JP2005291822A

JP2005291822A - 光学式変位測定装置

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Publication number: JP2005291822A
Application number: JP2004105089A
Authority: JP
Inventors: Toru Yaku; 亨夜久
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP4444715B2

Abstract

【課題】高精度測定を実現できる光学式変位測定装置を提供する。
【解決手段】ｐ型の半導体基板２７とｎ^＋型の不純物領域３１とで構成されるフォトダイオード２１Ａ，２１Ｂ，２１ＡＡ，２１ＢＢは、それぞれ、Ａ相、Ｂ相、ＡＡ相、ＢＢ相の電気信号の出力が可能である。一つの不純物領域３１上に一つの透光部４３が配置されるように、隣り合う不純物領域３１間の半導体基板２７上に遮光パターンであるポリシリコンパターン６３が形成されている。不純物領域３１は、ポリシリコンパターン６３を利用して自己整合的に形成されている。
【選択図】図８

Description

本発明は、デジタル式ノギス、リニヤゲージ、リニヤスケール等に応用される、光学式変位測定装置に関する。

従来から直線変位や角度変位などの精密な測定に光学式変位測定装置が利用されている。光学式変位測定装置は、例えば、光学格子が設けられたスケール及びこのスケールに沿って移動可能なセンサヘッドにより構成される。センサヘッドは、例えば、光源部と、四つのフォトダイオード（以下ＰＤと記載する場合もある）を含む受光部と、各ＰＤの受光面に対応して配置された互いに位相の異なる四つのインデックス格子と、を備える。

光学式変位測定装置の動作を簡単に説明する。センサヘッドをスケールに沿って移動させながら光源部からの光をスケールの光学格子を介して四つのインデックス格子に照射する。つまり、四つのインデックス格子を光学格子に対して相対移動させながら、光源部からの光を光学格子に照射して生成された明暗パターンをインデックス格子に照射するのである。これにより、光の強弱が正弦波状に変化する四つの光信号が生成される。これらの光信号は互いに位相が異なっている。これらの光信号は各位相に対応するＰＤで受光され、光電変換されて発生した電気信号を利用して直線などの変位量が測定される。

位相の異なる四つの光信号とは、Ａ相（０度）の光信号、Ａ相より９０度だけ位相がずれたＢ相（９０度）の光信号、Ａ相より１８０度だけ位相がずれたＡＡ相（１８０度）の光信号およびＡ相より２７０度だけ位相がずれたＢＢ相（２７０度）の光信号のことである。Ａ相およびＢ相の光信号を利用するのは、先に検出されるのがＡ相かＢ相かによって、受光部の相対移動の方向を判断するためである。また、Ａ相やＢ相以外にこれらを反転させた、ＡＡ相やＢＢ相を利用するのは、Ａ相やＢ相の光信号に含まれる直流成分の除去、並びに、光信号の信頼性及び高速追従性の確保のためである。

位相の異なる複数の光信号に対応した数のＰＤがあれば、原理的に測定が可能である。したがって、位相の異なる四つの光信号の場合、ＰＤが四つあればよい。この第１のタイプのエンコーダは、例えば特許文献１に開示されている。

ところで、光源部の光強度分布やスケール面の汚れ等が原因で、光量にバラツキが生じることがある。上記タイプによれば、各位相の光信号はそれぞれ一箇所で検出されるので、光量のバラツキの影響を受けやすい。例えば、Ａ相用のＰＤの配置場所が他のＰＤの配置場所に比べて照射される光の強度が弱い場合、Ａ相の出力が弱くなるため、測定精度が低下する。

そこで、各位相用のＰＤを複数に分けて、同じ位相用のＰＤが周期的に配列されるように、ＰＤを光学式変位測定装置の測定軸方向に沿ってアレイ状に並べた受光部を備える第２のタイプの光学式変位測定装置がある（例えば特許文献２）。このタイプでは、ＰＤがＡ相用、Ｂ相用、ＡＡ相用、ＢＢ相用、Ａ相用、Ｂ相用・・・の順番に配列されている（ＰＤアレイ）。このＰＤアレイはインデックス格子としても機能するので、インデックス格子を新たに設ける必要がない。このタイプによれば、各位相の光信号が検出される場所が広い範囲に分散されるため、光量のバラツキの影響を小さくでき、したがって、測定精度が向上する。
国際公開第０１／３１２９２号のパンフレット（明細書第５頁第１９行〜第６頁第７行、Fig.5）特開平７−１５１５６５号公報（段落［００１４］、図４）

