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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Halten eines Maßstabs an
einem Träger.
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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 Messteilung
des Maßstabs
von der Abtasteinheit abgetastet.
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Zur
hochgenauen Positionsmessung ist es notwendig, dass der Maßstab stabil
und driftfrei am Träger
gehalten wird. Eine hohe Stabilität und Driftfreiheit im Nano-
und Subnanometerbereich verlangt einen äußerst kurzen Kraftweg, der
möglichst
auf die Kontaktfläche
beschränkt
bleiben soll und nicht die gesamte Dicke des Maßstabs einschließen sollte.
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Ein
kurzer, möglichst
auf die Kontaktfläche beschränkter Kraftweg
lässt sich
beispielsweise durch Ansprengen (atomare van-der-Waals-Kräfte) erreichen.
Dabei werden vorzugsweise Maßstäbe aus Glas
oder Glaskeramik mit vernachlässigbarem Ausdehnungskoeffizienten
eingesetzt. Diese Maßstäbe lassen
sich gut bearbeiten, so dass hier das Ansprengen an optisch polierten
Gegenflächen
gebräuchlich
ist, wie in der
DE
101 53 147 A1 beschrieben. Ansprengen ist eine sehr driftstabile
Befestigungsmethode für
Maßstäbe. Bei
einer Ansprengung besteht aber die Gefahr, dass sich der Maßstab abschält bzw.
partiell löst.
Die Außenränder eines
angesprengten Maßstabs
können
daher labil sein, wenn am Rande Wechselbelastungen auftreten (z.B.
durch Beschleunigung oder Temperaturvariationen) und dadurch diese
Randzonen wiederkehrend abgeschält
und angesprengt werden. Darüber
hinaus ist ein angesprengter Maßstab
nur schwer wieder vom Träger
lösbar
und somit ein Austausch eines beschädigten Maßstabs nur schwer möglich.
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Eine
weitere bekannte Methode zum Halten eines Maßstabs an einem Träger ist
das Kleben im Bereich der Auflagefläche. Je nach Art des Klebers und
Dicke der Klebung kann es durch Schrumpfungsprozesse des Klebers
zu Verspannungen zwischen Träger
und Maßstab
kommen, welche zu nicht reproduzierbaren Längenfehlern im Maßstab führen. Diese
Schrumpfungsprozesse im Kleber werden z.B. durch Alterung des Klebers,
durch Temperatur- und Luftfeuchteänderungen induziert. Aufgeklebte
Maßstäbe sind
auch schwer wieder ablösbar,
sie lassen sich kaum rückstandsfrei
ablösen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein Maßstab möglichst
driftstabil aber lösbar
an einem Träger
gehalten werden kann.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung mit einem Träger und
mit einem daran lösbar
und trotzdem stabil befestigten Maßstab anzugeben.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch eine Anordnung gemäß dem Anspruch 8.
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Vorteilhafte
Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Vorteile
der Erfindung sind der Beschreibung der Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Diese Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Anordnung mit einem Träger
und einem daran befestigten Maßstab
in einer Seitenansicht;
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2 die
Anordnung gemäß 1 in
Draufsicht;
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer Anordnung mit einem Träger
und einem daran befestigten Maßstab
in einer Seitenansicht;
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4 ein
drittes Ausführungsbeispiel
einer Anordnung mit einem Träger
und einem daran befestigten Maßstab
in einer Seitenansicht;
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5 ein
viertes Ausführungsbeispiel
einer Anordnung mit einem Träger
und einem daran befestigten Maßstab
in einer Seitenansicht;
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6 die
Anordnung gemäß 5 in
Draufsicht;
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7 ein
fünftes
Ausführungsbeispiel
einer Anordnung mit einem befestigten Maßstab in einer Draufsicht;
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8 die
Anordnung gemäß 7 im
Querschnitt;
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9 ein
sechstes Ausführungsbeispiel
einer Anordnung mit einem Träger
und einem daran befestigten Maßstab
in einer Draufsicht;
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10 ein
siebtes Ausführungsbeispiel
einer Anordnung mit einem Träger
und einem daran befestigten Maßstab
in einer Draufsicht;
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11 ein
achtes Ausführungsbeispiel
einer Anordnung mit einem Träger
und einem daran befestigten Maßstab
in einer Seitenansicht;
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12 ein
neuntes Ausführungsbeispiel
einer Anordnung mit einem Träger
und einem daran befestigten Maßstab
in einer Seitenansicht;
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13 ein
zehntes Ausführungsbeispiel
einer Anordnung mit einem Träger
und einem daran befestigten Maßstab
in einer Seitenansicht;
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14 ein
elftes Ausführungsbeispiel
einer Anordnung mit einem Träger
und einem daran befestigten Maßstab
in einer Seitenansicht;
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15 ein
zwölftes
Ausführungsbeispiel
einer Anordnung mit einem Träger
und einem daran befestigten Maßstab
in einer Draufsicht;
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16 die
Anordnung gemäß 15 im Schnitt;
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17 ein
dreizehntes Ausführungsbeispiel einer
Anordnung mit einem Träger
und einem daran befestigten Maßstab
in einer Seitenansicht;
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18 ein
vierzehntes Ausführungsbeispiel einer
Anordnung mit einem Träger
und einem daran befestigten Maßstab
in einer Seitenansicht und
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19 ein
fünfzehntes
Ausführungsbeispiel einer
Anordnung mit einem Träger
und einem daran befestigten Maßstab
in einer Seitenansicht.
