JP2007514151A - 光学位置測定システム用の走査ヘッド - Google Patents

Abstract

異なった位相位置の局所的に強度変調された光の走査をするための、感光領域（３）から構成された受信格子（１．７）を有し、受信格子（１．７）が、ドーピングされたｐ層（１．２．１）と本来のｉ層（１．２．２）とドーピングされたｎ層（１．２．３）とから成る半導体層積層体（１．２）から構成されている、光学位置測定システム用の走査ヘッドにおいて、個々の感光領域（３）が、ドーピングされた第１の層（１．２．１）と本来の層（１．２．２）の少なくとも一部とを共有し、ドーピングされた第２の層（１．２．３）の中断によって電気的に互いに分離されている。

Description

本発明は、光学位置測定システム用の走査ヘッドに関する。このような走査ヘッドは、スケール格子によって変調された光を場所の解像をしつつ検出し、相応の信号をスケールに対して相対的な走査ヘッドの位置を決定するために提供するために使用される。

位置測定システムは、増々自動化される世界では、常に重要な役割を果たす。位置測定システムは、多くの応用、例えば工作機械において、駆動機構の正確な位置決めのための基礎を提供する。ここで説明した光学位置測定システムは、破線格子の形態の寸法現示体を備えるスケールの走査に基づく。このために使用される走査ヘッドは、光源を包含し、この光源からの光は、送信格子を介してスケール目盛に当たる。この光は、送信格子とスケール格子の相互作用に応じて空間的な強度模様を備え、この強度模様は、走査ヘッド内で受信格子によって検出され、位置決定のために使用することができる。

これについては、光検出器を複数の感光領域から構成することが既に公知である。これら感光領域は、強度模様の異なった位相を検出し、相応の電気的な出力信号を提供することができるように、走査ヘッド内に配設されている。この場合、規則的に配設された個々の感光領域は、受信格子を構成する。

好ましくは、それぞれ９０°だけ相互にずれた４つの信号が発生され、これらの信号から、追従電子機器において方向をもったカウント信号を導き出すことができる。即ち、走査ヘッドにたいして相対的にスケールが移動する場合、個々の位相ズレした信号は、位置に依存して変化する。

通常は、言及した４つの出力信号から、先ず９０°だけ相互にずれた、オフセット誤差、振幅誤差及び位相誤差から解放された２つの信号が合成され、これらの信号は、より精密な分割もしくは内挿に適している。従って、方向をもったカウント信号は、例えば走査ヘッドの感光領域において強度模様の最大値及び／又は最小値をカウントすることによって可能であるものよりも本質的に精密な位置確定を可能にすることができる。

更に以下で述べる理由から、個々の感光領域ができるだけ近くに並んでいる場合が有利である。ここで、フォトダイオードのような不連続な構造部分の使用は、光検出器の可能な小型化を制限する。従って、既に、構造化された光検出器が実現されており、これらの光検出器は、従来のマイクロ電子工学からのプロセスステップによって、唯一の半導体サブストレート上に構造化された感光領域を形成することを可能にする。

この場合、個々の感光領域間でクロストークする傾向が僅かであるために、特にテクノロジー的に良好に支配可能なアモルファスのシリコン（ａ−Ｓｉ）が考えられ、光から電流に変換するためにこのアモルファスのシリコンを使用することは、例えばソーラーセルの範囲から公知である。

特許文献１には、上記の原理に基づいた光感知装置を有する光学位置測定システムが記載されている。異なった位相位置の局所的に強度変調された光の走査をするための感光領域は、ドーピングされたシリコンとドーピングされてないシリコンとから成る複数の半導体層積層体の形態の受信格子として構成されている。しかしながら、構造化された検出器の構造は、非常に複雑であるので、これを製造するための方法も費用がかかる。
独国特許出願公開第１０１２９３３４号明細書

