CN104457571B

CN104457571B - 光学位置测量装置

Info

Publication number: CN104457571B
Application number: CN201410719523.1A
Authority: CN
Inventors: W·霍尔茨阿普费尔
Original assignee: John Nei Si Heidenhain Doctor Co Ltd
Current assignee: John Nei Si Heidenhain Doctor Co Ltd
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2018-10-12
Anticipated expiration: 2034-09-11
Also published as: EP2848899B1; US9303979B2; CN104457571A; EP2848899A3; EP2848899A2; US20150070711A1; JP2015055625A; JP6329456B2; DE102014208988A1

Abstract

本发明涉及用于探测整体量具和至少一个可沿着至少一个测量方向彼此相对运动的探头的相对位置的光学位置测量装置。所述光学扫描装置是这样地设计，使得扫描装置的有效测量点位于在背向探头定向的方向上与整体量具隔开定义的距离上。

Description

光学位置测量装置

技术领域

本发明涉及一种光学位置测量装置，所述光学位置测量装置适用于高精度地确定两个相对运动的对象的相对位置。

背景技术

为了定位平面对象，例如半导体加工设备中定位晶片，经常使用所谓的XY台。在此平面对象位于滑块上面，所述滑块能够按直线自由度X,Y和部分上也按旋转自由度Rz移动，即在全部所谓的“平面上自由度”。在这里X和Y表示在运动平面内滑块的相对彼此垂直取向的运动方向，Z轴则与其垂直取向。由此对象的旋转自由度Rz是由滑块可能围绕Z轴的旋转运动所致。

经常通过基于光栅的光学位置测量装置确定滑块位置，所述光学位置测量装置以下也被称作编码器并且在其中通过一个或多个探头光学扫描一个一维或二维的整体量具。为了生成高分辨率的位置信号在所述光学位置测量装置中优选使用干涉扫描原理，在其中一个由光源发射的光束被分裂成至少两个分光束并且在一次或多次施加整体量具之后使得干涉性地叠加。

在将XY台使用在机器中的时候待移动的对象通常必须相对位置固定的工具或传感器定位。在此通过工具和传感器定义工具点，所述工具点以下被称作工具中心点(ToolCenterPoint)TCP并且必须确定其与对象的相对位置。在此所使用的光学位置测量装置的测量点与机器的TCP之间的较低的有效距离是一个重要的前提条件，以便滑块的导向错误不会在定位过程中影响测量精确度。该前提条件也以所谓的阿贝条件为人所熟知并且说明，在测量装置中位置测量的有效测量点必须在测量方向上对准TCP。有效测量点与TCP之间的横向于测量方向的横向距离被称作阿贝距离；在理想的情况下该距离应为零。

光学位置测量装置的有效测量点有时也被称作中性旋转点，这是因为探头或位置测量装置的整体量具围绕中性旋转点的线性近似的倾斜不会导致位置测量值的位移并由此也不会在位置确定时导致误差。

如果使用两个具有相同测量方向并且其探头垂直于共同的测量方向间隔地布设的位置测量装置或编码器进行位置测量，则通过两个位置测量值的加权的平均值形成有效测量点不会沿两个测量点的连接线移动。相应地可能的是，通过三个位置固定的探头(从中得到两个探测滑块的测量方向Y和探测滑块的测量方向X)通过三个位置测量值的线性组合使用于位置确定的有效测量点任意在通过三个有效测量点的XY平面中移动。因此XY平面在以下将被称作三个探头或位置测量装置的有效测量平面。对此前提条件只是，两个具有相同测量方向的探头横向于其测量方向安置和三个探头的全部有效测量点位于平行于两个测量方向的共同平面中。通过选择上述的线性组合使得有效测量点在有效测量平面中移动，以便它们对于两个测量方向分别具有最小的阿贝距离。由此有效测量点与TCP位于相同的X位置和Y位置。至今只有Z方向的阿贝距离不能消除。已知，尤其所述通过三个位置固定的探头确定位置尤其与二维交叉光栅整体量具相结合。与此类似，但是也可能的是，探头共同地固定在移动的滑块上和探测位置固定地安置的交叉光栅整体量具。

