DE4317335A1 - Längenmeßanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Längenmeßanordnung zum Erfassen der Lage eines Meßobjektes in einer Meßrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das technische Anwendungsgebiet des Erfindungsgegenstandes liegt im Mes­ sen von Wegen, Geschwindigkeiten, Abständen und Längen und in der Posi­ tionsbestimmung von Meßobjekten. So kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Beispiel zur Überwachung der Chipkontaktierung in der Halbleitertechnolo­ gie eingesetzt werden.

Aus P. Hauptmann, Sensoren-Prinzipien und Anwendungen, München, Wien 1988 und H. Töpfer et. al., Funktionseinheiten der Automatisierungstechnik, Ber­ lin 1988 sind Verfahren und Anordnungen zur Weg-, Abstands-, Längen- und Geschwindigkeitsmessung sowie zur Positionsbestimmung bekannt, die eine elektrische Ausgangsgröße durch Anwendung kapazitiver oder induktiver Wirk­ prinzipien oder durch Veränderung eines Meßwiderstandes zur Verfügung stel­ len. Diese Verfahren erfordern meist eine mechanische Verbindung zwischen dem Meßobjekt und Teilen der Meßanordnung bzw. den Aufbau elektrischer oder elektromagnetischer Felder zwischen Meßobjekt und Anordnung. Sie lie­ fern häufig eine nichtlineare Abbildung der Meßgröße in das Ausgangssignal, lassen sich schlecht in eine miniaturisierte Bauweise überführen und sind bei einer gleichzeitigen Bewegung des Meßobjektes in mehreren Ebenen nicht oder nur bedingt anwendbar.

Verfahren zur berührungslosen optischen Abstandsmessung gehören ebenfalls zum Stand der Technik. Viele dieser Verfahren beruhen auf der Herbeiführung von Interferenzerscheinungen zwischen dem Meßobjekt und an einem Refe­ renzobjekt reflektiertem Licht und erfordern daher eine Vielzahl optischer Bau­ elemente auch auf dem Meßobjekt bzw. auf einem mit dem Meßobjekt in me­ chanischer Verbindung stehenden Träger, wie speziell in der DE 34 22 223 ge­ zeigt. Weitere Verfahren (vgl. zum Beispiel DE 36 12 146) erkennen eine auf dem Meßobjekt angebrachte Markierung. Ihre Genauigkeit hängt damit direkt von der Genauigkeit des Aufbringens der Markierung ab. Sie sind nicht geeignet für Meßobjekte, die gleichzeitig Werkstück sind und einer die Markierung verän­ dernden Bearbeitung unterworfen werden. Außerdem lassen sie sich nicht ohne weiteres für die Erfassung von Abständen und Wegen in Richtung des Lotes zwischen Meßanordnung und Meßobjekt einsetzen.

Zeilenförmige Sensoranordnungen zur Messung von Abstand, Weg, Länge, Ge­ schwindigkeit oder zur Positionsbestimmung sind zum Beispiel aus der DE 30 36 257, der DE 31 00 550 oder der DE 33 02 948 bekannt.

So ist zum Beispiel in der DE 30 36 257 eine Vorrichtung zur elektrooptischen Abstandsmessung beschrieben, bei der die Information über den zu messenden Abstand durch die Lage des Auftreffortes eines optischen Strahles auf einer zei­ lenförmigen Sensoranordnung gegeben ist. Der vom Meßobjekt reflektierte Strahl wird mit Hilfe einer Sammeleinrichtung auf diese Detektorzeile fokussiert.

Zur Erzielung der Abbildung benötigen diese Einrichtungen jedoch meist zusätz­ liche Optiken. Bei den dabei genutzten einzeiligen Sensoranordnungen muß ein Kompromiß zwischen Auflösung und gefordertem Meßbereich eingegangen werden. Für einen großen Meßbereich bei guter Auflösung wäre eine sehr große Zahl von Detektoren erforderlich, die, bei seriellem Auslesen, die Auslesedauer in nicht vertretbarem Maße verlängern würde. Paralleles Auslesen ist aufgrund der damit verbundenen großen Zahl der Ausgangsleitungen nicht handhabbar.

