JP2004216537A

JP2004216537A - マイクロ部品の完全アレイ方法、及びアレイシステム装置

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Publication number: JP2004216537A
Application number: JP2003038987A
Authority: JP
Inventors: Noriya Hiruta; 礼弥蛭田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【課題】熱または静電気等による、微細で繊細なマイクロ部品への悪影響がなく、任意形状の多数のマイクロ部品を、規則正しくアレイさせることを目的とする。
【解決手段】規則正しくアレイしたい、任意の形状と厚みのグリッドを有するテンプレートを用い、そのテンプレート表面上に、アレイさせようとするマイクロ部品が完全には埋没しない程度に、導電性液体でもって所要な厚みの均一液面を形成する。次に、任意の形状を有した多数のマイクロ部品を、均一液面を有したテンプレート上を横にスライドさせる。それら多数のマイクロ部品は、導電性液体、テンプレート表面、テンプレートグリッド内部、及びマイクロ部品との、それぞれの濡れ性と界面張力のメカニズムによる界面張力差によって、テンプレートの全てのグリッド内部に一つずつ保持させる。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、任意の形状を有した多数のマイクロ部品を、規則正しくアレイさせることを目的とする。
【０００２】
具体的には、マイクロマシン製造を産業的に行うために必要とされるマイクロ部品アレイや、半導体ＢＧＡパッケージ、ＦＣ実装のためのマイクロボールグリッドアレイ（ＭＢＧＡ）に関する、マイクロ金属ボールアレイのための利用が挙げられる。
【０００３】
【従来の技術】
近年マイクロマシンの実用化を目指し、様々な研究および応用が押し進められている。多数のランダム状態なマイクロ部品を何十、何百、何千、何万個以上と規則的にアレイさせる方法は、今後マイクロマシンを産業的に製造するうえで重要となる技術である。
【０００４】
マイクロマシンを産業的に効率よく組み立てるためには、数μｍから数百μｍサイズの多数のランダム状態なマイクロ部品を、あらかじめパレット上などに所要の状態にアレイさせておき、組み立て工程においてマイクロ部品を扱いやすいように供給し、マイクロマシン製造の便宜を図ることが必要である。
【０００５】
この多数のマイクロ部品を規則的にアレイさせる従来法として、これまでに、以下に記載する方法が提案されている。
（１）吸引法
例えば特開平０６−３１０５１５に開示の如く、マイクロ部品が１個入るだけの搭載穴を有し、その裏面には、真空吸引しマイクロ部品を固定保持するための吸引孔が開いているテンプレートを利用し、テンプレートに振動を与えながらマイクロ部品を真空吸引する。また同様のテンプレートを用い、特開平４−７５３５７に開示の如く、テンプレート裏面部内を減圧状態にし、貫通孔を介しテンプレートの表側に吸引力を発生させ、マイクロ部品を所定の位置に吸引しアレイする方法である。
（２）スキージ法
例えば特開平８−３３０７１６に開示の如く、マイクロ部品の挿入孔を有した振込冶具を用い、マイクロ部品を挿入孔に没入する。マイクロ部品が全ての挿入孔に入るように、スキージで振込冶具の上を当接して移動すると共に、余分なマイクロ部品も除去する。
（３）液体浸漬法
例えば特開平１１−８２７２に開示の如く、液体を有した浴槽底面に、微小穴を有した所要のテンプレートを、液体に浸漬させるよう水平または傾斜させて固定し、浴槽に対し振動を加えながら、このテンプレート上面にマイクロ部品を降下させることによりアレイさせる。
（４）液体浸漬吸引法
例えば特許公開平１１−２４０６１２に開示の如く、液体を有した浴槽底面に、微小穴を有した所要のテンプレートを、液体に浸漬させるよう固定し、所要の吸引穴を有したテンプレートを用い、浴槽中の液体を吸引することにより、液体の流れに案内させて装着穴にマイクロ部品を吸着するようにしてアレイさせる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記記載の従来方法ではそれぞれに以下の問題がある。
（１）吸引法
吸引する際、振込テンプレートの一つの穴に２個以上の部品が重なり合ってしまったり、部品同士による摩擦抵抗等から起因する諸問題により、個々のマイクロ部品の挙動が安定せず、テンプレート表面の余分な部分にもマイクロ部品が集積してしまうなどして、アレイを確実に保ったまま余分な部品を除去するのは非常に困難である。さらに部品の大きさが１００μｍ程に小さくなると、吸引法にてアレイすること自体が限界に達している。
