JP4212327B2 - 所望の構造体を形成するために部材を切断する方法 - Google Patents

所望の構造体を形成するために部材を切断する方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改良された切断方法、特に、層、膜部材または、薄膜構造体をレーザーカットすることによって構造体を製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
様々な構造体において、必要とする形成体を形成するために、膜や層、薄膜をレーザーカットにより切断しなければならない場合が多々ある。例えば、超小型電気機械および超小型電子素子といった分野では形成体を切断する際に、レーザーカットの正確さなどの特徴が必要とされる。また、このような素子では、ソース基板から切り抜いた繊細な薄膜構造体をターゲット基板上の新たな場所に輸送しなければならない場合が多々ある。したがって、薄膜形成体を切断し輸送する多数の異なる方法が開発された。例えば、低粘着性の粘着物や静電気を利用する方法である。これらにより、このような薄膜形成体を構成し、輸送することが可能になった。
【0003】
【特許文献1】
米国特許第6,210,514号
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
薄膜形成体を加工し、装着する方法が米国特許第6,210,514号(チャング等)に教示されている。薄膜形成体を切出し、切出し元の層や粘着性の輸送層から分離する処理では、該薄膜形成体を変形、変更、加圧、破損するという、望ましくない結果になり得る場合が多々ある。こうした欠陥は、僅かな変形や不適切な位置決めといったものから、大きな裂け目や構造的な欠損といったものまで多岐にわたるが、こうした欠陥が生じると、最終的に、かかる薄膜形成体を装着する超小型電気機械素子が不良となる可能性がある。
【0005】
上記米国特許が開示する装着物の加工方法を要約すると次のようになる。つまり、薄膜を低粘着性の重合体膜に固着し、その位置で、これを加工して薄膜構造体を規定する。次に、この薄膜構造体(または薄膜構造体列)を、ほぼ変形が生じない状態で、重合体膜から分離する。この方法により、ガラス、シリコン、プリント回路ボード等の多様なターゲット基板に、多様な超小型電気機械および超小型電子素子における使用に適した、ほぼストレスフリーの薄膜構造体を、装着できる。
【0006】
しかし、低粘着性の重合体膜を貫通して切断された構造体は、融解した重合体物質や、低粘着性の重合体膜を薄膜構造体から剥がす際に生じる可塑性の変形に因る縁部の汚染によって誘引される大きなストレスを有する。更に、低粘着性の重合体膜を貫通してレーザーカットすると、ダストが溜まる。こうしたダストは、該薄膜や、該薄膜が最終的に装着される超小型電気機械素子を更に汚染する元となる。薄膜上に溜まったダストは、超小型電気機械または超小型電子素子の機能に悪影響を及ぼす。更に、薄膜形成体の製造中に低粘着性の重合体膜をレーザーカットしてしまうと、別の薄膜構造体を切断して同様の形成体を作るために、この重合体膜を再使用することができない。もし再使用可能であれば、コスト削減を推進し、効率を改善すると思われる。
【0007】
【課題を解決するための手段】
したがって、正確なレーザーカットが求められる薄い形成体等の構造体を製造する改良されたレーザーカット方法および装置が必要とされる。本発明は、この必要性に対する解決策に関する。
【0008】
本発明の一例示的実施形態によると、レーザーを用いて部材を切断する方法は、部材を提供するステップから開始される。次に、テンプレートを用意し、部材に接着する。更に、レーザーを、該テンプレートに交差せずにこれを通過するように放射し、該部材を切断して、所望の形成体を製造する。この時、レーザーはテンプレート構造体と交差しないのでこれを切断せず、余計なレーザーカットダストが生じない。
【0009】
