專利名稱：表面反射編碼器標(biāo)尺和使用該標(biāo)尺的表面反射編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面反射編碼器標(biāo)尺和使用該標(biāo)尺的表面反射編碼器，更具體地，涉及一種相柵(phase grating)的改進(jìn)。
技術(shù)背景迄今為止，已經(jīng)使用表面反射編碼器來檢測(cè)進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)的構(gòu)件的位移 量。該表面反射編碼器包括設(shè)置有反射相柵的標(biāo)尺和檢測(cè)機(jī)構(gòu)。在該表面反 射編碼器中，檢測(cè)機(jī)構(gòu)使得相干光入射到標(biāo)尺的相柵上，使標(biāo)尺上的反射衍 射光相互干涉，并使用光的干涉來檢測(cè)反射衍射光隨標(biāo)尺移動(dòng)變化的相位改 變，從而提供標(biāo)尺的移動(dòng)量。順便提及，表面反射編碼器要求高信號(hào)效率和高可靠性，為了滿足這些 要求，已經(jīng)開發(fā)了各種標(biāo)尺。(例如，參考專利文件1到3。)表面反射編 碼器標(biāo)尺要求高反射系數(shù)以在相柵的凹凸(asperity)(凹面和凸面)上反射 光。為了滿足這個(gè)要求，迄今為止，相柵的凹凸由具有高反射系數(shù)的金屬單 獨(dú)或組合地形成。[專利文件l]日本專利申請(qǐng)公開No.平7-113905[專利文件1]日本專利申請(qǐng)公開No.平8-286020[專利文件l]日本專利申請(qǐng)公開No.平10-318793然而，盡管在背景技術(shù)中有改進(jìn)可靠性的余地，然而迄今為止仍然未知 損害可靠性的原因，而且還不存在可以解決這個(gè)問題的合適的技術(shù)。發(fā)明內(nèi)容因此本發(fā)明的目的之一是提供一種能夠提供高可靠性的表面反射編碼 器標(biāo)尺以及使用該標(biāo)尺的表面反射編碼器。雖然損害表面反射編碼器可靠性的原因之前是未知的，但是作為本發(fā)明 者對(duì)上述問題的考察的結(jié)果，本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)其原因是相柵表面的氧化。也就是，在相柵中，為了提供穩(wěn)定的衍射光柵和高的可靠性，需要精確3控制相柵的形狀，特別是要控制高度。因此，考察了在標(biāo)尺中具有可靠性的4各和在蝕刻處理中作為蝕刻停止件(stopper)的金屬的組合。然而，在此種組合中，在苛刻的條件例如高濕度環(huán)境下，相柵表面上容 易發(fā)生氧化。因?yàn)樵谠摬糠种醒苌湫始眲〗档停跃幋a器的可靠性受到 損害。為了解決這樣的缺陷條件，經(jīng)本發(fā)明者進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在大量材料中 金屬硅化物(特別是硅化鈦)和鉻的材料組合非常有效。也就是，按照金屬硅化物和鉻的組合，提供了高的可靠性而沒有降低光 反射系數(shù)。因此，本發(fā)明者基于損害表面反射編碼器可靠性的未知原因是標(biāo)尺表面 的氧化所引起的衍射效率降低這樣的發(fā)現(xiàn)，找到了金屬硅化物和鉻的材料組合。本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)根據(jù)金屬硅化物和鉻的材料組合表面反射編碼器的可靠 性可以進(jìn)一步提高，并完成了本發(fā)明。為了選擇反射相柵的材料，通常的實(shí)踐是僅僅關(guān)注于光反射系數(shù)而選擇 一種金屬或者不同金屬的組合。相反地，本發(fā)明者從大量材料中選擇金屬硅 化物，目的是提供相柵上的高的光反射系數(shù)以及穩(wěn)定性。本發(fā)明的金屬硅化物直到同時(shí)關(guān)注高的光反射系數(shù)和穩(wěn)定性時(shí)才被獲得；如果僅僅關(guān)注高反射系數(shù)，該解決手段是不容易得到的。