（２）スキージ法
スキージを移動する際、部品同士による摩擦抵抗等から起因する諸問題により、個々のマイクロ部品の挙動が安定せず、またマイクロ部品のように非常に質量が小さいものは、一般的重力下において的確にテンプレート中に収めるには困難を極める。さらに、スキージにより直接部品を移動させるわけであるから、微細で繊細なマイクロ部品に損傷を与えず、冶具とマイクロ部品とグリッドが引っかかるなどして生ずるテンプレート、マスク等の損傷防止を考えれば、数μｍから数百μｍサイズのマイクロ部品を、スキージ法にてアレイすること自体が限界に達している。
（３）液体浸漬法
液体浸漬法においては、個々のマイクロ部品の挙動を安定させるために液体中で行うものであるが、一般的重力下において、マイクロ部品のように非常に質量が小さいものでは、液中での浮力作用も影響し、たとえ浴槽に対し振動を加えながらテンプレート上面にマイクロ部品を降下させても、的確に溝や穴に収まるとは限らない。さらにテンプレート中の溝、穴以外に余分なマイクロ部品が付着した場合、それらを除去するために振動等を利用して拡散させようとすると、一度グリッド中に収まった部品がグリッド中から飛び出さないような振動条件で行う必要があり、この振動条件下において余分なマイクロ部品を完全に除去することは困難である。
（４）液体浸漬吸引法
（１）と同様、部品の大きさが小さいために的確に吸引されず、または振込冶具の一つの穴に２個以上の部品が重なり合ってしまい、さらには（３）同様、アレイを維持したまま余分なマイクロ部品の除去が困難である。すなわち液体浸漬吸引法においても、一つのテンプレートにおいて何十、何百、何千、何万個以上というグリッド中に、一つも欠けることなくマイクロ部品のアレイを完成させ、歩留まりの向上を図るためには、十分な信頼性が望めない。
【０００７】
更にこれら上記いずれの方法も、専ら球体形状部品に限って利用することを目的としているため、様々な形状の多数のマイクロ部品を効率よくアレイさせようとするならば、現状では非常に困難である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による多数のマイクロ部品アレイ方法は、規則正しくアレイさせるための、任意のグリッド形状と任意の厚みを有したテンプレートを用い、好ましくはそのテンプレートを水平、傾斜、垂直、反転状態に固定、または可変し、そのテンプレート上に、アレイさせようとするマイクロ部品が完全には埋没しない程度に、導電性液体でもって所要な厚みの均一液面を有させる。
それらのテンプレートを、好ましくは少なくとも二次元または三次元方向の微振動を加えながら、任意の形状を有した多数のマイクロ部品を、均一液面を有したテンプレート上を横にスライドさせる。それら多数のマイクロ部品は、導電性液体、テンプレート表面、テンプレートグリッド内部、及びマイクロ部品との、それぞれの濡れ性と界面張力のメカニズムによる界面張力差によって、グリッドを有したテンプレートグリッド内部で一つずつ保持されることを特徴とし、多数のマイクロ部品アレイを行うものとする。
なおここで、「規則的」とは、特別に定義された、或いは反復しうるパターンの間隔を有するものとして定義される。
【０００９】
また本発明によれば、上記方法の如く、導電性液体でもって均一液面を有させたテンプレートを、好ましくは少なくとも二次元または三次元方向の微振動を加えながら、任意の形状を有した多数のマイクロ部品を、均一液面を有したテンプレート上を横にスライドさせ、それら多数のマイクロ部品は、導電性液体、テンプレート表面、テンプレートグリッド内部、及びマイクロ部品との、それぞれの濡れ性と界面張力のメカニズムによる界面張力差によって、グリッドを有したテンプレートグリッド内部で一つずつ保持されることから、本工程を一回、または数回以上繰り返す作業により、何十、何百、何千、何万個以上という多数のマイクロ部品を的確にアレイさせることが可能になる。
【００１０】
さらに本発明によれば、上記方法の如く、多数のマイクロ部品は、導電性液体、テンプレート表面、テンプレートグリッド内部、及びマイクロ部品との、それぞれの濡れ性と界面張力のメカニズムによる界面張力差によって、グリッドを有したテンプレートグリッド内部で一つずつ保持されることから、テンプレート表面上におけるグリッド内部外の余分なマイクロ部品を、グリッド内部のマイクロ部品はそのままにしながらにして除去が可能となり、高歩留まりなマイクロ部品アレイが可能となる。
