DE10297440T5

DE10297440T5 - Substratbehandlungsvorrichtung und Verfahren sowie durch dieses Verfahren behandelte Codierskala

Info

Publication number: DE10297440T5
Application number: DE10297440T
Authority: DE
Inventors: Alexander David Scott Horsley Ellin; James Reynolds Stroud Henshaw; David Roberts Dursley McMurty
Original assignee: Renishaw PLC
Current assignee: Renishaw PLC
Priority date: 2001-11-15
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2022-11-16
Also published as: JP2005508760A; US20100163536A1; RU2004117910A; DE10297440B4; JP4813018B2; GB2397040B; GB0127410D0; CN1585685A; US7723639B2; US20150225858A1; DE10298002B3; GB0410049D0; GB2397040A; US10982334B2; CN1293983C; WO2003041905A1; US20050079499A1; WO2003041905A8; GB2397040B8

Abstract

Verfahren zum Behandeln eines Substrats, um darauf ein Muster zu erzeugen, mit den folgenden Schritten in geeigneter Reihenfolge, dass
ein Substrat vorgesehen wird;
eine Substratbehandlungsvorrichtung vorgesehen wird;
ein Steuersystem vorgesehen wird;
ein Verschiebemechanismus vorgesehen wird, der ein Verschiebesignal liefert, das eine Verschiebung angibt;
der Verschiebemechanismus so betrieben wird, um eine kontinuierliche relative Verschiebung zwischen dem Substrat und der Behandlungsvorrichtung zu bewirken;
das Steuersystem so betrieben wird, um das Verschiebesignal zu überwachen und zu bewirken, dass die Behandlungsvorrichtung das Substrat in Intervallen behandelt, um so das Muster zu erzeugen, während die kontinuierliche Verschiebung erfolgt, wobei das Steuersystem ferner so betrieben wird, dass ein Taktvergleichsschritt zur Synchronisation des Verschiebesignals mit den Intervallen ausgeführt wird.

Description

Diese Erfindung betrifft die Herstellung eines Musters durch Behandlung eines Substrats beispielsweise unter Verwendung von Laserlicht. Insbesondere betrifft die Erfindung unter anderem die Herstellung von Codierskalen beispielsweise für Drehgeber zur Verwendung in Messvorrichtungen, die einen Codierskalenleser verwenden.
Die Verwendung eines Lasers, um ein Substrat mit einem periodischen Muster zu markieren, ist beispielsweise aus dem U.S.-Patent Nr. 4,406,939 (Siemens) bekannt. Das Siemens-Patent zeigt drei verschiedene Verfahren zur Herstellung einer Drehcodiererskala. Bei einem Verfahren (in Fig. 2 dieses Patentes gezeigt) wird ein Taktimpulsgenerator verwendet, um das Zünden eines Lasers zur Markierung einer Codierscheibe zu steuern. Diese Scheibe kann über einen Motor gedreht werden, dessen Drehzahl aus denselben Taktimpulsen abgeleitet ist. Der Motor kann ein Schrittmotor sein.
Einer der Nachteile des vorgeschlagenen Systems ist die mangelnde Genauigkeit. Der Motor muss mit einer exakten Winkelgeschwindigkeit angetrieben werden und muss daher eine außergewöhnliche Qualität besitzen. Es findet sich jedoch keine Erklärung, wie die gezeigte Linienmarkierung hergestellt werden soll, wenn die Scheibe kontinuierlich quer bzw. schräg zu dieser Linie bewegt wird, oder wie der Laser 8, wenn Abtas ten verwendet wird, zu seiner Linienstartposition zurückkehren soll, wenn die Rotation kontinuierlich ist.
Andere Verfahren zur Codierskalenherstellung, wie beispielsweise auch in dem U.S.-Patent Nr. 4,406,939 beschrieben ist, betreffen die schrittweise . Bewegung der Skala und ihre Behandlung durch einen Laser. Die beschriebenen Techniken besitzen den Nachteil eines Wärmeaufbaus an dem laserbehandelten Bereich wie auch der daraus folgenden Änderung der lokalen Abmessung, was die Genauigkeit beeinträchtigt. Zusätzlich weisen bekannte Techniken dahingehend eine Ungenauigkeit auf, dass eine genaue Inkrementalbewegung bzw. schrittweise Bewegung der Skala oder des Lasers erforderlich ist.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Behandeln eines Substrats vor, um darauf ein Muster zu erzeugen, mit den folgenden Schritten in geeigneter Reihenfolge, dass
ein Substrat vorgesehen wird;
eine Substratbehandlungsvorrichtung vorgesehen wird;
ein Steuersystem vorgesehen wird;
ein Verschiebemechanismus vorgesehen wird, der ein Verschiebesignal liefert, das eine Verschiebung angibt;
der Verschiebemechanismus so betrieben wird, um eine kontinuierliche relative Verschiebung zwischen dem Substrat und der Behandlungsvorrichtung zu bewirken;
das Steuersystem so betrieben wird, um das Verschiebesignal zu überwachen und zu bewirken, dass die Behandlungsvorrichtung das Substrat in Intervallen behandelt, um so das Muster zu erzeugen, während die kontinuierliche Verschiebung erfolgt, wobei das Steuersystem ferner so betrie ben wird, dass ein Taktvergleichsschritt (engl. "timing comparison step") bzw. Schritt zum Vergleich des Timings zur Synchronisation des Verschiebesignals mit den Intervallen ausgeführt wird.