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Grundlage
der Erfindung und somit aller nachfolgenden Ausführungsbeispiele ist die Halterung
eines Maßstabs 1 an
einem Träger 2 mittels elektrostatischer
Klemmung. Diese elektrostatische Klemmung beruht auf der Anziehung
zweier entgegengesetzt geladener Körper. Dabei wird der Maßstab 1 gemäß der Erfindung
durch direkte elektrostatische Klemmung am Träger 2 befestigt. Durch
Anlegen einer elektrischen Spannung U wird ein Potentialgefälle direkt
zwischen den aneinander zu haltenden Körpern, nämlich dem Maßstab 1 und
dem Träger 2 generiert.
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Man
unterscheidet zwischen unipolarer elektrostatischer Klemmung und
bipolarer elektrostatischer Klemmung. Bei der zeichnerisch nur anhand der 19 dargestellten
unipolaren elektrostatischen Klemmung weist jeder der aneinander
zu klemmenden Körper 1 und 2 jeweils
eine spannungsführende
Elektrode 211, 212 als Anode bzw. Kathode auf,
an der eine Spannung U anliegt und dadurch die beiden einander gegenüberliegenden
Elektroden 211, 212 entgegengesetzt aufgeladen
werden. Der Träger 2 ist
dabei als spannungsführende
Elektrode (elektrisch leitendes Material oder Halbleitermaterial) bzw.
mit einer spannungsführenden
Elektrode (insbesondere Beschichtung mit einem elektrisch leitenden
Material oder Halbleitermaterial) und der eine Messteilung 15 aufweisende
Maßstab 1 als
Gegenelektrode (aus elektrisch leitendem Material oder Halbleitermaterial
bzw. Beschichtung eines aus nichtleitendem Material bestehenden
Maßstab
mit einem elektrisch leitenden Material oder Halbleitermaterial)
auszugestalten. Zwischen den Elektroden 211, 212 ist
ein Dielektrikum 12, 22 vorzusehen, im dargestellten
Beispiel ist eine Schicht Dielektrikum 12 am Substrat 19 des
Maßstabs 1 und
eine Schicht Dielektrikum 22 am Träger 2 angebracht.
Bei dieser Halterung ist es nachteilig, dass der Maßstab 1 und
der Träger 2 jeweils
mit einem Stromanschluss versehen sind.
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Bei
der bipolaren elektrostatischen Klemmung sind die spannungsführenden
Elektroden, welche an die Spannungsquelle angeschlossen sind gemeinsam
an einem der zu verbindenden Körper
angeordnet und die Elektrode am anderen Körper bildet eine Art Koppelelektrode,
in der sich partiell im Bereich gegenüberliegend zu den spannungsführenden Elektroden
Gegenladungen ausbilden. Dabei kann der Träger 2 oder der Maßstab 1 die
beiden spannungsführenden,
also kontaktierten Elektroden aufweisen. Die bipolare Klemmung ist
zu bevorzugen, da der Kontaktierungsaufwand auf einem Bauteil beschränkt bleiben
kann.
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Zur
Halterung eines Maßstabs 1 aus
Glas oder Glaskeramik (z.B. ZERODUR) wird daher bevorzugt die bipolare
elektrostatische Klemmung eingesetzt. Dabei sind beide spannungsführenden
Elektroden Anode 211 und Kathode 212 gemeinsam
auf dem Träger 2 vorgesehen
und die Gegenelektrode bildet sich jeweils in einem elektrisch leitenden
Körper 11 des
Maßstabs 1 aus.
In allen nachfolgend ausführlich
erläuterten
und besonders vorteilhaften Ausführungen
der Erfindung ist daher die bipolare elektrostatische Klemmung realisiert
und die spannungsführenden
Elektroden 211, 212 sind gemeinsam am Trägerkörper 2 angeordnet.
Diese Anordnung erleichtert die Handhabung des Maßstabs 1,
da nur der Trägerkörper 2 mit
elektrischen Kontakten und Zuleitungen versehen werden muss.
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In
allen Figuren werden funktional gleich wirkende Elemente mit dem
gleichen Bezugszeichen versehen. Die Dicken der Schichten sind dabei
stark vergrößert dargestellt.
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In
den 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. 1 zeigt die
Seitenansicht des Trägers 2 mit
dem durch elektrostatische Klemmung daran gehaltenen Maßstab 1 und 2 die
Draufsicht. Der Maßstab
1 weist eine Messteilung 15 in Form einer inkrementalen
Messteilung 15 auf, die zur Positionsmessung in Messrichtung
X lichtelektrisch abtastbar ist. Die Messteilung 15 kann
ein reflektierendes Amplitudengitter oder ein Phasengitter sein,
das in bekannter Weise zur hochgenauen interferentiellen Positionsmessung
dient.