本発明の更に別の態様によると、テンプレートを通過するようにレーザーを放射するステップは、レーザーが該テンプレートを切断せずにこれを通過し、部材を、該テンプレートに対応するパターンに切断するように、レーザーの方向を定めることを含む。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の実例となる実施形態は、レーザーを用いて部材を切断する改良された方法および装置に関する。本発明に係る方法によれば、まず、部材(膜または薄膜の場合が多い)をテンプレートに固着する。このテンプレートは、通常は該部材を切り抜きたい所望の形成体の形状を有する複数の開口部またはパターンを有する。このテンプレートにより、部材、特に、追加的な支えを必要とする薄膜部材等の部材を支え、更に、レーザーが該テンプレートに形成された開口部を通過して該部材を直接切断できるようにする。この時、テンプレートの層を切断することはない。テンプレートによる支えのために、部材に加わるストレスが軽減され、切断処理の前および処理中において、部材をより確かに保持する。さらに、このテンプレートにより、部材だけでなくテンプレート層も貫通して切断することによって生じていたレーザーダスト粒子を生じないようなアクセスをレーザーに提供する。レーザーダストの発生量が減ることで、仕上げられた形成物の全体的な品質が向上し、部材形成物の輸送や使用を妨げる不要なダスト粒子が減少する。
【0011】
図1は、本発明の教示に係る重合体部材16を示す。重合体部材16に言及して、本明細書における説明を行なう。当業者は、該部材が多数の他の物質から作られても良いことが分かるであろう。例えば、薄いシリコンタック層を有する金属や、静電気粘着によって付着する無被膜プラスチック等である。重合体部材16は、第1切抜部24と、第2切抜部26と、第3切抜部28とを有する。重合体部材16は、化学的に不活性である多数の異なる重合体物質から形成できる。重合体部材16は低粘着性特性を有し、例えば、ポリシロキサン、ポリウレタン、ウレタン、スチレン、オレフィン、コポリエステル、ポリアミド、金属処理可能なその他のゴム物質等から形成されることが好適である。適切な2種類の物質が、Dow Corning Corp.製のSYLGARD184、Vichem Corporation of Sunnyvale,CA製のGEL−PAKとして周知である。
【0012】
第1、第2、第3の切抜部24,26,28は、レーザーが重合体部材16に交差せず、つまり重合体部材を切断せずに通過できるようにする、重合体部材16に形成された切込みを示す。レーザーは重合体部材16を通過し、重合体部材16の反対側にある物体を切断する。これを以下で詳述する。
【0013】
図2〜図15は、図1の線A−Aに沿った、重合体部材16(および、重合体部材16の代替的な形成物または構造物)の断面図である。
【0014】
本明細書で教示する切断方法は、多数の異なる層、膜、薄膜、面、物体等に適用できるが、説明を明瞭にするために、図2に示すような薄膜アセンブリ10を例にとって、本発明の特徴や態様を説明する。薄膜アセンブリは、レーザーである切断要素によって切断される。また、レーザー以外の切断要素も使用できる。これは、一部には、切断する物によって異なる。当業者は、本発明の教示が薄膜アセンブリ以外の物体にも適用できることが分かるだろう。実際、本発明の教示は、レーザーカットが必要な他の、例えば、金属ホイル、テキスタイル、薄織物、生体膜等といった周知の物体に加え、本明細書に記載された多数の構造体にも適用できる。
【0015】
図2は、薄膜アセンブリ10の例を示す。金属層12は、合成層14と組み合わされて薄膜アセンブリ10を形成する。合成層14は、例えば、MYLAR等でも良い。これは、E.I.Du Pont de Nemours and Company Corporation of Wilmington,Delawareから入手できる。合成層14が金属層12を支え、絶縁するので、金属層12にかかる不要なストレスが軽減される。同様の方法で取扱うことができる均質または合成薄層のアセンブリは、他にも多数あるだろう。
【0016】
レーザー36である切断要素(図7)が、薄膜アセンブリ10を切断して所望の数の形成体片にする。しかし、レーザー36の熱によってストレスが生じることや、その後に形成体を輸送すること等のために、図3に示す重合体部材16が有益になる。重合体部材16を薄膜アセンブリ10の上面に接着する。重合体部材16は、第1切抜部24と、第2切抜部26と、第3切抜部28とを有する。切抜部24、26,28の各々は、薄膜アセンブリ10を切断するための所望のパターンまたは形状に対応する。