Bevorzugt sind auch die folgenden Schritte vorgesehen, dass:
ein Referenzsignal zur Steuerung der Intervalle erzeugt wird;
das Steuersystem ferner so betrieben wird, dass das Referenzsignal überwacht wird; und
das Steuersystem ferner so betrieben wird, dass der Taktvergleichsschritt zur Synchronisation des Verschiebesignals mit dem Referenzsignal ausgeführt wird.
Bevorzugt umfasst der weitere Schritt zum Betrieb des Steuersystems so, dass der Taktvergleichsschritt zur Synchronisation des Verschiebesignals mit dem Referenzsignal ausgeführt wird, gegebenenfalls, dass die Rate erhöht oder verringert wird, mit der das Verschiebesignal vorkommt, indem die relative Verschiebung erhöht oder verringert wird.
Alternativ dazu umfasst der weitere Schritt zum Betrieb des Steuersystems so, dass der Taktvergleichsschritt zur Synchronisation des Verschiebesignals mit dem Referenzsignal ausgeführt wird, gegebenenfalls, dass die Rate erhöht oder verringert wird, mit der das Referenzsignal vorkommt, wodurch die Rate der Intervalle erhöht oder verringert wird.
Bevorzugt sieht das Verfahren ferner den Schritt vor, dass: eine Phasenregelkreisschaltung (engl. "phased lock loop circuit"; PLL-Schaltung) als Teil des Steuersystems vorgesehen wird, wobei die Überwachung wie auch der Taktvergleich bzw. Vergleich des Timings der Ver schiebe- und Referenzsignale in der Phasenregelkreisschaltung bzw. "Phased Lock Loop"-Schaltung ausgeführt werden.
Bevorzugt ist die relative Verschiebung eine Winkelbewegung um eine Achse herum, wobei das Muster um diese Achse herum ausgebildet werden kann; und die Intervalle mit einer Rate F vorkommen, die durch die Gleichung F = R × L/S berechnet wird, wobei R die Winkelbewegung in Umdrehungen pro Zeiteinheit ist, L die Anzahl von Wiederholungen des Musters ist, die in einer vollständigen Umdrehung erforderlich sind, und S eine ganze Zahl ist, die keinen Faktor von L darstellt.
Bevorzugt sieht der Verschiebemechanismus ein kleines, eine Winkelbewegung bewirkendes Drehmoment vor und besitzt ein Trägheitsmoment mit ausreichender Größe, um so jede schnelle Änderung der Geschwindigkeit der kontinuierlichen relativen Verschiebung zu vermeiden.
Bevorzugt ist die Phasenregelkreisschaltung als ein Regelkreis ausgebildet und der Regelkreis besitzt eine Bandbreite, die unter der Rotationsfrequenz R liegt, wodurch zyklische Fehler, die in dem Verschiebesignal vorhanden sind, unterdrückt werden.
Bevorzugt wird das an dem Substrat herzustellende Muster aus Elementen ausgebildet, wobei jedes Element durch Behandlung des Substrats in mehr als einem Intervall erzeugt wird und alle Elemente einer ersten Behandlung unterzogen werden, bevor sie ihrer zweiten Behandlung unterzogen werden.
Bevorzugt umfasst:
die Substratbehandlungsvorrichtung eine Laserlichtquelle und ein Mittel zum Lenken eines Laserlichtstrahls in Richtung des Substrats;
die Behandlung des Substrats umfasst das Lenken des Laserlichtes in Richtung des Substrats; und
die Intervalle zum Behandeln umfassen Impulse des Lichtes, die in Richtung des Substrats gelenkt werden.
Bevorzugt wird das an dem Substrat herzustellende Muster aus Elementen ausgebildet, wobei die Elemente aus einer Gruppe gewählt sind, die umfasst:
gleich beabstandete und periodisch vorkommende Elemente;
gleich beabstandete und periodisch vorkommende Elemente, wobei Elemente fehlen;
beabstandete Elemente, die mit einem unregelmäßigen Muster übereinstimmen;
beabstandete Elemente, die mit einem unregelmäßigen Muster übereinstimmen, wobei Elemente fehlen;
zufällig vorkommende Elemente.
Bevorzugt wird die relative Verschiebung oder Winkelbewegung dadurch bewirkt, dass das Substrat rotiert, während die Behandlungsvorrichtung im Wesentlichen stationär bleibt.
Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Behandlung eines Substrats mit Laserlicht vor, um ein allgemein periodisches Muster darauf herzustellen, mit den folgenden Schritten in geeigneter Reihenfolge, dass:
ein Referenzsignal erzeugt wird;
das Substrat in einer Bewegungsrichtung relativ zu dem Laserlicht durch Verwendung eines Verschiebemechanismus verschoben wird;
ein Bewegungssignal geliefert wird, das diese Verschiebung angibt;
die Bewegungs- und Referenzsignale überwacht werden;
die Geschwindigkeit der Verschiebung so beibehalten wird, dass die Bewegungs- und Referenzsignale im Wesentlichen synchron gehalten werden, und
das Substrat behandelt wird, indem Impulse des Laserlichts an das Substrat mit einer Rate gelenkt werden, die durch das Referenzsignal bestimmt ist, um so das Muster zu erzeugen.
Die Erfindung sieht auch eine Vorrichtung zur Behandlung eines Substrats vor, um ein Muster darauf herzustellen, mit:
einer Substratbehandlungsvorrichtung;
einem Mechanismus, um eine kontinuierliche relative Verschiebung der Behandlungsvorrichtung relativ zu dem Substrat zu bewirken;
einem Verschiebesignalgenerator, und
einem Steuersystem, das so betrieben werden kann, um das Verschiebesignal zu überwachen, und das so betrieben werden kann, dass die Behandlungsvorrichtung das Substrat in Intervallen zur Erzeugung des Musters behandelt, während die kontinuierliche Verschiebung erfolgt,
wobei:
das Steuersystem ferner so betrieben werden kann, dass ein Taktvergleichsschritt zur Synchronisation des Verschiebesignals mit den Intervallen ausgeführt wird.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung auch einen Referenzsignalgenerator, um die Behandlungsintervalle zu bewirken, und wobei der Taktvergleichs schritt ausgeführt wird, um die Verschiebe- und Referenzsignale im Wesentlichen synchron zu halten.
Bevorzugt umfasst das Steuersystem eine Phasenregelkreisschaltung, und das Überwachen und der Vergleich der Verschiebe- und Referenzsignale erfolgen innerhalb der Phasenregelkreisschaltung.
Die Erfindung umfasst auch eine Codierskala zur Verwendung mit Messvorrichtungen, die einen Skalenleser verwenden, wobei die Codierskala ein Substrat mit einem Muster darauf umfasst, das durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet worden ist.
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine Vorrichtung zur Herstellung einer Codierskala unter Verwendung der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ein Detail von einem der Elemente der in 1 gezeigten Vorrichtung zeigt;
3 eine vergrößerte Ansicht einer typischen Skala durch ein Mikroskop zeigt, die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
4 eine weitere Vorrichtung zeigt, die die vorliegende Erfindung verwendet; und
5 eine noch weitere Vorrichtung zeigt, die die vorliegende Erfindung verwendet.
1 zeigt ein Schaubild einer Vorrichtung zur Herstellung eines Codierringes 10. Bei dieser Vorrichtung ist ein Substrat in der Form eines Ringes 10, ein Tachometerring 12, ein Tachometersensor 14, ein Motor 18 und fiktiv eine Trägheitsmasse 16 gezeigt (die in einem der anderen rotierenden Teile enthalten sein kann). Der Ring 10 und der Tachometerring 12 drehen sich gemeinsam mit einer bestimmten Trägheitsmasse 16 (durch ein Luftlager gelagert) und werden alle durch einen Verschiebemechanismus kontinuierlich angetrieben, der einen Motor 18 umfasst. Die Drehzahl der rotierenden Teile wird über eine lange Zeitdauer durch ein Steuersystem 110 konstant gehalten (bei diesem Beispiel bei einer Drehzahl von 1000 U/min, wobei sich jedoch auch herausgestellt hat, dass mit einer Drehzahl zwischen 100 und 3000 U/min ein zufrieden stellender Betrieb erreicht wird). Das System umfasst einen Referenzsignalgenerator 112, einen Frequenzteiler 114, eine Phasenregelkreisschaltung 100 (PLL – Schaltung) bestehend aus einem Tachometersensor 14, einem Phasenkomparator 116 und einem Filter 118 mit niedriger Bandbreite, der den Motor 18 antreibt. Der Motor 18 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor, obwohl alternativ dazu auch andere Motoren verwendet werden können, und im Betrieb wird der Motor mit einem Strom angetrieben, der von der PLL-Schaltung abgeleitet wird. Die PLL-Schaltung versucht, die Phase des Signals von dem Tachometersensor 14 mit der Phase des Referenzsignals von dem Frequenzteiler 114 zu synchronisieren, das von dem Signalgenerator 112 stammt, und versucht, den Strom des Motors dementsprechend einzustellen, um die Drehzahl des Ringes 10 in Übereinstimmung mit dem Referenzsignal zu bringen. Da in den Rotationselementen eine solche Trägheit vorhanden ist, so dass das Drehmoment des Motor die Trägheit nur langsam über mehrere 10 oder 100 Umdrehungen beschleunigen kann, erfolgt dann jede Änderung der Drehzahl nur allmählich und dadurch wird die Drehzahl des Ringes innerhalb der kurzen und langen Zeitdauer, d.h. einige wenige hundert bis zu wenigen tausend Umdrehungen vernünftig konstant gehalten. Bei der niedrigen Reaktionszeit für die PLL-Korrekturschaltung macht es nichts aus, wenn der Motor von der kostengünstigeren Sorte ist oder der Tachometer keine genauen Signale erzeugt.
