JP2653424B2 - マイクロプローブによる微小部品・微小構造物の作製方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、マイクロプロー
ブによる微小部品・微小構造物の作製方法に関するもの
である。さらに詳しくは、この発明は、金属微小物を同
一のマイクロプローブにより連続して操作、接合および
加工することのできる、３次元微小構造物、微小電子部
品、精密機械部品などの組立、作製、補修などに有用
な、マイクロプローブによる微小部品・微小構造物の作
製方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】近年、３次元微小構造物、微
小電子部品、精密機械部品などの組立や作成のための、
ミクロンスケールの微小物を操作、接合、加工すること
のできる技術への要求が高まっている。従来より、微小
物の操作、接合、加工の方法には様々なものが知られて
おり、たとえば、微小物を操作して任意の位置に配置す
る方法としては、マイクログリッパ方式や微小管を用い
た吸引方式などの機械的な方法やＳＴＭを用いた方法な
どがあり、微小物を接合する方法としては、エレクトロ
ニクス実装技術としてマイクロソルダリング方法が知ら
れており、また、微小物を加工する方法としては、電子
ビームやレーザービームなどによる方法が知られてい
る。

【０００３】しかしながら、これらの従来の方法では、
１μｍ〜１００μｍ程度のミクロンスケールの微小物を
操作、接合、加工することは、精度を高めるための複雑
なプロセスを必要とするため、非常に困難であった。ま
た、電子ビームやレーザービームを用いることによる微
小物の加工方法は、真空雰囲気中において加工作業を行
わなければならないため、作業条件に制限があり、加工
装置も複雑なものになるという欠点があった。さらにま
た、操作、接合、加工の作業は、各作業専用の方法によ
り、別々の装置において行われるために、全ての作業を
行って微小部品を作製するには多大な時間を必要とし、
作製システム全体も複雑で大きなものとなるという問題
点があった。

【０００４】この発明は、以上のような従来技術の欠点
を解決するために創案されたものであり、金属微小物を
操作、接合・溶接、加工することにより微小部品・微小
構造物を作製することが、大気雰囲気中または不活性雰
囲気中においても簡便に精度良く可能とされる、新しい
方法を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、マイクロプローブにより金属微
小物を操作、接合、加工することにより微小部品・微小
構造を作製する方法であって、導体マイクロプローブと
導電性基板との間に電圧を印加して発生させた静電気力
により金属微小物をマイクロプローブに吸着・保持し、
これを所定位置に移動して、マイクロプローブと金属微
小物と導電性基板とを接触させた状態において、高電圧
を印加してアーク放電を発生させ、このアーク放電によ
り金属微小物を導電性基板またはこれに接続する金属微
小物に接合することを特徴とするマイクロプローブによ
る微小部品・微小構造物の作製方法を提供する。

【０００６】また、この発明は、マイクロプローブと導
電性基板を離した状態において、電圧低下防止のために
負荷に対し並列に接続した抵抗を有する高電圧電源を用
いて、高電圧・低電流による連続的なアーク放電を発生
させ、このアーク放電によるスパッタリングにより導電
性基板に微小な穴や溝などの微細加工することを特徴と
するマイクロプローブによる部品の作製方法も提供す
る。

【０００７】そして、この発明は、上記の作製方法にお
いて、金属微小物の操作、接合、加工を同一のマイクロ
プローブにより行うことを特徴としてもいる。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は、この発明のマイクロプロ
ーブによる微小部品・微小構造物の作製方法の概要を模
式図として示したものである。まず図１に沿って説明す
ると、以下の通りに要約される。 （ａ）対象微小物の選択 マイクロプローブ（１）を対象となる金属微小物（２
１）の上方に移動する。この時の高電圧直流電源（３）
によるマイクロプローブ（１）と導電性基板（２）との
間の印加電圧は０Ｖである。 （ｂ）微小物吸着 マイクロプローブ（１）を金属微小物（２１）に接触さ
せ、電圧を数十Ｖ程度印加する。この印加電圧により静
電気力が発生し、この静電気力によりマイクロプローブ
（１）の先端に金属微小物（２１）を吸着する。 （ｃ）微小物ピックアップ 金属微小物（２１）を引き上げ、導電性基板（２）の所
定の位置の上方に移動する。この時、金属微小物（２
１）は、マイクロプローブ（１）との間に働く静電気力
によりマイクロプローブ（１）の先端に安定に保持され
る。 （ｄ）微小物配置 その導電性基板（２）の所定の位置に金属微小物（２
１）を接触させ、印加電圧を０Ｖまたは逆電圧とするこ
とにより配置させる。このようにしてマイクロプローブ
と導電性基板間の印加電圧を制御することにより容易に
金属微小物を操作して、任意の位置に移動、配置するこ
とができる。

