DE60114397T2

DE60114397T2 - Verfahren und vorrichtung zur korrektur von abbe fehlern

Info

Publication number: DE60114397T2
Application number: DE60114397T
Authority: DE
Inventors: R. Donald CUTLER
Original assignee: Electro Scientific Industries Inc
Current assignee: Electro Scientific Industries Inc
Priority date: 2000-01-11
Filing date: 2001-01-05
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2021-01-06
Also published as: JP2003523567A; CA2396259A1; US6430465B2; US20010029674A1; CN100437407C; EP1275036B1; TW472177B; WO2001052004A1; EP1275036A1; JP4860870B2; KR100755335B1; AU2001227690A1; CN1419663A; KR20020067600A; ATE308071T1; DE60114397D1

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft Systeme oder Verfahren zum Positionieren von einem oder mehreren "Werkzeugen", wie z.B. Laserstrahlen oder anderen Strahlungsbündeln, relativ zu Zielstellen auf einem oder mehreren Werkstücken und insbesondere ein System, das Abbe-Fehler, die zur Bewegung von einem oder mehreren Tischen eines solchen Strahlpositionierungssystems gehören, genau kompensiert.
Hintergrund der Erfindung
Eine Vielfalt von Technologien verwenden Werkzeuge, um Muster oder Materialien auf Zielstellen auf einem Werkstück mikrozubearbeiten oder abzuscheiden. Eine Stanze mit Mikroabmessung kann beispielsweise verwendet werden, um Löcher in eine dünne Metallplatte zu stanzen; ein Laser kann verwendet werden, um metallische, kristalline oder amorphe Musterstücke genau maschinell zu bearbeiten oder selektiv abzutragen; und Ionenstrahlen können verwendet werden, um geladene Teilchen selektiv in eine integrierte Schaltung zu implantieren. Alle der vorstehend erwähnten Prozesse teilen sich eine gemeinsame Anforderung für die genaue und schnelle Positionierung eines relevanten Werkzeugs an Zielstellen auf dem Werkstück.
Der folgende Hintergrund wird hierin nur als Beispiel für Laserstrahlpositionierungssysteme dargestellt, aber Fachleute werden erkennen, daß die Beschreibung auf Werkzeugpositionierungssysteme im allgemeinen anwendbar ist. Herkömmliche Werkzeugpositionierungssysteme und insbesondere Strahlpositionierungssysteme stellen typischerweise eine Bewegung innerhalb eines dreidimensionalen Koordinatensystems bereit und können in verschiedenen Weisen charakterisiert werden.
Herkömmliche Positionierungssysteme sind durch X-Y-Translationstische gekennzeichnet, bei denen das Werkstück an einem oberen Tisch befestigt wird, der durch einen unteren Tisch abgestützt ist. Solche Systeme bewegen das Werkstück typischerweise relativ zu einer festen Strahlposition und werden üblicherweise als Positionierungssysteme mit gestapelten Tischen bezeichnet, da der untere Tisch die Trägheitsmasse des oberen Tischs und des Werkstücks trägt. Diese Positionierungssysteme weisen eine relativ gute Positionierungsgenauigkeit auf, da Interferometer typischerweise entlang jeder Achse verwendet werden, um die absolute Position jedes Tischs zu bestimmen.
Im US-Pat. Nr. 4 532 402, Overbeck, ist eine Hochgeschwindigkeits-Positionierungseinrichtung mit kurzer Bewegung ("schnelle Positionierungseinrichtung") wie z.B. ein Galvanometer durch den oberen Tisch eines X-Y-Translationstischs ("langsame Positionierungseinrichtung") abgestützt und der obere Tisch und das Werkstück werden vom unteren Tisch abgestützt. Die kombinierte Bewegung der zwei Positionierungseinrichtungen zieht zuerst die Bewegung der langsamen Positionierungseinrichtung zu einer bekannten Stelle nahe einer Zielstelle auf dem Werkstück, das Stoppen der langsamen Positionierungseinrichtung, das Bewegen der schnellen Positionierungseinrichtung zur exakten Zielstelle, das Stoppen der schnellen Positionierungseinrichtung, das Bewirken, daß das Werkzeug die Zielstelle bearbeitet und dann das Wiederholen des Prozesses für die nächste Zielstelle nach sich.
Das kombinierte System von Overbeck ist jedoch auch ein Positionierungssystem mit gestapelten Tischen und leidet unter vielen derselben ernsten Nachteile wie das vorstehend erwähnte System mit festem Strahl. Die Start-, Stopp- und Richtungsänderungsverzögerungen, die mit der Trägheitsmasse der Tische und der schnellen Positionierungseinrichtung verbunden sind, verlängern übermäßig die Zeit, die für das Werkzeug zum Bearbeiten des Werkstücks erforderlich ist. Das System von Overbeck erlegt auch einer Werkzeugmaschinen-Steuerdatei oder -"Datenbank" auf Computerbasis, die typischerweise dem Werkzeug befiehlt, sich zu einer Reihe von vorbestimmten Zielstellen über das Werkstück zu bewegen, einen ernsten Nachteil auf. Die Datenbank, die das Werkzeug über dem Werkstück positioniert, muß in aneinander angrenzende Segmente "unterteilt" werden, die jeweils in den begrenzten Bewegungsbereich der schnellen Positionierungseinrichtung passen, wenn die Größe der großen Schaltungsmuster diesen Bewegungsbereich übersteigt.
US-Pat. Nrn. 5 751 585 und 5 847 960 von Cutler et al., beschreiben Positionierungssysteme mit geteilten Achsen, bei denen der obere Tisch nicht vom unteren Tisch abgestützt ist und sich unabhängig von diesem bewegt, und bei denen das Werkstück auf einer Achse oder einem Tisch getragen wird, während das Werkzeug auf der anderen Achse oder dem anderen Tisch getragen wird. Diese Positionierungssysteme weisen einen oder mehrere obere Tische auf, die jeweils eine schnelle Positionierungseinrichtung tragen, und können ein oder mehrere Werkstücke gleichzeitig mit hohen Durchsatzraten bearbeiten, da die unabhängig getragenen Tische jeweils weniger Trägheitsmasse tragen und schneller beschleunigen, verlangsamen oder die Richtung ändern können als jene eines Systems mit gestapelten Tischen. Da die Masse eines Tischs nicht auf dem anderen Tisch getragen wird, sind die Resonanzfrequenzen für eine gegebene Last folglich erhöht. Ferner sind die langsame und die schnelle Positionierungseinrichtung dazu ausgelegt, sich als Reaktion auf einen Strom von Positionierungsbefehlsdaten zu bewegen, ohne notwendigerweise zu stoppen, während ihre einzelnen Bewegungspositionen koordiniert werden, um vorübergehend stationäre Werkzeugpositionen über Zielstellen zu erzeugen, die durch die Datenbank definiert sind. Diese Positionierungssysteme mit geteilten Achsen mit mehreren Raten verringern die Bewegungsbereichsbegrenzungen der schnellen Positionierungseinrichtung von früheren Systemen, während sie einen signifikant erhöhten Werkzeugbearbeitungsdurchsatz bereitstellen und aus aufgeteilten oder nicht aufgeteilten Datenbanken arbeiten können.