本発明の課題は、できるだけ良好な信号を位置決定のために提供する、従来技術に対して簡略化された光学位置測定機器用の走査ヘッドを提供することにある。

この課題は、請求項１の特徴を有する装置によって解決される。有利な実施形は、請求項１に従属する請求項に記載されている特徴から得られる。

異なった位相位置の局所的に強度変調された光の走査をするための感光領域から構成された受信格子を有する光学位置測定システム用の走査ヘッドを説明する。受信格子は、ドーピングされたｐ層と本来のｉ層とドーピングされたｎ層とから成る半導体層積層体から構成されている。個々の感光領域は、ドーピングされた第１の層と本来の層の少なくとも一部とを共有し、ドーピングされた第２の層の中断によって電気的に互いに分離されている。

即ち、一方で、ドーピングされた層の一方だけの分離が、既に、個々の感光領域を十分に電気的に分離させることが認められる。位置決定のために不利な、異なった位相位置の領域間のクロストークは、既に、個々の領域の互いの間隔が非常に小さい場合にはもはや生じない。

他方で、このような層構造は、従来技術において説明した他方の問題も回避する。即ち、本来の層を（場合によってはドーピングされた第２の層も）分離することによって、感光領域を分離した場合、エッチング技術を困難にしかしない深い溝が生じる。加えて、本来の層の領域内のエッチング不良は、半導体材料の故障箇所の提供に努めることになり、これにより、個々の感光領域の光電特性は非常にマイナスの影響を受ける。

半導体材料としては、特に良くアモルファスのシリコンが適しているが、しかしながらまた、完全又は部分的に微結晶のシリコンを含む半導体層積層体も考えられる。

受信格子の面重心への送信格子の配設、測定方向に対して垂直に、測定方向に対して平行よりも大きな広がりを有するほぼ楕円又は長円形の受信格子、受信格子において変調された光のそれぞれ１つの唯一の周期から成る位相ズレした信号の獲得のような更なる特徴は、得られる走査信号を最適化し、これにより、内挿性を改善し、そして最後に光学位置測定システムの解像度を高める。

走査ヘッド−特に感光領域を有する受信格子−の構造は、非常に洗練された方法で、構造化された検出器においてこのような最適化を可能にする。

本発明の更なる利点並びに詳細を、図を基にした好ましい実施形の後続の説明から明らかにする。

図１ａは、スケール２を示し、このスケールは、サブストレート２．１上に、ここではスケール目盛２．２とも呼ばれる光学的な格子を担持する。このようなスケール目盛２．２は、例えば透光性のウェブを有する振幅格子として、クロムとクロムコーティング内の透光性の間隙とから成ることができる。この場合、サブストレート２．１は、透光性であるか、図示した場合のように反射するように形成されていればよい。他のスケール２は、位相格子と振幅格子とからの組み合わせを備えてもよい。

スケールの向かい側に、走査ヘッド１が配設されている。走査ヘッド１は、光源１．６を包含し、この光源の光は、送信格子１．５を介してスケール２に当たり、そこで反射され、走査ヘッドに向かって逆転される。送信格子１．５とスケール目盛２．２との相互作用により、光は、規則的な周期を有する局所的な強度模様を備える。この強度模様は、目盛周期Ｔを有する受信格子１．７によって検出される。この場合、受信格子１．７自身は、強度模様の検出をするための構造化された光検出器として使用される。

即ち、受信格子１．７は、入射する光を電流に変換する構造化された半導体層積層体１．２を備える。この場合、電流が多く発生されるほど、ますます多く、光が半導体層積層体１．２に当たる。

図１ｂは、拡大した図１ａの部分を示す。サブストレート１．１が認められ、その上には、更にまた半導体層積層体１．２を担持する透明な電極１．３が配設されている。半導体層積層体は、光が通過する順序に、ドーピングされた（ここではｐドーピングされた）第１の層１．２．１（ｐ層）と、次に本来の層１．２．２（ｉ層）と、最後にドーピングされた（ここではｎドーピングされた）第２の層１．２．３（ｎ層）とを備える。ｎ層１．２．３には、電気的な背面接点１．４が従う。原理的に、ｐ層１．２．１とｎ層は、交換することができるが、しかしながら、図１ｂに示した構造が好ましい。

受信格子１．７を構成する感光領域は、ｎ層１．２．３が背面接点１．４と共に、強度模様の検出をするための個々の感光領域の分離が行なわれるところで中断されていることによって互いに分離されている。背面接点１．４の領域内でのみ、半導体層積層体１．２で照明の際に電流が発生され、従って、背面接点１．４が受信格子１．７を定義する。

