスパッター加工時における微小溶融物の再付着防止のためのブロアー機能などのために、プローブと当該加工を受ける微小物と基板の一部を不活性ガス又は環境制御用ガス等でシールドする作業環境ガス制御装置を備えたり(請求項2)、微小物を良好に接合するために、作業環境ガスの予加熱、電熱ヒーター、細く絞った集光赤外線、もしくはこれらの組み合わせにより、接合部位を予め200℃以下の所定温度に加熱し、さらに放電による接合後の当該部位の温度降下速度を制御するための作業環境温度制御装置を備えた(請求項3)微小物3次元アセンブル装置を提供する。
【0008】
この出願の発明は、第3には、集中監視系を具体化したうえに、一点を同時に多方位から監視する際に、複数の監視装置間で派生する光学的な干渉を防ぐため、それぞれ互いに重複しないような特定の波長域のみを出す光源と、その波長域のみを透過させるフィルターを通して監視する監視装置からなるものとした微小物3次元アセンブル装置(請求項4)を提供する。
【0009】
この出願の発明は、第4には、パルス電圧制御電源の形態から、放電開始条件がグロー放電であり、同条件が速やかに回復できるよう放電波形のパルス幅、パルス休止幅、パルス繰り返し周波数およびパルス波高値をそれぞれ独立して制御できるもの(請求項5)で、pCオーダーの蓄積コンデンサーを多段に積層し、当該コンデンサー多段層を複数列装備した昇電圧回路を備え、放電時においては放電電力を蓄勢する当該コンデンサー層列と前記コンデンサー層列のバックアップコンデンサー層列を当該回路内に装備し、出力極性がバイポーラ型であるもの(請求項6)及び外部への電気的および電気力学的な擾乱を避けるために、微小物の捕捉・配置等の操作の直前まで、常にプローブと微小物を等電位にできるもの(請求項7)を装備した微小物3次元アセンブル装置を提供する。
【0010】
この出願の発明は、第5には、プローブの形態から、プローブ材質特性が高融点、高強度および低電気抵抗を満足する、例えばW、WC、WSi、MoSi、TiB2、ZrB2、CrB2を特徴とするプローブと前記材質のプローブを載置したもの(請求項8)或いは更に放電を含む長時間の使用による避けられないプローブの損耗とそれに伴う先端の鈍角化、プローブの交換作業による作業の中断等を防ぎ、当該作業を長時間連続的に同一の電気的条件で行えるようにするため、同一線径をリールに巻き込んだプローブ送り出し機を装備するもの(請求項9)である微小物3次元アセンブル装置をも提供する。
【0011】
この出願の発明によれば、3次元デバイスの作製は、基本的にビルドアップのプロセスであるので、必要な量の素材のみを使って組み立てることができる。
【0012】
また捕捉・脱離等の付随作業は静電気的方法で行うので、微小物の材質を選ばず制御も容易であり、加えて接合や加工もプローブを用いて放電により実施しているので、一連の捕捉・接合・加工作業のエネルギー源を電気に統一化したことと相俟って、捕捉・移動・接合・加工等同一プローブでの連続一貫作業とすることが可能となる。
【0013】
加えて各種作業を同一プローブで実施することで、工程および制御が単純化され、さらにこの単純化による副次効果として、作製物の工作精度の向上を図ることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
この出願の発明によれば、監視方法は、多方位・同時一点集中による監視手法の採用と画像合成処理により当該監視画像をリアリティーのある立体像としたので、作業者は、距離感等を感じることが可能な実体感のある作業環境を作ることができるようになり、各種操作作業における誤認識・誤操作の一層の防止を図ることができる。また多方位からの同時集中監視とすることで派生する光学的な干渉は、個々の監視装置に具備している照明光の波長域を重複させないことや、ダイクロイックミラー等のフィルターを用いて入射光線の波長域を制御する等により防止することができる。
【0015】
接合や加工等を大気中で実施するため、エアーカーテン方式によるローカル雰囲気制御や電熱、集光赤外線により当該部位の雰囲気および温度の環境制御を行うことができる。これにともなって派生する陽炎等の揺らぎによる監視像の乱れは、赤外線の光線を細く絞ったスポット光を用いて局所加熱することで最小限に押さえることができる。
【0016】
プローブの材質について、高融点、高強度および低電気抵抗特性を満足する高融点材料として、例えばW、WC、WSi、MoSi、TiB2、ZrB2、CrB2から選択することができる。
【0017】
パルス電圧制御電源は捕捉用電源と接合・加工用電源の独立した電源とすることができる。
【0018】
作業台は、並進および回転の自由度をもつものとすることができる。この場合、作業台の作業面を回転させる回転ステージ(R軸ステージ)は、作業面に垂直な方向が回転の方向になるものであって、作業台の中心を回転中心となるように設計することが好適である。
【0019】
集中監視系として、監視装置を複数配備し、役割の異なる監視を実行させることができる。
【0020】
作業環境制御系として、作業環境ガス制御装置と作業環境温度制御装置を適宜組み合わせて備えることができる。
【0021】
集中監視系として、それぞれ互いに重複しないような特定の波長域のみを出す光源と、その波長域のみを透過させるフィルターを通して監視する監視装置からなるものとし、一点を同時に多方位から監視する際に、複数の監視装置間で派生する光学的な干渉を防ぐようにすることができる。
パルス電圧制御電源は、放電がグローとなるような電圧を印加でき、その出力極性の正負を選択可能なバイポーラ型とすることができる。また、外部への電気的および電気力学的な擾乱を避けるようにすることもできる。
【0022】
同一線径をリールに巻き込んだプローブ送り出し機を装備し、これによって、放電を含む長時間の使用による避けられないプローブの損耗とそれに伴う先端の鈍角化、プローブの交換作業による作業の中断等を防ぎ、当該作業を長時間連続的に同一の電気的条件で行えるようにすることもできる。
【0023】
【実施例】
(実施例1)
図1は本発明に基づく微小物3次元アセンブル装置の概念設計の基本構成を示している。以下図面を参照して、基本構成に係る各々の系についての基本機能およびその役割等について詳細に説明し、具体的となる試作した微小物3次元アセンブル装置の基本仕様も一実施例として例示する。
【0024】
本発明は、鏡像監視下で微細作業を行う装置で、図1に示すように、試料の捕捉・接合・加工を担当する工具となるプローブ(5)、プローブ姿勢の不整合を吸収するためのプローブ姿勢制御系(1)、微細作業を行うプローブ先端を多角的に監視する集中監視系(2)、プローブとその先端周辺の微細作業を行う部分のガス雰囲気および温度を制御するための作業環境制御系(7)、プローブで原材料の捕捉・接合・加工等の工作をする際にプローブ基板間に電圧を印加するパルス電圧制御電源(4)、個々の工作部位を集中監視系(2)の視野内に導くための並進および回転の自由度を持つ作業台(6)、各作業プロセスを記録するための監視鏡画像表示・記録系(3)、前記各系を一括管理するための集中制御系(8)から構成されている。
【0025】
前記基本構成で示した各系の機能および役割について詳述する。
【0026】
集中監視系(2)のセットについて述べる。本発明では、図6に示すように、同一プローブを用いて全ての作業を行っており、その先端を位置情報の基準とした。このため集中監視系(2)は前記先端を焦点位置とした複数の監視装置の俯角を調整しても視点位置が一定に保たれるよう、それぞれの監視装置は同一の点を円弧中心としたアーチ状ガイド上に搭載されている。集中監視系(2)の監視装置と作業台(6)とを組み合わせて制御することにより、後述するように常に工作位置の多面視が可能となる。
【0027】
集中監視系(2)の監視装置の配置の一例を図2に示す。同図中の監視装置1(9)に求められるのは、基準位置監視機能、すなわちプローブと原材料および原材料と作業台との距離を監視することである。監視装置2(10)および監視装置3(11)は原材料を作業台へ配置するための監視を主な役割としている。また作業台の並進および回転軸を併用して原材料の姿勢を変えても、監視装置の俯角を調整することで監視装置と作業台との監視角を一定に保つことができる。
【0028】
プローブ姿勢制御系(1)の一例が図3に示される。ここでは複雑かつ入り組んだ作業状況に立ち至り、作業進行に合わせてプローブ姿勢を変える必要性が生じても、プローブ先端位置を固定したままプローブの姿勢を変えられるよう、プローブ姿勢不整合吸収機能を備えたプローブ姿勢制御台(12)を搭載していることを基本としている。この機能により原材料等の工作対象物を捕捉した後、プローブ姿勢を変更しても集中監視系における視野中心、言い換えるなら初期条件となるプローブ先端の位置は変わらない。
【0029】
作業環境制御系(7)の一例が図4に示されている。ここでの基本機能は、接合・加工作業前に作業対象物を予熱し、作業後は放電に伴う高温状態からの急冷を避けて徐冷する環境温度制御と、接合・加工作業時に作業対象物の酸化や窒化を防ぐための環境ガス制御である。
【0030】
環境ガス制御のために、不活性ガスまたはシールドガスを作業環境調整用ガス導入口(13)から作業環境調整用ガスガイド(15)を通じて基板(16)まで導く作業環境ガス制御装置(7a)を備える。
【0031】
また環境温度制御のために、前記ガス温度をガス温度制御機(14)を通して調整すると共に、作業台温度制御機(17)、集光赤外線発生装置(18)を組み合わせて環境温度を制御する作業環境温度制御装置(7b)を備える。
【0032】
パルス電圧制御電源(4)は、そのブロック図の一例が図5に示される。
この電源(4)は、2つの主要な回路から構成され、一つは捕捉用電源(19)、他の一つは接合・加工用電源(20)であり、捕捉用(19)と接合・加工用(20)がそれぞれ独立しており、その出力はそれぞれの電圧、電流および出力極性が独立して設定でき、その出力は単一端子からの配電方式としている。接合・加工用電源(20)は高電圧を印加してグロー放電を起こさせ、アーク放電をできるだけ起こさせないようにしている。また、捕捉用電源(19)はプローブと粒子が接近したときに放電を起こさずになおかつ必要な静電気力を得るために、数十V程度の電圧を印加するためのものであり、またプローブが基板上にある金属粒子に触れたとき電流が流れるが、実際には金属粒子−基板間及びプローブ−金属粒子間の接触抵抗がかなり高くプローブの印加電圧が変動することはほとんどなく印加電圧を維持することができる。また捕捉用電源(19)はプローブが粒子に接近する際に不要な放電の影響を極軽微にするために、低電圧、低電流とし、特に電流に関しては最小設定電流を10μAとしている。加えて接合・加工用電源部は、昇圧・整流部の充放電時間を短くするために、50Hzの交流入力を50kHzに変調する回路と、pCオーダーのコンデンサとダイオードを直列に積み上げた回路で構成されている。このため放電時におけるパルス幅、パルス休止幅、パルス繰り返し数などの条件設定パラメータの自由度が広くとれる特性を備えている。「制御1」は捕捉時の電圧および電流を設定でき、「制御2」では接合・加工時の電圧、電流、パルス幅、パルス波形のON=OFF時間の比率およびパルス回数を設定できる。
【0033】
以上から、本願発明のパルス電圧制御電源(4)によれば、▲1▼放電初期条件をグロー放電域とし、▲2▼電圧が急速に低下するため、アーク放電期間がほとんどない状態で放電が休止し、さらに▲3▼放電休止状態から速やかにグロー放電を再開できる状態に戻り、▲4▼その際に休止時間やパルス幅、放電回数等を集中制御系で制御でき、▲5▼プローブと粒子を同電位にするために出力を接地電位にすることができるという特徴を有する。
【0034】
プローブ先端はプローブの姿勢に関わらず常に初期位置に固定したままとし、原材料の運搬・接合・加工作業においては、作業台を移動することにより、作業台上の必要とされる領域をプローブ(5)の直下に移動し,さらにプローブ先端に対して相対的に必要な移動を行わせる。従ってプローブ先端と集中監視系の監視装置は固定されたまま各種作業を行うことができ、集中管理系の視野中心を常に作業領域とすることができる。これによって、5μm〜1mmの微小物をプローブ先端の電界により捕捉し、プローブと基板間の放電により接合・加工することになる。
【0035】
図6は、前記の基本構造および基本機能を踏まえて試作した装置全体の概略図である。当該装置は、監視装置1(9)、監視装置2(10)、監視装置3(11)がプローブ先端を円弧中心とするアーチガイド(24)に取り付けられた集中監視系で同時かつ多面視環境を構築している。
【0036】
図7は試作装置の各系におけるステージの軸仕様を例示している。ここで示す各(X)(Y)(Z)(R)及び(T)軸ステージは、図3にプローブ姿勢制御方向としての3次元方向として示された軸ステージ、横線の回転軸中心軸として示されたR軸ステージ及び作業台の作業面を傾斜させる軸としてのT軸ステージを表す。
【0037】
ステージの移動は扱い原料サイズに関係し、プローブの作業においてはプローブの先端に原料を丁度接触するが突き刺さる程でない程度の位置に制御することが要求されるが、この例示されたステージの軸仕様によれば、作業台の並進軸の移動精度が、取り扱い下限粒子の100分の1の0.1μmであるので、充分にプローブの作業が可能である。この例示されたステージの軸仕様により、扱い原材料サイズ10μmの微細工作が可能となった。また監視装置4(25)は取り付け作業中随時に作業台を移動して原材料や作業対象物を鉛直上方から監視できるようにし、原材料の位置情報取得や作業精度の確認が行えるようにした。
【0038】
本発明の微小物3次元アセンブル装置による操作は次のとおりである。
【0039】
以下、本発明の微小物3次元アセンブル装置による微小物の捕捉・運搬・加工実施時の一連の微細作業の手順を、図8に示したプロセスにしたがって説明する。
最初に微小物の捕捉・運搬・加工作業を開始する前の準備作業としてプローブ姿勢制御系にプローブを取り付け、このプローブが鉛直となるように当該姿勢制御系を調整し、プローブ先端を集中監視系の焦点位置としてセットし、この位置を基準とする。
まず、集中監視系の中で主に接合・加工作業の監視の役割を担う監視装置1(9)、監視装置2(10)、監視装置3(11)の焦点を1点に集中させ、視野中心が一点に集中した監視環境が保たれていることを確認し、作業環境の多面視条件を整える。この場合、前記監視装置群の俯角を調整しながら焦点および視野中心のズレを調整し、各々の調整値を集中制御系の制御装置に記憶させる。次に、試料の位置情報取得および作業精度確認の役割を担う監視装置4(25)の焦点を調整する。この監視装置4(25)は、視野中心軸がプローブ軸線と平行になるように調整し、その情報を集中制御系の制御装置に記憶させる。原材料(21)を原材料供給台(22)上に載せ、この頂上面を先ほど定めた基準位置に合わせるため原材料供給台高さ調整機(23)で調整する。同様に作業台の所定位置に基板を載せ、基板上面を基準位置に合わせ、作業台及び原材料供給台の位置をイニシャライズする。試料の捕捉および接合・加工等の各位置情報は監視装置4(25)を用いて取得し、その情報を集中制御系の制御装置に記憶させ、位置・姿勢等の全てのイニシャライズが完成する。
【0040】
実際の捕捉・接合・加工等の作業における操作手順について述べる。予め求めておいた試料の捕捉条件となる電圧をパルス電圧制御電源に試料捕捉設定値として記憶させておく。捕捉作業が安定して行われたか否かを監視装置1を用いて確認し、適正条件でなければこの時点で修正値を当該制御装置に記憶させる。同様に求めておいた接合・加工条件となる、電圧および電流値、電力の印加時間、休止時間および繰り返し回数を当該電源の設定値として当該装置に記憶させておく。この設定値が適正か否かを監視装置1、監視装置2、監視装置3を用いて確認し、不適正であれば、修正値を記憶させておく。このとき同時に接合・加工作業時の付帯設定要件として、求めておいた作業環境制御系のガス種類、ガス温度、ガス流量、ガス噴射開始時間および作業環境温度制御機の温度等の設定値を集中制御系の制御装置に記憶させておく。この作業を以って全ての条件設定が完了し、以後、微細工作の開始となる。
【0041】
すなわち、原材料粒子を捕捉して、捕捉作業が安定して行われたことが監視装置1により確認されると、接合環境条件下で、所定の電圧および電流値、電力の印加時間、休止時間および繰り返し回数を当該電源の設定値の下に、作業確認しながら、原材料を基板の所定位置に配置し粒子接合及び加工が実行される。これによって、微小物の創製・工作が開始し、微小物の創製完了によって作業は完了する。
【0042】
図9、図10には上記実施例になる試作装置により、上述の操作手順に従って試作した微小構造物として2例が示される。図9は、直径38−43μmのAu粒子をAu基板表面に垂直に積み上げて文字を作った例である。この事例では、微小物作製に不可欠となる、鉛直方向、水平方向、斜方向、円弧方向等の基本操作および接合等の作業環境が構築できているかを検証するために試作したものである。試作文字中のNRIMには、前述した鉛直方向、水平方向、斜方向、円弧方向の全ての方向要素が含まれており、微小構造物を試作するに関して、外形上での制限が無いことは明らかである。このことにより、実施例1で示した試作装置には、図1、図2、図3、図4および図5に示した基本構成および基本機能における視野内作業機能、対象物移動・姿勢変化機能、対象物把持機能、視野の不整合吸収機能、対象物捕捉・接合・加工機能が備わっていることを証明している。
【0043】
