JP2017134073A - 基準尺とその基準尺を備えた位置測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】支持体Ｔを備え、その支持体の上にミラー層Ｓが配置され、そのミラー層には透明なスペーサ層Ａが続き、そのスペーサ層の上に、格子構造の半透明層Ｍが配置された、光学走査式位置測定装置用の振幅格子を備えた基準尺を提供することである。
【解決手段】この半透明層Ｍが明暗パターンを示し、この半透明層Ｍを備えた領域が暗く見え、この半透明層Ｍを備えていない領域が明るく見える。この構造化された半透明層Ｍの上には、シール層Ｖが配置される。この場合、これらのスペーサ層Ａとシール層Ｖに関する屈折率ｎ_Ａ，ｎ_Ｖと層厚ｄ_Ａ，ｄ_Ｖの積が同じであるか、或いは奇数倍相違するものとする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学位置測定装置用の基準尺及びその基準尺を備えた位置測定装置に関する。位置測定装置では、そのような基準尺が、基準尺と走査ヘッドの間のずれを検出するために、走査ヘッドにより光を用いて走査される。

特許文献１により、振幅格子の形の基準尺が知られている。その振幅格子は基板を有し、その上にはミラー層が配置されている。そのミラー層の上には、透明なスペーサ層が続き、その上には、更に半透明層が析出されている。その半透明層は、部分的に除去されることにより構造化されている。その半透明層の上に入射する光は、部分的に反射されるとともに透過される。その反射された光は、透過して下のミラー層により後方反射された光との相殺的干渉によって消滅し、その結果、基準尺はそこでは暗く見える一方、半透明層が無い領域では、基準尺は明るく見える。

そのためには（空気と半透明層、空気とスペーサ層及びスペーサ層とミラー層の間の境界面における正確にπの位相ジャンプと無視できる吸収を容易に仮定した上で）、透明なスペーサ層がπの位相偏移を生じさせなければならない、即ち、走査に使用される光の波長の１／４にスペーサ層の屈折率を乗算したものに等しい（光が垂直に入射した場合の）厚さを持たなければならない。しかし、明るい領域においても、光は、空気からスペーサ層の境界面で或る程度反射され、その結果、その反射された光は、同じくミラー層で反射された光と弱め合うように干渉する。それによって、明るい領域の明るさが、より暗く見えて、振幅格子の明暗コントラストが低下する。半透明層が、有利には、非常に薄い（数ナノメートルの）金属層から構成されて、その層が、化学的及び機械的な影響に晒され、従って、場合によっては、損傷されるか、或いはその光学特性を変化させる可能性が有るとの問題を生じさせる。

ドイツ特許公開第１０２３６７８８号明細書

本発明の課題は、従来技術により周知の基準尺又はその基準尺を備えた位置測定装置を光学特性及び周囲環境からの影響に対する安定性に関して更に改善することである。

本課題は、請求項１による基準尺又は請求項７による位置測定装置によって解決される。また、有利な詳細は、従属請求項から明らかとなる。

支持体を備え、その支持体の上にミラー層が配置され、そのミラー層には透明なスペーサ層が続き、そのスペーサ層の上に、例えば、格子構造の半透明層が配置された、光学走査式位置測定装置用の基準尺が規定される。この半透明層は明暗パターンを示し、この半透明層を備えた領域が暗く見え、この半透明層を備えていない領域が明るく見える。この構造化された半透明層の上には、シール層が配置される。この場合、これらのスペーサ層とシール層に関する光経路長（即ち、屈折率と層厚の積）は、それぞれほぼ同じであるか、或いは奇数倍相違する。

特に有利な実施構成では、スペーサ層とシール層の両方が同じ材料から、即ち、二酸化珪素から構成される。従って、これら両方の層は、同じ屈折率を有する。両方の層は、同じ層厚で析出することができる。

そのため、本発明による位置測定装置では、基準尺が、走査ヘッドによって単色光を用いて走査される。基準尺の明るい領域において走査ヘッドから送出されてミラー層で反射される光ビームは、スペーサ層とシール層を二回横切ることにより２π又はその整数倍の位相シフトを受けて、シール層の境界面で直接反射された光ビームに匹敵するものとなる。従って、これらの光ビームは、最早従来技術の通り弱め合うようには干渉せず、明るい領域の輝度が最早低減されず、明暗コントラストがより大きくなるとともに、走査ヘッドにおける信号の評価がより簡単かつ正確になる。

