CN1648611A - 标尺的制造方法和光电式编码器 - Google Patents

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Abstract

一种光电式编码器，在标尺的基板上形成钨材料构成的第一金属层，在该金属层上形成铬材料构成的第二金属层，以抗蚀剂为掩膜，并且以第一金属层为蚀刻停止层，通过选择性地去掉第二金属层而形成光栅。

Description

标尺的制造方法和光电式编码器
技术领域
本发明涉及用于精密测量的光电式编码器和作为编码器的主要构成部件的标尺的制造方法。
背景技术
现在利用光电式编码器(以下也称作“编码器”)对直线位移和角位移进行精密测量。编码器安装在三维测量仪和图像测量仪等仪器内。以下，简单说明用编码器进行测量的原理。
使光源部和受光部相对标尺移动着，与此同时，通过在空间相位不同的多个分度格栅中选择的一个分度格栅，把光源部发射的光照射在标尺的光栅上，由此，形成多个相位不同的正弦波形光信号(例如四个)，利用对应各个相位的多个光电二极管(受光部)接受上述的正弦波形光信号，利用经过光电变换产生的电信号测量直线等位移量。
编码器包括：(a)照射在光栅上的光透射过标尺，利用该透射光进行测量的透射型；(b)照射在光栅上的光在标尺上反射，利用该反射光进行测量的反射型。经常使用铬作为制作反射形光栅的材料。
反射型的光栅具有在铬层的光反射层上规则地设置凹凸的结构。特别是在衍射型格栅标尺的情况下，在光反射层上形成凹凸时，如果加工深度不均匀，面内的分布和重复精度的偏差就增大。这里，面内分布的偏差是指，在一个光栅中由于位置不同造成加工深度和排列间距不同；另外，重复精度的偏差是指，在多个光栅之间的加工深度不同。由于被受光部接受的光信号产生于标尺的光栅，所以上述偏差影响提高测量精度。
为了使光栅加工深度均匀，例如有以下的两种方法，一个是：利用硅基片和硅氧化层的蚀刻速率的差，以硅基片作为蚀刻停止层，选择性地蚀刻在硅基片上形成的硅氧化层，由此，形成成为衍射格栅(光栅)的凹凸的技术(例如，特开平7-113905号公报的图1和[0043]段)。
另一个是：形成上层铬、氧化硅层、下层铬的三层结构，把上层铬形成掩模，同时，把下层铬作为蚀刻停止层，选择性地蚀刻去掉氧化硅层，而形成相位格栅(光栅)的凹凸的技术(例如，特开平8-286020号公报的图1～图3和[0010]～[0013]段)。
发明内容
本发明的目的是提供具有加工深度均匀的光栅的标尺的制造方法和装备该标尺的光电式编码器。
涉及本发明的光电式编码器，具有：标尺，其配置了具有包含铬和钨中一种的第一金属层以及包含铬和钨中另一种并且以规定的间距排列在第一金属层上形成的多条第二金属层的反射型的光栅；光源部，其发射照射在光栅上的光；受光部，其接受从光源部发射的在光栅反射的光，同时，能够与光源部一起相对标尺移动。
根据本发明的光电式编码器，第一金属层是钨时，第二金属层就是铬；第一金属层是铬时，第二金属层就是钨。这样，第一金属层和第二金属层由不同的金属材料形成，因此，能够使蚀刻速率不同。于是，以第一金属为蚀刻停止层，把第二金属层制成图形从而形成光栅，这样，就能够使光栅的加工深度均匀。另外，铬和钨的紧密连接性优越，因此，能够提高光栅的机械强度。
在涉及本发明的光电式编码器中，要能够在多条第二金属层上形成包含与第一金属层相同的金属的多条第三金属层。由此，光栅的凹部表面是第一金属层，凸部的表面是第三金属层，这些金属层的材料相同，因而，能够使光栅的光反射率均匀，从而，能够提高测量精度。另外，因为第二金属层和第三金属层材料不同，所以，在把第二金属层制成图形，形成光栅时，能够用第三金属层作为掩模。于是，能够使光栅的加工形状的可控制性提高。
