DE9321515U1

DE9321515U1 - Teilungsträger

Info

Publication number: DE9321515U1
Application number: DE9321515U
Authority: DE
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1993-02-11
Filing date: 1993-02-11
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2003-02-12

Description

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 10. Februar 1993

Teilungsträger

Die Erfindung betrifft einen Teilungsträger, insbesondere für im Auflicht arbeitende Längen- oder Winkelmeßsysteme.

Ein derartiger Teilungsträger wird beispielsweise bei einer lichtelektrischen Positionsmeßeinrichtung zur Messung der Relativlage zweier beweglicher Objekte als Maßverkörperung eingesetzt. Die relativ zueinander beweglichen Objekte können zwei Maschinenteile einer Werkzeugmaschine sein, bei der ein Werkzeug bezüglich eines zu bearbeitenden Werkstückes zu positionieren ist. Zu diesem Zweck ist das eine Maschinenteil mit dem Teilungsträger verbunden, dessen Teilung von einer am anderen Maschinenteil angebrachten Abtasteinheit abgetastet wird.

Als Material für den Grundkörper des Teilungsträgers wird bevorzugt Glas verwendet. Auf diesem

Grundkörper ist die Teilung in Form von abwechselnd transparenten und nicht transparenten Bereichen oder in Form von abwechselnd reflektierenden und nicht reflektierenden Bereichen aufgebracht. Die zuerst genannte Ausführungsform eines Teilungsträgers wird bei im Durchlicht arbeitenden und die zweite Ausführungsform bei im Auflicht arbeitenden Längen- oder Winkelmeßsystemen eingesetzt. Bei diesen beiden Ausführungsformen kann die Teilung wiederum als Amplituden- oder als Phasengitter ausgebildet sein.

' Bei im Auflicht eingesetzten Amplituden- und Phasengittern wird eine hochreflektierende durchgehende Schicht auf den Grundkörper aufgebracht. Es hat sich gezeigt, daß in dieser Schicht mechanische Spannungen auftreten, durch die der Grundkörper verformt wird. Bei Längen- oder Winkelmeßsystemen ist es erforderlich, daß bei der Abtastung über die gesamte Länge des Teilungsträgers ein konstanter Abstand zwischen dem Teilungsträger und der Abtasteinheit eingehalten wird. Wenn sich nun der Teilungsträger aufgrund von Spannungen der reflektierenden Schicht wölbt, verändert sich der Abtastab-

\ 25 stand entlang des Teilungsträgers, wodurch Meßfehler auftreten.

Aus der EP 0 112 509 A2 ist eine Bestrahlungsmaske für Röntgenlithographie bekannt, bei der eine Verformung durch einen symmetrischen Schichtaufbau vermieden werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Teilungsträger anzugeben, deren Schichtaufbau so gewählt ist, daß auf den Grundkörper keine Spannungen ausgeübt werden, die zu einer Verbiegung des Grundkörpers führen.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Grundkörper durch die darauf befindlichen Schichten nicht mechanisch deformiert wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Schichten auf einer Seite des Grundkörpers aufgebracht werden können und dadurch auf dem Grundkörper ein in sich spannungsfreies Schichtenpaket vorliegt, das eine hohe Haftfestigkeit aufweist und sich nicht durch Spannungen vom Grundkörper löst.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen

Figur 1 einen Teilungsträger mit einem

Amplitudengitter,
25

Figur 2 einen weiteren Teilungsträger

mit einem Amplitudengitter;

Figur 3 einen Teilungsträger mit einem Phasengitter,

Figur 4 den Teilungsträger nach Ficjur 3 in Draufsicht;

Figur 5 einen weiteren Teilungsträger mit einem Phasengitter und

Figur 6 eine weitere Ausgestaltung des Teilungsträgers mit einem Pha

sengitter.