Solche Positionierungssysteme mit geteilten Achsen werden noch vorteilhafter, da die Gesamtgröße und das Gesamtgewicht der Werkstücke zunehmen, wobei längere und daher massivere Tische verwendet werden. Gleichzeitig nehmen die Strukturgrößen weiterhin ab, was den Bedarf verursacht, daß die Maßgenauigkeit zunimmt, und Systeme mit geteilten Achsen weisen wahrscheinlicher Drehfehler auf, die Abbe-Fehler einführen, die Fehler sind, die den physikalischen Abstand zwischen der effektiven Position eines Tischs und der angegebenen Position des Tischs angeben. Abbe-Fehler werden typischerweise durch Unvollkommenheiten oder thermische Schwankungen in den Lagern, an denen die Tische gleiten und/oder Ausrichtungs- oder Beschleunigungsunvollkommenheiten der Antriebsmechanismen, die die Bewegung für die Tische vorsehen, verursacht.
1 zeigt drei zueinander senkrechte Translationsbewegungsachsen wie z.B. die X-Achse 10, Y-Achse 12 und Z-Achse 14, die ein dreidimensionales Koordinatensystem 16 definieren, und drei zueinander senkrechte Drehbewegungsachsen (nachstehend als Rollachse 18, Taumelachse 20 und Gierachse 22 bezeichnet). Facharbeiter beziehen sich typischerweise auf Rollen als Winkeldrehung um die X-Achse 10, Taumeln als Winkeldrehung um die Y-Achse 12 und Gieren als Winkeldrehung um die Z-Achse 14.
Obwohl Laser-Interferometersysteme verwendet werden können, um bestimmte Abbe-Fehler anzugeben und zu kompensieren, sind solche Systeme kostspielig und schwer, da sie typischerweise Bezugsspiegel erfordern, die fast so lang sind wie die kombinierte Tischlänge plus die Bewegungslänge, z.B. nicht geringer als zweimal die Bewegungsstrecke. Solche Spiegel sind schwierig, wenn nicht unmöglich für die langen Bewegungsdimensionen von großen Tischen zu beschaffen, wie z.B. mit einer Längenabmessung von 76 bis 92 cm (30–36 Inch), die erforderlich sind, um größere Werkstücke aufzunehmen. Ferner würden Systeme mit geteilten Achsen mindestens zwei Interferometer für jeden Tisch und/oder ein sehr komplexes Optiksystem zum Angeben von Winkel und Position erfordern und das dazukommende Gewicht der Interferometer würde die Trägheitslast auf den Tischen auf Kosten der Frequenzgangzeit für Momentänderungen erhöhen.
Das US-Pat. Nr. 5 699 621 von Trumper et al., offenbart die Verwendung von Verschiebungswandlern mit kleinem Bereich, um Taumel-, Gier- und Rollwinkelfehler anzugeben. Trumper et al. korrigieren Winkelfehler durch Steuern des Lagerspalts mit Elektromagneten, die die Verwendung eines sehr nachgiebigen Magnet- oder Luftlagersystems erfordern. Die Korrekturgeschwindigkeit des Systems von Trumper et al. ist auf die Bandbreite des linearen Tischsystems begrenzt und weist daher ähnliche Begrenzungen der Masse gegen die Bandbreite wie Positionierungssysteme mit gestapelten Tischen auf.
Das US-Pat. Nr. 5 798 195 von Nishi, richtet sich auf die Auswertung der Schrittgenauigkeit eines Werkstück-Positionierungstischs. Die Schrittgenauigkeit wird als absolut ohne Bezug auf ein Werkzeug gemessen. Nishi mißt den Abbe-Fehler nur, um seinen Effekt auf die Schrittgenauigkeitsmessungen zu unterdrücken. Nishi offenbart separat die Verwendung von Positionierungsbefehlen, um eine Bewegung des Werkstücktischs zu bewirken, und lehrt auch die Bewegung eines separaten Fadenkreuztisches. Der Fadenkreuztisch wird nur bewegt, um ein Fadenkreuz relativ zu einer optischen Achse des optischen Projektionssystems zu zentrieren. Sobald das Fadenkreuz zentriert ist, besteht kein weiterer Bedarf, die Position des Fadenkreuzes einzustellen, wenn der Werkstücktisch bewegt wird, und Nishi beschreibt keine solche anschließende Bewegung des Fadenkreuzes nach der Zentrierung.
Ein weniger teures und/oder weniger massives und sehr genaues Abbe-Fehler-Korrektursystem oder -verfahren ist daher immer noch erwünscht.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren oder eine Vorrichtung bereitzustellen, das/die kontaktlose kleine Verschiebungssensoren wie z.B. kapazitive Sensoren, um Abbe-Fehler aufgrund von Taumeln, Gieren und Rollen eines mechanischen Tischs zu bestimmen, die durch einen Positionsindikator auf der Achse, wie z.B. einen Codierer mit linearem Maßstab oder ein Laser-Interferometer, nicht angegeben werden, und eine Einrichtung zum Kompensieren solcher Abbe-Fehler verwendet.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Verwendung solcher Sensoren, um Abbe-Fehler aufgrund der linearen Lagervariabilität oder Verzerrungen, die mit Beschleunigung oder Temperaturgradienten verbunden sind, zu bestimmen und zu korrigieren.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Positionierungssystem, wie in Anspruch 1 definiert, bereitgestellt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Positionieren einer Laserausgangsleistung relativ zu einer Zielstelle auf einem Werkstück mit den Schritten von Anspruch 19 bereitgestellt.
Die vorliegende Erfindung stellt eine kosteneffiziente Einrichtung zum Bestimmen und Kompensieren von Abbe-Fehlern eines linearen Tischpositionierungssystems, die Fehler in der effektiven Position des Systems sind, die nicht durch einen Positionsindikator wie z.B. einen Metall- oder Glas-Maßstabscodierer oder ein Laser-Interferometer angegeben werden, aufgrund von Taumeln, Gieren oder Rollen des linearen Tischs und dem resultierenden physikalischen Abstand zwischen der effektiven Position und der angegebenen Position eines Tischs bereit. Um die Kosten zu minimieren, wird das System gegen X- und Y-Positions-Bezugsstandards mit Präzision kalibriert, so daß die Korrekturen nur von der Feststellung kleiner Änderungen in den Sensormeßwerten und nicht von der absoluten Genauigkeit der Sensormeßwerte abhängen. Obwohl die vorliegende Erfindung zur Verwendung in Positionierungssystemen mit geteilten Achsen bevorzugt ist, kann sie in Systemen mit gestapelten Tischen verwendet werden, um ihre Herstellungskosten zu verringern. Obwohl ein Linearmaßstabscodierer verwendet werden kann, um die nominale Tischposition auf der Achse anzugeben, um die Kosten weiter zu verringern, kann ein Laser-Interferometer verwendet werden, wenn ein größeres Niveau an Genauigkeit und/oder Auflösung erwünscht ist.
