(57)【要約】【課題】任意形状を有する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】任意のグリッド形状と任意の厚みを有する所要なテンプレートを用い、そのテンプレート表面上から所要の一定距離を有する冶具との間を、アレイされるマイクロ部品が完全に埋没するよう導電性液体でもって、またはマイクロ部品を含んだ導電性液体でもって満たし、これらの導電性液体をテンプレートと冶具との間を移動させる。それら多数のマイクロ部品を、導電性液体、各マイクロ部品、テンプレート表面、テンプレートグリッド内部との、それぞれの表面エネルギー差、界面張力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１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意のグリッド形状と任意の厚みを有する所要なテンプレートを用い、そのテンプレート表面上から所要の一定距離を有する冶具との間を、アレイされるマイクロ部品が完全に埋没するよう導電性液体でもって、またはマイクロ部品を含んだ導電性液体でもって満たし、これらの導電性液体をテンプレートと冶具との間を移動させることにより、任意形状を有した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２】
請求項１において、所要のテンプレートを互いに向かい合わせながら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３】
請求項１及び２において、テンプレート形状を立体表面上に備え、この立体表面上の外径より僅かに大きい内径を有した冶具を使用することで、任意形状を有した多数のマイクロ部品を立体表面のテンプレート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４】
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、請求項１の工程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５】
グリッド内部に保持されずにテンプレート表面上に重なっているすべてのマイクロ部品を除去するために、請求項１の工程を複数回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６】
請求項１または１〜５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７】
請求項１または１〜６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を加えながら、また好ましくは、微振動の強弱を変化させながら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８】
請求項１または１〜７において、テンプレートと、テンプレートとの表面エネルギー差を有した冶具を用い、この冶具とともに導電性液体をスライド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９】
請求項１〜８において、アレイさせようとするマイクロ部品よりも平均粒径が大きい粉粒体を同時に導電性液体に含ませながら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１０】
請求項１〜９において、導電性液体の気液平衡状態、及び室内温度、圧力を制御することができるチャンバー中で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１１】
請求項１〜１０において、導電性液体の気液平衡状態、及び室内温度、圧力を制御することができるチャンバー中で導電性液体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１２】
請求項１〜１１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１３】
適宜、使用する導電性液体を超臨界状態に移行させ請求項１〜１２においての各作業を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１４】
請求項１〜１３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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】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、そして半導体ＢＧＡパッケージ、ＦＣ実装のためのマイクロポールグリッドアレイ（ＭＢＧＡ）、また、今後更なる微小化が期待される球状半導体デバイスの実装プロセス、クラスタリングプロセスにおいての利用が挙げられる。
【背景技術】
【０００３】近年マイクロマシンの実用化を目指し、様々な研究及び応用が推し進められている。【０００４】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ことは、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。【０００５】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。更に、多数のランダム状態な微細で繊細なマイクロ部品、またそれらアッセンブルされたマイクロユニットを、効率よく品質管理することも必須になる。【０００６】これらの要求に答えるべく、様々な形状をした多数のマイクロ部品を的確にアレイさせるための方法として、本発明の出願人が先に特許文献１及び２を提出した。
【特許文献１】特願２００３−３８９８７号
【特許文献２】特願２００４−１９０５３３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】従来から、マイクロマシンなどに用いるマイクロ部品（微小物）の向きや位置決めを行う際には、操作者が顕微鏡下で手にピンセットやピペットなどの道具を持って手作業で行うなど、マイクロマニピュレータ等の使用により一つ一つのマイクロ部品を操作する技術が一般的には公知である。【０００８】今後、マイクロマシンを産業的に組み立てるべく、マイクロマシン製造のオートメーション化を推し進めていくためには、組み立て工程において大量のマイクロ部品、またそれらアッセンブルされたマイクロユニットを、効率よく取り扱うことが重要である。そのため、これらマイクロ部品を単体で一つ一つ取り扱っていた従来の技術では、決して大量生産に適しているとは言えない。【０００９】以上の問題を克服するべく本発明の出願人が先に出願した特許文献１では、任意形状を有した多数のマイクロ部品を、的確にアレイさせるための技術を提案している。【００１０】しかしながらこの特許文献１の方法では、「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」と記載の如く、マイクロ部品の大きさと導電性液体の厚みとの間に限定的な制約が生じている。【００１１】マイクロ部品の微小化は今後もより一層進んでいくことは明白であるゆえ、これら限定的な制約を排するべく、本出願人が先に出願した特許文献１に変わる方法として本発明に至った。
