专利名称：微结构的制造系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种由层压薄膜元件形成的微结构的制造系统。
背景技术：
随着近些年精加工技术的发展，开发了很多制造三维形式的微结构的方法。这些方法中，利用室温结合(room temperature bonding)方法传送和层压到衬底上的层压制模法引人注意。这种方法是利用半导体加工工艺沿着微结构的层压方向形成各个横截面形状，作为衬底上成块的薄膜元件，将各个横截面形状即各个薄膜元件分离于衬底，以及利用室温的结合方法结合它们。然后，重复分离和结合，薄膜元件被传送并且层压，因此制造三维形状的微结构(见日本专利161362，第7-9页，图6-9)。
这里，室温结合方法是利用当材料表面上的氧化物和污染物在真空中通过离子束等照射而被清除时，具有干净原子面的材料表面即使在室温的条件下也能化学地结合的现象的结合方法。根据室温结合方法，可以获得相当于材料不使用粘合剂时的结合强度。
在上述的层压成型法中，改善微结构形状精度并且同时增加构成横截面形状的薄膜沿层压方向的层压数目在将来是主要问题，也需要具体的对策技术。为了更精确，在由上述层压成型法制成的微结构中，通过各个薄膜元件在层压时候的定位精度可以获得各个薄膜元件沿层压方向的定位精度。这受到工作台定位精度很大的影响，工作台被设置能在平行于层压的薄膜元件表面的平面里移动并且能定位薄膜元件。因此，用来定位薄膜元件的工作台需要具有高至纳米级的定位精度。
同时，例如，沿微结构层压方向构成各个横截面形状的薄膜元件在衬底上二维地设置。为了获得多个层压层、多种产品类型、或者批量生产，必须增加薄膜元件的设置面积。因此，相应于设置面积的尺寸要求的工作台移动量也增加。因此，用来定位的工作台需要具有大行程移动能力。
也就是说，在上述层压成型法中，用来定位薄膜元件的工作台需要具有高度的定位精度和就平行于薄膜元件的结合表面的平面而言大行程移动能力。而且由于上述层压成型法在高度真空中进行，工作台必须应对高度真空。另外，由于利用特定的压力将各个薄膜元件结合在一起，工作台需要具有高的承载特性。至于具体的需求规格，工作台需要具有满足如下所有要求的特性，纳米级的定位精度，从几十毫米到几百毫米的移动行程，大约达到10-6Pa的真空度，以及大约几吨的高承载特性。
现在，具有高定位精度的工作台包括如下类型。然而，采用上述的层压成型法时这些类型具有下列问题。
1)线性电机驱动方法线性电机驱动方法需要空气滑轨以便获得定位精度，因此不能在结合环境的真空中使用。
2)超声波电机驱动方法超声波电机驱动方法仅可以获得很小的推力(最大负载)。该方法也导致摩擦驱动单元的磨损并且变成结合环境的污染源。
3)压电元件/尺蠖(inchworm)驱动方法这种方法仅可以获得小的行程和低的移动速度。
这就是说，实际上没有这种定位工作台，其具有高精度和大行程，满足高真空兼容和高承载规格，并且容易应用。
发明内容
针对上述问题提出本发明。本发明的一个目的就是提供一种制造高形状精度的微结构的系统。
为了解决上述问题，本发明的权利要求1提供了一种微结构制造系统，包括压接和分离元件，设置在真空容器内，用来将具有多个带有任意二维图案和任意三维图案中的任一个的薄膜元件的被压接元件压接到设置为与被压接元件面对的压接目标元件，并且用来将薄膜元件分离于压接目标元件；以及定位元件，用来对被压接元件和压接目标元件进行定位，其中压接目标元件和薄膜元件的结合部分由定位元件相对设置，通过压接和分离元件使薄膜元件压接到压接目标元件，并且压接和分离元件从薄膜元件分离，从而在压接目标元件上层压薄膜元件，其中微结构制造系统包括表面清洁元件，用于将原子和离子束中的任何一种辐射到被压接元件和压接目标元件的表面上，并且其中定位元件包括第一工作台，具有能使第一工作台移动经过面对压接目标元件的被压接元件的整个表面的行程；第二工作台，具有等于或者大于第一工作台定位精度范围的行程；测量元件，能以高精度测量被压接元件的位置；以及定位控制元件，用来允许测量元件测量由第一工作台移动的被压接元件的位置，用来基于测量位置和目标位置之间的误差计算误差校正值，并且利用计算出的误差校正值将第二工作台移动到目标位置，从而校正第一工作台的定位误差。
为了解决上述问题，本发明的权利要求2提供微结构的制造系统，其中第二工作台包括位于第二工作台的固定部分和可动部分之间的弹性导轨，弹性导轨具有凹口弹簧作为移动方向的导轨；以及用于驱动可动部分的压电元件。
为了解决上述问题，本发明的权利要求3提供微结构的制造系统，其中第二工作台的可动部分由压接和分离元件利用凹口弹簧的刚度沿相对于压接力的方向支撑，并且当等于或大于预定值的压接力施加到可动部分时，通过允许可动部分接触位于可动部分底表面的固定面来抑制对应于凹口弹簧刚度的变形。以这种方式，可以抑制压接目标元件和薄膜元件的结合表面之间的倾斜。
为了解决上述问题，本发明的权利要求4提供微结构的制造系统，其中第一工作台包括第一工作台驱动元件，其设置在真空容器的外面，用于产生驱动力；第一工作台传输元件，用来将第一工作台驱动元件的驱动力传输到第一工作台；以及第一工作台引导元件，用来沿驱动方向引导第一工作台。
以此方式，可以在真空容器外设置一个电机，该电机是导致定位元件热变形的发热源。
为了解决上述问题，本发明的权利要求5提供微结构的制造系统，其中定位元件包括θ工作台，其具有沿压接目标元件和被压接元件的相对方向的转动轴线，并且θ工作台包括轴承元件，设置在转动部分和θ工作台固定部分之间，用于可转动地支撑转动部分。这里，当等于或大于预定值的压接力施加到转动部分时允许转动部分接触θ工作台固定部分。