Nun wird eine Substratbehandlungsvorrichtung 121 beschrieben. Bei dieser Ausführungsform ist die Behandlung eine Laserablation, und das Substrat ist die Oberfläche des Codierringes 10.
Es ist ein TI-Saphirlaser 122 gezeigt, der einen Lichtstrahl mit einer kurzen Impulsperiode einer Picosekunde oder darunter und mit einer Energie von etwa 0,1 bis 5 mJ/Impuls erzeugt. Der Takt bzw. die zeitliche Abstimmung (Timing) der Impulse wird auch durch das Referenzsignal und einen anderen Frequenzteiler 120 bestimmt.
Es kann eine einzelne zylindrische Linse 124 oder alternativ dazu ein System aus Linsen verwendet werden, um einen gestreckten, elliptisch fokussierten Punkt mit dem erforderlichen Profil zu erzeugen, beispielsweise mit einer Hauptachse von etwa 6 mm und einer Nebenachse von etwa 10 μm. Die Nebenachse ist mit der Rotationsrichtung R ausgerichtet.
Bei diesen Parametern findet eine Ablation statt, und je mehr Wiederholungen des Musters an dem Ring ausgeführt werden, um so tiefer wird das Muster. Eine Mustertiefe von etwa 0,1 bis 0,5 μm kann durch mehrmaliges Zünden des Lasers an einer beliebigen Fläche erzeugt werden, was durch wiederholtes Zünden des Lasers über viele aufeinander folgende Umdrehungen des Ringes ausgeführt werden kann. Es ist ein tieferes oder flacheres Muster möglich.
Es ist offensichtlich, dass, wenn ein schmaler Punkt (beispielsweise 10 μm) verwendet wird, dann ein Muster mit einer breiteren Schrittweite bzw. Teilung (beispielsweise 40 μm) nur durch zwei oder mehr benachbarte Impulse und einen Spalt mit einer Breite von zwei oder mehr Impulsen erhalten wird. Somit ist es durch Hemmen oder Ändern der Phaseneinstellung der Impulse bezüglich der Verschiebung möglich, ein Muster zu erzeugen, das eine gröbere Schrittweite besitzt oder ein unausgeglichenes oder ungleichförmiges Markierungs- bzw. Raumverhältnis besitzt.
In der Praxis wird der Laser nicht an jedem der aufeinander folgenden inkrementellen Punkte des erforderlichen Musters sondern bei einer ganzen Zahl S von Inkrementen gezündet, die keinen Faktor der Gesamtzahl von Inkrementen darstellen, die (in diesem Fall) um den Umfang des Ringes 10 herum erforderlich sind. Dies bedeutet, dass ein Muster über eine Anzahl von Umdrehungen des Rings 10 aufgebaut wird, jedoch nicht auf einmal, so dass eine lokalisierte Erhitzung verringert wird und Fehler sich um den Ring herum ausbreiten.
Wenn die Absicht besteht, einen Ring mit L gleichmäßig beabstandeten Linien und einer Länge von W zu erzeugen, dann sollte, um einen Wärme aufbau zu verhindern, die Laserbehandlung nicht an benachbarten Linien erfolgen, sondern sollte um den Ring herum durch S Linien beabstandet ausgeführt werden, wobei S kein Faktor von L ist. Die Drehzahl R des Ringes muss S·F : L Umdrehungen pro Sekunde betragen, wobei F die Laserimpulswiederholungsrate in Hertz ist.
Je höher der Wert von S für eine gegebene Ringgröße ist, um so schneller dreht sich der Ring und um so größer ist daher seine Stabilität der Rotationsgeschwindigkeit R.
Bei einem alternativen Aufbau kann das Laserlicht an den Ring von oben gelenkt werden, wie in der gestrichelten Variante 125 in 1 gezeigt ist. In einem derartigen Fall werden radiale Linien erzeugt, die von gleichem Nutzen wie die axialen Linien sind, die durch die bevorzugte Laserpositionierung erzeugt werden. Linien an dem inneren Umfang sind ebenfalls möglich. Die erzeugten Linien müssen nicht genau radial oder axial ausgerichtet sein und können gegebenenfalls schräg ausgebildet sein.
Bei einem zusätzlichen alternativen Aufbau wird das Laserlicht in einen elliptischen Punkt fokussiert, dessen Hauptachse kürzer als das erforderliche Muster ist, wobei die zusätzliche Länge erreicht wird, indem der Punkt entlang der Rotationsachse unter Verwendung eines Abtastspiegels oder -prismas bewegt wird oder die Fokussierlinse bzw. Fokussierlinsen bezüglich des Ringes bewegt werden.