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Der
Maßstab
1 besteht aus einem Substrat
19 aus Glas oder Glaskeramik,
z.B. ZERODUR und weist an seiner Unterseite eine Elektrode in Form
einer leitfähigen,
dünnen
Metallschicht
11 auf, die mit einem dünnen Dielektrikum
12 abgedeckt
ist. Der Träger
2 hat
an seiner Oberseite eine Elektrode in Form einer dünnen Metallschicht
211,
212,
die ebenfalls mit einem dünnen
Dielektrikum
22 abgedeckt ist. Die Metallschicht
211,
212 des
Trägers
2 ist
in Form von zwei getrennten spannungsführenden Elektroden
211 und
212 strukturiert,
an die durch außen
liegende Kontaktstellen eine elektrische Spannung U angelegt wird.
Im Beispiel ist die Elektrode
211 als Anode und die Elektrode
212 als
Kathode ausgeführt. Durch
die Spannung U werden in der Metallschicht
11 des Maßstabs
1 jeweils
Gegenladungen gegenüber
den Elektroden
211 und
212 induziert, die zu Haltekräften führen, welche
den Maßstab
1 an
den Träger
2 pressen.
Aus zeichnerischen Gründen
sind die Ladungen + und – nur
schematisch neben den Elektroden
11,
211,
212 gezeichnet.
Der entstehende Anpressdruck p lässt
sich durch folgende Beziehungen berechnen:
mit ε
0: Dielektrizitätskonstante
des Vakuums (=8,85410
-12 F/m) ε
R:
relative Dielektrizitätskonstante der
Kombination des Dielektrikums
12 des Maßstabs
1 und des Dielektrikums
22 des
Trägers
2 U:
angelegte Spannung d: Gesamtdicke beider Dielektrika
12 und
22 auf
Maßstab
1 und
Träger
2a a: Luftstrecke (falls vorhanden) zwischen
Maßstab
1 und
Träger
2
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Für einen
Anpressdruck von 5 bar und einer relativen Dielektrizitätskonstante εR von 10 benötigt man
eine Spannung U = 34 V/μm·d, falls
die Luftstrecke a = 0 ist. Günstige
Dielektrika sind Si3N4,
Ta2O5, Y2O3, Al2O3 oder AlN. Sie besitzen eine hohe relative Dielektrizitätskonstante εR und
eine hohe Durchschlagsfestigkeit.
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Für Ta2O5, das eine relative
Dielektrizitätskonstante εR =
28 und eine Durchschlagsfestigkeit bis zu 450 V/μm aufweist, benötigt man
für eine
Schichtdicke von d = 2 μm
nur eine Spannung von U = 24 V, um einen Anpressdruck von 5 bar
zu erreichen. Die auftretende Feldstärke bleibt dabei weit unter
der Durchschlagsfestigkeit des Dielektrikums.
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Typische
Schichtdicken für
die Metallschichten 11 und 211, 212,
welche die Elektroden bilden, liegen zwischen 20 nm und 2 μm, diejenigen
für das Dielektrikum 12 und 22 zwischen
50 nm und 400 μm. Als
Material für
die Metallschichten 11 und 211, 212 sind
spannungsarme Metalle wie Aluminium vorteilhaft. Für die Elektroden
können
auch durchsichtige und elektrisch leitfähige Schichten "TCO" (thin conductive
layer) wie z.B. ITO, ZnO oder SnO eingesetzt werden. Dies ist dann
vorteilhaft, wenn Lichtbündel den
transparenten Maßstab 1 und
den transparenten Träger 2 durchdringen
sollen, was beispielsweise bei der Verwendung in Lithografie-Einrichtungen vorteilhaft
sein kann.
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Bei
dem ersten Ausführungsbeispiel
werden die sich gegenseitig berührenden
Kontaktflächen
von Maßstab 1 und
Träger 2 jeweils
von dem Dielektrikum 12 und 22 gebildet. Diese
Kontaktflächen
sind großflächig zumindest
weitgehend über
die gesamte Ausdehnung des Maßstabs 1 ausgeführt.
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Die
Flächen,
an denen der Maßstab 1 Kontakt
mit dem Träger 2 hat
(Kontaktflächen)
können
in vorteilhafter Weise auch derart ausgebildet sein, dass sich nicht
die gesamten zugewandten Flächen von
Maßstab 1 und
Träger 2 (Montageflächen) gegenseitig
berühren.
Dabei sind am Maßstab 1 und/oder
am Träger 2 voneinander
beabstandete Erhebungen 23 ausgebildet, welche die Kontaktflächen bilden.
Dies hat den Vorteil, dass beim Zusammenfügen von Maßstab 1 und Träger 2 Luft
aus dem Zwischenraum durch die Kanäle 24 zwischen den
Erhebungen 23 nach außen
entweichen kann. Derartige Ausgestaltungen sind in den 3 bis 9, 11, 12, 15, 16 und 18 dargestellt.
