JPH11129129A - 微小部品組立方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 治具を用いることなく、微小部品の位置決め
精度を高め、組立を容易に行うことを目的とする。 【解決手段】 部品が配置される基板１０１上にポリイ
ミド膜からなる犠牲層１０２を形成し、その上に所望の
領域が開口した金属製のマスク１０３を配置し、その上
からエキシマレーザー１０４を照射して部分的に犠牲層
を除去して基板上に部品挿入穴１０５を形成し、そこに
部品（太陽歯車）１０６を挿入する。同様な工程を繰り
返し行って、必要な部品挿入穴を形成し、そこに部品を
挿入し、最後にレーザーを全面照射して不要な犠牲層を
除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微小部品の組立方
法に関わり、特に正確な部品の位置決めが必要な機構部
品の組立方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、微小部品の組立方法に関しては、
正確な位置決めのために微小部品の保持具または組立物
を保持するステージに、マニピュレータを用いて位置決
めしながら部品を配置し、組み立てるという方法が用い
られていた。

【０００３】以下、図８および図９を参照して、従来の
微小部品の組立方法について説明する。図８において、
４０１は部品を組み立てるための基板、４０２は大まか
な基板の位置合わせを行うＸ−Ｙステージ、４０３は把
持具４０４の正確な位置決めを行うマニピュレータ、４
０４は微小部品の把持を行う把持具である。マニピュレ
ータ４０３および把持具４０４はそれぞれ４個装備され
ている。

【０００４】このような装置を用いて、一般的な微小部
品の組立方法として、遊星減速機構を組み立てる場合に
ついて説明する。まず、微小部品を組み立てる基板４０
１をＸ−Ｙステージ４０２上に設置する（工程ａ）。そ
の後、固定内歯歯車４０５を把持具４０４で保持し、Ｘ
−Ｙステージ４０２およびマニピュレータ４０３で基板
上４０１に対し位置決めすることで、基板４０１上の所
望の位置に配置する（工程ｂ）。引き続き可動内歯歯車
４０６を把持具４０４で保持し、マニピュレータ４０３
で固定内歯歯車４０５に対し位置決めすることで、基板
４０１上に配置、組立を行う（工程ｃ）。さらに、図９
において、遊星歯車４０７に関しても、同様に把持具４
０４で保持し、マニピュレータ４０３を用いて固定内歯
歯車４０５および可動内歯歯車４０６と歯面がかみ合う
ように位置決めすることで、基板４０１上に配置、組立
を行う（工程ｄ）。最後に、太陽歯車４０８を把持具４
０４で保持し、マニピュレータ４０３で遊星歯車４０７
と歯面がかみ合うように位置決めすることで、基板４０
１上に配置、組立を行い、遊星減速機構が組み立てられ
る（工程ｅ）。

【０００５】また、部品の正確な位置決めに関しては、
治具を用いて位置決めを行う場合がある。その場合、微
小部品と同程度以上の寸法精度により形成された治具を
用い、その治具内に各部品を配置することで位置決めを
行い、各部品の組立を行うことになる。

【０００６】一方、別のアプローチとして、シリコンマ
イクロマシニング技術を用いて各種膜を堆積し、さらに
引き続いて堆積膜をパタンニングすることで、微小部品
を形成しながら同時に組み込んでいく方法が知られてい
る。シリコンマイクロマシニング技術による部品の組立
は、例えば１９９７年マイクロ・エレクトロ・メカニカ
ル・システムズ学会予稿集 (Proceedings of Micro Ele
ctro Mechanical Systems １９９ ７) ２２１頁に記載
されたものが知られている。

