DE2119486A1 - Elektro-optisches Lagekorrektursystem für die Korrektur der Lage einer Platine, die von einem Schlitten getragen wird, der entlang einer Parallelbank verschoben wird - Google Patents

Elektro-optisches Lagekorrektursystem für die Korrektur der Lage einer Platine, die von einem Schlitten getragen wird, der entlang einer Parallelbank verschoben wird

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Description

Dr. Gertrud Hauser eooo Mönchen 6o, 20.April 1971 Dipl.-Ing. Gottfried Leiser E,«berfl.rS.ro„. i?
Patentanwälte
Telegramm«: Labyrinth München
Telefon: 83 15 10 Postscheckkonto! München 117078
unser Zeichen ι T 1021
THOMSOK-CSI1
101, Bä.Murat,
PARIS 16eme, Frankreich
Elektro-optisches Lagekorrektursystem für die Korrektur der Lage einer Platine, die von eineta Schlftteür getragen wird, der entlang einer Parallelbank verschoben wird.
Die Erfindung bezieht sich auf Meßsysteme, mit denen eine franslatorisehe Verschiebung von beweglichen Teilen auf einen] Gestell mit großer Präzision durchgeführt und gemessen werden können. Die Erfindung eignet sich sowohl für Systeme dieser Art, die ausschließlich zu Meßzwecken verwendet werden, wie auch für Systeme,welche - die sehr genaue Einstellung von Teilen auf Maschinen (Präzisions-Werk zeugma sch inen, Maschinen zur Fertigung von Masken für integrierte Schaltungen usw.) mit Hilfe von Verstellungen in einer oder mehreren Richtungen und die genauen Messungen dieser Verstellungen ermöglichen.
Es sind bereits zahlreiche Meß-und/oder Einatellsysteme bekannt, bei denen ein beweglicher Schlitten auf einem Gestell verschoben wird, das entweder die Meßbank oder das Maschinengestell -(bildet, wobei die genaue Messung der Verschiebungen in jeder Translations richtung in «allgemein h^kfvn^nter Weise durch interferometrische
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Verfahren erfolgt, die Vorzugs weise mit kohärentem Licht arbeiten, beispielsweise dem Licht einer Laser-Quelle. Es sind bereits Verbesserungen aller Arten bei solchen Systemen vorgenommen worden, und zwar sowohl hinsichtlich des optischen Teils, der für die eigentliche Messung dient, als auch für den mechanischen Teil, der für die Verstellung verwendet wird. Dennoch weisen die bisher vorhandenen Systeme einen schwerwiegenden Mangel auf, der auf dem "Schlingern" des beweglichen Schlittens beruht, d.h. auf Störbewegungen des Schlittens in allen möglichen'Richtungen außer der betreffenden Translationsrichtung, wodurch entsprechende Fehler verursacht werden. Es sind bereits Korrekturvorrichtungon für diese Fehler ausgeführt worden; sie sind im allgemeinen kompliziert, unzureichend wirksam und führen zu einer beträchtlichen Erhöhung des Gewichts und des Umfangs der damit ausgestatteten Meßbank oder Maschine und zaar umso mehr, je größer die Strecken sind, über welche die Traaslstionsbewegungen erfolgen müssen.
Das Ziel der Erfindung ist die Verbesserung von reinen Meßsysiemen oder von Präzisions-Einstellsystemen in Verbindung mit Meßsystemen der zuvor beschriebenen Art " durch Schaffung einer dynamischen Korrekturanordnung
für die Schlingerbewegungen, die besonders einfach auszuführen ist und eine sehr wesentliche Verbesserung der Güte derTranslations bewegungen und der Genauigkeit ihrer Messungen ergibt.
Nach der Erfindung"ist ein elektro-optischos Lagekorrektursystem für die Korrektur der Lage einer Platine, die von einem Schlitten getragen wird, der entlang einer Parallelbank mit einer Translationsacb.se verschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Aussendung
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wenigstens eines Strahlungsenergiebündels parallel zu der Translationsachse, eine fest mit der Platine verbundene Detektoreinrichtung für die Strahlungsenergie und eine Einrichtung zur Verstellung der Platine relativ zu dem Schlitten vorgesehen sind, daß die Detektoreinrichtung zwei Detektorwege aufweist, die senkrecht zu dem Bündel gerichtet sind und in einer die Translationsachse enthaltenden Etaene liegen, daß im Weg des Bündels halbreflektierende Flächen liegen, die entlang dem einen bzw. dem anderen Detektorweg einen ersten bzw. einen zweiten Energieanteil reflektieren, der von einem ersten bzw. einem zweiten photoelektrischen Wandler empfangen wird, daß die Verstelleinrichtung wenigstens zwei elektromechanisch^ Wandler enthält, die über Polgeregelschaltungen mit den photoelektrischen Wandlern verbunden sind, damit eine Verstellung der Platine im wesentlichen parallel zu der Ebene erzeugt wird, und daß jeder der photoelektrischen Wandler zwei nebeneinanderliegende lichtempfindliche Sektoren aufweist, deren Trennlinie senkrecht zu der Ebene steht.