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen derselben ersichtlich, die mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen vor sich geht.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt sechs Achsen, einschließlich drei zueinander senkrechter Translationsbewegungsachsen X, Y und Z und drei zueinander senkrechter Drehbewegungsachsen Rollen, Taumeln und Gieren.
2A und 2B stellen ein bildhaftes Blockdiagramm eines Laserstrahl-Positionierungssystems mit mehreren Tischen dieser Erfindung bereit.
3 ist eine bruchstückhafte, bildhafte Seitenansicht, die eine durch ein Galvanolmeter angetriebene Spiegelpositionierungseinrichtung eines Typs, der zur Verwendung bei dieser Erfindung geeignet ist, zeigt.
4 ist eine Draufsicht, die bevorzugte Positionen von Y-Tisch-Abbe-Fehler-Sensoren zeigt, die an einem Y-Achsen-Tisch (Werkstücktisch) relativ zu einer Bezugsoberfläche montiert sind.
5 ist eine Stirnansicht, die bevorzugte Positionen der am Y-Achsen-Tisch von 4 montierten Sensoren zeigt.
6 ist eine Seitenaufrißansicht, die bevorzugte Positionen von X-Tisch-Abbe-Fehler-Sensoren zeigt, die an einem X-Achsen-Tisch (Werkzeugtisch) relativ zu einer Bezugsoberfläche montiert sind.
7 ist eine Stirnansicht, die bevorzugte Positionen der Sensoren zeigt, die am X-Achsen-Tisch von 6 montiert sind.
8 ist eine Draufsicht, die bevorzugte Positionen der am X-Achsen-Tisch von 6 montierten Sensoren zeigt.
9 ist eine schräge bildhafte Ansicht, die ein Laserbearbeitungssystem mit mehreren Köpfen zeigt, das die vorliegende Erfindung verwendet.
10 ist ein vereinfachtes elektrisches Blockdiagramm eines Digitalsignalverarbeitungssystems mit mehreren Signalprozessoren der schnellen Tische, das in dem Laserbearbeitungssystem mit mehreren Köpfen von 9 verwendet wird.
11 ist ein vereinfachtes elektrisches Blockdiagramm von einem oder mehreren Signalprozessoren der schnellen Tische, die im Digitalsignalverarbeitungssystem von 10 verwendet werden.
Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
2A und 2B (allgemein 2) zeigen ein Werkzeugpositionierungssystem 50 mit mehreren Tischen mit Positionierungsbefehl-Ausführungsfähigkeiten gemäß dieser Erfindung. Das Positionierungssystem 50 wird hierin nur beispielhaft mit Bezug auf ein Lochschneidsystem mit einzelnem Kopf auf Laserbasis beschrieben, das einen Digitalsignalprozessor ("DSP") 52 verwendet, um einen schnellen Galvanometer-Positionierungstisch 54 (Abtaster oder "schneller Tisch 54"), einen langsamen X-Achsen-Translationstisch 56 ("langsamer Tisch 56") und einen langsamen Y-Achsen-Translationstisch 58 ("langsamer Tisch 58") zu steuern, um einen Laserstrahl 60 auf Zielstellen auf einem einzelnen Werkstück 62 wie z.B. einer geätzten Leiterplatte zu richten.
Mit Bezug auf 2 ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit geteilten Achsen der X-Achsen-Translationstisch 56 durch Lager auf Schienen 46 abgestützt und bewegt sich im allgemeinen entlang einer X-Z-Ebene und der Y-Achsen-Translationstisch 58 ist durch Lager auf Schienen 48 abgestützt und bewegt sich im allgemeinen entlang einer X-Y-Ebene. Fachleute werden erkennen, daß beide Tische 56 und 58 alternativ dazu ausgelegt sein könnten, sich in parallelen Ebenen zu bewegen und hinsichtlich der Trägheit getrennt oder abhängig zu sein. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet das Positionierungssystem 50 umlaufende oder Querrollen-Lagersysteme mit hoher Steifigkeit, um die Bewegung der Tische 56 und 58 zu unterstützen und zu lenken.
Ein Systemsteuercomputer 63 verarbeitet eine Werkzeugweg-Datenbank, die in einem Datenbankspeicher-Untersystem 64 gespeichert ist. Die Datenbank enthält die gewünschten Bearbeitungsparameter zum Schneiden von Löchern und/oder Profilen mit dem Laserstrahl 60 in das Werkstück 62. Die Datenbank wird üblicherweise unter Verwendung eines Werkzeugweg-Erzeugungsprogramms wie z.B. I-DEAS Generative Machining, das von Structural Dynamics Research Corporation mit Sitz in Milford, Ohio, bereitgestellt wird, kompiliert. Der Systemsteuercomputer 63 übermittelt analysierte Teile der gespeicherten Datenbank zu einer Lasersteuereinheit 68 und Positionssteuerteile der Datenbank als Datenstrom zu einem Deltaprozeß 70. Der Deltaprozeß 70 löst den Datenstrom in x- und y-Komponenten für die Deltaposition ("dp"), Deltageschwindigkeit ("dv") und Deltazeit ("dt") für jede beabsichtigte Änderung des Weges des Laserstrahls 60 über das Werkstück 62 auf. Folglich ist jede Bewegung des Laserstrahls 60 in dp-, dv- und dt-Komponenten definiert, die durch eine Positionsprofileinrichtung 72 weiter in Bewegungsprofile, einschließlich Beschleunigungs- und/oder Konstantgeschwindigkeits-Segmentpositionssignalen, verarbeitet werden.
Der Deltaprozeß 70 erzeugt vorzugsweise die dp-, dv- und dt-Komponenten gemäß einer bevorzugten Signalverarbeitungsprozedur in der BASIC-Sprache, die im US-Pat. Nrn. 5 751 585 und 5 847 960 von Cutler et al. beschrieben ist, die auf den Anmelder dieser Anmeldung übertragen sind.
Mit erneutem Bezug auf 2 werden die dp-, dv- und dt-Komponenten, die vom Deltaprozeß 70 erzeugt werden, durch die Positionsprofileinrichtung 72 weiter in die Bewegungsprofil-Positionierungssignale verarbeitet, die erforderlich sind, um den schnellen Tisch 54 und die langsamen Tische 56 und 58, wie von der Datenbank befohlen, zu bewegen. Idealerweise ist die Positionierungseinrichtungs-Beschleunigung proportional zur Bewegungskraft und die Bewegungskraft ist proportional zum elektrischen Strom, der zu einer Positionierungseinrichtungs-Antriebsvorrichtung wie z.B. einem linearen oder Drehservomotor oder einer Galvanometerspule geliefert wird. Daher ist das von der Positionsprofileinrichtung 72 erzeugte Positionierungssignal eine Reihe von eine Beschleunigung induzierenden und eine konstante Geschwindigkeit induzierenden Positionierungsschritten mit Halbsinusprofil und "vollem Spektrum", die Systembewegungen bewirken. Die Bandbreite des vollen Spektrums muß nur etwa 250 Hertz sein, eine Bandbreite, die ausreicht, um eine typische durch ein Galvanometer angetriebene Spiegelpositionierungseinrichtung mit ihrer maximalen Frequenz anzutreiben.