図10は、直径38−43μmのAu粒子とAu基板を用いて、底辺が5×5、高さが5層で構成した粒子ピラミッド試作例である。この事例は、接合等の作業進行に伴う死角が発生するか否かと微小物が複数列でかつ隣接させた状態においても安定して接合作業が実施できるか否かの検証を行った。この試作例では、直近底層の4試料で構成する四角形を基板面に接合固定し、その中央部に形成するくぼみ上に上層試料を接合し、これを基本ユニットとして微細工作を実施している。このため図9における接合状況のように上面方向から見た接合面積が変わらない事例と異なり、最低面層と次層との接合では接合面積が著しく拡大している。それにも拘らず、安定して接合が可能であることを図10は示している。図9よりさらに高度となる図10における微細工作例においても、前記基本機能の全てが試作装置の搭載されていることが検証された。
【0044】
以上図9、図10により、試作装置中には、実施例1で例示した基本構成および基本機能の全てが搭載済みであることを証明している。
(実施例2)
作業環境制御系の有効性を示すために試作した微小物3次元アセンブル装置を使い、直径90−106μmのニッケル粒子のアセンブルを行った。
【0045】
まず金属板に捕捉したニッケル粒子を配置して接合する。さらに原料供給台から捕捉したニッケル粒子を、先に接合したニッケル粒子の上に配置して接合した。なお捕捉電圧は50Vで、接合時の印加電圧は10kVである。
【0046】
作業環境制御系を使わずに、室温大気中で雰囲気制御せずに接合を行った場合、ニッケル粒子は酸化されるために接合はできなかった。
【0047】
次に作業環境ガス制御装置を使って、室温の窒素ガスを放電と同調して流し、窒素雰囲気下で接合を行った。この場合のニッケル粒子同士の接合部のSEM写真を図11に示す。図11からわかるように、接合はされているが、接合部に矢印で示した割れが認められる。
【0048】
一方、作業環境温度制御装置を併用して、窒素ガス雰囲気下で接合対象部を200℃に加熱して接合を行った結果を図12に示す。この場合は、接合部に割れが認められなかった。
【0049】
図12で割れが認められなかったのは、接合対象部の加熱により急冷が避けられたためと思われ、作業環境制御系を使うことの有効性が確かめられた。
【0050】
【発明の効果】
以上この出願の発明によれば、3次元デバイスの作製を、ビルドアップのプロセスで、必要な量の素材のみの使用で組み立て可能である。
【0051】
また捕捉・脱離等は静電気的方法で行うので、微小物の材質を選ばず制御も容易であり、接合や加工もプローブを用いて放電により実施することにより捕捉・接合・加工のエネルギー源を電気に統一化することを可能としたことと相俟って、捕捉・移動・接合・加工等の全ての作業は、プローブに電界を印加することにより行われるため、同一プローブによる連続一貫作業が可能となった。
【0052】
各種作業を同一プローブで実施することによって、工程および制御の単純化を図ると共に作製物の工作精度の向上を図ることができる。
【0053】
監視方法は、多方位・同時一点集中による監視手法の採用及び鏡像と画像合成処理の組み合わせにより作業対象物の当該監視画像をリアリティーのある立体像として、作業実施者が対象物と接合部位の間の距離等を実体感として捉える実体感のある作業環境を作ることができ、各種操作作業における誤認識・誤操作の防止を強化することができる。
【0054】
波長域を重複させない照明光や、ダイクロイックミラー等のフィルターにより監視装置への入射光線の波長域を制限するよう制御することにより、多方位からの同時集中監視としたことで派生する光学的な干渉を防止することができる。
【0055】
接合や加工等を大気中で実施するため、エアーカーテン方式によるローカル雰囲気制御や電熱、集光赤外線により当該部位の雰囲気および温度の環境制御を行う場合に派生する陽炎等の揺らぎによる監視像の乱れは、赤外線の光線を細く絞ったスポット光を用いて局所加熱することにより最小限に押さえることができる。
【0056】
またこの出願の発明の装置は大気中で行われるため、真空装置などの特別な環境を必要としないが、簡便に作業雰囲気ガスを不活性ガスに変化させることができるので、酸化しやすい材料にも適用できる。
【0057】
さらに大気中での接合や加工等を容易にするための当該部位の環境制御は、雰囲気制御ガスの噴射を、プローブを軸中心とする同軸状のエアーカーテン方式することにより、プローブおよび加工対象部位の酸化等の変質防止を図り、良好な接合・加工結果を得ることができる。また接合部位に生じ易いとされる接合割れ等は、作業台温度制御機や細く絞った集光赤外線による局所加熱により当該部位の温度降下を制御することによって、その発生防止を図ることができる。
【0058】
これら開発した上記の技術等を組み合わせることによって、初めて三次元微小構造物を同一プローブによる一貫作業により作ることが可能になった。このため従来、リソグラフィーを使って行われていたプロセスの一部を代替する可能性を持っている。また、微細な配線の補修など、既設微小構造の部分的な修理作業が可能となった。
【0059】
この出願の発明の装置は三次元微小構造体の作製、修正を目的としており、マイクロマシンの実用化に利用可能である。また、この装置は大気中で使われるため、真空装置などの特別な環境を必要としないため既設加工装置と容易に合体することが可能な上、維持・設置費においても廉価となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による微小物3次元アセンブル装置の基本システム構成図である。
【図2】本発明による微小物3次元アセンブル装置の集中監視系である。
【図3】本発明による微小物3次元アセンブル装置のプローブ姿勢制御系である。
【図4】本発明による微小物3次元アセンブル装置の作業環境制御系である。
【図5】本発明による微小物3次元アセンブル装置のパルス電圧制御電源である。
【図6】本発明による微小物3次元アセンブル装置の外観模式図である。
【図7】本発明による微小物3次元アセンブル装置の各軸ステージの仕様である。
【図8】本発明による微小物3次元アセンブル装置の作業工程のフローチャートである。
【図9】本発明による微小物3次元アセンブル装置の試作構造体1である。
【図10】本発明による微小物3次元アセンブル装置の試作構造体2である。
【図11】室温の窒素ガス雰囲気下でニッケル粒子間の接合を行った接合部のSEM写真を示す。
【図12】接合対象物を200℃に加熱して、窒素ガス雰囲気下でニッケル粒子間の接合を行った接合部のSEM写真を示す。
【符号の説明】
1 プローブ姿勢制御系
2 集中監視系
3 監視鏡画像表示・記録系
4 パルス電圧制御電源
5 プローブ
6 作業台
7 作業環境制御系
8 集中制御系
9 監視装置1
10 監視装置2
11 監視装置3
12 プローブ姿勢制御台
13 作業環境調整用ガス導入口
14 ガス温度制御機
15 作業環境調整用ガスガイド
16 基板
17 作業台温度制御機
18 集光赤外線発生装置
19 捕捉用電源
20 接合・加工用電源
21 原材料
22 原材料供給台
23 原材料供給台高さ調整機
24 アーチガイド
25 監視装置4
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The invention of the present application is a method for simultaneously monitoring a small work area from multiple directions with a monitoring device and using a probe to capture, move, join, sputter, etc. This is a device that can perform three-dimensional assembly of minute objects with high accuracy using the same probe at the same place.
[0002]
[Problems of the prior art and their solutions]
The miniaturization of various appliances typified by mobile phones is largely due to the mounting technology of these small components in addition to the miniaturization of components and their high-density integration. For this reason, in the manufacture of small devices, techniques such as high-precision processing, assembly, and integration of materials and parts on the order of micrometers are required. The present invention provides a device that captures and moves micrometer-order minute objects, precisely arranges, joins, and processes them in order to meet the demand in such fields.
[0003]
As a conventional manipulation device using a probe, a gripping type micro gripper and a suction type by vacuum suction have been developed. The devices based on these methods are specialized for the operation of capturing / moving and arranging minute objects, and cannot join the minute objects to the place where they are arranged. Further, monitoring of an object is limited to display of a monocular image or individual monitoring images by a centralized monitoring device, and a three-dimensional monitoring image from which a sense of distance can be obtained is not provided.
[0004]
On the other hand, with respect to micro bonding, the surface of the bonding target is etched by a high-speed charged beam or the like in a high vacuum vessel, and the bonding surface is activated to enable diffusion bonding at room temperature. However, the device according to this method is specialized only for bonding of minute objects, and is not a device that takes into account capture, operation, and assembly.
[0005]
In addition, lithography widely used for manufacturing semiconductors and micromachines and its applied technology are basically techniques combining film formation and etching. For this reason, there are drawbacks that there are certain restrictions on usable materials, that the process is complicated, and that resources and energy are wasted.
[0006]
[MEANS FOR SOLVING THE PROBLEMS]
The invention of this application solves the above-mentioned problems. First, a probe made of a high melting point material, a probe attitude control system, a pulse voltage control power supply capable of controlling the distance between the probe and the substrate over 5 V to 20 kV, A worktable with a degree of freedom of rotation and a small object assembling and processing device consisting of a centralized monitoring system that monitors a small work area of the worktable three-dimensionally by simultaneously monitoring one point from multiple directions. A small object three-dimensional assembling apparatus having a function of capturing a minute object by an electric field at the tip of a probe and joining and processing the object by discharge between the probe and the substrate is provided.
[0007]
Secondly, the invention of this application adds a work environment control system. As a specific means, it plays a role of preventing oxidation and improving workability at the time of joining and spattering. For the purpose of a blower function to prevent re-attachment of objects, a work environment gas control device that shields a part of the probe, the minute object to be processed, and the substrate with an inert gas or an environment control gas or the like ( Claim 2) In order to satisfactorily join the minute objects, the joining portion is preliminarily heated to a predetermined temperature of 200 ° C. or less by preheating the working environment gas, an electric heater, finely focused infrared rays, or a combination thereof. And a work environment temperature control device for controlling a temperature drop rate of the portion after bonding by discharge (claim 3). That.
[0008]
Third, the invention of the present application is to realize a centralized monitoring system and, when monitoring one point from multiple directions simultaneously, to prevent optical interference generated between a plurality of monitoring devices, A small object three-dimensional assembler (claim 4) comprising a light source that emits only a specific wavelength range that does not overlap and a monitoring device that monitors through a filter that transmits only that wavelength range is provided.
[0009]