Mit diesem verbesserten Lagekorrektursystem ist es möglich, Längenmessungen mit einer Präzision durchzuführen, die größer als bei den bisher vorhandenen Systemen ist, weil vermieden wird, daß die Messung einer Länge, die in klassischer Weise durch Zählung der bei der Verschiebung des Schlittens beispielsweise von dem einen zum anderen Ende des zu messenden Teils vorbeilaufenden Interferenzstreifen erfolgt, durch eine schlechte Stellung*des Keßschlitten3 verfälscht wird.
Das erfindUQgsgemäße Lagekorrektursystem eignet sich ebensogut zu Bildung von Meßanordnungen für die Messung der Abmessungen von Teilen und beispielsweise für die Bildung von "Eichoiaßen" als auch für die Ausstattung von
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Maschinen, bei denen eine sehr genaue Kontrolle der Einstellung von Teilen erforderlich ist, wie es bei flen zur Fertigung von Mikroschaltungen dienenden Maschinen der Fall ist«, Im letzten Fall wird das einzustellende Teil auf dem beweglichen Schlitten angebracht, und seine Einstellung wird durch die zugehörige Laser-Meßanordnung a ngezeigt.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung bei spieIshalber beschrieben. Darin zeigen:
Fig.1 eine sehr schematische Oberansicht der wesentlichen Bestandteile eines nach der Erfindung verbesserten ?"M«ßÄystems, bei dem die Verschiebungen eines beweglichen Schlittens in einer Richtung angewendet werden,
Fig. 2 eine entsprechende Seitenansicht der Anordnung von Fig. 1 und '
Fig.5 eine sehr' schematische Oberansicht einerAnordnung,
die eine Erweiterung des Prinzips der Anordnung von Fig.1 und'2 auf Translations bewegungen in zwei zu- * einander senkrechten Richtungen darstellt.
Fig.1 und 2 zeigen schetöatisch die Bestandteile eines Meßsystems, die zum Verständnis der Erfindung notwendig sind. Die gesamte Ausbildung des Meßsystems ist so allgemein bekannt, daß hier nicht näher darauf eingegangen zu werden braucht. .
Das Gestell 1 einer Parallelbank trägt insbesondere die Meßanordnung, die beispielsweise aus einem Michelson-Interferometer mit zwei refTetctierenäen Organen, beispielsweise zwei Prismen 2 und 3 , und einer halbreflektierenden Platte
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besteht, die von einem Strahlungsenergiebünäel F angestrahlt werden, das von einer Laserquelle L abgestrahlt wird. Ein opto-elektrischer Detektor 5 wandelt die erhaltenen Interferenzstreifen in elektrische Signale S um. Während das Prisma 2 am G-estell 1 befestigt und damit feststehend ist, sind das Prisma 3 sowie die halbdurchlässige Platte 4 und der Detektor 5 mechanisch an einem Schlitten 6 befestigt, der auf dem Gestell 1 in einer Translationsrichtung D beweglich ist, die parallel zu der Richtung des Bündels F liegt. Der Schlitten 6 ist auf dem Gestell 1 mit Hilfe irgendeiner geeigneten bekannten Vorrichtung verstellbar, beispielsweise mit Hilfe von nicht dargestellten Gleitführungen. Die Verstellungen D dieses Schlittens äußern sich in einem Vorbei laufen'der Interferenzstreifen vor dem Detektor 5 #nd in einer praktisch sinusförmigen Änderung der abgegebenen Signale. Mit Hilfe von an sich bekannten Interferenzstreifen-Zählvorrichtungen ist es möglich, die einer Verschiebung D entsprechende Anzahl von Interferenzstreifen und Bruchteilen von Interferenzstreifen zu zählen und demzufdfee einen quantisierten Wert der Länge dieser Verschiebung zu abhalten. Die Größe des Meßquantums und demzufolge· die Präzision der Messung hängen insbesondere von den verwendeten Zähleinrichtungen und dem Grad ihrer Vollkommenheit ab.