【０００７】以下、図１０および図１１を参照してシリ
コンマイクロマシニング技術を用いた場合の微小部品の
形成および組立について説明する。図１０において、５
０１は部品形成および組立の土台となるシリコン基板で
あり、シリコン基板５０１上にシリコン酸化膜５０２お
よびポリシリコン膜５０３を堆積する（工程ａ）。次に
ポリシリコン膜５０３にマスク形成を行いエッチングす
ることで、ポリシリコン固定子５０４およびポリシリコ
ン回転子５０５を形成する（工程ｂ）。再度マスク形成
を行い、シリコン酸化膜５０２をエッチング除去するこ
とで、軸受けひな形領域５０６を形成する（工程ｃ）。
図１１において、さらに酸化工程を行うことで軸受け隙
間酸化膜５０７を形成する（工程ｄ）。次にシリコン基
板５０１表面に窒化膜を堆積、パタンニングを行うこと
で窒化膜軸受け５０８を形成する（工程ｅ）。その後、
ポリシリコン固定子５０４下部の酸化膜５０２のみが残
るようにシリコン基板５０１表面の酸化膜エッチングを
行うことで、固定子アンカー５０９を形成する（工程
ｆ）。以上の工程で、ポリシリコン固定子５０４のみが
シリコン基板５０１に固定され、ポリシリコン回転子５
０５は、窒化膜軸受け５０８をガイドとして回転するこ
とが可能となる。このようにシリコンマイクロマシニン
グ技術によれば、部品形成と同時に部品の位置決めおよ
び組立がなされるため、部品形成後に組立工程を行う必
要がなくなる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このような微小部品の
組立に関しては、高い位置決め再度が要求されており、
部品の正確な位置決めに関しては、上記したように、治
具を用いて位置決めを行うという方法が一般的に用いら
れているが、その場合、微小部品の位置決めを行うため
の治具に関しても、微小部品と同程度以上の高い加工精
度が要求されるという問題がある。

【０００９】また、シリコンマイクロマシニング技術に
よれば、部品形成後に組立工程を行うことなく、成膜お
よびパタンニング工程のみでそのまま部品の配置が可能
であるが、成膜、パタンニング工程を行うため、成膜お
よびパタンニング工程が可能な材料が必要になり、材料
選択の自由度が低下するという問題がある。この自由度
の低下は、強度や信頼性等の特性劣化の原因となりう
る。さらに、成膜およびパタンニング工程時の加工速度
を高くすることが困難であるとともに、膜厚が厚い場合
は、加工が困難となるため、構造的にも厚い膜を用いる
ことができないという問題があった。

【００１０】本発明は、治具を用いることなく位置決め
精度を高めた微小部品の組立方法を提供することを目的
とする。本発明はまた、部品の材料選択の自由度を低下
することなく容易に部品の配置組立を行うことのできる
微小部品の組立方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、微小部品の位置決めおよびその後の組立
を行う場合、位置決めのための治具を用いる代わりに犠
牲層膜にパターンを形成し、犠牲層パターン内に微小部
品を挿入する工程を繰り返すことで、各微小部品の正確
な位置決めおよび組立を行う構成としたものである。本
発明によれば、犠牲層はフォトリソグラフィと同程度の
精度での形成が可能となり、高い寸法精度での犠牲層形
成が可能であり、治具を用いた微小部品の場合に問題と
なる、微小部品と同程度以上の寸法精度での治具の加工
を行う必要がなく、容易に微小部品を組み立てることが
可能となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、基板上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層に部
品挿入穴を有するパターンを形成する工程と、前記パタ
ーンの部品挿入穴に部品を挿入する工程と、前記犠牲層
の不要部分を除去する工程とを含む微小部品組立方法で
あり、犠牲層パターン内の部品の位置決めを正確に行
い、部品の組立を容易に行うことが可能となる。

【００１３】請求項２記載の発明は、犠牲層を形成する
材料として有機ポリマーを用い、犠牲層にパターンを形
成する方法としてエネルギービーム照射を用いることを
特徴とする請求項１記載の微細部品組立方法であり、一
回のエネルギービーム照射工程のみによりパターン形成
が可能となる。

【００１４】請求項３記載の発明は、同一の有機ポリマ
ー犠牲層にエネルギービーム照射により複数回のパター
ン形成を行うことを特徴とする請求項２記載の微小部品
組立方法であり、一般のフォトレジストを用いたパター
ン形成工程では露光、現像工程後に再度同一のフォトレ
ジストに対して異なるパターンを形成することは不可能
であるが、有機ポリマーを用いることで、同一の有機ポ
リマー犠牲層に複数回のパターン形成が可能になる。

【００１５】請求項４記載の発明は、有機ポリマーとし
てポリイミドを用いることを特徴とする請求項２または
３記載の微小部品組立方法であり、有機ポリマー材料と
してポリイミドを用いることで、エネルギービーム照射
によるパターン形成時、照射エネルギーを適当なエネル
ギーに設定することができ、犠牲層材料のみパターンニ
ングされ、かつ微少部品に損傷を与えず、また微細なパ
ターンの形成が可能となる。

