JP3348304B2 - 絶対位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体製造装置や走
査型プローブ顕微鏡などの精密装置や、工作機械の位置
制御などに適用して好適な絶対位置検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造装置ではその製造過程でウエ
ハーを載せたテーブルをナノメートル単位で移動させる
必要があるため、このテーブルにはその移動量を精密に
計測できる絶対位置検出装置が備えられている。また、
走査型プローブ顕微鏡の一種である走査型トンネル電流
顕微鏡は、試料に対し圧電アクチュエータに取り付けら
れたプローブをナノメートル単位で試料の方向に移動さ
せたときに流れるトンネル電流を計測するようにしたも
のであり、そのためこの走査型トンネル電流顕微鏡にも
プローブの移動量をナノメートル単位で正確に計測する
ための絶対位置検出装置が設けられている。

【０００３】このような精密装置に使用される絶対位置
検出装置の一例を図５以下を参照して説明する。

【０００４】図５は絶対位置検出装置の原理図を示す。
同図において、１はエンコード板であり、このエンコー
ド板１は、矢印方向Ｚにリニアに移動するようになされ
る。エンコード板１にはスケールパターンが形成されて
おり、このスケールパターンは図６に示すようにストラ
イプパターン領域１１ａとコードパターン領域１１ｂを
有する。

【０００５】コードパターン領域１１ｂにはグレイコー
ドを示す６トラック（６ビット）のパターンが形成さ
れ、ストライプパターン領域１１ａには複数のストライ
プパターンが平行かつ等間隔に形成される。グレイコー
ドは２進数を表現するコードのひとつで、バイナリーコ
ードと異なり、数が１つ変化する毎に全桁の中で１つだ
け変化するという特徴がある。

【０００６】２はＣＣＤなどを使用した二次元の撮像素
子であり、エンコード板１に対向して配設される。撮像
素子２はエンコード板１に対してわずかな角度θだけ傾
斜して取り付けられる（図８参照）。

【０００７】３は例えば発光ダイオードで構成される光
源であり、エンコード板１を挟んで撮像素子２と対向す
るように配設される。

【０００８】エンコード板１は図７に示すように例えば
平板状をなす石英ガラス１０の下面にスケールパターン
（ストライプパターン、コードパターン）１１が蒸着な
どによってコーティングされたものであり、他方撮像素
子２は撮像領域（受光素子部）２ａの上面に透明保護ガ
ラス２ｂが配されて構成される。

【０００９】このような配置関係において、光源３から
の光がエンコード板１を通過して撮像素子２に供給さ
れ、撮像素子２の結像面（撮像面）にコードパターンお
よびストライプパターンが映し出されて撮像される。

【００１０】図８は撮像画面を示しており、ＨおよびＶ
は撮像素子２の水平および垂直方向、Ｚはエンコード板
１の移動方向である。撮像素子２より各ライン毎に順次
出力される画素信号は位置データ検出回路４（図５に図
示）に供給される。

【００１１】ここで、図８のようにＺ軸がＶ軸に対して
わずかな角度θだけ傾斜しているため、ストライプパタ
ーンのエッジ像に対応するあるラインのストライプパタ
ーン領域１１ａに対応する画素信号のレベルは徐々に小
さくなりつつ所定の量子化範囲のレベルに到達する。画
素信号の最大レベルを１００％とするとき例えば６５〜
８５％の範囲が量子化範囲に設定される。

【００１２】位置データ検出回路４では、画素信号が量
子化範囲に入る画素のアドレスおよび量子化値がラッチ
される。例えば、６５〜８５％の範囲が１６ステップに
量子化され、量子化値は４ビットで表される。次に、量
子化値が得られるラインのコードパターン領域１１ｂの
各トラックに対応する画素信号が２値化されてコード値
が読み取られる。

【００１３】上述したように画素信号のレベルが量子化
範囲に入る全てのラインに対して、画素アドレスおよび
量子化値がラッチされると共に、コード値が読み取られ
る。

【００１４】位置データ検出回路４で検出される各組の
位置データ（画素アドレス、量子化値、コード値）は処
理回路５に順次供給され、これらから絶対位置情報が求
められ、その絶対位置情報から絶対位置の代表値が求め
られる。６が代表値決定回路を示す。