ＰＤ、つまりフォトダイオードは、シリコン基板及びその表面に形成された不純物領域により構成される。不純物領域は受光面となる。不純物領域は、シリコン基板の表面にイオン注入や不純物拡散によって形成されるため、不純物領域の寸法の正確な制御は比較的困難である。したがって、不純物領域の寸法は実際の値と設計値との間でずれが生じる。不純物領域の配列はインデックス格子として機能する上記ＰＤアレイと対応する。このため不純物領域の寸法のずれが大きいと、不純物領域に入射する光量が所望値から外れ、高精度測定を実現することができない。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、高精度測定を実現できる光学式変位測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光学式変位測定装置は、光源部と、前記光源部からの光が照射される光学格子が設けられたスケールと、前記光源部と一緒に前記スケールに対して相対移動し、前記光源部からの光が前記光学格子を介して照射され、互いに位相が異なるように配置された複数の受光素子を一つのセットとして複数の前記セットを測定軸方向に沿って並べて構成された受光チップと、を備え、前記受光チップは、半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成されると共に前記複数の受光素子の受光面となる複数の不純物領域と、一つの前記不純物領域上に一つの透光部が配置されるように隣り合う前記不純物領域間の前記半導体基板上に前記不純物領域の縁部上まで延びるように形成された遮光パターンと、を含む、ことを特徴とする。

本発明に係る光学式変位測定装置によれば、隣り合う不純物領域間の半導体基板上に形成された遮光パターンを不純物領域の縁部上まで延ばしている。よって、遮光パターンにより不純物領域に入射する光が規定される。遮光パターンはフォトリソグラフィとエッチングにより形成されるので、イオン注入や不純物拡散により形成される不純物領域よりも寸法の制御が容易であり、遮光パターンの寸法の実際の値と設計値とのずれを小さくできる。

本発明に係る光学式変位測定装置において、前記遮光パターンは、ポリシリコンパターン、高融点金属パターン及びシリサイドパターンのうち少なくとも一つを有する、ようにすることができる。

これによれば、不純物領域を自己整合技術で形成できるので、パターンの重ね合わせ余裕を考慮しなくてもよい。よって、不純物領域を不必要に大きくしなくてもよいので、不純物領域と半導体基板との接合容量を小さくすることができる。

本発明に係る光学式変位測定装置において、前記遮光パターンは、隣り合う前記不純物領域の一方側に形成されると共に前記不純物領域の一方と電気的に接続された一方側遮光部と、隣り合う前記不純物領域の他方側に前記一方側遮光部と分離して形成されると共に前記不純物領域の他方と電気的に接続された他方側遮光部と、を有する、ようにすることができる。

これによれば、遮光パターンを不純物領域と電気的に接続しているので、遮光パターンの電位を不純物領域の電位と同じにすることができる。これにより、遮光パターンと不純物領域とで形成される浮遊容量を低減できるため、光学式変位測定装置の低消費電力化を実現することができる。

本発明に係る光学式変位測定装置において、前記受光チップは、前記一方側遮光部と前記他方側遮光部との間を覆うように、絶縁膜を介して前記遮光パターンの上に形成された配線膜を含む、ようにすることができる。

これによれば、光が一方側遮光部と他方側遮光部との間を通って半導体基板に入射するのを防止できるため、クロストークの発生を防ぐことができる。

本発明に係る光学式変位測定装置において、前記配線膜は前記半導体基板の表面側から前記半導体基板と電気的に接続されている、ようにすることができる。これによれば、配線容量を減らすことができるので、光学式変位測定装置の高速応答化を図ることができる。

本発明に係る光学式変位測定装置によれば、不純物領域の寸法の実際の値と設計値とのずれが大きくても、不純物領域に入射する光量を所望の値にすることができるため、高精度測定を実現することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る光学式変位測定装置の第１〜第３実施形態を説明する。なお、第２及び第３実施形態を説明する図において、既に説明した実施形態の符号で示すものと同一のものについては、同一符号を付すことにより説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る光学式変位測定装置１の概略構成を示す図である。この実施形態は装置１の受光チップの構造を主な特徴としているが、この理解の前提として光学式変位測定装置１について説明する。装置１は、スケール３及びスケール３に沿って移動可能なセンサヘッド５により構成される。スケール３の長手方向が測定軸Ｘとなる。センサヘッド５をスケール３に沿って移動させるとは、センサヘッド５を測定軸Ｘに沿って移動させるということである。

スケール３はガラス等の透明材料から構成される長尺状の透明基板７を含み、図１にはその一部が表れている。透明基板７の表面には、光学格子９が形成されている。光学格子９は複数の遮光部１１が所定のピッチＰ１を設けてリニヤ状に、かつ各遮光部１１が図面の奥行き方向に延びるように、配置されたものである。ピッチＰ１は、光学格子９の格子ピッチであり、例えば、２０μｍである。遮光部１１は金属（例えばクロム）などから構成される。光学格子９は、回折格子でもよいし、光を選択的に透過させる単なる格子でもよい。格子ピッチを小さくすれば回折格子となり、格子ピッチを大きくすれば単なる格子となる。

センサヘッド５は光源部１３を備え、光源部１３は、スケール３の光学格子９が形成された面と反対の面側に配置されている。光源部１３は、発光ダイオード（ＬＥＤ）１５と、発光ダイオード１５から出射された光をコリメートするコリメートレンズ１７と、を備える。これにより、光源部１３からは平行光Ｌが出される。平行光Ｌは、スケール３の光学格子９に照射される。平行光Ｌが垂直方向からスケール３に照射されるように、光源部１３が配置されている。なお、発光ダイオード１５の替わりにレーザ（ＬＤ）を用いることもできる。