从WO 2011/068254 A1中已知一种XY台，其在滑块的底侧上面包括设计为交叉光栅的整体量具，所述整体量具通过滑块移动并且被三个安装在滑块下面的位置固定的探头光学扫描。三个位置固定的探头中有两个如上所述沿方向Y测量，第三个探头沿方向X测量。由此能够在编码器的有效测量平面中精准地平面上测量XY台。但是基于所使用的编码器的扫描透镜编码器的有效测量点及有效测量平面位于交叉光栅整体量具的平面。相反TCP则位于对象或晶片的上侧，所述晶片布设在滑块上面并且由此在Z方向相对位于其下的有效测量平面具有大阿贝距离。由此不能高精度地测量对象与TCP的相对位置。XY台的小的Rx或Ry倾斜，即围绕X或Y轴倾斜，通过不可避免的导向偏差造成对象的相应的位置错误。

类似内容也适用于从EP 2 068 112 A1中得知的装置。在这里对透明的XY滑块进行了描述，在所述滑块的上侧上面安装交叉光栅作为整体量具，三个位置固定的探头从下面穿过透明的滑块衬底对所述交叉光栅进行光学扫描。交叉光栅整体量具因此也形成为所谓的背面光栅。晶片形式的待定位的对象位于在透明的XY滑块的上侧。由此在EP 2 068112 A1建议的装置中探测头的有效测量点在Z方向也不像期望的那样与TCP重合。准确地观察所建议的扫描表明，在透明的滑块衬底的厚度为30mm-100mm的情况下在Z方向的阿贝距离导致10mm-33mm的数量级。通过在Rx和Ry倾斜方面大约25μrad的典型的导向偏差在位置确定过程中产生250nm-825nm的测量误差，这在这类的应用中对于通常高定位的要求是不可接受的。

发明内容

本发明以该任务为基础，给出一种光学位置测量装置，在其中能够尽可能灵活地调节有效测量点的位置和尤其在遵守阿贝条件方面保证位置测量装置的有效测量点与在相应的机器中工具的工具中心点之间具有尽可能地小的阿贝距离。

按照本发明该任务将通过具有下述特征的光学位置测量装置解决。

按照本发明的光学位置测量装置的有利的实施方式也在下文所述的方法中得出。

用于探测整体量具和至少一个沿着至少一个测量方向彼此相对运动的探头的相对位置的按照本发明的光学位置测量装置具有光学扫描装置，所述光学扫描装置是这样地设计：扫描装置的有效测量点位于在背向探头取向的方向与整体量具间隔地定义的距离上。所述有效测量点对应于这样的点：探头和整体量具围绕所述点的线性近似的倾斜不导致位置测量值的偏移。为了光学扫描整体量具光束被分裂成两个分光束，两个分光束中的每一个施加整体量具的反射光栅仅一次并借此经受衍射，以便在射入在反射光栅上面的和由此反射回去的分光束之间的角平分线在某点与光轴相交，所述的点位于整体量具的与探头相背的侧上并且是所述光学扫描装置的有效测量点。至少在施加反射光栅之前实现光束被分裂成两个分光束，当在反射光栅上面实现衍射时分别实现分光束从光轴离开的偏转，以及通过至少一个偏转元件实现朝光轴的向回偏转，在那里分光束进行重新会聚。

在这里可能的是，为了光学扫描整体量具光束经受到两个分光束的分裂，两个分光束中的每一个施加整体量具的反射光栅至少一次并借此发生衍射，以便在射入在反射光栅上面的和由此反射回去的分光束之间的角平分线在某点与光轴相交，所述的点位于整体量具的与探头相背的侧并且是扫描装置的有效测量点。