Momentane Werte des Positionssignals mit vollem Spektrum werden vom DSP 52 mit einer Rate von etwa 10000 Punkten pro Sekunde unter Verwendung der dp-, dv- und dt-Komponenten, die vom Deltaprozeß 70 als Variablen für ein im DSP 52 laufendes Sinuswert-Erzeugungsprogramm erzeugt werden, erzeugt. Alternativ können die dp-, dv- und dt-Komponenten verwendet werden, um zugehörige Sinuswellenformwerte, die in einer Sinuswert-Nachschlagetabelle gespeichert sind, die in den DSP 52 integriert ist, zu adressieren und abzurufen.
Das resultierende Positionierungssignal mit vollem Spektrum weist Beschleunigungs- und Positionskomponenten auf, die von einem Profilfilter 78 mit einer konstanten Signallaufzeit und einem Verzögerungselement 79, das im DSP 52 die konstante Signallaufzeit des Profilfilters 78 kompensiert, empfangen werden. Das Verzögerungselement 79 verzögert beispielsweise die von der Positionsprofileinrichtung 72 erzeugten Laserauslöseimpulse so, daß sie mit den verzögerten Bewegungen des schnellen Tischs 54 und der langsamen Tische 56 und 58 zusammenfallen. Das Profilfilter 78 und das Verzögerungselement 79 wirken auch, wie nachstehend beschrieben, zusammen, um die langsamen Tische 56 und 58 gleichmäßig über das mittlere Positionsprofil zu bewegen, während ihre Beschleunigung auf ±1 g begrenzt wird, und wirken zusammen, um die Positionierungsbewegungen des schnellen Tischs 54 auf ±10 Millimeter zu begrenzen.
Die Positionskomponente wird vom Profilfilter 78 empfangen, um gefilterte Positionsbefehlsdaten zum Antreiben der langsamen Tische 56 und 58 zu erzeugen. Das Profilfilter 78 ist vorzugsweise ein Tiefpaßfilter vierter Ordnung.
Da das Profilfilter 78 gefilterte Positionsbefehlsdaten mit einer konstanten Zeitverzögerung bezüglich der Halbsinus-Positionierungssignal-Positionskomponente erzeugt, wird die konstante Zeitverzögerung durch das Verzögerungselement 79 verzögert. Das Verzögerungselement 79 ist vorzugsweise im DSP 52 als programmierte Verzögerung bei der Übermittlung der Halbsinus-Positionierungssignal-Beschleunigungs- und -Positionskomponenten von der Positionsprofileinrichtung 72 zu den Signalverarbeitungselementen des schnellen Tischs 54 implementiert, von welchen die ersten Addierer 80 und 82 sind. Dadurch werden die Halbsinus-Positionierungssignale, die zum schnellen Tisch 54 geleitet werden, mit den gefilterten Positionsbefehlen, die zu den langsamen Tischen 56 und 58 geleitet werden, zeitlich synchronisiert.
Die Beschleunigungskomponente von der Positionsprofileinrichtung 72 wird auch durch das Profilfilter 78 gefiltert, um einen gefilterten Beschleunigungsbefehl zum Addierer 80 und zu einem Vorschubprozeß 94 zu liefern. Der Addierer 80 fungiert als Hochpaßfilter durch Subtrahieren des gefilterten Beschleunigungsbefehls von der Beschleunigungskomponente des Positionierungssignals mit vollem Spektrum, um ein Galvo-Beschleunigungs-Vorschubsignal zu erzeugen, das zu einem Vorschubprozeß 86 übermittelt wird. Ebenso werden der gefilterte Positionsbefehl vom Profilfilter 78 und die verzögerte Positionskomponente des Halbsinus-Positionierungssignals jeweils zu Addierern 90 und 82 zur Verarbeitung bzw. Verteilung zu den langsamen Tischen 56 und 58 und zum schnellen Tisch 54 übermittelt. Ein Galvofilter 97 und ein Servofilter 98 sind herkömmliche Schleifenkompensationsfilter, die wirken, um den schnellen Tisch 54 und die langsamen Tische 56 und 58 stabil zu halten.
Das Profilfilter 78 ist implementiert, indem zwei oder mehr Filter zweiter Ordnung mit kritischen Dämpfungsverhältnissen in Reihe geschaltet sind. Wenn die Anzahl von in Reihe geschalteten Filtern über zwei zunimmt, nehmen ihre Grenzfrequenzen um etwa die Quadratwurzel der Anzahl von Filtern zu (z.B. weisen zwei Filter Grenzen auf, die 1,414-mal die Grenze für ein einzelnes Filter sind). Vorzugsweise werden zwei Filter in Reihe geschaltet, um eine gute Glättung vorzusehen, während die gesamte Filterimplementierung einfach gehalten wird.
Für das Profilfilter 78 ist die bevorzugte Grenzfrequenz von 38 Radiant pro Sekunde (etwa 6 Hertz (Hz)) eine sehr niedrige Frequenz im Vergleich zur Rate von 10 kHz, mit der der DSP 52 die Positionierungsdaten für die langsamen Tische 56 und 58 aktualisiert. Wenn das Profilfilter 78 mit der Aktualisierungsfrequenz von 10 kHz des langsamen Tischs läuft, werden die Koeffizienten des diskreten Filters gegen Abrundungsfehler empfindlich, da sich die Pole des diskreten Filters nahe an den Einheitskreis bewegen. Das Profilfilter 78 empfängt auch den Beschleunigungsbefehl von der Positionsprofileinrichtung 72 und erzeugt den gefilterten Beschleunigungsbefehl, der zum Servovorschubprozeß 94 und zum Addierer 80 übermittelt wird.
Die gewünschten Bewegungsprofilbefehle werden vorzugsweise mit der Aktualisierungsrate von 10 kHz berechnet, und die Beschleunigung und tatsächliche (nicht befohlene) Position des langsamen Tischs wird an den Addierern 80 und 82 davon subtrahiert, um die Beschleunigungs- bzw. Positionsbefehlssignale des schnellen Tischs zu erzeugen.
Das Beschleunigungsbefehlssignal des schnellen Tischs wird durch den Addierer 80 und den Vorschubprozeß 86 verarbeitet, während das Positionsbefehlssignal des schnellen Tischs durch den Addierer 82 und das Galvofilter 97 verarbeitet wird. Die verarbeiteten Signale des schnellen Tischs werden in einem Addierer 84 kombiniert und zu einer Galvanometer-Antriebsvorrichtung 88 übermittelt.