在涉及本发明的光电式编码器中，要能够形成第一金属层包含铬，多条第二金属层包含钨、多条第三金属层包含铬。这样，光栅的凹部表面、凸部表面都是铬面。铬比钨对光的反射率高，因此，能够提高测量精度。
在涉及本发明的光电式编码器中，要能够形成第三金属层比第二金属层厚度薄。这样，主要以第二金属层形成光栅的凹部表面和凸部表面的台阶高差。因为由钨构成的第二金属层比由铬构成的第三金属层容易蚀刻，所以能够使光栅的加工形状的可控制性提高。
本发明的光电式编码器的标尺的制造方法，包括：在基板上形成包含铬和钨中的一种的第一金属层的工序；在第一金属层上形成包含铬和钨中的另一种的第二金属层的工序；以第一金属层为蚀刻停止层，通过选择性地蚀刻去掉第二金属层而形成反射型的光栅的工序。
根据涉及本发明的标尺的制造方法，以第一金属层为蚀刻停止层，把第二金属层形成图形，由此，形成反射型的光栅，因此，能够制作具有光栅的凹部(槽)的加工深度均匀的光栅的标尺。另外，因为铬和钨的紧密粘接性优越，所以能够制作具有高机械强度的光栅的标尺。
在涉及本发明的标尺的制造方法中，要能够在第二金属层形成工序和光栅形成工序之间，包括在第二金属层上形成包含铬和钨中的上述一种的第三金属层的工序和以第二金属层作为蚀刻停止层而选择性地蚀刻去掉第三金属层的工序；光栅形成工序要以第三金属层为掩模，选择性地蚀刻去掉第二金属层。这样，光栅的凹部表面(第一金属层)和凸部表面(第三金属层)材料相同，因而，能够制作具有光的反射率均匀的光栅的标尺。另外，因为以第三层作为掩模，蚀刻去掉第二金属层，所以不需要掩模对准，能够使光栅的加工形状的可控制性提高。
附图说明
图1是涉及第一实施例的光电式编码器的结构示意图；
图2是装备在涉及第一实施例的光电式编码器内的标尺的局部的放大图；
图3是涉及第一实施例的标尺的制造方法的第一工序图；
图4是涉及第一实施例的标尺的制造方法的第二工序图；
图5是比较例的标尺的局部的放大剖面图；
图6是涉及第二实施例的标尺的局部的放大剖面图；
图7是涉及第二实施例的标尺的制造方法的第一工序图；
图8是涉及第二实施例的标尺的制造方法的第二工序图；
图9是涉及第三实施例的标尺的局部剖面放大图；
图10是表示光栅的侧壁角度θ与相对衍射效率的关系的曲线。
具体实施方式
以下基于附图说明本发明的实施方式。
[实施例1]
第一实施例主要的特点是，把在第一金属层(钨)上以规定的间距排列多条第二金属层(铬)形成的反射形光栅，配置在光电式编码器的标尺上。首先，说明涉及第一实施例的光电式编码器1的结构。图1是编码器1的示意图。编码器1由光源部3、包括被光源部3产生的光照射的光栅的标尺5、接受在该光栅反射的光的受光部7构成。
光源部3具有发光二极管(LED)9。并且还具有在发光二极管9发出的光照射的位置上配置的分度格栅11。分度格栅11形成在长条形的透明基板13的面中的与对向发光二极管侧的面相反侧的面上，分度格栅11应该是多条遮光部15设置规定的间隔配置成线形。
在透明基板13的分度格栅11侧，与该格栅11设置规定的间隙配置标尺5。标尺5纵向的尺寸比分度格栅11长，图1表示其局部。图2是标尺5的局部放大剖面图。参照图1和图2详细地说明标尺5的结构。
标尺5包括由玻璃或硅等材料制成的长条形的基板17，基板17一侧的面与分度格栅11相对。而且，在该一侧的面上配置光栅19。光源3发射的光通过分度格栅11照射在光栅19上。光栅19具有作为基层的第一金属层21和在基层上选择性地形成的多条第二金属层23。换言之，多条第二金属层23设置规定的间隔配置成线形。由第一金属层21和多条第二金属层23构成凹凸的图形。第一金属层21的材料是钨，第二金属层23的材料是铬，然而，也可以与之相反。