可以规定，

-至少在施加反射光栅之前实现光束到两个分光束的分裂和

-当在反射光栅上面实现衍射时分别实现分光束的从光轴向外偏转和

-通过至少一个偏转元件实现朝光轴向回偏转，在那里分光束进行重新会聚。

在此在分裂与重新会聚之间分裂的分光束可以相对光轴对称地伸展。

此外还可能的是，整体量具设计成背面光栅并且包括片状的，透明的衬底以及反射光栅，所述反射光栅的反射侧在衬底方向和探头方向定向。

此外可能的是，整体量具设计成正面光栅并且包括反射光栅，所述反射光栅的反射侧在探头方向定向。

也可以规定，

-整体量具布置成可相对第一探头沿着第一测量方向相对移动和

-整体量具布置成可相对第二探头沿着第二测量方向移动，其中第二测量方向与第一测量方向正交地定向。

此外在这里整体量具布置成可相对第三探头沿着第一或第二测量方向移动。

此外可能的是，整体量具设计成交叉光栅。

在可能的实施方式中探头包括光源，多个探测器元件以及扫描板，所述扫描板在一侧上面具有分裂光栅以及会聚光栅和在对立侧上面具有多个其它光栅，使得

-由光源发射的光束通过分裂光栅经受到两个分光束的分裂，

-然后分光束分别在扫描板的相对面上光栅方向传播并由此分别经受在光轴方向的偏转，

-然后在整体量具方向继续传播，在那里沿探头方向产生衍射和向回反射，

-分光束分别通过其它光栅经受向光轴方向的偏转并且在扫描板的相对面上在会聚光栅方向传播，在那里它们达到干涉重叠以及

-重叠的分光束从会聚光栅向探测器元件方向传播，通过所述探测器元件可以采集相移扫描信号。

在按照本发明的位置测量装置中证明特别有利的是，例如在与XY台组合使用的情况下阿贝距离差不多可以下降到0。作为结果在确定通过XY台定位的对象的位置时可以达到特别高的精度。

按照本发明的位置测量装置在这里可以灵活地通过不同的整体量具形成。因此可能的是，在形成为背面光栅或正面光栅的整体量具上安置位置测量装置的相应的光学扫描装置。由此在两种情形下保证，相应的位置测量装置的有效测量平面处于整体量具的背面的另一边。

借此可能的是，能够在有效测量平面内放置待定位的对象，例如晶片。因此特别优选可在XY台的情况下差不多将全部的阿贝距离降到零并且从而遵守阿贝条件。由此导致在确定位置时具有高的测量精度几乎不会受到XY台的导向偏差影响。

因为导向偏差几乎不再影响位置确定，因此能够使用具有相应地较大公差的更加简单的导向装置。因为到目前为止高精度的导向装置仍然占XY台制造成本的很大一部分，因此通过这种方法能够显著地降低费用。

借助下述按照本发明的装置的实施例的说明并结合附图对本发明的其它细节和优势进行详细说明。

附图说明

所示为：

附图1和2示出用于解释按照本发明的光学位置测量装置的理论思想的光路图；

附图3a-3c示出按照本发明的光学位置测量装置的第一实施例的剖面图；

附图4示出按照本发明的光学位置测量装置的第二实施例的剖面图；

附图5a-5c示出按照本发明的光学位置测量装置的第三实施例的剖面图；

附图6a-6b示出按照本发明的光学位置测量装置的第四实施例的剖面图。

具体实施方式

在对按照本发明的光学位置测量装置进行详细说明之前，首先利用附图1和2对基本的理论思路进行说明。所述附图显示按照本发明的光学位置测量装置的实施例内的扫描光程。

在基于干涉扫描原理的高分辨率的光学位置测量装置中，通常使由光源提供的光束进行准直校正并且分裂成两个分光束。分光束然后在整体量具上被偏转成不同的衍射级和最后通过叠加进行干涉并且从中推导出与位置相关的，相移的扫描信号。

在附图1中部分示出示范性的光学位置测量装置的光路，所述光学位置测量装置具有形成为背面光栅的整体量具M。背面光栅包括片状的，透明的衬底S和反射光栅G，所述反射光栅的反射面在衬底S的方向或在相对整体量具M至少沿测量方向X移动的探头AK的方向定向。

借助该图应首先对位置测量装置的有效测量点NP的位置进行解释。

其中假设，两个分裂的分光束的光路与光轴Z对称地伸展，则下面足以仅观察在整体量具M上偏转成+1衍射级并且在附图1中用TS1表示的分光束。在此整体量具M围绕Y轴倾斜角度α。所观察到的分光束TS1以对光轴Z的角度β₁从探头AK射出，达到形成为背面光栅的整体量具M的透明的上侧上面，在那里通过在空气衬底S界面上的折射以对光轴Z的角度β₂偏转并且通过衬底S继续向整体量具M的背面的反射光栅G传播。在那里该分光束以第一衍射级按对光轴Z的角度β₃反射地衍射并且在整体量具的上侧上面重新通过在衬底S空气界面上的折射以对光轴Z的角度β₄偏转。分光束TS1然后向探头AK传播，在那里通过其它没有详细显示的光学部件(像偏转光栅和会聚光栅)按距离Z₁,Z₂,…..Z_M-1沿光轴Z偏转和最后在光轴Z上面在位置Z＝Z_M与相对光轴Z与第一分光束TS1对称地传播的第二分光束TS2重叠，该分光束在附图1中未显示。通过后置的探测器系统D实现与移动相关的扫描信号的采集。

能够最简单地在沿着光轴Z的位置上计算所观察的分光束TS1在光程中发生的相移。该相移作为k_z·Δz形式的各个相移量值的和数给出，其中k_z代表光路的分段的k矢量的Z成分和Δz代表在光轴Z的位置上分段的所属Z伸长。由此对于所产生的分光束TS1的相移φ得出：