So werden zum Beispiel derzeit befriedigende Auflösungen mit CCD-Zeilenan­ ordnungen erreicht, die sich auch zum Überstreichen größerer Meßbereiche eignen. Deren dynamisches Verhalten (Auslesezeit) läßt aber eine Registrierung von sich schnell ändernden Abständen oder Wegen mit einer befriedigenden Genauigkeit nicht zu.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Längenmeßanordnung zum Erfassen der Lage eines Meßobjektes in einer Meßrichtung anzugeben, die eine hohe Auflösung bei großem Meßbereich mit hoher Dynamik erlaubt und mit einer geringen Anzahl von Ausgangsleitungen auskommt. Die Anordnung sollte einfach und kostengünstig realisierbar sein und verzögerungs- und rückwir­ kungsfrei sowie berührungslos arbeiten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebene Län­ genmeßanordnung gelöst. Ein gebündelter elektromagnetischer Strahl, der zum Beispiel ein Laserstrahl sein kann, überstreicht eine Detektoranordnung, indem er beispielsweise am bewegten Meßobjekt reflektiert wird. Die Detektoranord­ nung ist aus zwei Gruppen geeigneter Detektoren zusammengesetzt, die die Wandlung der einfallenden Lichtenergie in eine zur internen Verarbeitung ge­ eignete Repräsentation (z. B. ein elektrisches Signal) vornehmen, wobei die erste Gruppe von Detektoren mit einer ersten Signalverknüpfungsschaltung zur Er­ zeugung eines ersten Impulszuges bei Bewegung des Meßobjektes und die zweite Gruppe von Detektoren mit einer zweiten Signalverknüpfungsschaltung zur Erzeugung eines zweiten Impulszuges bei Bewegung des Meßobjektes ver­ bunden sind. Die Detektoren der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe sind derart alternierend in Längsrichtung angeordnet, daß die Detektoren der zweiten Gruppe gegenüber den Detektoren der ersten Gruppe jeweils in gleicher Längs­ richtung versetzt sind, sich aber auf unterschiedlichen Längsachsen befinden. Dieser Versatz der Detektoren in Längsrichtung sollte derart sein, daß die Pha­ senverschiebung zwischen den Impulsfolgen des ersten und des zweiten Im­ pulszuges weniger als π beträgt. Eine derartige Anordnung kann z. B. durch zwei gegeneinander in Längsrichtung versetzte parallele Sensorzeilen realisiert werden. Die Abmessungen des Strahls am Ort seines Auftreffens auf die Detek­ toranordnung müssen ein gleichzeitiges Überstreichen der beiden Detektor­ gruppen gewährleisten.

Anzahl, Abstand und Art der Detektoren in der Detektoranordnung werden entsprechend der durch die Meßaufgabe geforderten Auflösung und Genauig­ keit gewählt.

Die Anordnung weist weiterhin eine Auswertungs- und Zähleinrichtung auf, die mit den Ausgängen der beiden Signalverknüpfungsschaltungen verbunden ist. In dieser Auswertungs- und Zähleinrichtung werden die Impulse des ersten und/oder zweiten Impulszuges gezählt und die Zählrichtung in Abhängigkeit von der Phasenlage des ersten Impulszuges gegenüber der Phasenlage des zweiten Impulszuges gesteuert. Damit werden insbesondere Bewegungen, bei denen ein häufiger Richtungswechsel erfolgt, korrekt erfaßt.

