DE102008010284A1 - XY-Tisch mit einer Messanordnung zur Positionsbestimmung - Google Patents

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Abstract

Es wird ein XY-Tisch mit einer Messanordnung zur Positionsbestimmung beschrieben, mit einem ortsfesten Referenzteil (B) und einem Zwischenteil (F), das relativ zum Referenzteil (B) in einer ersten Richtung (Y) verschiebbar gehalten ist, mit einem Objekt (O), das relativ zum Zwischenteil (F) in einer zweiten Richtung (X) verschiebbar gehalten ist, wobei ein zu bearbeitendes Teil (W) auf dem Objekt (O) oder auf dem Referenzteil (B) angeordnet ist, sowie für die erste Richtung (X) mit wenigstens einem 1Dplus-Encoder (M1, M2) zum Messen von in-plane Freiheitsgraden (X, Y, Rz) zwischen Referenzteil (B) und Zwischenteil (F) und für die zweite Richtung (X) mit wenigstens einem 1Dplus-Encoder (M3, M4) zum Messen der in-plane Freiheitsgrade (X, Y, Rz) zwischen dem Objekt (O) und dem Zwischenteil (F), so dass die Lage (Xo, Yo) eines Tool Center Points (TCP) am Objekt (O) oder Teil (W) erfassbar ist. Dabei sind die 1Dplus-Encoder (M1, M2, M3, M4) konstruktiv so angeordnet, dass deren Projektion in die durch die erste und zweite Richtung (X, Y) aufgespannte Ebene, die den Tool Center Point (TCP) enthält, im gesamten Verfahrbereich des XY-Tisches außerhalb des Teils (W) liegt. Dies erlaubt die Einhaltung der Abbe-Bedingung und damit die genaue Erfassung des Tool Center Points (TCP) am Objekt (O) mit einfachen 1Dplus-Encodern.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen XY-Tisch mit einer Messanordnung zur Positionsbestimmung zum genauen Positionieren eines vorzugsweise flächigen Werkstücks wie beispielsweise eines Wafers relativ zu einem Werkzeug. Beim Werkzeug kann es sich z. B. um ein Inspektionsmikroskop, einen Elektronenstrahl, eine Belichtungsoptik und andere zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen nötige Instrumente handeln.
  • Für hochgenaue XY-Tische muss bei der Anordnung von Positionsmessgeräten die Abbe-Bedingung eingehalten werden. Dies ist bisher nur mit Planspiegel-Laserinterferometern und mit Kreuzgitter-Messsystemen möglich.
  • Mit Planspiegel-Laserinterferometern wird der Abstand zu den Seitenflächen eines beweglichen Tisches gemessen (siehe 1). Die Messachsen des Laserinterferometers sind in der XY-Ebene jeweils zum Messpunkt des Werkzeuges (Tool Center Point TCP, z. B. Mikroskop, Elektronenstrahl, etc.) ausgerichtet. Eigentlich müssten die Messachsen des Laserinterferometers auch in z-Richtung (senkrecht zur Bearbeitungsebene) mit dem TCP fluch ten. Jedoch wird dies meist nicht vorgesehen, um hochstehende Spiegelelemente zu vermeiden, die einen Zusammenstoß mit dem Werkzeug zur Folge haben könnten. Der Fehler, der bei Winkelfehlern der Führung des Tisches in Verbindung mit dem Abbe-Abstand ΔZM von ca. 20 mm entsteht, wir hierbei akzeptiert.
  • Der Nachteil dieser Anordnung ist zum einen der hohe Aufwand, der durch die Verwendung teurer Laserinterferometer verursacht wird. Darüber hinaus ist auch die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit von Laserinterferometern in Luft sehr beschränkt. Durch die Brechungsindexschwankungen der Luftsäule ergeben sich selbst bei guten Laborbedingungen typische Abweichungen von 50 nm bei einer Luftsäule von 50 cm. Solch große Abweichungen sind für hochgenaue Anwendungen nicht tolerierbar.
  • Messanordnungen mit sogenannten Kreuzgitter-Encodern sind ebenfalls bekannt. Hier werden großflächige Maßstäbe mit einem Kreuzgitter von einem Abtastkopf abgetastet. Ein Beispiel für eine solche Messanordnung ist in der EP 1762828 A2 beschrieben. Die Herstellung von großen und hochgenauen Kreuzgittern ist jedoch sehr aufwändig.