Für Codierringe mit ausreichend großem Querschnitt sind die Auswirkungen der über Laser bewirkten Erwärmung des Substrats weniger erheblich. Die Auswahl eines geeigneten Lasers kann für diese Ringe ausgewei tet werden, so dass Laser enthalten sind, die in der Lage sind, die gewünschten Eigenschaften zu erzeugen und deren Impulslänge so gewählt ist, um die Wechselwirkung mit dem Substrat zu optimieren und die durch die Geschwindigkeit der Verschiebung bewirkte Ausbreitung zu minimieren. Es ist unwahrscheinlich, dass diese Impulslänge in der Praxis über 100 ns liegt. Über dieser Zahl wird die erzeugte Linie typischerweise um die Distanz verbreitert, um die sich der Ringumfang während der Dauer der Impulse bewegt.
In 2 ist eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung eines Codierringes detailliert gezeigt. Ihr Steuersystem ist wie oben beschrieben ausgebildet. Der Motor 18 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor, und sein Rotor ist in einem Zentralträger 16 aufgenommen. Der Träger besitzt ein Luftlager, das bei A beliefert wird. Der Ring ist auf dem Träger 16 befestigt und wird gedreht, während der Laser 122 mit einer Rate gepulst wird, die mit der Drehzahl bzw. Geschwindigkeit des Ringes gemäß den oben erwähnten Gleichungen übereinstimmt.
3 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes der Codierskala, die durch das Verfahren der Erfindung hergestellt wird. Die Figur zeigt eine typische Ansicht durch ein Mikroskop, das auf das auf dem Substrat erzeugte Skalenmuster, das eine Schrittweite bzw. Teilung P besitzt, ausgerichtet ist. Hierbei beträgt das Markierungs- bzw. Raumverhältnis 50 : 50, und die Schrittweite P beträgt 40 μm. Das Muster wird erhalten, indem zunächst eine Serie von Markierungen (10 μm breit mit einem Spalt von 30 μm) erzeugt wird und dann die Phase der Impulse so verschoben wird, dass sie unmittelbar nach der Phase der Impulse auftreten, die die erste Serie von Markierungen erzeugt haben. Somit wird eine zweite Serie von Markierungen neben der ersten Serie jedoch um eine ganze Punktbreite, in diesem Fall 10 μm, verschoben erzeugt, wodurch eine dickere Markierung erzeugt wird, die aus zwei benachbarten 10 μm-Markierungen mit einem Spalt von 20 μm besteht.
4 zeigt eine Vorrichtung, die eine andere Ausführungsform der Erfindung verwendet. Die Vorrichtung ist ähnlich der in 1 gezeigten Ausführungsform, jedoch ist bei dieser Vorrichtung das Steuersystem 111 im Vergleich zu der, die in 1 gezeigt ist, anders ausgebildet. Hier weist der Phasenkomparator 116 der PLL-Schaltung 110 Eingänge von dem Tachometersensor 14 und einem Frequenzteiler 115 auf, der seinerseits mit dem Laserbetriebseingang verbunden ist. Ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) 113 ist mit dem Ausgang des Komparators verbunden. Das Signal von dem VCO wirkt als ein Referenzsignal zu Steuerzwecken. Der Spannungseingang des VCO wird durch die PLL vorgesehen. Die PLL-Ausgabespannung variiert gemäß der Genauigkeit der Phasenübereinstimmung ihrer Eingänge von dem Tachometersensor 14 und dem Teiler 115. Somit versucht die PLL, die Teilersignalphase in Übereinstimmung mit der Phase des Tachometersignals zu bringen, indem die Versorgungsspannung zu dem VCO variiert wird. Auf diese Art und Weise kann die Laserzündrate von der Drehzahl des Tachometerringes 12 und daher der Drehzahl des Ringes 10 abhängig gemacht werden. Bei dieser Ausführungsform wird keine Motorsteuerung verwendet. Die Rate der Laserbehandlung ist direkt proportional zu der Rotationsgeschwindigkeit des Ringes 10, so dass es keinen Unterschied macht, mit welcher Drehzahl bzw. Geschwindigkeit der Ring bewegt wird. Tatsächlich wäre es sogar möglich, den Motor 18 wegzulassen und den Ring manuell zu betreiben. Es wäre auch möglich, das Rad auf eine gewünschte Drehzahl (manuell oder mit dem Motor) anzutreiben und dann den Antrieb zu entfernen und das Muster auszubilden, während der Ring unter Einwirkung seiner Trägheit im Freilauf ist.
5 zeigt eine Abwandlung der in 1 gezeigten Ausführungsform.
Anstatt eines Signalgenerators 112 wird ein Referenzsignal zur Belieferung der PLL-Schaltung von einer innerhalb des Lasers 122 befindlichen Quelle geliefert. Dieses Signal wird grundsätzlich dazu verwendet, den Laser anzutreiben, wird aber bei dieser Ausführungsform zusätzlich als ein Referenzsignal verwendet, wenn es geteilt wird oder möglicherweise multipliziert wird.
Die beschriebenen Ausführungsformen besitzen die nachfolgend ausgeführten Vorteile.