Ebenso wird der gefilterte Beschleunigungsbefehl des langsamen Tischs durch einen Vorschubprozeß 94 verarbeitet, während der gefilterte Positionsbefehl des langsamen Tischs durch den Addierer 90 und das Servofilter 98 verarbeitet wird. Die verarbeiteten Signale des langsamen Tischs werden in einem Addierer 92 kombiniert und zu einer linearen Servomotor-Antriebsvorrichtung 96 übermittelt.
Die Galvanometer-Antriebsvorrichtung 88 liefert einen Ablenkungssteuerstrom zu einem Paar von Spiegelablenkgalvanometern im schnellen Tisch 54 und die Servomotor-Antriebsvorrichtung 96 liefert einen Steuerstrom zu linearen Servomotoren, die die Positionierung der langsamen Tische 56 und 58 steuern.
3 zeigt eine durch ein Galvanometer angetriebene Spiegelpositionierungseinrichtung 100 des Standes der Technik einer Art, die zur Verwendung als schneller Tisch 54 geeignet ist. Die Galvanometer-Antriebsvorrichtung 88 (2) liefert einen Drehsteuerstrom auf Leitern 102 zu jeweiligen X-Achsen- und Y-Achsen-Gleichstrommotoren 104 und 106 mit Hochgeschwindigkeitsansprechen, die Wellen 107 in Lagern 108 drehen, um ein Paar von Spiegeln 110 und 112 selektiv zu schwenken, die den Laserstrahl 60 durch eine wahlweise Linse 114 auf eine vorbestimmte Zielstelle auf dem Werkstück 62 ablenken.
Alternativ könnte eine Bewegungspositionierungseinrichtung ohne Lager, wie z.B. ein piezoelektrisches Element, ein Schwingspulen-Stellglied oder eine andere Hochgeschwindigkeits-Positionierungsvorrichtung mit begrenztem Winkel, anstelle der durch ein Galvanometer angetriebenen Spiegelpositionierungseinrichtung 100 im Positionierungssystem 50 verwendet werden.
Mit Bezug auf 2 können ebenso die linearen Servomotoren, die die langsamen Tische 56 und 58 antreiben, gegen alternative genaue Dreh- oder lineare Positionierungsmechanismen ausgetauscht werden. Im Positionierungssystem 50 sind jedoch lineare Motoren, die vorzugsweise auf den Positionsbefehl des langsamen Tischs reagieren, bevorzugt.
Zwei Signale werden mit den Positionsbefehlen des langsamen und des schnellen Tischs kombiniert, um Positionsfehler zwischen der befohlenen Position und der tatsächlichen Position des Laserstrahls 60 auf dem Werkstück 62 zu verringern. Der verzögerte Positionsbefehl des schnellen Tischs am Addierer 82 und der gefilterte Positionsbefehl des langsamen Tischs am Addierer 90 stellen die idealen Signalwerte dar, die erforderlich sind, um eine korrekte Positionierung der Tische 54, 56 und 58 zu bewirken. Praktische Faktoren wie z.B. Schwerkraft, Reibung, Masse und Ungenauigkeiten im Positionierungssignal mit vollem Spektrum, das von der Positionsprofileinrichtung 72 erzeugt wird, werden jedoch in den unmodifizierten Positionsbefehlen nicht in Betracht gezogen.
Die praktischen Faktoren werden durch Feststellen der tatsächlichen Positionen der Tische 54, 56 und 58 mit Positionssensoren 120 und 122 berücksichtigt, um Vorhersagepositions-Rückkopplungsdaten zu den Addierern 82 und 90 im DSP 52 zu liefern. Man beachte, daß der Addierer 82 im Positionierungsweg des schnellen Tischs Positionsrückkopplungsdaten von beiden Positionssensoren 120 und 122 empfängt. Die Positionssensoren 120 und 122 können gut bekannte Arten sein, die Drehkondensatorplatten, lineare und Drehcodierermaßstäbe oder Interferometer-Bewegungsdetektoren zusammen mit geeigneten Analog-Digital- und/oder Digital-Analog-Umwandlungsverfahren verwenden.
Wenn der Laserstrahl 60 einer Bewegung über das Werkstück 62 unterzogen wird, wird die festgestellte Strahlposition kontinuierlich mit der befohlenen Strahlposition verglichen, wobei der Positionsunterschied einen Grad darstellt, in dem die praktischen Faktoren Positionierungsfehler verursacht haben. Insbesondere werden Daten der festgestellten Position des schnellen Tischs 54 und der langsamen Tische 56 und 58 durch die Positionssensoren 120 und 122 erzeugt und von der befohlenen Position am Addierer 82 subtrahiert, um Positionsdifferenzdaten zu erzeugen, die im Addierer 84 mit Beschleunigungsdaten vom Vorschubprozeß 86 kombiniert werden. Ebenso werden Daten der festgestellten Position der langsamen Tische 56 und 58 durch den Positionssensor 122 erzeugt und von der befohlenen Position am Addierer 90 subtrahiert, um Positionsdifferenzdaten zu erzeugen, die im Addierer 92 mit Beschleunigungsdaten vom Vorschubprozeß 94 kombiniert werden.
Die koordinierte Positionierung ist für Anwendungen wie z.B. Laserstrahl-Lochschneiden besonders vorteilhaft, das eine schnelle Bewegung zwischen Zielstellen entlang eines Werkzeugweges in Kombination mit Pausen an jeder Zielstelle, um den Laser zu aktivieren, um ein Loch zu schneiden, erfordert, aber ist natürlich nicht auf diese Anwendung begrenzt. Andere Merkmale und bevorzugte Bearbeitungsparameter eines herkömmlichen Laserbohrsystems sind im US-Pat. Nr. 5 841 099 von Owen et al. offenbart.
4 und 5 sind eine jeweilige Draufsicht und Stirnansicht, die bevorzugte Positionen von Y-Tisch-Abbe-Sensoren 124, die am Y-Achsen-Translationstisch 58 relativ zur Gierbezugsoberfläche 126 montiert sind, gemäß einem Aspekt dieser Erfindung zeigen, und 6–8 sind eine jeweilige Seitenaufriß-, Stirn- und Draufsicht, die bevorzugte Positionen von X-Tisch-Abbe-Sensoren 128, 130, 131 und 132, die am X-Achsen-Translationstisch 56 relativ zu Gier- und Rollbezugsoberflächen 134 und einer Taumelbezugsoberfläche 136 montiert sind, gemäß einem Aspekt dieser Erfindung zeigen.
Mit Bezug auf 2B und 4–8 sind die Abbe-Sensoren 124, 128, 130, 131 und 132 vorzugsweise kontaktlose, kleine und leichtgewichtige Verschiebungssensoren. Die am meisten bevorzugten Sensoren messen die Kapazität als Funktion des Abstandes von einer gegebenen Bezugsoberfläche. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Abbe-Sensoren einen Spaltbereich (Abstand zwischen dem Sensor und der Bezugsoberfläche) von 50 μm plus oder minus 25 μm und eine Auflösung von weniger als 50 nm und vorzugsweise weniger als oder gleich 10 nm auf. Fachleute werden erkennen, daß zahlreiche andere Bereiche möglich sind, einschließlich eines breiteren oder schmäleren Spaltbereichs und einer besseren Auflösung, wenn die Technologie kosteneffizient wird. Kontaktlose Sensoren sind bevorzugt, da sie Verschleiß beseitigen, der zu Ungenauigkeiten führen könnte. Bevorzugte Abbe-Sensoren umfassen die Sonden der Modellreihe PX405H, die von Lion Precision in St. Paul, Minnesota, erhältlich sind. Andere geeignete Kapazitätssonden oder -sensoren sind von ADE Technologies in Westwood, Mass and Micro-Epsilon in Ortenburg, Deutschland, erhältlich.