其中：

φ：＝在分裂和与其它光束重叠之间所产生的分光束TS1的相移

φ₂：＝在从探头射出时TS1的相移

K₀:＝2π/λ

λ：＝光源的波长

Z_A:＝探头AK与整体量具M的上侧之间的扫描距离

Z_S:＝整体量具M的衬底S的厚度

n_S:＝整体量具M的衬底S的折射率

β₁，β₂，…β_M＝分光束TS1的分段与光轴Z之间的角度

n₅，n₆，…n_M＝分光束TS1所经过的探头AK中的光学部件的折射率

Z₅，Z₆，…Z_M＝探头AK中光学部件的所属距离。

通过整体量具M的小角度α倾斜分光束TS1的分段的角度β₂，β₃，…β_M发生变化。在这里下述熟知的公式适用：

n_S·sin(β₂-α)＝sin(β₁-α) (公式2.1)

sin(β₄+α)＝n_S·sin(β₃+α) (公式2.3)

n_m+1·sin(β_m+1)＝n_m·sin(β_m) (公式2.4)

其中d_S：＝整体量具M的光栅周期。

当整体量具M的倾角α较小时分光束TS1的相位以线性近似移动在围绕位置测量装置的有效测量点NP倾斜的情况下必须通过反向相移φx对所述相移进行补偿，所述反向相移是由整体量具M的X移动导致。如果按照附图1有效测量点NP是以一定距离ΔZ_NP地位于整体量具M的下面，则在围绕有效测量点NP小角度地倾斜α的情况下整体量具M在X方向移动约ΔZ_NP·α。分光束TS1的所属的相移φx因此为：

通过相移φx补偿相移得出下述条件：

从中可以计算出在Z方向位置测量装置的有效测量点NP与整体量具M之间的距离ΔZ_NP。通过公式1，2.1-2.4和4得出：

公式5说明按照本发明的位置测量装置的有效测量点NP的距离与所使用的光学扫描装置的不同系统参数之间的关联性。因此通过适当地选择具有系统参数Z_s，X₂，X₄，β₁和β₂的光学扫描装置能够将有效测量点NP安置在对相应应用所期望的位置。

按照公式5有效测量点NP的位置与有效测量点NP的位置的下述的几何确定等效，这借助附图2进行解释。此外在附图2中只标明了分光束TS1的分段S1，S2，所述分段从探头AK向整体量具M伸展并重新返回。分段S1，S2相应地延长并在整体量具M的衬底S中的点P相交。两个分段S1，S2的角平分线W然后准确地在有效测量点NP内落在光轴Z上。

在分裂的分光束多次击中整体量具M的位置测量装置中可以类似地使用上述的公式5。对于每次击中整体量具M可以按照公式5确定各个有效测量点。所述各个有效测量点与理论情况相符合：整体量具可以在两个分光束的每个集中点独立地倾斜。从各个有效测量点NP的算术平均值的形成中获得所形成的位置测量装置的有效测量点，这在几何学上与各个有效测量点NP的重心形成相符合。

通过上述公式5或通过借助附图2解释的与其类似的几何确定可以从开始时所述的EP 2 068 112 A1中很容易地为具有背面光栅的整体量具确定装置的有效测量点。沿Z方向位置测量装置的有效测量点与整体量具的最大的和因此最有利的距离ΔZ_NP为其中通过n_s＝1.5得出ΔZ_NP＝-Z_s/3。由此有效测量点经常远远地位于整体量具的衬底的内部并且因此在Z方向远离TCP，就是说，相应地与TCP之间存在大的阿贝距离并由此在位置确定时产生显著的测量误差。这主要是由于，在设计光学扫描装置时没有考虑到，分裂的分光束在整体量具的Rx倾斜或Ry倾斜的情况下基于穿过透明的衬底经受不同的相移。

因此对于位置测量装置的位于整体量具M的反射光栅G上面或但是沿着Z方向距离探头AK更远的有效测量点NP，必须遵守下述条件：

ΔZ_Np≥0 (公式6)

通过公式5和2从中得出：

如果β₁和β₂小于25°，则公式7可以如下近似于：

这种近似意味着，在整体量具M的上侧上面分光束的两个击中点的重心与光轴Z必须还远于数值

在形成为正面光栅的整体量具中Z_S＝0,这是因为不必考虑反射光栅前面的透明的衬底。但是在这种情况下必须考虑背面的整体量具衬底的厚度Z_B。有效测量点必须位于背面的整体量具衬底的外面，以便在那里能够置入待移动的对象。如果ΔZ_NP重新代表有效测量点与整体量具的光栅之间的距离，则替代公式6-8下述修改的条件必须有效：