センサヘッド５の受光チップ１９は、スケール３の光学格子９が形成された面側に、スケール３と所定のギャップを設けて配置されている。受光チップ１９には、図示しない複数のフォトダイオード（以下、「フォトダイオード」をＰＤという場合がある。）がアレイ状に配置されている（ＰＤアレイ）。これらのＰＤの受光面が光学格子９側を向くようにＰＤが配置されている。これらのＰＤには、光学格子９を介して光源部１３からの平行光Ｌが照射される。

図２はＰＤアレイの平面図である。測定軸Ｘ方向に沿って所定のピッチＰ２（例えば１５μｍ）で複数のフォトダイオード２１が並べて配置されている。詳細には、Ａ相用のＰＤ２１Ａ、Ｂ相用のＰＤ２１Ｂ、ＡＡ相用のＰＤ２１ＡＡ、ＢＢ相用のＰＤ２１ＢＢを一セットとして、三セットによりＰＤアレイが構成される。したがって、互いに位相が異なるように配置された複数のＰＤを一つのセットとし、複数のセットが測定軸Ｘ方向に沿って並べられていることになる。

このＰＤアレイは受光素子としての機能に加えてインデックス格子として機能する。ＰＤアレイは二セットでもよく、また四セット以上でもよい。ＰＤ２１は受光素子の一例である。受光素子として、ＰＤの替わりにフォトトランジスタを用いることもできる。

受光チップ１９は回路基板２３に搭載されている。回路基板２３には、演算用のＩＣチップ２５が搭載されており、受光チップ１９の複数のＰＤ２１で検出された位相の異なる複数の光信号を基にしてＩＣチップ２５で変位量の演算が実行される。

光学式変位測定装置１は、固定されたスケール３に対して、センサヘッド５を移動させることにより、変位量を測定する。この変位量測定の動作は、背景技術の欄で説明したとおりである。なお、光源部１３や受光チップ１９等を固定し、スケール３を移動させて変位量を測定するタイプにも、本発明を適用することができる。したがって、受光チップ１９は光源部１３と一緒にスケール３に対して相対移動可能に配置されている、と言うことができる。

光学式変位測定装置１は、スケール３の光学格子９が光を透過する透過型であるが、いわゆる反射型（スケール３の光学格子９で光を反射する）にも本発明を適用することができる。

さて、第１実施形態の主な特徴は受光チップ１９であり、これを詳細に説明する。まず、受光チップ１９の構造について図３及び図４を用いて説明する。図３は受光チップ１９の一部分の平面図であり、図４は図３のIV(a)-IV(b)線に沿った断面図である。

受光チップ１９は、ｐ型の半導体基板２７を備える。半導体基板２７としてはシリコン基板が例示される。半導体基板２７の表面２９にピッチＰ２で複数のｎ^＋型の不純物領域３１が形成されている。不純物領域３１は、図３に示すように、測定軸Ｘと直交する方向が長手方向となる。ｐ型の半導体基板２７とｎ^＋型の不純物領域３１との接合部がフォトダイオード２１となる。半導体基板２７の表面２９のうち、不純物領域３１が形成されている領域がＰＤ２１の受光面３３となる。

なお、半導体基板２７に形成されたｐ^＋型のウェルに、ｎ^＋型の不純物領域３１を形成した構造の場合、ｐ^＋型のウェルとｎ^＋型の不純物領域３１との接合部がフォトダイオードとなる。また、半導体基板２７や上記ウェルの導電型がｎ型で不純物領域３１の導電型がｐ型の構成を有するＰＤでもよい。

半導体基板２７の表面２９は、不純物領域３１を覆うようにシリコン酸化膜のような透明絶縁膜３５で覆われている。絶縁膜３５上には、複数の金属配線膜（第１実施形態における遮光パターンの一例）３７が形成されている。詳しくは、各金属配線膜３７は、不純物領域３１の縁部上まで延びるように、隣り合う不純物領域３１間の半導体基板２７上に、絶縁膜３５を介して形成されている。

金属配線膜３７は、図３に示すように、測定軸Ｘと直交する方向に延びている。金属配線膜３７は、これが延びる方向に沿って所定の間隔で形成された短い分岐部３９を有する。分岐部３９が金属配線膜３７と不純物領域３１とのコンタクト部４１となる。金属配線膜３７は、電気的抵抗が低くかつ遮光性を有する膜であり、その材料としては例えばアルミニウムや銅である。

遮光パターン（ここでは金属配線膜３７）のピッチＰ３は、フォトダイオード２１のピッチＰ２と等しく、例えば、１５μｍである。遮光パターンの幅Ｗは、例えば、１０μｍである。隣り合う金属配線膜３７の間が透光部４３となり、一つの不純物領域３１上に一つの透光部４３が配置される。不純物領域３３の縁部は金属配線膜３７で覆われているため、光の入射が妨げられる。したがって、金属配線膜３７で覆われていない部分が実質的に受光面３３として機能する。

金属配線膜３７を覆うように例えばシリコン酸化膜からなる透明絶縁膜４５が形成されている。透明絶縁膜４５上には図３に示す例えばアルミニウムや銅からなる複数の金属配線膜４７が測定軸Ｘ方向に沿って形成されている。これらの配線膜４７は、対応する金属配線膜３７とコンタクト部４９の箇所で電気的に接続されている。

