DE102005053088A1

DE102005053088A1 - Verfahren zum Befestigen eines Maßstabs an einen Träger sowie Maßstab und Träger mit diesem Maßstab

Info

Publication number: DE102005053088A1
Application number: DE200510053088
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Speckbacher; Josef Dr. Weidmann; Wolfgang Dr. Holzapfel; Wolfgang Dr. Pucher; Jörg Dr. Drescher
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2005-11-04
Filing date: 2005-11-04
Publication date: 2007-05-10
Also published as: CN1959540A; CN1959540B

Abstract

Gemäß der Erfindung wird ein Maßstab (10) durch Bonden an einen Träger (50) befestigt. Die Bondverbindungen werden von voneinander beabstandeten erhabenen Oberflächenbereichen (60) des Maßstabs (10) gebildet (Figur 4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befestigen eines Maßstabs an einen Träger.
Zur Messung der Relativlage zweier Maschinenteile ist an einem der Maschinenteile ein Maßstab zu befestigen und am anderen der zueinander beweglichen Maschinenteile eine Abtasteinheit. Bei der Positionsmessung wird eine Teilung des Maßstabs von der Abtasteinheit abgetastet.
Bei der Befestigung eines Maßstabs an einen Träger unterscheidet man zwei Grundprinzipien. Bei dem ersten Grundprinzip wird der Maßstab am Träger derart befestigt, dass er sich bei Temperaturänderungen gegenüber dem Träger frei ausdehnen kann. Die Befestigung erfolgt hier mittels in Messrichtung auslenkbarer Befestigungselemente oder mittels einer elastischen Klebeschicht.
Bei dem zweiten Grundprinzip wird der Maßstab am Träger starr befestigt. Dabei können Träger und Maßstab aus einem Material mit gleichem Aus dehnungskoeffizienten bestehen. Bestehen Träger und Maßstab aus unterschiedlichen Materialien, wird dem Maßstab das Temperaturverhalten des Trägers aufgezwungen. Die Befestigung erfolgt hier über fest aushärtende dünne Klebeschichten oder über Ansprengen.

Zur hochgenauen Positionsmessung werden vorzugsweise Maßstäbe aus Glas oder Glaskeramik mit vernachlässigbarem Ausdehnungskoeffizienten eingesetzt. Diese Maßstäbe lassen sich gut bearbeiten, so dass hier das Ansprengen an optischen Gegenflächen gebräuchlich ist, wie in der DE 101 53 147 A1 beschrieben.

Das Problem beim Ansprengen eines Maßstabs ist, dass die Verbindung leicht durch Verunreinigungen oder Luftblasenbildung gestört sein kann. Weiterhin wird eine hohe Ebenheit der Verbindungsflächen gefordert, was einen hohen Aufwand erfordert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das diese Probleme behebt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Träger mit einem daran stabil befestigten Maßstab anzugeben.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Träger gemäß dem Anspruch 3.