Fourthly, the invention of this application is based on the pulse voltage control power supply, wherein the discharge start condition is glow discharge, and the pulse width, pulse pause width, pulse repetition frequency, The pulse height value can be controlled independently of each other (Claim 5). A storage capacitor of the pC order is stacked in multiple stages, and a voltage boosting circuit equipped with a plurality of rows of the capacitor multistage layers is provided. And a backup capacitor layer sequence of the capacitor layer sequence in the circuit, the output polarity of which is of a bipolar type (Claim 6), and an external electrical and electrodynamic In order to avoid disturbance, a device that can always make the probe and the minute object equipotential (immediately before the operation of capturing and arranging the minute object, etc.) is provided. And it provides a fine fragment 3 dimensional assembling device.
[0010]
Fifth, the invention of this application is characterized by, for example, W, WC, WSi, MoSi, TiB2, ZrB2, and CrB2 in which the probe material characteristics satisfy a high melting point, a high strength, and a low electric resistance from the form of the probe. Of the probe and the probe of the above material (claim 8) or inevitable wear of the probe due to prolonged use including electric discharge, resulting in obtuse angle of the tip, interruption of work due to replacement of the probe, etc. (3) assembling a micro object three-dimensionally assembling a probe feeder in which the same wire diameter is wound on a reel in order to prevent the problem and to perform the operation continuously and under the same electrical conditions for a long time. An apparatus is also provided.
[0011]
According to the invention of this application, the production of a three-dimensional device is basically a build-up process, and therefore, it is possible to assemble using only a necessary amount of material.
[0012]
In addition, since the accompanying work such as capture and desorption is performed by an electrostatic method, it is easy to control regardless of the material of the minute object, and in addition, bonding and processing are performed by discharging using a probe. Together with the unification of the energy source of the capturing, joining, and processing operations to electricity, it is possible to perform continuous integrated operations such as capturing, moving, joining, and processing using the same probe.
[0013]
In addition, by performing various operations with the same probe, the process and control are simplified, and as a secondary effect of the simplification, it is possible to improve the machining accuracy of the product.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
According to the invention of this application, since the monitoring method adopts a monitoring method based on multi-directional and simultaneous one-point concentration and performs image synthesis processing to convert the monitored image into a three-dimensional image with reality, the operator feels a sense of distance and the like. This makes it possible to create a work environment with a sense of realism, which can further prevent erroneous recognition and erroneous operation in various operation tasks. In addition, optical interference caused by simultaneous centralized monitoring from multiple directions prevents the overlapping of the wavelength range of the illumination light provided in each monitoring device and the incident light using a filter such as a dichroic mirror. Can be prevented by, for example, controlling the wavelength range.
[0015]
Since the joining and processing are performed in the air, local atmosphere control by an air curtain method, and environmental control of the atmosphere and the temperature of the portion by electric heating and focused infrared rays can be performed. Disturbance of the surveillance image due to fluctuations of the heat haze or the like resulting from this can be minimized by local heating using a spot light with a narrowed infrared ray.
[0016]
The material of the probe can be selected from, for example, W, WC, WSi, MoSi, TiB2, ZrB2, and CrB2 as a high melting point material that satisfies the high melting point, high strength, and low electric resistance characteristics.
[0017]
The pulse voltage control power supply can be an independent power supply for the capture power supply and the bonding / processing power supply.
[0018]
The workbench may have translation and rotation degrees of freedom. In this case, the rotation stage (R-axis stage) for rotating the work surface of the work table is designed so that the direction perpendicular to the work surface is the direction of rotation, and the center of the work table is the center of rotation. Is preferred.
[0019]
As a centralized monitoring system, a plurality of monitoring devices can be provided to execute monitoring with different roles.
[0020]
As a work environment control system, a work environment gas control device and a work environment temperature control device can be appropriately combined and provided.
[0021]
As a centralized monitoring system, it shall consist of a light source that emits only a specific wavelength range that does not overlap each other, and a monitoring device that monitors through a filter that transmits only that wavelength range, and when monitoring one point simultaneously from multiple directions, It is possible to prevent optical interference generated between a plurality of monitoring devices.
The pulse voltage control power supply can be of a bipolar type that can apply a voltage that makes the discharge glow and that can select the positive or negative output polarity. It is also possible to avoid external electrical and electrodynamic disturbances.
[0022]
Equipped with a probe feeder with the same wire diameter wound on a reel, which inevitably causes probe wear due to prolonged use including discharge, obtuse obtuse angle of the tip, interruption of probe replacement work, etc. This operation can be performed continuously for a long time under the same electrical conditions.
[0023]
【Example】
(Example 1)
FIG. 1 shows a basic configuration of a conceptual design of a small object three-dimensional assembling apparatus according to the present invention. With reference to the drawings, the basic functions and roles of each system according to the basic configuration will be described in detail, and the basic specifications of a specific prototyped three-dimensional assembling apparatus will be exemplified as an example. .
[0024]
The present invention is an apparatus for performing a fine work under mirror image monitoring, as shown in FIG. 1, a probe (5) serving as a tool in charge of sample capturing, joining and processing, and a probe for absorbing a mismatch of a probe posture. A probe attitude control system (1), a centralized monitoring system (2) that monitors the tip of a probe performing fine work from multiple angles, and a working environment for controlling the gas atmosphere and temperature of a part that performs fine work around the probe and its tip. A control system (7), a pulse voltage control power supply (4) for applying a voltage between the probe substrates when performing processing such as capturing, joining, and processing of raw materials with a probe, and a centralized monitoring system (2) for each processing part. A workbench (6) having a degree of freedom of translation and rotation for guiding it into the field of view, a monitor mirror image display / recording system (3) for recording each work process, and centralized control for collectively managing the systems. Composed of system (8) That.
[0025]
The function and role of each system shown in the basic configuration will be described in detail.
[0026]