ΔZ_NP≥Z_B (公式6′)

在形成为正面光栅的整体量具的情况下X₄＝X₂适用,由此通过公式5和2得出：

如果β₁和β₂再次小于25°，则公式7＇可以如下近似于：

通过简单地置换Z_s→Z_B，X₄→X₂从公式6-8中得出公式6＇-8＇。

通过相应地按照本发明设计位置测量装置的光学扫描装置，现在能够沿着Z方向明确地调节同一位置测量装置的有效测量点并且尤其与在相应的应用中TCP的位置相协调。相应地设计的按照本发明的位置测量装置的光学扫描装置的一个特征是，两个分光束在击中整体量具之前就已经分裂并且在形成为背面光栅或正面光栅的整体量具上衍射的时候，替代常见的在这类系统中朝着光轴Z偏转它们而是分别更远地偏离光轴Z。除了分裂光栅和会聚光栅还需要至少一个额外的偏转元件作为其它的光学部件，所述偏转元件在光路中放置在整体量具之前或之后。所述偏转元件引导分光束返回光轴，和通过整体量具离开光轴至少部分地重新均衡偏转。由分裂光栅，偏转元件和整体量具形成的组合是如下标注尺寸：分光束在会聚光栅位置重新抵达光轴，它们在那里可以干涉。如果在整体量具上多次反射两个分光栅，则至少为其中的一次反射实现上述特征。

第一实施例

在附图3a-3b中所示为按照本发明的光学位置测量装置的第一实施例的不同的剖面图。在此附图3a通过XZ视图显示光源21至反射器26.1,26.2的扫描光程和附图3b相应地显示从反射器26.1,26.2到探测器元件29.1-29.3的扫描光程。在附图3c中通过YZ视图显示总的扫描光路。

按照本发明的位置测量装置包括整体量具10以及至少一个探头20：整体量具10和探头20布置成可以沿X轴，即至少沿一个测量方向相对运动的并且例如与机器的可运动的组件相连接，所述部件必须彼此相对地定位。

在这里涉及的是半导体制作设备的XY台，所述XY台布置成沿着相对垂直定向的X方向和Y方向，即沿着两个测量方向可移动并且在这里形成为2维交叉光栅的整体量具10安装在其上面。在这种情况下在半导体制作设备的与其相对的固定组件上面安置至少两个探头，通过所述探头光学扫描整体量具并且为后置的机器控制系统生成位置信号。

在附图3a-3c的实施例中为了更清楚地进行说明所示的情形为，只探测探头20和整体量具10沿单个的测量方向X的相对运动并且为此设置一维的整体量具10和单个的探头20。

在示出的实施例中整体量具10形成为背面光栅并且包括片状透明的衬底11以及反射光栅12。在这里反射光栅12通过其反射面在衬底方向定向并且从衬底方向被扫描，即来自衬底11方向的光从探头20射在反射光栅12上面。反射光栅20由沿着测量方向X周期地布置的不同的阶梯高度或反射性的分度区组成。

在期望地探测沿至少两个测量方向相对运动的情况下整体量具以熟知的方式和方法形成为二维的交叉光栅并且设置至少两个探头，其中原则上相同地形成但是不同定向地布设多个探头。

在所示的按照本发明的光学位置测量装置的第一实施例的探头20中布设有光源21，准直仪透镜22，具有不同的光栅24,25.1-25.4，27和反射器26.1,26.2，透镜28.1-28.3的扫描板23以及探测器元件29.1-29.3。