为了解决上述问题，本发明的权利要求6提供微结构的制造系统，其中压接和分离元件包括压接杆，用来保持被压接元件和压接目标元件中的任一个；以及压接杆引导元件，其具有一个或多个平行于压接杆的压接方向设置的线性运动引导机构，从而抑制压接杆沿垂直于压接方向的方向的运动。
为了解决上述问题，本发明的权利要求7提供微结构的制造系统，进一步包括压接力检测元件，其设置在压接杆上，用于检测压接力。
为了解决上述问题，本发明的权利要求8提供微结构的制造系统，其中压接和分离元件的压接杆穿过真空容器并伸出真空容器，并且在真空容器外部，压接和分离元件包括万向节，其能够自由地改变连接方向；压接杆装配夹具，其通过万向节连接到压接杆；压接杆驱动元件，用于为压接和分离提供驱动力；压接杆传输元件，用来将驱动元件的驱动力传输到压接杆装配夹具；以及装配夹具引导元件，用来引导压接杆装配夹具的驱动方向。
为了解决上述问题，本发明的权利要求9提供微结构的制造系统，进一步包括角度调节元件，用于使得被压接元件和压接目标元件中至少一个的角度相互之间可以任意调节。这里，被压接元件和压接目标元件的结合表面设置为相互平行。
以此方式，确保相对设置的被压接元件和压接目标元件之间的平行性以便当进行传送(压接和分离)时实现精细传送性。
为了解决上述问题，本发明的权利要求10提供微结构的制造系统，其中定位元件包括校准元件，用于测量被压接元件相对于用来定位第一和第二工作台的基准位置的安装位置，并且用于计算基准位置校正值来相对于基准位置校正安装位置。以此方式，校正被压接元件的安装位置。
为了解决上述问题，本发明的权利要求11提供微结构的制造系统，其中在被压接元件上成形有由利用光刻技术形成的微小薄膜图案制成的校准标志，并且校准元件构造为利用能将校准标志放大和映射到任意尺寸的光学系统、用来通过光学系统拍摄校准标志的照相装置、以及用来通过图像识别计算校准标志的检测位置的图像处理装置来检测校准标志，并且构造为基于校准标志的检测位置发现安装位置。
为了解决上述问题，本发明的权利要求12提供微结构的制造系统，其中压接目标元件和被压接元件中的至少任一个是可替换的，提供有能够与真空容器连通的负载锁紧腔室，并且压接目标元件和被压接元件通过负载锁紧腔室提供和取回。这里，还可以在传送时改变压接目标元件和被压接元件的组合。
为了解决上述问题，本发明的权利要求13提供微结构的制造系统，其中提供有静电式卡盘和磁性卡盘中的任一个，用于将被压接元件保持在定位元件一侧上。以此方式，可以校正被压接元件的平面度和容易地更换被压接元件。
为了解决上述问题，本发明的权利要求14提供微结构的制造系统，进一步包括夹具元件，用于保持压接目标元件；以及装配元件，用于装配夹具元件。这里，装配元件是设置在压接和分离元件一侧上的静电式卡盘和磁性卡盘中的任一个。以此方式，可以确保压接目标元件的装配平面度的再现性和容易地更换压接目标元件。
为了解决上述问题，本发明的权利要求15提供微结构的制造系统，其中在压接和分离元件一侧上设置有插入元件，用于允许夹具元件的插入；在插入元件上成形有凹槽部分，其形状为向着插入方向变窄的锥形；并且在夹具元件上垂直于压接力的作用方向形成有压接和分离元件的压接力作用在其上的平面，并且锥形结合部分形成在夹具元件上从而装配于插入元件的凹槽部分。以此方式，可以获得压接目标元件的装配再现性而不会妨碍压接力的传输。
为了解决上述问题，本发明的权利要求16提供微结构的制造系统，进一步包括振动消除元件，用来降低来自外部的振动。因此，可以防止振动从外部传输到真空容器，并且从而抑制真空容器中的组件，例如第一工作台，沿垂直于压接方向的方向的位移。
为了解决上述问题，本发明的权利要求17提供微结构的制造系统，其中真空容器的底面部分由螺栓从高刚性表面板的后表面以小螺距固定。通过允许真空容器的底面部分一致于表面板的表面，可以当抽真空时抑制真空容器的底面部分的变形，并且从而抑制由真空容器的底面部分支撑的组件，例如第一工作台的位移。
为了解决上述问题，本发明的权利要求18提供微结构的制造系统，其中在静电式卡盘和磁性卡盘中的任一个的保持平面上设置有冲击元件，用于保持被压接元件，并且通过使被压接元件冲击该冲击元件将被压接元件放置在保持平面上。以此方式，可以容易地将被压接元件设置在保持平面上的预定位置。
根据本发明，加载多个构成微结构的薄膜元件(被压接元件)的工作台装置(定位元件)可以满足高负载、高真空适用性、高精度和大行程特性的所有要求，并且这种工作台装置容易应用。因此，可以以高定位精度进行控制同时保持大移动行程。以这种方式，可以形成任意三维形状的微结构，并且可以实现多层、多产品类型、和批量生产。
图1是表示本发明一个实施例的微结构制造系统的构造的视图。
图2A和2B是表示图1中微结构制造系统中的微动工作台的构造的视图。
图3A至3C是表示图1中微结构制造系统中的微动工作台的θ工作台的构造的视图。
图4A至4D是表示图1中微结构制造系统中的夹具单元的构造的视图。
图5A至5C是用来说明图1中微结构制造系统中的粗动工作台和微动工作台的操作的视图。
图6是用于说明图1中微结构制造系统中的粗动工作台和微动工作台的控制的框图。
图7是应用图1中微结构制造系统的微结构的位置误差的柱状图。
具体实施例方式
根据本发明的微结构制造系统构造为结合并且层压多个薄膜元件和类似物并从而制造微结构，通过元件定位多个具有任意二维图案或三维图案的薄膜元件，包括多个任意二维图案或三维图案或类似物的衬底(被压接元件)相对于压接目标元件被相对地设置，然后进行压接和分离，并且然后重复这些步骤。
在根据本发明的微结构制造系统中，使用工作台装置来获得高度的定位精度，其中，在具有预设定位精度的大行程粗动工作台(第一工作台)上设置有具有比粗动工作台更高定位精度的小行程微动工作台(第二工作台)。