透明絶縁膜４５を覆うように、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜のような絶縁性の透明保護膜５１が形成されている。半導体基板２７の裏面５３の全面には各ＰＤ２１の共通電極（例えばＡｕ電極）５５が形成されている。光学式変位測定装置１の使用時、ｐ型の半導体基板２７には共通電極５５を介して接地電圧が印加され、かつｎ^＋型の不純物領域３１には金属配線膜３７を介して正電圧が印加される。

第１実施形態の主な効果を説明する。図４において金属配線膜３７が存在しない場合を比較形態とし、これと比較して第１実施形態の効果を説明する。第１実施形態及び比較形態は、共に、不純物領域３１をピッチＰ２で形成している。不純物領域３１は、半導体基板２７の表面２９にイオン注入によって形成されるため、不純物領域３１の寸法（例えば幅）の実際の値を設計値どおりにするのは困難である。不純物領域３１の配列（ＰＤアレイ）はインデックス格子としての機能も有する。このため、不純物領域３１の寸法の設計値からのずれが大きいと、不純物領域３１に入射する光量が所望の値から外れるので、高精度測定を実現することができない。

これに対して、図４に示す第１実施形態では、遮光パターンの一例である金属配線膜３７により、不純物領域３１に入射する光を規定しているため、隣り合う金属配線膜３７間に位置する透光部４３の真下の領域が実質的に受光面３３となる。金属配線膜３７はフォトリソグラフィとエッチングにより形成されるので、イオン注入で形成される不純物領域３１よりも寸法の制御が容易であり、実際の値と設計値とのずれを小さくできる。したがって、不純物領域３１の寸法の実際の値と設計値とのずれが大きくても、不純物領域３１に入射する光量を所望の値にすることができるため、高精度測定を実現することができる。

なお、第１実施形態によれば、金属配線膜３７は、ｎ^＋型の不純物領域３１に接続される配線膜としての役割及び遮光パターンとしての役割を有する。しかしながら、不純物領域３１に接続される配線膜と遮光パターンを別々にしてもよい。例えば、図３において、金属配線膜３７から分岐部３９及びコンタクト部４１，４９を取り除いたものを遮光パターンとし、金属配線膜４７を測定軸Ｘと直交する方向に曲げて金属配線膜４７と不純物領域３１とを接続するのである。この場合、遮光パターンは導電性を有する必要はなく、絶縁膜であってもよい。

次に、第１実施形態に係る受光チップ１９の製造方法について説明する。図５及び図６は、この製造方法の工程を説明するための半導体基板の断面図であり、図４と対応する。

図５に示すように、ｐ型の半導体基板（ここでは、ｐ型のシリコン基板）２７の全面にレジスト５７を形成する。レジスト５７をフォトリソグラフィにより露光・現像する。そして、レジスト５７をマスクとしてｎ型の不純物（リン又はヒ素）を半導体基板２７に注入する。その後、半導体基板２７を熱処理することにより、ピッチＰ２のｎ^＋型の不純物領域３１を半導体基板２７の表面２９に形成する。そして、レジスト５７を除去する。ｐ型の半導体基板２７とｎ^＋型の不純物領域３１との接合部がフォトダイオード２１となる。

図６に示すように、例えば、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)により、半導体基板２７を覆うように、シリコン酸化膜からなる透明絶縁膜３５を形成する。透明絶縁膜３５の図３のコンタクト部４１と対応する箇所に、フォトリソグラフィとエッチングを用いて、図示しないスルーホールを形成する。このスルーホールが埋まるように、透明絶縁膜３５の上に例えばスパッタリングを用いて、アルミニウム膜を形成する。このアルミニウム膜をフォトリソグラフィとエッチングによりパターニングして、ピッチＰ３の金属配線膜３７を形成する。

次に、図４に示すように、例えば、ＣＶＤを用いて金属配線膜３７を覆うように半導体基板２７上にシリコン酸化膜からなる透明絶縁膜４５を形成する。そして、金属配線膜３７の形成方法を用いて、透明絶縁膜４５の上に図３に示す金属配線膜４７を形成する。そして、例えば、ＣＶＤにより、図３の金属配線膜４７を覆うように半導体基板２７上にシリコン酸化膜からなる透明保護膜５１を形成する。また、例えば、スパッタリングにより、半導体基板２７の裏面５３の全面に金を材料とする共通電極５５を形成する。以上により、受光チップ１９が製造される。

［第２実施形態］
第２実施形態については、第１実施形態との相違を中心に説明する。図７は第２実施形態に係る受光チップ６１の一部分の平面図であり、図３と対応する。図８は図７のVIII(a)-VIII(b)線に沿った断面図であり、図４と対応する。第２実施形態では、遮光パターンをポリシリコンパターン６３とし、このパターン６３の上層に不純物領域３１と電気的に接続される金属配線膜３７を配置したことを主な特徴とする。