<標(biāo)尺>也就是說，為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明，提供了表面反射編碼器使 用的表面反射編碼器標(biāo)尺，該表面反射編碼器用于檢測(cè)進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)的構(gòu)件 的相對(duì)位移量，該表面反射編碼器標(biāo)尺包括該構(gòu)件的基板或者設(shè)置在該構(gòu)件 上的基板，以及提供在該基板上的反射相柵，該反射相柵在其表面上具有用 于改變反射衍射光的相位的凹凸，其中該相柵的凹凸由金屬硅化物和鉻的沉 積膜形成。在本發(fā)明中，特別優(yōu)選的金屬硅化物是硅化鈦。 <沉積順序>本發(fā)明中，優(yōu)選將鉻膜設(shè)置在基板上以使相柵的每個(gè)凹入部分由鉻膜形成，而且預(yù)定間距的金屬硅化物膜設(shè)置在鉻膜上以使相柵的凸出部分由金屬硅化物膜形成。在此述及的凹面或凹入部分指凹槽的底部。 <表面涂覆>在本發(fā)明中，優(yōu)選相柵的整個(gè)表面由金的薄膜均勻涂覆。 <編碼器〉為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明，提供了包括根據(jù)本發(fā)明的表面反射編 碼器標(biāo)尺和檢測(cè)機(jī)構(gòu)的表面反射編碼器。提供該檢測(cè)機(jī)構(gòu)以允許相干光入射 到相柵上，產(chǎn)生反射衍射光，用光的干涉來檢測(cè)相柵中反射衍射光隨構(gòu)件的 相對(duì)移動(dòng)變化的相位變化，并提供構(gòu)件的相對(duì)位移量。作為本發(fā)明的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，例如可以提到日本專利申請(qǐng)公開No. 2005-308718中描述的裝置。根據(jù)本發(fā)明的表面反射編碼器標(biāo)尺，反射相柵由金屬硅化物(特別是硅 化鈦)和鉻的沉積膜形成，從而可以獲得迄今為止難以獲得的高可靠性而沒 有降低光的反射系數(shù)。本發(fā)明中，鉻膜和金屬硅化物膜從基板側(cè)依次沉積以形成相柵，從而可 以進(jìn)一 步改善標(biāo)尺的可靠性。本發(fā)明中，相柵的整個(gè)表面還均勻涂覆金的薄膜，從而可以進(jìn)一步改善 標(biāo)尺的可靠性。標(biāo)尺，所以可以獲得迄今為止難以獲得的高可靠性而沒有降低光的反射系數(shù)。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的表面反射編碼器的示意性結(jié)構(gòu)的示意圖； 大圖；圖3(A)-(C)是使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的標(biāo)尺和使用相關(guān)技術(shù)的標(biāo)尺之間 的穩(wěn)定性對(duì)比的示意圖；以及日& >A勺*工尺臺(tái)<1菊l t吞7T 3現(xiàn)在參考附圖給出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。圖1示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的表面反射編碼器的示意性結(jié)構(gòu)。圖中所示的表面反射編碼器10包括表面反射編碼器標(biāo)尺12和檢測(cè)機(jī)構(gòu)14。表面反射編碼器12包括基板16和反射相柵18。 基板16是例如玻璃基板。本發(fā)明的特征之一在于，相柵18由硅化鈦和4各的沉積膜形成，并被設(shè) 置在基板16上。相柵18是在表面上的截面具有類似矩形波的凹槽(凹凸) 形狀的反射衍射光柵，該相柵18改變反射衍射光的相位。檢測(cè)機(jī)構(gòu)14包括光發(fā)射裝置20和光接收裝置22,并用光的干涉來檢測(cè) 反射衍射光隨著標(biāo)尺12的移動(dòng)變化的相位變化。光發(fā)射裝置20包括光源24和透光構(gòu)件26。透光構(gòu)件26設(shè)置有折射率 光柵(index grating) 28。