当沿层压方向结合构成微结构各个横截面形状的薄膜元件时，粗动工作台首先被移动到目标位置。然而，由于为了确保给定的移动速度和大行程，粗动工作台的驱动控制系统的定位精度受到局限，因此粗动工作台不能确保制造微结构所要求的纳米级定位精度。因此在本发明中，通过组合具有较高定位精度的微动工作台和粗动工作台并且向目标位置移动微动工作台，从而校正粗动工作台相对于目标位置的定位误差，获得大行程和高精度。在这种情况下，微动工作台仅需要具有至少足够用来校正粗动工作台定位误差的行程，或者换句话说，该行程等于或者大于粗动工作台的定位精度范围。将参考图1至7详细地说明使用具有上述特征的工作台装置的微结构制造系统。
图1是示出根据本发明的实施例的微结构制造系统的构造的视图。
如图1中所示，根据本发明的微结构制造系统主要包括支撑台单元1，其是制造系统的基础部分；支撑在支撑台单元1上的腔室单元(chamber unit)2；传送单元3，用来将压接目标元件24和被压接元件25传送至腔室单元2；压接机构单元4(压接和分离元件)，用来结合传送到腔室单元2中的压接目标元件24和被压接元件25；工作台装置5，用来保持传送到腔室单元2中的被压接元件25；以及工作台控制单元6(定位元件)，用来控制工作台装置5的位置。
虽然该实施例采取例如压接目标元件24保持在压接机构单元4一侧并且被压接元件25保持在工作台装置5一侧从而两个元件相对的配置，然而，可以采取别的配置，其中压接目标元件24保持在工作台装置5上并且被压接元件25保持在压接机构单元4上。在该实施例中，作为被压接材料25，优选地使用多个具有任意二维图案或者任意三维图案的二维设置的薄膜元件，包括多个任意二维图案或三维图案的衬底等。另外，压接目标元件24可以由单独元件、多个任意二维设置的元件等构成。
支撑台单元1包括多个振动消除机构11(振动消除元件)，用来消除来自外部的振动影响；高刚性表面板12，其由多个振动消除机构11支撑并且形成腔室单元2的安装位置的基础；以及多个螺栓13，用来将构成腔室单元2的真空容器21的底部从后表面以小螺距固定到表面板12。通过从表面板12的的后表面以小螺距将真空容器21的底表面固定到表面板12，当抽真空时抑制真空容器21的底表面的变形。而且，支撑在真空容器21的底表面上层压制模所需的诸如工作台装置5的装置的移动也被抑制以避免对高精度定位产生不利的影响。
腔室单元2包括真空容器21，其可以利用未示出的真空泵实现高度的真空(大约10-6Pa)。腔室单元2在真空容器21中包括层压制模所需的装置，诸如压接机构单元4的一部分；用来保持被压接元件25的工作台装置5；以及高速原子轰击(FAB)装置22a和22b(表面清洁元件)，用来清洁和激活压接目标元件24和薄膜元件25的结合表面。
工作台装置5设置在真空容器21里面的下面部分。为了更精确，工作台装置5包括设置在真空容器21底表面的粗动工作台51，其具有大行程并且能沿着XY的平面方向移动；设置在粗动工作台51上的微动工作台52，其具有纳米级的高定位精度并且能沿着XY的平面方向移动；θ工作台53，其设置在微动工作台52上并且能沿着θ方向(在XY平面中的旋转方向)移动；以及设置在θ工作台53上的静电式卡盘54，用来保持被压接元件25。具有高表面平面度的镜子55设置在微动工作台52上，从而沿着XY方向延伸，其用来测量被压接元件25的位置。
粗动工作台51包括电机(第一工作台驱动元件)56，其设置在真空容器21的外面，并且其产生驱动力；滚珠丝杠(第一工作台传输元件)，用来将电机56的驱动力传输到粗动工作台51；横滚柱导轨(第一工作台引导元件)，用来沿驱动方向引导粗动工作台51。粗动工作台51具有大行程，该行程能虑及被压接元件25的整个表面，并且通过二维设置多个薄膜元件形成以面对压接目标元件24而形成，并且该工作台以等于或大于预设值的速度被驱动。这些粗动工作台51、微动工作台52、θ工作台53等可以适应于高真空、高刚性(具有高承载特性)、以及高压接力的抗力。这里，在该实施例采用的这种配置中，微动工作台52设置在粗动工作台51上并且被压接元件25设置在微动工作台52一侧上。然而，本发明不限于上述结构。例如，可以将任何一个工作台或者两个工作台设置在压接目标元件24一侧。
用来允许静电式卡盘54保持被压接元件25的保持平面成形为具有高平面度。通过利用静电式卡盘54保持被压接元件25，被压接元件25粘到保持表面从而贴合于它。以这种方式，被压接元件25的表面也能保持高平面度。
而且，在静电式卡盘54的保持平面上设置有冲击元件，用于保持被压接元件25。因此，当被压接元件2放置在保持平面上时，通过将被压接元件25的衬底设置为冲击该冲击元件，可以容易地将被压接元件25设置在保持平面上的预定位置。
这里，通过将被压接元件25固定到由金属材料制成的被磁力吸引同时保持高平面度的衬底，也可以使用磁性卡盘代替静电式卡盘54。
被压接元件25设置在静电式卡盘54上，同时利用工作台装置5(粗动工作台51、微动工作台52、θ工作台53)一侧上的根据驱动坐标的基准位置(诸如驱动坐标的原点或者镜子55的位置)作为基准。然而，被压接元件25的实际安装位置容易与预设的安装位置偏离。而且，根据本发明的微结构制造系统要求纳米级的高定位精度。因此，必须提供校正被压接元件25的安装位置的元件。