以下只对按照本发明的光学位置测量装置的第一实施例中的扫描光路进行解释。

光源21的光束S通过准直仪透镜22校准并且抵达分裂光栅24上面。光束在那里分裂成两个分光束TS1,TS2，分光束的光程关于YZ平面对称。向+X方向偏转的分光束TS1抵达整体量具10的透明的上侧上面，在那里折射并且通过衬底11向整体量具10的在背面布设的反射光栅12传播。在这里该分光束同样在+X方向按+1衍射级反射地衍射并且然后重新击中整体量具10的透明的上侧，在那里重新折射。分光束TS1然后向探头20中的光栅25.1传播，所述光栅在本实施例中向上述一样充当偏转元件。光栅25.1包含多种光学功能作为重叠的衍射结构。一方面其将分光束TS1在X方向平行于光轴Z导向，另一方面在Y方向使分光束TS1偏转到反射器26.1上面并聚焦。在反射器26.1上面反射之后该分光束抵达作为另一个偏转元件工作的光栅25.3，所述光栅在Y方向重新使分光束准直，平行于光轴Z对准并且在X方向偏转。分光束TS1然后第二次向探头20传播，其在那里在上侧上面被折射和在反射光栅12再次以+1衍射级衍射。在整体量具10的上侧上面第四次折射之后该分光束抵达会聚光栅27，从分裂时起关于ZY平面对称地传播的第二分光束TS2击中那里。会聚光栅27使两个分光束进行干涉并且射出三个以所产生的-1,0和+1衍射级重叠的分光栅，所述分光栅通过适当的透镜28.1-28.3映射到探测器元件29.1-29.3上，所述探测器元件生成相应的扫描信号。通过适当地选择会聚光栅27的支架宽度和支架高度将以熟知的方式和方法定义地调节生成的扫描信号之间的相移。在理想的情况下该相移为120°。在附图3a-3c中未显示对扫描信号的继续处理，但是这是以熟知的方式和方法进行并且在输出侧产生对应的位置值。

按照在附图3a-3c中的示图在XZ投射时从分裂到反射器261.，26.2和从所述反射器到光束会聚两个分光束TS1,TS2的光路是一致的。可以分别给两个光路分配有效测量点NP1或NP2。因为它们具有相同的Z位置，链接的光路也以相同的Z距离具有所产生的有效测量点NP。但是在Y方向所产生的有效测量点NP位于在反射光栅12上的第一和第二反射的两个Y辐射位置之间的重心内。

通过上述的，按照公式7的按照本发明的扫描光学系统的设计所示实施例的所产生的有效测量点NP与整体量具10相持较大距离ΔZ_NP地位于背向探头20的一侧。在这里有效测量点NP在光轴Z上面位于分光束TS1,TS2的光程的两个角平分线W和W＇的交点内。通过较大的距离ΔZ_NP可能的是，按照该距离安置例如待处理的晶片上侧或另一个待处理的或待测量的对象和尤其对其准确地定位。其中在多个待探测的测量方向的情况下证明为优选的，形成为背面光栅的整体量具10的反射光栅形成为交叉光栅。通过至少三个探头，其中给每一个测量方向分配至少一个探头，可以按阿贝距离近乎从零开始测量对应的上侧上面的每个点。

第二实施例

在附图4中所示为按照本发明的光学位置测量装置的第二实施例的剖面图；下面仅对与前述第一实施例的重要的区别进行解释。

因为在第一实施例两个分光束在光程中必须经过多个光栅，因此可能导致降低分光束的强度并由此造成降低信号强度。因此优选，减少需要经过的光栅的数量。第二实施例显示一种可能性。在附图4所示实施例中的只显示光源121到反射器126.1,126.2的光路。其它光路与实施例的在附图3b所示的相同；对于该实施例按照附图3c的扫描光束的侧面同样是一致的。

在按照本发明的光学位置测量装置的第二实施例中之前在探头中设置的分裂光栅取消，光束通过所述分裂光栅在那里分裂成两个分光束。取而代之，现在通过重新形成为背面光栅的整体量具110的反射光栅112将光束S分裂成两个分光束TS1，TS2。因此分裂的分光束TS1，TS2在该变型中分别在分裂的光路中只施加整体量具110一次。其它光路很大程度上与第一实施例中的相一致，因此在这里就放弃对相同的光路进行准确说明。

分配给整体量具110上的第一反射的有效测量点NP1位于整体量具110的透明衬底111的内部。对于距离ΔZ_NP1按照公式5和公式2得到：

ΔZ_NP1的负值通过ΔZ_NP2的一个相应地调整的，在数值上较大的值过度补偿，以便为按照本发明的光学位置测量装置的该实施例的所产生的有效测量点总体上得出一个正值ΔZ_NP和所产生的有效测量点位于整体量具110的背向探头120的一侧：

在本例中整个光路的有效测量点NP也像期望的那样位于整体量具110的背向探头120的一侧。由于分光束TS1，TS2总体上必须经过的光栅的数量较低，在实践中得出导致明显地提高信号强度和因此明显降低信号噪声。

