Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP3787620B2 - 3D assembly equipment for small objects - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP3787620B2 - 3D assembly equipment for small objects - Google Patents

3D assembly equipment for small objects Download PDF

Info

Publication number
JP3787620B2
JP3787620B2 JP2002238431A JP2002238431A JP3787620B2 JP 3787620 B2 JP3787620 B2 JP 3787620B2 JP 2002238431 A JP2002238431 A JP 2002238431A JP 2002238431 A JP2002238431 A JP 2002238431A JP 3787620 B2 JP3787620 B2 JP 3787620B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
probe
work
monitoring
discharge
joining
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.)
Expired - Lifetime
Application number
JP2002238431A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2004074352A (en
Inventor
満 江頭
武志 今野
恭子 齋藤
幹彦 小林
紀雄 新谷
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

Landscapes

  • Micromachines (AREA)

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(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、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り、且つ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)並びに作業環境制御系(7)を備え、この作業環境制御系(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でシールドする作業環境ガス制御装置(7a)とともに、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)を有す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ち、前記集中監視系(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(請求項1)を提供する。
【0009】
この出願の発明は、第2には、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)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)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)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NRI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]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The invention of this application uses a probe to monitor a minute work area from multiple directions at the same time, while using a probe to capture, move, bond, sputter, etc. It is an apparatus that can perform three-dimensional assembly of minute objects with high accuracy using the same probe at the same place.
[0002]
[Prior art problems and solutions]
Miniaturization of various devices represented by mobile phones is largely due to the mounting technology of these small components in addition to the miniaturization of components and the high density integration. For this reason, technologies such as high-precision processing, assembly, and integration of micrometer-order materials and parts are necessary for manufacturing small devices. The present invention provides an apparatus for capturing and moving micrometer-order microscopic objects, accurately arranging, joining, and processing corresponding to the demand in such fields.
[0003]
As a manipulation device using a conventional probe, a gripping type micro gripper, a suction type by vacuum suction, and the like have been developed. The devices according to these methods are specialized for capturing / moving and placing fine objects, and cannot attach the minute objects to the place where they are placed. Moreover, the monitoring of the object is limited to the display of monocular images or individual monitoring images by the centralized monitoring device, and a stereoscopic monitoring image that provides a sense of distance is not provided.
[0004]
On the other hand, with respect to micro bonding, diffusion bonding at room temperature is possible by etching the surfaces of bonding objects with a high-speed charged beam or the like in a high vacuum container and activating the bonding surfaces. However, this type of device is specialized only for the joining of minute objects and is not a device that takes into account capture, operation, and assembly.
[0005]
In addition, lithography and its applied technology widely used for manufacturing semiconductors and micromachines are basically techniques that combine film formation and etching. For this reason, there existed a fault that there were fixed restrictions on the material which can be used, a process was complicated, and there were many wastes in terms of resources and energy.
[0006]
[Means for Solving the Invention]
In order to solve the above-mentioned problems, the invention of this application firstly can control the probe (5) made of a high melting point material, the probe attitude control system (1), and the probe and the substrate over a range of 5 to 20 kV. , Pc-order storage capacitors are stacked in multiple stages, and are provided with a voltage rising circuit equipped with a plurality of capacitor multi-stage layers, and the capacitor layer array for storing discharge power during discharge and a backup capacitor layer array for the capacitor layer array In the circuit, the output polarity is bipolar, the discharge start condition is glow discharge, and the pulse width, pulse pause width, pulse repetition frequency and pulse wave of the discharge waveform can be recovered quickly. High price can be controlled independently Pulse voltage control power supply (4), worktable (6) with translational and rotational degrees of freedom, centralized monitoring system (3) for three-dimensional monitoring of a minute work area of the worktable by simultaneously monitoring one point from multiple directions And a working environment control system (7), and this working environment control system (7) plays a role of preventing oxidation and improving workability during bonding and sputtering, so that the probe, the minute object subjected to the processing, and the substrate Along with work environment gas control device (7a) that shields a part with inert gas or environment control gas, pre-heating work environment gas, electric heater, and narrowed focused infrared rays to join fine objects well Or a combination of these, a working environment temperature control device for heating the joining portion to a predetermined temperature of 200 ° C. or less in advance and controlling the rate of temperature drop of the portion after joining by discharge. (7b) having a function of assembling and processing a micro object having a function of capturing a micro object of 5 μm to 1 mm by an electric field at the tip of the probe and joining and processing it by electric discharge between the probe and the substrate. (2) is provided with a plurality of monitoring devices (9), (10), and (11), and when monitoring one point from multiple directions at the same time, in order to prevent optical interference derived between the plurality of monitoring devices, they overlap each other. A micro three-dimensional assembly apparatus (Claim 1) comprising a centralized monitoring system comprising a light source that emits only a specific wavelength region that does not transmit and a monitoring device that monitors through a filter that transmits only that wavelength region. provide.