【００１６】請求項５記載の発明は、犠牲層を形成する
材料としてレジストを用い、犠牲層にパターンを形成す
る方法として露光を用いることを特徴とする請求項１記
載の微小部品組立方法であり、通常のＬＳＩまたはＶＬ
ＳＩプロセス技術を用いることができ、犠牲層に形成す
る最小寸法がＬＳＩまたはＶＬＳＩ形成のための最小寸
法精度まで可能となる。

【００１７】請求項６記載の発明は、レジストとしてフ
ォトレジストを用いることを特徴とする請求項５記載の
微小部品組立方法であり、犠牲層の材料として通常のフ
ォトレジストを使用することができる。

【００１８】請求項７記載の発明は、レジストとして感
光性ポリイミドを用いることを特徴とする請求項５記載
の微小部品組立方法であり、組立時の温度が３００℃程
度の比較的高い場合においても、使用が可能となる。

【００１９】請求項８記載の発明は、犠牲層の不要部分
を除去する工程としてエネルギービーム照射を用いるこ
とを特徴とする請求項１または５記載の微小部品組立方
法であり、液体のエッチャントによる除去では液体の乾
燥時に、また、酸素プラズマによるアッシングでは、減
圧雰囲気で行われるプラズマ照射時、大気圧から減圧雰
囲気への、または減圧雰囲気から大気圧への圧力の変化
時に組み立てられた微小部品が離散してしまう可能性を
除去することができる。

【００２０】以下、本発明の実施の形態について、図面
を用いて説明する。 （実施の形態１）図１から図３は本発明の第１の実施の
形態における微小部品の組立方法として、遊星減速機構
の組立方法についての工程断面図である。図１におい
て、部品が配置される基板１０１上に、エネルギービー
ム照射により除去可能な有機ポリマーからなる犠牲層１
０２を、スピンコートまたは粘着材料を用いた貼り付け
により形成する（工程ａ）。犠牲層１０２はポリイミド
膜からなり、エネルギービーム照射による加工時の照射
エネルギーによる残留選択性のよい有機ポリマー犠牲層
となっている。次に、犠牲層１０２の上に所望の領域が
開口した金属製のマスク１０３を配置し、エネルギービ
ーム照射として例えばエキシマレーザー１０４を照射す
る（工程ｂ）。このビーム照射により有機ポリマーの犠
牲層１０２に一回の工程でパターン形成が可能となる。
すなわち、マスク１０３で覆われていない部分の犠牲層
１０２のみが除去され、基板１０１上に部品挿入穴１０
５が形成される（工程ｃ）、そして、その部品挿入穴１
０５に太陽歯車１０６を挿入する（工程ｄ）。

【００２１】次いで、図２において、所望の部品挿入穴
１０９を形成すべく穴を設けた金属製のマスク１０７を
犠牲層１０２表面に位置合わせして配置した後、部品挿
入穴１０５の形成に用いたのと同じエキシマレーザー１
０８を照射することで、マスク１０７で覆われていない
部分の犠牲層１０２を除去し、部品挿入穴１０９を形成
する（工程ｅ）。そして、その部品挿入穴１０９に遊星
歯車１１０を挿入する（工程ｆ）。次に、所望の部品挿
入穴１１３を形成すべく穴を設けた金属製のマスク１１
１を犠牲層１０２表面に位置合わせして配置した後、エ
キシマレーザー１１２を照射して部品挿入穴１１３を形
成する（工程ｇ）。しかる後、部品挿入穴１１３に固定
内歯歯車１１４を挿入し（工程ｈ）、さらに図３におい
て、部品挿入穴１１３に可動内歯歯車１１５を挿入する
（工程ｉ）。これにより遊星減速ユニットが形成され
る。その後、マスクを配置せず全面にエキシマレーザー
１１６を照射することで（工程ｊ）、基板１０１表面に
残っている不要な犠牲層１０２を除去する（工程ｋ）。

