JPH03503987A - 把持装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 把　　持　　装　　置 技術分野 本発明は、本体と把持部材とを有する把持装置に関するものである。この種の把 持装置は、たとえばロボット技術で使用され、多数の文献に記載されている。

把持すべき対象は把持部材間に機械的に把持され、その後たとえば保持され、あ るいは他の場所へ移送される。

顕微鏡的に小さい対象を把持する把持部材には、微細機械的な精度をきわめて必 要とされる。

従来の技術 機械的な把持部材の他に、電磁的な部材が使用されることが多い。対象は、たと えば電磁コイルによって発生される磁力によって保持される。この種の把持装置 は、機械的な部材を持たないものもあるが、磁化可能な対象にしか使用すること ができない。

機械的な把持装置には把持部材が設けられており、把持部材は摺動可能（把持ジ ョー）、あるいはリンク（把持フィンガー）でなければならず、かつ機械的ある いは電気機械的な駆動装置を必要とする。この種の把持装置は機械的な摩耗にさ らされる。

更に機械的な把持部材は潤滑を必要とし、従ってクリーンルームか真空の条件の 下で限定的にしか使用できない。

ＩＢＭのＴｅｃｂｎｉｃａｌ　Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ　　（ 第２５巻、８号、１９８３年、第４４４３頁）の記載から知られている把持装置 の場合には、把持アームはバイメタルで形成されている。この把持アームは適当 な温度変化によって固定の把持アーム方向へ屈曲し、それによって両方の把持ア ーム間に把持すべき対象を挾持する。

上述のすべての把持装置は、顕微鏡的な対象を把持するには限界がある。という のは製造に必要な微細機械的な方法はミニチュア化が進むにつれてどんどん複雑 になり、コスト高を招くからである。

発明の説明 本発明の課題は、煩雑な微細技術的な方法を用いずに形成することができ、顕微 鏡的に小さい対象（ミクロン単位）を把持するのに適した、簡単な把持装置を提 供することである。

この課題は本発明によれば、把持装置が次に示すような特徴の組合せを有するこ とによって解決される。

すなわち 本体が１つあるいは複数の半導体テープからなり、舌片がそれぞれ、沈積あるい は蒸着プロセスにより形成された薄い層を積層して形成され、温度変化に対応す るために舌片の層上あるいは層間に設けられている層状の加熱素子が装備されて いる。

本発明の好ましい実施例が請求の範囲従属項に記載されている。

もちろん把持装置は種々の大きさで形成することができる。機械的な駆動装置を 必要としないので、特にミニチュア化（小型化）に適している。従ってマイクロ テクノロジーが普及するにつれて増大する、より小さい操作システムへの要請に 適合できる。公知の把持装置のミニチュア化には微細機械的な製造方法の限界が あるが、本発明装置は数百マイクロメートルの単位でマイクロ構造技術で形成す ることができる。

請求の範囲第２項によれば、加熱に用いられる加熱部材は電気的な抵抗として形 成され、舌片の層上あるいは層間に配置されている。把持装置の本体の材料とし ては、請求の範囲第３項によればシリコン・ウェハーが使用され、シリコン・ウ ェハーはマイクロエレクトロニクスでは広く普及している。

できるだけ少ない加熱電力で舌片を移動できるようにするために、舌片は請求の 範囲第４項によればできるだけ異なった熱膨張係数を有する材料を組み合わせて 形成されている。シリコン化合物（シリコン窒化物あるいはシリコン酸化物）を 使用することによって、特に小さい寸法の把持装置を形成する場合に、マイクロ 構造技術を使用することができる。

