DD226642B1

DD226642B1 - DEVICE FOR TILTING FAULT-FREE MEASUREMENT OF MOVEMENTS OF A BODY

Info

Publication number: DD226642B1
Application number: DD24634882A
Authority: DD
Inventors: Franz Klapper; Hans-Juergen Furchert
Original assignee: Univ Schiller Jena
Priority date: 1982-12-22
Filing date: 1982-12-22
Publication date: 1988-03-16
Also published as: DE3346095A1; DD226642A1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen von Verschiebungen eines Korpers mittels einer lichtelektnschen Abtasteinheit und einer elektronischen AuswerteeinheitThe invention relates to a device for measuring displacements of a body by means of a lichtelektnschen scanning unit and an electronic evaluation unit

Sie ist insbesondere geeignet zur Gewinnung eines Korrektursignals fur die Ruckstellung der bei einer zu messenden Verschiebung des Korpers auf einer Flache durch Verdrehen des Korpers um eine Flachennormale zwischen einem mit dem Korper fest verbundenen Kreuzraster und einem raumfesten Koordinatensystem hervorgerufenen KippfehlerIt is particularly suitable for obtaining a correction signal for the recovery of the displacement of the body on a surface to be measured by turning the body about a flat normal between a cross grid firmly connected to the body and a space-fixed coordinate system caused tilt error

Characteristic of the known technical solutions

Es wurde bereits eine Einrichtung zum Messen von Verschiebungen und Drehungen eines Korpers mittels einer lichtelektnschen Abtasteinheit und einer elektronischen Auswerteeinheit vorgeschlagen (DD 206424) Diese Einrichtung enthalt zur Vermeidung von Phasenfehlern Empfangerelemente, von denen die zu einer Phasenlage des Meßsignals gehörenden in jeweils zwei Gruppen zusammengefaßt sind, die weitestgehend symmetrisch zu einer den Gruppen aller Phasenlagen gemeinsamen Mittellinie der Empfangeranordnung liegen Kennzeichnend fur diese Einrichtung ist, daß zur Vermeidung von Amplitudenunterschieden zwischen den Signalen verschiedener Phasenlagen die Gruppen fur jede Phasenlage möglichst gleiche geometrische Entfernungen von der Mittellinie aufweisen, was insbesondere durch Hinzufugen weiterer Gruppen fur jede Phasenlage erreicht wird Es gelingt mit dieser Einrichtung, phasen- und amplitudenkomgierte Meßsignale zu erhalten, was fur die unverfälschte Bestimmung der Meßgroße von Bedeutung ist Die Einflüsse von Kippfehlern 1 und 2 Ordnung bleiben aber unberücksichtigt Das gilt sowohl fur eine Messung in einer Dimension, wie auch fur eine Verschiebung in einem zweidimensional Korrdinatensystem, wobei zwei lichtelektrische Abtasteinheiten vorgesehen sind, deren Mittellinien senkrecht aufeinander stehenIt has already been proposed a device for measuring displacements and rotations of a body by means of a lichtelektnschen scanning unit and an electronic evaluation unit (DD 206424) This device contains to avoid phase errors receiver elements, of which belonging to a phase position of the measuring signal are combined into two groups Characteristic of this device is that to avoid amplitude differences between the signals of different phase positions, the groups for each phase as possible the same geometric distances from the center line have, which in particular by adding more It is possible with this device to obtain phase- and amplitude-processed measurement signals, which is important for the unadulterated determination of the measured variable The influence of tilt errors 1 and 2 is not taken into account. This applies both to a measurement in one dimension and to a displacement in a two-dimensional coordinate system, whereby two photoelectric scanning units are provided whose center lines are perpendicular to one another

Es ist weiterhin eine Vorrichtung zur Messung von Lageabweichungen bekannt (DE 032543645, die insbesondere zur Ausrichtung von Halbleiterplattchen in bezug auf eine vorgegebene Sollposition angewendet werden soll Die Lage einer Kante im Objekt wird mit einer Photodiodenzelle kontrolliert Um die gemessenen Lageabweichungen unmittelbar in kartesischen Koordinaten angeben zu können, wobei auch die Große einer möglichen Winkelverdrehung gemessen werden kann, besteht die Vorrichtung aus zwei parallel und einer senkrecht dazu angeordneten Photodiodenzeile Diese Vorrichtung ist nur zur sogenannten Kantenerkennung und deren Lagekorrektur geeignet, bei größeren Verschiebungen in einem kartesischen Koordinatensystem ware der Aufwand fur eine logische Zuordnung von Lage und Meßsignal unvertretbar hochFurthermore, a device for measuring positional deviations is known (DE 032543645, which is to be used, in particular, for aligning semiconductor chips with respect to a predetermined target position. The position of an edge in the object is controlled with a photodiode cell in order to indicate the measured positional deviations directly in Cartesian coordinates can, wherein the size of a possible angular rotation can be measured, the device consists of two parallel and a perpendicular thereto arranged photodiode line This device is only for so-called edge detection and their position correction suitable for larger shifts in a Cartesian coordinate system would be the effort for a logical Assignment of position and measurement signal unreasonably high