【課題を解決するための手段】
【００１２】本発明による多数のマイクロ部品アレイ方法は、任意のグリッド形状と任意の厚みを有する所要なテンプレートを用い、そのテンプレート表面上から所要の一定距離を有する冶具との間を、アレイされるマイクロ部品が完全に埋没するよう導電性液体でもって、またはマイクロ部品を含んだ導電性液体でもって満たし、好ましくはテンプレートを水平、傾斜、垂直、反転状態に固定、または可変させ、更に好ましくは、それらのテンプレートに二次元または三次元方向に微振動を加えながら、また微振動の強弱を変化させながら導電性液体をテンプレートと冶具との間を移動させ、それら多数のマイクロ部品を、導電性液体、各マイクロ部品、テンプレート表面、テンプレートグリッド内部との、それぞれの表面エネルギー差、界面張力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ことを特徴とし、多数のマイクロ部品のアレイを行うものとする。【００１３】また、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、更にグリッド内部に保持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除去するために、かかる工程を何度か繰り返す作業を特徴とし、マイクロ部品アレイの歩留まりが向上するまで補正を行う。【００１４】ここで、例えば請求項９に記載の如く、アレイさせようとするマイクロ部品よりも平均粒径が大きい粉粒体を同時に導電性液体に含ませながらかかる方法を行うことも好ましい。これは、テンプレートに微振動を与えたときに粉粒体がアレイさせようとするマイクロ部品を活発に動かし、マイクロ部品が所定のグリッド中に収まるのを助長させる効果がある。用いる粉粒体はアレイさせようとするマイクロ部品よりも大きいわけであるから、グリッド中に粉粒体が先に入ってしまうということはない。なおこの粉粒体の形状に限定はなく、アレイさせようとするマイクロ部品の形状や導電性液体、テンプレート表面、テンプレートグリッド内部との、それぞれの表面エネルギー差、界面張力メカニズムによる界面張力差を考慮して適当に決めればよい。更にこの粉粒体は、別なマイクロ部品として置き換えることもできる。【００１５】これらのかかる方法は、請求項１０に記載の如く、導電性液体の気液平衡状態、及び室内温度、圧力を制御することができるチャンバー中で行い、安定した気液界面状態を提供することが好ましい。【００１６】また更に、これらのかかる方法において、テンプレートに均一液面を有させる際、請求項１１に記載の如く、導電性液体の気液平衡状態、及び室内温度、圧力を制御することができるチャンバー中で導電性液体を形成せしめ提供することが好ましく、同時にこれは請求項１２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り、均一液面の提供、液面設定、液面補正を行うこともできる。【００１７】導電性液体を移動させる方法として、吸引や毛細管現象と幾つかの手法が考えられるが特に限定はなく、例えば請求項８に記載の如く、テンプレートと、テンプレートとの表面エネルギー差を有した冶具を用い、この冶具とともに導電性液体をスライド移動させることもひとつの好ましい方法となる。【００１８】一連のかかる方法は、請求項２や請求項３に記載の如く、所要のテンプレートを互いに向かい合わせながら行っても良いし、テンプレート形状を立体表面上に備え、この立体表面上の外径より僅かに大きい内径を有した冶具を使用することで、任意形状を有した多数のマイクロ部品を立体表面上に的確にアレイさせることも可能である。【００１９】また適宜、請求項１３に記載の如く、使用する導電性液体を超臨界状態に移行させて上記かかる各作業を行う。これは、超臨界状態に移行させることにより液体の性質を変化させながらマイクロ部品を取り扱うことが可能となるため、例えば、針などの極細形状を有するマイクロ部品を導電性液体に導入する際など、マイクロ部品にダメージを与えてしまう気・液界面をなくし、阻害要因となる不必要な表面張力を排する効果や、更に通常はアニール等により液体を蒸発させる手法が一般的であるが、超臨界状態を経由して液体を気化させることにより、テンプレートグリッド内部からの、表面張力による一度充填されたマイクロ部品の引き出しを防止することができる。【００２０】以上、一連の本発明に従えば、任意形状を有する多数のマイクロ部品を効率よくアレイさせることができ、延いては請求項１〜１３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。
【発明の効果】
【００２１】本発明によれば、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】以下、実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１（ａ）〜（ｄ）の工程は、請求項１記載の、図９（ａ）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）〜（ｅ）の工程は、請求項４、５記載の、図９（ａ）マイクロボールを例とした、マイクロ部品アレイ修正の基本メカニズムを示すものである。
図７（ａ）（ｂ）（ｃ）の工程は、請求項８記載の基本メカニズムを示すものである。
図８（ａ）は、請求項１０、１１、１２記載の均一液面形成、維持の基本メカニズムを示すもの、また図８（ｂ）は、温度及び圧力による一般的な物質の状態図を示すものである。
【実施例１】
【００２３】本発明は、かかる表面エネルギー差、界面張力メカニズムによる界面張力差を巧みに利用し、
（１）  任意のグリッド形状と任意の厚みを有する所要なテンプレートを用い、
（２）  そのテンプレート表面上から所要の一定距離を有する冶具との間を、アレイされるマイクロ部品が完全に埋没するよう導電性液体でもって、またはマイクロ部品を含んだ導電性液体でもって満たし、
（３）  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、または可変させ、
（４）  更に好ましくは、それらのテンプレートに二次元または三次元方向に微振動を加えながら、また微振動の強弱を変化させながら
（５）  導電性液体をテンプレートと冶具との間を移動させ、