図１ｂにおいて認めることができるように、背面接点１．４とｎ層１．２．３との構造化は、背面接点１．４と半導体層積層体１．２のための唯一のリトグラフステップとそれぞれ１つのエッチングステップで行なうことができる。この場合、半導体層積層体１．２用のエッチング方法として、湿式方法（例えばＫＯＨ溶液）が、しかしながら好ましくは乾式方法（例えばＣＨＦ_３ガスによるＲＩＥ）が問題となる。このような方法は、マイクロ電子工学においては広く知られており、従って問題なく使用可能である。

図１は、図１ｂの別の部分の拡大であるが、半導体層積層体１．２の詳細を示す。ｎ層１．２．３が完全に中断されることを図るため（これは、個々の感光領域を分離するために、絶対的に必要な要求である）、ｉ層１．２．２の少なくとも１つの小部分が同様に除去されるように、エッチングプロセスを調整することが必要である。他方で、ｉ層１．２．２の少なくとも１つの小部分は、確実にｐ層１．２．１とｎ層１．２．３間の電気的な接続を防止するために、残っていなければならない。

即ち、受信格子１．７の領域内の層構造は、例えば以下のようであればよい。即ち、約１ミリメートルの厚さのガラスサブストレート１．１上に、透明な電極１．３として良く適している０．３〜１μｍの厚さのＺｎＯ：Ａｌの層が載っているようであればよい。約１０ｎｍ厚のｐ層１．２．１と、約４００ｎｍ厚のｉ層１．２．２と、約２０ｎｍ厚のｎ層１．２．３とを有する半導体層積層体１．２となる。背面接点１．４は、約８０ｎｍ厚の金属層から、例えばクロム又はアルミニウムから成る。この金属層は、ｎ層１．２．３と共に、適当な場所が、個々の感光領域の分離をするために完全に除去されている。

感光領域の分離をするために適用されるエッチングプロセスによって、ｉ層１．２．２も、できるだけ確実なｎ層１．２．３の分離を得るために約４０ｎｍだけ削り取られる。これは、個々の層がその厚さに関して完全に均質ではなく、加えて、半導体層積層体１．２のドーピングプロフィル内に鋭く画成された移行部が、特にｉ層１．２．２とｎ層１．２．３間に何ら生じないので、必要である。この関係で、感光領域３間に、ｉ層１．２．２の元の厚さの５〜９５％の、より良いのは１０〜９０％の残厚が良い結果に導くことが期待できる。製造技術上の観点から短いエッチング時間が好ましく、ｉ層１．２．２の残厚が大きい場合に、ｉ層１．２．２の露出した縁部の欠陥の問題が回避されるので、前記の領域については、それぞれどちらかといえば上限値（即ち、約９５％もしくは約９０％）の方が好ましい。即ち、感光領域３内の４００ｎｍの前記の層厚さについては、ｉ層１．２．２に対して約３６０ｎｍの残厚が最適であると見なされる。

所望の位相ズレした信号を得るために、どのような間隔で個々の感光領域を配設することができるのかが、考察されるべきである。この間隔は、受信格子１．７の目盛周期Ｔに相当する。受信格子１．７に入射した光の強度模様の周期はＰである。受信格子１．７として形成された感光領域を有する走査ヘッド１では、感光領域間でのクロストークの危険のために、周期Ｐよりも大きな目盛周期Ｔが選択されなければならない。９０°だけ位相ズレした４つの信号が望まれる場合、これは、

Ｔ＝（２^＊ｎ−１）^＊１／４^＊Ｐ （ｎは、３より大きな整数か、３に等しい）

でなければならない。

こうして、入射する光の強度模様の周期Ｐ＝４０μｍに対して、少なくとも５０μｍの目盛周期Ｔが得られる。従って、個々の位相ズレした信号は、強度模様の異なった４つの周期から得られ、これにより、スケール目盛２．２の異なった領域からも得られる。従って、構造化された検出器のこの様式は、４領域センサという。この４領域センサは、スケール上の汚れが、位相ズレした信号に、同時ではなく位相をずらして作用するという欠点を有する。これは、結果として位相ズレした信号の評価をする際に不正確さを伴う。

