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光学尺制作及量测验证-AOIEA
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光學尺製作及量測驗證
董書屏 簡麗珍 陳建文 戴鴻名
量測中心 量測中心 量測中心 量測中心
Danieldong@itri.org.tw JANE_C@itri.org.tw chaoster@itri.org.tw HMTai@itri.org.tw
摘要
光學尺是精密產業設備中極重要的關鍵組件。光學尺的組成包含計量尺及光學讀頭,藉由光學尺尺面
上的刻劃的編碼圖案,判斷讀頭的位置。光學讀頭與高精度之光柵編碼圖案相對運動,能夠產生連續
變化之光強變化,透過光感測器轉換為訊號,輸出至後端的解相位控制器,計算出兩者相對位置。故
此,計量尺為光學尺移動定位之參考基準 。計量尺圖案與長度決定光學尺精度,為影響系統整體性能
最重要因素。
本文主要介紹現階段光學尺技術成果,以電子束微影技術進行光柵圖案加工,加工精度均受嚴格控制。
目前與雷射繞射光學編碼讀頭(Laser Diffraction Encoder) 配搭,並藉由光學尺驗證系統所得之構想,
實現高精度光學尺製程開發 。實驗結果顯示,位移150mm 範圍,量測誤差控制在+/- 2.5 μm 範圍
內 。
關鍵字:電子束微影技術(E-beam Lithography) ,線型光學尺(Optical Linear Encoder) ,雷射繞射
光學編碼讀頭(Laser Diffraction Encoder) ,光柵(Grating)
壹 、前言
線型光學尺(optical linear encoders)是所有產業設備相當重要的關鍵組件之一,線型光學尺的組成包
含計量尺(scale)及光學讀頭(Read head) ,計量尺上具有尺寸精準的圖案(Optical reference mark) ,
主要作為位置之計數判斷。一般計量尺圖案設計則常以高精度光柵(Grating)為主,在光學讀頭上具有
微型光學系統,藉由讀頭與光柵尺相對運動關係,產生連續變化之光強變化。透過光感測器
(Photodetector)轉換光電訊號,輸出給後端解調控制器,計算出兩者相對位置。計量尺光柵精度與
長度決定量測穩定性與量測範圍。雖然目前奈微米製程技術相當進步,但因加工面積不斷擴大,精度
則被要求不斷被要求提升。本文主要介紹介紹量測中心目前光柵尺開發現況,設計驗證以電子束微影
製程製作高精度光柵圖案 。
貳 、研究方法
我們所提出用以電子束微影技術(E-Beam Writing Lithography)製作光柵圖案,以6”矽晶圓為底材,
圖一所示 ,以 1.6 μm 週期,線寬 0.8 μm 製作 。底層為銅,厚度為 50nm ,中層為二鋁化銅,厚度
為 600nm ,最上層為保護層SiO2 ,厚度為100nm ,如圖1(a)所示 。圖1(b)為 6 吋未裁切光柵尺,
最長可達 17cm. 圖二(a)為 5 萬倍下電子顯微鏡照片圖案。
(a) 光柵結構 (b) E-beam 製作 6”晶圓
圖1 :以電子束微影製程製作光柵尺
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(a) 光柵結構電子顯微鏡側壁照 (b) 光學尺讀頭與光柵尺位移實驗
圖2 :光柵實驗照片
光學尺訊號讀取方式以都卜勒原理,將讀頭上雷射光打致光柵尺上,透過平台運動變化,使將高階光
學訊號產生頻率改變 ,而透過差頻光干涉的方式,將位移相位訊號讀值記錄。圖二(b)為光學讀頭和光
柵尺與 HP5529A 進行位移比對實驗。
參 、研究成果
實驗比對結果如圖 3 顯示,以電子束微影製作之光柵尺從 0mm 位移至 150mm 在無塵室溫控 20 度
C 正負 1 度進行實驗,獲得最大殘差範圍由+2.5μm 至-1.5 μm ,長度變化在百萬分之 2.5 變化內,
矽熱膨脹係數為2.5ppm/ 。C ,在溫度小於 1 度 C 和 HP5529A 進行比
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