｜雷射干涉微影於光學尺製作技術

摘要：光學尺在工具機設備中是非常重要元件。本文主要介紹國內外光學尺中計量尺（光柵）製作技術。傳統上,主要以機械加工方式加工光柵。隨微影製程技術不斷進步，以光罩方式進行曝光成為主流。而干涉式微影方法是近幾年來發展的新技術。我們以干涉式微影方法製作1.6 μm週期長度計量尺（光柵）。

Abstract: Optical encoders are very important components of machine tools. This article primarily discusses the present developments of the scale (grating) of optical encoder technology. Traditionally, mechanical ruling has been a major method of manufacturing grating. With improvements in lithography technology, mask methods for manufacture grating become important. In recent years, research studies have developed a new method of LASER interferometry lithography (LIL). By using the LIL method, we produced a scale (grating) with a period length of 1.6 μm.

關鍵詞：干涉式微影技術、線型光學尺、光柵

Keywords：Interferometry Lithography, Optical Linear Encoder, Grating

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，從半導體設備、工具機、二/三次元量床到自動化光學檢測設備，都需要使用線型光學尺來作為定位的量測基準，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（如圖1所示）。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，藉由讀頭與光柵尺的相對運動關係，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，以計算出兩者相對位置。因此，計量尺乃光學尺系統中關鍵元件，為光學尺計量之參考標準。計量尺光柵精度與長度決定量測穩定性與量測範圍，它是光學尺系統中影響整體性能的重要元件。

計量尺長度往往超過一米，是加工困難點。雖然目前奈微米製程技術相當進步，電子束、微影製程加工技術成熟，但因面積不斷擴大，精度要求不斷向上提升，能實現長工作距離與大範圍製程加工為一大難題。常見計量尺製作方法，則以光學微影技術搭配高精度定位平台技術，以微影製程方式製作光柵。此製作方式會受限於平台定位精度，使計量尺品質降低。目前國內技術皆須依賴國外之計量尺（光柵尺）進行直接翻製製作。要求在數個奈米精度以下，目前國內光學尺廠商，無法突破光柵母尺的製作限制。本文主要介紹現今國外光柵加工技術，並介紹量測中心目前光柵尺開發現況，建立低成本、高精度及高速化之光柵圖案化技術。

國內外現階段發展狀況
目前光柵圖案化技術大致可分為機械刻劃及光學加工方式，傳統機械刻劃以鑽石刀具為主，因受機械加工速度限制，已逐漸退出。鑽石刻劃法可加工特殊圖案，結合壓印技術可大量翻印。因加工效率高，已成為主要量產方法。
而在光學加工方法上，以微影製程加工為主。目前半導體產業有許多先進的加工不斷開發出來，如浸潤式微影技術、電子束直寫微影技術…等等。但大部分技術是針對半導體或FPD等特定產業開發，非專對計量光柵加工，其所要求的可加工長度與精度目標也不一樣。以半導體為例，雖然可加工線寬可達到奈米級，但在長範圍的精確度與加工尺度，就受加工機光學尺限制。以下我們就各種技術之發展現況作說明。