従って、受信格子１．７の強度模様の周期Ｐ内で位相ズレした信号を走査する方がよい。このための可能性は、図２ａ〜２ｅに図示されている２領域センサである。

図２ａ内に、概略的に感光領域３を認めることができるが、これら感光領域の構造は、図１ａ〜１ｃを基にして既に詳細に図示されている。これら感光領域は、サブストレート１．１上に配設されている。周期Ｐを有する強度模様Ｌは、概略的に図示されており、同様に測定方向Ｍも図示されている。周期Ｐ内で０°の信号も１８０°の信号も読み取られることが認められる。受信格子１．７の目盛周期Ｔが入射する局所的に変調された強度模様Ｌの周期Ｐの半分に相当する場合、隣接する感光領域は、１８０°位相ズレした信号を提供する。これは、

Ｔ＝１／２^＊Ｐ

である。

従って、スケール２上の汚れは、位相ズレした２つの信号に作用する。

図２ｂは、複数の０°の信号と複数の１８０°の信号を、強い１つの出力信号に統合するために、どのようにして感光領域が導体トラック４によって互いに接続することができるかを示す。この場合、それぞれ１つの櫛構造が生じる。これら櫛構造は、互いに噛合うので、それぞれ、０°の信号用の感光領域３と１８０°の信号用の感光領域３とが交互に現れる。図２ｂに認めることができるように、このような構造は、交差した導体トラック４なしで製造することができる。

図２ｃは、どのようにして、その内のそれぞれ２つが図２ｂに応じて歯をつけてある４つの櫛構造によって、それぞれ９０°だけ位相ズレした４つの信号を得ることができるかを示す。しかしながら、受信格子１．７の強度模様の異なった２つの領域が走査されるので、ここでは２領域センサを話題にすべきである。

図２ｄは、２領域センサを有するこのような走査ヘッド１の特に有利な形成を示す。２領域センサの中心には、送信格子１．５が配設されている。「中心」とは、受信格子１．７の面重心と理解すべきである。この場合、正方形の送信格子１．５は、強度模様Ｌをできるだけ良好に利用するために、完全に受信格子１．７によって取り囲まれている。送信格子１．５と受信格子１．７の格子破線は、測定方向Ｍに対して垂直である。受信格子１．７は、４つの領域に分割されている。直接送信格子１．５に隣接する内側の２つの領域の内の一方は、０°／１８０°の信号を得るために使用され、他方は、９０°／２７０°の信号を得るために使用される。内側の０°／１８０°の領域には、送信格子１．５とは反対側に、別の９０°／２７０°の領域が隣接する。内側の９０°／２７０°の領域には、送信格子１．５とは反対側に、別の０°／１８０°の領域が隣接する。この測定方向に対して非対称の配設は、位相ズレした４つの信号を比較可能な強度で受けることを保証する。

前述の４つの領域から成る受信格子１．７全体の外形は、角を面取りした長方形として、その長い方の直径が測定方向Ｍに対して垂直に位置する長円形もしくは楕円形に近づけられている。このような形は、特に良好な受信格子１．７の強度模様Ｌの利用を可能にする。

図２ｄによる受信格子１．７の異なった４つの領域は、図２ｃによる歯を付けた櫛構造によって構成されている。図２ｅ内の図２ｄの部分拡大図は、このことを明らかにする。従って、実際に有用であると分かっている２領域センサも、交差した導体トラックなしで製造することができ、これが製造プロセスを簡単に保ち、唯一の金属被覆面しか必要でない。この構造化部によって、同時に感光領域３が定義される。

前記の２領域センサは、０°／１８０°の信号の振幅もしくは９０°／２７０°の信号の振幅が、同時に、従って位相通りに、場合によっては生じ得る汚れに見舞われているという利点を有する。デューティレシオエラーは、これにより低減され、位置決定の精度は、４領域センサと比べて向上する。しかしながら、位相ズレした４つの信号の全ての振幅が、位相通りに汚れによって侵害されるので、走査を更に改善することができることは、通用しない。