【００１５】上述したエンコード板１は適用される装置
が半導体製造装置であるならばウエハーを載せるテーブ
ルに関連して設置される。

【００１６】図９はテーブルに関連して設置される絶対
位置検出装置の具体例であって、その構成は「特開平１
−２８５８１９号公報」に開示されたものと同じであ
る。この絶対位置検出装置ではコ字状の凹部８をもつ支
持体７が使用され、凹部下面に撮像素子２が取り付け固
定されると共に、支持体７の上部延長端７ａであって、
撮像素子２と対向する位置に光源３が取り付け固定され
る。

【００１７】光源３を撮像素子２と対向する上部延長端
７ａ側に取り付けたのは、できるだけ平行光をスケール
パターン１１に照射するようにするためで、エンコード
板１からできるだけ離間して光源３が取り付け固定され
る。

【００１８】エンコード板１は支持体７の凹部８内を平
行移動させるため、その長辺（Ｚ方向）の一端が固定さ
れ、他端は自由端となされる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】半導体製造装置のよう
な精密装置では、外部からの振動や内部動力により発生
する振動などを極力抑える必要がある。さらに、装置自
身の固有振動にも対処すべく装置素材として固有振動数
の高い高剛性の構造体のものを使用するようにしてい
る。

【００２０】したがって、上述した絶対位置検出装置も
半導体製造装置に組み込む場合にはこのような制振構造
体とする必要がある。しかし、図９に示すような構成で
は撮像素子２と光源３に対する支持体７がコ字状の凹部
８を有することから、高剛性の構造体とはなっていな
い。エンコード板１も制振構造とはなっていないので、
突発的な衝撃がこの検出装置に加わると、その衝撃力も
吸収しにくい。

【００２１】光源３は撮像素子２よりできるだけ離間さ
せて配置しなければならないので、検出装置の高さを低
く抑えることできず、装置の小型、軽量化の隘路となっ
ている。

【００２２】このように従来の絶対位置検出装置は振動
に弱く、装置の小型化、軽量化を図りにくかった。これ
らの欠点は半導体製造装置に適用する場合のみならず、
走査型トンネル電流顕微鏡や、その他に工作ロボットの
アーム位置制御、工作機械の位置制御などに用いる場合
も同様である。

【００２３】そこで、この発明はこのような従来の課題
を解決したものであって、振動に強い小型、軽量化が容
易な絶対位置検出装置を提案するものである。

【００２４】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載した発明
は、ストライプパターン領域及びコードパターン領域か
らなるスケールパターンが形成された面を表側とするエ
ンコード板の裏面が反射面となされ、上記スケールパタ
ーン面と対峙するように絶対位置検出用の撮像素子が配
され、上記スケールパターンのストライプパターン領域
の中心位置からの上記撮像素子の撮像面に対する垂線を
対称軸とするような位置に一対の光源がそれぞれ配さ
れ、上記スケールパターン面を透過した上記それぞれの
光が単一の上記撮像素子で受光されて上記エンコード板
の絶対位置が検出されるようになされたことを特徴とす
るものである。

【００２５】請求項２に記載した発明は、スケールパタ
ーンが形成された面を表側とするエンコード板の裏面が
反射面となされ、上記スケールパターン面側の同一平面
内には光源と絶対位置検出用の撮像素子がそれぞれ配さ
れ、上記スケールパターン面を透過した光が上記撮像素
子で受光されて上記エンコード板の絶対位置を検出する
絶対位置検出装置において、上記スケールパターン形成
面の一部には上記光源からの光が垂直に入射する入射面
が形成され、上記反射面で反射された光が上記スケール
パターンに設けられたストライプパターン領域の中心位
置に対し垂直に透過して上記撮像素子に入射するように
なされたことを特徴とするものである。

【００２６】

【作用】請求項１に記載した発明について説明すれば、
図３のようにエンコード板１のスケールパターン面１２
の一部にスケールパターン１１が形成され、これと同一
面側に撮像素子２とこの撮像素子２を挟んで一対の光源
３および光源３０が配される。

【００２７】エンコード板１のスケールパターン面１２
側から入射した光源３からの光線ｌおよび光源３０から
の光線ｌ′はエンコード板１の反射面１３でそれぞれ反
射されスケールパターン１１を透過し、スケールパター
ン像が撮像素子２に撮像され、絶対位置が検出される。
このように対称光源配置構成とすることによって照度の
一様性がより確かになり高精度な位置検出を実現でき
る。

