專利名稱：具有反射式相位光柵的標(biāo)尺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有反射式相位光柵的標(biāo)尺。這種標(biāo)尺應(yīng)用在高精度的干涉式位置測(cè)量系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
隨著以光學(xué)標(biāo)尺掃描為基礎(chǔ)的位置測(cè)量系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)這種標(biāo)尺的要求也越來(lái)越高。除了盡可能精細(xì)的光柵結(jié)構(gòu)之外，即，光柵結(jié)構(gòu)在測(cè)量方向上的光柵常數(shù)已經(jīng)處于亞微米范圍內(nèi)，并由此使量距可以處于亞納米范圍中，標(biāo)尺光柵還必需具有盡可能好的反射能力。由于這個(gè)原因，使用了用于高精度的垂直入射系統(tǒng)的相位光柵，該相位光柵盡可能完全地反射入射光線。
在最新式的位置測(cè)量系統(tǒng)中，例如在EP 1319170B1中描述的位置測(cè)量系統(tǒng)中，在光線入射到光電檢測(cè)器上并在那里產(chǎn)生取決于待測(cè)量位置的周期信號(hào)之前，光源的光線被多次偏轉(zhuǎn)到標(biāo)尺上，在那里以不同的衍射級(jí)分開(kāi)和反射。
為了獲得較好的檢測(cè)器信號(hào)，目前所達(dá)到的在50％-70％范圍內(nèi)的相位光柵反射能力已經(jīng)不能滿足要求。因此，需要90％和更高的反射能力。
在EP 0 773 458 B1(本申請(qǐng)基于該專利)中，描述了一種具有反射式相位光柵的標(biāo)尺。該相位光柵具有設(shè)置在基底上的反射層堆疊，該層堆疊由高折射和低折射的層組成。該標(biāo)尺的層數(shù)在8到14層之間并且制造費(fèi)用高昂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種具有反射式相位光柵的標(biāo)尺，其構(gòu)造簡(jiǎn)單，但仍可以獲得特別高的反射能力。
該目的通過(guò)具有權(quán)利要求1的特征的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利的實(shí)施例由引用權(quán)利要求1的從屬權(quán)利要求中的技術(shù)特征給出。
本發(fā)明描述了一種具有反射式相位光柵的標(biāo)尺，該相位光柵具有作為反射層堆疊的交替的高折射層和低折射層，該層堆疊設(shè)置在基底上。高折射層由硅構(gòu)成，低折射層由二氧化硅構(gòu)成。
因?yàn)楣杩梢酝高^(guò)850nm-900nm(接近紅外線區(qū)域)的光波長(zhǎng)，該光波長(zhǎng)典型地應(yīng)用在本發(fā)明所考慮類型的光學(xué)位置測(cè)量系統(tǒng)中，并且硅具有相當(dāng)高的折射率(對(duì)于880nm波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)n＞4)，層堆疊中層的數(shù)量可以減到非常少，借此，顯著簡(jiǎn)化了相位光柵的結(jié)構(gòu)。如果使用NiCr80/20作為最下面的層，那么可以獲得大于90％的反射能力，該最下面的層為層堆疊中面向基底的層。
為了制造相位光柵結(jié)構(gòu)，最上面的層被設(shè)計(jì)為硅層。這種硅層可以通過(guò)等離子化學(xué)工藝以較高的質(zhì)量來(lái)結(jié)構(gòu)化，其中位于最上面的硅層之下的二氧化硅層起到終止蝕刻的作用。這樣高品質(zhì)的光柵結(jié)構(gòu)可以通過(guò)非常簡(jiǎn)單的工藝制成，該光柵結(jié)構(gòu)確保了用于在位置測(cè)量系統(tǒng)中進(jìn)行后續(xù)處理的相當(dāng)好的信號(hào)。
本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和細(xì)節(jié)在對(duì)根據(jù)圖1的優(yōu)選實(shí)施例的后續(xù)描述中得出，圖中示出了具有特別優(yōu)選的相位光柵的標(biāo)尺的截面圖。


圖1示出了標(biāo)尺1的截面圖。在此，截面與測(cè)量方向M位于同一個(gè)平面，并且垂直于層堆疊3的各個(gè)層，設(shè)置在基底2上的相位光柵由該層堆疊構(gòu)成。
具體實(shí)施例方式
相位光柵重要的組成部分是層堆疊3，該層堆疊由交替設(shè)置的低折射的二氧化硅層5a、5b和高折射的硅層6、7構(gòu)成。這種電介質(zhì)的層堆疊在光學(xué)中是為人熟知的，并且當(dāng)各個(gè)層的厚度與光波長(zhǎng)相匹配時(shí)，能非常好地反射確定波長(zhǎng)的入射光。
為了進(jìn)一步提高相位光柵的反射能力，在層堆疊3中存在面向基底的鎳-鉻-合金(NiCr80/20)的底層4。在這個(gè)大約100nm厚的NiCr80/20層4上設(shè)有厚度為157nm的二氧化硅層5a，接下來(lái)是45nm厚的硅層6。位于其上的另外的二氧化硅層5b厚度為95nm。
針對(duì)用于掃描標(biāo)尺1的波長(zhǎng)為850nm的光線，將上述的層厚度進(jìn)行優(yōu)化，使得當(dāng)用于位置測(cè)量的兩個(gè)1級(jí)衍射級(jí)具有最大值時(shí)，0級(jí)衍射級(jí)盡可能地被抑制。選擇層堆疊3中的層厚度，使得當(dāng)0級(jí)衍射級(jí)被抑制時(shí)，用于掃描標(biāo)尺1的入射的單色光優(yōu)選地衍射到第一衍射級(jí)。在這里，光線投射到標(biāo)尺1上的入射角可以位于0-30度的范圍內(nèi)，其中0度意味著光垂直于標(biāo)尺表面入射。
將最上面的厚度大約為17nm的硅層7結(jié)構(gòu)化，并且最終引起反射光的相位調(diào)制。光柵結(jié)構(gòu)(例如平行的光柵刻線)垂直于附圖平面延伸，并且在測(cè)量方向M上是周期性的。在剝離掉最上層7的硅的區(qū)域中，反射光所經(jīng)過(guò)的光行程比存在最上層7的硅的區(qū)域中少2*(n-1)*D。其中，D是最上層硅層7的厚度，n是該層的折射率。