更に最適化された信号は、ここでは１領域センサと呼ばれる走査ヘッド１によって得られる。図３ａには、このような１領域センサ内で、強度模様Ｌの周期Ｐからそれぞれ４つの位相ズレした信号が得られることが図示されている。隣接する感光領域は、受信格子１．７の目盛周期Ｔが、入射する局所的に変調された強度模様Ｌの周期Ｐに４分の１に相当する場合に、９０°位相ズレした信号を提供する。これは、

Ｔ＝１／４^＊Ｐ

である。

図３ｂの図から、このような１領域センサが、もはや交差した導体トラックなしではやれないことが認められる。感光領域３は、その裏側で背面接点１．４を担持し、この背面接点は、一定の場所でのみ、接続部５によって導体トラック４に接続を許される。即ち、感光領域３と導体トラック４間には、接続部５においてのみ中断されている絶縁層が取り付けられていなければならない。この場合、接続部は、導体トラック４を構成する金属層を遮蔽する際に、導体トラック４が直接背面接点１．４と接触することによって、簡単に構成される。

個々の感光領域３間のクロストークを回避するため、ここで説明した構造を有する半導体層積層体１．２のために、５μｍの間隔Ａで確実に十分であることが分かっている。しかしながらまた、検出器の形状及び半導体の材料に応じて、μｍ範囲の更に小さい間隔Ａでも、走査ヘッド１を機能させることもできる。最小の間隔Ａは、本質的にｉ層１．２．２内での負荷担体の拡散長さによって決まる。この拡散長さが短いほど、間隔Ａを小さくすることができる。本来のアモルファスのシリコンに対して拡散長さを５０ｎｍと仮定した場合、約２００ｎｍの間隔Ａで、クロストークは、もはや生じない。しかしながらプロセス技術上の理由（小さな構造に対しては費用が増加し、故障感度が上昇する）から、大きな間隔Ａが好ましいので、間隔Ａのための有効な下限値としては、約１μｍを指定することができる。

強度変調された光の周期Ｐ＝４０μｍについては、４領域センサに対して１０μｍの受信格子１．７の目盛周期Ｔが得られる。即ち、間隔Ａ＝５μｍの場合、感光領域３自身は、５μｍの幅でしかない。

図３ｃは、このような１領域センサの具体的な実施形を示す。再び、受信格子１．７の中心もしくは面重心に送信格子１．５が配設されている。その破線方向が送信格子１．５の破線方向のように再び測定方向Ｍに対して垂直に延在する受信格子１．７は、その長いほうの直径が測定方向Ｍに対して垂直に位置する、楕円形に近似された外形を有する。図３ｂの様式に応じて、受信格子１．７は、受信格子１．７の上で横に位置する導体トラック４によって接続されている。それぞれ４つのこのような導体トラック４は、送信格子１．５の両側に配設され、送信格子１．５によって中断された感光領域３を完全に接続することができる。

選択的で、特に１領域センサの受信格子１．７の小さい目盛周期Ｔのために推奨すべき感光領域３の接続の変形例を、図３ｄが示す。受信格子１．７の縁部に、肥大部を有する格子線が設けられている。それぞれ第２の格子線が延長されているので、これら肥大部は、格子線の約２倍の幅で構成することができる。これは、接続部５を介した導体トラック４と感光領域３の接続を著しく容易にする。再び、このような１領域センサが交差した導体トラック４なしで製造できないことを認めることができる。

更に、送信格子１．５が、好ましくは感光領域３と同じ層構造を備えることを述べておく。送信格子１．５については、できるだけ鋭く定められた角部が望まれているので、半導体層積層体１．２は、この範囲内を完全にエッチングされる。しかしながらまた、送信格子１．５を従来の方法でただ構造化された金属層として直接サブストレート１．１上に形成することも可能である。両方の場合に、送信格子１．５と感光領域３の構造化を同じリトグラフステップで行なうことが可能である。