Wenn ein solches System beispielsweise für reine Meßzwecke verwendet wird, enthält es zwei Fühler, von denen der eine dem Gestell und dar andere dem Schlitten zugeordnet •sind, und die mit großer Präzisjbn die Enden eines zu messenden Teils anzeigen können; in diesem Fall wird das Meßergebnis dadurch erhalten, daß die Interferenzstreifen gezählt werden, die vor dem Detektor vorbeilaufen, wenn der Schlitten in der Richtung D von einer Stellung, die der Anzeige oines Nullpunkts der Messung
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entspricht, in eine Stellung verschoben wird, die der Anzeige der Enden des su messenden Teils entspricht«, Es bestehen verschiedene Anwendungen und verschiedene Aus werteverfahreη für solche Systeme. Wenn es sich darum handelt, präzise Einstellungen vorzunehmen,, braucht nur das einzustellende Teil an dem beweglichen Schlitten angebracht au werden. Die nachstehend beschriebenen Verbesserungen sind in beiden Fällen anwendbar und wirksam*
S ist klar zu erkennen, daß jede Störbewegung des W Schlittens 6 in einer Richtung, die von fler Sraoslations-
richtung D verschieden ist, beispielsweise die "Schlingerbewegung" des Schlittens sowohl die Längentnessungen als auch die Genauigkeit derEinstellungen beeinträchtigt.
Zur Kompensation dieser Fehler wird eine dynamische Korrekturanordnung verwendet, die dem Meßlaserstrahl nachgeregelt ist, dessen Richtung als seitlich aod räumlich sehr konstant angesehen werden kann.
An dem beweglichen Schlitten 6 sind photoelektrisihe Wandler 7 und.8 befestigt, beispielsweise nach Art von bekannten - Ablagemeßzellen. Diese empfangen einen
• Teil 11 bzw. 12 des Bündels mit Hilfe von teilreflektierenden Platten oder Prismen 9, 10, die am Schlitten 6 so befestigt sind, daß sie im Weg des BündelsΈ liegen. Bei einem A us führ u ng s bei spiel weist jede dieser Zellen zwei getrennte Sektoren auf, die entlang der Richtung £ in einer Linie liegen; die gestrichelten Linien in J1Ig. 1 zeigen schematisch die Trennlinie zwischen; diesen beiden Sektoren an.
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Wenn der Schlitten 6 die richtige Lage hat, beleuchten die Bündel 11 und 12 die beiden Sektoren in gleicher Weise, so daß die Zellen Feh le rs ig na Ie des Wertes Hull abgeben. Wenn dagegen infolge von Stortoewegungen des Schlittens 6 Änderungen beira Auf treffen der Bündel 11 und 12 auf denZelleh 7 bzw,8 auftreten, geben diese von Null verschiedene Fehlersignale ab, welche für die Störbewegungen kennzeichnend sind«
Der bewegliche Schlitten enthält erfindungsgemäß außer seinem Chassis 6 eine Meßplatine 13, welche die Abstandsmeßzellen, die teilreflektierenden Organe 9 und 10, das bewegliche Prisma 13, die halbreflektierenäe Platte 4 und den Detektor 5 des Interferometers trägt. Diese Platine ist an desB Chassis 6 durch Stapel 14 und 15 aus piezoelektrischen Keramikteilen befestigt. In der RuhesteIlang, d.h. beim Fehlen jeder Störbewegung des Schlittens, liegt die Platine parallel zu. dem Chassis 6 dea Schlittens. Bei einerAüsführungsforra sind zwei Keramikstapel 14 und vorhanden, die jeveils das von einer der Ablagemeßzellen .7 bzw. 8 abgegebene Fehlersignal nach Verstärkung in einem Verstärker 16 bzw.'17 empfangen.
Somit werden die Störbewegungen des Schlittens, welche diesen in der XZ-Ebene um die Y-Achse zu drehen suchen, durch Änderungen der K§ramikstapel 14 und 15 autoroiisch korrigiert, indem die Keramikstapel die Platine 13 in der XY-Ebene zu halten suchen, die stets parallel zu der Richtung des Bündels F liegt.