Der Zählerstand der Zähleinrichtung ist unter Beachtung der geometrischen An­ ordnung von Meßobjekt und der erfindungsgemäßen Anordnung im Rahmen der Meßgenauigkeit proportional zu der zu messenden Größe, Weg, Abstand, Länge oder Position. Durch den Zählerstand der Zähleinrichtung wird die Meßinformation absolut inkremental erfaßt und in codierter, wesentlich verdich­ teter Form an ihrem Ausgang zur Verfügung gestellt.

Die erfindungsgemäße Längenmeßanordnung arbeitet verzögerungsfrei und ohne direkten Kontakt zwischen Meßanordnung und Meßobjekt. Die Anordnung muß keinerlei Teile auf dem Meßobjekt besitzen. Es können sich aber, wenn das zur Durchführung der konkreten Aufgabe zweckmäßig und/oder erforderlich ist, ein Teil oder die gesamte Anordnung auf dem Meßobjekt befinden. So können zum Beispiel die Quelle der elektromagnetischen Strahlung und/oder die De­ tektoranordnung sich am Meßobjekt selbst befinden. Zur Messung der Ge­ schwindigkeit kann die Anordnung durch eine geeignete Einrichtung zur Ermitt­ lung von Zeitdifferenzen ergänzt werden (Anspruch 6). Weiterhin kann die An­ ordnung ganz oder teilweise in einer integrierten Schaltungstechnik ausgeführt sein (Anspruch 7).

Die erfindungsgemäße Anordnung ist unempfindlich gegenüber Änderungen der Umgebungsbedingungen (zum Beispiel Temperatur, Feuchte, elektromagneti­ sche Durchsetzung des Meßmediums, Geräuschpegel).

Gegenüber den in P. Hauptmann, Sensoren-Prinzipien und Anwendungen, München, Wien 1988 und H. Töpfer et. al., Funktionseinheiten der Automatisie­ rungstechnik, Berlin 1988 aufgeführten Verfahren sind weder mechanische Kopplungen noch der Aufbau ausgedehnter elektrischer oder elektromagneti­ scher Felder zwischen Meßeinrichtung und Meßobjekt erforderlich, die insbe­ sondere elektrostatisch oder elektromagnetisch sensitive Meßobjekte beein­ trächtigen können.

Es werden keinerlei aufwendige optische Bauelemente zur Realisierung der er­ findungsgemäßen Anordnung benötigt, wie dies bei den interferrometrischen Anordnungen der Fall ist. Markierungen auf dem Meßobjekt sind nicht erforder­ lich. Gegenüber den bekannten CCD-Zeilenanodnungen für die Messung von Abständen und Wegen ist die erfindungsgemäße Anordnung auch für die Mes­ sung an Prozessen mit hoher Dynamik geeignet, da die Information aus den beiden Detektorgruppen parallel und unmittelbar verarbeitet wird. Trotz der parallelen Arbeitsweise der aufgrund der notwendigen Auflösungen benötigten hohen Anzahl von Detektoren bleibt der Einsatz der vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Anordnung technologisch beherrschbar, da ein codiertes Ausgangssignal die Anzahl der Ausgänge der erfindungsgemäßen Anordnung stark reduziert.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Längenmeßanord­ nung ist in Anspruch 3 dargestellt. Die Auswertungs- und Zähleinrichtung be­ steht vorzugsweise aus einem Flip-Flop (z. B. ein D-Flip-Flop) und einem Zähler. Die Eingänge des Flip-Flops sind mit den Ausgängen der Signalverknüpfungs­ schaltungen, die z. B. ODER-Gatter sein können (Anspruch 2), verbunden. Das Flip-Flop dient der Erkennung der gegenseitigen Phasenlage der beiden Impuls­ züge und setzt das Ergebnis in ein zur Betriebsartensteuerung (inkrementierend/dekrementierend) des Zählers geeignetes Ausgangssignal um, das z. B. ein binäres Signal sein kann.