[0009]
The invention of this application is, secondly, In order to avoid external electrical and electrodynamic disturbances, the probe and the minute object can always be equipotential until immediately before the operation such as capturing and arranging the minute object. (Claims 2 ) Equipped with a small object.
[0010]
The invention of this application 3 According to the probe configuration, the probe material characteristics satisfy high melting point, high strength and low electrical resistance, for example, a probe characterized by W, WC, WSi, MoSi, TiB2, ZrB2, CrB2, and a probe of the above material Placed (claim) 3 ) Or even unavoidable probe wear due to long-term use, including electrical discharge, obtuse blunting of the tip, interruption of the work due to probe replacement work, etc. Equipped with a probe feeder that winds the same wire diameter on a reel 4 3) a minute object three-dimensional assembly apparatus.
[0011]
According to the invention of this application, since the fabrication of the three-dimensional device is basically a build-up process, it can be assembled using only a necessary amount of materials.
[0012]
In addition, since incidental operations such as capture and desorption are performed by an electrostatic method, control is easy regardless of the material of the minute object, and in addition, joining and processing are performed by discharge using a probe. Combined with the unified energy source for capturing, joining, and processing, it is possible to perform continuous and consistent work with the same probe, such as capturing, moving, joining, and processing.
[0013]
In addition, by carrying out various operations with the same probe, the process and control are simplified, and as a secondary effect of this simplification, it is possible to improve the work accuracy of the manufactured product.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
According to the invention of this application, the monitoring method adopts a monitoring method based on multi-direction and simultaneous one-point concentration and image synthesis processing to make the monitoring image a realistic stereoscopic image, so that the operator feels a sense of distance, etc. Therefore, it is possible to create a work environment with a substantial feeling, and it is possible to further prevent misrecognition and misoperation in various operation tasks. The optical interference derived from simultaneous centralized monitoring from multiple directions does not overlap the wavelength range of the illumination light provided in each monitoring device, or incident light using a filter such as a dichroic mirror. This can be prevented by controlling the wavelength range.
[0015]
Since joining, processing, and the like are performed in the air, the atmosphere and temperature of the part can be controlled by local atmosphere control using an air curtain system, electric heat, or condensed infrared rays. Along with this, the disturbance of the monitoring image due to fluctuations of the heat wave and the like derived can be minimized by locally heating the spot light obtained by narrowing the infrared ray.
[0016]
The probe material 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 electrical resistance characteristics.
[0017]
The pulse voltage control power source can be an independent power source for the capturing power source and the joining / processing power source.
[0018]
The workbench can have translational and rotational degrees of freedom. In this case, the rotary stage (R-axis stage) that rotates the work surface of the work table is designed so that the direction perpendicular to the work surface is the rotation direction, 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 deployed to perform monitoring with different roles.
[0020]
As the work environment control system, a work environment gas control device and a work environment temperature control device can be appropriately combined.
[0021]
As a centralized monitoring system, it consists 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 from multiple directions simultaneously, It is possible to prevent optical interference derived from a plurality of monitoring devices.
The pulse voltage control power supply can be of a bipolar type that can apply a voltage that causes discharge to glow and can select the polarity of the output polarity. It is also possible to avoid external electrical and electrodynamic disturbances.
[0022]
Equipped with a probe feeder that winds the same wire diameter on a reel, this prevents unavoidable probe wear due to long-term use, including electric discharge, consequent blunting of the tip, interruption of work due to probe replacement work, etc. It is possible to prevent the operation from being performed continuously under the same electrical conditions for a long time.
[0023]
【Example】
Example 1
FIG. 1 shows a basic configuration of a conceptual design of a minute object three-dimensional assembly apparatus based on the present invention. With reference to the drawings, the basic functions and roles of each system related to the basic configuration will be described in detail, and the basic specifications of a specific prototype three-dimensional assembly apparatus will be illustrated as an example. .