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Bei
dem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist das Dielektrikum 22 des
Trägers 2 strukturiert,
indem in ihm abwechselnd Erhebungen 23 und Vertiefungen 24 ausgebildet
sind. Die Kontaktfläche
wird dadurch gegenüber
der Montagefläche
klein und in viele kleine Einzelflächen über die Montagefläche verteilt.
Dadurch wird einerseits eine fast gleichmäßige Verteilung der Haltekraft
erreicht, andererseits wird aber das Risiko minimiert, dass ein Staubkorn
im Bereich der Kontaktflächen
zu liegen kommt und den Maßstab 1 verbiegt.
Die Anforderung an die Staubfreiheit der Montagefläche sinkt
dadurch erheblich. Die Strukturierung des Dielektrikums 22 kann
entweder durch eine stellenweise Reduzierung der Dicke erreicht
werden oder durch einen vollständigen
Abtrag. Die Ausbildung von Erhebungen 23 und Vertiefungen 24 durch
Strukturierung kann in nicht gezeigter Weise alternativ oder zusätzlich auch aufseiten
des Maßstabs 1 erfolgen,
indem alternativ oder zusätzlich
das Dielektrikum 12 des Maßstabs 1 entsprechend
strukturiert wird.
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Abwechselnd
angeordnete Erhebungen 23, welche zwischen den Erhebungen 23 liegende
und nach außen
führende
Kanäle 24 bilden,
können
auch durch eine strukturierte Metallschicht 11 des Maßstabs 1 und/oder
eine Metallschicht 211, 212 des Trägers 2 geschaffen
werden. Dabei wird ein Höhenprofil
geschaffen und das Dielektrikum 12, 22 flächig aufgetragen,
wie in 4 anhand der Metallschichten 211, 212 des
Trägers 2 dargestellt
ist. Die Kanäle 24 sind
vorzugsweise durchgehend bis zum äußeren Umgebungsbereich offen,
damit ein Druckausgleich stattfinden kann und ggf. eingeschlossene
Luft entweichen kann.
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Bei
der Ausführung
gemäß den 5 und 6 werden
die Erhebungen 23 als Kontaktflächen im Bereich der Besselpunkte
eines länglichen
Maßstabs 1 gelegt.
Die Erhebungen 23, welche die Auflagen für den Maßstab 1 im
Bereich der Besselpunkte bilden, garantieren eine minimale Verbiegung
des Maßstabs 1 bedingt
durch die Schwerkraft. Die Elektroden 211, 212 werden
symmetrisch zu den Besselpunkten und somit zu den Auflageflächen angeordnet,
damit im Berech der Auflage kein resultierendes Drehmoment auf den
Maßstab 1 wirkt.
Der Vorteil dieser Ausführungsform
liegt darin, dass die Ebenheit des Trägers 2 allenfalls
einen vernachlässigbaren
Einfluss auf die Verspannung und Ebenheit des Maßstabs 1 hat und damit
nicht mehr so präzise
gefertigt werden muss. In der Praxis erreicht man eine extrem hohe
Genauigkeit einer Positionsmesseinrichtung mit einer derartigen
Anordnung von Maßstab 1 und
Träger 2.
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Der
Träger 2 besteht
dabei aus Auflageelementen 28 an einem Grundkörper 26.
Die Auflageelemente 28 können am Grundkörper 26 angesprengt, angeklebt,
angeklemmt oder angeschraubt sein. Zwischen den Auflageelementen 28 und
dem Grundkörper 26 können auch
Festkörpergelenke
angeordnet sein, welche einerseits die Anschraubkräfte nicht
auf den Maßstab 1 übertragen
und/oder andererseits eine möglichst
kräftefreie
Längenausdehnung
von Maßstab 1 relativ
zum Grundkörper 26 zulassen.
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Eine
mögliche
Anordnung mit Festkörpergelenken
ist in den 7 und 8 dargestellt.
In 7 ist eine Draufsicht eines Auflageelementes 25 mit
beidseitig des Maßstabs 1 angeordneten
Festkörpergelenken 29 dargestellt.
Die Festkörpergelenke 29 sind
quer zur Messrichtung X verlaufende Materialstege, die eine in Messrichtung
X gerichtete Bewegung des Auflageelementes 25 relativ zur
Anschraubstelle A zulassen. Die Anschraubstelle A dient zur ortsfesten
Fixierung des Auflageelementes 25 an einem in den 5 und 6 dargestellten Grundkörper 26.
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8 zeigt
einen Querschnitt dieser Anordnung. Die am Auflageelement 25 angebrachten
Elektroden 211, 212 sind an eine elektrische Spannung
U angeschlossen und wirken mit der am Maßstab 1 angebrachten
Elektrode 11 zusammen. Zwischen den Elektroden 211 und 11 sowie 212 und 11 ist
jeweils das Dielektrikum 12 vorgesehen.
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9 zeigt
die elektrostatische Klemmung eines flächigen zweidimensional ausgedehnten
Maßstabs 1,
wie er z.B. bei zweidimensional messenden Kreuzgittermessgeräten üblich ist.