The set of the centralized monitoring system (2) will be described. In the present invention, as shown in FIG. 6, all operations are performed using the same probe, and the tip is used as a reference for position information. For this reason, the centralized monitoring system (2) sets the same point to the center of the arc so that the viewpoint position is kept constant even when adjusting the depression angle of the plurality of monitoring devices with the tip as the focal position. Mounted on an arched guide. By controlling the monitoring device of the centralized monitoring system (2) and the worktable (6) in combination, it is possible to always view the work position in multiple directions as described later.
[0027]
FIG. 2 shows an example of the arrangement of the monitoring devices of the centralized monitoring system (2). The monitoring device 1 (9) shown in the figure is required to monitor the reference position, that is, to monitor the distance between the probe and the raw material and the distance between the raw material and the work table. The monitoring device 2 (10) and the monitoring device 3 (11) have a main role of monitoring for placing raw materials on a workbench. Further, even when the attitude of the raw material is changed by using the translation and rotation axes of the worktable together, the monitoring angle between the monitor and the worktable can be kept constant by adjusting the depression angle of the monitor.
[0028]
An example of the probe attitude control system (1) is shown in FIG. Here, even if a complicated and complicated work situation arises and it is necessary to change the probe posture in accordance with the work progress, the probe posture mismatch absorption function is adopted so that the probe posture can be changed while the probe tip position is fixed. It is basically equipped with a probe attitude control table (12) provided. After capturing a workpiece such as a raw material by this function, even if the posture of the probe is changed, the center of the visual field in the centralized monitoring system, in other words, the position of the probe tip which is an initial condition does not change.
[0029]
FIG. 4 shows an example of the work environment control system (7). The basic functions here are environmental temperature control, which preheats the work object before joining and machining work, gradually cools after work to avoid rapid cooling from a high temperature state caused by electric discharge, and work object during joining and machining work. Environmental gas control to prevent oxidation and nitridation of the gas.
[0030]
A work environment gas control device (7a) for guiding an inert gas or a shield gas from a work environment adjustment gas inlet (13) to a substrate (16) through a work environment adjustment gas guide (15) for environmental gas control. Prepare.
[0031]
In addition, in order to control the environmental temperature, the gas temperature is adjusted through a gas temperature controller (14), and the environmental temperature is controlled by combining a worktable temperature controller (17) and a condensing infrared ray generator (18). An environmental temperature control device (7b) is provided.
[0032]
An example of a block diagram of the pulse voltage control power supply (4) is shown in FIG.
The power supply (4) is composed of two main circuits, one is a power supply for capturing (19) and the other is a power supply for joining and processing (20). The processing (20) is independent of each other, and its output can be set independently of its voltage, current and output polarity, and its output is a power distribution system from a single terminal. The joining and processing power supply (20) applies a high voltage to generate a glow discharge so as to minimize an arc discharge. The trapping power supply (19) is for applying a voltage of about several tens of volts so as not to cause a discharge when the probe comes close to the particles and to obtain a necessary electrostatic force. Electric current flows when touching metal particles on the substrate, but in fact the contact resistance between the metal particles and the substrate and between the probe and the metal particles is quite high, and the applied voltage of the probe hardly fluctuates and the applied voltage is maintained. can do. The capturing power supply (19) has a low voltage and a low current in order to minimize the influence of unnecessary discharge when the probe approaches the particles. In addition, the power supply for joining and processing consists of a circuit that modulates a 50 Hz AC input to 50 kHz and a circuit in which pC-order capacitors and diodes are stacked in series to shorten the charge / discharge time of the step-up / rectifier. Have been. For this reason, it has the characteristic that the degree of freedom of the condition setting parameters such as the pulse width, the pulse pause width, and the pulse repetition number during the discharge can be widened. "Control 1" can set the voltage and current at the time of capture, and "Control 2" can set the voltage, current, pulse width, ON / OFF time ratio of the pulse waveform, and the number of pulses during joining and processing.
[0033]
As described above, according to the pulse voltage control power supply (4) of the present invention, (1) the initial discharge condition is a glow discharge region, and (2) the voltage is rapidly reduced. Pause and then (3) return to the state in which glow discharge can be resumed promptly from the discharge pause state. (4) At that time, the pause time, pulse width, number of discharges, etc. can be controlled by the centralized control system. The feature is that the output can be set to the ground potential in order to make the particles the same potential.
[0034]
The tip of the probe is always fixed at the initial position regardless of the posture of the probe, and in the transporting, joining, and processing operations of the raw materials, the required area on the work table is moved by moving the work table to the probe (5). ), And make necessary movement relatively to the tip of the probe. Therefore, various operations can be performed while the tip of the probe and the monitoring device of the centralized monitoring system are fixed, and the center of the field of view of the centralized management system can always be the working area. As a result, a minute object of 5 μm to 1 mm is captured by the electric field at the tip of the probe, and is joined and processed by electric discharge between the probe and the substrate.
[0035]
FIG. 6 is a schematic diagram of the entire device prototyped based on the basic structure and basic functions described above. This device is a centralized monitoring system in which a monitoring device 1 (9), a monitoring device 2 (10), and a monitoring device 3 (11) are attached to an arch guide (24) having a probe tip at the center of an arc. Is building.
[0036]
FIG. 7 illustrates the axis specifications of the stage in each system of the prototype device. The (X) (Y) (Z) (R) and (T) axis stages shown here are the axis stages shown as three-dimensional directions as the probe attitude control directions in FIG. The illustrated R-axis stage and T-axis stage as an axis for tilting the work surface of the worktable are shown.
[0037]
The movement of the stage is related to the size of the raw material to be handled, and in the operation of the probe, it is necessary to control the position of the raw material just in contact with the tip of the probe but not so much as to pierce it. According to the method described above, the translation accuracy of the translation axis of the worktable is 0.1 μm, which is one hundredth of the lower limit particles for handling, so that the probe can be sufficiently operated. The shaft specifications of the exemplified stage enabled micromachining with a raw material size of 10 μm. Further, the monitoring device 4 (25) moves the work table at any time during the mounting operation so that the raw material and the work target can be monitored from vertically above, so that the position information of the raw material and the work accuracy can be confirmed.