光接收裝置22設(shè)置在透光構(gòu)件26上并包含一組光接收元件27。檢測(cè)機(jī)構(gòu)14允許來自光源24的相干光通過折射率光4冊(cè)28入射到標(biāo)尺 12上，使在標(biāo)尺12上的反射衍射光(L,和L2)相互干涉，并由光接收裝置 22檢測(cè)干涉條紋隨著標(biāo)尺12的相對(duì)移動(dòng)的明暗變化。光接收裝置22執(zhí)行干 涉條紋的明暗變化的光電轉(zhuǎn)換。運(yùn)算裝置29基于來自光"l妄收裝置22的電信 號(hào)來提供標(biāo)尺12的相對(duì)位移量。本發(fā)明的特征之一在于相柵18的截面上類似矩形波形狀的凹槽由硅化 鈦(金屬硅化物)和鉻的沉積膜形成。這樣，在本實(shí)施例中，如圖2所示的截面上類似矩形波形狀的凹槽由凹 入部分18a和凸出部分18b組成。如圖所示，在基板16上設(shè)置鉻膜30，從而相柵18的凹入部分18a由鉻 膜30形成。以預(yù)定間距的硅化鈦(金屬硅化物)膜32設(shè)置在鉻膜30上， 從而相柵18的凸出部分18b由硅化鈦膜32形成。已經(jīng)描述了根據(jù)本實(shí)施例的表面反射編碼器10的示意性結(jié)構(gòu)，下面將 討論表面反射編碼器的功能根據(jù)本實(shí)施例的表面反射編碼器10具有上述裝置并因此可以提供檢測(cè) 才幾構(gòu)14和標(biāo)尺12之間的相對(duì)位移量。也就是，如果相干光乂人光源24施加到折射率光柵28上，則通過折射率光柵28產(chǎn)生明暗圖案。如果檢測(cè)機(jī)構(gòu)14 沿圖中的X軸方向相對(duì)于設(shè)置有相柵18的標(biāo)尺12移動(dòng)，則會(huì)發(fā)生響應(yīng)于明 暗圖案的變化的類正弦波形的光信號(hào)。例如，發(fā)生由于凹入部分18a反射的 光和凸出部分18b反射的光之間的相位差而干涉的光的信號(hào)。包含在信號(hào)中 不同相的光信號(hào)由相應(yīng)的光接收元件27 4企測(cè)。光接收元件27的輸出信號(hào)被 送到運(yùn)算裝置29，因而運(yùn)算裝置29計(jì)算檢測(cè)機(jī)構(gòu)14和標(biāo)尺12之間的相對(duì) 位移量。本實(shí)施例中，相柵的凹凸由鉻和硅化鈦的沉積膜形成，從而可以提供高 的可靠性而沒有降低光反射系數(shù)。本實(shí)施例中，使用具有小的膜應(yīng)力的硅化鈦，從而與除了由硅化鈦和鉻 的組合形成的物質(zhì)之外的任何物質(zhì)相比，可以大大減少基才反的翹曲。本實(shí)施 例中，從膜應(yīng)力的觀點(diǎn)來看，也可以提供高的可靠性。根據(jù)本實(shí)施例的表面反射編碼器標(biāo)尺的可靠性得到了證實(shí)。圖3示出在相同的高濕度環(huán)境下放置根據(jù)本實(shí)施例的標(biāo)尺和同樣形狀的 對(duì)比示例的標(biāo)尺的結(jié)果。圖3 (A)示出根據(jù)本實(shí)施例的標(biāo)尺的相柵表面的狀態(tài)；圖3 (B)是圖 3 (A)所示的相柵表面的放大圖；圖3 (C)示出對(duì)比示例標(biāo)尺的相柵表面 的狀態(tài)。在試驗(yàn)中，以下被用作根據(jù)本實(shí)施例的標(biāo)尺和對(duì)比示例標(biāo)尺圖2所示的標(biāo)尺12用作根據(jù)本實(shí)施例的標(biāo)尺。作為對(duì)比示例，用鎢膜代替圖2所示的標(biāo)尺12中的硅化鈦膜32。結(jié)果，在表示比較示例的圖3 (C)中的相柵表面上ii實(shí)了由氧化導(dǎo)致的堆積膜。相反，在表示本實(shí)施例的圖3 (A)或(B)中的相柵表面上沒有發(fā)生這種氧化。如上所述，根據(jù)本實(shí)施例的標(biāo)尺12，與對(duì)比示例相比，即使在苛刻的高 濕度環(huán)境下，也可以可靠地防止相柵表面的氧化，從而可以可靠地防止表面 上光反射系數(shù)的降低。