この基準尺は、追加のシール層のために、周囲環境からの影響及び半透明層の層厚の製造に起因する変動に対して更に強くなる。

本発明の更なる利点及び詳細は、以下における図面に基づく異なる実施構成の記述から明らかとなる。

従来技術による基準尺の断面図 本発明による基準尺の断面図

図１は、冒頭で述べた従来技術を図示している。この基準尺ＭＶは、例えば、特に小さい熱膨張率を有する材料から、例えば、「Ｚｅｒｏｄｕｒ（登録商標）」との名称により入手可能なセラミックガラスから成る支持体Ｔ上に構築される。石英ガラス、フロートガラス、鋼鉄などのそれ以外の材料も同じく支持体Ｔに適している。この支持体Ｔの上には、例えば、蒸着されたアルミニウム層又はゴールド層とすることができるミラー層Ｓが析出される。次に、屈折率ｎ＝１．４８のＳｉＯ_２層とすることができるスペーサ層Ａが続く。次に、振幅格子として構成される基準尺ＭＶの暗い領域には、数ナノメートル以内の厚さのクロム層として構成することができる半透明層Ｍが続く。珪素も半透明層用の好適な材料である。この半透明層Ｍは、基準尺ＭＶを製造する際に、先ずは全面に析出された後、明るい領域において除去される。そのためには、リソグラフィプロセスとそれに続くエッチング工程が適している。

模式的に示された光ビーム１〜４に基づき、この基準尺ＭＶの明暗パターンの出現を説明する。図１の左側に図示された基準尺ＭＶの暗い領域では、光は、半透明層Ｍとミラー層Ｓの両方で反射される。そのことが、二つの光ビーム１と２により模式的に示されている。これらの材料と層厚は、基準尺ＭＶから再び出て行く両方の反射されたビーム１と２の振幅が理想的には同じであるとともに、両方のビーム１と２が理想的にはπの位相差を有するように選定される。そして、両方のビーム１と２の間の相殺的干渉がそれらを消滅させ、そのため、基準尺ＭＶの暗い領域を生じさせる。これらの振幅が同じであることは、半透明層の層厚と屈折率によって設定される。このπの位相差は、基本的に基準尺ＭＶの走査に使用される波長の約１／４をスペーサ層Ａの屈折率で除算した値に等しいスペーサ層Ａの厚さを好適に選定することによって得られる。この場合、空気と半透明層、空気とスペーサ層及びスペーサ層とミラー層の間の境界面で正確にπの位相ジャンプが起こり、吸収を無視できるとの簡単な前提も設定される。相殺的干渉は、πの奇数倍に関しても起こるので、更に、それに対応してより厚いスペーサ層Ａを使用することもできる。

図１の右側に図示された基準尺ＭＶの明るい領域では、光ビーム４で模式的に示されている通り、大部分の光がミラー層Ｓで反射される。光ビーム３で模式的に示された、より小さい部分だけがスペーサ層Ａで直接反射される。即ち、全体として、この領域は明るく見える。

そのような層構造の欠点は、光帯域において半透明な金属層Ｍを実現するためには、その層厚を僅か数ナノメートルにする必要が有り、高いコントラストのためには、それを出来る限り正確に実現しなければならないことである。同時に、半透明層Ｍの吸収を出来る限り小さくするためには、選定された金属の屈折率の虚数部が大きくなり過ぎないようにすべできある。

そのためには、確かにクロムが、小さい屈折率のために基本的に好適であるが、透明な酸化物Ｃｒ_ｘＯ_ｙを生成する。それは、半透明層Ｍの実際の層厚が製造及び洗浄過程の間の化学反応によって、或いはそれ以外の周囲環境からの影響により変化してしまう可能性が有ることを意味する。しかし、それによって、層厚が最早最適な半透明性を示さなくなるので、明暗コントラストが同時に変化してしまう。そして、光ビーム１と２の極めて完全な消滅が最早保証されなくなり、暗い領域が幾らかより明るく見えてしまう。