それら多数のマイクロ部品を、導電性液体、各マイクロ部品、テンプレート表面、テンプレートグリッド内部との、それぞれの表面エネルギー差、界面張力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ことを特徴とし、多数のマイクロ部品のアレイを行う。【００２４】また、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、更にグリッド内部に保持されずテンプレート表面上に重なっているマイクロ部品を除去するために、
（６）  かかる工程を何度か繰り返し行うことを特徴とし、
高歩留まりなマイクロ部品アレイを提供する。【００２５】以上（１）〜（６）の工程は、
（７）  請求項１０に記載の如くの導電性液体の気液平衡状態、及び室内温度、圧力を制御することができるチャンバー中で行い、安定した気液界面状態を提供する。【００２６】これら一連のかかる方法は、
（８）  請求項１〜１３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ことを説明している。【００２７】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、マイクロ射出成型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く、更に「任意のグリッド形状と任意の厚み」とは、かかる方法において導電性液体、各マイクロ部品、テンプレート表面、テンプレートグリッド内部との、それぞれの表面エネルギー差、界面張力メカニズムによる界面張力差によって生じ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。【００２８】「所要の一定距離」とは、アレイさせようとするマイクロ部品の形状、材質、量、また使用する導電性液体、テンプレート表面、テンプレートグリッド内部との、それぞれの表面エネルギー差、界面張力メカニズムによる界面張力差によって生じる力の釣り合いを考慮したうえで適当に決定することができる。【００２９】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、種々の添加剤を加えたものであってもよく、導電性を有した液体であれば、マイクロ部品形状、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それぞれの表面エネルギー差、界面張力メカニズムによる界面張力差等の特性を考慮した上で適当に決めればよい。【００３０】ここで（２）について、テンプレートと冶具との間に導電性液体を有させる方法として、請求項１１に記載の如く、導電性液体の気液平衡状態、及び室内温度、圧力を制御することができるチャンバー中で導電性液体を形成せしめ提供することもできるし、同時にこれは、請求項１２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、均一液面の提供、液面設定、液面補正を行うこともできる。【００３１】ここで（５）について、導電性液体を移動させる方法として、吸引や毛細管現象と幾つかの手法が考えられるが特に限定はなく、例えば請求項８に記載の如く、テンプレートと、テンプレートとの表面エネルギー差を有した冶具を用い、この冶具とともに導電性液体をスライド移動させることもひとつの好ましい方法となる。【００３２】なお以下に続く本実施の形態においては、アレイ後のマイクロ部品転写性を考慮するべく、図６（ａ）に示すよう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の厚みを有したテンプレートを使用しアレイ操作を行っている。しかしこれらは、図６（ｂ）に示すように、マイクロ部品が完全に埋没する厚みを有するテンプレートを使用しても良いし、また図６（ｃ）に示すように、テンプレートからのマイクロ部品引き出し防止を考慮したグリッド形状を有するテンプレートを使用しても構わない。
【実施例２】
【００３３】図３は、図９（ａ）マイクロボールを例とし、請求項２記載の方法にて多数のマイクロ部品のアレイを行うものである。
【実施例３】
【００３４】図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、請求項３記載の方法にて多数のマイクロ部品のアレイを行うものである。
【実施例４】
【００３５】図５（ａ）（ｂ）の工程は、図９（ｂ）マイクロギヤを例とし、多数のマイクロ部品のアレイを行うものである。本実施例は、実施例１と同様の方法による。【００３６】以上、これらの実施例は、本発明を説明するためになされた一具体例であって、この具体例により本方法案が限定されるものではない。本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変型や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】（ａ）〜（ｄ）の工程は、請求項１記載の、図９（ａ）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）〜（ｅ）の工程は、請求項４、５記載の、図９（ａ）マイクロボールを例とした、マイクロ部品アレイ修正の基本メカニズムを示すものである。
【図３】は、図９（ａ）マイクロボールを例とし、請求項２記載の方法にて多数のマイクロ部品のアレイを行うものである。
【図４】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、請求項３記載の方法にて多数のマイクロ部品のアレイを行うものである。
【図５】（ａ）（ｂ）の工程は、図９（ｂ）マイクロギヤを例とし、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】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、図９（ａ）マイクロボールを例とした、テンプレートグリッド形状一例を示すものである。
【図７】（ａ）（ｂ）（ｃ）の工程は、請求項８記載の基本メカニズムを示すものである。
【図８】（ａ）は、請求項１０、１１、１２記載の均一液面形成、維持の基本メカニズムを示すもの、また図８（ｂ）は、温度及び圧力による一般的な物質の状態図を示すものである。
【図９】（ａ）（ｂ）は、本実施例で使用するマイクロ部品形状を示すものである。
【符号の説明】
【００３８】１１、３１、５１、７１  テンプレート
１２  ランダム状態な多数のマイクロ部品（マイクロボール）
１３、２３、４３、５３、６３、７３  導電性液体
１４  グリッド
１５  グリッド内部
２６  グリッド内部外の余分なマイクロ部品（マイクロボール）
４７１、４７２  冶具部
４８１、４８２  表面にテンプレート形状を備えた立体物
５９  ランダム状態な多数のマイクロ部品（マイクロギヤ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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