DE19855782A1

DE19855782A1 - Maßstab für eine optische Positionsmeßeinrichtung und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE19855782A1
Application number: DE1998155782
Authority: DE
Inventors: Peter Speckbacher; Anton Sailer; Olaf Engel; Klaus Voit
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1998-12-03
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2000-06-08

Abstract

Es wird ein Maßstab für eine optische Positionsmeßeinrichtung angegeben sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben. Auf einem Maßstabträger ist hierbei eine Meßteilungsstruktur sowie eine Markierung angeordnet. Die Meßteilungsstruktur und die Markierung sind als lichtbeugende Teilungsstrukturen ausgebildet und können damit über die gleiche Prozeßtechnologie gefertigt werden (Figur 1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Maßstab für eine optische Positi onsmeßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Ver fahren zur Herstellung desselben nach dem Oberbegriff des Anspruches 10.

Auf Maßstäben optischer bzw. photoelektrischer Positionsmeßeinrichtungen ist zum einen die eigentliche Meßteilungsstruktur angeordnet, die von einer geeigneten Abtasteinheit zur Erzeugung verschiebungsabhängig modulierter Signale abgetastet wird. Je nach dem optischen Abtastprinzip können hier bei unterschiedlichst ausgebildete Meßteilungsstrukturen vorgesehen sein, wie etwa reine Amplituden-Meßteilungsstrukturen, lichtbeugende Meßtei lungsstrukturen bzw. Phasen-Meßteilungsstrukturen, Mischformen hiervon, im Auflicht oder im Durchlicht genutzte Meßteilungsstrukturen etc.

Neben der Meßteilungsstruktur ist in der Regel auf dem Maßstab desweite ren auch eine Markierung aufgebracht, die getrennt von der Meßteilungs struktur angeordnet ist und keine weitere Funktion im Zusammenhang mit der eigentlichen Erzeugung der Abtastsignale hat. Hierbei kann es sich etwa um die Beschriftung des jeweiligen Maßstabes mit verschiedensten maß stabspezifischen Angaben handeln, die Angabe einer Ident-Nummer, Stück- Nr. etc. Desweiteren kann die jeweilige Markierung auch eine graphische Darstellung umfassen, wie z. B. ein Firmenlogo oder dergleichen.

Üblicherweise erfolgt die Fertigung der Maßstäbe dergestalt, daß zunächst in einem ersten Prozeß über eine erste Prozeßtechnologie die erwähnte Meßteilungsstruktur aufgebracht wird. Die in diesem Schritt gewählte, jewei lige Prozeßtechnologie richtet sich dabei selbstverständlich nach der Art der jeweiligen Meßteilungsstruktur, die wie oben angegeben in verschiedensten Ausführungsformen ausgebildet sein kann. Es kann sich bei den verschie denen Prozeßtechnologien etwa um Aufdampfprozesse, Sputtern von Me tallschichten, naßchemische Ätzverfahren, Plasmaätzverfahren oder Struktu rierungstechniken mittels Licht- oder Teilchenstrahlen handeln.

Nach der Aufbringung der Meßteilungsstruktur erfolgt dann in einem zweiten Prozeß das Aufbringen der jeweiligen Markierung auf dem Maßstab. Hierzu wird in der Regel eine andere Prozeßtechnologie verwendet wie beim Auf bringen der Meßteilungsstruktur. Üblicherweise wird zur Aufbringung der Markierung ein Laser-Beschriftungsverfahren eingesetzt, bei dem mittels eines Laserstrahles die Markierung in den Maßstabträger und/oder die dar auf angeordneten Schichten geschrieben wird.

Ein derartiges Vorgehen zur Aufbringung von Meßteilungsstrukturen und einer Markierung auf dem Maßstab einer optischen Positionsmeßeinrichtung weist bestimmte Nachteile auf. So liefert das Laserbeschriftungsverfahren in der Regel nur eine relativ geringe örtliche Auflösung, d. h. extrem feine Strukturen innerhalb der Markierung lassen sich damit nicht erzeugen. Wei terhin erweist sich als nachteilig, daß bei einem derartigen Vorgehen zwei in der Regel vollkommen unterschiedliche Prozeßtechnologien aufeinanderfol gend eingesetzt werden, was den verfahrenstechnischen Aufwand signifi kant erhöht. So sind zwischen den beiden Prozessen zur Aufbringung der Meßteilungsstruktur und der Markierung etwa zusätzliche Reinigungsschritte nötig. Durch diese Reinigungsschritte wiederum erhöht sich zusätzlich die Gefahr der Beschädigung der Teilungsstruktur durch sich ggf. ablösende Schichten etc.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Maßstab für eine optische Positionsmeßeinrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung des selben anzugeben, bei dem die oben erwähnten Nachteile möglichst ver mieden oder zumindest minimiert werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Maßstab mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Maßstabes erge ben sich aus den Maßnahmen, die in den von Anspruch 1 abhängigen An sprüchen aufgeführt sind.