追加の問題は、明るい領域において、スペーサ層Ａとの境界面での光ビーム３の反射がミラー層Ｓでの光ビーム４の反射と弱め合うように干渉してしまうことである。明らかに異なる振幅のために、光ビーム３と４の完全な消滅が全く得られなくとも、やはり基準尺ＭＶの明暗コントラストが全体として劣化されることになる。

図２に図示された基準尺ＭＶの改善形態によって、暗い領域と明るい領域の両方における上記の問題を解決することができ、そのため、明暗コントラストに関して最適化された、より安定した基準尺ＭＶが実現できる。

更に、図２には、基準尺ＭＶを走査するための光を送出して、再び受信する走査ヘッドＡＫが模式的に図示されている。この走査ヘッドＡＫ内の光検出器が電気信号を発生して、その信号から、周知の手法で位置値を導出することができる。

この改善形態は、一方で半透明層Ｍを保護する役割を果たし、好適な光学設計により、明るい領域において輝度を高め、それにより全体として明暗コントラストを改善する役割を果たすシール層Ｖを追加することである。

このシール層Ｖは、スペーサ層Ａと同じ材料から、即ち、例えば、スパッタリングされたＳｉＯ_２から、さもなければ、塗布ガラスや（例えば、「Ｃｙｃｌｏｔｅｎｅ」との商品名、ＨＳＱ又はＳＵ−８を含む乳剤の）感光乳剤等の湿式化学的に塗布された化学物質などのそれ以外の材料から構成することもできる。

このシール層Ｖがスペーサ層Ａと同じπ（又はπの奇数倍）の位相シフトを引き起こすことが決定的に重要である。そのためには、これらの各層Ａ，Ｖの層厚ｄ_Ａ，ｄ_Ｖと屈折率ｎ_Ａ，ｎ_Ｖの積が同じであるか、或いは奇数倍相違しなければならない。その場合、光ビーム４は、光ビーム３に対して２π（又はπのそれ以外の整数倍）の位相差を有し、即ち、光ビーム３と強め合うように干渉し、従来技術にような輝度の僅かな低下が解消されて、明暗コントラストを上昇させる。

スペーサ層Ａとシール層Ｖが同じ屈折率の材料から、特に、同じ材料から構成される場合、両方の層の厚さｄ_Ａ，ｄ_Ｖが、有利には、同じとなる。さもなければ、πの追加の位相差だけを同様に引き起こす、即ち、全体として２πの差を引き起こす限り、一方の層厚が他方の層厚に対して奇数倍とすることも可能である。言い換えると、これらの層厚ｄ_Ａ，ｄ_Ｖは同じであるか、或いは奇数倍相違しなければならない。

このシール層Ｖは、暗い領域において周囲環境からの影響に対して半透明層Ｍを保護するとともに、例えば、薄いクロム層Ｍの酸化を防止し、そのため基準尺ＭＶの明暗コントラストの場合によっては起こる悪化を防止することができる。更に、特に薄い半透明層Ｍは、シール層Ｖによって、機械的な損傷から保護される。

この半透明層Ｍは、シール層Ｖのために、全体として多少より厚くすることもでき、それは、プロセスの安全性の向上に寄与する。即ち、図２の左半分における基準尺ＭＶの暗い領域を観察すると、光ビーム２と５は、基準尺ＭＶから出て行く場合に、２πの位相差を有し、従って、強め合うように重なり合うことを分かる。これらの光ビーム２と５は、一緒になって光ビーム１と弱め合うように干渉しなければならない、即ち、光ビーム１は、図１による従来技術よりも大きな強度を持たなければならない。しかし、光ビーム１の強度をより大きくすることは、半透明層Ｍでの反射をより強くすることを意味し、そのためその層Ｍの層厚をより大きくすることを意味する。波長４５５ｎｍの光と、それぞれＳｉＯ_２（ｎ＝１．４８）から成る、約６５ｎｍの厚さのスペーサ層Ａ及びシール層Ｖとによる理論的な計算と実験は、半透明クロム層Ｍの最適な厚さが辛うじて５ｎｍである一方、従来技術による（即ち、シール層Ｖの無い場合の）最適な厚さが約２．５ｎｍであることを明らかにしている。更に、計算によると、この半透明層Ｍの層厚のプロセスウィンドウ（即ち、暗い領域での最大反射率０．１における層Ｍの許容される層厚変動幅）が、シール層Ｖのために、ほぼ２倍広くなる。