Dabei sind drei um 120° versetzte,
symmetrisch angeordnete Erhebungen 23 vorgesehen. Der radiale
Abstand vom Zentrum wird so gewählt,
dass trotz der Schwerkraft ein möglichst
geringer Neigungswinkel oder eine möglichst hohe Ebenheit erreicht
wird. Die Elektroden 11 auf dem Maßstab 1 sollten hier
im Wesentlichen auf die Elektrodenflächen 211, 212 des
Trägers 2 beschränkt bleiben
und werden vorteilhafterweise bipolar ausgeführt.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 10 werden
zwei voneinander unabhängige
Paare von Elektroden 211, 212 sowie 213, 214 vorgesehen,
die von zwei unabhängigen
Spannungsquellen U1, U2 versorgt werden. Fällt eine der Spannungsversorgungen
aus, so bleibt der Maßstab 1 dennoch
befestigt. Natürlich
können
auch noch mehrere Paare von Elektroden und unabhängige Spannungsversorgungen
vorgesehen sein, um die Sicherheit zu erhöhen. Diese Ausführungsform
ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Batterien als Spannungsquellen
vorgesehen sind. Die Elektrodenstruktur 211, 212 sowie 213, 214,
die jeweils einer Spannungsquelle zugeordnet ist, sollte möglichst über die
Montagefläche verteilt
sein.
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Das
Ausführungsbeispiel
gemäß 11 entspricht
weitgehend der Ausführung
gemäß 3, nur
dass zusätzliche
mechanische Befestigungselemente 3 vorgesehen sind, die
den Maßstab 1 bei
einem Ausfall der Spannungsversorgung U trotzdem sicher festhalten.
Die Befestigungselemente 3 fixieren den Maßstab 1 vorteilhafterweise
an Stellen, die entfernt zu einer Messteilung 15 zur Positionsmessung
liegen. Die Befestigungselemente 3 können Federelemente 3 sein,
die in Randflächen
des Maßstabs 1 eingefräste Taschen
eingreifen.
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Die
in 12 dargestellte Ausführung kombiniert die Befestigungsart
Ansprengen mit der der elektrostatischen Klemmung. Die sich gegenüberliegenden
Außenflächen des
Dielektrikums 12 des Maßstabs 1 und des Dielektrikums 22 des
Trägers 2 werden
dazu aneinander angesprengt. Wenn die Rauheit der Dielektrika 12, 22 nicht
ausreichend klein ist, müssen
sie nach der Schichtaufbringung (Bedampfen, Sputtern oder Plasmaprozess
PECVD) noch leicht poliert werden. Bei dieser Befestigung benötigt man
keine redundante Ausführung
von mehreren Elektrodenpaaren, da stets eine ausreichende Anpresskraft
vorhanden ist. In den Randzonen der Montagefläche verhindert die elektrostatische
Klemmung das Abschälen
der Ansprengung, da die langreichweitigen elektrostatischen Kräfte auch
bei schlechten lokalen Kontaktverhältnissen, bei denen die kurzreichweitigen
van-der-Waals-Kräften
bereits sehr gering werden oder gar nicht mehr vorhanden sind, einen
ausreichenden Anpressdruck gewährleisten.
Vorteilhafterweise sind die Kontaktflächen unterbrochen, damit während der
Montage keine Luftblasen in den Kontaktflächen eingeschlossen werden, bzw.
die noch verbliebenen Luftreste in den Kontaktflächen in kurzer Zeit entweichen
können.
Die Ausbildung der elektrostatischen Klemmung entspricht dabei dem
Ausführungsbeispiel
gemäß 3.
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Beim
Ausführungsbeispiel
gemäß 13 ist das
Dielektrikum 12, 22 der vorhergehenden Beispiele
durch eine dünne
Folie 4 realisiert, die zwischen dem Maßstab 1 und dem Träger 2 eingebracht
wird. Der Maßstab 1 und
der Träger 2 müssen in
diesem Falle nur mit einer einfachen Elektrodenschicht 11, 211, 212 versehen
werden, was in einem Bedampfungsschritt erfolgen kann. Die Kosten
können
dadurch erheblich reduziert werden. Als Folie 4 kommen
Kunststofffolien z.B. aus Teflon in Frage, aber auch Dünnglasfolien.
Die Foliendicken liegen vorteilhafterweise im Bereich 20–400 μm. Besonders
vorteilhaft ist diese Befestigungsart, wenn Maßstäbe 1 aus Metall verwendet
werden. Sie können
ohne Beschichtung eingesetzt werden, da sie selbst die Elektrode 11 bilden.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 14 wird
zwischen dem Dielektrikum 12 des Maßstabs 1 und der außenliegenden
Metallschicht 211, 212 des Trägers 2 ein Ölfilm 5 eingebracht.
Er bleibt aufgrund seiner Kapilarkräfte in dem sehr dünnen Spaltbereich eingegrenzt.
Dieser Ölfilm 5 verhindert
zum einen, dass kleine Luftvolumina zwischen dem Maßstab 1 und
dem Träger 2 eingeschlossen
werden, in denen bei hoher Feldstärke auch Koronaentladungen
auftreten können.