まず、受光チップ６１の構造から説明する。半導体基板２７の表面２９の全面には、薄いシリコン酸化膜６５が形成されている。この上に、ポリシリコンパターン（遮光パターンの一例）６３がピッチＰ３で形成されている。詳しくは、一つの不純物領域３１上に一つの透光部４３が配置されるように、隣り合う不純物領域３１間の半導体基板２７上にシリコン酸化膜６５を介してポリシリコンパターン６３が形成されている。パターン６３は不純物領域３１の縁部上まで延びている。

また、半導体基板２７の表面２９に形成されたフィールド酸化膜（図示せず）の上に、図７に示すポリシリコン配線膜６７が測定軸Ｘに沿って形成されている。ポリシリコン配線膜６７及びポリシリコンパターン６３を覆うように透明絶縁膜４５が形成されている。

透明絶縁膜４５の上に金属配線膜３７が形成されている。第２実施形態の金属配線膜３７は、ポリシリコンパターン６３より幅が小さく、このパターン６３上に配置されている。金属配線膜３７は、対応するポリシリコン配線膜６７とコンタクト部４９において電気的に接続されている。

次に、第２実施形態に係る受光チップ６１の製造方法について第１実施形態との相違を中心に説明する。図９及び図１０は、この製造方法の工程を説明するための半導体基板の断面図であり、図８と対応する。

図９に示すように、ｐ型の半導体基板２７の表面２９の上に、例えば熱酸化によりシリコン酸化膜６５を形成する。次に、例えばＣＶＤにより、シリコン酸化膜６５の全面にポリシリコン膜を形成する。このポリシリコン膜をフォトリソグラフィとエッチングによりパターニングして、ピッチＰ３のポリシリコンパターン６３及び図７のポリシリコン配線膜６７を形成する。なお、ポリシリコン配線膜６７の下には図示しないフィールド酸化膜が形成されている。

図１０に示すように、ポリシリコンパターン６３をマスクとしてｎ型の不純物（リン又はヒ素）を半導体基板２７に注入し、半導体基板２７を熱処理することにより、不純物領域３１を半導体基板２７の表面２９に形成する。このように、第２実施形態では、不純物領域３１を自己整合技術により形成している。したがって、フォトダイオード２１の微細化を図ることができる。

この後の工程は第１実施形態と同様の方法で、図８に示すように、透明絶縁膜４５、金属配線膜３７及び透明保護膜５１を形成する。なお、遮光パターンをポリシリコンパターン６３の替わりに、モリブデンなどの高融点金属を含有する高融点金属パターンやシリサイドを含有するシリサイドパターンにしても、不純物領域３１を自己整合技術により形成することができる。

次に、第２実施形態の主な効果を説明する。第１実施形態では図６に示すように、不純物領域３１の形成後に金属配線膜３７を形成するので、不純物領域３１のパターンと金属配線膜３７のパターンとの重ね合わせ余裕のために、不純物領域３１を大きめに形成しなければならない。

これに対して、第２実施形態では図１０に示すように、不純物領域３１を自己整合技術で形成しているので、第１実施形態よりも不純物領域３１の寸法を小さくできる。よって、第２実施形態によれば、ｎ^＋型の不純物領域３１とｐ型の半導体基板２７との接合容量を小さくできるので、光学式変位測定装置１の周波数特性の向上及び分解能の向上の両立を図ることができる。以下、詳細に説明する。

光学式変位測定装置は、フォトダイオードで変換された電気信号をオペアンプで増幅している。図１１は、フォトダイオード２１とオペアンプＡの接続関係を示す回路図である。オペアンプＡの反転入力端子には、フォトダイオード２１及びこれに並列に接続された接合容量Ｃｊが接続されている。接合容量Ｃｊは図８に示すように、ｎ^＋型の不純物領域３１とｐ型の半導体基板２７との接合容量のことであり、これは不可避的に発生する。さらに、フォトダイオード２１とオペアンプＡとを接続する配線には、浮遊容量Ｃｓが不可避的に付属する。オペアンプＡの非反転入力端子は接地されている。

オペアンプＡの出力電圧の一部が抵抗Ｒｆを介して反転入力端子に戻されている。したがってオペアンプＡは負帰還動作をする。オペアンプＡの出力端子と反転入力端子との間には、抵抗Ｒｆと並列に容量Ｃｆが接続されている。

ここで、分解能とは、ごくわずかに離れた点又は線を見分けることが出来る最小の間隔のことである。したがって、分解能が高いと高精度な測定を行うことができる。

一方、周波数特性とは、光学式変位測定装置１の応答周波数のことである。光学式変位測定装置１はフォトダイオード２１から出力された電気信号をオペアンプＡで増幅している。この信号の周波数が高くなると、図１１に示す回路のオペアンプＡは応答できなくなる。この周波数には以下の式が成り立つ。

周波数×光学格子の格子ピッチ＝センサヘッドの移動速度・・・（式１）
例えば、センサヘッドの移動速度が２ｍ／ｓ、格子ピッチが２０μｍの場合、フォトダイオード２１から出力される電気信号の周波数は１００ｋＨｚとなる。（式１）から分かるように、センサヘッドの移動速度が大きくなるに伴い、周波数も大きくなる。周波数特性がよいとは、図１１に示す回路を構成するオペアンプＡの応答周波数が高く、したがって、センサヘッドを速く移動させても測定を実行できることを意味する（高速動作対応）。