[0024]
The present invention is a device that performs fine work under mirror image monitoring. As shown in FIG. 1, the probe (5) serving as a tool in charge of sample capturing, joining, and processing is used to absorb inconsistencies in the probe posture. Probe attitude control system (1), centralized monitoring system (2) that monitors the tip of the probe that performs fine work from various angles, and a work environment for controlling the gas atmosphere and temperature of the probe and the part that performs fine work around the tip Control system (7), Pulse voltage control power supply (4) for applying voltage between probe substrates when working with materials such as capturing, joining and processing of raw materials, and centralized monitoring system (2) A workbench (6) with translational and rotational degrees of freedom for guiding it into the field of view, a monitoring mirror image display / recording system (3) for recording each work process, and centralized control for collectively managing each system Composed of system (8) That.
[0025]
The functions and roles of each system shown in the basic configuration will be described in detail.
[0026]
A set of 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 thereof is used as a reference for position information. Therefore, in the centralized monitoring system (2), each monitoring device has the same point as the center of the arc so that the viewpoint position can be kept constant even if the depression angles of the plurality of monitoring devices having the tip as the focal position are adjusted. It is mounted on an arched guide. By combining and controlling the monitoring device of the centralized monitoring system (2) and the work table (6), it is possible to always view the work position in multiple directions as will be described later.
[0027]
An example of the arrangement of the monitoring devices of the centralized monitoring system (2) is shown in FIG. What is required of the monitoring device 1 (9) in the figure is a reference position monitoring function, that is, monitoring the distance between the probe and the raw material and 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 the work table. Even if the orientation of the raw material is changed by using the translation of the work table and the rotation axis together, the monitoring angle between the monitoring device and the work table can be kept constant by adjusting the depression angle of the monitoring device.
[0028]
An example of the probe attitude control system (1) is shown in FIG. In this case, the probe posture mismatch absorption function is provided so that the probe posture can be changed while the probe tip position is fixed even if it becomes necessary to change the probe posture as the work progresses, even if the situation is complicated and complicated. It is based on having mounted the probe attitude control stand (12) with which it was equipped. Even if the probe posture is changed after the workpiece such as the raw material is captured by this function, the center of the visual field in the centralized monitoring system, in other words, the position of the probe tip as an initial condition does not change.
[0029]
An example of the work environment control system (7) is shown in FIG. The basic functions here are environmental temperature control that preheats work objects before joining and processing, and then gradually cools them away from the high-temperature state that accompanies discharge, and the work objects during joining and processing work. This is environmental gas control to prevent oxidation and nitridation.
[0030]
A work environment gas control device (7a) for guiding an inert gas or a shield gas from the work environment adjustment gas inlet (13) to the substrate (16) through the work environment adjustment gas guide (15) for environmental gas control. Prepare.
[0031]
Further, for the environmental temperature control, the gas temperature is adjusted through the gas temperature controller (14), and the work temperature is controlled by combining the work table temperature controller (17) and the 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.
This power source (4) is composed of two main circuits, one is a power source for capturing (19), and the other is a power source for joining and processing (20). The processing (20) is independent, and the output can be set independently for each voltage, current and output polarity, and the output is a distribution system from a single terminal. The joining / processing power source (20) applies a high voltage to cause glow discharge, and prevents arc discharge as much as possible. The capturing power source (19) is for applying a voltage of about several tens of volts in order to obtain a necessary electrostatic force without causing discharge when the probe and particles approach each other. When a metal particle on the substrate is touched, a current flows, but in reality, the contact resistance between the metal particle and the substrate and between the probe and the metal particle is quite high, and the applied voltage of the probe is hardly fluctuated and maintained. can do. The capturing power source (19) has a low voltage and a low current in order to minimize the influence of unnecessary discharge when the probe approaches the particle, and the minimum set current is set to 10 μA. In addition, the power supply unit for bonding and processing is composed of a circuit that modulates 50 Hz AC input to 50 kHz and a circuit in which capacitors and diodes in the order of pC are stacked in series in order to shorten the charge / discharge time of the booster / rectifier unit. Has 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 at the time of discharge is wide. “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 at the time of joining and processing.
[0033]
From the above, according to the pulse voltage control power source (4) of the present invention, (1) the initial discharge condition is a glow discharge region, and (2) the voltage is rapidly reduced, so that the discharge is performed with almost no arc discharge period. After stopping, and returning to the state where glow discharge can be resumed promptly from (3) discharge stop state, (4) At that time, pause time, pulse width, number of discharges, etc. can be controlled by a centralized control system, and (5) probe and In order to make the particles have the same potential, the output can be set to the ground potential.
