(57)【要約】【解決課題】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を実行可能とする。【解決手段】高融点材料からなるプローブ、プローブ姿勢制御系、プローブと基板間を５Ｖ〜２０ｋＶに亘り制御できるパルス電圧制御電源、並進および回転の自由度をもつ作業台、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からなる微小物の組み立て・加工装置で、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つ微小物３次元アセンブル装置。【選択図】　　図１
2004074352.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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）からな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つ微小物３次元アセンブル装置。
【請求項２】
請求項１において、微小物の組み立て・加工装置は作業環境制御系（７）を備え、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等でシールドする作業環境ガス制御装置（７ａ）を備えていることを特徴とする微小物３次元アセンブル装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、作業環境制御系（７）として、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）を備えていることを特徴とする微小物３次元アセンブル装置。
【請求項４】
請求項１又は２において、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５】
請求項１又は２において、パルス電圧制御電源（４）に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ことを特徴とした微小物もしくは基板のパルス電圧制御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。
【請求項６】
請求項５において、パルス電圧制御電源（４）が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るパルス電圧制御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。
【請求項７】
請求項５又は６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。
【請求項８】
請求項１又は２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、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２、ＣｒＢ２等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。
【請求項９】
請求項８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。
【発明の詳細な説明】
【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、プローブ姿勢制御系、プローブと基板間を５Ｖ〜２０ｋＶに亘り制御できるパルス電圧制御電源、並進および回転の自由度をもつ作業台、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からなる微小物の組み立て・加工装置で、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つ微小物３次元アセンブル装置（請求項１）を提供する。
【０００７】
この出願の発明は、第２には、作業環境制御系を追加し、その具体的手段として、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、さらにスパッター加工時における微小溶融物の再付着防止のためのブロアー機能などのために、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等でシールドする作業環境ガス制御装置を備えたり（請求項２）、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を備えた（請求項３）微小物３次元アセンブル装置を提供する。
【０００８】
この出願の発明は、第３には、集中監視系を具体化したうえに、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ものとした微小物３次元アセンブル装置（請求項４）を提供する。
【０００９】
この出願の発明は、第４には、パルス電圧制御電源の形態から、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もの（請求項５）で、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るもの（請求項６）及び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７）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５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８）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９）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ＮＲＩＭ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
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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