Zum anderen kann bei unterschiedlicher thermischer Ausdehnung oder
Verspannung des Trägers 2 der
Maßstab 1 über dem Ölfilm 5 gleiten
und so seine Länge
behalten. Diese Montageart ist besonders interessant, wenn der Träger 2 eine starke
thermische Ausdehnung (wie z.B. bei Aluminium) und der Maßstab 1 eine
sehr kleine thermische Ausdehnung (wie z.B. bei Zerodur) aufweist.
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In
den 15 und 16 ist
eine vorteilhafte kinematische Dreipunktmontage eines flächigen Maßstabs 1 (insbesondere
einer Kreuzgitterplatte), der hängend
an dem Träger 2 befestigt
ist dargestellt. 15 zeigt die Draufsicht auf
die räumliche
Anordnung der Elektroden 211, 212 auf dem Träger 2 und 16 einen
Querschnitt im Bereich von zwei Auflagepunkten mit dem Maßstab 1.
Der Maßstab 1 weist wieder
die Elektrode 11 auf und am Träger 2 sind die spannungsführenden
Elektroden 211 und 212 angeordnet. Der Maßstab 1 liegt
nur an drei flächig
verteilt angeordneten Erhebungen 23 am Träger 2 auf.
Die Erhebungen 23 sind von punktförmig angeordneten Bereichen
des Dielektrikums 22 des Trägers 2 gebildet. Bei
einer Fixierung des Maßstabs 1 an
nur drei Punkten wird er durch die Schwerkraft deformiert. Diese
Deformation kann durch einen entsprechenden Anpressdruck kompensiert
werden, der durch die elektrostatische Klemmung generiert wird und
der der Schwerkraft genau entspricht und entgegenwirkt, aber der
deutlich geringer sein muss als der Anpressdruck im Bereich der
Kontaktflächen.
Hierzu sind im Bereich der drei Erhebungen 23 großflächigere
Elektroden 211, 212 als im übrigen Bereich außerhalb
der Erhebungen 23 angeordnet. Das Ziel ist dabei, eine hohe
Ebenheit und damit auch eine hohe Genauigkeit des Maßstabs 1 zu
erreichen. Der geringere Anpressdruck außerhalb der Erhebungen 23 und
somit außerhalb
der Kontaktflächen
kann auf einfache Weise durch eine entsprechende Strukturierung
mit schmalen aber weit beabstandeten Elektrodenflächen 211, 212 erreicht
werden. Im Bereich der Kontaktstellen muss dagegen die Flächenbelegung
mit Elektroden 211, 212 hoch sein. Alternativ
können
die Erhebungen 23 (Kontaktflächen) und die übrigen Montageflächen mit
jeweils zwei unabhängigen
Elektrodenpaaren belegt und mit getrennten Spannungsquellen versorgt
werden. Durch einfaches Wählen der
Spannung lässt
sich damit die Haltekraft ortsabhängig variieren und damit Deformationen
des Maßstabs 1 minimieren.
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Bei
der in
17 dargestellten Ausführungsform
sind Elektroden allein auf dem Maßstab
1 oder alternativ
allein auf dem Träger
2 erforderlich.
Auf dem Träger
2 wird
eine vielfache Anordnung von Paaren von Elektroden
211,
212 vorgesehen,
die jeweils paarweise miteinander verbunden sind. Diese Anordnung
und der daraus resultierende Effekt ist beispielsweise in der
US 5,838,529 erläutert, auf
die ausdrücklich
Bezug genommen wird Die Elektrodenstrukturen müssen kleine laterale Abstände zwischen 1 μm und 500 μm aufweisen,
um ein möglichst
inhomogenes, elektrisches Feld zu erzeugen. Das Substrat
19 des
Maßstabs
1 besteht
in dieser Ausführungsform
aus einem nahezu isolierenden Material, das aber einen gewissen
Anteil beweglicher Ladungen aufweist. Bewegliche Ladungen können z.B.
Ionen (z.B. Na
+) oder ionisierbare Störstellen
sein, die ein Springen der Ladung von Störstelle zu Störstelle
zulassen. Geeignete Materialien sind z.B. natriumhaltige Glassorten
und Zerodur. Durch das elektrische Feld, das von den Elektroden
211,
212 des
Trägers
2 hervorgerufen
wird, werden nun die beweglichen Ladungen in den Maßstab
1 verschoben,
so dass nahe an der Grenzfläche
zum Träger
2 eine
elektrische Aufladung entsteht. Die Aufladung ist dabei entgegengesetzt
zu der Ladung auf der angrenzenden Elektrode. Aufgrund dieses Potentialunterschieds entsteht
eine Anziehungskraft, die in der Praxis erstaunlich hohe Werte erreichen
kann. Der Aufwand für
diese Ausführung
ist sehr gering. Diese Ausführung
hat aber darüber
hinaus noch einen weiteren Vorteil: Wenn die Spannungsversorgung
ausfällt,
so bleibt trotzdem die Aufladung in dem Maßstab
1 erhalten und
klingt nur sehr langsam ab. Abklingzeiten von mehreren Tagen können durchaus
erreicht werden.