【００１１】
かかる方法において、テンプレート上に均一液面を有させる際、請求項７に記載の如くのチャンバーシステム装置によって、正確な均一液面を形成すると共にその液面状態を維持させることが好ましい。これによれば、単純構造かつ、安易に高精度な液面設定、及び液面設定補正が可能である。
【００１２】
また、かかる方法において、テンプレート上に均一液面を有させる際、請求項８に記載の如く、インクジェット法などに用いられている微量液滴供給装置によって、均一液面を有させ、高精度な液面設定、及び液面設定補正を行うことも好ましい。
【００１３】
更に、かかる方法において、任意の形状を有した多数のマイクロ部品を、均一液面を有したテンプレート上を横にスライドさせる際、請求項２に記載の如く、均一液面を有したテンプレートから一定距離離した冶具を、導電性液体に接触させた状態で横に移動させ、マイクロ部品のスライド移動、グリッド内部外の余分なマイクロ部品の除去、回収を行う方法を用いるのが好ましい。
これによれば、多数のマイクロ部品は界面張力によって誘導され、テンプレートと冶具とは一定の距離でもって離れているため、冶具とマイクロ部品とグリッドが引っかかるなどして生ずる、冶具による過剰な力がもたらすマイクロ部品の損傷を防止することができ、さらに微細で繊細なマイクロ部品の取り扱いが容易にできる。
【００１４】
また更に、一連のかかる方法は、請求項７に記載の如くのチャンバーシステム内において実行するのが好ましく、延いては請求項１〜８を組み合わせることから成る、マイクロ部品アレイシステム装置を提供できる。
【００１５】
以上説明したように、一連の本発明に従えば、任意形状の多数のマイクロ部品を効率的にアレイさせることができ、前記従来問題点克服に加え、低コスト化、歩留まり向上、信頼性向上を兼ね備えた方法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面と共に説明する。
図１（ａ）〜（ｅ）の工程は、請求項１記載の、図１５マイクロボールを例とした、本発明における基本メカニズムを示すものである。
図２（ａ）〜（ｄ）、図３（ａ）〜（ｅ）は、図１５マイクロボールを例とした、導電性液体、テンプレート表面、テンプレートグリッド内部、及びマイクロ部品との、それぞれの濡れ性と界面張力状態を示すものである。
図４（ａ）〜（ｉ）の工程は、図１５マイクロボールを例とし、請求項２記載の方法における、基本メカニズムを示すものである。
図５（ａ）（ｂ）、図６（ｃ）（ｄ）の工程は、図１５マイクロボールを例とした、多数のマイクロ部品アレイの経過状態を示すものである。
図７（ａ）（ｂ）、図８（ｃ）（ｄ）の工程は、請求項３記載の方法における、図１５マイクロボールを例とした、マイクロ部品アレイ修正の経過状態を示すものである。
図９（ａ）（ｂ）（ｃ）、図１０（ｄ）（ｅ）（ｆ）の工程は、請求項４記載の方法における、図１５マイクロボールを例とした、マイクロ部品アレイ修正における、過剰なマイクロ部品の除去、回収の経過状態を示すものである。
図１１（ａ）（ｂ）は、図１５マイクロボールを例とした、張力を稼ぐために好ましい、更に（ｂ）はグリッド内部からのマイクロ部品取り出しを容易にするための、グリッド形状一例である。
図１２は、請求項７、８記載における、均一液面形成、維持の基本メカニズムを示すものである。
図１５は、本実施例１で使用するマイクロ部品形状を示したものである。
図１６は、本実施例２で使用するマイクロ部品形状を示したものである。
【００１７】
実施例１
本発明は、かかる濡れ性と界面張力のメカニズムを巧みに利用し、
（１）任意のグリッド形状と任意の厚みを有したテンプレートを用い、
（２）好ましくはそのテンプレートを水平、傾斜、垂直、反転状態に固定、または可変し、
（３）そのテンプレート表面上に、アレイさせようとするマイクロ部品が完全には埋没しない程度に、導電性液体でもって所要な厚みの均一液面を有させて、
（４）それらのテンプレートを、好ましくは少なくとも二次元または三次元方向の微振動を加えながら、
（５）任意の形状を有した多数のマイクロ部品を、均一液面を有したテンプレート上を横にスライドさせ、
それら多数のマイクロ部品を、導電性液体、テンプレート表面、テンプレートグリッド内部、及びマイクロ部品との、それぞれの濡れ性と界面張力のメカニズムによる界面張力差によって、グリッドを有したテンプレートグリッド内部で一つずつ保持させることを特徴とし、多数のマイクロ部品アレイを行う。
【００１８】
また、かかる濡れ性と界面張力のメカニズムにより、