[0038]
The operation of the minute object three-dimensional assembling apparatus of the present invention is as follows.
[0039]
Hereinafter, a procedure of a series of fine operations at the time of capturing, transporting, and processing the minute object by the minute object three-dimensional assembling apparatus of the present invention will be described according to the process shown in FIG.
First, attach the probe to the probe attitude control system as a preparatory work before starting the work of capturing, transporting, and processing minute objects, adjust the attitude control system so that this probe is vertical, and monitor the tip of the probe centrally. Is set as the focal position, and this position is used as a reference.
First, in the centralized monitoring system, the monitoring devices 1 (9), 2 (10), and 3 (11), which mainly play the role of monitoring the joining and processing operations, are focused on one point, and Confirm that the monitoring environment where the center is concentrated on one point is maintained, and prepare the multi-view condition of the working environment. In this case, the shift between the focus and the center of the visual field is adjusted while adjusting the depression angle of the monitoring device group, and each adjustment value is stored in the control device of the central control system. Next, the focus of the monitoring device 4 (25), which plays the role of acquiring the position information of the sample and confirming the work accuracy, is adjusted. The monitoring device 4 (25) adjusts the central axis of the visual field so as to be parallel to the probe axis, and stores the information in the control device of the central control system. The raw material (21) is placed on the raw material supply table (22), and is adjusted by the raw material supply table height adjuster (23) so that the top surface of the raw material (21) is adjusted to the previously determined reference position. Similarly, the substrate is placed at a predetermined position on the worktable, the upper surface of the substrate is aligned with the reference position, and the positions of the worktable and the raw material supply table are initialized. The position information such as capturing of the sample and joining / processing are acquired by using the monitoring device 4 (25), and the information is stored in the control device of the centralized control system, and all initialization such as position and orientation is completed.
[0040]
An operation procedure in actual operations such as capturing, joining, and processing will be described. A voltage that is a sample capturing condition obtained in advance is stored as a sample capturing set value in the pulse voltage control power supply. The monitoring device 1 checks whether or not the capturing operation has been performed stably, and if the conditions are not appropriate, the controller stores the correction value at this time. The voltage and current values, the power application time, the pause time, and the number of repetitions, which are the joining and processing conditions determined in the same manner, are stored in the apparatus as set values of the power supply. Whether the set value is appropriate or not is checked using the monitoring device 1, the monitoring device 2, and the monitoring device 3, and if the setting value is not appropriate, the correction value is stored. At the same time, set values such as the required gas type, gas temperature, gas flow rate, gas injection start time, and temperature of the work environment temperature controller for the work environment control system are concentrated as additional setting requirements for joining and processing work. It is stored in the control device of the control system. With this operation, all the condition settings are completed, and thereafter, the micromachining is started.
[0041]
In other words, when the monitoring device 1 confirms that the capturing operation has been performed stably by capturing the raw material particles, the predetermined voltage and current value, the power application time, the pause time, and the The raw material is arranged at a predetermined position on the substrate while the number of repetitions is set below the set value of the power supply and the operation is confirmed, and the particle bonding and processing are performed. Thus, the creation / work of the minute object starts, and the work is completed when the creation of the minute object is completed.
[0042]
FIG. 9 and FIG. 10 show two examples of microstructures prototyped by the prototype apparatus according to the above-described embodiment in accordance with the above-described operation procedure. FIG. 9 shows an example in which Au particles having a diameter of 38 to 43 μm are vertically stacked on the Au substrate surface to form a character. In this example, a prototype was manufactured to verify whether the basic operation in the vertical direction, horizontal direction, oblique direction, arc direction, etc., and the working environment such as joining, which are indispensable for the production of minute objects, were established. The NRIM in the prototype character includes all of the above-mentioned vertical, horizontal, diagonal, and arc direction elements, and it is clear that there is no restriction on the external shape of the prototype microstructure. It is. As a result, the prototype device shown in the first embodiment has the basic configuration and basic functions shown in FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3, FIG. It has proven that it has an object gripping function, a visual field mismatch absorption function, and an object capturing / joining / processing function.
[0043]
FIG. 10 shows an example of a particle pyramid prototype in which a base is composed of 5 × 5 and a height of 5 layers using Au particles having a diameter of 38 to 43 μm and an Au substrate. In this case, verification was performed to determine whether or not a blind spot would occur with the progress of the work such as bonding, and whether or not the bonding work could be stably performed even in a state where a plurality of small objects were adjacent to each other. In this prototype example, a quadrangle consisting of the four samples of the nearest bottom layer is bonded and fixed to the substrate surface, and the upper layer sample is bonded to a hollow formed in the center thereof, and micromachining is performed using this as a basic unit. Therefore, unlike the case where the bonding area viewed from the upper surface direction does not change as in the bonding situation in FIG. 9, the bonding area is significantly increased in the bonding between the lowest surface layer and the next layer. Nevertheless, FIG. 10 shows that stable joining is possible. Also in the micromachining example in FIG. 10 which is more advanced than in FIG. 9, it was verified that all of the basic functions were mounted on the prototype device.
[0044]
9 and 10 prove that the prototype device has all of the basic configurations and basic functions exemplified in the first embodiment.
(Example 2)
In order to demonstrate the effectiveness of the working environment control system, nickel particles having a diameter of 90 to 106 μm were assembled using a prototype three-dimensional assembling apparatus for small objects.
[0045]