因此，在本實(shí)施例中，與不是4各和硅化鈦的沉積膜即 一種金屬或不同金屬的組合的任何其他標(biāo)尺相比，即使在苛刻的高濕度環(huán)境 下也可以獲得標(biāo)尺的高穩(wěn)定性，從而可以提供高可靠性。需要理解的是，本發(fā)明不僅限于上述結(jié)構(gòu)，而在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，可以進(jìn)行各種修改。例如，更優(yōu)選使用如下制造方法、沉積序和表面涂覆<制造方法>在本實(shí)施例中，為了進(jìn)一步改善可靠性，重要的是更均勻地制造相柵的凹凸。這樣，在本實(shí)施例中，特別優(yōu)選使用大量的制造方法中的如下之一 光柵結(jié)構(gòu)的高精度加工和相柵的衍射效率的穩(wěn)定化，通過使用根據(jù)硅化鈦和 鉻的沉積膜結(jié)構(gòu)在膜材料加工時(shí)使用蝕刻停止件的作用來完成。圖中所示的制造方法依次包括成膜步驟(SIO)、掩膜步驟(S12)和蝕 刻步驟(S14)。在成膜步驟(SIO)，在玻璃的基板16上形成鉻膜。然后，在鉻膜30上 形成硅化鈦膜以使硅化鈦膜32具有任何期望的厚度。在掩膜步驟(S12)，對(duì)設(shè)置于硅化鈦膜32上的光致抗蝕劑膜執(zhí)行用全 息術(shù)和掩膜等的轉(zhuǎn)錄曝光(transfer exposure )、顯影等，從而形成具有預(yù)定 間隔的平行4冊(cè)34。在蝕刻步驟(S14),使用鉻膜30作為蝕刻停止層，光致抗蝕劑膜的柵 34作為掩模，用包含碳氟化合物氣體和氧氣的蝕刻氣體從上面進(jìn)行蝕刻，來 選擇性地去除硅化鈦膜32的非掩膜部分。因此，在鉻膜30上可以形成具有 預(yù)定間距的硅化鈦膜32。最后，去除掩膜(光致抗蝕劑膜的柵34 )。在本實(shí)施例中，相柵的凹凸由鉻膜30和硅化鈦膜形成，由此與一種金 屬形成的相柵的凹凸相比，基于入射光波長(zhǎng)的凹凸的高度(凹槽深度)，可 以被更均勻地制成。相應(yīng)地，可以進(jìn)行高精度的測(cè)量。也就是，在本實(shí)施例中，相柵的凹凸需要形成得更為均勻，以提供更高 的可靠性并進(jìn)行高精度的編碼器檢測(cè)。為了形成一種金屬的相柵的凹凸，就難以通過蝕刻制成均勻的凹凸。相反，在本實(shí)施例中，通過使用硅化鈦和作為蝕刻停止件的鉻，使均勻 地制得相柵的凹凸變得容易。采用此種制造方法使得均勻地制成相柵凹凸變得容易，同樣重要的是采 用硅化鈥和鉻的組合作為相柵。<沉積順序>為了更均勻地制得相柵的凹凸，很重要的是考慮4各膜和硅化鈦膜的沉積順序。也就是說，如果硅化鈦膜和鉻膜從基板側(cè)依次沉積并用包含氯基氣體和 氧氣的蝕刻氣體來蝕刻鉻，則硅化鈦也可以被蝕刻，盡管該蝕刻量是痕量， 即不會(huì)引起作為本發(fā)明標(biāo)尺使用的問題的量。另 一方面，如果鉻膜和硅化鈦膜從基板側(cè)依次沉積并用包含碳氟化合物 和氧氣的蝕刻氣體來蝕刻硅化鈦，鉻可靠地作為蝕刻停止件且不被蝕刻。相 應(yīng)地，可以更均勻地制得相4冊(cè)的凹凸。因此，在本實(shí)施例中，為了更均勻地制得相柵的凹凸，更優(yōu)選將鉻膜和 硅化鈦膜從基板側(cè)依次沉積，從而使相柵的每個(gè)凹入部分由鉻膜形成而相柵 的每個(gè)凸出部分由硅化鈦膜形成。<沉積順序>在本實(shí)施例中，從以下可靠性觀點(diǎn)來看，沉積順序也是非常重要的 為了以高精度進(jìn)行本實(shí)施例的編碼器的檢測(cè)，有必要基于入射光波長(zhǎng)來控制相柵凹凸的高度(臺(tái)階高度)。因此，非常重要的是要簡(jiǎn)便地控制膜厚以使得相柵的凸出部分厚或薄。為了形成鉻的相柵凸出部分，由鉻形成的膜的應(yīng)力高，因此當(dāng)鉻膜被制得更厚時(shí)，逐漸地容易出現(xiàn)翹曲或剝落。相應(yīng)地，就有可能發(fā)生標(biāo)尺精度的改變。相反地，為了形成硅化鈦的相柵凸出部分，由硅化鈦形成的膜的應(yīng)力低， 因此如果硅化鈦膜被制得厚，則難以出現(xiàn)翹曲或剝落。這樣就可以大大減少 翹曲和剝落，從而也就大大降低了標(biāo)尺精度的改變。從檢測(cè)結(jié)果可知，在本實(shí)施例中，與任何其他沉積順序相比，更優(yōu)選將 鉻膜和硅化鈦膜從基板側(cè)依次沉積，從而使相柵的每個(gè)凹入部分由鉻膜形成而相柵的每個(gè)凸出部分由硅化鈦膜形成。 <表面涂覆>在本實(shí)施例中，為了進(jìn)行更高精度的檢測(cè)，還很重要的是提高整個(gè)標(biāo)尺 的光反射系數(shù)。為了提高整個(gè)標(biāo)尺的光反射系數(shù)，優(yōu)選將相柵表面涂覆金屬， 其中特別優(yōu)選的情況，從具有高反射系數(shù)的金屬中選擇穩(wěn)定的金屬。在本實(shí)施例中，選擇對(duì)金具有良好粘附性的鉻和硅化鈦以獲得標(biāo)尺的反 射系數(shù)和可靠性。也就是，在本實(shí)施例中，在圖4所示除去掩膜之后，提供了表面涂覆步9驟(S16)。在表面涂覆步驟(S16)，相柵18的整個(gè)表面用金的薄膜36均勻 涂覆，如圖4(D)所示。結(jié)果，在本實(shí)施例中，整個(gè)標(biāo)尺的光反射系數(shù)可以更加提高，從而進(jìn)一 步改善標(biāo)尺的可靠性。編碼器標(biāo)尺則可以使用任何結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的表面反射編碼器標(biāo)尺也可以用作 例如專利文件1到3中任一個(gè)中描述的編碼器的標(biāo)尺。特別優(yōu)選的是，本發(fā)明的相柵由截面為類似矩形波的形狀的凹槽形成， 但該凹槽的截面也可以為類似正弦波或鋸齒波的形狀。
權(quán)利要求
1、一種表面反射編碼器標(biāo)尺，用于表面反射編碼器，所述表面反射編碼器用于檢測(cè)進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)的構(gòu)件的相對(duì)位移量，所述表面反射編碼器標(biāo)尺包括所述構(gòu)件的基板或者設(shè)置在所述構(gòu)件上的基板；以及設(shè)置在所述基板上的反射相柵，該反射相柵的表面上具有用于改變反射衍射光的相位的凹凸，其中所述相柵的凹凸由金屬硅化物和鉻的沉積膜形成。
2、 如權(quán)利要求1所述的表面反射編碼器標(biāo)尺，其中所述金屬硅化物是 硅化鈦。
3、 如權(quán)利要求2所迷的表面反射編碼器標(biāo)尺，其中所述鉻膜設(shè)置在所 述基板上以使所述相柵的每個(gè)凹入部分由所述鉻膜形成，而且其中具有預(yù)定間距的所述金屬氧化物膜設(shè)置在所述鉻膜上以使所述相 柵的凸出部分由所述金屬硅化物膜形成。
4、 如權(quán)利要求3所述的表面反射編碼器標(biāo)尺，其中所述相柵的整個(gè)表 面由金的薄膜均勻涂覆。
5、 一種表面反射編碼器，包括 如權(quán)利要求4所述的表面反射編碼器標(biāo)尺；以及檢測(cè)機(jī)構(gòu)，所述檢測(cè)機(jī)構(gòu)允許相干光入射到所述相柵上，產(chǎn)生反射衍射 光，使用光的干涉來4企測(cè)所述相柵中的所述反射衍射光隨所述構(gòu)件的相對(duì)移 動(dòng)變化的相位變化，并提供所述構(gòu)件的相對(duì)位移量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種表面反射編碼器標(biāo)尺和使用該標(biāo)尺的表面反射編碼器。該表面反射編碼器標(biāo)尺用于表面反射編碼器，用于檢測(cè)進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)的構(gòu)件的相對(duì)位移量。表面反射編碼器標(biāo)尺包括構(gòu)件的基板或者設(shè)置在構(gòu)件上的基板，以及設(shè)置在基板上的反射相柵，反射相柵的表面上具有用于改變反射衍射光的相位的凹凸。相柵的凹凸由金屬硅化物和鉻的沉積膜形成。
文檔編號(hào)G01D5/26GK101329186SQ20081012853
公開日2008年12月24日 申請(qǐng)日期2008年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月19日
發(fā)明者前田不二雄 申請(qǐng)人:三豐株式會(huì)社