[0034]
The probe tip is always fixed at the initial position regardless of the posture of the probe, and in transporting, joining and processing raw materials, the necessary area on the workbench is moved by moving the workbench. ) And move as necessary relative to the probe tip. Therefore, various operations can be performed while the probe tip and the central monitoring system monitoring device are fixed, and the center of the visual field of the central management system can always be the work area. As a result, a minute object of 5 μm to 1 mm is captured by the electric field at the probe tip, and bonded 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. The device is a simultaneous and multi-view environment in a centralized monitoring system in which the monitoring device 1 (9), the monitoring device 2 (10), and the monitoring device 3 (11) are attached to an arch guide (24) centered on the probe tip. Is building.
[0036]
FIG. 7 illustrates the axis specifications of the stage in each system of the prototype device. Each (X) (Y) (Z) (R) and (T) axis stage shown here is an axis stage shown as a three-dimensional direction as a probe posture control direction in FIG. The R axis stage shown and the T axis stage as an axis for tilting the work surface of the work table are shown.
[0037]
The movement of the stage is related to the raw material size to be handled, and in the work of the probe, it is required to control the raw material just to the tip of the probe but not to pierce it. Therefore, since the movement accuracy of the translation axis of the workbench is 0.1 μm, which is 1/100 of the handling lower limit particle, the work of the probe can be sufficiently performed. The axis specification of the illustrated stage enables a fine work with a handling raw material size of 10 μm. In addition, the monitoring device 4 (25) can move the work table at any time during the installation work so that the raw material and the work object can be monitored from vertically above, so that the position information of the raw material can be obtained and the work accuracy can be confirmed.
[0038]
The operation of the micro three-dimensional assembly apparatus of the present invention is as follows.
[0039]
Hereinafter, a series of micro work procedures when the micro object is captured, transported and processed by the micro object three-dimensional assembly apparatus of the present invention will be described according to the process shown in FIG.
The probe is attached to the probe attitude control system as a preparatory work before starting the capture, transport and processing of microscopic objects first, the attitude control system is adjusted so that this probe is vertical, and the probe tip is centrally monitored. Is set as the focal position, and this position is used as a reference.
First, the focus of the monitoring device 1 (9), the monitoring device 2 (10), and the monitoring device 3 (11), which mainly plays a role of monitoring the bonding / processing work in the centralized monitoring system, is concentrated on one point, and the field of view. Confirm that a monitoring environment with a central focus is maintained, and adjust the multi-view conditions of the work environment. In this case, the shift of the focal point 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) that plays the role of obtaining the position information of the sample and checking the work accuracy is adjusted. The monitoring device 4 (25) adjusts the visual field center axis 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 the top surface is adjusted by the raw material supply table height adjuster (23) in order to adjust the top surface to the reference position previously determined. Similarly, the substrate is placed on a predetermined position of the work table, the upper surface of the substrate is aligned with the reference position, and the positions of the work table and the raw material supply table are initialized. Each position information such as sample capturing, joining and processing is acquired by using the monitoring device 4 (25), and the information is stored in the control device of the central control system, and all initializations such as position and posture are completed.
[0040]
This section describes the operating procedures in actual operations such as capturing, joining and processing. A voltage which is a sample capturing condition obtained in advance is stored in the pulse voltage control power source as a sample capturing set value. Whether or not the capturing operation has been performed stably is confirmed using the monitoring device 1, and if it is not an appropriate condition, the correction value is stored in the control device at this point. Similarly, voltage and current values, power application time, rest time, and number of repetitions, which are determined as joining / processing conditions, are stored in the apparatus as set values of the power source. Whether the set value is appropriate is checked using the monitoring device 1, the monitoring device 2, and the monitoring device 3, and if it is inappropriate, the correction value is stored. At the same time, the set values such as the gas type, gas temperature, gas flow rate, gas injection start time, and temperature of the work environment temperature controller that have been obtained are concentrated as incidental setting requirements during joining and processing. It is stored in the control device of the control system. With this work, all the condition settings are completed, and then the fine work starts.