さて、フォトダイオード２１から出力された電気信号がオペアンプＡで増幅される際に、オペアンプＡが発生するノイズも増幅され、大きくなる。そのときのノイズゲインは（式２）で表される。ノイズが大きいと分解能が低下するため、ノイズを下げる必要がある。

（Ｃｊ＋Ｃｓ＋Ｃｆ）／Ｃｆ・・・・（式２）
（式２）の値が大きいとノイズが大きくなり、小さいとノイズが小さくなる関係が成立する。したがって、容量Ｃｆを大きくすることや接合容量Ｃｊを小さくすることにより、ノイズが小さくなる。しかし、容量Ｃｆを大きくすると周波数特性が劣化する。したがって、センサヘッドをゆっくり移動させなければ測定を実行することができず、不便である。

上述したように、第２実施形態では、不純物領域３１を自己整合技術で形成している。このため、ｎ^＋型の不純物領域３１とｐ型の半導体基板２７との接合容量Ｃｊを小さくできるので、図１１の容量Ｃｆを大きくすることなく、ノイズを小さくできる。よって、光学式変位測定装置１の周波数特性の向上及び分解能の向上の両立を図ることができる。したがって、第２実施形態によれば、周波数特性の向上によりセンサヘッドを速く移動させても測定を実行でき、また、分解能の向上により高精度測定を実現できる。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態について、第２実施形態との相違を中心に説明する。図１２は第３実施形態に係る受光チップ７１の一部分の平面図であり、図７と対応する。図１３は図１２のXIII(a)-XIII(b)線に沿った断面図であり、図８と対応する。第３実施形態は、図１３に示すポリシリコンパターン７３（遮光パターンの一例）を不純物領域３１と電気的に接続したことを主な特徴とする。

図１２〜図１６を用いて第３実施形態に係る受光チップ７１の構造を説明する。図１４は図１２のXIV(a)-XIV(b)線に沿った断面図であり、図１５は図１２のXV(a)-XV(b)線に沿った断面図であり、図１６は図１２のXVI(a)-XVI(b)線に沿った断面図である。

図１２及び図１３に示すように、遮光パターンの一例であるポリシリコンパターン７３は、遮光部７５及び遮光部７７により構成される。詳しくは、遮光部７５（一方側遮光部の一例）は、隣り合う不純物領域３１の一方（例えばＰＤ２１Ａの不純物領域３１）側に形成され、後で説明するようにこの一方の不純物領域３１と電気的に接続されている。これに対して、遮光部７７（他方側遮光部の一例）は、隣り合う不純物領域３１の他方（例えばＰＤ２１Ｂの不純物領域３１）側に遮光部７５と分離して形成されている。後で説明するように、この他方の不純物領域３１と遮光部７７は電気的に接続されている。ポリシリコンパターン７３下の半導体基板２７の表面２９には、フィールド酸化膜７９が形成されている。

図１５に示すように、一つの不純物領域３１の両側に形成された遮光部７５，７７は、XV(a)-XV(b)断面の箇所でつながっている。この箇所で、接続配線膜８１とポリシリコンパターン７３とが電気的に接続されている。接続配線膜８１は金属配線膜３７と同じ層に位置し、接続配線膜８１の材料は金属配線膜３７と同じである。

図１２及び図１４に示すように、XIV(a)-XIV(b)断面の箇所で、接続配線膜８１は不純物領域３１と電気的に接続されている。よって、一つの不純物領域３１の両側に形成された遮光部７５，７７は、この不純物領域３１と接続配線膜８１により電気的に接続されている。

一つのポリシリコンパターン７３を構成する遮光部７５，７７を分離しているのは、これらが異なるフォトダイオード２１の不純物領域３１に接続されるからである。金属配線膜３７は、一つのポリシリコンパターン７３の遮光部７５と遮光部７７との間を覆うように形成されている。

図１２に示すように、複数の接続配線膜８１が行列状に配置されている。符号８３は接続配線膜８１と不純物領域３１とのコンタクト部を示し、符号８５は接続配線膜８１とポリシリコンパターン７３とのコンタクト部を示している。ポリシリコン配線膜６７が形成されている領域の隣に配置されている接続配線膜８１は、ポリシリコン配線膜６７の上まで延びており、コンタクト部８７において、対応するポリシリコン配線膜６７と電気的に接続されている。

図１２及び図１６に示すように、隣り合う金属配線膜３７は連結部８９により電気的に接続されている。複数の連結部８９が行列状に配置されている。連結部８９下の半導体基板２７の表面２９には、ｎ^＋型の不純物領域３１を貫通してｐ型の半導体基板２７に到達するｐ^＋型不純物領域９１が形成されている。連結部８９はｐ^＋型不純物領域９１と電気的に接続されている。これにより、金属配線膜３７は、半導体基板２７の表面２９側から半導体基板２７と電気的に接続されている。符号９３は金属配線膜３７と基板２７とのコンタクト部を示している。