第三实施例

在附图5a-5c所示为按照本发明的光学位置测量装置的第三实施例的多个剖面图；在这里不同视图中的光路图与第一实施例中的相对应，即附图5a显示在XZ投射时从光源221到整体量具210的反射光栅212的光路，附图5b显示到探测器元件229.1-229.3的其它光程，附图5c显示在YZ投射时光路的侧面。下面书面再次仅对与第一实施例的重要区别进行说明。

在本按照本发明的光学位置测量装置的第三实施例中两个分光束TS1，TS2在整体量具210上面仅反射一次。由光源221发射的光束通过准直器透镜222校准并且通过位于扫描板223的上侧上面的分裂光栅224分裂成两个分光束TS1，TS2。位于扫描板223的下侧上面的另外两个作为偏转元件工作的光栅225.1,225.2将两个分光束TS1，TS2分别向内在期望的有效测量点NP的方向导向或在光轴Z的方向引导。分光束TS1，TS2抵达整体量具210的透明的衬底211的上侧并且在那里折射。在整体量具210的反射光栅212上面发生将分光束TS1，TS2衍射成+1或-1衍射级，使得两个分光束TS1，TS2在在XZ投射时相对地在探头220方向折回。当在整体量具210的衬底211的透明的上侧上重新折射之后两个分光束TS1，TS2通过位于扫描板223的下侧上面的另外两个作为偏转元件的光栅225.3,225.4向光轴Z的方向引导，使得它们最终在扫描板223的下侧上在光轴Z上面重叠。通过在会聚光栅227上的衍射它们实现进行干扰。重叠的分光束TS1，TS2最终像在第一个和第二实施例中一样以产生的-1.，0.和+1.衍射级射出并且通过透镜228.1-228.3映射到各自从属的探测器元件229.1-229.3上面，所述探测器元件提供相应的与位置相关的相移扫描信号。

在本实施例中下述关系适用：

-β₁＝β₄ (公式11.1)

X₂＝X₄ (公式11.2)

本按照本发明的光学位置测量装置的第三实施例的特殊优势在于，有效测量点NP在这里始终位于到探头220固定的Z距离。其位置尤其不取决于整体量具210的Z位置。整体量具210的衬底211的厚度Z_s对有效测量点NP的位置没有影响。按照本发明的光学位置测量装置的这种变型因此也可以与传统的安装在XY台的下侧上面的正面光栅或反射光栅组合作为整体量具来使用。通过有效测量点相对探头220的固定距离可以分别按应用场合通过适当地Z移动探头220明确地调节有效测量点NP的位置。然后有效测量点NP的位置能够以熟知的方式和方法与例如XY台以及待定位的对象(例如晶片)的厚度相匹配，其中不必改变光学扫描装置。

第四实施例

在附图6a所示为在XZ投射时在附图6b为在YZ投射时按照本发明的位置测量装置的第四实施例。其与第三实施例相似；下面仅对其中的重要区别进行说明。

在本变型中分光束TS1在整体量具310上仅反射一次。光源321的光束S又通过准直器透镜322校准并且通过分裂光栅324分成两个分光束TS1，TS2。所述两个分光束TS1，TS2在击中重新形成为背面光栅的整体量具310之前通过重新作为偏转元件工作的光栅325.1,325.2向内在光轴Z的方向偏转。在那里它们以+1或-1衍射级向外从光轴Z反射开地衍射并且在扫描板323的下侧上在光轴Z的位置击中会聚光栅326。三个以所生成的-1.，0.和+1.衍射级射出的，重叠的光束重新通过三个从属的探测器元件转换成相应的扫描信号，在附图6b中只能识别出其中的唯一的探测器元件329.1。

该实施例的特殊之处在于，每个分光束TS1，TS2只需要一个-这里是光栅325.1，,325.2形式的偏转元件，这对应于最低可能数量的偏转元件。与在分裂光栅324，整体量具310的反射光栅312，和会聚光栅326上的衍射算在一起每个分光束TS1，TS2只需要4次衍射。由此显著提高信号强度。在使用交叉光栅作为整体量具并且所述交叉光栅只将射入的光功率中一小部分反射到期望的衍射级内的情况下，高的信号强度在这时尤为重要。

除了具体说明的实施例之外在本发明范围内自然还存在其它实施可能性。在对它们进行详细探讨之前需要指出，将不同的所阐述的实施例中的措施适当地组合，这是当然可能。

除此之外还允许以许多不同的实施方式实现本发明。因此例如也可以用相反的顺序经历从分裂光栅到会聚光栅的光路。在第二和第四实施例中这导致其它的，等价的解决方案。

也可以使用备选的光学部件来替代分裂光栅和会聚光栅，例如光线分配立方体或局部透明的镜子。也可以首先考虑将镜子或棱镜作为备选的偏转元件。尤其优选使用红外光栅作为偏转元件，所述光栅在期望的衍射级方面具有高的衍射系数。