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist die Vervollkommnung einer Meßeinrichtung zur kippfehlerfreien Messung von Verdrehungen eines KorpersThe aim of the invention is the perfection of a measuring device for zero-error measurement of torsions of a body

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung I legt die Aufgabe zug runde, bei der Messung der zweidimensionalen Verschiebungeines Korpers auf einer Flache neben der Bestimmung der Lagekoordinaten auch Signale fur die Ruckstellung von Verdrehungen zur Vermeidung von Kippfehlern zu gewinnenThe object of the invention is to obtain, in addition to the determination of the position coordinates, signals for the recovery of twists in order to avoid tilting errors when measuring the two-dimensional displacement of a body on a surface

Die Losung dieser Aufgabe gelingt mit einer Einrichtung zum Messen von Verschiebungen eines Korpers auf einer Flache mittels zweier lichtelektnschen Abtasteinheiten, deren Mittellinien senkrecht aufeinander stehen und einer weiteren Abtasteinheit, die zu einer der beiden Abtasteinheiten parallel angeordnet ist sowie einer elektronischen Auswerteeinheit erfindungsgemaßThe solution of this object is achieved with a device for measuring displacements of a body on a surface by means of two lichtelektnschen scanning units whose center lines are perpendicular to each other and another scanning unit, which is arranged parallel to one of the two scanning units and an electronic evaluation unit according to the invention

dadurch, daß zur Erfassung der Verdrehung einer Abtasteinheit und zur gleichzeitigen Erfassung eines Korrektursignals für die Rückstellung dieser Verdrehung zur Vermeidung von Kippfehlern die weitere Abtasteinheit in einer durch die gewünschte Verdreherfassungsempfindlichkeit bestimmten Entfernung zu einer der beiden Abtasteinheiten angeordnet ist.in that for detecting the rotation of a scanning unit and for simultaneously detecting a correction signal for the recovery of this rotation to avoid tilting errors, the further scanning unit is arranged in a predetermined by the desired Verdrehherfassungsempfindlichkeit distance to one of the two scanning units.

Bei einer unbeabsichtigten Verdrehung des Körpers und der mit ihm starr verbundenen Abtasteinheiten kommt es zwischen einer der beiden senkrecht aufeinanderstellenden Abtasteinheiten und der weiteren Abtasteinheit zu unterschiedlichen Wegpositionen. Diese Differenz ist ein Maß für den Verdrehungswinkel.In an unintentional rotation of the body and the scanning units rigidly connected to it occurs between one of the two scanning units perpendicular to each other and the other scanning unit to different path positions. This difference is a measure of the twist angle.

Die Abtasteinheiten sind vorzugsweise integriert auf einen Träger untergebracht und bilden gemeinsam eine Empfängeranordnung. Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es möglich, die Messung von Verschiebungen eines Körpers entlang beliebiger Wege in einem zweidimensionalen Koordiantensystem bzw. eine Vermessung von Bildpunkten eines Objektes kippfehlerfrei durchzuführen.The scanning units are preferably integrated on a carrier and together form a receiver arrangement. With the device according to the invention, it is possible to perform the measurement of displacements of a body along arbitrary paths in a two-dimensional coordinate system or a measurement of pixels of an object without tilting.

embodiment

Das Wesen der Erfindung soll an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Es zeigenThe essence of the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing. Show it

Fig. 1: eine Anordnung zur Ausmessung von Objekten bzw. von Bildern von Objekten, Fig. 2: einen Schnitt durch diese Anordnung und Fig.3: die lichtelektrische Empfängeranordnung.1 shows an arrangement for measuring objects or images of objects, FIG. 2 shows a section through this arrangement and FIG. 3 shows the photoelectric receiver arrangement.

Ein Objekt 1 befindet sich auf einer verschiebbaren Objektträgerplatte 5, die auf einem Objekttisch 6 bewegt werden kann. Starr verbunden mit dem Objekt 1 bzw. der Objektträgerplatte 5 ist in möglichst geringer Entfernung ein Kreuzraster 2, das von einer an dem Objekttisch 6 befestigten Empfängeranordnung 3 abgetastet wird.An object 1 is located on a displaceable slide plate 5, which can be moved on a stage 6. Rigid connected to the object 1 and the slide plate 5 is in the shortest possible distance a cross grid 2, which is scanned by a fixed to the stage 6 receiver assembly 3.