把持部材を所定の位置に位置決めできるようにし、かつ周囲の温度が把持部材に 与える影響を防止するために、請求の範囲第５項には特に好ましい装置が示され ており、それによれば瞬間的な位置を検出し、位置の閉ループ制御を行うために 、舌片上にセンサ素子が設けられている。センサ素子の機能は種々の物理的な効 果に基づいている。ピエゾ抵抗の使用が特に効果的である。というのはシリコン においては静的なピエゾ抵抗効果は抜群であって、引張りあるいは押圧応力の測 定を介して即座に舌片の位置を決定することができる。他の利点は、ピエゾ抵抗 はマイクロエレクトロニクスにおける一般的な技術を用いて簡単に形成できるこ とである。

請求の範囲第６項によれば、加熱体信号とセンサ信号は共通の閉ループ制御回路 において互いに論理処理され、それによって舌片をたとえば加熱電力の閉ループ 制御により所定の位置に保持することができる。従って互いに関連する２つの舌 片の動きも複数の把持部材も調節され、それによってより大きいかつ複雑な対象 の操作も確実に行うことができる。個々の把持部材の構造と作用は、未公開のド イツ特許出願ＤＥ３８１１９５９７．１に記載された制御可能な位置変化部材の 構造及び作用と同様である。特に高度なミニチュア化を行うために、請求の範囲 第７項によれば、制御回路と把持装置はそれぞれ同一の半導体チップ上にまとめ られている。それによって複数の同一舌片を有する把持装置、あるいは複数の同 一の把持装置も同時に形成することができる。

好ましい実施例が請求の範囲第８項に記載されている。本体は２つのシリコンチ ップからなり、シリコンチップはそれぞれ舌片を有し、スペースプレートを介し 互いに結合されている。スペースプレートの厚さによって、把持装置を移動させ るべき対象の大きさに適合させることができる。

請求の範囲第９項に記載の実施例は、特に簡単な構造を有する。１つだけのシリ コンチップからなる本体に３つの舌片が取り付けられており、舌片は適当な制御 によって移動すべき対象を捕捉する。

本発明すべての実施例は、請求の範囲第１０項によれば、好ましくはマイクロメ カニクス及びマイクロエレクトロニクスで知られた方法で形成され、かつ標準Ｉ Ｃプロセスと互換性を有する。個々の構成部材はプレナー・リソグラフィープロ セスで構成される。把持装置を駆動するには、マイクロエレクトロニクスで一般 的な電圧レベルで十分である。

本発明の把持装置とその実施例は、高度の小型化（ミニチュア化）、高精度、信 頼性が大きく、安価であるという特徴を有する。極端な小型化によって、顕微鏡 的な対象を操作する場合、たとえばマイクロテクノロジーあるいはマイクロバイ オロジーにおいて対象を処理し分析するのに使用することができる。この把持装 置は特に機械的操作を避けるべきたとえば超高真空装置内のような、閉鎖された システム内でこの種の対象を取り扱うのに適している。

図面の簡単な説明 次に、図面を用いて把持装置の２つの実施例を説明する。

図面において、第１図は２つのチップからなる把持装置の概略を示し、Ａは舌片 が閉じた状態、Ｂは舌片が開放した状態を示し、 第２図は１つのチップからなる把持装置の概略を示し、Ａは側面図、Ｂは上面図 である。

本発明を実施する方法 第１図Ａに示す把持装置の本体は２つの単結晶シリコンチップ１．２（たとえば 方位１００厚さ約０．５ｍｍ）からなり、シリコンチップはスペースプレート３ を介して互いに結合されている。シリコンあるいはガラスから形成することので きるスペースプレートは、たとえば接着技術によってシリコンチップと結合され ている。その厚さは数マイクロメートルから数ミリメートルまで把持すべき対象 の大きさによって調節される。

舌片４（長さは数百マイクロメートルまで）を形成するために、シリコンチップ の上面にシリコン層が沈積される。その上に第２の層として金属層（好ましくは 金）が蒸着される。リソグラフィープロセスによって舌片の形状配置が形成され 、次に異方性エツチングステップを用いてエツチング溝５が形成されて、一方側 が自由にされる。