Um die Güte der Lagekorrektur der Platine 13 noch zu verbessern und sie unabhängig von der Richtung der Störbewegungen de3 Chassis 6 parallel zu dem Bündel F zu halten, vor allem auch bei Störbewegungen, welche den Schlitten in der YZ-Ebene um die X-Achse zu drehen suchen, braucht nur
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das beschriebene lagekorrektursystem dadurch ergänzt zu werden, daß eine dritte Ablageraeftzetle-* 18 hinzugefügt wird, die auf der Platime 13 so angeordnet ist, daß sie einen Teil 21 des Bündels F empfängt, der ihr über eine teilreflektierende Platte 19 und einen Spiegel 20 zugeführt wird. Die Zelle 18 enthält beispielsweise zwei Sektoren, die senkrecht zur Ebene der Platine 13 in einer Linie liegen, und deren nicht dargestellte Trennlinie parallel zu der Ebene der 'Platine liegt. Sie gibt ein Fehlersignal ab, wenn Störbewegungen des Schlittens die Platine 13 in der YZ-Ebene um die X-Achse zu drehen suchen. Um diese Störbewegungen zu korrigieren und die Platine 13 parallel zu dem Bündel F zu halten, κ wird dieses Signal nach geeigneter Verstärkung einem
dritten Keramikstapel 22 zugeführt, der nichtin einer Linie mit den beiden anderen Stapeln 14 und 15 liegt. ■ In Figo 2 sind die Zelle 18 und der Stapel 22 gestrichelt dargestellt, um anzudeuten, daß sie nicht in der von den Bündeln F, 11 und 12 gebildeten Ebene und auch nicht in der Ebene der Keramikstapel 14 und 15 liegen. Die gestrichelten" linien von Fig.2 stellen symbolisch die Träger dar, über welche die verschiedenen Bestandteile 9, 10, 3, 4, 5, 18 an der Platine 13 befestigt sind.
Mit einer zusätzlichen Verbesserung, die schematisch in Fig.1 und 2 dargestellt (lst, kann die Güte der von den beschriebenen Systemen gelieferten Meßergebnissen dadurch " noch weiter verbessert werden, daß eventuelle langsame
Richtungsänderungen des als Bezugsrichtung dienenden Bündels korrigiert werden.
Eine Zelle 23, die ebenso wie die Laser quelle L fest mit dem Gestell verbunden ist, liegt am Ende der Meßanordnung im Yfeg des Bündels F. Sie enthält vorzugsweise vier verschiedene empfindliche Sektoren und stellt die e/entuellen Abweichungen des Bündels von seiner Bezugsstellung fest. Das von ihr abgegebene Fehlersignal wird bei 24 einer Korrekturvorrichtung 25 für die Ausrichtung des Bündels zugeführt.
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Es ist weiterhin möglich., auch seitliche Abweichungen des Schlittens 6 in Bezug auf das Bezugs bündel F dadurch zu korrigieren, daß die an der Platine 13 befestigten Ablage- , meßzellen 7, 8 , 18 mit zwei Sektoren durch Zellen mit vier Sektoren ersetzt werden und dieVerbindungenjzwischen dem Chassis 6 und der Platine 13 durch piezoelektrische Keramikdbapel ergänzt werden, deren Wirkungslinie in einer XY-Ebene liegt.
Wie bereits zuvor erwähnt wurde, eignen sich die beschriebenen Systems für die Durchführung von sehr genauen Lageeinstellungen, Sie können auf sehr einfache Weise auch bei Anordnungen angewendet werden, welche Einstellungen in zwei zueinander senkrechten Achsen X und Y ermöglichen, in denen sie in der beschriebenen Weise stabilisiert sind. Eine Anordnung dieser Art enthält beispielsweise, wie schematisch in Fig.3 dargestellt ist, einen Schlitten 6X, der auf dem Gestell 1 in Richtung der X-Achse beweglich ist, und einen Schlitten 6Y, der auf dem Schlitten 6X iu Richtung der Y-Achse beweglich ist. Das Meßbündel F beleuchtet zwei Interferometer systeme der in Fig.1 dargestellten Art und dient als Bezugsrichtung für die Lagefcorrekturanordnungen, mit denen es in der beschriebenen Weise möglich ist, zwei Platinen 13X und 13Y, von d'enen die eine ^auf dem Schlitten 6X und die andere auf dem Schlitten 6Y befestigt sind, mit Hilfe von piezoelektrischen Keramikstapeln horizontal zu stabilisieren. Die Lagekor rektursysteme empfangen jeweils einen Bruchteil des Byndels F über teilreflektierende Organe 9X, 1OX bzw. 9Y, 1OY.