[0041]
That is, when it is confirmed by the monitoring device 1 that the raw material particles have been captured and the capturing operation has been performed stably, the predetermined voltage and current values, the power application time, the rest time, and the While confirming the operation with the number of repetitions under the set value of the power source, the raw material is placed at a predetermined position on the substrate and particle bonding and processing are executed. As a result, creation / work of the minute object is started, and the work is completed when the creation of the minute object is completed.
[0042]
FIG. 9 and FIG. 10 show two examples of the microstructure manufactured as a prototype according to the above-described operation procedure by the prototype device according to the above embodiment. FIG. 9 shows an example in which letters are made by stacking Au particles having a diameter of 38 to 43 μm vertically on the Au substrate surface. This example is a prototype for verifying whether a working environment such as vertical operation, horizontal operation, oblique operation, arc operation, etc., which is indispensable for the production of minute objects, and a work environment such as joining can be established. NR in prototype characters I Includes all the directional elements of the vertical direction, the horizontal direction, the oblique direction, and the circular arc direction described above, and it is clear that there is no restriction on the outer shape when a micro structure is made as a prototype. As a result, the prototype device shown in the first embodiment has the basic configuration and the basic function shown in FIGS. 1, 2, 3, 4 and 5, the in-field work function, and the object movement / posture change function. It proves that it has a function of grasping an object, a function of absorbing misalignment of visual field, and an object capturing / joining / processing function.
[0043]
FIG. 10 shows an example of a particle pyramid prototype in which Au particles having a diameter of 38 to 43 μm and an Au substrate are used to form a base of 5 × 5 and a height of 5 layers. In this case, verification was made as to whether or not a blind spot accompanying the progress of the work such as joining occurs and whether or not the joining work can be carried out stably even in a state where minute objects are arranged in a plurality of rows and adjacent to each other. In this prototype, a quadrilateral made up of the four samples of the nearest bottom layer is bonded and fixed to the substrate surface, and the upper layer sample is bonded onto a recess formed at the center, and this is used as a basic unit for fine work. For this reason, unlike the case where the bonding area seen from the upper surface direction does not change as in the bonding state in FIG. 9, the bonding area is remarkably 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 fine work example in FIG. 10 which is higher than FIG. 9, it was verified that all of the basic functions were mounted on the prototype device.
[0044]
9 and 10, it is proved that all of the basic configuration and the basic functions exemplified in the first embodiment are already installed in the prototype device.
(Example 2)
In order to show the effectiveness of the work environment control system, nickel particles having a diameter of 90-106 μm were assembled using a prototype three-dimensional assembly apparatus.
[0045]
First, nickel particles captured on a metal plate are arranged and bonded. Furthermore, the nickel particles captured from the raw material supply table were placed on and joined to the previously joined nickel particles. The trapping voltage is 50 V, and the applied voltage at the time of bonding is 10 kV.
[0046]
When bonding was performed without using the work environment control system and controlling the atmosphere in the room temperature atmosphere, the bonding was not possible because nickel particles were oxidized.
[0047]
Next, using a working environment gas control device, nitrogen gas at room temperature was flowed in synchronism with discharge, and bonding was performed in a nitrogen atmosphere. An SEM photograph of the joint between the nickel particles in this case is shown in FIG. As can be seen from FIG. 11, although the bonding is performed, cracks indicated by arrows are recognized in the bonded portion.
[0048]
On the other hand, FIG. 12 shows the result of joining by using the working environment temperature control device together and heating the joining target part to 200 ° C. in a nitrogen gas atmosphere. In this case, no crack was observed at the joint.
[0049]
The reason why no cracks were observed in FIG. 12 was probably because rapid cooling was avoided by heating the parts to be joined, and the effectiveness of using the work environment control system was confirmed.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, according to the invention of this application, it is possible to assemble a three-dimensional device by using only a necessary amount of materials in a build-up process.
[0051]
Capturing, desorption, etc. are performed by electrostatic methods, so control is easy regardless of the material of the minute object, and joining and processing are performed by discharge using a probe, so that an energy source for capturing, joining and processing can be obtained. Combined with the fact that it is possible to unify electricity, all operations such as capturing, moving, joining, and processing are performed by applying an electric field to the probe. 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 working accuracy of the manufactured product.
[0053]
The monitoring method employs a multi-directional, simultaneous single point monitoring method and combines the monitoring image of the work object with a realistic 3D image by combining the mirror image and image composition processing. It is possible to create a working environment with a sense of reality that captures the distance and the like as a sense of reality, and to strengthen the prevention of misrecognition and misoperation in various operation tasks.