In den Figuren 1 bis 6 ist jeweils ein Teilungsträger dargestellt, der als Maßverkörperung in einem im Auflicht arbeitenden lichtelektrischen Längenoder Winkelmeßsystem eingesetzt wird. Auf einem aus Glas bestehenden Grundkörper 1 ist eine Teilung in Form von abwechselnd lichtreflektierenden Bereichen 2 und nicht reflektierenden Bereichen 3 vorgesehen.

Die nicht reflektierenden, also absorbierenden Bereiche 3 sind streifenförmige Chromoxid-Abscheidungen. Die reflektierenden Bereiche 2 werden von einer durchgehenden reflektierenden Schicht 4 aus Titannitrid gebildet. Um Verspannungen zu vermeiden, ist dieser Schicht 4 eine Kompensationsschicht 5 aus Chrom zugeordnet. Beide durchgehenden Schichten 4, 5 sind aufeinanderfolgend auf einer Seite des Grundkörpers 1 angebracht. Diese Schichtenkombination ist besonders vorteilhaft, da die mit den \ 25 absorbierenden Bereichen 3 in Kontakt stehende Titannitrid-Schicht 4 hochreflektierend und die darunter liegende Chrom-Schicht 5 mechanisch besonders widerstandsfähig ist. Die mechanischen Spannungen beider Schichten 4, 5 sind gegenläufig und heben sich dadurch auf. Das Gleichgewicht der Spannungen ist etwa bei folgenden Schichtdicken erreicht:

Titannitrid (TiN): 40nm
Chrom (Cr) : 50nm

In Figur 2 ist ein weiterer Teilungsträger in Form eines Amplitudengitters dargestellt. Auf dem aus Glas bestehenden Grundkörper 21 sind ebenfalls abwechselnd reflektierende Bereiche 22 und absorbierende Bereiche 23 vorgesehen. Die absorbierenden Bereiche 23 sind wie bei Figur 1 streifenförmige Chromoxid-Abscheidungen bekannter Art. Die reflektierenden Bereiche 22 werden von einer Schicht 27 gebildet, die aus physikalisch-chemisch inhomogene Schichtenbereiche 24, 25 besteht. Die Schichtenbereiche 24, 25 werden während des Abscheidens durch sich ändernden Reaktionsgasdruck erzielt.

Im gezeigten Beispiel wird auf die Oberfläche des Grundkörpers 21 Titan als erster Schichtenbereich 25 abgeschieden und während der Beschichtuncj der Reaktionsgasdruck erhöht, so daß sich ein zweiter Schichtenbereich 24 aus Titannitrid bildet. Die so erhaltenen Schichtenbereiche 24, 25 haben unterschiedliche physikalische Eigenschaften, so daß sich die Spannungen aufheben und die Schicht 27 im fertigen Zustand des Teilungsträgers keine Spannungen auf den Grundkörper 21 ausübt.

\ ' 25 Die bisher beschriebenen Teilungen 2, 3; 22, 23 der

Teilungsträger werden als Amplitudengitter bezeichnet, da sie die Amplitude, nicht aber die Phase des auftreffenden Lichtes unterschiedlich beeinflussen.

Bei den Teilungsträgern gemäß den Figuren 3 bis 6 sind Phasengitter dargestellt, bei denen eine Modulation der Phasenlage der Lichtwellen vorgenommen wird.

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Der Teilungsträger der Figuren 3 und 4 weist einen Grundkörper 31 auf, auf dem mittels mehrerer Schichten 36, 35, 34 ein stufenförmiges Profil erzeugt wird. Auf dem Grundkörper 31 sind partiell voneinander beabstandete Stege 36 aus Chrom abgeschieden. Darauf befindet sich eine durchgehende Kompensationsschicht 35 aus Chrom und darauf wiederum eine durchgehende hochreflektierende Schicht 34 aus TiN. Die Oberfläche der Schicht 34 weist abwechselnd erhabene Bereiche 32 und abgestufte Bereiche 33 auf, welche die Teilung bilden. Die Kompensationsschicht 35 verhindert auch bei diesem Ausführungsbeispiel ein Verspannen des Grundkörpers 31 durch die Schicht 34.