次に、第３実施形態の主な効果を説明する。図１３に示すように、不純物領域３１の縁部の上に薄いシリコン酸化膜６５を介してポリシリコンパターン７３が配置されているので、この部分に浮遊容量Ｃｓが形成される。（式２）より、浮遊容量Ｃｓが存在するとノイズが大きくなる。第３実施形態では、ポリシリコンパターン７３を不純物領域３１と電気的に接続している。これにより、ポリシリコンパターン７３の電位を不純物領域３１の電位を同じにし、上記浮遊容量を低減している。したがって、第３実施形態によれば、低消費電力化を実現することができる。

また、図１３に示すように、金属配線膜３７は、一つのポリシリコンパターン７３の遮光部７５と遮光部７７との間を覆うように、透明絶縁膜４５を介してポリシリコンパターン７３の上に形成されている。これにより、一つのポリシリコンパターン７３を構成する遮光部７５，７７が分離されていても、光が遮光部７５と遮光部７７との間を通って半導体基板２７に入射するのを防止できる。よって、クロストーク現象（ＰＤ２１の受光面３３以外の箇所から光が半導体基板２７に入射することにより、半導体基板２７中て発生したキャリアが不純物領域３１に流れる現象）を防止できるので、高精度測定を実現できる。

また、図１２及び図１６に示すように、第３実施形態によれば、共通電極５５及び金属配線膜３７を介して半導体基板２７は電源から電位が与えられる。金属配線膜３７は半導体基板２７の表面２９で半導体基板２７と接続されている。つまり、フォトダイオード２１の近くで、金属配線膜３７は半導体基板２７と接続されている。このため、フォトダイオード２１で発生した電流が流れる経路の抵抗を下げることができるので、より多くの信号を得ることができ、光学式変位測定装置１の低消費電力化を図ることができる。

最後に、第３実施形態に係る受光チップ７１の製造方法について説明する。図１７〜図２６は、この製造方法を説明するための半導体基板の断面図であり、このうち、図１７、図１９、図２１、図２３及び図２５は図１３と対応し、図１８、図２０、図２２、図２４及び図２６は図１６と対応する。

図１７及び図１８に示すように、例えばＬＯＣＯＳ(Local Oxidation of Silicon)法により、シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を形成した構成の積層膜９５をマスクにして、ｐ型の半導体基板２７の表面２９の上に、フィールド酸化膜７９を選択的に形成する。隣り合うフィールド酸化膜７９間にフォトダイオードの不純物領域が形成される。

図１９及び図２０に示すように、フォトリソグラフィとエッチングにより、図１２のコンタクト部９３に対応する積層膜９５の箇所に開口９７を形成する。積層膜９５をマスクにして、ｐ型の不純物（ボロン）を半導体基板２７に注入し、半導体基板２７を熱処理することにより、半導体基板２７の表面２９にｐ^＋型不純物領域９１を形成する。そして、積層膜９５を除去する。

図２１及び図２２に示すように、例えば、熱酸化により、半導体基板２７の表面２９にシリコン酸化膜６５を形成する。フィールド酸化膜７９及びシリコン酸化膜６５を覆うように、例えば、ＣＶＤにより、ポリシリコン膜を半導体基板２７の表面２９の全面に形成する。そして、このポリシリコン膜をフォトリソグラフィとエッチングによりパターニングして、フィールド酸化膜７９上で遮光部７５，７７に分離されたポリシリコンパターン７３やポリシリコン配線膜６７を形成する。

図２３及び図２４に示すように、ポリシリコンパターン７３及びフィールド酸化膜７９をマスクとしてｎ型の不純物（リン又はヒ素）を半導体基板２７に注入し、半導体基板２７を熱処理することにより、半導体基板２７の表面２９に不純物領域３１を形成する。これにより、フォトダイオード２１が形成される。第３実施形態は、第２実施形態と同様に、不純物領域３１を自己整合技術により形成している。

図２５及び図２６に示すように、第１実施形態と同様の方法で透明絶縁膜４５を形成する。図１２に示すコンタクト部８３，８５，８７，９３となるスルーホール９９を、フォトリソグラフィとエッチングにより透明絶縁膜４５に形成する。そして、例えば、スパッタリングにより、アルミニウム膜を透明絶縁膜４５上にスルーホール９９が埋まるように形成する。このアルミニウム膜をフォトリソグラフィとエッチングによりパターニングして、図１３及び図１６に示す金属配線膜３７、接続配線膜８１を形成する。そして、第１実施形態と同様の方法で、透明保護膜５１を形成する。