Der Zähler weist einen Takteingang und einen Inkrementier-/Dekrementier-Ein­ gang auf, wobei der Takteingang mit Impulsen des ersten und/oder des zweiten Impulszuges und der Inkrementier-/Dekrementier-Eingang von dem Ausgangs­ signal des Flip-Flop beaufschlagt werden. Der Zählbereich des Zählers sollte die Zahl der in einer Detektorgruppe enthaltenen Elemente mindestens umfassen.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung weist nach Anspruch 4 der Zähler einen Setz- und einen Rücksetzeingang auf, wobei der Setzeingang mit einem ersten der beiden äußeren Detektoren der ersten Gruppe oder der zwei­ ten Gruppe und der Rücksetzeingang mit dem zweiten äußeren Detektor dieser Gruppe verbunden ist. Mit dieser Anordnung lassen sich in vorteilhafter Weise Teilbereiche eines Weges des Meßobjekts mit hoher Genauigkeit erfassen, wäh­ rend dies insbesondere bei Anordnungen, bei denen Markierungen am Meßob­ jekt angebracht sind, nicht in einfacher Weise möglich ist. Unter Teilbereichen werden hier Wegabschnitte des Gesamtweges verstanden, nach deren Passie­ rung der elektromagnetische Strahl die Detektoranordnung wieder verläßt.

Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anord­ nung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Anordnung wird im folgenden anhand der Ausführungs­ beispiele und der Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch eine mögliche Ausgestaltungsform eines Teils der erfindungsgemäßen Längenmeßanordnung,

Fig. 2 beispielhaft von Signalverknüpfungsschaltungen (Oder-Gatter) er­ zeugte Impulsfolgen,

Fig. 3 ein Beispiel für eine Abstandsmessung bei einer Bewegung in Rich­ tung des Lotes zwischen Detektoranordnung und Meßobjekt, und

Fig. 4 ein Beispiel für eine Positions- und Geschwindigkeitsmessung bei einer Bewegung parallel zur Detektoranordnung.

Ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Detektoranordnung ist in Fig. 1 gezeigt. Sie besteht aus den beiden Gruppen von Detektorelementen 2 und 3, die in zwei parallelen Zeilen angeordnet sind. Die beiden Zeilen, die ein Sensorarray (gestrichelte Linie in Fig. 1) bilden, sind in Längsrichtung gegen­ einander versetzt. Ein Laserstrahl 1, der hier zum Beispiel über einen Spalt auf die Detektoranordnung abgebildet wurde, überstreicht diese, indem er am be­ wegten Meßobjekt reflektiert wird. Die Spaltabbildung wurde hier gewählt, um zu erreichen, daß der Strahl auf der Detektoranordnung beide Detektorzeilen gleichzeitig beleuchtet. Aus den Detektorausgangssignalen wird durch zeilen­ weise Anwendung der Oder-Verknüpfung in den Oder-Gattern 4, 5 je eine Im­ pulsfolge gewonnen, die an den Ausgangsleitungen 6, 7 der Oder-Gatter anliegt, wenn der Lichtstrahl 1 das Detektorarray überstreicht. Der Ausgang des Oder- Gatters 5 ist direkt mit dem Zähleingang 15 einer Impulszähleinrichtung 8 ver­ bunden, deren Zählbereich die Zahl der in einer Detektorzeile enthaltenen Ele­ mente mindestens umfaßt. Der Ausgang des ersten und des letzten Elements 9 und 10 einer der beiden Detektorzeilen ist zur Synchronisierung mit dem Rück­ setz- 18 bzw. dem Setzeingang 16 der Zähleinrichtung 8 verbunden. Eine Ein­ richtung 11 zur Erkennung der Phasenlage der an 6 und 7 anliegenden Im­ pulsfolgen, zum Beispiel ein D-Flipflop, die die Phasenlage der Impulsfolgen in ein zur Betriebsartensteuerung der Zähleinrichtung geeignetes Signal umsetzt, ist mit dem Betriebsarteneingang 17 der Zähleinrichtung verbunden.