[0054]
Optical interference derived from simultaneous centralized monitoring from multiple directions by controlling the illumination light that does not overlap the wavelength range and filters such as dichroic mirrors to limit the wavelength range of incident light to the monitoring device Can be prevented.
[0055]
Disturbance of the monitoring image due to fluctuations in the heat of the sun, etc., derived when local atmosphere control by the air curtain method, electric heating, or environmental control of the temperature and temperature of the relevant part is performed by focused infrared rays in order to perform bonding and processing in the air. Can be suppressed to a minimum by performing local heating using spot light obtained by narrowing down the infrared ray.
[0056]
In addition, since the device of the invention of this application is performed in the atmosphere, a special environment such as a vacuum device is not required, but the working atmosphere gas can be easily changed to an inert gas, so that the material easily oxidizes. Is also applicable.
[0057]
Furthermore, the environmental control of the relevant part for facilitating bonding, processing, etc. in the atmosphere is carried out by adopting a coaxial air curtain system in which the atmosphere control gas is jetted with the probe as the center of the axis. It is possible to prevent deterioration such as oxidation of the steel and to obtain good bonding / processing results. Further, it is possible to prevent the occurrence of joint cracks and the like that are likely to occur in the joint part by controlling the temperature drop of the part by a work table temperature controller or local heating using a narrowed focused infrared ray.
[0058]
By combining these developed technologies and the like, it became possible for the first time to create a three-dimensional microstructure by integrated work using the same probe. For this reason, there is a possibility of substituting a part of the process conventionally performed by using lithography. Also, partial repair work for existing micro structures, such as repair of fine wiring, has become possible.
[0059]
The device of the invention of this application is intended to produce and modify a three-dimensional microstructure, and can be used for practical use of a micromachine. Further, since this apparatus is used in the atmosphere, it does not require a special environment such as a vacuum apparatus, so that it can be easily combined with an existing processing apparatus, and the maintenance and installation costs are low.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a basic system configuration diagram of a minute object three-dimensional assembly device according to the present invention;
FIG. 2 is a centralized monitoring system of a minute object three-dimensional assembly apparatus according to the present invention.
FIG. 3 is a probe attitude control system of a minute object three-dimensional assembly device according to the present invention.
FIG. 4 is a work environment control system of a minute object three-dimensional assembly apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is a pulse voltage control power supply of a micro three-dimensional assembly apparatus according to the present invention.
FIG. 6 is a schematic external view of a minute object three-dimensional assembly apparatus according to the present invention.
FIG. 7 shows the specifications of each axis stage of the micro three-dimensional assembly apparatus according to the present invention.
FIG. 8 is a flowchart of a work process of the micro three-dimensional assembly apparatus according to the present invention.
FIG. 9 is a prototype structure 1 of a minute object three-dimensional assembly apparatus according to the present invention.
FIG. 10 is a prototype structure 2 of a minute object three-dimensional assembly device according to the present invention.
FIG. 11 shows an SEM photograph of a joint obtained by joining nickel particles in a nitrogen gas atmosphere at room temperature.
FIG. 12 shows an SEM photograph of a joint obtained by heating a joining object to 200 ° C. and joining between nickel particles in a nitrogen gas atmosphere.