第１実施形態に係る光学式変位測定装置の構成の概略を示す図である。第１実施形態に係るＰＤアレイの平面図である。第１実施形態に係る受光チップの一部分の平面図である。図３のIV(a)-IV(b)線に沿った断面図である。第１実施形態に係る受光チップの製造方法の第１工程を説明するための半導体基板の断面図である。同第２工程を説明するための半導体基板の断面図である。第２実施形態に係る受光チップの一部分の平面図である。図７のVIII(a)-VIII(b)線に沿った断面図である。第２実施形態に係る受光チップの製造方法の第１工程を説明するための半導体基板の断面図である。同第２工程を説明するための半導体基板の断面図である。光学式変位測定装置におけるフォトダイオードとオペアンプの接続関係を示す回路図である。第３実施形態に係る受光チップの一部分の平面図である。図１２のXIII(a)-XIII(b)線に沿った断面図である。図１２のXIV(a)-XIV(b)線に沿った断面図である。図１２のXV(a)-XV(b)線に沿った断面図である。図１２のXVI(a)-XVI(b)線に沿った断面図である。第３実施形態に係る受光チップの製造方法の第１工程を説明するための半導体基板のXIII(a)-XIII(b)断面を示す図である。同第１工程を説明するための半導体基板のXVI(a)-XVI(b)断面を示す図である。同第２工程を説明するための半導体基板のXIII(a)-XIII(b)断面を示す図である。同第２工程を説明するための半導体基板のXVI(a)-XVI(b)断面を示す図である。同第３工程を説明するための半導体基板のXIII(a)-XIII(b)断面を示す図である。同第３工程を説明するための半導体基板のXVI(a)-XVI(b)断面を示す図である。同第４工程を説明するための半導体基板のXIII(a)-XIII(b)断面を示す図である。同第４工程を説明するための半導体基板のXVI(a)-XVI(b)断面を示す図である。同第５工程を説明するための半導体基板のXIII(a)-XIII(b)断面を示す図である。同第５工程を説明するための半導体基板のXVI(a)-XVI(b)断面を示す図である。

符号の説明

１・・・光学式変位測定装置、３・・・スケール、５・・・センサヘッド、７・・・透明基板、９・・・光学格子、１１・・・遮光部、１３・・・光源部、１５・・・発光ダイオード、１７・・・コリメートレンズ、１９・・・受光チップ、２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１ＡＡ，２１ＢＢ・・・フォトダイオード（受光素子の一例）、２３・・・回路基板、２５・・・ＩＣチップ、２７・・・半導体基板、２９・・・半導体基板の表面、３１・・・不純物領域、３３・・・受光面、３５・・・透明絶縁膜、３７・・・金属配線膜（第１実施形態での遮光パターンの一例）、３９・・・分岐部、４１・・・コンタクト部、４３・・・透光部、４５・・・透明絶縁膜、４７・・・金属配線膜、４９・・・コンタクト部、５１・・・透明保護膜、５３・・・半導体基板の裏面、５５・・・共通電極、５７・・・レジスト、６１・・・受光チップ、６３・・・ポリシリコンパターン（遮光パターンの一例）、６５・・・シリコン酸化膜、６７・・・ポリシリコン配線膜、７１・・・受光チップ、７３・・・ポリシリコンパターン（遮光パターンの一例）、７５・・・遮光部（一方側遮光部の一例）、７７・・・遮光部（他方側遮光部の一例）、７９・・・フィールド酸化膜、８１・・・接続配線膜、８３，８５，８７・・・コンタクト部、８９・・・連結部、９１・・・ｐ^＋型不純物領域、９３・・・コンタクト部、９５・・・シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層膜、９７・・・開口、９９・・・スルーホール、Ｘ・・・測定軸、Ｌ・・・平行光、Ｐ１・・・光学格子の格子ピッチ、Ｐ２・・・フォトダイオードのピッチ、Ｐ３・・・遮光パターンのピッチ、Ｗ・・・遮光パターンの幅、Ａ・・・オペアンプ、Ｃｊ・・・ｎ^＋型半導体領域とｐ型半導体基板との接合容量、Ｃｓ・・・浮遊容量

Claims

光源部と、
前記光源部からの光が照射される光学格子が設けられたスケールと、
前記光源部と一緒に前記スケールに対して相対移動し、前記光源部からの光が前記光学格子を介して照射され、互いに位相が異なるように配置された複数の受光素子を一つのセットとして複数の前記セットを測定軸方向に沿って並べて構成された受光チップと、を備え、
前記受光チップは、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に形成されると共に前記複数の受光素子の受光面となる複数の不純物領域と、
一つの前記不純物領域上に一つの透光部が配置されるように隣り合う前記不純物領域間の前記半導体基板上に前記不純物領域の縁部上まで延びるように形成された遮光パターンと、を含む、
ことを特徴とする光学式変位測定装置。
前記遮光パターンは、ポリシリコンパターン、高融点金属パターン及びシリサイドパターンのうち少なくとも一つを有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学式変位測定装置。
前記遮光パターンは、隣り合う前記不純物領域の一方側に形成されると共に前記不純物領域の一方と電気的に接続された一方側遮光部と、隣り合う前記不純物領域の他方側に前記一方側遮光部と分離して形成されると共に前記不純物領域の他方と電気的に接続された他方側遮光部と、を有する、
ことを特徴とする請求項２に記載の光学式変位測定装置。
前記受光チップは、前記一方側遮光部と前記他方側遮光部との間を覆うように、絶縁膜を介して前記遮光パターンの上に形成された配線膜を含む、
ことを特徴とする請求項３に記載の光学式変位測定装置。
前記配線膜は前記半導体基板の表面側から前記半導体基板と電気的に接続されている、
ことを特徴とする請求項４に記載の光学式変位測定装置。