以下，参照图1说明受光部7。受光部7在透明基板13的面中的在形成光栅19的面侧上设置规定的间隙。受光部7包括受光面要对向光栅19侧配置的多个光电二极管25。这样，由光电二极管25接受光源部3发射的在光栅19反射的光。多个光电二极管25以规定的间距在透明基板13上配置成直线形。于是，在本实施例，受光部7和分度格栅11在同一透明基板13上形成。
包括受光部7和分度格栅11的透明基板13和发光二极管9被收纳在没作图示的框体内，并形成该框体能够沿着与标尺5的纵向相对应的测量轴x移动。另外，也可以固定框体而移动标尺。总之要形成标尺5能够相对上述框体沿测量轴x相对移动。
以下，说明光电式编码器1的测量动作。当发光二极管9发射的光照射在分度格栅11上时，就通过该格栅11产生明暗图形。而且，当使包括光源部3和受光部7的上述框体沿着测量轴x移动时，就产生明暗图形变化(正弦波形的光信号)。详细地说，由在用钨材料构成的第一金属层21反射的光(例如光L1)和在用铬材料构成的第二金属层23反射的光(例如光L2)的相位差产生干涉光信号。光栅19作为相位光栅起作用。
包含在上述信号中的空间相位互不相同的四个成分，即，A相(0度)的光信号、由A相位移90度的B相(90度)的光信号、由A相位移180度的AA相(180度)的光信号以及由A相位移270度的BB相(270度)的光信号分别由对应的光电二极管25检测。
在各光电二极管25产生的电信号被输入IC芯片(没作图)。在IC芯片对A相和B相进行规定的处理(去除直流分量)之后，基于处理的A相和B相进行变位量计算，把该结果输入没作图示的显示部。以上是光电式编码器1的动作。
以下，说明涉及第一实施例的标尺5的制造方法之一。图3和图4是用于说明制造方法的工序图，与图2的剖面图对应。如图3所示，例如，在基板17上通过溅射，形成厚度大于或等于0.03μm的钨的第一金属层21；而且，在第一金属层21上通过溅射，形成厚度为0.1～0.3μm左右的铬的第二金属层23。第二金属层23的厚度对应于光栅的加工深度d(光栅高度)。
如图4所示，在第二金属层23上形成光致抗蚀剂层27，把光致抗蚀剂层27按照光栅的图形曝光之后成像。而且，以该光致抗蚀剂层27为掩模，以第一金属层21为蚀刻停止层，通过选择性地干蚀刻第二金属层23而形成光栅19。而且，用普通的方法剥离在第二金属层23上残留的光致抗蚀剂层27，这样，制作完成图2所示的标尺5。
作为上述干蚀刻的气体，例如，有氯系气体。用该种气体能够使铬的蚀刻速度比钨快，因此，能够以第一金属层(钨)21作为蚀刻停止层，选择性地除去第二金属层(铬)23。另外，在第一金属层21的材料是铬、第二金属层23的材料是钨时，例如，能够以CF4气体作为干蚀刻的气体。
通过与比较例进行比较，说明第一实施例的第一效果。图5是涉及比较例的标尺31的局部的放大剖面图，与图2相对应。标尺31是在基板17上形成铬层33构成的光栅35的结构。
如下述地制作标尺31。在基板17上形成铬层33，而且，与第一实施例相同，在铬层33上形成图4所示的光致抗蚀剂层27，以光致抗蚀剂层27作为掩模，选择性地干蚀刻铬层33，达到目标加工深度为止。
可是，蚀刻速度根据基板17上的位置不同而不同，因此，如比较例那样，没有蚀刻停止层时，光栅35的凹部(槽)的加工深度d就会产生偏差(面内分布的偏差)，停止在目标加工深度而高精度控制蚀刻是困难的，如比较例那样，没有蚀刻停止层时，比较光栅35和用与光栅35相同的方法形成的光栅，加工深度d不同(重复精度的偏差)。
与比较例不同，根据第一实施例，以第一金属层21作为蚀刻停止层选择性地蚀刻第二金属层23，因而，通过形成第二金属层23的厚度与加工深度相同，由此，如图2所示地，能够制作光栅19的凹部的加工深度d均匀的光栅19。于是，就能够使光栅19的面内分布和重复精度不产生大的偏差，因此，就能够使光电式编码器1的测量精度提高。