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Entsprechend
langsam klingt auch die Anziehungskraft ab. Dies gibt einen zusätzlichen
Schutz vor kurzzeitigen Spannungsunterbrechungen.
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Dieser
Effekt der langsam abklingenden Haltekraft kann grundsätzlich auch
zusätzlich
für alle oben
erläuterten
Ausführungen
genutzt werden, wenn Dielektrika 12 bzw. 22 bzw. 4 eingesetzt
werden, die bewegliche Ladungen aufweisen. Meist ist dann der Anpressdruck
auch deutlich höher,
da die Abstände
zwischen den entgegengesetzten Ladungen geringer sind (Johnson Rahbeck
Effekt). Die Ausnutzung dieses Effekts ist gerade zur Befestigung des
Maßstabs 1 zur
hochgenauen lichtelektrischen Positionsmessung vorteilhaft, da hier
Maßstäbe 1 aus
Glaskeramik, insbesondere Zerodur eingesetzt werden.
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Der
oben erwähnte
Johnson Rahbeck Effekt kann allerdings auch zu undefinierten Anpressdrücken führen, wenn
die Dichte der beweglichen Ladungen oder ihre Beweglichkeit ungleichmäßig verteilt
ist. Auch kann die langsame Zunahme der Anpressdrücke durch
die geringe Beweglichkeit in Kombination mit nicht perfekt ebenen
Maßstäben 1 oder Trägern 2 zu
sich ändernden
Spannungen in dem Maßstab 1 führen. In
diesen Fällen
ist es vorteilhaft, den Johnson Rahbeck Effekt zu unterdrücken. Eine Ausführungsform
dazu ist in 18 gezeigt. Der Maßstab 1 wird
an der Unterseite mit einer flächigen Elektrode 11,
beispielsweise einer Metallschicht 11 beschichtet. Der
Träger 2 trägt ein Elektrodenpaar 211, 212,
das mit einem Dielektrikum 22 abgedeckt ist, und das vorzugsweise
zur Bildung von Erhebungen 23, welche die Kontaktstellen
bilden, dicker ausgeführt
wird. Der Bereich zwischen den Erhebungen 23 bildet die
Kanäle 24.
Auf die Erhebungen 23 des Dielektrikums 22 wird
jeweils eine elektrisch leitende Schicht, z.B. eine Metallschicht 6 aufgebracht,
die im elektrischen Kontakt mit der Elektrode 11 des Maßstabs 1 steht.
Das Dielektrikum 22 hat nun keinen direkten Kontakt mehr
mit der gegenüberliegenden Elektrode 11 des
Maßstabs 1.
Der Einfluss der beweglichen Ladungen in dem Dielektrikum 22 wird
dadurch erheblich abgeschwächt.
Der Anpressdruck entsteht nur in den Bereichen außerhalb
der Kontaktflächen,
also außerhalb
der Erhebungen 23.
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Bei
allen Ausführungsformen
kann der Schichtaufbau des Maßstabs 1 derart
gewählt
werden, dass in den Schichten hervorgerufene mechanische Spannungen
kompensiert werden. Hierzu sind das Schichtenmaterial und die Schichtdicken
so bestimmt, dass in diesen Schichten hervorgerufene mechanische
Spannungen sich gegenseitig kompensieren. Alternativ können die
Schichten (Elektroden und/oder Dielektrika) eine feine Strukturierung
aufweisen.
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Ist
die Messteilung 15 des Maßstabs 1 ein elektrisch
leitendes Material auf einem elektrisch nichtleitenden Substrat
(Glas oder Glaskeramik), dann kann diese Messteilung 15 gleichzeitig
auch die Elektrode 11 des Maßstabs 1 bilden. Dabei
kann die die Elektrode 11 bildende Messteilung 15 auf
der dem Träger 2 zugewandten
oder abgewandten Oberfläche
des Substrats 19 angeordnet sein und aus einer durchgehenden
oder nicht durchgehenden Schicht, insbesondere reflektierenden Schicht
bestehen.
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In
nicht dargestellter Weise können
alle Strukturelemente des Maßstabs 1,
die für
die elektrostatische Klemmung notwendig sind, mit denen des Trägers 2 vertauscht
werden.
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Wie
bereits ausgeführt,
werden zur mehrdimensionalen Positionsmessung vermehrt Maßstäbe 1 mit
einer zweidimensionalen Messteilung 15, insbesondere mit
einer sich kreuzenden Messteilung, auch Kreuzgitter genannt, eingesetzt.
Dabei ist es notwendig relativ großformatige Maßstäbe 1 (etwa 40
cm × 40
cm) auf einer Fläche
eines Trägers 2 zu befestigen.
Besonders bei Lithographie-Geräten,
bei denen der Träger 2,
an dem der Maßstab 1 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.