因此，本发明的微结构制造系统设置有校准机构23(校准元件)。校准机构23包括光学系统23a，用来放大和映射工作台装置5的表面；电荷耦合装置(CCD)照相机23b(照相元件)，用来通过光学系统23a对工作台装置5照相；以及图像处理装置(图像处理元件)，用来识别由CCD照相机23b拍摄的图像并且进行计算机处理。校准机构23通过用CCD照相机23b拍摄设置在被压接元件25表面上的校准标志、从拍摄的图像中识别出校准标志、并检测校准标志的位置来计算被压接元件25的安装位置。然后，校准机构23通过测量被压接元件25的安装位置相对于工作台装置5一侧的驱动坐标基准位置在X、Y和θ方向上的偏差值、根据偏差值计算基准位置校正值以进行校正、并且将被压接元件25的安装位置调整到工作台装置5一侧的驱动坐标来校准被压接元件25。或者，也可以根据基准位置校正值将被压接元件25重新放置到合适的安装位置。因此，即使当被压接元件25的安装位置偏离，也可以通过校准机构23以高精度将被压接元件25定位到目标位置。
这里，校准标志由利用光刻技术形成的微小薄膜图案制成。根据形状精度和定位精度可以相对于薄膜元件的设置位置精确地形成校准标志。也可以在工作台装置5上设置相似的校准标志，并且使用该校准标志作为有关工作台装置5的驱动坐标的基准位置。
传送单元3包括负载锁紧腔室31，其利用未示出的真空泵可以达到和真空容器21相同的真空度；传送机构32，用来将设置在负载锁紧腔室31中的被压接元件25传送到真空容器21中的工作台装置5上；负载锁紧门33，其是负载锁紧腔室31和周围空气之间的打开和关闭的门，当负载锁紧门33关闭时，它密封负载锁紧腔室31并且保持其中的真空度；以及大门(gate door)34，设置在真空容器21和负载锁紧腔室31之间。当传送被压接元件25时，大门34打开，因此允许负载锁紧腔室31与真空容器21连接并且允许被压接元件25的传送。当向周围空气打开负载锁紧腔室31时，大门34关闭来保持真空容器21里面的真空度。
传送机构32包括臂35，其利用多个接头可以延伸和收缩。通过延伸和收缩臂35，传送机构32可以移动其顶部来在XYZ-θ方向保持被压接元件25。例如在图1中示出的臂35，在待用的状态下或者当传送机构32没有运行时，传动机构32待用同时折叠臂部分。另一方面，当将被压接元件25设置在真空容器21中的工作台装置5上时，传送机构32操作臂35向工作台装置5延伸，如在图1中虚线示出的臂35a。同时，通过将其中形成有多个薄膜元件的多个衬底放置在负载锁紧腔室31中，可以将各个衬底依次传送到真空容器21中。而且，通过依次层压各个衬底的薄膜元件同时改变衬底，可以进行连续地层压多个衬底的薄膜元件，而不用将负载锁紧腔室31里的真空度设置回周围空气。通过这种方式，可以得到多层、多产品类型、或批量微结构生产。这里，除了被压接元件，也可以通过传送机构32传送压接目标元件并且改变多个压接目标元件。
压接机构单元4设置在腔室单元2的上方并在真空容器21里面的上部。为了更精确，在腔室单元2上方的压接机构单元4包括压接驱动机构41，其由真空容器21顶板部分支撑并且产生压接力；万向节42，连接于压接驱动机构41，可沿连接方向自由地移动并且沿垂直方向向下传送压接力；以及可垂直移动的压杆44(压接杆)，连接于万向节42同时穿过真空容器21的顶板并从里面向外延伸。在压接时，产生沿如图1中箭头A所示方向的压接力，压接目标元件24和被压接元件25互相结合。同时，在真空容器21的顶板贯通孔之间设置波纹管43，用来允许压杆44贯穿，因此压接机构单元4可以保持真空容器21中的真空。
同时，在真空容器21中的上面部分上，压接机构4包括利用多个支柱固定到真空容器21的底部的引导机构45(压接杆引导元件)用于引导压杆44；压电测力仪46(压接力检测元件)，用来测量向着工作台装置5的压接力；角度调节机构47(角度调节元件)，连接于压杆44末端部，用于将压接目标元件24的结合表面设置为平行于保持在工作台装置5一侧上的被压接元件25的结合表面；以及设置在角度调节机构47末端部的磁性卡盘48(装配元件)，用来装配用于保持压接目标元件24的夹具49(夹具元件)。引导机构45包括一个或多个平行于压杆44设置的线性运动引导机构。引导机构45通过压杆44的引导运动抑制沿着垂直于压接方向A的平面方向的运动，因此确保压杆44的运动精度。作为线性运动引导机构，例如可以使用适应真空的导柱型高精度线性导轨，其可以达到高刚度和高精度。这里，只要压接机构单元4可以保持同样的功能，压接机构单元4的各个组件的构成不限于上述的配置。
这里，压接驱动机构41包括通过万向节42连接到压杆44的杆装配夹具41a(压接杆装配夹具)；压接和分离电机(压接杆驱动元件)，其是提供用于压接和分离的驱动力的致动器；滚珠丝杠(传输元件)，用来将压接和分离电机的驱动力传输到杆装配夹具41a；以及横向滚柱导轨41b(装配夹具引导元件)，用来沿驱动方向引导杆装配夹具41a(一些这种组成部分的图例被省略)。例如，真空容器21在抽空过程中有变形的担心，而且压杆44在真空容器21一侧的位置也可能由于真空容器21的变形而移动。而且，在真空容器21一侧的压杆44的位置也可能由于压接机构单元4的装配误差引起移动，或者更精确地，由于引导机构45引导的压杆44和横向滚柱导轨41b引导的杆装配夹具41a之间导致的机械装配误差引起移动。因此，本发明采用这种配置，即通过利用万向节42吸收在杆装配夹具41a和压杆44之间的偏差量来保持高定位精度，因此消除了当发生偏差时传递到压杆44的沿水平方向的力。
工作台控制单元6包括工作台控制装置61，进行工作台装置5的定位控制。工作台控制装置61主要地包括主控制单元62，用来控制工作台装置5的粗动工作台51、θ工作台53、静电式卡盘54等；以及误差校正单元63，用来控制微动工作台52。当移动粗动工作台51时，移动位置指令由主控制单元62传给电机56，从而移动粗工作台51。在这种情况下，移动位置由电机56的旋转编码器监测，并且粗动工作台51被移动到该移动位置。相反，微动工作台52的移动位置利用不同的路线控制。