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In Figur 4 ist der Tei lungs träger nach Figur 3 in Draufsicht dargestellt.

Beim Teilungsträger nach Figur 5 sind die gestuften Bereiche 52 und 53 durch stufenförmige Strukturierung des Grundkörpers 51 realisiert. Die Strukturierung des Grundkörpers 51, der bevorzugt aus Glas besteht, erfolgt durch HF-naßätzen oder durch reaktives Ionenätzen. Acf dem Grundkörper 51 ist

~\ 25 eine durchgehende Kompensationsschicht 55 aus Chrom und darauf wiederum eine durchgehende reflektierende Schicht 54 aus TiN aufgebracht. Beide Schichten 54 und 55 ergänzen sich derart, daß sie im fertigen Zustand des Teilungsträgers nach außen keine mechanischen Spannungen ausüben.

An dieser Stelle soll kurz auf die Funktionsweise des Phasengitters mit den erhabenen Bereichein 52 und den abgestuften Bereichen 53 eingegangen werden. Reflektiert paralleles Licht an der Oberfläche der reflektierenden Schicht 54, dann haben die

Teilbündel, welche an den Bereichen 53 reflektiert werden einen längeren Weg und somit eine Phasenverzögerung gegenüber den Teilbündeln, die an den erhabenen Reichen 52 reflektiert werden. Der Gangunterschied zwischen den Teilbündeln ist zweckmäßigerweise A /2. Die reflektierenden Teilbündel interferieren miteinander. Bei Verschieben des Teilungsträgers gegenüber einer Abtasteinheit ändern sich die Phasenlagen der Lichtwellen in den verschiedenen Beugungsordnungen. Nach Interferenz der Lichtbündel erhält man somit in Abhängigkeit vom Verschiebeweg einen sinusförmigen Verlauf der Lichtintensität, die von Photoempfängern erfaßt wird und aus denen positionsabhängige Signale erzeugt werden.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei Teilungsträgern mit Phasengittern einzusetzen, da die Lichtausnutzung bzw. der Wirkungsgrad bei Phasengittern besonders groß ist.

Eine typische Dimensionierung des Teilungsträgers ist nachfolgend angegeben:

Dicke der Chrom-Schicht 55: 50nm

- Dicke der TiN-Schicht 54: 40nm

- Stufenhöhe H: 220nm

- Teilungsperiode T: 8&mgr;&pgr;&igr;

Als letztes Ausführungsbeispiel ist in Figur 6 ein Teilungsträger dargestellt, bei dem auf einem Grundkörper 61 eine durchgehende Kompensationsschicht 65 aus Chrom und nachfolgend eine ebenfalls durchgehende reflektierende Schicht 64 aus TiN aufgebracht ist. Die Teilung wird gebildet, indem auf der reflektierenden Schicht 64 eine transparente

•&bgr;

Zwischenschicht 68 aus Magnesiumfluorid vorgesehen ist, auf der streifenförmige, voneinander beabstandete reflektierende Stege 62 aufgebracht sind. Die erhabenen Bereiche werden von den Stegen 62 gebildet und die abgestuften Bereiche 63 von den Oberflächenbereichen der reflektierenden Schicht 64, welche zwischen den Stegen 62 liegen. Das Schichtenpaket mit den Schichten 64, 65 verhindert, daß im fertigen Zustand des Teilungsträgers Spannungen auf den Grundkörper 61 einwirken.

Wesentlich ist bei allen Ausführungsformen, daß wenigstens zwei durchgehende Schichten 4, 5; 24, 25; 34, 35; 54, 55; 64, 65 auf einer Seite des Grundkörpers 1, 21, 31, 51, 61 vorgesehen sind, deren Spannungen sich gegenseitig aufheben. Dies kann erreicht werden, indem für die Schichten 4, 5; 24, 25; 34, 35; 54, 55; 64, 65 verschiedene Materialien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften verwendet werden. Die Optimierung kann zusätzlich durch die Wahl der geeigneten Schichtdicken erfolgen.