Für den Fall der Benutzung eines D-Flipflops zur Phasenerkennung wird eine der beiden Leitungen 6 oder 7 mit dem Dateneingang und die andere mit dem Takt-eingang des D-Flipflops verbunden. Die Detektion der Zählrichtung erfolgt dergestalt, daß, abhängig von der Lage der beiden an 6 und 7 anliegenden Im­ pulsfolgen, der Betriebsarteneingang 17 zum Zeitpunkt der Taktflanke am Zähl­ eingang 15 immer den Zustand "Logisch 1" oder den Zustand "Logisch 0" be­ sitzt.

Dies wird in Fig. 2 veranschaulicht. Hier sind die beiden an den Leitungen 6 und 7 anliegenden Impulsfolgen für den Fall einer Bewegung mit konstanter Ge­ schwindigkeit in einer Richtung dargestellt. Während die Impulsfolge auf der Leitung 7 direkt mit dem Eingang der Impulszähleinrichtung verbunden ist, wird über das flankengesteuerte D-Flipflop im gezeigten Fall (mit Leitung 6 als Steuereingang) das Ausgangssignal des Flipflops immer auf "Logisch 1" (Spannung) liegen und somit die Zähleinrichtung zum Beispiel zur inkrementie­ renden Zählweise veranlassen. Im umgekehrten Fall (negative Zeitrichtung in Fig. 2) würde am Ausgang keine Spannung ("Logisch 0") anliegen, was zum Bei­ spiel dekrementierende zählweise der Impulszähleinrichtung bedeuten könnte.

Bei dieser Art der Signalauswertung ist es wichtig, daß der gegenseitige Versatz der Detektorelemente der ersten Zeile gegenüber denen der zweiten Zeile in Längsrichtung kleiner ist als die Länge eines Detektorelements und auch kleiner ist als die freie Weglänge zwischen zwei aufeinanderfolgenden Detektorelemen­ ten.

Fig. 3 zeigt eine Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung des Abstandes zwischen einem entlang des Lotes von der Meßanordnung auf das Meßobjekt bewegten Meßobjekt und der Ebene der Meßanordnung. Ein Strahl sichtbaren oder nicht sichtbaren Lichts 1 wird dabei von einer Beleuch­ tungseinrichtung 12 hinreichend scharf gebündelt, bzw. unter Zuhilfenahme einer Blende 13 als Spaltabbildung unter einem definierten Winkel β auf das Meßobjekt 14 emittiert. Von diesem wird er reflektiert und gelangt auf das Sen­ sorarray 19, das er bei einer Bewegung des Meßobjektes (Δh) in Richtung Δy überstreicht.

Die hier geschilderte Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung läßt sich z. B. auf die Chipkontaktierung in der Halbleiterfertigung übertragen, bei der ein Wafer an eine sogenannte Probecard herangefahren wird. Der Gesamtweg der Waferbewegung beträgt einige 10 mm, wobei jedoch nur die letzten 2 mm des Weges interessant sind. Diese Teilstrecke muß mit hoher Präzision (µm/nm-Be­ reich) überwacht werden. Weiterhin soll die Detektoranordnung klein sein (Chipgröße) und rückwirkungsfrei arbeiten. Diese Forderungen lassen sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung erfüllen. Der Meßchip (Sensorarray 19) wird auf der Probecard (in Fig. 3 oben) befestigt, der Wafer stellt das Meßobjekt 14 dar.

Fig. 4 demonstriert die Anwendung der Meßanordnung zur Positions- und Ge­ schwindigkeitsbestimmung bei Anordnung der Beleuchtungseinrichtung 12 auf dem Meßobjekt 14, wobei sich das Meßobjekt auf einer Ebene parallel zum Sen­ sorarray 19 und in Richtung der Längsachse dieses Sensorarrays bewegt (Δx). Die Beleuchtungseinrichtung kann dabei Licht senkrecht zur Ebene des Meß­ objektes emittieren (a) oder, wenn das für die Durchführung der konkreten Meß­ aufgabe erforderlich ist, auch unter einem bestimmten Winkel β Licht abstrahlen, wodurch sie nicht direkt unter dem Sensorarray angebracht sein muß (b).