【０００９】図２は、この発明の方法における金属微小
物の接合についての模式図を示したものである。この図
２に示したように、たとえば上述のように操作されて導
電性基板（２）上に配置された金属微小物（２１）を、
マイクロプローブ（１）と金属微小物（２１）と導電性
基板（２）とが接触している状態で十ｋＶ程度の高電圧
を印加して、導電性基板（２）と金属微小物（４）との
間に発生させた接触アーク放電（２２）により、導電性
基板（２）に接合する。この接合が不十分である場合に
は、マイクロプローブ（１）を金属微小物（２１）から
離して、印加電圧を数ｋＶとし、これによりマイクロプ
ローブ（１）と金属微小物（２１）間に発生する空中ア
ーク放電により、金属微小物（２１）の表面と導電性基
板（２）の一部を溶かすことにより溶接することができ
る。また、導電性基板（２）上に金属微小物（２１）を
接合した後に、この金属微小物（２１）の上に、別の金
属微小物（２１）をマイクロプローブ（１）により移動
させて載置し、接触アーク放電によって、金属微小物
（２１）の相互を接合することもできる。このようにし
てマイクロプローブの位置および印加電圧を制御するこ
とにより、金属微小物と導電性基板をまたは金属微小物
相互を容易に接合することができる。また、金属微小物
が酸化性金属である場合には、アルゴンなどの不活性ガ
スを金属微小物周囲に噴射させ、不活性雰囲気中におい
て接合を行うこともできる。

【００１０】図３は、この発明の方法における金属微小
物または導電性基板の加工についての模式図を示したも
のである。マイクロプローブ（１）と上述のように配置
・接合された金属微小物（２３）との間を数μｍ〜数十
μｍに離して、印加電圧を数ｋＶとし、これによりマイ
クロプローブ（１）と金属微小物（２３）間に発生する
空中アーク放電（２２）によりスパッタリング現象及び
溶融現象を利用して金属微小物（２３）の加工箇所を微
細加工する。導電性基板を加工する際にも、金属微小物
の加工と同様にして微細加工する。このようにして加工
幅又は加工直径が数十μｍ〜数百μｍ、加工深さが数百
μｍ以下の微細加工を金属微小物または導電性基板に行
うことができる。また、この加工の際にマイクロプロー
ブ先端に溶融金属が付着するために該マイクロプローブ
先端が異形化することを防ぐために、マイクロプローブ
と加工対象物間に印加する電圧を逆極とすることによ
り、マイクロプローブ先端に付着した溶融金属を除去す
ることができる。

【００１１】上述の金属微小物の操作、接合、加工を同
一のシステムにおいて同一のマイクロプローブにより同
一の導電性基板上で連続して行う。これにより、システ
ム全体を小型・簡素化することができ、短時間で簡易に
微小物の作製を行うことができる。また、この発明の作
製方法におけるマイクロプローブを高融点導体とするこ
とにより、アーク放電に伴うマイクロプローブの消耗を
少なくさせることができる。

【００１２】以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発
明について説明する。もちろんこの発明は以下の例によ
って限定されるものではない。

【００１３】

【実施例】実施例１ この発明のマイクロプローブによる部品の作製方法によ
り金属微小物の操作、接合、および導電性基板の加工を
行った。図４は、この発明の一実施例であるプローブシ
ステムの構成を例示したものである。この図４に示した
プローブシステムは、マイクロプローブ、導電性基板、
負荷電力系、マイクロプローブ移動系、試料移動系、光
学系により構成されている。高融点導体からなるマイク
ロプローブ（１）は、直径０．６６ｍｍ、先端直径２μ
ｍのタングステン針であり、導電性基板（２）は、金板
である。マイクロプローブ（１）と該導電性基板（２）
間には、負荷電力系として容量±１０ｋＶ、１ｍＡの高
電圧直流電源（３）が接続されている。印加電極はプロ
ーブ側に、基板電極は接地（４）した構造となってい
る。マイクロプローブ（１）には、マイクロプローブ
（１）をＸ軸方向に移動させるＸ軸ステージ（６）、Ｙ
軸方向に移動させるＹ軸ステージ（５）、Ｚ軸方向に移
動させる粗動用Ｚ軸ステージ（７）と微動用Ｚ軸ステー
ジ（８）、マイクロプローブ（１）を回転させる回転ス
テージ（９）、および回転角度を設定する角度設定ステ
ージ（１０）（１１）からなるマイクロプローブ移動系
が備わっており、このマイクロプローブ移動系によりマ
イクロプローブ（１）を高精度で容易に導電性基板
（２）上を移動させることができる。また、導電性基板
（２）には、導電性基板（２）をＸ軸方向に移動させる
Ｘ軸ステージ（１２）、Ｙ軸方向に移動させるＹ軸ステ
ージ（１３）、Ｚ軸方向に移動させるＺ軸ステージ（１
４）、導電性基板（２）を回転させる回転ステージ（１
５）、および導電性基板（２）を固定させる試料固定用
ステージ（１６）からなる試料移動系が備わっており、
この試料移動系により導電性基板（２）を高精度で容易
に移動させることができる。試料固定用ステージ（１
６）はポンプ（１７）に接続してもいる。また、金属微
小物や作業空間、作業過程を観察するために、顕微鏡
（１８）（１９）、およびモニタ（２０）より成る光学
系が備わっている。この光学系により金属微小物の操
作、接合、および導電性基板の加工過程を観察する。

