DE19516344A1

DE19516344A1 - Length measurement system for chip mask manufacturing machine etc.

Info

Publication number: DE19516344A1
Application number: DE1995116344
Authority: DE
Inventors: Frank Zurheide
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-05-04
Filing date: 1995-05-04
Publication date: 1996-11-07

Abstract

The system for determining the precise position of a machine saddle which moves in a straight line has a source of parallel light and a light permeable bar located on the saddle. The bar has on it strips of opaque material. Behind the moving bar a fixed bar is fitted which is divided into narrow strips the width of the strips being different from the width of the strips on the fixed bar. The light intensity for each second strip on the fixed bar can be measured separately and the measurement data obtained used to determine the position of the saddle.

Description

Werkzeugmaschinen und Maschinen bei der Chiphersteilung besitzen einen Schlitten, der linear verfahren werden kann. Dabei ist es wichtig, die Position des Schlittens genau zu bestimmen.Machine tools and machines in chip division have a slide that can be moved linearly can. It is important to determine the position of the sled to determine exactly.

Die wichtigsten Verfahren sind:The main procedures are:

1) Glass scales
2) Interferometer similar to the Michelson interferometer. Basic principle of glass scales:
Glass scales consist of a slide and a fixed scale, on each of which a grating is applied. Depending on the position of the slide, light may or may not fall through the slide-scale system (fluoroscopic procedure). Light-dark passes are counted. Another system works with interference.

Literaturhinweis: Heidenhain.Literature reference: Heidenhain.

Grundprinzip des Interferometers:
Ein Laserstrahl wird geteilt. Teilstrahl 1 fällt auf einen festen Spiegel. Teilstrahl 2 fällt auf einen beweglichen Spiegel. Die Strahlen werden zusammengeführt und interferieren. Bei Verschiebung des beweglichen Spiegels verschieben sich die Interferenzstreifen.
Literaturhinweis: LOT.Basic principle of the interferometer:
A laser beam is split. Partial beam 1 falls on a fixed mirror. Partial beam 2 falls on a movable mirror. The rays are brought together and interfere. When the movable mirror is shifted, the interference fringes shift.
References: LOT.

Vorteile, Mängel:
Das Interferometer besitzt hohe Auflösung. Sie liegt im Bereich 1 Nanometer. Die Genauigkeit wird, wenn man nicht im Vakuum mißt, durch die Abhängigkeit der Wellen länge von Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Lufttemperatur begrenzt.Advantages, shortcomings:
The interferometer has high resolution. It is in the range of 1 nanometer. The accuracy is, if one does not measure in a vacuum, limited by the dependence of the wavelength on air pressure, air humidity, air temperature.

Auch mit Glasmaßstäben werden hohe Auflösungen erreicht. Die Genauigkeit wird begrenztHigh resolutions are also achieved with glass scales. The accuracy is limited

1) Through the accuracy in the manufacture of the dashed line ter;
2) in that the line spacing is not arbitrary can shrink because of unwanted diffraction effects occur if you don't have the wavelength at the same time decreased;
3) by so-called interpolation errors.
Literature: Heidenhain.

Aufgabe:
Es soll ein Längenmeßsystem ähnlich den Glasmaßstäben entwickelt werden, das gegenüber den vorhandenen Maßstäben höhere Genauigkeit besitzt.Task:
A length measuring system similar to the glass scales is to be developed, which has higher accuracy than the existing scales.