Die Bezugsoberflächen 126, 134 und 136 können auf geeigneten Seiten der Lagerschienen 46 und 48 ausgebildet sein, wie in 2B gezeigt, oder können ansonsten nahe, aber getrennt von den Translationstischen 56 und 58 angeordnet sein, wie in 4–8 gezeigt. (In 4–8 sind vier Y-Tisch-Lager 138 und drei X-Tisch-Lager 140 anstelle der Schienen 46 und 48 dargestellt). Die Bezugsoberflächen weisen vorzugsweise dieselbe Länge wie die Basis für die Tische auf oder sind mindestens so lang wie die Bewegungsbereiche entlang der Lagerschienen 46 und 48. Die Bezugsoberflächen sind vorzugsweise stabil, müssen jedoch nicht vollkommen gerade sein, da die Sensoren gegen die gesamte Läge der Oberflächen kalibriert sind, so daß die Korrekturen nur von der Feststellung kleiner Änderungen der Sensormeßwerte und nicht von der absoluten Genauigkeit der Sensormeßwerte oder Tischpositionen abhängen.
Obwohl die Tische 56 und 58 dazu ausgelegt sein könnten, sich in parallelen Ebenen zu bewegen und hinsichtlich Trägheit getrennt oder abhängig zu sein, wird die folgende Beschreibung der Bequemlichkeit halber hierin nur beispielhaft für die Adressierung von X- und Y-Achsen-Positionsfehlern im Positionierungssystem 50 mit geteilten Achsen dargestellt, wobei ein im wesentlichen flaches (100 bis 10000-mal größer in den X- und Y-Dimensionen als in der Z-Dimension) Werkstück 62 auf dem Y-Tisch 58 getragen wird und das Werkzeug (Laser 76) durch den X-Tisch 56 gelenkt wird.
Mit erneutem Bezug auf 2A, 2B, 4 und 5 wird nominale Position des Y-Tisches 58 auf der Achse durch den Sensor 122a angegeben, der vorzugsweise ein Glas- oder Metallmaßstabscodierer oder ein Laser-Interferometer in Abhängigkeit von gewünschten Positionierungsgenauigkeitsspezifikationen ist. In einer Konfiguration mit geteilten Achsen erzeugt das Y-Tisch-Gieren typischerweise die signifikantesten X- und Y-Abbe-Fehler. Der Gierfehler wird vorzugsweise durch ein Paar von Y-Tisch-Abbe-Sensoren 124a und 124b (allgemein Sensoren 124) angegeben, die vorzugsweise so weit wie möglich entlang der Y-Achse 12 auseinander und so nahe an der Oberseite der Seite des Y-Tischs 58 wie möglich oder einer Spannvorrichtung, die ihn abstützen kann, wie praktisch, montiert sind. Die Bezugsoberfläche 126 ist vorzugsweise in die Schiene 46 oder in die Basis der Y-Tisch-Anordnung in einer Weise integriert, die zu einer so stabilen Angabe des Tischgierens wie möglich als Funktion anderer Effekte, einschließlich Lagerreproduzierbarkeit, Temperatur und Tischbeschleunigung, führt.
Die Kapazitäten, die die X-Komponenten des Abstandes des Abbe-Fehlers von der Bezugsoberfläche angeben, die von den Sensoren 124 aufgrund von Gieren erfaßt werden, werden vorzugsweise durch eine Y-Tisch-Gierungssonden-Antriebsvorrichtung 145 in eine Gleichspannung umgewandelt, die zur Verarbeitung in Abbe-Fehler-Korrektursignale geeignet ist. Diese Signale können zu separaten X-Abbe- und Y-Abbe-Fehleraddierern 142 und 144 geleitet werden, bevor sie zum Addierer 82 geleitet werden und in Abtaster-Positionsbefehle integriert werden.
Mit erneutem Bezug auf 2A, 2B und 6–8 können Taumeln, Gieren und Rollen des X-Tischs 56 auch signifikante X- und Y-Positionsfehler verursachen. Die bevorzugte Konfiguration mit geteilten Achsen, wie in den Figuren gezeigt, weist einen X-Tisch 56 auf, der an einer Kante orientiert ist, so daß die durch die Tische 56 und 58 definierten Ebenen quer liegen und so daß die Tische 56 und 58 hinsichtlich Trägheit getrennt sind. In dem am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der X-Tisch 56 vertikal orientiert, während der Y-Tisch 58 horizontal orientiert ist. Folglich sind Taumeln, Gieren und Rollen in diesem Zusammenhang bezüglich einer tatsächlichen Bewegungsebene des X-Tischs 56 und nicht mit Bezug auf eine typischere horizontale Orientierung definiert.
Die nominale Position des X-Tischs 56 auf der Achse wird durch den Sensor 122b angegeben, der vorzugsweise ein Glas- oder Metallmaßstabscodierer oder ein Laser-Interferometer in Abhängigkeit von gewünschten Positionierungsgenauigkeitsspezifikationen ist. Die X-Tisch-Abbe-Sensoren 128, 130, 131 und 132 können alle dieselben Typen wie die oder verschiedene Typen von den Y-Tisch-Sensoren 124 sein. Die Sensoren 128a und 128b (allgemein Sensoren 128) sind vorzugsweise so weit wie möglich entlang der X-Achse 10 auseinander montiert. Ebenso sind die Sensoren 130 und 131 vorzugsweise so weit wie möglich entlang der X-Achse 10 auseinander montiert. Der Sensor 132 ist vorzugsweise so montiert, daß er mit dem Sensor 131 planar ist und so weit wie möglich entlang der Z-Achse 14 von diesem entfernt ist.
Da der X-Tisch 56 vorzugsweise kinematisch an drei Lagern 140 montiert ist, wie in 6–8 gezeigt, führen Änderungen des Abstandes von den Bezugsoberflächen 134 und 136, die von den X-Tisch-Abbe-Sensoren 128, 130, 131 und 132 erfaßt werden, vorwiegend zu einer Bewegung einer Ebene, die zum X-Tisch 56 gehört, und nicht zu einer Verzerrung des X-Tischs 56. Die X-Tisch-Abbe-Sensoren 130 und 131 erfassen Abstände von der X-Tisch-Gierungsbezugsoberfläche 134a und geben Änderungen des Gierungswinkels der Ebene des X-Tischs 56 an. X-Tisch-Abbe-Sensoren 131 und 132 erfassen Abstände von den X-Tisch-Rollbezugsoberflächen 134a bzw. 134b und geben Änderungen des Rollwinkels der Ebene des X-Tischs 56 an. Die X-Tisch-Abbe-Sensoren 128 erfassen Abstände von der Taumelbezugsoberfläche 136 und geben Änderungen des Taumelwinkels des X-Tischs 56 an.