Die Anordnung der Steuervorrichtungen und der Verschiebevorrichtungen, die beschrieben sind, sorgen für die Verwendung eines ungenauen Tachometersignals und einer Toleranz für ein Tachometersignal mit niedriger Auflösung im Vergleich zu dem auf dem Substrat erzeugten Muster.
Die Verwendung einer relativ hohen Trägheit oder eines Lagers mit niedriger Reibung (beispielsweise dem beschriebenen Luftlager) und hohen Werten von R halten eine stetige Rotation des Substrats aufrecht.
Die Verwendung einer PLL-Schaltung mit niedriger Bandbreite zum Antrieb der Rotation des Substrats zusammen mit den Trägheitswirkungen überwindet jegliche Inkonsistenzen in dem ungenauen Tachometersignal.
Jedes Musterelement kann durch viele Behandlungsschritte (Ablationsschritte) erzeugt werden und wird daher gemittelt. Das Ausmitteln verringert Fehler, die aus momentanen Störungen ("Zittern") resultieren.
Die Verwendung einer progressiven Technik zum Aufbau eines Musters mit "S" Zwischenräumen hintereinander verringert Fehler, die durch Störungen oder zyklische Fehler bewirkt werden.
Die gezeigten Ausführungsformen der Erfindung sind lediglich beispielhaft, und es können viele Varianten in Betracht gezogen werden. Die erwähnten Substrate sind in der Praxis rostfreier Stahl, obwohl auch andere Materialien verwendet werden können. Die Erfindung ist nicht auf die Laserlichtablation oder -verdampfung gerichtet, sondern erstreckt sich auf die Behandlung eines Substrats beispielsweise durch:
die Entfernung eines ätzbeständigen Films auf einem Substrat,
die Laserabscheidung von Material auf der Oberfläche;
das Besprühen der Oberfläche mit beispielsweise Tinte, Ätz-Schutzlack oder einem geeigneten chemischen Reagenz;
Verwendung eines fotografischen Films;
das Lasermarkieren heller Linien auf einer Oberfläche, die vorher durch Ätzen, Anodisieren bzw. Eloxieren oder andere geeignete Prozesse verdunkelt worden ist;
Erzeugung eines Strukturelements einer vertieften Linie, die anschließend mit einem Kontrastmaterial gefüllt wird oder mit einem Kontrastoberflächenfinish versehen wird;
Erzeugung von Linienstrukturelementen durch mechanische Mittel, beispielsweise Ritzen oder Zeichnen mit Diamant; und
eine Bearbeitung mit elektrischer Entladung.
Die erzeugten Strukturelemente bzw. -merkmale können beispielsweise eine Phasen- oder Ronchi-Skala erzeugen. Es ist eine Behandlung der Oberfläche oder unterhalb der Oberfläche (Sub-Surface) möglich, beispielsweise das Abtragen, Zersetzen oder Abbauen (engl. "degrade") eines transparenten Materials unter der Oberfläche.
Zusätzlich ist die Herstellung von Drehcodierskalen gezeigt worden, während die Erfindung eine wesentlich breitere Anwendung auf jede wiederholte Behandlung eines Substrats besitzt, beispielsweise einer Herstellung linearer Skalen. Mit einer Laserimpulsblockierung ist es auch möglich, Codes in die Skala einzubringen, die durch Skalenlaser erkannt werden können, um die absolute Position einer Skala relativ zu einem Laser zu bestimmen. Somit kann ein nicht periodischer Abschnitt des Musters in dem Muster oder eine separat codierte Absolutskala enthalten sein, die entlang der inkrementalen Skala ausgebildet ist. Alternativ dazu kann eine einzelne eingebettete oder anderweitige Referenzmarke erzeugt werden. Das Muster kann besitzen:
gleich beabstandete und periodisch vorkommende Elemente;
gleich beabstandete und periodisch vorkommende Elemente mit fehlenden Elementen (beispielsweise um einen Code in dem Muster vorzusehen);
beabstandete Elemente, die einem regelmäßigen Muster entsprechen (beispielsweise einem "Chirp"-Typ, d.h. mit einem regelmäßigen jedoch nicht gleich beabstandeten Muster zusammengefasst);
beabstandete Elemente, die einem regelmäßigen Muster entsprechen, wobei Elemente fehlen;
zufällig vorkommende Elemente; oder
nur eines oder wenige Elemente.
Zusätzlich kann das durch diese Technik erzeugte Muster Teil eines größeren zweidimensionalen Skalengittermusters sein.
Während nur ein Behandlungspunkt gezeigt ist (d.h. nur ein Laserstrahl in Richtung einer Fläche gerichtet ist), ist es möglich, dass mehrere Behandlungspunkte vorhanden sind. Wenn mehrere Behandlungspunkte um den Umfang eines rotierenden Substrats angewendet werden, dann können zyklische Fehler gemindert werden.