Weiterhin betrifft die Erfindung einen Maßstab mit den Merkmalen des Anspruchs 5.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
1 einen Maßstab und einen Träger zur Befestigung des Maßstabs,
2 den am Träger befestigten Maßstab gemäß 1,
3 einen Längsschnitt durch den Maßstab und den Träger gemäß 2,
4 einen weiteren Träger und einen weiteren Maßstab und
5 den am Träger befestigten Maßstab gemäß 4.
In den 1 bis 3 ist ein Maßstab 1 aus Glas oder Glaskeramik (z. B. ZERODUR) mit einer Messteilung 2 dargestellt. Die Messteilung 2 ist eine inkrementale Teilung, die zur Positionsmessung in Messrichtung X abtastbar ist. Die Messteilung kann ein reflektierendes Amplitudengitter oder ein Phasengitter sein, das in bekannter Weise zur hochgenauen interferentiellen Positionsmessung dient. Der Maßstab 1 weist im Bereich seiner Besselpunkte Erhebungen 3 auf, die als Auflage zum Auflegen auf eine Gegenfläche 4 eines Trägers 5 dienen. Der Träger 5 besteht vorzugsweise ebenfalls aus Glas oder Glaskeramik (z. B. ZERODUR).
Die der Gegenfläche 4 des Trägers 5 gegenüberliegenden Oberflächen 6 der Erhebungen 3 sowie die Gegenfläche 4 sind saubere und hochgradig polierte Oberflächen. Die erforderliche Oberflächengüte wird durch mechanische abrasive Politur oder chemomechanische Politur erreicht.
Die Erhebungen 3 am Maßstab 1 werden vorzugsweise durch bekannte Strukturierungsverfahren erzeugt, indem die Bereiche der Erhebungen 3 abgedeckt werden und das Material um die Erhebungen 3 herum weggeätzt wird. Die Erhebungen 3 sind somit einstückig am Maßstab 1 ausgebildet.
Die Verbindung des Maßstabs 1 mit dem Träger 5 erfolgt durch Bonden der Oberflächen 6 der Erhebungen 3 mit der Gegenfläche 4 des Trägers 5. Grundlage des der Erfindung zugrundeliegenden Bondens ist die Adhäsion, indem saubere, paßfähige und polierte Oberflächen aneinander haften, wenn ihr Abstand in die Reichweite der atomaren Bindungskräfte gelangt. Die Oberflächen 6 der Erhebungen sind daher so ausgebildet, dass diese eine bondbare Oberfläche 6 zum Herstellen einer Bondverbindung mit der Gegenfläche 4 des Trägers 5 aufweisen.
Dieses Bonden kann das Direktbonden (direct bonding) sein, das auch als Ansprengen bezeichnet wird. Beim Direktbonden kann die Bindungswirkung durch Wärmeeinwirkung erhöht werden, oder durch Aufbringen von oberflächenaktiver Mittel. Durch das Direktbonden mit oberflächenaktiver Mittel wird eine gute Bondfestigkeit auch bei relativ niedrigen Temperaturen erreicht. Eine besondre Art von oberflächenaktiver Mittel ist das Einbringen von auskristallisierender Flüssigkeit. Dieses Bondverfahren wird auch als Low-Temperature-Bonding-Technik (LTB) bezeichnet und ist in einer über das Internet zugängliche Abhandlung der Firma SCHOTT mit dem Titel: „SCHOTT Low Temperature Bonding for Precision Optics" von Carol Click, Leo Gilroy and Dave Vanderpool erläutert, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird. Beim LTB-Verfahren besteht der Maßstab 1 und der Träger 5 jeweils aus Glaskeramik mit einem Ausdehnungskoeffizienten nahe Null, insbesondere ZERODUR.
Das Bonden kann auch ein anodisches Bonden sein, bei dem auf einem der miteinander zu verbindenden Oberflächen 6, 4 von Maßstab 1 oder Träger 5 eine metallische elektrisch leitende Hilfsschicht, z.B. Aluminium als Zwischenschicht zwischen den Erhebungen 3 und der Gegenfläche 4 aufgebracht ist. Diese Hilfsschicht kann eine aufgedampfte Schicht sein. Beim anodischen Bonden wird zwischen der Hilfsschicht und dem Träger 5 eine Spannung angelegt, so dass Ionen der Hilfsschicht in den Träger 5 und/oder Ionen des Trägers 5 in die Hilfsschicht wandern. Die angelegte Spannung generiert eine elektrostatische Anziehungskraft, welche einen atomaren Kontakt zwischen dem Maßstab und dem Träger bewirkt.
Vermehrt werden zur mehrdimensionalen Positionsmessung Maßstäbe 10 mit einer zweidimensionalen Messteilung 20 eingesetzt. Dabei werden relativ großformatige Maßstäbe 10 (etwa 40 cm × 40 cm) auf einer Fläche 40 eines Maschinenteils 50 befestigt. Besonders bei Lithographie-Geräten, bei denen die Maschinenteile 50, an denen der Maßstab 10 zu befestigen ist, aus Glaskeramik (z.B. ZERODUR) mit einem Ausdehnungskoeffizienten nahe Null bestehen, ist die Erfindung vorteilhaft einsetzbar. Eine derartige Maschine mit einem Maßstab mit einer zweidimensionalen Messteilung ist in der US 2004/0263846 A1 erläutert, auf die hier Bezug genommen wird.
Dabei kann es erforderlich sein, dass mehrere Maßstäbe 10 zweidimensional nebeneinander mosaikartig auf einer Maschinenfläche 50 von beispielsweise 1 m × 2 m befestigt werden müssen, um den erforderlichen Messbereich von etwa 1 m × 2 m abzudecken. Die Maßstäbe 10 mit der insbesondere lichtelektrisch abtastbaren Messteilung 20 sind in der erforderlichen Präzision nämlich nur in Größen von etwa 40 cm × 40 cm fertigbar. Jeder dieser Maßstäbe 10 kann nun erfindungsgemäß am Träger 50 befestigt werden, wie in den 4 und 5 dargestellt ist.
Bei dieser Befestigung werden die oben erläuterten Bondverfahren eingesetzt.
In den 4 und 5 ist ein Maßstab 10 mit einer zweidimensionalen Messteilung 20 – auch Kreuzgitter genannt – beispielhaft dargestellt. Auf der dem Träger 50 zugewandten Oberfläche des Maßstabs 10 sind Erhebungen 30 als Bondflächen ausgebildet. Diese Erhebungen 30 sind beispielsweise zweidimensional geometrisch gleichmäßig in einem regelmäßigen Raster verteilt oder statistisch verteilt. Die Erhebungen 30 können jeweils kreisför mig ausgebildet sein, mit einem Durchmesser kleiner 30 mm, typisch 1 mm bis 3 mm und mit einem gegenseitigen Abstand von etwa 1 mm bis 3 mm. Die Höhe der Erhebungen 30 ist in vorteilhafter Weise größer 0,1 μm, günstige Werte sind insbesondere 10 μm bis 20 μm. Die Ebenheit der Oberflächen 60 der Erhebungen 30 liegt im Bereich von kleiner 500 nm auf einem Durchmesser von ca. 10 mm, typisch 30 nm auf 10 mm. Die als Bondflächen ausgebildeten Oberflächen 60 der Erhebungen 30 liegen wiederum in einer gemeinsamen Ebene.
Die zweidimensionale räumliche Verteilung der Erhebungen 30 sollte so erfolgen, dass zwischen den Erhebungen 30 Öffnungskanäle entstehen, die – bezogen auf die X-Y-Ebene – bis zum Rand des Maßstabs 10 reichen. Durch diese Maßnahme können oberflächenaktive Mittel nach dem Bonden leicht aus dem Raum zwischen Maßstab 10 und Träger 50 entweichen. Weiterhin können Lufteinschlüsse über die gesamte Fläche des Maßstabs 10 über die Öffnungskanäle leicht entweichen, was die Bondfestigkeit erhöht sowie eine gute Ebenheit des Maßstabs 10 sicherstellt.
Die Erhebungen 30 sind so ausgebildet, dass die Kanten – Übergänge zu den daneben liegenden Vertiefungen –, welche die Öffnungskanäle bilden) abgerundet sind. Dadurch können die zu bondenden Oberflächen 60 besser gereinigt und ggf. oberflächenaktiviert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Gefahr der Absplitterung von Material erheblich verringert wird.
Bei den dargestellten Beispielen sind die voneinander beabstandeten Erhebungen 3, 30 in Form von Noppen am Maßstab 1, 10 ausgebildet. Die Erhebungen 3, 30 können alternativ oder zusätzlich auch am Träger 5, 50 ausgebildet sein.
Die Form und Anordnung der Erhebungen 3, 30 ist nicht auf die dargestellten Ausführungen beschränkt. Anstelle von kreisförmigen Erhebungen 3, 30 können beispielsweise auch rechteckförmige Erhebungen Verwendung finden.
Bei zumindest annähernd quadratischen oder runden Maßstäben können die Erhebungen eine kinematisch bestimmte Auflage bilden, indem nur drei Erhebungen in einer Ebene verteilt vorgesehen sind.
Allen Bondverfahren der Erfindung ist gemeinsam, dass die zu verbindenden Oberflächen 4, 6; 40, 60 bis auf wenige Atomabstände zueinander gebracht werden, um entweder durch Vander-Waals-Kräfte aneinander gezogen werden zu können (Direktbonden), oder aber durch Aufbau weniger Atomlagen in Form einer Zwischenverbindung eine atomare Verbindung herstellen zu können (LTB, anodisches Bonden).