【００２２】このように、上記工程を用いることで、ポ
リイミドからなる有機ポリマーを用いて犠牲層を形成
し、そこにマスクを介してエキシマレーザーを照射して
部品挿入穴を形成し、そこに部品を挿入する工程を繰り
返すことで、全ての微小部品の位置決めおよび組立が可
能となり、上記のような遊星減速ユニットが作製可能と
なる。

【００２３】なお、本実施の形態では、各部品毎にマス
ク形成、部品挿入穴形成、部品挿入という工程を繰り返
したが、１回のマスク形成において、複数個の部品挿入
穴の形成を行ってもよい。またマスクを犠牲層上に直接
配置することでパターン形成を行ったが、レーザーの光
学系の途中にマスクを配置し、パターン形成を行っても
良い。この場合、縮小投影を行った場合は、より微細な
パターン形成を行うことが可能となる。さらにマスクを
用いずに、エネルギービームによる直接描画によりパタ
ーン形成してもよい。

【００２４】上記実施の形態では、レーザー光源として
エキシマレーザーを用いたが、ＹＡＧレーザー等の他の
レーザー光源を用いても良い。また、エネルギービーム
としてイオンビームなどを用いても構わない。さらに、
太陽歯車、遊星歯車、固定および可動の内歯歯車の順で
部品の挿入を行ったが、部品挿入の順番は前後しても構
わない。

【００２５】図４および図５は上記説明した微小部品組
立方法の工程平面図である。図４において、まず犠牲層
２０１に挿入される部品の最外径より若干大きい部品挿
入穴２０２を形成する（工程ａ）。従って、形成される
部品挿入穴２０２のパターンの最小寸法は、挿入部品で
ある太陽歯車の最外径寸法より若干大きい寸法になる。
次に、部品挿入穴２０２に太陽歯車２０３を挿入する
（工程ｂ）。太陽歯車２０３の最小寸法は概略では歯車
の歯の大きさとなる。しかる後、犠牲層２０１にマスク
設置後、レーザー加工を行うことで遊星歯車の最外径よ
り若干大きい部品挿入穴２０４を形成する（工程ｃ）。
遊星歯車の場合、形成される部品挿入穴２０４のパター
ンの最小寸法は、挿入部品である遊星歯車の最外径寸法
より若干大きい寸法になる。図５において、引き続き、
部品挿入穴２０４に遊星歯車２０５を挿入するが（工程
ｄ）、遊星歯車２０５は、部品挿入穴２０４だけでなく
太陽歯車２０３の歯面により位置決めがなされること
で、遊星歯車２０５と太陽歯車２０３の歯面がかみ合っ
た形で位置決めがなされる。遊星歯車２０５の組立工程
の場合も、太陽歯車２０３の最小寸法の場合と同様に、
歯車の最小寸法は概略では遊星歯車の歯の大きさとな
る。次に、犠牲層２０１上にマスク設置後、レーザー加
工を行うことで内歯歯車の最内径より若干小さく最外径
より若干大きい円筒状の部品挿入穴２０６を形成する
（工程ｅ）。この場合の部品挿入穴２０６の最小寸法
は、内歯歯車の最内径寸法より若干小さい寸法である。
引き続き、部品挿入穴２０６に内歯歯車２０７を挿入す
るが（工程ｆ）、内歯歯車２０７は部品挿入穴２０６お
よび３つの遊星歯車２０５の歯面により位置決めがなさ
れることで、内歯歯車と遊星歯車の歯面がかみ合った形
で位置決めがなされる。内歯歯車２０７の組立工程の場
合も、太陽歯車および遊星歯車の最小寸法と同様に、概
略では内歯歯車の歯の大きさとなる。

【００２６】このように、上記工程を用いることで、犠
牲層に形成する最小寸法は、部品に形成された最小寸法
より大きいにも関わらず、歯車の歯面がかみ合った正確
な微小部品の組立が可能となり、遊星減速ユニットが作
製可能となる。