  • Die DE 10 2006 024 579 A1 beschreibt daher eine Anordnung von Linearmaßstäben herkömmlichen Inkrementalteilungen zum Messen der Lage eines XY-Tisches.
  • Die US 6949733 B2 zeigt eine Vorrichtung, bei der ein Werkzeug mittels einer Gantry-Struktur über einem flächigen Werkstück bewegt wird. Zur Feststellung der Werkzeugposition dient eine Anordnung von mehreren sogenannten 1Dplus-Encodern, die im Wesentlichen die Positionsmessung in einer Messrichtung erlauben, aber auch kleine Bewegungen quer zu dieser Messrichtung erfassen können. In der vorgeschlagenen Anordnung, bei der ein Querarm oberhalb der Arbeitsebene bewegt wird, kann jedoch die Abbe- Bedingung nicht eingehalten werden, so dass bei Verkippungen durch Führungsfehler eine hochgenaue Positionserfassung nicht möglich ist.
  • Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen von 1Dplus-Encodern sind in der DE 10 2005 023 984 A1 offenbart.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen XY-Tisch mit einer Messanordnung von Encodern anzugeben, die der Abbe-Bedingung möglichst gut genügt und somit hohe Genauigkeiten bei der Positionsmessung und damit bei der Positionierung gewährleistet.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen, die in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
  • Auf diese Weise lässt sich der von einem Werkzeug erfasste Punkt des Werkstücks oder allgemeiner des Objekts genau messen bzw. über geeignete Antriebe einstellen. Dieser besondere Punkt des Objekts wird auch als Tool Center Point oder kurz TCP bezeichnet.
  • Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Figuren. Dabei zeigen
  • 1 einen XY-Tisch mit einer Anordnung von Laserinterferometern,
  • 2 einen 1Dplus-Encoder,
  • 3 einen 1Dplus-Encoder mit zusätzlichem Abtastkopf,
  • 4 eine Messanordnung mit zwei 1Dplus-Encodern,
  • 5 einen 1Dplus-Encoder mit V-förmigen Teilungen,
  • 6 ein erstes Ausführungsbeispiel,
  • 7a, b, c eine Erweiterung des ersten Ausführungsbeispiels,
  • 8, 9 ein zweites Ausführungsbeispiel,
  • 10 ein drittes Ausführungsbeispiel,
  • 11 ein viertes Ausführungsbeispiel.
  • Für jede hochgenaue Positionsbestimmung ist, wie oben erwähnt, die Einhaltung der Abbe-Bedingung wichtig, um Ungenauigkeiten durch Kippbewegungen zu minimieren. Bei Encodern bedeutet diese Bedingung, dass der Objektpunkt, dessen Position bestimmt werden soll, und die effektiven Messorte der Encoder in Verlängerung entlang deren Messrichtungen liegen müssen. Der effektive Messort eines Encoders wird dabei durch seinen neutralen Drehpunkt (XNP, YNP, ZNP) vorgegeben und definiert sich dadurch, dass eine Kippung des Abtastkopfes oder des Maßstabs um den neutralen Drehpunkt keine lineare Änderung des angezeigten Positionswertes ergibt. Der neutrale Drehpunkt eines Encoders liegt meist mittig in seinem Abtastfeld entweder in Höhe des Maßstabs oder in Höhe der Abtastteilung im Abtastkopf.
  • Hochgenaue XY-Tische erfordern aber nicht nur die Einhaltung der Abbe-Bedingung und damit die Minimierung des Einflusses von Kippbewegungen der Tischführungen. Es müssen darüber hinaus auch die linearen Querbewegungen der Führungen, insbesondere die Geradheitsabweichungen in der Bewegungsebene (XY) des Tisches erfasst und korrigiert werden.