Die Erfindung kann auch besonders vorteilhaft bei \ 25 Teilungsträgern für sogenannte Kreuzgitter-Meßsysteme gemäß der EP 0 482 224 Al angewandt werden.

Die Erfindung ist nicht auf im Auflicht arbeitende Längen- oder Winkelmeßsysteme beschränkt, sie ist auch bei im Durchlicht arbeitenden Meßsystemen anwendbar. Die erfindungsgemäßen Schichten sind hier als transparente Schichtenfolge ausgebildet.

Der Grundkörper des Teilungsträgers ist vorteilhaft aus Glas, es sind aber auch andere Materialien, wie Kunststoff oder Metall einsetzbar.

Claims

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 10. Februar 1993 Ansprüche

1. Teilungsträger, insbesondere für im Auflicht arbeitende Längen- und Winkelmeßsysteme, dadurch gekennzeichnet, daß an einem die Teilung (2, 3;

^ 22, 23; 32, 33; 52, 53; 62, 63) aufweisenden

Grundkörper (1, 21, 31, 51, 61) an einer Seite durchgehende Schichten (4, 5; 34, 35; 54, 55; 64, 65) oder Schichtenbereiche (24, 25) mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften vorgesehen sind, und daß ferner das Schichtenmaterial und die Schichtdicken so bestimmt sind, daß in den Schichten (4, 5; 34, 35; 54, 55; 64, 65) bzw. in den Schichtenbereichen (24, 25) hervorgerufene Spannungen kompensiert werden, so daß die Schichten (4, 5; 34, 35; 54, 55; 64, 65) bzw. Schichtenbereiche (24, 25) im fertigen Zu- \ stand des Teilungsträgers keine Spannungen auf

den Grundkörper (1, 21, 31, 51, 61) ausüben.

2. Teilungsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchgehenden Schichten zumindest eine reflektierende Schicht (4, 34, 54, 64) und eine Kompensationsschicht (5, 35, 55, 65) sind.

3. Teilungsträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Oberfläche des Grundkörpers (1) die Kompensationsschicht (5), darauf die reflektierende Schicht (4) und darauf wiederum partiell voneinander beabstandete absorbierende Bereiche (3) vorgesehen sind.

4. Teilungsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtenbereiche (24, 25) aus einer physikalisch inhomogenen Schicht (27) bestehen, die keine Spannungen auf den Grundkörper (21) ausübt.

5. Teilungsträger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die inhomogene Schicht (27) zumindest einen Schichtenbereich (25) aus Titan und einen Schichtenbereich (24) aus Titannitrid aufweist.

6. Teilungsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (32, 33; 52, 53; 62, 63) ein Phasengitter ist.

7. Teilungsträger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Oberfläche des Grundkörpers (31) einzelne voneinander beabstandete Stege (36) vorgesehen sind, daß darauf eine durchgehende Kompensationsschicht (35) und darauf wiederum eine durchgehende reflektierende Schicht (34) aufgebracht ist.

8. Teilungsträger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (51) stufig strukturiert ist, und daß darauf zumindest eine durchgehende Kompensationsschicht (55) und darauf eine durchgehende reflektierende Schicht (54) vorgesehen sind.

9. Teilungsträger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Oberfläche des Grundkörpers (61) zumindest eine durchgehende Kompensationsschicht (65), darauf eine durchgehende reflektierende Schicht (64), darauf eine transparente Schicht (68) und darauf einzelne voneinander beabstandete reflektierende Stege (62) aufgebracht sind.

10. Teilungsträger nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Schicht (4, 34, 54, 64) eine Titannitrid-Schicht ist und die Kompensationsschicht (5, 35, 55, 65) eine Chrom-Schicht ist.