First, nickel particles captured on a metal plate are arranged and joined. Further, the nickel particles captured from the raw material supply table were arranged and joined on the previously joined nickel particles. The capture voltage is 50 V, and the applied voltage at the time of bonding is 10 kV.
[0046]
When the joining was performed without controlling the atmosphere in a room temperature atmosphere without using the working environment control system, the joining could not be performed because the nickel particles were oxidized.
[0047]
Next, using a working environment gas control device, a nitrogen gas at room temperature was flowed in synchronization with the discharge, and bonding was performed in a nitrogen atmosphere. FIG. 11 shows an SEM photograph of the joint between the nickel particles in this case. As can be seen from FIG. 11, although the joints have been made, cracks indicated by arrows are recognized at the joints.
[0048]
On the other hand, FIG. 12 shows the result of joining by heating the joint to 200 ° C. in a nitrogen gas atmosphere using the working environment temperature controller. In this case, no crack was observed at the joint.
[0049]
In FIG. 12, no cracks were observed because it was thought that rapid cooling was avoided by heating the joining target portion, confirming the effectiveness of using the working environment control system.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, according to the invention of this application, a three-dimensional device can be fabricated by using only a necessary amount of material in a build-up process.
[0051]
In addition, since the capture and desorption are performed by an electrostatic method, the control is easy regardless of the material of the minute object, and the energy source of the capture, bonding and processing is performed by performing the bonding and processing by discharging using a probe. All operations such as capturing, moving, joining, and processing are performed by applying an electric field to the probe, in conjunction with the unification of electricity. It has become possible.
[0052]
By performing various operations with the same probe, it is possible to simplify the process and control and to improve the machining accuracy of the product.
[0053]
The monitoring method adopts a monitoring method based on multi-directional and simultaneous one-point concentration and combines the mirror image and the image synthesis processing to make the monitoring image of the work object a three-dimensional image with a reality, and the worker performs the monitoring between the object and the joint site. It is possible to create a working environment with a sense of realism, which captures the distance and the like as a sense of physicality, and it is possible to enhance prevention of erroneous recognition and erroneous operation in various operation tasks.
[0054]
Optical interference derived from simultaneous centralized monitoring from multiple directions by controlling illumination wavelength that does not overlap the wavelength range and the wavelength range of incident light to the monitoring device with a filter such as a dichroic mirror Can be prevented.
[0055]
Disturbance of the monitoring image due to fluctuations of the heat haze etc. that occurs when controlling the atmosphere and temperature of the site by controlling the local atmosphere by the air curtain method, electric heating, and condensed infrared rays because the joining and processing are performed in the atmosphere. Can be minimized by local heating using a spot light in which infrared rays are narrowed down.
[0056]
Further, since the apparatus of the invention of this application is performed in the atmosphere, a special environment such as a vacuum apparatus is not required, but since the working atmosphere gas can be easily changed to an inert gas, the material is easily oxidized. Can also be applied.
[0057]
In addition, environmental control of the part to facilitate joining and processing in the atmosphere is performed by using a coaxial air curtain system with the probe as the axis center for the atmosphere control gas injection, so that the probe and the part to be processed can be controlled. This prevents deterioration of the material, such as oxidation, and provides good bonding and processing results. In addition, it is possible to prevent the occurrence of bonding cracks or the like which are likely to occur at the bonding site by controlling the temperature drop of the site by using a worktable temperature controller or local heating using a narrowly focused infrared ray.
[0058]
For the first time, by combining these developed techniques and the like, it has become possible to create a three-dimensional microstructure by an integrated operation using the same probe. For this reason, there is a possibility to replace a part of the process conventionally performed using lithography. In addition, it has become possible to partially repair existing microstructures, such as repairing fine wiring.
[0059]
The device of the invention of this application is intended for producing and correcting a three-dimensional microstructure, and can be used for practical use of a micromachine. Further, since this device is used in the atmosphere, it does not require a special environment such as a vacuum device, so that it can be easily combined with an existing processing device, and its maintenance and installation costs are low.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a basic system configuration diagram of a small object three-dimensional assembling apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a centralized monitoring system of the small object three-dimensional assembling apparatus according to the present invention.
FIG. 3 is a probe attitude control system of the small object three-dimensional assembling apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a working environment control system of the small object three-dimensional assembling apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is a pulse voltage control power supply of the minute object three-dimensional assembling apparatus according to the present invention.
FIG. 6 is a schematic external view of a small object three-dimensional assembling apparatus according to the present invention.
FIG. 7 shows specifications of each axis stage of the minute object three-dimensional assembling apparatus according to the present invention.
FIG. 8 is a flowchart of a working process of the small object three-dimensional assembling apparatus according to the present invention.
FIG. 9 is a prototype structure 1 of the three-dimensional assembling apparatus for a minute object according to the present invention.
FIG. 10 is a prototype structure 2 of the microscopic three-dimensional assembling apparatus according to the present invention.
FIG. 11 shows an SEM photograph of a joint where nickel particles are joined under a nitrogen gas atmosphere at room temperature.
FIG. 12 shows an SEM photograph of a joint where a joining object is heated to 200 ° C. to join nickel particles in a nitrogen gas atmosphere.
[Explanation of symbols]
1 Probe attitude control system
2 Centralized monitoring system
3 Surveillance mirror image display / recording system
4 Pulse voltage control power supply
5 Probe
6 Workbench
7 Work environment control system
8 Centralized control system
9 Monitoring device 1
10 Monitoring device 2
11 Monitoring device 3
12 Probe attitude control base
13 Work environment adjustment gas inlet
14 Gas temperature controller
15 Working environment adjustment gas guide
16 substrates
17 Workbench temperature controller
18 Condensed infrared ray generator
19 Power supply for capturing
20 Power supply for joining and processing
21 Raw materials
22 Raw material supply table
23 Raw material supply table height adjustment machine
24 Arch Guide
25 Monitoring device 4