为了更精确，两个激光长度测量机64(测量元件)沿着XY的方向设置在真空容器21的旁边。因此，通过将激光长度测量机64的激光柱照射到设置在微动工作台52上的镜子55，可以测量镜子55的当前位置。这里，例如为了以高精度进行测量，优选地使用干涉型激光长度测量机，用于利用激光柱干涉测量长度。如此测量的镜子55的位置作为反馈送到误差校正单元63，并且基于该反馈将移动位置指令传给微动工作台52，以将微动工作台52移动至目标位置。这里，镜子55相对于微动工作台52的位置总是不变的，并且被压接元件25相对于工作台装置5的驱动坐标系的安装位置可利用校准装置23计算。因此，被压接元件25的位置可以通过测量镜子55的当前位置来计算。因此，可以计算被压接元件25的当前位置和目标位置之间的差异(即粗动工作台51的定位误差)并且计算误差校正值，从而基于该误差将被压接元件51移动到目标位置。因此，通过将误差校正值传到微动工作台52将被压接元件25移动到目标位置。
同时，两个用来测量压杆44末端部在水平方向的位移量的激光长度测量机65沿着XY方向设置在真空容器21的旁边。这里，当压接相应于第一层的被压接元件25的薄膜元件时，预先测量压杆44沿水平方向的位置。当压接相应于第二层和之后层的被压接元件的薄膜元件时，比较前次压接时压杆44的位置和压杆44的当前位置，这样利用通过比较获得的偏差值计算出用于校正被层压的薄膜元件之间的偏差的层压校正值。此后，层压校正值加到相对于微动工作台51的误差校正值，从而校正微动工作台51的移动位置。在这种情况下，类似于放置在微动工作台52上的镜子的镜子设置在夹具单元49等的沿XY方向的平面上，即在面对两个激光长度测量机65的平面上。因此，通过测量镜子的位置测量压杆44末端部的位置。换句话说，压杆44的末端部位置测量值等于将被装配到压杆44末端处的预设位置的压接目标元件24的位置测量值。因此，通过在压接过程中不断地监测压接目标元件24的位置，可以本质上消除由于压杆44重复的定位精度在各层中产生的位置偏差。
接下来，参考附图2A和2B进一步详细地描述微动工作台52的构造。
这里，图2A是微动工作台52的俯视图，并且为了便于理解，略去θ工作台53、静电式卡盘54等。
微动工作台52包括固定到粗动工作台51的框架52a(固定部分)；工作台52b(可动部分)，其由框架52a包围并且设置为可以移动；多个设置在工作台52b的四个角上的铰链部分52c以可移动地支撑工作台52b；两个沿着X方向延伸的压电元件52d和52e，每一个有一端连接到框架52a并且另一端连接到工作台52b；以及沿Y方向延伸的压电元件52f，其有一端连接到框架52a并且另一端连接到工作台52b。另外，粗动工作台52包括在工作台52b上垂直设置两个平面的镜子55。压电元件52d、52e、和52f设置在位于框架52a上的长形凹槽部分中，并且凹槽部分用作用于压电元件52d、52e、和52f的导轨。
例如，当工作台52b沿X方向移动时，与压电元件52d和52e同步的电压作用到压电元件52d和52e。相反，当工作台52b沿Y方向移动时，电压作用到压电元件52f。通过延伸和收缩作为致动器的压电元件52d，52e和52f，移动工作台52b。这些压电元件52d，52e和52f可以设置为能进行所谓的尺蠖驱动。以这种方式，压电元件52d，52e和52f可以保持在高精度的延伸和收缩后的位置。这里，当移动工作台52b时，工作台52b的位置被两个沿着XY方向设置的激光长度测量机64a和64b监测。
如在图2B的放大图中所示，铰链部分52c具有组合了多个凹口弹簧的独特形状，用作弹性导轨。通过设置多个圆弧凹口，铰链部分52c能沿不同的方向独立地变形。换句话说，铰链部分52c是可变形的，以便沿工作台52b的X方向的运动和沿Y方向的运动之间不会产生不利的影响。而且，可以通过单独地向压电元件52d和52e施加不同的电压使得工作台52b沿θ方向微小地倾斜。铰链部分52c可以由低热膨胀合金制成。以这种方式，可以形成能抑制热膨胀不利的影响并且达到高定位精度的微动工作台52。
另外，铰链部分52c利用由凹口弹簧的刚度来沿克服压接机构单元4的压接力的方向支撑工作台52b。当等于或大于预定值的压接力施加到工作台52b时，等于凹口弹簧刚度的铰链部分52c的变形通过在工作台52b底表面侧上的粗动工作台51的上表面被抑制。以这种方式，可以抑制压接目标元件24和被压接元件25的结合表面之间的倾斜。
镜子55包括分别沿着X方向和Y方向的两个大平面，其尺寸比设置有被压接元件25的位置的尺寸大。因此，在镜子55表面上激光长度测量机64a和64b的测量位置根据粗动工作台51和微动工作台52的移动位置而变化。这里，为了高精度地测量镜子55的移动位置，必须考虑镜子55的两个平面的平面度。因此，本发明采取一种结构来在层压之前(处理过程前)或层压期间(处理过程中)测量镜子55两个平面的平面度，利用镜子55两个平面的平面度相对于它的两个平面理想的平面度计算平面度校正值，以及通过将平面度校正值加到微动工作台52的误差校正值来校正微动工作台52的移动位置。因此，通过进行上述的校正，可以校正由于镜子55的形状精度引起的各层之间的位置偏差。
顺便提及，图3A到3C示意性表示了θ工作台53的构造。
这里，图3A是θ工作台53的俯视图，图3B和3C是θ工作台53的侧视图。