Der Ring 10 ist als ein Kreisring gezeigt. Jedoch können Elemente, auf denen ein Muster vorgesehen werden soll, eine beliebige Form besitzen, und es können beliebige Oberflächen behandelt werden. Somit kann die Oberfläche von Teilen von Vorrichtungen direkt behandelt werden, wobei diese behandelten Teile flach, gekrümmt, kugelförmig sein können oder eine andere Kontur besitzen können, vorausgesetzt, dass die relative Bewegung zwischen dem Substrat und der Behandlungsvorrichtung überwacht werden kann. Das Muster kann an einer Innenfläche, beispielsweise der Innenseite eines richtigen oder konischen Zylinders ausgebildet werden.
Die lineare Skala kann durch diese Technik auch schrittweise ausgeführt werden, vorausgesetzt, dass eine ausreichende Trägheit erzeugt wird.
Die gezeigte Vorrichtung verwendet eine stationäre Laserbehandlungsvorrichtung und ein rotierendes Substrat. Es ist insgesamt möglich, dass das Substrat stationär bleiben kann und die Behandlungsvorrichtung (oder ein Teil derselben, beispielsweise ein Spiegel) sich drehen kann. Eine derartige Variante wäre vorteilhaft, wenn das Substrat Teil eines sehr großen und sperrigen Objektes ist.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf Skalenprodukte, die gemäß dem hier beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
Zusammenfassung
Die Erfindung sieht ein Substratbehandlungsverfahren wie auch eine Substratbehandlungsvorrichtung vor, um ein Muster auf dem Substrat zu erzeugen. Ausführungsformen zeigen ein Substrat in der Form eines Drehcodierringes mit einem Muster aus Markierungen, die durch eine Laserbehandlungsvorrichtung hergestellt werden können, welche durch eine Steuerung steuerbar ist, um das Muster in einer richtigen Art und Weise herzustellen, während eine kontinuierliche relative Verschiebung zwischen dem Ring und der Laserbehandlungsvorrichtung erfolgt.

Claims

Verfahren zum Behandeln eines Substrats, um darauf ein Muster zu erzeugen, mit den folgenden Schritten in geeigneter Reihenfolge, dass ein Substrat vorgesehen wird; eine Substratbehandlungsvorrichtung vorgesehen wird; ein Steuersystem vorgesehen wird; ein Verschiebemechanismus vorgesehen wird, der ein Verschiebesignal liefert, das eine Verschiebung angibt; der Verschiebemechanismus so betrieben wird, um eine kontinuierliche relative Verschiebung zwischen dem Substrat und der Behandlungsvorrichtung zu bewirken; das Steuersystem so betrieben wird, um das Verschiebesignal zu überwachen und zu bewirken, dass die Behandlungsvorrichtung das Substrat in Intervallen behandelt, um so das Muster zu erzeugen, während die kontinuierliche Verschiebung erfolgt, wobei das Steuersystem ferner so betrieben wird, dass ein Taktvergleichsschritt zur Synchronisation des Verschiebesignals mit den Intervallen ausgeführt wird.
Verfahren zum Behandeln eines Substrats nach Anspruch 1, ferner mit den folgenden Schritten, dass ein Referenzsignal zur Steuerung der Intervalle erzeugt wird; das Steuersystem ferner so betrieben wird, dass das Referenzsignal überwacht wird; und das Steuersystem ferner so betrieben wird, dass der Taktvergleichsschritt zur Synchronisation des Verschiebesignals mit dem Referenzsignal ausgeführt wird.
Verfahren zum Behandeln eines Substrats nach Anspruch 2, wobei der weitere Schritt zum Betrieb des Steuersystems so, dass der Taktvergleichsschritt zur Synchronisation des Verschiebesignals mit dem Referenzsignal ausgeführt wird, gegebenenfalls umfasst, dass die Rate erhöht oder verringert wird, mit der das Verschiebesignal vorkommt, indem die relative Verschiebung erhöht oder verringert wird.
Verfahren zum Behandeln eines Substrats nach Anspruch 2, wobei der weitere Schritt zum Betrieb des Steuersystems so, dass der Taktvergleichsschritt zur Synchronisation des Verschiebesignals mit dem Referenzsignal ausgeführt wird, gegebenenfalls umfasst, dass die Rate erhöht oder verringert wird, mit der das Referenzsignal vorkommt, wodurch die Rate der Intervalle erhöht oder verringert wird.
Verfahren zum Behandeln eines Substrats nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, wobei das Verfahren den Schritt umfasst, dass: eine Phasenregelkreisschaltung als Teil des Steuersystems vorgesehen wird, wobei die Überwachung wie auch der Taktvergleich der Verschiebe- und Referenzsignale in der Phasenregelkreisschaltung ausgeführt wird.
Verfahren zum Behandeln eines Substrats nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: die relative Verschiebung eine Winkelbewegung um eine Achse herum ist, wobei das Muster um diese Achse herum ausgebildet werden kann; und die Intervalle mit einer Rate F vorkommen, die durch die Gleichung F = R × L/S berechnet wird, wobei R die Winkelbewegung in Umdrehungen pro Zeiteinheit ist, L die Anzahl von Wiederholungen des Musters ist, die in einer vollständigen Umdrehung erforderlich sind, und S eine ganze Zahl ist, die keinen Faktor von L darstellt.