Es ist zu bemerken, daß die Verstellungen in den beiden Achsrichtungen gleichzeitig erfolgen können, und daß eine solche Anordnung für beträchtlich grcße Verstellungen verwendbar ist, die mehrere 14£er betragen lcönnen.Sie sind insbesondere für die XY-Maskentische für Mikroschaltungen geeignet, die einen
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Bewegungshub von 20ctn oder mehr haben. Das beschriebene System kann auch auf Verstellungen in drei zueinander senkrechten Richtungen erweitert werden und dann zur Messung der "Vers te Hangen der drei XYZ-Bewegungen von Richtmaschine!! großer Kapazität dienen.
Patents ns prü ehe
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Claims (7)

  1. Pa t en ta η S1 ρ r ü ο he
    Elektro-optisehes Lagekorrektursysteta für die Korrektur der Lage einer Platine, die von einem Schlitten getragen wird, der entlang einer Parallelbank mit einer Translationsachse verschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Aussendung wenigstens eines Strahlungsenergiebündels paralleljzu üer Translationsachse, eine fest *it der Platine verbundene Detektoreinrichtung für die Strahlungsenergie und eine Einrichtung zur Verstellung der Platine relativ zu dem Schlitten vorgesehen sind, daß die Detektoreinrichtung zwei Detektorwego aufweist, die senkrecht zu dem Bündel gerichtet sind und in einer die Translationsachse enthaltenden Ebene liegen, daß ins Weg des Bündels halbreflektierende Flächen liegen* Öle entlang dem einen bzw. dem anderen Detektorweg einen ersten bzw, eisen zweiten EnergieanteJ.l reflektieren, der von einen? ersten bzw, einem zweiten photoelektrischen Wandler empfangen »ird, daß die Verstelleinrichtung wenigstens zwei elektromechanische Wandler enthält, die über Polgeregelschaltungen mit den photoelektrischen Wandlern verbunden sind, damit eine Verstellung der Platine im wesentlichen parallel zu der Ebene erzeugt wird und daß jeder der photoelektrischen Wandler zwei nebeneinanderliegende lichtempfindliche Sektoren aufweist, deren Trennlinie senkrecht zu der Ebene steht.
  2. 2. Lagekorrektursystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine optische Trennvorrichtung enthält, die ein zusätzliches Strahlungsenergiebundel parallel zu dea ersten Bündel liefert, daß die Detektoreiηriehtung
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    einen zusätzlichen,fest mit der Platine verbundenen photoelektrischen Wandler enthält, auf den das zusätzliche Bündel auf trifft, und daß die Verstelleinrichtung einen von dem zusätzlichen photoelektrischen Wandler gesteuerten zusätzlichen elektromechanischen Wandler .zum Verschwenken der Platine um eine zu der Iranslationsachse parallele Achse enthält.
  3. 3. Lagekorrektursystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden Enden der Bank optische Einrichtungen angeordnet sind, die das Bündel
    fc. so ausrichten, daß es zentrisch zu zwei an diesen Enden
    liegenden Bezugspunkten bleibt".
  4. 4. Lagekorrektursystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die das Strahlungsenergie bündel aussendende..Einrichtung eine Laserquelle ist.
  5. 5. Lagekorrektursystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder de? elektromechanischen Wandler durch einen Stapel von piezoelektrischen Keramikteilen gebildet ist.
  6. 6. Lagekorrefcfcttrsystem nach einem der vorhergehenden
    Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Verschiebung des Schlittens relativ zu der Bank mit Hilfe eines Michelson-Interferometers gemessen wird, das einen mit der Bank verbundenen festen Spiegel und einen mit der Platine verbundenen beweglichen Spiegel enthält.
  7. 7. Lagekorrektursystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schlitten eine Gleitbank für einen zweiten Schlitten bildet, dessen.
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    Verstellrichtung relativ zu dem ersten Schlitten in einem Winkel zu der Vers te 1 !richtung des ersten Schlittens relativ zu der Bank steht, daß eine mit der ersten Platine verbundene halbreflektierende Platte das Bündel empfängt und ein zweites Strahlungsenergie bundel in einer Richtung zurückwirft, die parallel zu der Vers te 11 rieht u ng des zweiten Schlittens liegt, und daß der zweite Schlitten eine zweite Platine trägt, die mit Lagekorrektureinrichtungen versehen ist, die denjenigen der ersten Platine gleich sind.
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DE2119486A 1970-04-21 1971-04-21 Elektro-optische Lagekorrekturanordnung für ein optisches MeBsystem Expired DE2119486C3 (de)

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