θ工作台53包括构成θ工作台固定部分的定子53a、构成轴承元件的向心止推轴承53b、由向心止推轴承53b可转动地支撑以构成转动部分的转子53c、以及用于转动转子53c的驱动电机55d。转子53c由驱动电机55d的驱动围绕θ轴沿θ方向转动，并且沿θ方向的转动还使得保持在θ工作台上的被压接元件25沿θ方向转动。例如，可以通过结合相同横截面形状的多个薄膜元件同时由θ工作台53相对于压接目标元件24分别转动薄膜元件来形成螺旋式三维形状。θ工作台53的定子53a的底面由构成θ工作台固定部分的微动工作台52支撑，并且在转子53c的底面和微动工作台52的顶面之间形成小间隙G。压接力沿θ轴方向施加，即沿箭头F表示的方向施加。例如，当等于或超过预定值的压接力施加在转子53c上时，转子53c的底面接触微动工作台52的顶面，以抑制等于向心止推轴承53b的刚度的变形，如图3C的区域C所示。以此方式，θ工作台53构造为抑制转子53c的倾斜，即被压接元件25的薄膜元件的倾斜。
而且，图4A至4D示意性表示夹具单元49的构造。
这里，图4A是夹具单元49插入夹具49d(夹具元件)之前的侧视图，图4B是夹具单元49插入夹具49d时的侧视图。而且，图4C是夹具单元49插入夹具49d之前的仰视图，图4D是夹具单元49插入夹具49d时的仰视图。
夹具壳体49a(插入元件)的上表面侧固定于压杆44一侧，并且其下表面侧包括用于插入夹具49d的插入部分。插入部分包括将被装配到夹具49d内的凹槽部分49b，以及允许压接目标元件24面对工作台的孔49c。同时，夹具49d包括用于固定压接目标元件24的固定部分49e，以及将被装配到凹槽部分49b的结合部分49f。为了便于插入时再现夹具49d的位置，结合部分49f形成为锥形，其中从结合部分49f的侧视图的厚度向着插入方向逐渐减小，并且从其仰视图的宽度向着插入方向逐渐减小。根据结合部分49f的形状，夹具壳体49a的凹槽部分49b也形成为锥形，其中从凹槽部分49b的侧视图的高度向着插入方向逐渐减小，并且从其仰视图的宽度向着插入方向逐渐减小。
由于上述形状，例如在改变装配到固定部分49e的压接目标元件24之后再次将夹具49d插入到夹具壳体49a内的情况下，可以容易地将夹具49d的中心位置L1对准于夹具壳体49a的中心位置L2。以此方式，可以容易地保证装配位置的再现性(见图4B中的L3)。这里，压接力F施加在其上的表面，例如夹具49d的上表面侧和下表面侧，垂直于压接力F的施加方向形成。以此方式，可以获得压接目标元件的装配再现性而不会妨碍压接力的传输。
接下来，将参考图5A至图6说明利用上述制造系统的微结构制造方法和粗动工作台51和微动工作台52的控制方法(定位过程)。
(1)被压接元件和压接目标元件的加工过程在利用制造系统制造微结构之前，预先制造压接目标元件24和被压接元件25。为了更精确，具有所需三维结构的微结构利用三维计算机辅助设计(CAD)沿层压方向分解为多个横截面形状，然后利用二维设置和制模各个横截面形状加工掩模。然后，利用需要的材料在衬底上形成薄膜，并且利用光刻技术将薄膜加工为模制在掩模上的形状。以这种方式，多个二维设置的薄膜元件在衬底上成块。为了便于剥掉薄膜元件，由聚酰亚胺或类似物制成的脱模层形成于薄膜的下表面。另外，在压接目标元件中，利用所需的材料形成凸起平台部分。通过将多个薄膜元件层压到压接目标元件的凸起平台上形成微结构。
这里，压接的结合强度受到压接目标元件24和被压接元件25结合表面的表面粗糙度的影响。因此，可以避免在结合边界上的空间，并且能够通过利用化学机械抛光(CMP)技术等将表面加工到表面粗糙度为约Ra＝1纳米而获得更好的结合强度。而且通过减小薄膜元件的厚度，可以改善分解的精度，不仅在XY轴方向，而且在Z轴方向，即三维形状的微结构沿着高度方向(层压方向)形状分解。在这种情况下，由于由聚酰亚胺或类似物制成的软脱模层存在于薄膜元件的下面，当压接薄膜元件时，薄膜元件可能隐藏在脱模层里面，结果可转移性可能退化。因此，在这种情况下，不具有薄膜元件的脱模层部分利用活性气体或类似物蚀刻，所以薄膜元件利用下面的脱模层平台抬起。以这种方式，避免薄膜元件被隐藏在周围脱模层中。如上所述，为了获得微结构的纳米级的形状精度，优选地将便于进行精加工的半导体加工技术应用到被压接元件和压接目标元件的加工方法。然而，根据形状精度也可以采用其他加工方法。
(2)被压接元件和压接目标元件的传送过程包括多个薄膜元件的被压接元件25利用制造系统的传送单元3放置在工作台装置5上。同时，压接目标元件24可以利用制造系统的传送单元3装配到压杆44末端处的夹具单元49，或者预先装配到夹具单元49。
(3)包含在被压接元件中的薄膜元件的定位过程通过利用校准机构3校准被压接元件25的安装位置与在工作台装置5一侧上的驱动坐标，校准设置在工作台装置5上的被压接元件25。
在校准之后，为了能以高精度进行压接目标元件24和被压接元件25的薄膜元件的结合，利用如图5A至5C中示出的控制方法和利用如图6中示出的控制框图控制工作台装置5和工作台控制单元6。为了更精确，利用组合构成工作台控制单元6的主控制单元62的电机控制板71和电机驱动器72以及利用来自嵌入在电机56中的旋转编码器73的反馈信号以半闭方式控制粗动工作台51。同时，利用组合构成工作台控制单元6的误差校正单元63的主微动控制块74、数模(DA)变换器板75、和压电换能器(PZT)放大器76以及利用由激光长度测量机64测量并由计数板77计算的测量值反馈控制微动工作台52。
当工作台定位指令(目标位置)从工作台控制单元6送出，通过电机控制板71和电机驱动器72驱动电机56，并且从而移动粗动工作台51。这时，由旋转编码器73测量粗动工作台51的移动位置。同时，还由激光长度测量机64测量该移动位置。当粗动工作台51移动时，具有0V值的信号，即没有信号送到用来控制微动工作台52的误差校正单元63，并且微动工作台52保持当前位置。当判断出粗动工作台51被移动到目标位置的范围内(到位状态)时，换句话说，当判断出被压接元件25被移动到粗动工作台51相对于目标坐标的定位精度范围内时，完成粗动工作台51的定位并且粗动工作台51的驱动轴通过将制动装置设置到ON状态下而固定。