第一实施例的第二效果如下：在以硅基板作为蚀刻停止层，通过选择性地蚀刻在硅基板上形成的硅氧化层形成光栅时，因为硅氧化层通常透明，所以为了形成反射型光栅，必须在光栅上再形成反射层，然而根据第一实施例，第一金属层21是钨，第二金属层23是铬，它们的光的反射率都高，因而，不需要形成新的反射层。
说明第一实施例的第三效果。第一金属层21是钨，第二金属层23是铬，铬和钨的紧密粘接性优越，因而，与上层铬、硅氧化层、下层铬的三层结构的光栅比较，能够提高光栅的机械强度。
[第二实施例]
第二实施例的主要特征是：把在第一金属层(铬)上设置间距形成多条第二金属层(钨)，在多条第二金属层上分别形成第三金属层(铬)的反射型光栅配置在光电式编码器的标尺上。关于第二实施例，以与第一实施例不同点为中心进行说明。在说明第二实施例的图中，对于与第一实施例说明的图所示的部位相同的部位，附加相同附图标记，省略说明。
图6是涉及第二实施例的标尺5的局部放大剖面图，与图2相对应。在多条第二金属层23上形成多条第三金属层29。第一金属层21的材料是铬，第二金属层23的材料是钨，第三金属层29的材料是铬。根据第二实施例，光栅19的凹部表面是第一金属层21，凸部表面是第三金属层29，这些金属层的材料(铬)相同。因而，能够使光栅19的光反射率均匀，于是就能够使测量精度提高。另外，铬的光反射率高于钨，因而，从该点也能够使测量精度提高。另外，也可以使第一金属层21的材料为钨、第二金属层23的材料为铬、第三金属层29的材料为钨。
根据第二实施例，第二金属层23的厚度与第三金属层29的厚度合计成为加工深度d(光栅高度)。例如，第三金属层29的厚度是0.03～0.1μm、第二金属层23的厚度是0.07～0.2μm，因而，第三金属层29比第二金属层23的厚度薄。因此，光栅19的凹部表面和凸部表面的台阶高差主要形成于第二金属层23。第二金属层(钨)23的反应生成物比第三金属层(铬)29的反应生成物容易进行高压蒸气蚀刻，因而，能够加工选择比高地提高光栅19的加工形状的可控制性。于是，就能够形成高精度的光栅19。
说明涉及第二实施例的标尺5的制造方法之一。图7和图8是用于说明制造方法的工序图，对应图6的剖面图。如图7所示，例如用溅射法依次形成铬构成的第一金属层21、钨构成的第二金属层23、铬构成的第三金属层29，成为第二金属层23的厚度加上第三金属层29的厚度合计厚度值为图6所示的加工深度d。
如图8所示地，以在第一实施例说明的光致抗蚀剂层27作为掩模，用氯系气体选择性地蚀刻去掉第三金属层(铬)29。这时，第二金属层(钨)23成为蚀刻停止层，并且，除去光致抗蚀剂27。把气体换为CF4等氟系气体，以第三金属层29作为掩模，干燥蚀刻第二金属层23，由此，选择性地去掉第二金属层23。在该蚀刻中，第一金属层(铬)21成为蚀刻停止层。通过上述工序，加工完成图6所示的标尺5。
根据第二实施例，以第三金属层29作为掩模，蚀刻去掉第二金属层23。因而，对于形成第二金属层23的图形，就不需要进行掩模对准，因此，能够使光栅19的加工形状的可控性提高。
[第三实施例]
图9是涉及第三实施例的标尺的局部剖面放大图。第三实施例的特征是，作为位相格栅的光栅19的侧壁角度(边缘角度)θ大于80度且小于90度。第三实施例的标尺5是根据本发明发明者的实验作成的。
光栅19优选是，能够得到高的衍射效率，并且相对格栅形状和尺寸的偏差是不敏感的(robust)。发明者们利用关于衍射效果模拟的市场上销售的程序求得能够得到这样效果的光栅的形状、尺寸。
利用图9说明采用模拟的标尺5。玻璃构成的基板17的表面配置具有作为反射膜功能的第一金属层21。仅仅在具有作为格栅功能的多个第二金属膜23的上面配置与第一金属层21相同材料的第三金属层29。第一和第三金属层21、29的材料是铬，第二金属膜23是钨。格栅线宽w和间距p的比w/p是0.40～0.58，格栅高h是110～160mm。来自采用模拟的光源部的光是p偏振光，其波长是633nm。