Zur Bestimmung der Geschwindigkeit wird der Quotient aus der Differenz zweier Zählerstände und der Differenz der zugehörigen Zeiten ermittelt, der sich pro­ portional zur Geschwindigkeit verhält.

Claims (8)

1. Längenmeßanordnung zum Erfassen der Lage eines Meßobjektes in einer Meßrichtung, mit einer Detektorvorrichtung mit einer Mehrzahl von Detektoren und mit einer Strahlerzeugungsvorrichtung für die Auslenkung eines Strahles in der Weise, daß die Lage des Auftreffpunktes des Strahles auf der Detektorvor­ richtung von der Lage des Meßobjektes in der Meßrichtung abhängt, dadurch gekennzeichnet,
daß eine erste Gruppe von Detektoren (2) ausgangsseitig an eine erste Signalverknüpfungsschaltung (5) zur Erzeugung eines ersten Impulszuges bei Bewegung des Meßobjektes angeschlossen ist,
daß eine zweite Gruppe von Detektoren (3) ausgangsseitig an eine zweite Signalverknüpfungsschaltung (4) zur Erzeugung eines zweiten Impulszu­ ges bei Bewegung des Meßobjektes angeschlossen ist,
daß die Detektoren (2, 3) der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe derart alternierend in Längsrichtung der Detektorvorrichtung angeordnet sind, daß die Detektoren (3) der zweiten Gruppe gegenüber den Detektoren (2) der ersten Gruppe außermittig jeweils in gleicher Längsrichtung versetzt angeordnet sind, und
daß eine Auswertungs- und Zähleinrichtung (8, 11) mit den Ausgängen der beiden Signalverknüpfungsschaltungen (4, 5) verbunden und derart aus­ gebildet ist,

• - daß sie die Impulse des ersten und/oder des zweiten Impulszuges zählt, und
• - daß deren Zählrichtung von der Phasenlage des ersten Impulszuges gegenüber der Phasenlage des zweiten Impulszuges abhängt.

2. Längenmeßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverknüpfungsschaltungen ODER-Gatter (4, 5) sind.

3. Längenmeßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungs- und Zähleinrichtung ein Flip-Flop (11) aufweist, des­ sen Eingänge an die Ausgänge der Signalverknüpfungsschaltungen (4, 5) angeschlossen sind, und einen Zähler (8) mit einem Takteingang (15) und einem Inkrementier-/Dekrementier-Eingang (17) aufweist, dessen Taktein­ gang mit Impulsen des ersten und/oder des zweiten Impulszuges beauf­ schlagt wird und dessen Inkrementier-/Dekrementier-Eingang von dem Ausgangssignal des Flip-Flop (11) beaufschlagt wird.

4. Längenmeßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähleinrichtung (8) einen Setz- und einen Rücksetzeingang (16, 18) aufweist, wobei der Setzeingang mit einem ersten der beiden äußeren Detektoren der ersten Gruppe (2) oder der zweiten Gruppe (3) und der Rücksetzeingang mit dem zweiten äußeren Detektor dieser Gruppe ver­ bunden ist.

5. Längenmeßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerzeugungsvorrichtung aus einem Laser besteht, dessen Strahl durch Reflexion am Meßobjekt auf die Detektoranordnung gelenkt wird.

6. Längenmeßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung eine Einrichtung zur Ermittlung von Zeitdifferenzen ent­ hält.

7. Längenmeßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zumindest teilweise in integrierter Schaltungstechnik aufgebaut ist.

8. Längenmeßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren fotoelektrische Detektoren sind.