Das Kreuzraster wird von einer Lichtquelle? beleuchtet, eine Verschiebung des Kreuzrasters gemeinsam mit der Objektträgerplatte 5 erzeugt in der Empfängeranordnung ein entsprechendes Signal. Die Objektpunkte, deren Lage auf dem Objekt 1 bestimmt werden soll, werden mit Hilfe eines Mikroskops, von dem nur das Objektiv 4 in der Zeichnung dargestellt ist, anvisiert und erscheinen in der Bildebene in einer bestimmten Position des Gesichtsfeldes. Dort können sie einem zweidimensionalen Koordinatensystem zugeordnet werden. Die Lage aller im Gesichtsfeld des Mikroskops liegenden Punkte des Objekts sind bestimmt, wenn die Verschiebung eines im Koordinatensystem der Bildebene liegenden Punktes, beispielsweise des Koordinatennullpunktes, gemessen wird.The cross grid is from a light source? illuminated, a displacement of the cross grid together with the slide plate 5 generates a corresponding signal in the receiver assembly. The object points, whose position is to be determined on the object 1, are targeted by means of a microscope, of which only the objective 4 is shown in the drawing, and appear in the image plane in a specific position of the visual field. There they can be assigned to a two-dimensional coordinate system. The position of all lying in the field of view of the microscope points of the object are determined when the displacement of a lying in the coordinate system of the image plane point, for example, the coordinate zero point is measured.

Außerdem ist die erfindungsgemäße Einrichtung als Bestandteil eines inkremental geregelten Flächenantriebes geeignet, bei dem die Meß- und Korrektursignale des Meßsystems mit den vorgegebenen Führungssignalen über spezielle elektronische Zähler verglichen werden und die Differenz zur Lageregelung der Objektträgerplatte einem elektronischen digitalen oder nach Digital-Analog-Umsetzung einem analogen Regler, vorzugsweise mit PID-Charakteristik für jede Koordinate und für die Korrektur der auftretenden Verdrehungen getrennt zugeführt wird.In addition, the device according to the invention is suitable as part of an incrementally controlled surface drive in which the measurement and correction signals of the measuring system are compared with the predetermined guide signals via special electronic counter and the difference to the position control of the slide plate an electronic digital or digital-to-analog conversion analog controller, preferably supplied with PID characteristic for each coordinate and for the correction of the occurring torsions separately.

Mit der erfindungsgemäßen Empfängeranordnung 3 ist neben der Messung des Verschiebeweges in einem zweidimensionalen Koordinatensystem eine kleine Winkelverdrehung nachweisbar. Ist z. B. die lichtelektrische Abtasteinheit 8 zur Messung der x-Koordinate und die lichtelektrische Abtasteinheit 10 zur Messung der y-Koordinate vorgesehen, so ist es durch die Anordnung einer dritten lichtelektrischen Abtasteinheit 9 parallel zu der Abtasteinheit 8 möglich, eine Aussage über eine unbeabsichtigte Kippfehler verursachende Verdrehung zu gewinnen. Alle drei lichtelektrischen Abtasteinheiten sind vorzugsweise integriert auf einem Halbleiterchip untergebracht.With the receiver assembly 3 according to the invention a small angular rotation can be detected in addition to the measurement of the displacement in a two-dimensional coordinate system. Is z. B. the photoelectric scanning unit 8 for measuring the x-coordinate and the photoelectric scanning unit 10 is provided for measuring the y-coordinate, it is possible by the arrangement of a third photoelectric scanning unit 9 parallel to the scanning unit 8, a statement about an unintentional tilt error causing Win twist. All three photoelectric scanning units are preferably integrated on a semiconductor chip.

Bei Verdrehung des Körpers und damit des Kreuzrasters treten an den Abtasteinheiten 8 und 9 verschiedene Wegpositionen auf dem Kreuzraster auf, deren Differenz eine Aussage über den Verdrehungswinkel liefert. Die Empfindlichkeit für die Bestimmung der Verdrehung ist dabei von dem gegenseitigen Abstand der beiden Abtasteinheiten 8 und 9 abhängig. Um die durch die Verdrehung verursachten Kippfehler bei der Bestimmung der Lageposition eines Objektpunktes nicht größer als beispielsweise 0,1 μ,ιτι werden zu lassen, darf die Verdrehung der Objektträgerplatte 5 gegenüber dem Objekttisch 6 eine Größe von 0,5" nicht überschreiten. Das gilt, wenn der auszumessende Objektpunkt ca. 40mm vom Mittelpunkt der Empfängeranordnung entfernt liegt.Upon rotation of the body and thus the cross grid occur on the scanning units 8 and 9 different path positions on the cross grid, the difference provides a statement about the twist angle. The sensitivity for the determination of the rotation is dependent on the mutual distance of the two scanning units 8 and 9. In order not to let the tilting error caused by the rotation when determining the positional position of an object point be greater than, for example, 0.1 μm, the rotation of the slide plate 5 with respect to the object table 6 must not exceed a size of 0.5 " when the object point to be measured is about 40mm from the center of the receiver array.

Claims

1. A device for measuring displacements of a body on a surface by means of two photoelectric scanning units whose center lines are perpendicular to each other and a further scanning unit, which is arranged parallel to one of the two scanning units and an electronic evaluation unit, characterized in that for detecting the rotation of a Scanning unit and for simultaneously detecting a correction signal for the recovery of this rotation to prevent tilting errors, the further scanning unit is arranged in a predetermined by the desired Verdrehherfassungsempfindlichkeit distance to one of the two scanning units.

2. Device according to claim 1, characterized in that the photoelectric scanning units are housed together integrated on a carrier.