【0017】
図4および図5は、薄膜アセンブリ10の底面に接着された重合体ベース18である追加的な重合体部材に関する代替的な変形例を示す。図4の重合体ベース18は固体構造体であり、これが追加的な支えとなるので、製造処理中に薄膜アセンブリ10を輸送することが容易になる。重合体ベース18は開口部を有さず、低粘着性の表面を有して、薄膜アセンブリ10の合成層14に緩やかに接着できる。
【0018】
図5では、重合体部材16に加えて第2の重合体部材20が設けられている。薄膜アセンブリ10は、第1の重合体部材16と第2の重合体部材20との間に挟持される。第2の重合体部材20は、図4の重合体ベース18と同様の基礎構造として機能する。固体重合体部材18の構造とは異なり、第2の重合体部材20は、自身を貫通する開口部群を有する。第4切抜部30、第5切抜部32、第6切抜部34である開口部群は、上述の第1、第2、第3切抜部24、26,28とほぼ同じ形状で、ほぼ同じ場所に形成されている。したがって、重合体部材16と第2の重合体部材20とを並び揃えると、第1、第2、第3切抜部24、26,28と第4、第5、第6切抜部30、32,34とがほぼ一致し、重合体部材16と第2の重合体部材20とのアセンブリを完全に貫通する開口部が形成される。
【0019】
切抜部24、26,28,30,32,34により、レーザーは、重合体部材16、20に挟持された薄膜アセンブリ10を、これらの部材16,20のいずれをも切断または接触することなく、貫通できる。あるいは、図4のアセンブリでは、レーザーが薄膜アセンブリ10を貫通して固体重合体部材18をキスカットする際にレーザーが薄膜アセンブリ10の底端で切断を止めるように、調節しなければならない。2枚の支持層重合体膜16、20の粘着性は異なるので、第1の膜16を剥がす際に、薄膜は第2の膜20に接着されたまま残る。
【0020】
実際の多数の層構造は、当業者が理解するように、多様性があっても良いことが分かるであろう。例えば、他の層とは異なる開口部や切抜部を有する層があっても良いし、他の層とは異なる物質で作られた層があっても良いし、他の層より大きな、または小さな層があっても良い。図6は、例えば、図5の構成体と類似する層が積層された様子を示す。図6では、8層の薄膜アセンブリ10が積層され、各々が重合体部材によって分離されている。これにより、薄膜アセンブリと組み合わされた重合体部材の積層22が形成される。重合体部材の各々は、第1切抜部24と、第2切抜部26と、第3切抜部28とを有する。したがって、積層22を通過するレーザーは、重合体部材を切断することなく、切抜部24、26,28の各々を通過できる。
【0021】
図7および図8は、薄膜アセンブリ10を切断して所望の形成体にするレーザーカット処理の一部を示す。レーザー36は、図示するように、第1、第2、第3切抜部24、26,28の各々の外辺部に沿って下向きの切断方向に向けられる。図7では、レーザー36は重合体部材16とは接触しないが、薄膜アセンブリ10の金属層12および合成層14を貫通して切断する際に、固体重合体部材18をキスカットする。切抜部24、26,28が存在するので、レーザーは、切断処理中および、その後の薄膜アセンブリ10の輸送中において薄膜アセンブリ10を所定の場所に保持する追加的な支えとなる重合体部材16を通過できる。
【0022】
図8は、レーザー36が薄膜アセンブリ10を貫通して切断した後の様子を示す。レーザーは、第1切抜部24を通過し、金属層12およびそれに続く合成層14を貫通して切断した後に固体重合体部材18の上辺部まで達する。こうしたレーザーカット38により、薄膜アセンブリ10を、金属層12および合成層14と、新たな合成層形成体15と接合された新たな金属層形成体13とに分離する。図8では、金属層および合成層形成体13、15の各々を、レーザーカット38によって囲まれた3片の分離した片として図示する。
【0023】