此后，当来自工作台控制单元6的工作台定位指令(目标位置)转换到误差校正单元63一侧时，定位过程转换为对微动工作台52的控制模式。在误差校正单元63中，由粗动工作台51移动的被压接元件25的位置由激光长度测量机64测量。通过比较从激光长度测量机64传来的作为反馈的测量值和工作台定位指令(目标位置)，误差校正单元63进一步获得差异，然后基于差异计算误差校正值，并且通过主微动控制块74、D/A变换器板75、和PZT放大器76将该误差校正值提供给微动工作台52的压电元件。因此，微动工作台52移动到目标坐标，并且由粗动工作台51产生的定位误差被校正。因此，以高精度进行定位。也就是说，粗动工作台51的定位误差通过以等于由粗动工作台51产生的定位误差的量移动微动工作台52而得到校正。以这种方式，完成了将被压接元件25定位到目标位置。
而且，通过在校正的同时，将镜子55的平面度校正值、压杆44上的层压校正值、和被压接元件25的安装位置的基准位置校正值等加到前述误差校正值内可以进行更高精度的定位。利用上述定位方法，通过粗动工作台51可以获得大行程和高移动速度，并且通过微动工作台52等可以获得高定位精度。因此，当制造微结构时，可以改善被压接元件25的薄膜元件在整个移动范围内的定位精度。以这种方式，可以获得高精度形状的由层压薄膜元件的多层形成的微结构，同时提高了加工效率。
(4)被压接元件和压接目标元件的表面清洁过程在压接目标元件24和被压接元件25定位完成之后，清洁压接目标元件24和被压接元件25的结合表面。通常，由于与空气中的氧气反应生成的氧化膜、在光刻过程中使用的蚀刻材料的残渣、和其他污染物存在于结合表面。因此，在本发明的微结构制造系统中，中性原子束、离子束等从FAB装置22a和22b辐射到高真空(等于或低于1×10-6Pa)中的结合表面以便从结合表面清除这些污染物。以这种方式，结合表面被清洁并且设置为允许在它们上面存在悬挂键(danglingbonds)的状态，即结合表面被激活的状态。然后，压接目标元件24和被压接元件25的结合表面被压接到一起。这个过程叫做室温结合方法。通过利用室温结合方法将这些元件结合起来，可以利用存在它们上面的悬挂键将它们的结合表面结合到一起。以这种方式，可以获得小结合强度。而且，由于可以在室温下结合元件，因此可避免热变形。因此，该方法也有助于实现高精度和高生产效率。
(5)被压接元件和压接目标元件的传送(压接和分离)过程在完成压接目标元件24和被压接元件25的结合表面的清洁之后，压接目标元件24和被压接元件25的结合表面受到压接和分离。在该实施例中，通过固定被压接元件25的Z轴位置以及通过利用压接机构单元4沿Z轴方向向下移动压接目标元件24来进行压接。在压接过程中，压接力由测力计46测量，从而压接目标元件24和被压接元件25的结合表面被结合到一起同时向构成压接目标元件24和被压接元件25的材料施加最佳的压接力。此后，当沿Z轴方向向上移动压接目标元件24时，被压接元件25上的薄膜被剥离并从被压接元件25分离，并且传送到压接目标元件24。
(6)重复过程对于被压接元件25上的多个薄膜元件中的每一个，定位过程(3)、清洁过程(4)和传送过程(5)都被重复。以这种方式，多个薄膜元件被传送到压接目标元件24并层压到压接目标元件24上，并且最后形成所需的三维形状的微结构。
这里，根据本发明的微结构制造系统也可以使用其中构成一个微结构的多个薄膜元件形成在一个衬底上的被压接元件、其中构成不同微结构的薄膜元件分别形成在一个衬底上的被压接元件、等等。就此而言，微结构制造系统也可以使用其中多个凸起部分(结合部分)形成在其上面的压接目标元件。以这种方式，可以将多个薄膜元件传送到压接目标元件的多个结合部分(成批过程)。
图7示出使用根据本发明的微结构制造系统的情况下定位精度的柱状图。
该柱状图示出当重复操作100次以200mm行程移动粗动工作台51和通过微动工作台52进行误差校正时的结果。如从图5明显显示，制造系统尽管在大行程运动的情况下仍保持高定位精度。实验标志了本制造系统的高精度，也就是说平均偏差e＝-4.28nm并且标准偏差σ＝26.2/3＝8.73nm。
由于根据本发明的微结构制造系统使用室温结合方法，因此该制造系统允许广泛地使用用于形成微结构的层压材料。例如，除了诸如纯金属或合金的金属材料外，可以使用各种材料，包括电介质材料、绝缘材料、诸如塑料的树脂材料等。而且，对于微结构的三维形状，可以形成包括突出结构、中空结构等各种结构。因此，利用制造系统制造的微结构的应用不仅仅限于诸如微型齿轮的微型机器零件。微结构也可以应用于更广的产品范围，包括诸如微型模具或微型管道元件的具有复杂形状的微型系统、所谓的微型机器、诸如三维光子水晶或衍射光学元件的微型光学装置、等等。
权利要求
1.一种微结构制造系统，包括压接和分离元件，设置在真空容器内，用来将具有多个带有任意二维图案和任意三维图案中的任一个的薄膜元件的被压接元件压接到设置为与被压接元件面对的压接目标元件，并且用来将薄膜元件分离于压接目标元件；以及定位元件，用来对被压接元件和压接目标元件进行定位，其中压接目标元件和薄膜元件的结合部分由定位元件相对设置，通过压接和分离元件使薄膜元件压接到压接目标元件，并且压接和分离元件从薄膜元件分离，从而在压接目标元件上层压薄膜元件，其中微结构制造系统包括表面清洁元件，用于将原子和离子束中的任何一种辐射到被压接元件和压接目标元件的表面上，并且其中定位元件包括第一工作台，具有能使第一工作台移动经过面对压接目标元件的被压接元件的整个表面的行程；第二工作台，具有等于或者大于第一工作台定位精度范围的行程；测量元件，能以高精度测量被压接元件的位置；以及定位控制元件，用来允许测量元件测量由第一工作台移动的被压接元件的位置，用来基于测量位置和目标位置之间的误差计算误差校正值，并且利用计算出的误差校正值将第二工作台移动到目标位置，从而校正第一工作台的定位误差。