（６）マイクロ部品がテンプレートのグリッド内部で一つずつ保持されることから、本発明（４）、（５）の工程を一回、または数回以上繰り返す作業により、何十、何百、何千、何万個以上という多数のマイクロ部品を的確にアレイさせる。
【００１９】
また更に、かかる濡れ性と界面張力のメカニズムにより、
（７）マイクロ部品がテンプレートのグリッド内部で一つずつ保持されることから、テンプレート表面上におけるグリッド内部外の余分なマイクロ部品を、請求項４記載の方法により、グリッド内部のマイクロ部品をそのままにしながらにして除去を可能とし、高歩留まりなマイクロ部品アレイを提供する。
【００２０】
以上（１）〜（７）の工程は、
（８）請求項７、８記載の如く、チャンバーシステム装置内において実行する。更には、請求工１〜８を組み合わせることから成る、マイクロ部品アレイシステム装置を提供できる。
【００２１】
ここで（１）について、規則正しくアレイさせるための、任意のグリッド形状と任意の厚みを有したテンプレートを形成するには、マイクロ機械加工、エッチング法、マイクロ射出整形法など幾つかの手法があるが、テンプレート形成方法に限定はない。
「規則的」とは、特別に定義された、或いは反復しうるパターンの間隔を有するものとして定義される。
更に、「任意のグリッド形状と任意の厚み」とは、前述、図１、２、３記載の本発明メカニズムのように、導電性液体、テンプレート表面、テンプレートグリッド内部、及びマイクロ部品との、おのおのの濡れ性、界面張力による力の釣り合いを考慮したうえで、適当に決定すればよい。
テンプレートの材質は特に限定されず、使用する液体に対し濡れ性の良好なものが好ましい。
テンプレートのグリッド形状一例として、張力を稼ぐために好ましい、更にはグリッド内部からのマイクロ部品取り出しを容易にするための、グリッド形状具体例を図１１に挙げる。しかしこれらの具体例によって、本発明が限定されるものではない。
【００２２】
ここで（２）について、マイクロ部品の形状、材質等によっては、テンプレートを水平、傾斜、垂直、反転状態に固定、または可変することにより、マイクロ部品自身の自重によって、グリッドに入る物とそうでないものの差が出やすくなり、部品のアレイしやすさが向上する場合がある。また同等の理由から、余分なマイクロ部品の除去作業にける、作業向上性が期待できる場合がある。
【００２３】
ここで（３）について、使用する液体として、エタノール、メタノール、イソプロピルアルコール、エチルアルコール、水など、あるいはそれらの混合液体であってもよく、導電性を有した液体であれば、マイクロ部品形状、テンプレートグリッド形状、テンプレート表面形状、及びそれら材質による濡れ性、界面張力の特性を考慮した上で適当に決めればよい。
【００２４】
ここで（４）について、振動を加えることにより個々のマイクロ部品がグリッド内部に入りやすくなるという作用がある。しかしながら、マイクロ部品形状、テンプレートグリッド形状、テンプレート表面形状、及びそれら材質による濡れ性、界面張力によっては、振動をとめてのアレイ作業、及びグリッド内部外の余分なマイクロ部品除去作業を行う方が好ましいこともあるので、使用したテンプレート、マイクロ部品の材質や形状、液体の性質などを考慮したうえで、振動の有無、特性などは適当に決めればよい。
【００２５】
ここで（５）、（６）、（７）について、本実施例では、多数のマイクロ部品を横にスライドさせる際、及びアレイ修正、過剰なマイクロ部品の除去、回収において、請求項２記載の方法により実施した。図４、９、１０はそのメカニズムを示すものであるが、これらの図による冶具の形状、冶具のテンプレートからの距離、及び液面高さ等が本発明を限定するものではない。
【００２６】
実施例２
図１３（ａ）（ｂ）、図１４（ｃ）（ｄ）の工程は、図１６マイクロギヤを例とした、多数のマイクロ部品アレイの経過状態を示すものである。
本実施例は、実施例１と同様の方法による。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、従来方法では成し得なかった、様々な形状の多数のマイクロ部品アレイを効率よく容易に実現可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｅ）の工程は、請求項１記載の、図１５マイクロボールを例とした、本発明における基本メカニズムを示すものである。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、図１５マイクロボールを例とした、導電性液体、テンプレート表面、テンプレートグリッド内部、及びマイクロ部品との、それぞれの濡れ性と界面張力状態を示すものである。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は、図１５マイクロボールを例とした、導電性液体、テンプレート表面、テンプレートグリッド内部、及びマイクロ部品との、それぞれの濡れ性と界面張力状態を示すものである。