Ein Verfahren zur Lösung der obigen Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 10 angegeben.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erge ben sich aus den Maßnahmen, die in den von Anspruch 10 abhängigen An sprüchen aufgeführt sind.

Erfindungsgemäß wird nunmehr im wesentlichen die identische Prozeßtech nologie sowohl für das Herstellen der Meßteilungsstruktur als auch der Mar kierung eingesetzt. Sowohl die Meßteilungsstruktur als auch die Markierung sind hierbei als lichtbeugende Teilungsstrukturen ausgebildet. Vorzugsweise wird zur Strukturierung der Meßteilungsstruktur und der Markierung jeweils ein Elektronenstrahl-Lithographieverfahren verwendet.

Diese Maßnahmen bieten zum einen den Vorteil, daß sich auch innerhalb der jeweiligen Markierung eine hohe örtliche Auflösung der Strukturen errei chen läßt. Es resultieren saubere Kanten der Strukturen und damit ein an sprechendes Erscheinungsbild der Markierung.

Zum anderen ergeben sich prozeßtechnische Vorteile aufgrund der erfin dungsgemäßen Maßnahmen, da nunmehr mit Hilfe einer einzigen Prozeß technologie sowohl die Meßteilungsstruktur als auch die Markierung aufge bracht werden kann. Aufwendige Reinigungsschritte etc., die ansonsten zwi schen den unterschiedlichen Prozessen nötig waren, können entfallen. Es resultiert eine enorme fertigungstechnische Vereinfachung bei der Herstel lung der Maßstäbe.

Desweiteren ist aufzuführen, daß aufgrund der Ausbildung der Markierung als lichtbeugende Teilungsstruktur vielfältigste optische Gestaltungsmöglich keiten im Hinblick auf die jeweilige Markierung resultieren, die deutlich über die Möglichkeiten der üblichen Laserbeschriftung hinausgehen.

Wenngleich bislang immer von Maßstäben die Rede war, so sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung selbstverständlich auch in Verbindung mit Teilscheiben für rotatorische Positionsmeßeinrich tungen eingesetzt werden kann.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten des erfindungsgemäßen Maßstabes sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfol genden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der beiliegen den Figuren.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel ei nes erfindungsgemäßen Maßstabes für eine li neare optische Positionsmeßeinrichtung;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Maßstab aus Fig. 1;

Fig. 3a-3d jeweils einen Prozeßschritt bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Maßstabes.

In Fig. 1 ist eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungs gemäßen Maßstabes 10 gezeigt. Dieser kann beispielsweise in einer opti schen Auflicht-Positionsmeßeinrichtung eingesetzt werden, die nach dem interferentiellen Wirkungsprinzip arbeitet. In Bezug auf eine derartige Positi onsmeßeinrichtung sei z. B. auf die EP 387 520 B1 der Anmelderin verwie sen.

Der erfindungsgemäß ausgebildete Maßstab 10 umfaßt einen Maßstabträ ger 1, auf dem zum einen eine lineare, reflektierende Meßteilungsstruktur 2 angeordnet ist. Zum anderen ist benachbart zur Meßteilungsstruktur 2 eine Markierung 3 in einem Markierungsfeld auf dem Maßstabträger 1 angeord net.

Die Meßteilungsstruktur 2 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Inkre mentalteilung in Form einer reflektierenden Phasengitterteilung ausgebildet, d. h. als lichtbeugende Teilungsstruktur. Hierbei besteht die Meßteilungs struktur 2 aus einer periodisch in Meßrichtung angeordneten Folge von Ste gen und Lücken, die die darauf auftreffenden Strahlenbündel mit unter schiedlichen Phasenbeziehungen zurückreflektieren bzw. beugen.

Hinsichtlich weiterer Details zur Meßteilungsstruktur 2 sei an dieser Stelle ergänzend auf die EP 742 455 A1 und die EP 849 567 A2 der Anmelderin verwiesen. In diesen Druckschriften sind besonders vorteilhafte Meßtei lungsstrukturen für interferentielle Positionsmeßeinrichtungen beschrieben, die als lichtbeugende Teilungsstrukturen ausgebildet sind.