Claims (9)

高融点材料からなるプローブ(5)、プローブ姿勢制御系(1)、プローブと基板間を5V〜20kVに亘り制御できるパルス電圧制御電源(4)、並進および回転の自由度をもつ作業台(6)、一点を多方位から同時に監視することにより作業台の微小作業域を立体的に監視する集中監視系(2)からなる微小物の組み立て・加工装置を備え、5μm〜1mmの微小物をプローブ先端の電界により捕捉し、プローブと基板間の放電により接合・加工する機能を合わせもつ微小物3次元アセンブル装置。A probe (5) made of a high melting point material, a probe attitude control system (1), a pulse voltage control power supply (4) capable of controlling the distance between the probe and the substrate in a range of 5 V to 20 kV, and a worktable (6) having translation and rotation degrees of freedom ), Equipped with a device for assembling and processing a minute object consisting of a centralized monitoring system (2) for monitoring a minute work area of the worktable three-dimensionally by simultaneously monitoring one point from multiple directions, and probe a minute object of 5 μm to 1 mm. A small three-dimensional assembling device that combines the function of capturing by the electric field at the tip and joining and processing by the discharge between the probe and the substrate. 請求項1において、微小物の組み立て・加工装置は作業環境制御系(7)を備え、作業環境制御系(7)が接合およびスパッター加工時に酸化防止や加工性向上の役割を果たすために、プローブと当該加工を受ける微小物と基板の一部を不活性ガス又は環境制御用ガス等でシールドする作業環境ガス制御装置(7a)を備えていることを特徴とする微小物3次元アセンブル装置。The apparatus for assembling and processing a micro object according to claim 1, further comprising a work environment control system (7), wherein the work environment control system (7) plays a role of preventing oxidation and improving workability during bonding and sputtering. And a work environment gas control device (7a) for shielding a part to be processed and a part of the substrate with an inert gas or an environment control gas or the like. 請求項1又は2において、作業環境制御系(7)として、微小物を良好に接合するために、作業環境ガスの予加熱、電熱ヒーター、細く絞った集光赤外線、もしくはこれらの組み合わせにより、接合部位を予め200℃以下の所定温度に加熱し、さらに放電による接合後の当該部位の温度降下速度を制御するための作業環境温度制御装置(7b)を備えていることを特徴とする微小物3次元アセンブル装置。3. The work environment control system (7) according to claim 1, wherein the work environment control system (7) is formed by preheating a work environment gas, an electric heater, a narrowly focused infrared ray, or a combination thereof in order to bond fine objects well. A minute object (3) comprising a work environment temperature control device (7b) for preliminarily heating a part to a predetermined temperature of 200 ° C. or lower and controlling a temperature drop rate of the part after joining by discharge. Dimensional assembly device. 請求項1又は2において、集中監視系(2)が複数の監視装置(9)(10)(11)を備え、一点を同時に多方位から監視する際に、複数の監視装置間で派生する光学的な干渉を防ぐため、それぞれ互いに重複しないような特定の波長域のみを出す光源と、その波長域のみを透過させるフィルターを通して監視する監視装置からなる集中監視系を含むことを特徴とする微小物3次元アセンブル装置。3. An optical system according to claim 1, wherein the centralized monitoring system includes a plurality of monitoring devices, and monitors one point from multiple directions at the same time. Small objects characterized by including a centralized monitoring system consisting of a light source that emits only a specific wavelength range that does not overlap each other and a monitoring device that monitors through a filter that transmits only that wavelength range in order to prevent mechanical interference Three-dimensional assembly device. 請求項1又は2において、パルス電圧制御電源(4)に放電開始条件がグロー放電であり、同条件が速やかに回復できるよう放電波形のパルス幅、パルス休止幅、パルス繰り返し周波数およびパルス波高値をそれぞれ独立して制御できることを特徴とした微小物もしくは基板のパルス電圧制御電源を装備したことを特徴とする微小物3次元アセンブル装置。The discharge start condition is glow discharge in the pulse voltage control power supply (4), and the pulse width, pulse pause width, pulse repetition frequency and pulse peak value of the discharge waveform are set so that the condition can be quickly recovered. A three-dimensional assembling apparatus comprising: a minute object characterized in that it can be controlled independently of each other; or a minute object equipped with a pulse voltage control power supply for a substrate. 請求項5において、パルス電圧制御電源(4)がpCオーダーの蓄積コンデンサーを多段に積層し、当該コンデンサー多段層を複数列装備した昇電圧回路を備え、放電時においては放電電力を蓄勢する当該コンデンサー層列と前記コンデンサー層列のバックアップコンデンサー層列を当該回路内に装備し、出力極性がバイポーラ型であるパルス電圧制御電源を装備したことを特徴とする微小物3次元アセンブル装置。The pulse voltage control power supply (4) according to claim 5, further comprising a step-up circuit comprising a plurality of pC-order storage capacitors stacked in multiple stages and a plurality of rows of the capacitor multi-layers, and accumulating discharge power during discharging. A micro object three-dimensional assembling apparatus comprising a capacitor layer array and a backup capacitor layer array of the capacitor layer array in the circuit, and a pulse voltage control power supply having a bipolar output polarity. 請求項5又は6記載の装置において、外部への電気的および電気力学的な擾乱を避けるために、微小物の捕捉・配置等の操作の直前まで、常にプローブと微小物を等電位にできる電源を装備したことを特徴とする微小物3次元アセンブル装置。7. The power supply according to claim 5, wherein a probe and a minute object are always kept at the same potential until immediately before an operation such as capturing and arranging a minute object in order to avoid external electric and electrodynamic disturbances. A three-dimensional assembling apparatus for small objects, comprising: 請求項1又は2において、高融点材料からなるプローブ(5)を、プローブ材質特性が高融点、高強度および低電気抵抗を満足する、W、WC、WSi、MoSi、TiB、ZrB、CrB等の材質のプローブとして、載置したことを特徴とする微小物3次元アセンブル装置。3. The probe (5) according to claim 1, wherein the probe (5) is made of W, WC, WSi, MoSi, TiB 2 , ZrB 2 , CrB whose probe material properties satisfy a high melting point, a high strength and a low electric resistance. A three-dimensional assembling apparatus for a minute object, which is mounted as a probe made of a material such as No. 2 . 請求項8において、プローブ(5)が放電を含む長時間の使用による避けられないプローブの損耗とそれに伴う先端の鈍角化、プローブの交換作業による作業の中断等を防ぎ、当該作業を長時間連続的に同一の電気的条件で行えるようにするため、同一線径をリールに巻き込んだプローブ送り出し機を装備し、かつ送り出されるプローブであることを特徴とする微小物3次元アセンブル装置。9. The method according to claim 8, wherein the probe (5) prevents inevitable wear of the probe due to long-time use including discharge, obtuse angle of the tip, interruption of the operation due to replacement of the probe, and the like, and continues the operation for a long time. A small object three-dimensional assembling apparatus, comprising: a probe feeding device in which the same wire diameter is wound around a reel so as to be able to perform under the same electrical conditions, and a probe to be fed.
JP2002238431A 2002-08-19 2002-08-19 3D assembly equipment for small objects Expired - Lifetime JP3787620B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002238431A JP3787620B2 (en) 2002-08-19 2002-08-19 3D assembly equipment for small objects