【００２８】光源３と光源３０を撮像素子２の設置面と
同じ側の面に配置できるので、その取り付け基台（載置
台）２５として高剛性の材料を使用できる。エンコード
板１を移動体１５（ウエハー用テーブルなど）に直接貼
着できるので、エンコード板１自体の剛性が高くなる。

【００２９】光源３と光源３０を撮像素子２の設置面と
同じ側の面に配置してあってその反射光を用いてスケー
ルパターン像を撮像するようにしているため、高さを低
くしてもその光路長を長く取ることができ、スケールパ
ターンへの照射光の平行度が高くなる。

【００３０】

【実施例】続いてこの発明に係る絶対位置検出装置の一
例を図面を参照しながら詳細に説明する。図９と同一構
成についての詳細説明は省略する。

【００３１】図１に示す絶対位置検出装置にあって、エ
ンコード板１は上述したようにその基体として平板状の
石英ガラス板やプラスチック板などが使用され、その厚
みｄは大凡５００μｍである。エンコード板１の１つの
平面はスケールパターン面１２となされ、その一部に図
６に示すようなパターン領域１１ａ、１１ｂからなるス
ケールパターン１１が形成される。スケールパターン１
１は蒸着などの周知の手法を使用してコーティングでき
る。スケールパターン１１はＶ方向に連続して形成され
る。スケールパターン１１のＨ方向に対する幅は大凡２
５０μｍ程度である。

【００３２】エンコード板１の他面となる裏面はその全
体にわたって反射面１３となされる。そのため、この裏
面側には反射層１４が同様な手法を用いてコーティング
される。反射層１４をコーティングする際、Ｚ方向に対
して直角な所定間隔のストライプを形成すると、光線ｌ
の反射光は直線偏光され、スリットを透過しやすい光線
のみがスケールパターン１１を透過することになるの
で、それだけ分解能を高めることができる。

【００３３】エンコード板１は図のように移動体１５の
面に強固に固定される。固定は接着剤などが使用され
る。移動体１５の材料が透明体でなく、その反射効率が
高いものが使用されるときには、反射層１４のコーティ
ングを省略することも可能である。

【００３４】半導体製造装置にこの発明を適用する場合
には、移動体１５はウエハー載置用のテーブルの一部若
しくはこれに関連した部材であり、走査型トンネル電流
顕微鏡に適用する場合にはそのプローブの一部若しくは
これに関連した部材に固定されることになる。

【００３５】このように移動体１５にエンコード板１を
取り付ける構成にすると、移動体１５が高剛性の構造体
であるため、エンコード板１自身の剛性が高くなる。

【００３６】スケールパターン面１２側であって、スケ
ールパターン１１と対向する位置にはＣＣＤなどを使用
した二次元構成の撮像素子２がスケールパターン面１２
と少許の間隙をおいて配置される。

【００３７】撮像素子２は図７のように構成されるのは
勿論のこと、受光素子２ａａの前面には図２に示すよう
な遮光体２２によって所定幅Ｔｂのスリット２３が形成
され、受光素子２ａａに対する受光領域が制限される。
例えば、遮光体２２の幅Ｔａが１０μｍのときスリット
２３の幅Ｔｂは１μｍ程度に選ばれる。

【００３８】このスリット２３を形成することによっ
て、受光素子２ａａの繰り返しピッチ（＝Ｔａ＋Ｔｂ）
よりもスケールパターン１１のストライプの繰り返しピ
ッチが狭い（２μｍ位）場合であってもこのパターンを
正しく認識できるようになり分解能の高い位置検出を実
現できる。

【００３９】撮像素子２は平板状をなす取り付け基台２
５に固定される。取り付け基台２５上にはさらにこの撮
像素子２に隣接した位置に光源３が取り付け固定され
る。光源３としては上述したようにＬＥＤなどの発光素
子を使用でき、３ａはその発光部を示す。

【００４０】光源３はその発光部３ａがスケールパター
ン面１２と対峙するように撮像素子２と同一平面上に取
り付けられる。撮像素子２は絶対位置の検出精度を高め
るため、スケールパターン面１２に対してできるだけ近
接して配置できるように少許の間隙を保持して取り付け
固定されるが、他方光源３に関してはそのような制約が
ないので、図のようにスケールパターン面１２からある
程度離間して固定される。そうすることによって、取り
付け精度が余り要求されなくなるから、光源３の取り付
けが容易になる。