Selbstverständlich können auf dem Maßstabträger 1 neben der Inkremen talteilung auch noch andere Elemente einer Meßteilungsstruktur angeordnet sein, etwa Referenzmarken etc.

Die benachbart zur Meßteilungsstruktur 2 angeordnete Markierung 3 umfaßt in diesem Ausführungsbeispiel ein graphisches Symbol 3.1 sowie einen Schriftzug 3.2. Selbstverständlich existieren im Hinblick auf die jeweilige Markierung 3 vielfältigste Ausgestaltungsmöglichkeiten. So können etwa Ident-Nummern, Produktbezeichnungen etc. an dieser Stelle ebenso vorge sehen werden wie beispielsweise verschiedene graphische Symbole, Fir menlogos, Kombinationen hiervon u.v.m.

Erfindungsgemäß besteht die Markierung 3 wie die Meßteilungsstruktur 2 ebenfalls aus einer lichtbeugenden Teilungsstruktur, d. h. aus einer definier ten Abfolge von Stegen und Lücken mit bestimmten Teilungsparametern, die auf dem Maßstabträger 1 aufgebracht wurden. Im gezeigten Ausführungs beispiel weist dabei die lichtbeugende Teilungsstruktur der Markierung 3 die prinzipiell gleiche Orientierung auf wie die Meßteilungsstruktur 1, d. h. die parallelen Stege und Lücken der lichtbeugenden Teilungsstruktur der Mar kierung 3 erstrecken sich in y-Richtung senkrecht zur Meßrichtung x. Die konkrete Teilungsstruktur der Markierung 3 ist in Fig. 1 selbstverständlich nicht erkennbar, da die üblichen Teilungsperioden dieser Struktur im Bereich von etwa 0,5-1 µm liegen.

Im Hinblick auf die Wahl der Parameter der lichtbeugenden Teilungsstruktur der Markierung 3 gibt es verschiedene Möglichkeiten. So kann z. B. die Tei lungsperiode dieser Teilungsstruktur identisch zur Teilungsperiode der Meßteilungsstruktur 2 gewählt werden. Für den Betrachter des Maßstabes 10 ergibt sich dann ein optisch ähnlicher Eindruck der Meßteilungsstruktur 2 und der Markierung 3. Ebenso kann jedoch auch ein optisch unterschiedli cher Eindruck der Meßteilungsstruktur 2 und der Markierung 3 auf dem Maß stab 10 erwünscht sein; in diesem Fall werden unterschiedliche Teilungspe rioden der jeweiligen lichtbeugenden Teilungsstrukturen gewählt usw.

In Bezug auf die Ausgestaltung der Teilungsstrukturen von Meßteilung 2 und Markierung 3 erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die verschiede nen Strukturen die materialmäßig identische Zusammensetzung aufweisen. In diesem Fall resultiert eine vereinfachte Herstellung des gesamten Maß stabes 10.

Einen Schnitt durch eine der beiden identisch ausgebildeten lichtbeugenden Teilungsstrukturen zeigt Fig. 2 für den Fall des im Auflicht genutzten Maß stabes 10. Auf dem Maßstabträger 1, z. B. bestehend aus der Glaskeramik Zerodur, ist im Bereich der Meßteilung 2 eine periodische Anordnung von Stegen M_S und Lücken M_L mit der angedeuteten Teilungsperiode TP vorge sehen. Unmittelbar auf dem Maßstabträger 1 befindet sich eine zumindest im Meßteilungsbereich ganzflächige, erste reflektierende Schicht 3, die vor zugsweise als reflektierende Metallschicht aus Chrom ausgebildet ist. Auf der Chrom-Schicht 3 sind Stege M_S periodisch angeordnet. Die Stege M_S bestehen aus einer dielektrischen Abstandsschicht 4 aus Siliziumdioxid (SiO₂), auf deren Oberseite eine zweite reflektierende Schicht 5 angeordnet ist, die wiederum als Metallschicht aus Chrom ausgebildet ist.

Typische Dicken der beiden Metall- bzw. Chromschichten 3, 5 liegen bei einer Teilungsperiode TP von 0,5 µm im Bereich von 30 nm, während die dieelektrische Abstandsschicht 4 etwa eine Dicke von 150 nm aufweist.