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002238431A JP3787620B2 (en) 2002-08-19 2002-08-19 3D assembly equipment for small objects

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004074352A true JP2004074352A (en) 2004-03-11
JP3787620B2 JP3787620B2 (en) 2006-06-21

Family

ID=32021852

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002238431A Expired - Lifetime JP3787620B2 (en) 2002-08-19 2002-08-19 3D assembly equipment for small objects

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3787620B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006088190A (en) * 2004-09-24 2006-04-06 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Joined body and joining method of minute ball having conductivity

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006088190A (en) * 2004-09-24 2006-04-06 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Joined body and joining method of minute ball having conductivity

Also Published As

Publication number Publication date
JP3787620B2 (en) 2006-06-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7392022B2 (en) Visible laser welding of electronic packaging, automotive electrical equipment, batteries, and other components
JP6067240B2 (en) Method and system for hybrid direct manufacturing
CN107761075A (en) Spin friction welded blank for PECVD heating shower nozzles
US3308264A (en) Adaptive positioning device
CN108372355A (en) A kind of electron beam fuse increasing material manufacturing device and method realized functionally gradient material (FGM) and prepared
CN109926695A (en) A kind of robot single machine is the same as the double non-melt pole electrical arc increasing material manufacturing method and apparatus that fill silk of mouth
CN110337339B (en) Electron beam apparatus and method for processing powdery material
CN1201364A (en) Method and apparatus for making circuit assembly and device thereof
US10532420B2 (en) Resistance spot welding of copper workpieces
CN116532844A (en) Camera assembly equipment and assembly method
TWI277475B (en) Surface processing method using electron beam and surface processing apparatus using electron beam
JP2004074352A (en) Three-dimensionally assembling device for micro-object
CN106835003B (en) Remelting device
CN114632989A (en) Circuit board repairing machine with movable induction heating
TW200403347A (en) Method and device for forming a body having a three-dimensional structure
CN114615821A (en) Fixed-point induction heating circuit board repair machine
JP3624990B2 (en) Joining method of minute objects
JP2018520262A (en) Laser coating method and apparatus for carrying out the same
CN212823458U (en) Picosecond laser drilling device for ceramic substrate
CN217571203U (en) Circuit board repairing machine with movable induction heating
JP7360850B2 (en) Underfill agent application device and underfill agent application method
JP2653424B2 (en) Manufacturing method of micro parts and micro structures using micro probe
CN217509149U (en) Fixed-point induction heating circuit board repair machine
US20030183676A1 (en) Production of a tailless ball bump
TW202146255A (en) High-resolution soldering

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20041021

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20041207

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050207

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20050329

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050530

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20050712

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050912

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20051018

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20051219

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20060228

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 3787620

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

EXPY Cancellation because of completion of term