  • In vielen Applikationen muss nur in der Tischebene (XY) eine hochgenaue Positionsbestimmung erfolgen. Neben den entsprechenden Positionswerten X und Y ist aber häufig auch die Rotation Rz des Tisches um die Achse Z senkrecht zur Tischebene wichtig, wenn das verwendete Werkzeug eine nennenswerte Ausdehnung in der XY-Ebene aufweist. Dies ist z. B. bei einem Mikroskop mit einem nicht zu vernachlässigendem Beobachtungsfeld der Fall. Die Freiheitsgrade X, Y und Rz werden im Nachfolgenden als in-plane Freiheitsgrade bezeichnet. Demgegenüber brauchen die restlichen, sogenannten out-of-plane Freiheitsgrade Rx, Ry und Z meist gar nicht oder nicht so genau bestimmt werden. Dies trifft z. B. für ein Mikroskop mit einer großen Fokustiefe zu. Wichtig ist aber, dass genau derjenige Objektpunkt TCP durch die Encoder gemessen wird, der auch vom Werkzeug erfasst wird. Sein Ort liegt bei (XTCP, YTCP, ZTCP).
  • Erfindungsgemäß soll die Einhaltung der Abbe-Bedingung und die Erfassung von Querbewegungen des Tisches durch die Verwendung sogenannter 1Dplus Encoder erfolgen. 1Dplus Encoder (siehe 2) besitzen neben einer Längsspur TL auch eine Querspur TT. Der Abtastkopf AL, der die Längsspur TL abtastet, misst entlang der langen Ausdehnung X des Maßstabs. Der Abtastkopf AT dagegen tastet die Querspur TT ab und misst entlang der kurzen Ausdehnung Y des Maßstabs M.
  • Mit Hilfe eines dritten Abtastkopfs lässt sich auch der in-plane Freiheitsgrad Rz (Rotation um die z-Achse) messen. Dafür gibt es zwei Grundkonfigurationen. Die erste ist in 3 dargestellt und weist nur einen auf einem Referenzteil B montierten Maßstab M auf, der von drei, auf einem Objekt O befestigten Abtastköpfen AKY1, AKY2 und AKX abgetastet wird. Jeder der Abtastköpfe tastet den Maßstab M jeweils an seinem effektiven Abtastort (XNP,Y1, YNP,Y1, ZNP,Y1), (XNP,Y2, YNP,Y2, ZNP,Y2) bzw. (XNP,X, YNP,X, ZNP,X) ab. Die drei Abtastköpfe liefern die Positionswerte ξY1, ξY2 bzw. ξX.
  • Es wird im Folgenden angenommen, dass der zu bestimmende Objektort TCP in Z-Richtung mit den Z-Lagen der effektiven Abtastorte aller Abtastköpfe übereinstimmt: ZNP,Y1 = ZNP,Y2 = ZNP,X = ZTCP (Gl. 1)
  • Die beiden Abtastköpfe AKY1 und AKY2 erfassen nicht nur die Y-Verschiebung des Objekts O relativ zum Maßstab M bzw. zum Referenzteil B sondern auch die Drehung RzO-B um die z-Achse. Für kleine Rotationen RzO-B gilt näherungsweise: RzO-B = (ξY2 – ξY1)/(XNP,Y2 – XNP,Y1) (Gl. 2)
  • Zur Bestimmung der Lage (XO-B, YO-B) des Objekts O relativ zum Referenzteil B an der Stelle des TCP muss die von der Rotation RzO-B bewirkte Verschiebung zwischen den effektiven Abtastorten (XNP,X, YNP,X), (XNP,Y1, YNP,Y1), (XNP,Y2, YNP,Y2) der Abtastköpfe AKX, AKY1, AKY2 und dem TCP berücksichtigt werden: XO-B = ξX + RzO-B·(YNP,X – YTCP) YO-B = ξY1 – RzO-B·(XNP,Y1 – XTCP) (Gl. 3)
  • Diese Berechnung gilt für jede beliebige Lage des TCP relativ zu den Lagen der Abtastköpfe. Jedoch nimmt mit zunehmendem Abstand die Genauigkeit der Bestimmung der Lage (XO-B, YO-B) ab. Dieser Abstand sollte deshalb möglichst klein gewählt werden.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Objektlage (XO-B, YO-B) ist in 4 dargestellt. Hier werden zwei auf dem Referenzteil B montierte Maßstäbe M1 und M2 von insgesamt vier, auf dem Objekt O befestigten Abtastköpfen AKX1, AKX2, AKY1, AKY2 abgetastet. In diesem Fall wird die Rotation RzO-B durch die Positionswerte ξX1 und ξX2 der in X-Richtung messenden Abtastköpfe AKX1 und AKX2 gemessen: RzO-B = –(ξX2 – ξX1)/(YNP,X2 – YNP,X1) (Gl. 4)