图10表示是模拟的结果。横轴是光栅19的侧壁角度θ。纵轴是光栅19相对衍射效率的变动。在此，衍射效率是衍射光光量相对入射光光量的比率。也就是说，衍射效率＝衍射光光量/入射光光量。相对衍射效率是把某一衍射效率设为1时的其他的衍射效率的比率。如果用具体的数值说明，则如下述内容，如果设定入射光光量＝2000μW，衍射光光量＝1200μW，衍射光光量B＝1000μW，衍射光光量C＝800μW，则衍射效率60％为“1”。
衍射光光量A的衍射效率＝1200/2000＝60％
衍射光光量B的衍射效率＝1000/2000＝50％
衍射光光量C的衍射效率＝800/2000＝40％
衍射光光量A的相对衍射效率＝60/60＝1
衍射光光量B的相对衍射效率＝50/60＝0.83
衍射光光量C的相对衍射效率＝40/60＝0.67
根据图10对结果进行考察。即使侧壁角度θ为80度和90度的情况下，相对衍射效率高且变动小。但是，在侧壁角度θ加工为90度，在干蚀刻的工序中，以下的情况是不可避免的，即，(1)蚀刻的时间长，并且蚀刻离子能量增加，过蚀刻多。(2)使蚀刻掩模的耐等离子体性提高。所以，侧壁角度θ加工为90度是比较困难的。
而侧壁角度θ加工为小于或等于80度是比较容易的，但是，对于格栅线宽w和格栅高h偏差，相对衍射效率的变动是敏感的。根据如上所述，优选的是，光栅19的侧壁角度θ大于80度且小于90度。
根据本发明，以第一金属层作为蚀刻停止层，在第二金属层形成图形，制成光栅，这样，就能够使光栅的加工深度均匀。

Claims (10)

1.一种光电式编码器，其特征在于，具有：标尺，其配置了具有包含铬和钨中的一种的第一金属层以及包含铬和钨中的另一种，并且以规定的间距排列在上述第一金属层上形成的多条第二金属层的反射型的光栅；光源部，其产生照射在上述光栅上的光；受光部，其接受从上述光源部发射的在上述光栅反射的光，同时，能够与上述光源部一起，相对上述标尺移动。
2.如权利要求1所述的光电式编码器，其特征在于，在上述多条第二金属层上形成包含与上述第一金属层相同的金属的多条第三金属层。
3.如权利要求2所述的光电式编码器，其特征在于，上述第一金属层包含铬，上述多条第二金属层包含钨，上述多条第三金属层包含铬。
4.如权利要求3所述的光电式编码器，其特征在于，上述第三金属层比上述第二金属层薄。
5.如权利要求1～4的任一项所述的光电式编码器，其特征在于，上述光栅作为相位光栅而起作用。
6.如权利要求5所述的光电式编码器，其特征在于，上述光栅的侧壁角度大于80度且小于90度。
7.一种光电式编码器的标尺的制造方法，其特征在于，具有：在基板上形成包含铬和钨中的一种的第一金属层的工序；在上述第一金属层上形成包含铬和钨中的另一种的第二金属层的工序；通过上述第一金属层为蚀刻停止层而择性地蚀刻掉上述第二金属层而形成反射形光栅的工序。
8.如权利要求7所述的光电式编码器的标尺的制造方法，其特征在于，在上述第二金属层形成工序和上述光栅形成工序之间，包括在上述第二金属层上形成包含铬和钨中的上述一种的第三金属层的工序和以上述第二金属层作为蚀刻停止层，选择性地蚀刻掉上述第三金属层的工序；上述光栅形成工序以上述第三金属层为掩模，选择性地蚀刻掉上述第二金属层。
9.如权利要求8所述的光电式编码器的标尺的制造方法，其特征在于，上述第一金属层包含铬，上述第二金属层包含钨，上述第三金属层包含铬。
10.如权利要求9所述的光电式编码器的标尺的制造方法，其特征在于，上述第三金属层比上述第二金属层的厚度薄。
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