Lösung:
Auf dem beweglichen Schlitten befinden sich eine Licht quelle für paralleles Licht, z. B. ein Laser, und ein lichtdurchlässiger Stab, auf welchem im Abstand der Streifenbreite lichtundurchlässige Streifen aufgebracht sind. Hinter dem beweglichen Stab befindet sich ein fester Stab, welcher in schmale Streifen eingeteilt ist, wobei jedoch die Streifenbreite anders ist. Die Lichtintensität wird für jeden zweiten Streifen seperat gemessen. In der Zeichnung beträgt beim beweglichen Stab die Streifenbreite 1 cm, beim festen Stab die Streifenbreite 0.9 cm. Die Streifen sind durchnumeriert und in dem Diagramm die Lichtintensität gegen Streifen nummer aufgetragen. Streifen Nummer 13 hat maximale Intensität. Verschiebt man den beweglichen Maßstab um 0.2 cm nach oben, so liegt das Maximum bei Streifen Nummer 15. Auf diese Art und Weise wild eine höhere Auflösung als die Streifenbreite erreicht. Die Messung der Lichtintensität soll dadurch erfolgen, daß das Licht in einem halbleitenden Material Elektron- Loch-Paare erzeugt, wobei die Zahl der erzeugten Elektron-Loch-Paare proportional zur Intensität des einfallenden Lichtes ist. Man wird bestrebt sein, auf einen festen Stab, der sich z. B. aus Glas befinden kann, eine Schicht aus einem halbleitenden Material aufzubringen, diese in Streifen einzuteilen und die Streifen auszulesen. Eine technische Realisierung ist z. B. mit CCDs (charge-coupled-devices) möglich, wie sie etwa von der Firma Philips hergestellt werden. Ein Experte der Firma Philips teilte mir mit, daß mit den heute vorhandenen Maschinen eine Streifenbreite von 1.5 Mikrometer möglich sei, womit gemeint ist, daß sich lichtempfindliche Streifen und lichtunempfind liche Streifen von 1.5 Mikrometer Breite abwechseln. Mit besseren Maschinen könnte evt. auch eine geringere Streifenbreite erreicht werden.Solution:
On the movable carriage there is a light source for parallel light, e.g. B. a laser, and a translucent rod on which opaque strips are applied at a distance of the stripe width. Behind the movable rod there is a fixed rod, which is divided into narrow strips, but the strip width is different. The light intensity is measured separately for every second strip. In the drawing, the stripe width is 1 cm for the movable bar and 0.9 cm for the fixed bar. The stripes are numbered and the light intensity is plotted against the stripe number in the diagram. Streak number 13 has maximum intensity. If you move the movable scale upwards by 0.2 cm, the maximum is at strip number 15 . In this way, a wildly higher resolution than the stripe width is achieved. The measurement of the light intensity should take place in that the light generates electron-hole pairs in a semiconducting material, the number of electron-hole pairs generated being proportional to the intensity of the incident light. One will endeavor to use a solid rod, which, for. B. can be made of glass, apply a layer of a semiconducting material, divide it into strips and read the strips. A technical implementation is e.g. B. possible with CCDs (charge-coupled devices), such as those manufactured by Philips. An expert from Philips informed me that a stripe width of 1.5 micrometers is possible with the machines available today, which means that light-sensitive stripes and light-insensitive stripes of 1.5 micrometer width alternate. With better machines, a smaller strip width could possibly also be achieved.

Wenn man nun beim beweglichen Maßstab Streifenbreite 1.5 Mikrometer verwendet, beim festen Maßstab etwa Streifenbreite 1.5 × 0.999 Mikrometer verwendet, die Lichtintensität mißt und im Diagramm I gegen Streifennummer aufträgt ( Streifennummer 1 bis 2000), so wird man evt. feststellen, daß die Meßwerte nicht wie in der Zeichnung schön auf einer Geraden liegen, sondern mit Fehlern behaftet sind. Man könnte versuchen, das Maximum dadurch festzustellen, daß man jeweils in dem Bereich, wo I steigt, und in dem Bereich, wo I fällt, eine Gerade durch die Meßpunkte legt und den Schnittpunkt der beiden Geraden bestimmt. Die größte Ungenauigkeit der Meßpunkte wird da herrühren, daß die Streifenbreiten und Streifenabstände nicht genau stimmen.If you now look at the moving scale strip width 1.5 microns used on the fixed scale about 1.5 × 0.999 micrometer strip width used, the light intensity measures and in diagram I against Strips number (strips 1 to 2000), you may find that the measured values are not as lying nicely on a straight line in the drawing, but are flawed. You could try to determine the maximum by: the area where I rises and the area where I falls, places a straight line through the measuring points and the Intersection of the two straight lines determined. The largest Inaccuracy of the measuring points will result from the fact that the stripe widths and stripe spacing are not accurate voices.