製造処理における次のステップは、多くの場合、重合体部材16と共に、元来の薄膜アセンブリ10の不要な金属層12および合成層14を除去することである。図9は、これらの不要な要素を除去した結果を示す。除去後、金属層形成体13と合成層形成体15とが重合体部材18の上面に残される。重合体部材18の低粘着特性が、金属層形成体13および合成層形成体15を所定場所に保持する助けとなる。以下で詳述するように、図4、図5、図6に示す例示的な実施形態において、不要な要素は、除去時に落下する(または吹き飛ばされる)。
【0024】
図10は、金属層形成体13および合成層形成体15を所望の場所に移動する移動処理の第1のステップを示す。この図では、粘着部材である輸送部材40が金属層形成体13の表面に押し付けられる。輸送部材40との粘着力は、固体重合体部材18との粘着力より大きい。したがって、図11に示すように、輸送部材40を持ち上げると、合成層形成体15が重合体部材18から剥がれ、輸送部材40と共に輸送される。
【0025】
次に、図12に示すように、輸送部材40から金属層形成体13および合成層形成体15を、例えば回路基板44等の所望の位置に落下させる。スポット溶接42、つまり接着を行なうことで、金属層形成体13および合成層形成体15を基板44に結合させる。続いて、図13に示すように、輸送部材40を金属層形成体13から剥がすと、基板44に溶接された金属層形成体13および合成層形成体15が所望の位置に残される。
【0026】
図14は、本発明の教示にしたがった代替的なアプローチを示す。この構成は、図5の構成と類似しており、第1、第2、第3切抜部24、26,28を有する重合体部材16と、第4、第5、第6切抜部30、32,34を有する第2の重合体部材20とが設けられている。レーザー36によって、薄膜アセンブリ10に所望の切り込みを入れる。
【0027】
図15は、レーザーカットを行なった結果を示す。ここでは、レーザー36による切断後、金属層形成体13および合成層形成体15が、金属層12および合成層14から基板44上に落下する。重合体部材16および第2の重合体部材20であるテンプレートに開口部または切込部が形成されているので、金属層12および合成層14の形成体13、15は直接、基板44の上に落下する。輸送部材40は必要ない。この構成体によれば、金属層形成体13および合成層形成体15を切断場所から基板44に移動することによって薄膜に加えられるストレスが非常に軽減される。金属層形成体13および合成層形成体15を基板44上に落下させると、図13に示すように、追加的な溶接処理42を行って、金属層形成体13および合成層形成体15を所定の位置に装着することができる。
【0028】
図16は、本発明の更に別の実施形態を示す。この形態において、重合体物質46は、個々のフラップ50を形成する多様な異なる切込部48を有する。当業者は、図16および他の図に示すような、任意の数の異なるパターンを使用して、薄膜形成体のための多様な異なるパターンおよび形状を作成できることが分かるであろう。
【0029】
当業者が理解するように、多数の異なる切断用具を用して、金属層および合成層12,14を切断できる。例えば、多様な機械、電気、化学、音波、光学技術である。本発明において活用するような重合体部材16と共に使用できる切断技術としては、スタンピング、型抜き切断、キスカット、せん断、パンチ、ブレーキング、成形、曲げ、鍛造、粒状化、等々がある。電気技術は、高周波数による電気スパークを用いた電気放電加工等を更に含む。化学技術は、化学/機械研磨、電気機械加工、電解研磨、電気化学アーク加工、酸電解毛管ドリリング(acid electrolyte capillary drilling)等を含むことができる。音波技術は、超音波加工、超音波ツインドリリング、レーザーカットやドリリング等のその他の光学的技術を含むことができる。
【0030】
本発明は、脆い薄膜や薄膜アセンブリのレーザーカットに関連して特に有益である。薄膜は有機、無機、または合成膜でも良い。通常、薄膜は、異なるストレスが加えられることに対して非常に敏感である。薄膜を取扱ったり処理することで、シワ、折り目、スクラッチ、ストレッチ、汚染、残留ストレス等が生じることが多々ある。こうした異なる行為のいずれに因っても、薄膜を永久に損傷してしまう可能性がある。薄膜を重合体部材と共に積層することで、こうした損傷が生じる可能性は非常に軽減される。
【0031】