  • Die Lage des Objekts O am Ort des TCP lässt sich in analoger Weise mit nur einem weiteren Abtastkopf, z. B. AKY1 bestimmen: XO-B = ξX1 + RzO-B·(YNP,X1 – YTCP) YO-B = ξY1 – RzO-B·(XNP,Y1 – XTCP) (Gl. 5)
  • Bei einem weiteren Abtastkopf AKY2 ist es aber vorteilhaft, auch die entsprechende, redundante Positionsinformation ξY2 einzuschließen, so dass sich statt Gl. 5 ergibt: XO-B = ξX1 + RzO-B·(YNP,X1 – YTCP) YO-B = η·[ξY1 – RzO-B·(XNP,Y1 – XTCP)] + (1 – η)·[ξY2 – RzO-B·(XNP,Y2 – XTCP)] (Gl. 6)
  • Der Gewichtungsfaktor η kann grundsätzlich beliebig gewählt werden. Es ist jedoch vorteilhaft, diesen Gewichtungsfaktor η so setzen, dass auch die thermische Ausdehnung von Komponenten zumindest bei einer gleichmäßigen Erwärmung des Objekts O und des Referenzteils B kompensiert wird. Die thermische Ausdehnung kann durch die doppelte Messung der Y-Lage des Objekts O durch die Abtastköpfe AKY1 und AKY2 bestimmt werden. Anteilig zu den Abständen der Abtastköpfe AKY1 und AKY2 vom TCP kann daher die thermisch korrigierte Y-Position YO-B des Objekts O am Ort des TCP berechnet werden. Je näher der TCP zu einem der Abtastköpfe AKY1 oder AKY2 liegt, desto stärker muss dessen Messwert gewichtet werden. Damit ergibt sich als optimaler Gewichtungsfaktor
    Figure 00070001
  • Auch eine Korrektur der thermischen Ausdehnung in X-Richtung ist möglich. Dazu wird zunächst die Längenänderung in Y-Richtung zwischen den Abtastköpfen AKY1 und AKY2 in eine Temperaturänderung ΔT umgerechnet:
    Figure 00080001
  • Der Parameter CTEB bezeichnet den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Referenzteils B. Mit Hilfe der Temperaturänderung ΔT und der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Bauteile können dann auch die thermischen Verschiebungen in X-Richtung bestimmt werden, wobei die Fixierpunkte der Bauteile untereinander natürlich berücksichtigt werden müssen. Auf eine detaillierte Beschreibung wird hier verzichtet, da es für den Fachmann einfach ist, mit der bekannten Temperaturänderung ΔT diese Berechnung durchzuführen. Die thermische Korrektur in Längsrichtung der Maßstäbe wird auch in den unten beschriebenen Ausführungsformen nicht weiter ausgeführt, kann aber selbstverständlich verwendet werden.
  • Statt einer Längsteilung TL und einer Querteilung TT können ebenso gut V-förmige Teilungen Tα und Tβ gemäß 5 verwendet werden, die durch entsprechend geneigte Abtastköpfe AKα, AKβ,1 und AKβ,2 abgetastet werden. Beispielsweise kann man α = 135° und β = 45° wählen. Solche Teilungen bieten den Vorteil, dass bei einer Bewegung in der Hauptbewegungsrichtung, d. h. in der Längsrichtung des Maßstabs, stets Positionsänderungen bei der Abtastung beider Spuren auftreten. Eine Signalkompensation, wie sie z. B. in der oben genannten DE 10 2005 023 984 A1 in Absatz [0029] beschrieben wird, ist damit einfach und mit hoher Genauigkeit möglich. Bei einer Querteilung TT gemäß 2 ist die Querbewegung (hier in Y-Richtung) meist sehr gering, so dass kaum Positionsänderungen auftreten und die Signalkompensation nicht neue Kompensationsparameter erfassen kann und somit Interpolationsfehler unvermeidbar sind.
  • Aus den Messwerten ξα, ξβ,1 und ξβ,2 können analog zu Gl. 2 und Gl. 3 Positionswerte XO-B, YO-B und RzO-B, bestimmt werden. Der Fachmann kann die entsprechenden Transformationsgleichungen leicht aufstellen. Solche V-förmige Teilungen liefern damit äquivalente Positionsinformationen.