Andererseits: Wenn man auf einer sehr genauen Meßmaschine wiederholt die gleiche Position anfährt und das Diagramm zeichnet, so liegen die Meßpunkte immer gleich falsch. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, den Maßstab mit Hilfe von Eichverfahren in den Griff zu bekommen. Man könnte z. B. den festen und den beweglichen Stab einzeln auf einer Meßmaschine vermessen. Wenn z. B. in der Zeichnung beim festen Stab Streifen Nr. 10 zu tief steht, so kriegt Streifen Nr. 11 weniger Intensität. Den Meßwert von Streifen Nr. 11 kann man korrigieren. Die gerade wird man dann erst durch die korrigierten Meßwerte legen. Ich mache nun folgende Überschlagsrechnung auf: Sind die korrigierten Meßpunkte auf 10% genau, so ist die Interpolationsgerade, die durch 500 Meßpunkte geht, auf 1% genau, damit ist das Maximum auf 2% genau, das entspricht 30 Nanometer. Jedoch könnte der Wert, den man für das Maximum erhält, noch mit einem syste matischen Fehler behaftet sein. Es empfiehlt sich, das ganze Meßsystem auf einer Meßmaschine nochmals zu vermessen und die Werte zur Eichung zu verwenden. Eine zweite Möglichkeit, die Position festzustellen, sieht folgendermaßen aus: Man teilt den ganzen Verfahr weg in kleine Schritte ein von z. B. 10 Nanometer Schrittabstand. Für jeden Schritt werden sämtliche Meßwerte I gegen Streifennummer wie im Diagramm gezeichnet abgespeichert. Es ist dann Aufgabe des Computers, später die richtige Position zu suchen.On the other hand: If you repeatedly approach the same position on a very precise measuring machine and draw the diagram, the measuring points are always the same wrong. This opens up the possibility of getting the scale under control with the help of calibration procedures. You could e.g. B. measure the fixed and the movable rod individually on a measuring machine. If e.g. For example, in the drawing, strip 10 is too deep in the fixed rod, strip 11 gets less intensity. The measured value of strip No. 11 can be corrected. The straight one will then only be placed through the corrected measured values. I now make the following rough calculation: If the corrected measuring points are accurate to 10%, the interpolation line that goes through 500 measuring points is exact to 1%, so the maximum is exact to 2%, which corresponds to 30 nanometers. However, the value obtained for the maximum could still be subject to a systematic error. It is advisable to measure the entire measuring system again on one measuring machine and to use the values for calibration. A second way of determining the position is as follows: One divides the entire travel into small steps from z. B. 10 nanometer step distance. For each step, all measured values I against the strip number are stored as shown in the diagram. It is then up to the computer to find the correct position later.

Ich möchte nur noch bemerken, daß mit dem System, wie ich es geschildert habe, zwar die Stellen hinter dem Komma ( die Zehntel- und Hundertstelmikrometer ) festgestellt werden können ( hoffentlich ), aber noch nicht die grobe Position in ganzen Mikrometern. Dafür muß noch etwas anderes drangebaut werden oder eine Methode überlegt werden, was jedoch sicherlich keine große Schwierigkeit darstellt. I just want to note that with the system, as I have described, the places behind the comma (tenths and hundredths of a micron) can be determined (hopefully), but still not the rough position in whole micrometers. For that something else has to be added or a method to be considered, which is certainly poses no great difficulty.

Bibliography

Heidenhain:
Die Bibliothek der Technik, Band 34
Digitale Längen- und Winkelmeßtechnik
Alfons Ernst
Verlag moderne Industrie
86895 Landsberg/Lech
1989Heidenhain:
The library of technology, volume 34
Digital length and angle measurement technology
Alfons Ernst
Publishing house modern industry
86895 Landsberg / Lech
1989

Katalog NC-Längenmeßsysteme der Fa. Heidenhain
Dezember 94
L.O.T.:
Beschreibung des Längenmeßinterferometers ZMI 1000
der Fa. Zygo
L.O.T.-Oriel GmbH
Im tiefen See 58
64293 DarmstadtCatalog NC length measuring systems from Heidenhain
December 94
LOT:
Description of the ZMI 1000 length measuring interferometer
from Zygo
LOT-Oriel GmbH
In the deep lake 58
64293 Darmstadt

Claims

1. Length measuring system according to the fluoroscopic method for the exact position determination of a slide that can be moved linearly, for example. in machine tools, machines for chip production, characterized in that
that there is a light source for parallel light and a translucent rod on the movable carriage, on which opaque strips are applied at a distance of the strip width;
that behind the movable rod there is a fixed rod, which is divided into narrow strips, but the strip width is different from that of the movable rod;
that the light intensity can be measured separately for every second strip of the fixed rod and the position of the slide can be determined with the aid of these measurement data.

2. Length measuring system according to the fluoroscopic method Claim 1, characterized, that on the fixed scale a layer of one semiconducting material located in narrow Strip is divided, and that the number of times unit generate electron-hole pairs for every second Strip is determined separately, as it is for. B. with so-called CCDs (charge-coupled-devices) is possible.