Claims

Verfahren zum Befestigen eines Maßstabs (1, 10) an einen Träger (5, 50) durch Herstellen einer Bondverbindung zwischen dem Maßstab (1, 10) und dem Träger (5, 50), dadurch gekennzeichnet, dass die Bondverbindung an mehreren voneinander beabstandeten Oberflächenbereichen (6, 60) des Maßstabs (1, 10) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bondverbindung durch Direktbonden, Low-Temperature-Bonding oder anodisches Bonden erfolgt.
Träger mit einem Maßstab (1, 10), wobei der Maßstab (1, 10) am Träger (5, 50) durch Bonden befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bonden an mehreren voneinander beabstandeten Oberflächenbereichen (6, 60) des Maßstabs (1, 10) ausgeführt ist.
Träger mit einem Maßstab (1, 10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Maßstab (1, 10) und/oder am Träger (5, 50) Erhebungen (3, 30) ausgebildet sind, welche die voneinander beabstandeten Oberflächenbereiche (6, 60) bilden.
Maßstab mit einer Befestigungsfläche zum Befestigen an einen Träger (5, 50), dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsfläche von voneinander beabstandeten Erhebungen (3, 30) gebildet ist, wobei die Erhebungen (3, 30) jeweils eine bondbare Oberfläche (6, 60) zum Herstellen einer Bondverbindung mit einer Gegenfläche (4, 40) des Trägers (5, 50) aufweisen.