当然也可能的是，通过镜子使两个分光束均匀地偏转并且由此使光束折叠。这可能对特别小的结构形式有利。

除此之外当然也可以使用其它熟悉的方案来生成相移的扫描信号。尤其可以将极化的元件插入两个分光束的光路中，以便使它们相互正交地，优选线性地或循环地极化。通过极化光学元件，例如极化镜，延迟板和极化的光束分配器能够以熟悉的方法令两个正交极化的分光束重叠，使得生成相移的扫描信号。此外也可以生成条形图，所述条形图在分光束的相位相对变化的情况下移动并且通过条形结构的探测器转换成相移的扫描信号。

在按照本发明的位置测量装置中使用半导体激光和LED作为有利的光源。这些光源原则上也可以在没有后置的准直器光学装置的情况下使用。在这种情况下必须考虑发散的或聚焦的光束的主光线，以便能够相应地借用上述按照本发明的条件。

Claims

1.用于探测整体量具（210；310）和至少一个可沿着至少一个测量方向彼此相对运动的探头（220；320）的相对位置的光学位置测量装置，其中光学扫描装置这样地设计，使得所述光学扫描装置的有效测量点位于在背向探头（220；320）定向的方向上与整体量具（210；310）隔开定义的距离上，其中所述有效测量点对应于这样的点：探头（220；320）和整体量具（210；310）围绕所述点的线性近似的倾斜不导致位置测量值的偏移，以及

-为了光学扫描整体量具（210；310），光束被分裂成两个分光束，两个分光束中的每一个施加整体量具（210；310）的反射光栅（212；312）仅一次并借此经受衍射，以便在射入在反射光栅（212；312）上面的和由此反射回去的分光束之间的角平分线在某点与光轴相交，所述的点位于整体量具（210；310）的与探头（220；320）相背的侧上并且是所述光学扫描装置的有效测量点，

-至少在施加反射光栅（212；312）之前实现光束分裂成两个分光束，

-当在反射光栅（212；312）上面实现衍射时分别实现分光束从光轴离开的偏转，以及

-通过至少一个偏转元件实现朝光轴的向回偏转，在那里分光束进行重新会聚。

2.根据权利要求1所述的光学位置测量装置, 其中在分裂与重新会聚之间的分裂的分光束相对光轴对称地伸展。

3.根据权利要求1所述的光学位置测量装置,其中整体量具（210；310）形成为背面光栅并且包括片状的，透明的衬底（111；211）以及反射光栅（212；312），所述反射光栅（212；312）的反射侧定向在衬底（111；211）方向和探头（220；320）方向上。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的光学位置测量装置,其中整体量具形成为正面光栅并且包括反射光栅，所述反射光栅的反射侧定向在探头方向上。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的光学位置测量装置,其中，

-整体量具布设成可相对第一探头沿着第一测量方向相对移动，和

-整体量具布设成可相对第二探头沿着第二测量方向移动，其中第二测量方向定向成与第一测量方向正交。

6.根据权利要求5所述的光学位置测量装置,其中整体量具布设成可以相对第三探头沿着第一或第二测量方向移动。

7.根据权利要求5所述的光学位置测量装置,其中整体量具设计成交叉光栅。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的光学位置测量装置,其中探头（220；320）包括光源（221；321），多个探测器元件（229.1 - 229.3;329.1）以及扫描板(223;323)，所述扫描板在一侧上面具有分裂光栅(224；324)以及会聚光栅(227；326)和在对立侧上面具有多个其它光栅（225.1 - 225.4；325.1 - 325.4），使得

-由光源（221；321）发射的光束通过分裂光栅(224；324)被分裂成两个分光束，

-然后分光束分别在扫描板(223;323)的对立侧上的其它光栅（225.1 - 225.4；325.1- 325.4）方向上传播并由此分别经受向光轴方向的偏转，

-然后在整体量具（210；310）的方向上继续传播，在整体量具（210；310）沿探头（220；320）方向产生衍射和向回反射，

-分光束分别通过其它光栅经受光轴方向上的偏转并且在所述扫描板(223;323)的会聚光栅(227；326)方向上传播，在那里分光束达到干涉重叠，并且

-重叠的分光束从会聚光栅(227；326)在探测器元件（229.1 - 229.3; 329.1）方向上传播，通过所述探测器元件可以采集相移扫描信号。