これらの計算と実験は、更に、最適化されたシール層Ｖを使用することによって、明暗コントラスト（即ち、層Ｍの無い領域の反射率−層Ｍの有る領域の反射率）が０．７から０．８に改善されることを明らかにしている。

これらの異なる層厚は、前述した通り、基準尺ＭＶの走査に使用される光の波長に対して最適化されるべきである。この場合、例えば、計算によって、シール層のために、光の波長が最適化のために使用される波長からずれることにより、十分に良好なコントラストを実現することを可能とする拡大された波長帯域が得られることが認められる。従って、本発明は、異なる波長の光又は異なる走査ヘッドＡＫを使用する場合に適した使用可能な基準尺の幅を拡げることにもなる。

１〜５ 光ビーム
Ａ スペーサ層
ＡＫ 走査ヘッド
Ｍ 半透明層
ＭＶ 基準尺
Ｓ ミラー層
Ｔ 支持体
Ｖ シール層
ｄ_Ａ スペーサ層Ａの厚さ
ｄ_Ｖ シール層Ｖの厚さ
ｎ_Ａ スペーサ層Ａの屈折率
ｎ_Ｖ シール層Ｖの屈折率

Claims (9)

1. 支持体（Ｔ）を備え、その支持体の上にミラー層（Ｓ）が配置され、そのミラー層には透明なスペーサ層（Ａ）が続き、そのスペーサ層の上に、明暗パターンを示す、構造化された半透明層（Ｍ）が配置され、この半透明層（Ｍ）を備えた領域が暗く見え、この半透明層（Ｍ）を備えていない領域が明るく見える光学走査式位置測定装置用の基準尺において、
   この構造化された半透明層（Ｍ）の上には、シール層（Ｖ）が配置され、これらのスペーサ層（Ａ）とシール層（Ｖ）に関する屈折率（ｎ_Ａ，ｎ_Ｖ）と層厚（ｄ_Ａ，ｄ_Ｖ）の積が、同じであるか、或いは奇数倍相違することを特徴とする基準尺。
2. 該スペーサ層（Ａ）とシール層（Ｖ）が同じ屈折率（ｎ_Ａ，ｎ_Ｖ）を有することを特徴とする請求項１に記載の基準尺。
3. 該スペーサ層（Ａ）とシール層（Ｖ）が同じ材料から構成されることを特徴とする請求項２に記載の基準尺。
4. 該スペーサ層（Ａ）とシール層（Ｖ）が同じ層厚（ｄ_Ａ，ｄ_Ｖ）を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の基準尺。
5. 該スペーサ層（Ａ）とシール層（Ｖ）が二酸化珪素から構成されることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の基準尺。
6. 該半透明層（Ｍ）がクロム層から構成され、そのクロム層が、有利には、１０ｎｍよりも薄いことを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の基準尺。
7. 請求項１から６までのいずれか一つに記載の基準尺と、この基準尺（ＭＶ）を単色光を用いて走査する走査ヘッド（ＡＫ）とを備えた位置測定装置において、
   基準尺（ＭＶ）の明るい領域において走査ヘッド（ＡＫ）から送出されてミラー層（Ｓ）により反射される光ビーム（４）が、スペーサ層（Ａ）とシール層（Ｖ）を二回横切ることにより２π又はその整数倍の位相シフトを受けて、シール層（Ｖ）の境界面で直接反射された光ビーム（３）に匹敵するものとなることを特徴とする位置測定装置。
8. 該シール層（Ｖ）の厚さ（ｄ_Ｖ）が、走査ヘッドで使用される光の波長の１／４をシール層（Ｖ）の屈折率（ｎ_Ｖ）で除算した値に等しいか、或いはその値の奇数倍の厚さであることを特徴とする請求項７に記載の位置測定装置。
9. 該スペーサ層（Ａ）の厚さ（ｄ_Ａ）が、走査ヘッドで使用される光の波長の１／４をスペーサ層（Ａ）の屈折率（ｎ_Ａ）で除算した値に等しいか、或いはその値の奇数倍の厚さであることを特徴とする請求項７又は８に記載の位置測定装置。

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