【００４１】光源３から出射した光線ｌはエンコード板
１のスケールパターン面１２から入射して反射面１３で
反射され、その反射光が再びスケールパターン面１２に
形成されたスケールパターン１１を透過して、そのスケ
ールパターン像が撮像素子２に撮像されるように、撮像
素子２と光源３との配置関係が選定される。

【００４２】反射光を利用してスケールパターン像を読
み取る場合、光源３の虚像３′は図１の位置ｑとなるか
ら、この位置ｑから光線ｌが出射しているものとみなす
ことができる。この虚像３′の位置ｑに実際の光源３を
配置して使用する場合よりも、反射光を利用した方がそ
の分検出装置の高さを低くできるので装置の小型化に寄
与する。

【００４３】図３は第１の発明の具体例である。この発
明では一対の光源を使用してスケールパターンを読み取
るようにしたものである。

【００４４】スケールパターン１１にあってそのストラ
イプパターン領域１１ａの中心を通る垂線をｓとしたと
き、この垂線ｓ上に位置する撮像領域２ａの結像面に一
対の光源３，３０の光線、特に光線束の中心（発光強度
重心点）ｌ，ｌ′が収束するように撮像素子２の両側に
配置される一対の光源３，３０の取り付け位置が選定さ
れる。具体的には撮像素子２に対して光源３，３０が等
距離（＝ｐ）に配置されることになる。一対の光源３，
３０は同一特性のものが使用される。

【００４５】ここで、単一の光源３を使用したとすると
結像面の照度Ｉは図３から明らかなように、

【００４６】

【数１】

【００４７】垂線ｓの位置からΔだけ離れた位置の照度
Ｉ′は、

【００４８】

【数２】

【００４９】となるから、照度の変動率ΔＩ／Ｉは、

【００５０】

【数３】

【００５１】となる。例えば、Ｄ＝１１００μｍ、ｐ＝
４００μｍ、Δ＝６０μｍであるときは、照度変動率Δ
Ｉ／Ｉは大凡、−３．６％となる。

【００５２】これに対して、他方の光源３０が加わった
ときの照度変動率ΔＩ／Ｉは、

【００５３】

【数４】

【００５４】となる。Ｄ》Δであるときには、（数４）
は次のようになる。

【００５５】

【数５】

【００５６】上述した具体的数値を使用して比較する
と、対称光源を使用することによってその照度変動率Δ
Ｉ／Ｉは（数４）より、−０．１４％程度まで減少す
る。つまり、対称光源構成とするとＨ方向に対する照度
差を実用上無視できるようになる。

【００５７】因みに、垂線ｓ上であって距離Ｄだけ離れ
た位置に１つの光源を配置し、この光源からの光をエン
コード板１の上方（反射面１３側）から透過させるよう
に構成（透過式構成）した場合で照度位置が上述と同じ
くΔだけずれたときには、その照度変動率ΔＩ／Ｉは、 ΔＩ／Ｉ＝−Δ²／Ｄ² となる。この値は（数４）で示した照度変動率よりも大
きいから、透過式構成よりもこの発明による対称光源構
成の方が優れていることが判る。

【００５８】図４は第２の発明の一実施例を示す。図１
では、光線ｌはスケールパターン１１には垂直には入射
していない。可能ならば、光線ｌは垂直に入射した方が
好ましい。図４は光線ｌがスケールパターン１１したが
って撮像素子２の結像面にも垂直に光線ｌが入射するよ
うに構成されている。

【００５９】図４はその一例であって、エンコード板１
自体図のようにその断面が台形状のものが使用され、し
たがってスケールパターン面１２は内側に折れ曲がった
２平面構成である。

【００６０】スケールパターン面１２のうちその一面１
２ａの所定位置には上述したと同じスケールパターン１
１が形成され、このスケールパターン１１と対峙して撮
像素子２が少許の間隙を保持して取り付け基台２５上に
取り付け固定される。

【００６１】スケールパターン面１２のうち他方の面
（他面）１２ｂは光線ｌの入射面となされ、この入射面
１２ｂに対して光源３からの光線ｌが垂直に入射するよ
うに入射面１２ｂと光源３の発光部３ａが平行するよう
に取り付け基台２５上に取り付け固定される。

【００６２】このように構成すると、入射面１２ｂから
入射した光線ｌは反射面１３によって反射され、その反
射光は一面１２ａと直交するように一面１２ａに入射す
る。したがってスケールパターン１１に対しても撮像素
子２の結像面２ａに対しても光線（発光強度重心点）ｌ
が垂直に入射することになる。