金属層は適当な蒸着技術によって、引張り応力がシリコン層に作用し、舌片４が 非作動（エネルギーを供給されない）状態においてエツチング溝から突出するよ うに（第１図Ａ）形成される。２つのチップの舌片がスペースプレートに関して 鏡対象に設けられている場合には、非作動状態において把持装置は閉じられてい る。

熱エネルギーを供給することによって舌片はパイマテリアル構造であることによ り屈曲して、把持装置が開放状態となる（第１図Ｂ）。センサ素子を用いて舌片 を所定の位置に位置決めすることができ、それによって対象を保持する力と開口 の大きさを決定することができる。

第２図には特に簡単に構成された実施例の側面図（第２図Ａ）と上面図（第２図 Ｂ）が示されている。

把持装置は１つのチップ６と平行に配置された３つの舌片７．８．９とから構成 されている。最も簡単にする場合には、中央の舌片８は２層から形成され、舌片 ７と９はシリコンあるいはシリコン化合物の１層だけで形成される。パイマテリ アル舌片８が舌片７と９に対して移動することによって、対象を保持し、あるい は離すことができる。３つの舌片のすべてがパイマテリアルで構成され、個々に 作動される場合には、把持装置のフレキシビリティは向上する。それによってた とえば３つの舌片を反らせてその自由端が本体の表面に対して傾斜した平面に来 るようにすることによって、対象を回動させることもできる。

Ｆｉｇ、　１ Ｆｉｇ、　２ 国際調査報告 国際調査報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．本体と把持部材とを有し、把持部材が一方側が本体に取り付けられた舌片と して形成され、前記舌片は重なり合って配置された熱膨張の異なる種々の材料の 層から形成されている把持装置において、次のような特徴、すなわち イ）本体が１つあるいは複数の半導体チップからなり、 ロ）舌片がそれぞれ、沈積あるいは蒸着プロセスによって形成された薄い層を積 層して形成されており、ハ）温度変化に対応するため舌片の層上あるいは層間に 設けられた層状の加熱素子が装備されていること、 を特徴とする把持装置。
2. ２．加熱素子が電気的な抵抗として形成されていることを特徴とする請求の範囲 第１項に記載の把持装置。
3. ３．本体の材料としてシリコンウエハーが用いられることを特徴とする請求の範 囲第１項及び第２項に記載の把持装置。
4. ４．舌片がそれぞれシリコンあるいはシリコン化合物の層と金属層とから形成さ れることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のいずれか１つに記載の把持 装置。
5. ５．舌片に位置を検出し、かつ位置制御を行うセンサ素子が設けられており、 センサ素子がピエゾ抵抗として形成され、あるいは磁気的，圧電的，強誘電的あ るいは容量的な効果に基づいていることを特徴とする請求の範囲第１項から第４ 項のいずれか１つに記載の把持装置。
6. ６．加熱素子とセンサ素子が共通の電気的な制御回路を介して互いに結合されて いることを特徴とする請求の範囲第１項から第５項のいずれか１つに記載の把持 装置。
7. ７．すべての機械的及び電気的な要素が半導体チップに集積されていることを特 徴とする請求の範囲第１項から第６項のいずれか１つに記載の把持装置。
8. ８．本体が、スペースプレートを介して互いに結合された２つのシリコンチップ から形成されることを特徴とする請求の範囲第１項から第７項のいずれか１つに 記載の把持装置。
9. ９．本体が１つのシリコンチップだけから形成され、前記シリコンチップに３つ の舌片が設けられており、そのうちの少くとも１つがバイマテリアルから形成さ れることを特徴とする請求の範囲１から７のいずれか１つに記載の把持装置。
10. １０．可動の舌片の構造がプレナー・リソグラフィープロセスによって定義され 、 エピタキシャル分離、エッチングなどマイクロメカニクスで公知の方法が、限定 されたエッチングストップ及び異方性エッチングと共に用いられることを特徴と する把持装置の製造方法。