【００１４】図５は、金属微小物の操作過程の観察像を
示したものであり、直径６０μｍの金球を微小物とした
場合であって、図５（ａ）は、対象金属微小物の上への
マイクロプローブの移動、図５（ｂ）は、プローブと基
板間に約２０Ｖの電圧を印加しての微小物のマイクロプ
ローブ先端への吸着、図５（ｃ）は、金属微小物の引き
上げ及び保持、図５（ｄ）は、別の所定の基板表面位置
への金属微小物の移動及び配置を示したものである。

【００１５】また、図６は、金属微小物の基板への接合
時の、金属微小物と導電性基板との間にアーク放電が生
じ加熱されている状態の観察像を、マイクロプローブと
金属微小物と導電性基板とが接触した状態での接合とし
て示したものである。プローブと基板間の電圧は約１０
ｋＶ印加している。実施例２ この発明の方法により微小物の加工を行った。

【００１６】図７は、この時の導電性基板を微小物とし
た場合の加工過程の観察像を例示したものであり、プロ
ーブと基板との間を約５〜１００μｍ離して、１．４ｋ
Ｖ、１ｍＡの電力を負荷してアーク放電により加工を行
った場合の例である。図７（ａ）は、加工前を、図７
（ｂ）は、アーク放電による加工状態、図７（ｃ）は、
約１００μｍの直径で、深さ数十μｍの穴が約７分後に
開けられた導電性基板を示したものである。

【００１７】このように、同一のシステムにおいて同一
のマイクロプローブにより同一の導電性基板上で容易に
金属微小物を操作、接合、加工することができる。実施例３ この発明の方法を用いることにより、直径６０μｍの金
粒子の５連重による粒子タワーを作製した。

【００１８】図８は、この過程の観察像を示したもので
ある。高融点導体のマイクロプローブを金粒子に接触さ
せ、マイクロプローブと導電性基板との間の印加電圧を
１０Ｖとし、発生する静電気力によりマイクロプローブ
の先端に金粒子を吸着させ、静電気力によりマイクロプ
ローブの先端に保持されている金粒子を引き上げ、１０
０μｍ厚の金板の所定の位置に移動して接触させ、印加
電圧を−１０Ｖとすることにより配置する。次に、マイ
クロプローブと金粒子と金板とが接触している状態で１
０ｋＶ、１ｍＡの電圧を印加し、この印加電圧により金
板と金粒子間に発生する接触アーク放電により、金粒子
と金板を接合する。同様にして、金粒子の上に別の別粒
子を接合して積み重ねる。

【００１９】このようにして金属微小物を縦に配置・接
合させることにより粒子タワーを作製した。図８は、作
製した粒子タワーを示したものであり、図８（ａ）は、
金粒子１重、図８（ｂ）は、金粒子２重、図８（ｃ）
は、金粒子３重、図８（ｄ）は、金粒子４重、そして図
８（ｅ）は、金粒子５重の粒子タワー、図８（ｆ）は、
その金粒子５重の粒子タワーの立体像を示したものであ
る。

【００２０】このように、この発明のマイクロプローブ
による部品の作製方法を用いることにより、金粒子のよ
うな金属微小物を高精度に操作、接合することができる
ため、５重粒子タワーのような微細な部品を容易に作製
することができる。実施例３ この発明の方法により、直径６０μｍの金粒子とニッケ
ル粒子による運動機能を持った微小構造物を作製した。

【００２１】まず、図９は、この発明の一実施例である
運動機能を持った微小構造物の構成図を例示したもので
ある。この図９に示されるように、この微小構造物は、
金粒子（２４）の粒子タワーとニッケル粒子（２５）の
粒子タワーを接合させて成る逆Ｙのような形状を有して
おり、この微小構造物を支えている基板の下に交番磁界
（２６）を与えることにより磁歪材料であるニッケル粒
子（２５）が伸縮運動を行い、この伸縮運動により微小
構造物が往復運動を行う。図１０は、この運動機能を持
った微小構造物の観察像を示したものである。