本明細書で説明する重合体部材は任意の数の異なる物質から形成できて、薄膜アセンブリを支える。重合体部材は、化学的に不活発である多様な重合体物質から形成でき、クロスリンクまたはゲルの状態で使用できる。透明または実質的に透明である重合体部材を使用しなければならない実施形態もある。低粘着性のエラストマー膜を活用して、膜の、フィルムに対する粘着を助けることが好適である。しかし、無被膜プラスチック、金属、または薄いシリコン層を有する金属等の層構造体を支持膜として使用しても良い。支持部材は可撓性を有し、寸法的に安定した非可伸性を有することができる。
【0032】
通常、金属層を追加的に支える薄膜アセンブリの合成層は、約10ミクロンの厚みを有し、約0.1ミクロンの厚みを有する金属層を支える。当業者は、ポリエステルまたはアルミニウムの薄膜(これらは非常に一般的である)に加えて、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミド等の有機ポリマを含むその他の重合体に基づく薄膜を使用できることが分かるだろう。実施形態の中には、シランまたはその他シリコン等の無機ポリマを追加的に使用しなければならないかもしれない形態もある。また、超小型電気機械および超小型電子素子の中には、ガラスまたはポリクリスタルフィルム、シリカウェーハ、または、半導体処理産業において通常使用されているその他の結晶物質を使用しなければならない物もある。多数の非導電誘電性フィルムに加え、クロミウミ、銅、錫、または金等の導電性金属フィルムも活用できる。重合体層を有さない均質で薄い金属ホイルや、金属ホイルを有さない重合体薄膜や、生体膜等も、同様の方法で扱うことができる。
【0033】
本明細書で説明するような薄膜アセンブリのレーザーカットに用いられる一般的なレーザーは、従来の50ワット赤外二酸化炭素レーザーであり、これは、200ミクロンビームダイアメタニアフォーカス(diameter near focus)によって約10ワットで動作する。レーザーカット処理の間、薄膜アセンブリは、加熱され、蒸発し、レーザーによる切り口が残る。本発明においては、薄膜アセンブリだけが切断され、重合体部材であるテンプレートは切断されない。
【0034】
前述のように、薄膜アセンブリをレーザーカットした場合に出る粒子やダストの集積は、品質制御の問題を意味する。重合体部材16、20を使用すれば、レーザーによって切断される物質の量は大幅に削減され、レーザーカットによって生じるダストの量も大幅に削減される。これにより、粒子等による汚染に関連する品質制御の問題が大幅に軽減する。重合体部材16、20によるテンプレートを用いて追加的な支えとすることで、薄膜アセンブリを所望通りに輸送するために必要な支えが得られる。
【0035】
さらに、テンプレートまたは重合体部材16に形成される切抜部の形状を、実質的に変えることができる。この形状は、所望の形成体を厳密に真似ても良いし、もっと大胆に異なる形状にしても良い。例えば、所定の縁によって、所望の形成体の線を正確になぞる形状としても良い。また、例えば、正方形、長方形、円等といった一般的な形状の開口部でも良く、この場合、レーザーは、テンプレートの切込部の縁に囲まれた領域において、薄膜フィルムを、より独特な形状に切り抜くことができる。
【0036】
図17および図18に操作の流れを示す。図17では、最初に切断対象となる物体(例えば薄膜アセンブリ10)を、事前に切断されたテンプレート(例えば、重合体部材16)とベース部材(例えば、重合体ベース18)とによって挟持する(ステップ60)。切断装置(例えば、レーザー36)は、テンプレートに形成された開口部を通過して、薄膜アセンブリ10を所望のパターンまたは形状に切断し、ベース部材をキスカットする(ステップ62)。テンプレートおよび薄膜アセンブリの不要な部分を除去する(ステップ64)。輸送部材(例えば、粘着被膜部材)を薄膜アセンブリに押し当て、ベース部材の一部を持ち上げる(ステップ66)。輸送部材により、切り取り部分を所望の場所に移動し(ステップ68)、例えば基板上に降ろす。切り取り部分を基板に、例えば溶接処理等によって固定し(ステップ70)、この、所定の場所に装着された切り取り部分から輸送部材を剥がす(ステップ72)。