Die Kapazitäten, die die X- und Y-Komponenten des Abstandes von der Bezugsoberfläche 134a des von den Sensoren 130 und 131 erfaßten Abbe-Fehlers aufgrund von Gieren angeben, werden vorzugsweise durch eine X-Tisch-Gierungssonden-Antriebsvorrichtung 146 in eine Gleichspannung umgewandelt, die zur Verarbeitung in Abbe-Fehler-Korrektursignale geeignet ist. Ebenso werden die Kapazitäten, die die X- und Y-Komponenten der Abstände von den Bezugsoberflächen 134a und 134b des von den Sensoren 131 und 132 erfaßten Abbe-Fehlers aufgrund von Rollen angeben, vorzugsweise durch eine X-Tisch-Rollsonden-Antriebsvorrichtung 147 in eine Gleichspannung umgewandelt, die zur Verarbeitung in Fehlerkorrektursignale geeignet ist. Ebenso werden die Kapazitäten, die die X- und Y-Komponenten der Abstände von der Bezugsoberfläche 136 des von den Sensoren 128 erfaßten Abbe-Fehlers aufgrund von Taumeln angeben, vorzugsweise durch eine X-Tisch-Taumelsonden-Antriebsvorrichtung 148 in eine Gleichspannung umgewandelt, die zur Verarbeitung in Fehlerkorrektursignale geeignet ist. Fachleute werden bemerken, daß der Sensor 131 sowohl die Gierungssonden-Antriebsvorrichtung 146 als auch die Rollsonden-Antriebsvorrichtung 147 speist. Geeignete Sondenantriebsvorrichtungen sind Fachleuten gut bekannt; der Compact Probe Driver, der von Lion Precision hergestellt wird, ist jedoch bevorzugt. Diese Gierungs-, Roll- und Taumel-Abbe-Fehlerkorrektursignale können zu separaten X-Abbe- und Y-Abbe-Addierern 142 und 144 geleitet werden, bevor sie zum Addieren 82 geleitet und in Abtaster-Positionsbefehle integriert werden.
Die X- und Y-Positionskomponenten, die diesen Abbe-Fehlern entsprechen, werden in Echtzeit berechnet, während sich das Positionierungssystem 50 bewegt und das Werkstück 62 bearbeitet, und werden zu den Abtaster-Positionsbefehlen addiert oder auf diese überlagert, um die Abbe-Positionsfehler zu kompensieren. Diese Winkeländerungen werden mit der Geometrie der Optik (einschließlich Ort des Strahlweges (oder der Strahlwege) relativ zum Tisch und Abstand des Werkstücks vom Tisch) kombiniert, um zugehörige Änderungen (Fehler) der effektiven Strahlposition auf dem Werkstück anzugeben. Ein schnelles Ansprechvermögen wird durch Addieren der Abbe-Fehlerkorrekturen zur Abtasterposition am Addierer 82 erreicht, da die Bandbreite des schnellen Tischs 54 signifikant höher ist als die Bandbreite der linearen Tische 56 und 58.
Die Abbe-Fehlerkorrekturen, die sich aus dem System von Sensoren ergeben, könnten jedoch am Addierer 90 direkt zur linearen Tischpositions-Servoschleife addiert werden. Diese Implementierung wäre geeignet, wenn der schnelle Tisch 54 gegen eine Positionierungseinrichtung mit festem Strahl ausgetauscht wird. Ein Positionierungseinrichtung mit festem Strahl würde typischerweise eine genauere Strahlpositionierung vorsehen als vom schnellen Tisch 54 vorgesehen wird, und würde in Anwendungen verwendet werden, in denen eine größere Genauigkeit erwünscht sein könnte, wie z.B. beim Durchtrennen von Verbindungen mit Mikrometer- oder Submikrometergröße. Fachleute werden erkennen, daß der X-Achsen-Tisch 56 so ausgelegt sein könnte, daß der schnelle Tisch 54 mit einer Positionierungseinrichtung mit festem Strahl austauschbar sein kann, oder daß der X-Achsen-Tisch 56 sowohl den schnellen Tisch 54 als auch die Positionierungseinrichtung mit festem Strahl gleichzeitig tragen kann. Im letzteren Fall würden die Abbe-Fehlerkorrekturen dem Addierer 82 zugeführt werden, sobald der schnelle Tisch 54 verwendet wird, und dem Addierer 90 zugeführt werden, sobald eine Positionierungseinrichtung mit festem Strahl verwendet wird.
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Positionierungseinrichtung 150 mit mehreren Köpfen dieser Erfindung, bei dem mehrere Werkstücke 152A, 152B, 152C, ... 152N gleichzeitig bearbeitet werden. (Nachstehend werden mehrere Elemente gemeinsam ohne den Buchstabenzusatz bezeichnet, z.B. "Werkstücke 152''). Die Positionierungseinrichtung 150 mit mehreren Köpfen verwendet jeweils einen von langsamen Tischen 56 und 58, die derart ausgelegt sind, daß die Werkstücke 152 auf dem langsamen Y-Achsen-Tisch 58 befestigt und getragen sind, und mehrere schnelle Tische 154A, 154B, 154C, ... 154N auf dem langsamen X-Achsen-Tisch 56 getragen sind. Die Rollen der langsamen Tische 56 und 58 können natürlich umgekehrt werden oder zwei oder mehr schnelle Tische 154 können durch einen oder mehrere langsame X-Achsen-Tische 56 getragen werden, während der langsame Y-Achsen-Tisch 58 ein einzelnes Werkstück 62 trägt.
Wenn die Anzahl von schnellen Tischen 154, die auf dem langsamen Tisch 56 getragen werden, zunimmt, wird ihre summierte Masse immer schwieriger zu beschleunigen. Daher wird die Anzahl N von schnellen Tischen 154, die auf dem langsamen Tisch 56 getragen werden, vorzugsweise auf vier begrenzt, obwohl N mit den Positionierungseinrichtungsarten und Anwendungen variieren kann.
Jedem der Werkstücke 152 sind ein oder mehrere Werkzeuge, vorzugsweise ein Laser 156A, 156B, 156C, ... 156N, der Bearbeitungsenergie in Richtung der zugehörigen schnellen Tische 154A, 154B, 154C, ... 154N durch zugehörige Spiegel 158A, 158B, 158C, ... 158N richtet, zugeordnet. Die schnellen Tische 154 lenken die Bearbeitungsenergie auf Zielstellen in im Wesentlichen quadratischen, wie z.B. 20 mal 20 Millimeter, Bearbeitungsfeldern 162A, 162B, 162C, ... 162N, die sich auf zugehörigen Werkstücken 152 befinden, ab.