2.根据权利要求1的微结构制造系统，其中第二工作台包括位于第二工作台的固定部分和可动部分之间的弹性导轨，弹性导轨具有凹口弹簧作为移动方向的导轨；以及用于驱动可动部分的压电元件。
3.根据权利要求2的微结构制造系统，其中第二工作台的可动部分由压接和分离元件利用凹口弹簧的刚度沿相对于压接力的方向支撑；并且当等于或大于预定值的压接力施加到可动部分时，通过允许可动部分接触位于可动部分底表面的固定面来抑制对应于凹口弹簧刚度的变形。
4.根据权利要求1至3中任一个的微结构制造系统，其中第一工作台包括第一工作台驱动元件，其设置在真空容器的外面，用于产生驱动力；第一工作台传输元件，用来将第一工作台驱动元件的驱动力传输到第一工作台；以及第一工作台引导元件，用来沿驱动方向引导第一工作台。
5.根据权利要求1至4中任一个的微结构制造系统，其中定位元件包括θ工作台，其具有沿压接目标元件和被压接元件的相对方向的转动轴线，θ工作台包括轴承元件，设置在转动部分和θ工作台固定部分之间，用于可转动地支撑转动部分，以及当等于或大于预定值的压接力施加到转动部分时允许转动部分接触θ工作台固定部分。
6.根据权利要求1至5中任一个的微结构制造系统，其中压接和分离元件包括压接杆，用来保持被压接元件和压接目标元件中的任一个；以及压接杆引导元件，其具有一个或多个平行于压接杆的压接方向设置的线性运动引导机构，从而抑制压接杆沿垂直于压接方向的方向的运动。
7.根据权利要求6的微结构制造系统，进一步包括压接力检测元件，其设置在压接杆上，用于检测压接力。
8.根据权利要求6和7中任一个的微结构制造系统，其中压接和分离元件的压接杆穿过真空容器并伸出真空容器，并且在真空容器外部，压接和分离元件包括万向节，其能够自由地改变连接方向；压接杆装配夹具，其通过万向节连接到压接杆；压接杆驱动元件，用于为压接和分离提供驱动力；压接杆传输元件，用来将驱动元件的驱动力传输到压接杆装配夹具；以及装配夹具引导元件，用来引导压接杆装配夹具的驱动方向。
9.根据权利要求1至8中任一个的微结构制造系统，进一步包括角度调节元件，用于使得被压接元件和压接目标元件中至少一个的角度相互之间可以任意调节，其中被压接元件和压接目标元件的结合表面设置为相互平行。
10.根据权利要求1至9中任一个的微结构制造系统，其中定位元件包括校准元件，用于测量被压接元件相对于用来定位第一和第二工作台的基准位置的安装位置，并且用于计算基准位置校正值来相对于基准位置校正安装位置。
11.根据权利要求10的微结构制造系统，其中在被压接元件上成形有由利用光刻技术形成的微小薄膜图案制成的校准标志，并且校准元件构造为利用能将校准标志放大和映射到任意尺寸的光学系统、用来通过光学系统拍摄校准标志的照相装置、以及用来通过图像识别计算校准标志的检测位置的图像处理装置来检测校准标志，并且构造为基于校准标志的检测位置发现安装位置。
12.根据权利要求1至11中任一个的微结构制造系统，其中压接目标元件和被压接元件中的至少一个是可替换的，提供有能够与真空容器连通的负载锁紧腔室，并且压接目标元件和被压接元件通过负载锁紧腔室提供和取回。
13.根据权利要求1至12中任一个的微结构制造系统，其中提供有静电式卡盘和磁性卡盘中的任一个，用于将被压接元件保持在定位元件一侧上。
14.根据权利要求1至13中任一个的微结构制造系统，进一步包括夹具元件，用于保持压接目标元件；以及装配元件，用于装配夹具元件，其中装配元件是设置在压接和分离元件一侧上的静电式卡盘和磁性卡盘中的任一个。
15.根据权利要求14的微结构制造系统，其中在压接和分离元件一侧上设置有插入元件，用于允许夹具元件的插入；在插入元件上成形有凹槽部分，其形状为向着插入方向变窄的锥形；并且在夹具元件上垂直于压接力的作用方向形成有压接和分离元件的压接力作用在其上的平面，并且锥形结合部分形成在夹具元件上从而装配于插入元件的凹槽部分。
16.根据权利要求1至15中任一个的微结构制造系统，进一步包括振动消除元件，用来降低来自外部的振动。
17.根据权利要求1至16中任一个的微结构制造系统，其中真空容器的底面部分由螺栓从高刚性表面板的后表面以小螺距固定。
18.根据权利要求13的微结构制造系统，其中在静电式卡盘和磁性卡盘中的任一个的保持平面上设置有冲击元件，用于保持被压接元件，并且通过使被压接元件冲击该冲击元件将被压接元件放置在保持平面上。
全文摘要
一种微结构制造系统，包括具有预定定位精度和大行程长度的粗动工作台，设置在粗动工作台上并具有比粗动工作台更高定位精度和小行程长度的微动工作台等，它们结合在一起构成设置在真空容器内的工作台装置；用于测量到设置在微动工作台上的镜子的距离的激光长度测量机，用于利用激光长度测量机的测量结果驱动微动工作台的工作台控制装置等，它们结合在一起构成工作台控制单元；以及用于保持与由工作台装置保持的被压接元件相对设置的压接目标元件并且压接和分离这些元件的压杆(44)，用于向压杆(44)施加压接力的压接驱动机构等，它们结合在一起构成压接机构单元。
文档编号B29C67/00GK1680188SQ20051005281
公开日2005年10月12日 申请日期2005年2月28日 优先权日2004年4月6日
发明者津野武志, 后藤崇之, 田原谕, 木之内雅人, 浅野伸, 长谷川修, 山田高幸, 高桥睦也 申请人:三菱重工业株式会社