【0037】
図18は、本発明の教示に係る代替的な方法を示す。最初に、物体を、テンプレートと、テンプレートと同様の切り抜き区分を含むベースとで挟持する(図14に示す)(ステップ74)。切断装置を、上面テンプレートの穴に通し、続いて、下のベースの開口部にも通しながら、これらに挟持された物体を切断する(ステップ76)。目的物の切り取り部分を、薄膜アセンブリの下に置かれた基板上に落とし(ステップ78)、所望通りに基板に固定する(ステップ80)。
【0038】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、レーザーによって切断される物質の量は大幅に削減され、レーザーカットによって生じるダストの量が大幅に削減される。これにより、粒子などによる汚染に関する品質制御の問題が大幅に改善される。また、テンプレートによる支えのために、部材に加わるストレスが軽減され、切断処理の前及び処理中において、部材をより確かに保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一態様に係る重合体部材を示す図である。
【図2】 図1の薄膜アセンブリの、線A−Aに沿った断面図である。
【図3】 本発明の一態様に係る薄膜アセンブリと重合体部材の断面図である。
【図4】 本発明の一態様に係る薄膜アセンブリと2枚の重合体部材の断面図である。
【図5】 本発明の別の態様に係る薄膜アセンブリと2枚の重合体部材の断面図である。
【図6】 本発明の一態様に係る積層アセンブリの断面図である。
【図7】 本発明の別の態様に係る2枚の重合体部材に挟持された薄膜アセンブリの断面図である。
【図8】 本発明の一態様に係るレーザー切り込みを入れた図7のアセンブリを示す図である。
【図9】 本発明の別の態様に係る粘着層上の金属層およびポリエステル形成体の断面図である。
【図10】 本発明の一態様に係る粘着層を有する、図9のアセンブリの断面図である。
【図11】 本発明の一態様に係る形成体に結合された、図10の粘着層の断面図である。
【図12】 本発明に別の態様に係る基板に結合される接着剤および形成体の断面図である。
【図13】 本発明の教示に係る基板上に装着された形成体の断面図である
【図14】 本発明の一態様に係る2枚の重合体部材の間に挟持された薄膜アセンブリの断面図である。
【図15】 本発明の別の態様に係る、抜き落とされて基板上に置かれた形成体を有する、図14のアセンブリの断面図である。
【図16】 本発明の別の態様に係る重合体部材の代替的な実施形態を示す図である。
【図17】 本発明の一態様に係る切断処理を示すフローチャートである。
【図18】 本発明の別の態様に係る追加的な切断処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
10 薄膜アセンブリ、12 金属層、13 金属層形成体、14 合成層、15 合成層形成体、16 重合体部材、22 積層、24 第1切抜部、26第2切抜部、28 第3切抜部、30 第4切抜部、32 第5切抜部、34第6切抜部、36 レーザー、38 レーザーカット、40 輸送部材、42溶接、44 基板、46 重合体物質、50 フラップ。

Claims (2)

  1. 薄膜部材を切断する方法であって、
    表面の粘着強度が互いに異なる2つのテンプレートで前記薄膜部材を挟持するように前記薄膜部材を前記テンプレートに接着するステップと、
    1以上の部材形成物を生成するべく、前記テンプレートの一方に事前形成された切抜部の外周線に沿ってレーザーを移動させて、前記テンプレートを切断することなく前記薄膜部材を切断するステップと、
    前記薄膜部材のうち前記切抜部に対応する部分を維持するとともに他の部分を廃棄するべく、前記薄膜部材から切抜部が形成されたテンプレートを取り去るステップと、
    を有する方法。
  2. 前記薄膜部材は、金属層と合成層とからなる多層フィルムを含み、
    前記合成層は、10ミクロンの厚みを有し、0.1ミクロンの厚みを有する前記金属層を追加的に支える、
    請求項1に記載の方法。
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