  • In den unten beschriebenen Ausführungsbeispielen sind der Einfachheit halber alle Maßstäbe mit Längs- und Querteilungen (TL, TT) gezeigt. In der Praxis ist es aber vorteilhaft V-förmige Teilungen zu verwenden. Wie in der DE 10 2005 023 984 A1 in Absatz [0023] beschrieben, ist es dann auch möglich, für beide Teilungsspuren Referenzmarken anzuordnen und zu detektieren, selbst wenn keine Querbewegung auftritt.
  • 1. Ausführungsbeispiel:
  • In 6 ist eine erste Ausführungsform dargestellt. Ein Zwischenteil F ist in Y-Richtung verschiebbar gegenüber einem ortsfesten Referenzteil B gelagert. Weiterhin ist relativ zum Zwischenteil F das Objekt O (hier ein Messtisch) mit dem zu messenden bzw. zu bearbeitenden Teil W, z. B. ein Wafer, in X-Richtung verschiebbar gelagert. Durch eine kombinierte Verschiebung lässt sich das Objekt O in X- und Y-Richtung relativ zum ortsfesten Referenzteil B verschieben. Ein solcher Aufbau wird deshalb als sequentielle Anordnung von Lineartischen bezeichnet. Führungselemente sind in 6 nicht dargestellt.
  • Die Abtastköpfe AKX1, ... AKX4 erfassen die X-Bewegung relativ zu den zugehörigen Maßstäben M1, ... M4, die Abtastköpfe AKY1, ... AKY4 die entsprechenden Y-Bewegungen. Die beiden Maßstäbe M1 und M2 sind am ortsfesten Referenzteil B befestigt. Die Abtastköpfe AKX1, AKY1, AKX2 und AKY2 und die Maßstäbe M3 und M4 sind am bewegten Zwischenteil F montiert. Auf dem Objekt O befinden sich schließlich die Abtastköpfe AKX3, AKY3, AKX4 und AKY4. Durch die Anordnung von Abtastköpfen und Maßstäben werden die Bewegungen des Objekts O relativ zum Zwischenteil F und des Zwischenteils F relativ zum ortsfesten Referenzteil B jeweils in den Freiheitsgraden X, Y und Rz gemessen. Die Z-Lagen aller Encoder stimmen mit der Z-Lage des TCP überein: ZNP,X1 = ZNP,Y1 = ZNP,X2 = ZNP,Y2 = ZNP,X3 = ZNP,Y3 = ZNP,X4 = ZNP,Y4 = ZTCP (Gl. 9)
  • Für die Bestimmung der relativen Lage XF-B, YF-B, RzF-B des Zwischenteils F relativ zum ortsfesten Referenzteil B am Ort des TCP gilt:
    Figure 00100001
  • Analog gilt für die Bestimmung der Lage XO-F, YO-F, RzO-F des Objektes O relativ zum Zwischenteil F:
    Figure 00100002
  • Natürlich ist es möglich die Gewichtungsfaktoren ηF-B und/oder ηO-F auch auf die Werte 1 zu setzen. In diesen Fällen benötigt man die Abtastköpfe AKX2 bzw. AKY4 nicht mehr, wobei die oben beschriebene, thermische Korrekturmöglichkeit entfällt.
  • Die Bestimmung der Lage XO-B, YO-B und des Drehwinkels RzO-B des Objekts O relativ zum feststehenden Referenzteil B am Ort des TCP erfolgt durch eine Addition der Relativlagen des Objekts O zum Zwischenteil F und des Zwischenteils F zum feststehenden Referenzteil B: XO-B = XO-F + XF-B YO-B = YO-F + YF-B RzO-B = RzO-F + RzF-B (Gl. 12)
  • Durch die Bestimmung sowohl der X- als auch der Y-Lagen beider bewegten Teile F und O werden auch Führungsfehler wie z. B. Geradheitsabweichungen erfasst und durch eine nicht dargestellte Regelung und entsprechende Antriebe korrigiert.
  • Für die Genauigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es wichtig, dass alle zur Lagebestimmung relevanten Teile B, F und O stabil bleiben. Dies wird zum einen durch die Wahl geeigneter Materialien bestimmt. So ist es oft vorteilhaft, Materialien mit geringer Ausdehnung, wie z. B. Zerodur oder Invar, oder auch Materialien mit guter Wärmeleitung, wie z. B. Aluminium, zu verwenden. Zum anderen dürfen aber auch keine Kräfte wirken, die diese Teile B, F und O verbiegen oder in ihrer Länge beeinflussen.