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Dabei
kann es erforderlich sein, dass mehrere Maßstäbe 1 zweidimensional
nebeneinander mosaikartig auf einer Maschinenfläche 2 von beispielsweise
1 m × 2
m befestigt werden müssen,
um den erforderlichen Messbereich von etwa 1 m × 2 m abzudecken. Die Maßstäbe 1 mit
der insbesondere lichtelektrisch abtastbaren Messteilung 15 sind
in der erforderlichen Präzision
nämlich
nur in Größen von etwa
40 cm × 40
cm relativ unkompliziert in der geforderten Qualität fertigbar.
Jeder dieser Maßstäbe 1 mit einer
zweidimensionalen Messteilung 15, auch Kreuzgitter genannt,
kann nun erfindungsgemäß am Maschinenteil 2 als
Träger
befestigt werden.
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Die
grundsätzlichen
Vorteile der elektrostatischen Klemmung des Maßstabs 1 an dem Träger 2 sind:
Der
Kraftweg ist extrem kurz und schließt nur den Bereich zwischen
der Metallschicht 11 des Maßstabs 1 und der Metallschicht 211, 212 des
Trägers 2 ein.
Er bleibt damit auf das Volumen des Dielektrikums 12, 22 beschränkt. Der
Maßstab 1 und
der Träger 2 bleiben
damit fast vollständig
spannungsfrei. Restspannungen in dem Maßstab 1 entstehen
in der Praxis nur dann, wenn die Kontaktflächen nicht eben sind. Die Spezifikation
der Ebenheiten muss den Anforderungen entsprechend ausgelegt werden.
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Der
Anpressdruck ist gleichmäßig auf
die Kontaktflächen
verteilt. Auch wenn kleine Staubpartikel zwischen den Kontaktflächen eingeschlossen sind,
wird der Anpressdruck kaum davon beeinflusst, da die Abstandsabhängigkeit
nur mit 1/d2 abfällt. Die van-der-Waals-Kräfte einer
Ansprengung fallen dagegen mit 1/d6 ab und
bleiben nur auf atomare Abstände
beschränkt.
Der Anpressdruck einer Ansprengung ist deshalb in der Praxis sehr
ungleichmäßig und
undefiniert. Wenn der Anpressdruck ungleichmäßig verteilt ist und der Maßstab und
der Träger
sich unterschiedlich thermisch ausdehnen, kann es zu lokalen Verschiebungen
zwischen Maßstab
und Träger kommen,
was in hochgenauen Anwendungen nicht akzeptiert werden kann.
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Die
elektrostatische Verbindung ist lösbar, defekte Maßstäbe 1 können bei
Erfordernis ausgetauscht werden. Die Festigkeit der elektrostatischen Verbindung
kann bei geeigneter Wahl des Dielektrikums 12 und 22,
seiner Dicke und Durchschlagsfestigkeit sowie der angelegten Spannung
U die einer Ansprengung übersteigen.
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Durch
den extrem kurzen Kraftweg bleibt bei entsprechend ebenen Kontaktflächen die
Verformung des Maßstabs 1 äußerst gering.
Dadurch wird eine hohe Driftstabilität und Genauigkeit erreicht.
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Falls
unterschiedliche thermische Ausdehnungen von Maßstab 1 und Träger 2 vorliegen,
kann bei Temperaturänderungen
eine Verspannung des Maßstabs 2 auftreten,
die zu Messfehlern führt.
In der Praxis tritt dies z.B. bei einem Maßstab 1 aus Zerodur und
einem Träger 2 mit
hoher thermischer Ausdehnung wie z.B. aus Aluminium auf. Durch kurzzeitiges Abschalten
der Spannung U kann die Anpresskraft (Klemmkraft, Haltekraft) gelöst werden,
so dass sich die Verspannungen des Maßstabs 1 wieder ausgleichen.
Die volle Messgenauigkeit wird wieder erreicht. Die Zeitintervalle
zwischen den kurzzeitigen Spannungsabschaltungen können sich
an den typischen Zeitintervallen für relevante Temperaturänderungen orientieren.
Der gesamte Vorgang kann auf einfache Weise elektronisch ohne manuelles
Eingreifen gesteuert werden.
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Die
Flächen,
an denen der Maßstab 1 Kontakt
mit dem Träger 2 hat
(Kontaktflächen)
und die Flächen,
die zur Krafteinleitung genutzt werden (sich gegenüberstehende
und überlappende
Elektroden 11 des Maßstabs 1 und
Elektroden 211, 212 des Trägers 2), können beliebig
strukturiert werden und müssen
nicht – wie
beim Ansprengen – mit
der gesamten zugewandten Fläche
von Maßstab
und Träger
(Montagefläche)
identisch sein.
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Im
Gegensatz zur Ansprengung können
der Maßstab 1 und/oder
der Träger 2 im
Bereich der Montageflächen
bzw. Kontaktflächen
auch unpoliert bleiben, was den Aufwand erheblich senken kann. In einzelnen
Ausführungsformen
mit nur wenigen Kontaktflächen,
insbesondere bei einer Dreipunktauflage (kinematische Montage),
entfallen zudem die Anforderungen an die Ebenheit der Montageflächen. Auch dies
kann die Herstellkosten erheblich senken.