【図４】（ａ）〜（ｉ）の工程は、図１５マイクロボールを例とし、請求項２記載の方法における、基本メカニズムを示すものである。
【図５】（ａ）（ｂ）の工程は、図１５マイクロボールを例とした、多数のマイクロ部品アレイの経過状態を示すものである。
【図６】（ｃ）（ｄ）の工程は、図１５マイクロボールを例とした、多数のマイクロ部品アレイの経過状態を示すものである。
【図７】（ａ）（ｂ）の工程は、請求項３記載の方法における、図１５マイクロボールを例とした、マイクロ部品アレイ修正の経過状態を示すものである。
【図８】（ｃ）（ｄ）の工程は、請求項３記載の方法における、図１５マイクロボールを例とした、マイクロ部品アレイ修正の経過状態を示すものである。
【図９】（ａ）（ｂ）（ｃ）の工程は、請求項４記載の方法における、図１５マイクロボールを例とした、マイクロ部品アレイ修正における、過剰なマイクロ部品の除去、回収の経過状態を示すものである。
【図１０】（ｄ）（ｅ）（ｆ）の工程は、請求項４記載の方法における、図１５マイクロボールを例とした、マイクロ部品アレイ修正における、過剰なマイクロ部品の除去、回収の経過状態を示すものである。
【図１１】（ａ）（ｂ）は、図１５マイクロボールを例とした、張力を稼ぐために好ましい、更に（ｂ）はグリッド内部からのマイクロ部品取り出しを容易にするための、グリッド形状一例である。
【図１２】は、請求項７、８記載における、均一液面形成、維持の基本メカニズムを示すものである。
【図１３】（ａ）（ｂ）の工程は、図１６マイクロギヤを例とした、多数のマイクロ部品アレイの経過状態を示すものである。
【図１４】（ｃ）（ｄ）の工程は、図１６マイクロギヤを例とした、多数のマイクロ部品アレイの経過状態を示すものである。
【図１５】は、本実施例１で使用するマイクロ部品形状を示したものである。
【図１６】は、本実施例２で使用するマイクロ部品形状を示したものである。
【符号の説明】
１１導電性液体による均一液面を有したテンプレート
１２、１２２テンプレート
１３、４３、５３、１１３グリッド
１４、４４、５４グリッド内部
１５、４５、１２５導電性液体
１６、４６、１１６マイクロボール
４７、９７冶具
５８ランダム状態な多数のマイクロ部品（マイクロボール）
５９スライド中のマイクロ部品（マイクロボール）
７１０欠落状態のグリッド
９１１グリッド内部外の余分なマイクロ部品（マイクロボール）
１３８ランダム状態な多数のマイクロ部品（パウダーギヤ）
１３９スライド中のマイクロ部品（パウダーギヤ）

Claims

任意のグリッド形状と任意の厚みを有するテンプレートの表面上に、アレイされるマイクロ部品が完全には埋没しない厚みに導電性液体の均一液面を形成し、任意形状の多数のマイクロ部品を、テンプレートの全てのグリッド内部に一つずつ保持させることを特徴とする、多数のマイクロ部品の完全アレイ方法。
請求項１において、任意形状の多数のマイクロ部品を、導電性液体に接触させた状態でテンプレート表面上をスライドする冶具により移動させることを特徴とする、多数のマイクロ部品の完全アレイ方法。
請求項１及び２において、全てのグリッド内部にマイクロ部品を保持させるために、冶具をテンプレート上で移動させる回数を複数回とすることを特徴とする、多数のマイクロ部品の完全アレイ方法。
請求項１〜３において、グリッド内部に固定されずにテンプレート表面上に重なっているマイクロ部品を、冶具のスライドによって除去することを特徴とする、多数のマイクロ部品の完全アレイ方法。
請求項１または１〜４において、テンプレートを水平、傾斜、垂直、反転状態に固定または可変させながら冶具を移動させることを特徴とする、多数のマイクロ部品の完全アレイ方法。
請求項１または１〜５において、テンプレートを二次元または三次元方向に微振動させながら冶具を移動させることを特徴とする、多数のマイクロ部品の完全アレイ方法。
請求項１〜６において、導電性液体の気液平衡状態、及び室内温度を制御することができるチャンバー中で均一液面を形成せしめることを特徴とする、多数のマイクロ部品の完全アレイ方法。
請求項１〜７において、導電性液体の供給を微量液滴供給装置によって行うことを特徴とする、多数のマイクロ部品の完全アレイ方法。
請求項１〜８を組み合わせることから成る、マイクロ部品アレイシステム装置。