[Explanation of symbols]
1 Probe attitude control system
2 Centralized monitoring system
3 Monitoring mirror image display / recording system
4 Pulse voltage control power supply
5 Probe
6 Working table
7 Work environment control system
8 Central control system
9 Monitoring device 1
10 Monitoring device 2
11 Monitoring device 3
12 Probe attitude control stand
13 Gas inlet for working environment adjustment
14 Gas temperature controller
15 Gas guide for working environment adjustment
16 substrates
17 Platform temperature controller
18 Condensing infrared ray generator
19 Capture power supply
20 Power supply for joining and processing
21 Raw materials
22 Raw material supply stand
23 Raw material supply stand height adjuster
24 Arch guide
25 Monitoring device 4

Claims (4)

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、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り、且つ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)並びに作業環境制御系(7)を備え、この作業環境制御系(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でシールドする作業環境ガス制御装置(7a)とともに、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)を有す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ち、前記集中監視系(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。Probe (5) made of high melting point material, probe attitude control system (1), between probe and substrate can be controlled over 5V to 20kV, pC-order storage capacitors are stacked in multiple stages, and multiple rows of capacitors are provided. In this circuit, the capacitor layer sequence for storing discharge power and the backup capacitor layer sequence for the capacitor layer sequence are provided in the circuit, the output polarity is bipolar, and the discharge starts. Pulse voltage control power supply (4) capable of independently controlling the pulse width, pulse pause width, pulse repetition frequency and pulse peak value of the discharge waveform so that the condition is glow discharge and the condition can be quickly recovered , translation and rotation Work table with 6 degrees of freedom (6), by monitoring one point from multiple directions at the same time, the work area of the work table is three-dimensional A centralized monitoring system (2) and a work environment control system (7) for monitoring the probe, and this work environment control system (7) plays a role of preventing oxidation and improving workability during bonding and sputtering. In addition to the work environment gas control device (7a) that shields a part of the substrate subjected to the processing and a part of the substrate with an inert gas or an environment control gas, the work environment gas is preheated in order to bond the minute object well. Working environment for heating the joining part to a predetermined temperature of 200 ° C. or less in advance using an electric heater, finely focused infrared rays, or a combination thereof, and controlling the temperature drop rate of the part after joining by discharge Equipped with a minute object assembly / processing device having a temperature control device (7b), captures a minute object of 5 μm to 1 mm by the electric field at the probe tip, and discharges between the probe and the substrate The centralized monitoring system (2) includes a plurality of monitoring devices (9), (10), and (11), and when monitoring one point from multiple directions at the same time, In order to prevent optical interference derived from the above, 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 is included. A three-dimensional assembly device for small objects. 請求項1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。In order to avoid external electrical and electrodynamic disturbances , the apparatus according to claim 1 is equipped with a power source that can always make the probe and the minute object equipotential until immediately before the operation of capturing and arranging the minute object . A three-dimensional assembly apparatus for micro objects characterized by the above. 請求項において、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 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。In claim 1, the probe (5) made of a refractory material, the probe material properties satisfy the high melting, high strength and low electrical resistance, W, WC, WSi, MoSi, of TiB 2, ZrB 2, CrB 2 A three-dimensional assembly apparatus for minute objects, characterized in that it is placed as a probe made of material . 請求項において、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。4. The probe (5) according to claim 3, wherein the probe (5) prevents inevitable probe wear due to long-term use, including discharge, blunting of the tip and interruption of the work due to probe replacement work, and the work is continued for a long time. In order to perform the same under the same electrical conditions, a micro three-dimensional assembly apparatus is equipped with a probe delivery machine in which the same wire diameter is wound on a reel, and is a sent out probe .
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 JP2004074352A (en) 2004-03-11
JP3787620B2 true 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)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4997485B2 (en) * 2004-09-24 2012-08-08 独立行政法人産業技術総合研究所 Conductive microsphere joined body and joining method

Also Published As

Publication number Publication date
JP2004074352A (en) 2004-03-11

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
JP6518709B2 (en) Mounting device
JP5076108B2 (en) Welding ring tacking device and welding ring tacking method
JP7177128B2 (en) Film deposition apparatus, detection apparatus, detection method, and electronic device manufacturing method
KR20210082350A (en) Laser reflow apparatus and laser reflow method
JPWO2016060274A1 (en) Substrate bonding method and substrate bonding apparatus
US20040169020A1 (en) Method and device for installation
US9212424B1 (en) Flame-assisted flash sintering
US20190076953A1 (en) Resistance spot welding of copper workpieces
US3308264A (en) Adaptive positioning device
CN101327549A (en) Solder-free laser welding method and device for network transformer
JP7587280B2 (en) Bump forming equipment
JP3787620B2 (en) 3D assembly equipment for small objects
CN102581460B (en) Nanoscale resistance spot welding device and nanoscale resistance spot welding method
CN110337339B (en) Electron beam apparatus and method for processing powdered materials
CN114632989A (en) Circuit board repairing machine with movable induction heating
TW202214058A (en) Bonding device, repairing device and repairing method
CN217509149U (en) Fixed-point induction heating circuit board repair machine
CN106835003B (en) Remelting device
JP2024054824A (en) Deposition apparatus, detection apparatus, and control method for deposition apparatus
CN212823458U (en) Picosecond laser drilling device for ceramic substrate
JP3773201B2 (en) Delivery method and apparatus for workpieces
JP7011964B2 (en) Seam welding equipment
JP7360850B2 (en) Underfill agent application device and underfill agent application method

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