Wie bereits oben angedeutet weist die lichtbeugende Teilungsstruktur der Markierung 3 vorzugsweise den materialmäßig identischen Aufbau auf. Va riationsmöglichkeiten sind beispielsweise im Hinblick auf die vorgesehene Teilungsperiode TP gegeben, ohne daß dabei die Vorteile im Hinblick auf die identische Prozeßtechnologie bei der Fertigung der Meßteilungsstruktur 2 und der Markierung 3 verloren gehen.

Selbstverständlich zeigt Fig. 2 lediglich ein mögliches Ausführungsbeispiel einer lichtbeugenden Teilungsstruktur, wie sie auf Seiten der Meßteilungs struktur 2 und der Markierung 3 realisiert werden kann. Daneben gibt es jedoch auch bekannte Alternativen, wie die jeweiligen lichtbeugenden Tei lungsstrukturen ausgebildet werden könnten. So wäre etwa auch denkbar, die Teilungsstruktur als reines Chrom-Stufengitter auszubilden, d. h. ohne die dielektrische SiO₂-Abstandsschicht 4 aus dem obigen Beispiel. Ferner könnten auch sog. quasiplanare Beugungsstrukturen zum Einsatz kommen, die eine plane Oberfläche aufweisen. Ebenso ist es selbstver ständlich möglich, auch zweidimensional beugende Teilungsstrukturen ein zusetzen, beispielsweise sog. Kreuzgitterstrukturen.

Wie bereits mehrfach angedeutet resultieren entscheidende Vorteile des erfindungsgemäß ausgebildeten Maßstabes inbesondere bei der Fertigung desselben. Wichtige, erforderliche Verfahrensschritte zur Herstellung einer geeigneten lichtbeugenden Teilungsstrukturen seien nachfolgend anhand der Fig. 3a-3d erläutert. Hierbei wird eine lichtbeugende Teilungs struktur hergestellt, die dem Beispiel in Fig. 2 entspricht.

Zunächst wird ein Trägersubstrat 1, vorzugsweise die Glaskeramik Zerodur, mit einem Schichtpakt aus mehreren einzelnen Schichten 3-5 versehen. Duch geeignete Aufdampfprozesse erfolgt das Aufbringen einer ersten Me tallschicht 3 auf dem Trägersubstrat 1, einer darüber angeordneten dielektri schen SiO₂-Schicht 4, über der wiederum eine zweite Metallschicht 5 aus Chrom aufgebracht wird. Es resultiert das mit dem Schichtpaket bedampfte Trägersubstrat 1 gemäß Fig. 3a. Zumindest im Bereich der jeweiligen licht beugenden Teilungsstruktur ist das Trägersubstrat 1 hierbei ganzflächig mit den entsprechenden Schichtmaterialien 3-5 bedeckt.

Anschließend wird das Schichtpaket auf der Oberfläche ganzflächig mit ei nem Resist versehen, der zur Elektronenstrahllithographie geeignet ist. In diesem Ausführungsbeispiel werden durch die nachfolgende Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl die beaufschlagten Bereiche des Resists vernetzt und verbleiben beim eigentlichen Resist-Entwickeln auf dem Schichtpaket, während die anderen Bereiche des Resists entfernt werden. Über das Be strahlen mit dem fein fokussierbaren Elektronenstrahl erfolgt demzufolge die gewünschte Strukturierung der jeweiligen lichtbeugenden Teilungs struktur. Fig. 3b zeigt den Maßstabträger 1 mit dem darauf angeordneten Schichtpaket und den nach dem Strukturieren und Entwickeln verbleibenden Stegen aus dem Resistmaterial 6.

Daraufhin wird durch reaktives Ionenätzen in den Lücken-Bereichen zwi schen den Stegen aus Resistmaterial 6 die oberste Chrom-Metallschicht 3 sowie die SiO₂-Abstandsschicht 4 entfernt. Es verbleibt eine Steg-Lücke- Struktur gemäß Fig. 3c.

Im letzten Prozeßschritt wird noch das auf den Stegbereichen befindliche Resistmaterial 6 entfernt, so daß letztlich die in Fig. 3d dargestellte licht beugende Teilungsstruktur resultiert, wie sie bereits in Fig. 2 beschrieben wurde.

Besonders vorteilhaft erweist sich innerhalb dieses Ausführungsbeispieles, daß die Erzeugung sehr feiner Strukturen mit Hilfe des gewählten Elektro nenstrahllithographie-Verfahrens problemlos möglich ist. So können damit nunmehr auch komplexe Beugungsstrukturen, z. B. innerhalb von Markie rungen, problemlos gefertigt werden.