【００２７】（実施の形態２）図６および図７は本発明
の第２の実施の形態における微小部品組立方法として、
遊星減速機構の組立方法についての工程断面図である。
図６において、部品が配置される基板３０１上に、フォ
トレジストからなる犠牲層３０２を形成する（工程
ａ）。次いで、犠牲層３０２上に所望の領域が開口する
ようにマスクを設け、露光、現像を行ってパターンを形
成することで、部品挿入穴３０３形成する（工程ｂ）。
その後、太陽歯車３０４および遊星歯車３０５を部品挿
入穴３０３の所定位置に挿入し（工程ｃ、ｄ）、次いで
図７において、固定内歯歯車３０６および可動内歯歯車
３０７を順番に挿入することで（工程ｅ、ｆ）、遊星減
速ユニットを形成する。その後、Ｏ₂ プラズマ処理３０
８を行うことで、不要な犠牲層３０２を除去する（工程
ｇ、ｈ）。

【００２８】このように、上記工程を用いることで、フ
ォトレジスト膜を用いて犠牲層を形成し、マスクを用い
て露光現像することで、全ての微小部品の位置決めおよ
び組立が可能となり、上記のような遊星減速ユニットが
作製可能となる。

【００２９】なお、本実施の形態２においては、犠牲層
としてフォトレジストを用いたが、組立時の温度が３０
０°Ｃ程度の比較的高い場合には、レジストとして感光
性ポリイミドを用い、露光、現像を行ってパターンを形
成してもよい。また、電子ビームレジストを用いて電子
ビームにより直接描画露光してパターンを形成してもよ
い。さらに、最終工程の犠牲層除去にはレーザー照射を
用いても良い。

【００３０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、基板上に
犠牲層を形成する工程と、犠牲層に部品挿入穴を有する
パターンを形成する工程と、パターンの部品挿入穴に部
品を挿入する工程と、犠牲層の不要部分を除去する工程
とを含むので、治具を用いることなく、位置決めの精度
の高い微小部品の組立が容易に可能になり、また材料選
択の自由度が増すという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における微小部品の組立
方法を示す工程断面図

【図２】本発明の実施の形態１における微小部品の組立
方法を示す工程断面図（続き）

【図３】本発明の実施の形態１における微小部品の組立
方法を示す工程断面図（続き）

【図４】上記微小部品の組立工程の工程平面図

【図５】上記微小部品の組立工程の工程平面図（続き）

【図６】本発明の実施の形態２における微小部品の組立
工程を示す工程断面図

【図７】本発明の実施の形態２における微小部品の組立
工程を示す工程断面図（続き）

【図８】従来の技術における微小部品の組立工程を示す
工程断面図

【図９】従来の技術における微小部品の組立工程を示す
工程断面図（続き）

【図１０】従来技術におけるシリコンマイクロマシンニ
ング技術を用いた部品形成を示す工程断面図

【図１１】従来技術におけるシリコンマイクロマシンニ
ング技術を用いた部品形成を示す工程断面図（続き）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高 畑 憲 一 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１ 号 松下技研株式会社内 (72)発明者 小 野 敦 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１ 号 松下技研株式会社内 (72)発明者 芝 池 成 人 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１ 号 松下技研株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に犠牲層を形成する工程と、前記
   犠牲層に部品挿入穴を有するパターンを形成する工程
   と、前記パターンの部品挿入穴に部品を挿入する工程
   と、前記犠牲層の不要部分を除去する工程とを含む微小
   部品組立方法。
2. 【請求項２】 犠牲層を形成する材料として有機ポリマ
   ーを用い、犠牲層にパターンを形成する方法としてエネ
   ルギービーム照射を用いることを特徴とする請求項１記
   載の微細部品組立方法。
3. 【請求項３】 同一の有機ポリマー犠牲層にエネルギー
   ビーム照射により複数回のパターン形成を行うことを特
   徴とする請求項２記載の微小部品組立方法。
4. 【請求項４】 有機ポリマーとしてポリイミドを用いる
   ことを特徴とする請求項２または３記載の微小部品組立
   方法。
5. 【請求項５】 犠牲層を形成する材料としてレジストを
   用い、犠牲層にパターンを形成する方法として露光を用
   いることを特徴とする請求項１記載の微小部品組立方
   法。
6. 【請求項６】 レジストとしてフォトレジストを用いる
   ことを特徴とする請求項５記載の微小部品組立方法。
7. 【請求項７】 レジストとして感光性ポリイミドを用い
   ることを特徴とする請求項５記載の微小部品組立方法。
8. 【請求項８】 犠牲層の不要部分を除去する工程として
   エネルギービーム照射を用いることを特徴とする請求項
   １または５記載の微小部品組立方法。