  • Bei hochgenauen XY-Tischen, die bisher oftmals mit Laserinterferometern ausgerüstet sind, werden teilweise zwei getrennte, ortsfeste Trägerstrukuren verwendet. Eine erste Trägerstruktur soll alle Kräfte ableiten, die zur Halterung und Bewegung der Bauteile eingeleitet werden müssen. Diese Trägerstruktur wird als Kräfterahmen bezeichnet. Eine zweite, davon entkoppelte Trägerstruktur dient zur Aufnahme aller Bauteile, die für die Messung der Relativpositionen erforderlich sind. Diese Trägerstruktur heißt Messrahmen. Durch die Entkoppelung des Messrahmens vom Kräfterahmen wird verhindert, dass Verformungen des Messrahmens und damit Messfehler entstehen. Die Entkoppelung kann durch eine Verbindungsmechanik mit flexiblen Elementen oder durch eine Schwingungsisolation erfolgen. Bei bisherigen Maschinen sind beide Rahmen ortsfest und bewegen sich nicht.
  • Die 7a (Draufsicht), 7b (Schnitt AA') und 7c (Schnitt CC') zeigen eine Erweiterung dieses Konstruktionsprinzips. Jedes der Bauteile B, F und O tragen Komponenten der Encoder und werden deshalb als Messrahmenelemente bezeichnet. Davon jeweils durch Entkoppelungselemente EB'-B,n, EF'-F,n und EO'-O,n (n = 1, 2, 3) getrennt gibt es die Bauteile B', F' und O'. Das Bauteil B' ist ortsfest, das Bauteil F' wird im Wesentlichen zusammen mit dem Bauteil F entlang der Y-Richtung bewegt und das Bauteil O' wird im Wesentlichen zusammen mit dem Bauteil O entlang X und Y bewegt. An den Bauteilen B', F' und O' sind die Kraft erzeugende Elemente befestigt, wie z. B. die Führungselemente LO'-F',n, LF'-B',n und LO'-B',n (n = 1, 2, ...), die hier als Luftlager ausgebildet sind, und auch die Linearmotoren LMn (n = 1, 2, 3, 4). Die Entkoppelungselemente EB'-B,n, EF'-F,n und EO'-O,n sind vorteilhafterweise als Festkörpergelenke so ausgeführt, dass grundsätzlich alle sechs Freiheitsgrade der verbundenen Bauteile zueinander gesperrt sind, aber eine Überbestimmung vermieden wird. Eine solche Verbindung wird oftmals auch als eine kinematische Verbindung bezeichnet. Durch das Fehlen von Überbestimmungen werden Verbiegungen der Messrahmenelemente vermieden. In 7a sind beispielsweise die Entkoppelungselemente EB'-B,n, EF'-F,n und EO'-O,n in radialer Richtung flexibel, während sie in tangentialer Richtung starr sind.
  • 2. Ausführungsform
  • Bei der zweiten Ausführungsform gemäß 8 und 9 sind auf dem Zwischenteil F statt den Maßstäben die Abtastköpfe AKX3, AKY3, AKX4 und AKY4 befestigt. Die Maßstäbe M3 und M4 sind hier mit dem Objekt O fest verbunden. Der sonstige Aufbau gleicht der ersten Ausführungsform und wird hier nicht noch einmal beschrieben.
  • Durch die Befestigung der Maßstäbe M3 und M4 auf dem Objekt O kann das Zwischenteil F einfacher ausgeführt sein. Es muss nicht mehr einen auf Biegung äußerst empfindlichen Maßstab tragen. Die Abtastköpfe sind im Vergleich dazu deutlich robuster. Dennoch muss das Zwischenteil F die Abtastköpfe positionsstabil haltern. Da das Objekt O das zu messende Teil W trägt, muss es in jedem Fall steif und positionsstabil aufgebaut sein. Der Mehraufwand durch die Befestigung der Maßstäbe M3 und M4 ist also minimal.