【００６３】こうすると、光源３の虚像３′が垂線ｓ上
に位置することになるから、１つの光源を使用した場合
でも、撮像領域内での照度差を上述した透過式構成と同
じ程度に改善できる。

【００６４】例えば、Ｄ＝１１５０μｍとしたときで、
Δ＝６０μｍであるときは、照度変動率ΔＩ／Ｉは、 ΔＩ／Ｉ＝（Ｉ′−Ｉ）／Ｉ ＝−Δ²／（Ｄ²＋Δ²） ＝−０．２７（％） である。

【００６５】

【００６６】

【００６７】

【００６８】

【００６９】この発明は精密装置であれば適用できるの
で、上述したように半導体製造装置を始めとして走査型
トンネル電流顕微鏡、ロボットのアーム制御、あるいは
各種工作機械の位置制御などの絶対位置検出系などに適
用して好適である。

【００７０】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、エンコー
ド板はこれを被測定物である移動体に強固に固定できる
ので衝撃に強く、撮像素子や光源を取り付けるための取
り付け基台はコ字状ではなく平板状であるため高剛性化
が可能になり、これらのことから検出装置自体としての
振動減衰特性が非常に優れたものとなる。そのため、外
乱に強く、突発的な衝撃にも耐えることができる。

【００７１】撮像素子と光源とは高剛性の同一基台に配
置し、光線の反射光を利用してスケールパターンを読み
取るようにしているので、光源の虚像の位置から光線を
入射したと同じことになる。これで検出装置自体の高さ
を低くできるので、装置の小型、軽量化が可能になる。
取り付け、組立も簡単であるから経済性にも優れてい
る。

【００７２】そして、一対の光源を撮像素子に対して対
称配置構成とすることによって照度の一様性がより確か
になり高精度な位置検出を実現できる。

【００７３】また、請求項２に記載した発明によれば、
スケールパターンに対して直角に光線を透過させること
によって、１つの光源を使用した場合でも、透過式にな
された従来例と同程度にスケールパターンの撮像領域で
の照度差が僅少となり、照度の一様性が担保され、高精
度な位置検出ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を示す説明図である。

【図２】撮像素子の具体例を示す説明図である。

【図３】第１の発明に係る一実施例の構成を示す説明図
である。

【図４】第２の発明の一実施例の構成を示す説明図であ
る。

【図５】絶対位置検出装置の構成を示す図である。

【図６】エンコード板のパターンを示す図である。

【図７】絶対位置検出装置の要部の具体構成を示す図で
ある。

【図８】撮像素子の撮像画面を示す図である。

【図９】絶対位置検出装置の要部の具体構成を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ エンコード板 ２ ＣＣＤ撮像素子 ３，３０ 光源 １１ スケールパターン １２ スケールパターン面 １１ａ ストライプパターン領域 １１ｂ コードパターン領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01D 5/26 - 5/38 G01B 11/00 - 11/30

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ストライプパターン領域及びコードパタ
   ーン領域からなるスケールパターンが形成された面を表
   側とするエンコード板の裏面が反射面となされ、上記ス
   ケールパターン面と対峙するように絶対位置検出用の撮
   像素子が配され、 上記スケールパターンのストライプパターン領域の中心
   位置からの上記撮像素子の撮像面に対する垂線を対称軸
   とするような位置に一対の光源がそれぞれ配され、 上記スケールパターン面を透過した上記それぞれの光が
   単一の上記撮像素子で受光されて上記エンコード板の絶
   対位置が検出されるようになされたことを特徴とする絶
   対位置検出装置。
2. 【請求項２】 スケールパターンが形成された面を表側
   とするエンコード板の裏面が反射面となされ、上記スケ
   ールパターン面側の同一平面内には光源と絶対位置検出
   用の撮像素子がそれぞれ配され、 上記スケールパターン面を透過した光が上記撮像素子で
   受光されて上記エンコード板の絶対位置を検出する絶対
   位置検出装置において、 上記スケールパターン形成面の一部には上記光源からの
   光が垂直に入射する入射面が形成され、 上記反射面で反射された光が上記スケールパターンに設
   けられたストライプパターン領域の中心位置に対し垂直
   に透過して上記撮像素子に入射するようになされたこと
   を特徴とする絶対位置検出装置。