上述的層厚度是參考值，這些值可以有幾納米的偏差，而不會(huì)對(duì)標(biāo)尺1的質(zhì)量造成本質(zhì)上的影響。當(dāng)然也可以找到層厚度的其他的組合，其具有相似的較好的反射能力。
特別有利的是，在對(duì)最上面的硅層結(jié)構(gòu)化時(shí)可以應(yīng)用等離子化學(xué)工藝。因?yàn)檫@種工藝在位于硅層下的二氧化硅層5b上終止，并且由此該二氧化硅層被暴露出來(lái)，從而得到了非常理想地定義的結(jié)構(gòu)。此外，只利用五層就可達(dá)到90％的反射能力，從而使得光線在標(biāo)尺上多重反射后，位置測(cè)量系統(tǒng)的光電檢測(cè)器可以獲得良好的信號(hào)。
通過(guò)結(jié)構(gòu)化的最上層7的17nm的非常薄的厚度，形成了這么低的高度的臺(tái)階，使得污物幾乎不可能在凹處或者在臺(tái)階上聚積。因此，標(biāo)尺1對(duì)于污物是非常不敏感的。
熱膨脹系數(shù)接近于0，例如數(shù)值小于0.05ppm/K的材料優(yōu)選用作基底2，例如可以獲得Zerodur品牌的這樣的材料。根據(jù)本申請(qǐng)，其它材料如石英玻璃、鋼鐵、陶瓷或者硅也適合作為基底。
權(quán)利要求
1.一種用于干涉式位置測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)尺，所述標(biāo)尺具有反射式相位光柵，所述相位光柵具有在反射層堆疊(3)中交替的高折射層(6，7)和低折射層(5a，5b)，其中所述反射層堆疊設(shè)置于基底(2)上，其特征在于，所述高折射層(6，7)由硅構(gòu)成，所述低折射層(5a，5b)由二氧化硅構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的標(biāo)尺，其特征在于，將遠(yuǎn)離所述基底的所述層堆疊(3)的最上層(7)結(jié)構(gòu)化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的標(biāo)尺，其特征在于，將所述最上層(7)這樣結(jié)構(gòu)化，使得暴露出位于其下的所述低折射層(5b)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的標(biāo)尺，其特征在于，所述最上層(7)具有在測(cè)量方向(M)上的周期性的光柵結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的標(biāo)尺，其特征在于，所述層堆疊(3)的被結(jié)構(gòu)化的最上層(7)由硅構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的標(biāo)尺，其特征在于，所述相位光柵的相位調(diào)制作用以所述最上層(7)的結(jié)構(gòu)化為基礎(chǔ)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的標(biāo)尺，其特征在于，面向所述基底(2)的所述層堆疊(3)的底層(4)是鎳鉻層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的標(biāo)尺，其特征在于，所述底層(4)是NiCr80/20層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的標(biāo)尺，其特征在于，從所述基底(2)開(kāi)始，所述層堆疊(3)具有未結(jié)構(gòu)化的金屬底層(4)、第一個(gè)未結(jié)構(gòu)化的低折射層(5a)、未結(jié)構(gòu)化的高折射層(6)、第二個(gè)未結(jié)構(gòu)化的低折射層(5b)、以及結(jié)構(gòu)化的高折射層(7)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的標(biāo)尺，其特征在于，所述未結(jié)構(gòu)化的金屬底層(4)具有100nm的厚度，所述第一個(gè)未結(jié)構(gòu)化的低折射層(5a)具有157nm的厚度，所述未結(jié)構(gòu)化的高折射層(6)具有45nm的厚度，所述第二個(gè)未結(jié)構(gòu)化的低折射層(5b)具有95nm的厚度，以及所述結(jié)構(gòu)化的高折射層(7)具有17nm的厚度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的標(biāo)尺，其特征在于，所述層堆疊(3)中的層厚度這樣地選擇，使得用于掃描所述標(biāo)尺(1)的入射光線優(yōu)選衍射到第一衍射級(jí)中。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的標(biāo)尺，其特征在于，所述基底(2)由熱膨脹系數(shù)的數(shù)值小于0.05ppm/K的材料構(gòu)成。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的標(biāo)尺，其特征在于，所述基底由Zerodur材料構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有反射式相位光柵的標(biāo)尺，該相位光柵具有作為反射層堆疊(3)的交替的高折射層(6，7)和低折射層(5a，5b)，該層堆疊設(shè)置在基底(2)上。高折射層(6，7)由硅構(gòu)成，低折射層(5a，5b)由二氧化硅構(gòu)成。
文檔編號(hào)G02B5/18GK101086453SQ200710079749
公開(kāi)日2007年12月12日 申請(qǐng)日期2007年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月10日
發(fā)明者格奧爾格·弗拉特舍爾 申請(qǐng)人:約翰尼斯海登海恩博士股份有限公司