独立行政机构产业技术综合研究所[会长：中钵良二]（以下简称“AIST”）测量标准研究部[研究部主任千叶浩一]长度测量部纳米标准实验室首席研究员堀康明、实验室主任贡太聪、长度标准实验室实验室主任洋一洋一和尼康公司[总裁牛田和夫]（以下简称“尼康”）共同线性编码器的精度（内置于高精度加工机器等中的“测量”）并实现了误差小于纳米（nm，1毫米的百万分之一）的尺度。
该线性编码器通过结合使用尼康开发的独特标尺读取方法的误差减少技术和使用AIST开发的激光干涉的精确标尺误差评估技术，实现了1 nm或更小的误差。未来有望为提高半导体器件和光学器件的加工精度做出贡献。
详细结果将于2014年11月9日至14日在美国波士顿举行第 29 届美国精密工程学会 (ASPE) 年会
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| 线性编码器和误差评估装置 |
近年来，集成到IT设备中的半导体元件和光学元件的精密加工需要加工技术的小型化和精密长度测量技术来支持。线性编码器被集成到加工机器中，并作为实现精确长度和位置测量的有效工具而被广泛使用。
线性编码器是一种分辨率为1纳米或更小的“测量”，当与表面有标记的基板和读取装置结合使用时，它可以非常精确地测量长度和位置（图1）。表面有标记的板子上有间隔为几微米（μm，1毫米的千分之一）到几十微米的凹凸不平的标记，由阅读器读取，然后用电分为等间隔，以获得高分辨率的刻度。尽管这些尺度是等间隔排列的，但它们在微观上是扭曲的，因此迄今为止纳米量级的误差是不可避免的。然而，随着半导体和光学元件所需的加工精度逐年提高，需要将尺寸误差保持在1 nm或更小。
为了实现1纳米或更小的误差，需要使用比线性编码器更精确的方法来评估刻度误差，并进行反复改进。然而，由于传统使用的位移计无法评估纳米量级的误差，因此希望开发一种新的评估方法。
如果实现1纳米或更小的线性编码器，作为IT设备大脑的半导体电路的布线将能够更薄更短，从而使智能手机和平板电脑比目前更小、更快、功耗更低成为可能。
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| 图 1 线性编码器配置 |
AIST一直在开发利用光学干涉的位移计，并且已经建立了具有足够精度（误差为01 nm以下）的长度测量技术。
另一方面，尼康继续致力于提高其线性编码器的性能，并不断进行改进以实现1纳米或更小的尺度误差。然而，为了确认改进带来的误差减少，需要一种能够以 1 nm 或更小的精度进行评估的技术，并且该团队正在寻找可行的技术。
因此，我们开始联合研究，希望AIST的技术可以证明尼康开发的线性编码器的刻度误差为1纳米或更小。
AIST开发的线性编码器误差评估装置是激光干涉仪和一个移动平台（图2）。被评估的线性编码器的“测量”部分（标尺、表面有标记的板）安装在水平方向移动的可移动工作台上，面向移动工作台安装的读取装置（读头）读取标记线之间的间隔，以获得电划分的标尺。移动台末端安装有激光干涉仪的动镜，可以测量移动台移动的距离。通过同时读取线性编码器和使用激光干涉仪测量移动工作台的移动距离并比较测量结果来评估误差。
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图2 尺度误差评估方法示意图
使用激光干涉仪和线性编码器同时测量移动工作台的移动距离，并比较结果。 |
如图1所示，激光束从线性编码器头射向标尺，头检测来自标尺的衍射光，以读取标尺表面标记线之间的间隔。尼康标尺的标记间隔为 4 µm，头部使用两个检测器，因此可以读取标记间隔的一半（= 2 µm）。此外，将读取间隔电划分为1/1000至1/100,000以获得标度。由于头部固定，只有标尺在水平方向移动，因此可以根据标尺之间的间隔来测量可移动工作台移动的距离。
在激光干涉仪中，安装在移动工作台上的移动镜被来自激光干涉仪的激光照射，反射光与干涉仪内的原始激光重叠，以检测亮光和暗光信号（干涉信号）（图3）。每当可移动镜移动激光的一半波长时，干涉信号的亮度和暗度就会重复，因此可以精确测量以光波长为单位的传播距离。 AIST采用了充分利用数字信号处理的校正技术，最大限度地减少了由于激光干涉仪的反射镜、棱镜和其他光学部件的缺陷而导致的干涉信号失真。这使得位移计的误差小于几十皮米（pm，1 nm 的 1/1000）。
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| 图3 激光干涉仪原理 |
图4显示了使用新开发的误差评估装置评估尼康开发的线性编码器的刻度误差的结果。该结果表明，沿着移动工作台的移动，每 2 µm 周期性地出现误差。 2 µm 周期对应于划线的读取间隔，图 4 中的误差被认为是由该间隔的电气划分缺陷引起的。这个错误一般是经期错误，传统上使用线性编码器实现1 nm或更小的误差一直是一个重大挑战，但尼康通过使用一种读取标记线和电气分割线的新方法显着降低了周期误差，如图4所示，在这项研究中，我们能够证明在移动平台的运动范围（14 µm）内周期误差为±03 nm。
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| 图4 尺度误差评估结果 |
今后，该线性编码器将被搭载于尼康的各种高精度加工机中，并用于更先进的半导体器件和光学器件的制造现场。由于使用激光干涉仪的误差评估装置可以很容易地应用于线性编码器以外的长度测量装置的评估，AIST计划使用它来为市售位移计提供误差评估服务。