Desweiteren gewährleistet der beschriebene Prozeß zur Herstellung der lichtbeugenden Teilungsstrukturen, daß Strukturkanten sehr exakt übertra gen werden können und damit saubere Kanten innerhalb der Markierung bzw. Teilungsstruktur resultieren.

Das beschriebene Vorgehen zur Erzeugung lichtbeugender Teilungsstruktu ren stellt jedoch lediglich ein mögliches Ausführungsbeispiel dar. So sind sowohl innerhalb dieses Verfahrens im Rahmen der vorliegenden Erfindung Abwandlungen möglich wie auch grundsätzliche andere Varianten denkbar. Beispielsweise könnte auch eine Steg-Lücke-Struktur in einer entsprechend dicken Chromschicht erzeugt werden etc.

Wie bereits oben angedeutet, gibt es auch im Zusammenhang mit der jewei ligen lichtbeugenden Teilungsstruktur verschiedene Ausführungsformen, die allesamt im Rahmen der vorliegenden Erfindung realisierbar sind.

Claims

1. Maßstab für eine optische Positionsmeßeinrichtung, bestehend aus ei nem Maßstabträger, auf dem eine Meßteilungsstruktur sowie eine Mar kierung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßteilungsstruktur (2) und die Markierung (3) als lichtbeu gende Teilungsstrukturen ausgebildet sind.

2. Maßstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die material mäßige Zusammensetzung der lichtbeugenden Teilungsstrukturen der Meßteilungsstruktur (2) und der Markierung (3) identisch gewählt sind.

3. Maßstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilungs perioden der lichtbeugenden Teilungsstrukturen der Meßteilungsstruktur (2) und der Markierung (3) identisch gewählt sind.

4. Maßstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilungs perioden der lichtbeugenden Teilungsstrukturen der Meßteilungsstruktur (2) und der Markierung (3) unterschiedlich gewählt sind.

5. Maßstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab träger (1) aus Zerodur besteht.

6. Maßstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtbeu gende Teilungsstruktur auf dem Maßstabträger (1) folgendermaßen aufgebaut ist:

- eine auf dem Maßstabträger aufgebrachte erste, reflektierende Me tallschicht (3),
- auf der ersten Metallschicht (3) periodisch angeordnete Stege (M_S), die jeweils aus einer einer dielektrischen Abstandsschicht (4) bestehen, auf deren Oberseite eine zweite reflektierende Metallschicht (5) ange ordnet ist.

7. Maßstab nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der ersten und zweiten Metallschicht (3, 5) Chrom und als Material der dielektrischen Abstandsschicht (4) SiO₂ vorgesehen ist.

8. Maßstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Markie rung (3) als graphisches Symbol ausgebildet ist.

9. Maßstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Markie rung (3) als Schriftzug ausgebildet ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines Maßstabes für eine optische Positions meßeinrichtung, wobei der Maßstab einen Maßstabträger mit einer dar auf angeordneten Meßteilungsstruktur sowie mindestens einer darauf angeordneten Markierung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßteilungsstruktur (2) als auch die Markierung (3) in der glei chen Prozeßtechnologie als lichtbeugende Teilungsstrukturen herge stellt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Her stellung der lichtbeugenden Teilungsstrukturen ein Elektronenstrahl-Li thographieverfahren eingesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch folgende Prozeß schritte:

a) Aufbringen einer ersten reflektierenden Metallschicht (3) auf einem Maßstabträger (1) aus einer Glaskeramik,
b) Aufbringen einer dielektrischen Abstandsschicht (4) auf der ersten Metallschicht (3),
c) Aufbringen einer zweiten reflektierenden Metallschicht (5) auf der dielektrischen Abstandsschicht (4),
d) Aufbringen eines Resists (6), der zur Elektronenstrahllithographie geeignet ist, auf der zweiten Metallschicht (5),
e) Strukturieren des Resists (6) mit Hilfe eines Elektronenstrahllithogra phieverfahrens,
f) Entfernen der nicht vom Elektronenstrahl beaufschlagten Bereiche des Resists (6),
g) Entfernen der zweiten Metallschicht (5) und der dielektrischen Ab standsschicht (4) in den im Schritt f) freigegelegten Bereichen,
h) Entfernen des Resist (6) in den resultierenden Stegbereichen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekenzeichnet, daß die erste und zweite Metallschicht (3, 5) aus Chrom bestehen und die dielektrische Abstandsschicht (4) aus SiO₂.