  • Die effektiven Messpunkte der Abtastköpfe AKY3 und AKY4 werden hier vorteilhaft in X-Richtung fluchtend mit dem TCP angeordnet: XNP,Y3 = XNP,Y4 = XTCP
  • Dadurch vereinfachen sich die Berechnungsformeln.
  • In vielen Anwendungen dürfen keine Teile in Z-Richtung über das Messobjekt W hinausragen, um eine Kollision mit dem Werkzeug auch in Fehlerfällen zu verhindern. Solche Fehlerfälle können z. B. auftreten, wenn bei hoher Tischgeschwindigkeit ein Stromausfall auftritt. Um solche Kollisionen zu verhindern, werden in dieser Ausführungsform die Maßstab M3 und M4 mit der Teilung zum Referenzteil B hin ausgerichtet (siehe 9) und ihre Oberseite mit dem Messobjekt W nivelliert, d. h. auf gleiche Z-Höhe gebracht. Vorteilhafterweise werden hier Encoder eingesetzt, deren effektiver Messort ZNP auf der Teilungsseite des Maßstabs liegt oder auch im Substratbereich des Maßstabs. Auf diese Weise lässt sich zwar die Abbe-Bedingung nicht mehr vollständig erfüllen. Der resultierende Abbe-Abstand DZ bleibt aber sehr gering. Werte von kleiner 5 mm sind durchaus erreichbar
  • In dieser Ausführungsform sind die Maßstäbe M1 und M2, bzw. M3 und M4 zueinander spiegelsymmetrisch angeordnet. Dasselbe gilt auch für die zugehörigen Abtastköpfe. Diese Symmetrie erlaubt eine symmetrische Gestaltung der Bauteile B, F und O. Sie bietet grundsätzlich eine höhere Genauigkeit, da viele ortsabhängige Fehleranteile, die dieselbe Spiegelsymmetrie aufweisen, sehr klein gehalten werden können.
  • 3. Ausführungsbeispiel
  • Bei der dritten Ausführungsform gemäß 10 befinden sich die Maßstäbe M1 und M2 auf dem bewegten Zwischenteil F und die zugehörigen Abtastköpfe AKX1, AKY1, AKX2 und AKY2 sind ortsfest mit dem Referenzteil B ver bunden. Wie in der zweiten Ausführungsform sind die Maßstäbe M3 und M4 am Objekt O angebracht und die zugehörigen Abtastköpfe AKX3, AKY3, AKX4 und AKY4 am Zwischenteil F befestigt.
  • Die Abtastköpfe AKX1, AKX2, AKY3 und AKY4 lassen sich in dieser Ausführungsform so anordnen, dass ihr effektiver Messpunkt stets zum TCP entlang ihrer Messrichtung ausgerichtet ist. Für die zugehörigen Positionswerte entfällt damit die Korrektur mit dem Winkel Rz, was die Auswertung der Positionssignale vereinfacht.
  • 4. Ausführungsbeispiel
  • Bei der vierten Ausführungsform gemäß 11 wird nicht mehr das zu messende Teil W relativ zum feststehenden TCP bewegt. Vielmehr befindet sich das zu messende Teil auf dem ortsfesten Referenzteil B und das Werkzeug bzw. der TCP wird mit dem Objekt O mitbewegt. Die grundsätzlichen Berechnungen erfolgen in gleicher Weise wie oben beschrieben, die Position (XTCP, YTCP) des TCP ist allerdings nicht mehr konstant, sondern ändert sich mit der Tischposition. Auf einen vierten Maßstab wird in diesem Ausführungsbeispiel verzichtet. Stattdessen wird der Maßstab M3 durch drei Abtastköpfe AKX3, AKY3 und AKY3 abgetastet. Die beiden auf der Querspur TT abtastenden Abtastköpfe AKY3 und AKY4 erfassen nicht nur die Y-Lage des Objekts O relativ zum Zwischenteil F sondern auch die zugehörige Rotation RzO-F. Wie bei den obigen Ausführungsbeispielen sind alle effektiven Messpunkte der Abtastköpfe und der TCP in Z-Richtung auf gleicher Höhe: ZNP,X1 = ZNP,Y1 = ZNP,X2 = ZNP,Y2 = ZNP,X3 = ZNP,Y3 = ZNP,Y4 = ZTCP
  • Das Zwischenteil Z muss deshalb zumindest teilweise neben dem zu bearbeitenden Teil W angeordnet sein. Nur auf diese Weise kann die Abbe-Bedingung eingehalten werden. Die übliche Anordnung einer Gantry-Maschine, bei der das Messgerät und der Antrieb für die Y-Richtung über dem Messobjekt hinwegbewegt wird, genügt dieser Bedingung nicht.