Verfahren zum Behandeln eines Substrats nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: der Verschiebemechanismus ein kleines, eine Winkelbewegung bewirkendes Drehmoment vorsieht und ein Trägheitsmoment mit ausreichender Größe besitzt, um so jede schnelle Änderung der Geschwindigkeit der kontinuierlichen relativen Verschiebung zu vermeiden.
Verfahren zum Behandeln eines Substrats nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 oder 7, wobei: die Phasenregelkreisschaltung als ein Regelkreis ausgebildet ist und der Regelkreis eine Bandbreite besitzt, die unter der Rotationsfrequenz R liegt, wodurch zyklische Fehler, die in dem Verschiebesignal vorhanden sind, unterdrückt werden.
Verfahren zum Behandeln eines Substrats nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: das an dem Substrat herzustellende Muster aus Elementen ausgebildet wird, wobei jedes Element durch Behandlung des Substrats in mehr als einem Intervall erzeugt wird und alle Elemente einer ersten Behandlung unterzogen werden, bevor sie ihrer zweiten Behandlung unterzogen werden.
Verfahren zum Behandeln eines Substrats nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: die Substratbehandlungsvorrichtung eine Laserlichtquelle und ein Mittel umfasst, um einen Strahl des Laserlichts in Richtung des Substrats zu lenken; die Behandlung des Substrats umfasst, dass das Laserlicht in Richtung des Substrats gelenkt wird; und die Behandlungsintervalle Impulse des Lichtes umfassen, die in Richtung des Substrats gelenkt werden.
Verfahren zum Behandeln eines Substrats nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das an dem Substrat auszubildende Muster aus Elementen gebildet wird, wobei die Elemente aus der Gruppe gewählt sind, die umfasst: gleich beabstandete und periodisch vorkommende Elemente; gleich beabstandete und periodisch vorkommende Elemente, wobei Elemente fehlen; beabstandete Elemente; die mit einem unregelmäßigen Muster übereinstimmen; beabstandete Elemente, die mit einem unregelmäßigen Muster übereinstimmen, wobei Elemente fehlen; zufällig vorkommende Elemente.
Verfahren zum Behandeln eines Substrats nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die relative Verschiebung oder Winkelbewegung bewirkt wird, indem das Substrat rotiert, während die Behandlungsvorrichtung im Wesentlichen stationär bleibt.
Verfahren zum Behandeln eines Substrats mit Laserlicht, um ein allgemein periodisches Muster darauf zu erzeugen, mit den folgenden Schritten in geeigneter Reihenfolge, dass: ein Referenzsignal erzeugt wird; das Substrat in einer Bewegungsrichtung relativ zu dem Laserlicht durch Verwendung eines Verschiebemechanismus verschoben wird; ein Bewegungssignal geliefert wird, das diese Verschiebung angibt; die Bewegungs- und Referenzsignale überwacht werden; die Geschwindigkeit der Verschiebung so beibehalten wird, dass die Bewegungs- und Referenzsignale im Wesentlichen synchron gehalten werden, und das Substrat behandelt wird, indem Impulse des Laserlichts an das Substrat mit einer Rate, die durch das Referenzsignal bestimmt ist, geführt werden, um so das Muster zu erzeugen.
Vorrichtung zum Behandeln eines Substrats, um ein Muster darauf zu erzeugen, mit: einer Substratbehandlungsvorrichtung; einem Mechanismus, um eine kontinuierliche relative Verschiebung der Behandlungsvorrichtung relativ zu dem Substrat zu bewirken; einem Verschiebesignalgenerator, und einem Steuersystem, das so betrieben werden kann, um das Verschiebesignal zu überwachen, und das so betrieben werden kann, dass die Behandlungsvorrichtung das Substrat in Intervallen zur Erzeugung des Musters behandelt, während die kontinuierliche Verschiebung erfolgt, wobei: das Steuersystem ferner so betrieben werden kann, dass ein Taktvergleichsschritt zur Synchronisation des Verschiebesignals mit den Intervallen ausgeführt wird.
Verfahren zum Behandeln eines Substrats nach Anspruch 14, ferner mit: einem Referenzsignalgenerator, um die Behandlungsintervalle zu bewirken, und wobei: der Taktvergleichsschritt ausgeführt wird, um die Verschiebe- und Referenzsignale im Wesentlichen synchron zu halten.
Vorrichtung zur Behandlung eines Substrats nach Anspruch 15, wobei: das Steuersystem eine Phasenregelkreisschaltung umfasst, und das Überwachen und der Vergleich der Verschiebe- und Referenzsignale innerhalb der Phasenregelkreisschaltung ausgeführt werden.
Codierskala zur Verwendung mit Messvorrichtungen, die einen Skalenleser verwenden, wobei die Codierskala ein Substrat mit einem Muster darauf umfasst, das durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet worden ist.