【００２２】この図９に示される運動機能を持った微小
構造物を複数用いることにより、より複雑な形状を有す
る運動構造物を作製することができる。例えば、図１１
は、この発明の一実施例である運動機能を持った微小構
造物を用いた運動構造物の構成図を示したものである。
この図１１において、図９に示される運動機能を持った
微小構造物を３個、円周上に１２０°間隔でそれぞれ配
置し、それらの微小構造物の上に非磁性材の円板（２
７）を設置する。下方に交番磁界を与えることにより、
微小構造物のニッケル粒子の伸縮運動を行い、この伸縮
運動により微小構造物が往復運動を行い、この往復運動
により円板（２７）が回転運動を行う。

【００２３】このように、この発明の方法により、非常
に高精度で金属微小物を操作、接合、加工することがで
き、複雑な構造を持つ微細な構造物を容易に作製するこ
とができる。

【００２４】

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明は、
金属微小物を操作、接合・溶接、加工することを、同一
システムにおいて同一マイクロプローブにより同一基板
上で、さらには大気雰囲気中または不活性雰囲気中にお
いて、精度良く行うことができ、従って、金属微小物や
導電性基板などから成る微細な部品を作製することを簡
便に安価で行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の方法における金属微小物の吸着・移
動に関する操作の模式図である。

【図２】この発明の方法における金属微小物の接合の模
式図である。

【図３】この発明の方法における加工の模式図である。

【図４】この発明の一実施例であるプローブシステムの
構成図である。

【図５】この発明の方法による金属微小物の吸着・移動
の操作過程の観察像を示した図面に代わる写真である。

【図６】この発明の方法による金属微小物の接合過程の
観察像を示した図面に代わる写真である。

【図７】この発明の方法による加工過程の観察像を示し
た図面に代わる写真である。

【図８】この発明の方法による粒子タワー作製過程の観
察像を示した図面に代わる写真である。

【図９】この発明の方法により作製される運動機能を持
った微小構造物を例示した構成図である。

【図１０】この発明の一実施例である運動機能を持った
微小構造物の図面に代わる写真である。

【図１１】この発明の方法により作製される回転運動機
能を持った微小構造物を例示した構成図である。

【符号の説明】

１ マイクロプローブ ２ 導電性基板 ３ 高電圧直流電源 ２１，２３ 金属微粒子 ２２ アーク放電 ４ 接地 ５ Ｘ軸ステージ ６ Ｙ軸ステージ ７ 粗動用Ｚ軸ステージ ８ 微動用Ｚ軸ステージ ９ 回転ステージ １０ 角度設定ステージ １１ 角度設定ステージ １２ Ｘ軸ステージ １３ Ｙ軸ステージ １４ Ｚ軸ステージ １５ 回転ステージ １６ 試料固定用ステージ １７ ポンプ １８ 顕微鏡 １９ 顕微鏡 ２０ モニタ ２４ 金粒子 ２５ ニッケル粒子 ２６ 交番磁界発生コイル ２７ 円板

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−50195（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−321036（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−238744（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−151392（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロプローブにより金属微小物から
   微小部品・微小構造物を作製する方法であって、導体マ
   イクロプローブと導電性基板との間に電圧を印加するこ
   とにより発生させた静電気力により金属微小物をマイク
   ロプローブに吸着・保持して所定位置に移動し、マイク
   ロプローブと金属微小物と導電性基板とを接触させた状
   態において、高電圧を印加してアーク放電を発生させ、
   このアーク放電により金属微小物を導電性基板または他
   の金属微小物に接合することを特徴とするマイクロプロ
   ーブによる微小部品・微小構造物の作製方法。
2. 【請求項２】 請求項１の方法に続いて、マイクロプロ
   ーブと金属微小物を離した状態において、マイクロプロ
   ーブと金属微小物または導電性基板間にアーク放電を発
   生させ、このアーク放電によるスパッタリングもしくは
   溶融により金属微小物を微細加工することを特徴とする
   マイクロプローブによる微小部品・微小構造物の作製方
   法。
3. 【請求項３】 マイクロプローブにより微小部品・微小
   構造を作製する方法であって、導体マイクロプローブと
   導電性基板を離した状態において、マイクロプローブと
   導電性基板間にアーク放電を発生させ、このアーク放電
   によるスパッタリングもしくは溶融により導電性基板の
   微小域を微細加工することを特徴とするマイクロプロー
   ブによる微小部品・微小構造物の作製方法。