  • Hinweise für alle Ausführungsbeispiele:
  • In allen Ausführungsformen kann statt den zwei, jeweils parallel angeordneten Maßstäben auch nur ein 1Dplus Maßstab verwendet werden, der dann aber wie im dritten Ausführungsbeispiel durch drei Abtastköpfe abgetastet werden muss. Zwei der drei Abtastköpfe tasten dabei die Querteilung TT ab. Der Abstand dieser beiden Abtastköpfe sollte möglichst groß sein, um eine ausreichende Genauigkeit für die Bestimmung der entsprechenden Rotation Rz zu erzielen.
  • Um in Z-Richtung den effektiven Messpunkt des Encoders in die gleiche Höhe wie das Messobjekt zu bringen, muss ein Teil des Encoders in Z-Richtung über das Messobjekt hinausragen. Die Vermeidung eines Zusammenstosses mit dem Werkzeug ist damit schwierig zu erreichen. Deshalb kann es vorteilhaft sein, die Komponenten des Encoders in Z-Richtung soweit nach unten zu verschieben, dass sie nicht mehr über das Messobjekt hinausragen. Der dadurch entstehende Abbe-Abstand von ca. 20 mm ist in vielen Fällen noch akzeptabel.
  • Typische Führungsfehler für Linearführungen betragen etwa 1–10 Mikrorad. Ein Abbe Abstand in Z-Richtung von 10 Millimetern führt dann zu einem Messfehler zwischen 10 und 100 Nanometer. Betrachtet man 100 Nanometer als noch zulässigen Messfehler, so darf der Abbe Abstand höchstens 10 Millimeter betragen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (4)

  1. XY-Tisch mit einer Messanordnung zur Positionsbestimmung, – mit einem ortsfesten Referenzteil (B) und einem Zwischenteil (F), das relativ zum Referenzteil (B) in einer ersten Richtung (Y) verschiebbar gehalten ist, – mit einem Objekt (O) das relativ zum Zwischenteil (F) in einer zweiten Richtung (X) verschiebbar gehalten ist, – wobei ein zu bearbeitendes Teil (W) auf dem Objekt (O) oder auf dem Referenzteil (B) angeordnet ist, – sowie für die erste Richtung (X) mit wenigstens einem 1Dplus-Encoder (M1, M2) zum Messen aller in-plane Freiheitsgrade (X, Y, Rz) zwischen Referenzteil (B) und Zwischenteil (F), – und für die zweite Richtung (Y) mit wenigstens einem 1Dplus-Encoder (M3, M4) zum Messen aller in-plane Freiheitsgrade (X, Y, Rz) zwischen dem Objekt (O) und dem Zwischenteil (F), – so dass die Lage eines Tool Center Points (TCP) am Teil (W) oder am Objekt (O) erfassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die 1Dplus-Encoder (M1, M2, M3, M4) konstruktiv so angeordnet sind, dass deren Projektion in eine durch die erste und zweite Richtung (X, Y) aufgespannte Ebene, die den Tool Center Point (TCP) enthält, im gesamten Verfahrbereich des XY-Tisches außerhalb des Teils (W) liegt.
  2. XY-Tisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die 1Dplus-Encoder (M1, M2, M3, M4) so angeordnet sind, dass deren effektive Messorte bezüglich einer dritten Richtung (Z) senkrecht zur ersten und zweiten Richtung (Y, X) im Wesentlichen auf gleicher Höhe liegen.
  3. XY-Tisch nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die 1Dplus-Encoder (M1, M2, M3, M4) so angeordnet sind, dass deren effektive Messorte und der Tool Center Point (TCP) bezüglich der dritten Richtung (Z) im Wesentlichen auf gleicher Höhe liegen.
  4. XY-Tisch nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die 1Dplus-Encoder (M1, M2, M3, M4) so angeordnet sind, dass deren effektive Messorte bezüglich der dritten Richtung (Z) um nicht mehr als zehn Millimeter vom Tool Center Point (TCP) entfernt sind.
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