１ａ〜１ｃに、光学位置測定機器を示す。 ２ａ〜２ｅに、２領域センサの形成を示す。 ３ａ〜３ｅに、１領域センサの形成を示す。

符号の説明

１ 走査ヘッド
１．１ サブストレート
１．２ 半導体層積層体
１．２．１ ドーピングされた第１の層（ｐ層）
１．２．２ 本来の層（ｉ層）
１．２．３ ドーピングされた第２の層（ｎ層）
１．３ 電極
１．４ 背面接点
１．５ 送信格子
１．６ 光源
１．７ 受信格子
２ スケール
２．１ サブストレート
２．２ スケール目盛
Ｍ 測定方向
Ｔ 目盛周期

Claims (17)

1. 異なった位相位置の局所的に強度変調された光の走査をするための感光領域（３）を有する受信格子（１．７）を有し、受信格子（１．７）が、ドーピングされたｐ層（１．２．１）と本来のｉ層（１．２．２）とドーピングされたｎ層（１．２．３）とから成る半導体層積層体（１．２）を備える、光学位置測定システム用の走査ヘッドにおいて、
   感光領域（３）が、ドーピングされた２つの層の第１の層（１．２．１）と本来の層（１．２．２）の少なくとも一部とを共有し、ドーピングされた２つの層の第２の層（１．２．３）の中断によって電気的に互いに分離されていることを特徴とする走査ヘッド。
2. 半導体層積層体（１．２）が、背面接点（１．４）を従えて、導電性の同様に透明な電極（１．３）を有する透明なサブストレート（１．１）上に配設されており、従って、
   −透明なサブストレート（１．１）と、
   −導電性の電極（１．３）と、
   −ドーピングされた第１の層又はｐ層（１．２．１）と、
   −本来の層（１．２．２）と、
   −ドーピングされた第２の層又はｎ層（１．２．３）と、
   −背面接点（１．４）と、
   による層構造が得られることを特徴とする請求項１に記載の走査ヘッド。
3. 感光領域（３）が、背面接点（１．４）によって定義されていることを特徴とする請求項２に記載の走査ヘッド。
4. サブストレート（１．１）上に送信格子（１．５）が配設されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の走査ヘッド。
5. 送信格子（１．５）が、受信格子（１．７）の面重心内に配設されていることを特徴とする請求項４に記載の走査ヘッド。
6. 送信格子（１．５）が、完全に受信格子（１．７）によって取り囲まれていることを特徴とする請求項５に記載の走査ヘッド。
7. 受信格子（１．７）の形が、その長い方の直径が測定方向（Ｍ）に対して垂直に位置する楕円に近似されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の走査ヘッド。
8. 送信格子（１．５）に光源（１．６）が付設されていることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１つに記載の走査ヘッド。
9. 隣接する感光領域（３）が、１８０°だけ位相ズレした信号を出力することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の走査ヘッド。
10. 受信格子（１．７）の目盛周期（Ｔ）が、入射する局所的に変調された強度模様（Ｌ）の周期（Ｐ）の半分に相当することを特徴とする請求項９に記載の走査ヘッド。
11. 隣接する感光領域（３）が、９０°だけ位相ズレした信号を出力することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の走査ヘッド。
12. 受信格子（１．７）の目盛周期（Ｔ）が、入射する局所的に変調された強度模様（Ｌ）の周期（Ｐ）の４分の１に相当することを特徴とする請求項１１に記載の走査ヘッド。
13. 半導体層積層体（１．２）が、アモルファスのシリコンから構成されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の走査ヘッド。
14. 感光領域（３）間のｉ層（１．２．２）の残厚が、感光領域（３）内のｉ層（１．２．２）の厚さより少ないことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記載の走査ヘッド。
15. ｉ層（１．２．２）の残厚が、ｉ層（１．２．２）の厚さの５〜９５％の範囲内にあることを特徴とする請求項１４に記載の走査ヘッド。
16. ｉ層（１．２．２）の残厚が、ｉ層（１．２．２）の厚さの１０〜９０％の範囲内にあることを特徴とする請求項１４に記載の走査ヘッド。
17. ｉ層（１．２．２）の残厚が、ｉ層（１．２．２）の厚さの約９０％であることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１つに記載の走査ヘッド。

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