Videokameras 160A, 160B, 160C, ... 160N sind auf dem langsamen Tisch 56 angeordnet, um die zugehörigen Bearbeitungsfelder 162 zu betrachten, die Ausrichtungen, Versätze, Drehungen und Maßschwankungen der Werkstücke 152 festzustellen und die Laser 156 zu zielen und zu fokussieren.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird dasselbe Bearbeitungsmuster auf den Werkstücken 152 durch jeden der Laser 156 und schnellen Tische 154 dupliziert. In einigen Bearbeitungsanwendungen können jedoch Bearbeitungsmusterveränderungen erforderlich sein, um das Muster an Veränderungen unter den Werkstückgeometrien, Skalierungsfaktoren, Versätzen, Drehungen, Verzerrungen anzupassen. Alternativ kann es erwünscht sein, daß ein oder mehrere Laser 156 gleichzeitig verschiedene, aber vorzugsweise nominal identische oder wiederholte (einem einzelnen Y-Tisch untergeordnete) Muster auf demselben Werkstück 152 bearbeiten. Es kann auch erforderlich sein, Nicht-Linearitäten des schnellen Tischs und Montageinkonsistenzen, die durch Montagepositionsschwankungen unter den Werkstücken 152, die am langsamen Tisch 58 montiert sind, eingeführt werden, zu korrigieren. Im Gegensatz zu Mehrspindel-Bohrmaschinen kann die Positionierungseinrichtung 150 mit mehreren Köpfen die vorstehend beschriebenen Schwankungen unter Verwendung von programmierbaren Korrekturfaktoren, die mit Bezug auf 10 und 11 beschrieben werden, kompensieren, wenn jeder der schnellen Tische 154 angetrieben wird. Ebenso können die Abbe-Fehler, die den Grad angeben, in dem eine befohlene Werkzeugposition einer festgestellten Zielstelle nicht entspricht, in einer Weise ähnlich der mit Bezug auf 2A, 2B und 4–8 beschriebenen kompensiert werden.
10 zeigt, wie der DSP 52 der Positionierungseinrichtung mit mehreren Raten (2) dazu ausgelegt werden kann, die Positionierung von mehreren schnellen Tischen 154 und langsamen Tischen 56 und 58 zu koordinieren, was zu einem DSP 170 für mehrere Köpfe führt. In gleicher Weise wie der DSP 52 empfängt der DSP 170 für mehrere Köpfe vom Systemsteuercomputer 63 dp-, dv- und dt-Komponenten, die von der Positionsprofileinrichtung 72 in Positionierungssignale mit Halbsinusprofil weiterverarbeitet werden. Der DSP 170 umfaßt auch einige derselben Signalverarbeitungselemente wie der DSP 52, nämlich ein Profilfilter 78, ein Verzögerungselement 79, einen Vorschubprozeß 94, eine Servoantriebsvorrichtung 96, einen langsamen Tisch 56 und einen Positionssensor 122. Da 10 vereinfacht ist, sind nur die Verarbeitungselemente des langsamen X-Achsen-Tischs 56 gezeigt. Facharbeiter werden verstehen, daß entsprechende Y-Achsen-Elemente enthalten sind.
Nur ein einzelner Systemsteuercomputer 63 ist erforderlich, um die langsamen Tische 56 und 58 und die N schnellen Tische 154 anzutreiben. Mehrere Signalprozessoren 172A, 172B, 172C, ... 172N der schnellen Tische empfangen jeweils Korrekturdaten der schnellen Tische vom Systemsteuercomputer 63. In dieser Weise werden Positionsbefehle der schnellen Tische und aktuelle Positionsdaten der langsamen Tische von jedem der Signalprozessoren 172 für die schnellen Tische empfangen, so daß jeder der schnellen Tische 154 zu einem gemeinsamen Satz von Zielstellen gerichtet wird, die ferner durch eindeutige Fehlerkorrekturdaten positionierbar sind. Wenn nur ein einzelner X-Achsen-Tisch 56 verwendet wird, um mehrere schnelle Tische 154 zu tragen, und ein einzelner Y-Achsen-Tisch 58 verwendet wird, um ein oder mehrere Werkstücke 152 zu tragen, dann kann das Abbe-Fehlererfassungssystem, das in Verbindung mit 2A, 2B und 4–8 gezeigt und beschrieben wurde, ohne Modifikation verwendet werden und die Abbe-Fehlerkorrekturdaten 190 können dem Addierer 80 von 10 oder dem Korrekturprozessor 180 der schnellen Tische von 11 zugeführt werden, wie gezeigt.
11 zeigt einen repräsentativen der Signalprozessoren 172 der schnellen Tische, der Positionierungsdaten für die schnellen und langsamen Tische vom DSP 170 und Korrekturdaten vom Systemsteuercomputer 63 empfängt. Die Korrekturdaten umfassen mit dem langsamen Tisch und dem Werkstück in Zusammenhang stehende Korrekturdaten, die zu einem Geometriekorrekturprozessor 180 übermittelt werden, und Linearitäts- und Skalierungsfaktorkorrekturdaten der schnellen Tische, die zu einem Korrekturprozessor 182 der schnellen Tische übermittelt werden. Fachleute werden erkennen, daß, wenn die schnellen Tische 154 an separaten X-Achsen-Tischen 56 montiert sind, die vorzugsweise eine synchronisierte Bewegung aufweisen, aber unsynchronisiert sein können, dann jeder solche X-Achsen-Tisch 56 durch seinen eigenen Prozessor 170 oder Unterprozessor gesteuert werden kann. Ferner wäre jeder solche Tisch 56 vorzugsweise mit seinem eigenen Positionssensor 122 und fünf X-Tisch-Abbe-Sensoren ausgestattet, um jegliche Abbe-Fehler zu kompensieren, die zu den einzelnen Tischen gehören.
Die Korrekturdaten können auf einer Gleichung oder einer Nachschlagetabelle basieren. Korrekturdaten, die vom Geometriekorrekturprozessor 180 und vom Korrekturprozessor der schnellen Tische verwendet werden, basieren jedoch vorzugsweise auf einer Gleichung gemäß Richtlinien, die im US-Pat. Nr. 4 941 082 von Pailthorp et al. ("das '082-Patent") beschrieben sind, das auf den Anmelder dieser Anmeldung übertragen wurde und durch den Hinweis hierin aufgenommen wird.
Linearitäts- und Skalierungsfaktorfehler der schnellen Tische sind relativ konstant und hängen hauptsächlich von den einzelnen Eigenschaften der schnellen Tische 154 ab. Daher erfordert der Korrekturprozessor 182 der schnellen Tische relativ kleine und seltene Korrekturdatenänderungen. Das Erzeugen dieser Korrekturdaten hat beispielsweise das Richten von jedem der schnellen Tische 154 auf mindestens 13 Kalibrierungspunkte auf einem zugehörigen Kalibrierungsziel zur Folge, wie im '082-Patent beschrieben. Ein Detektor für reflektierte Energie stellt irgendwelche Differenzen zwischen den gerichteten und tatsächlichen Zielpunktstellen fest und liefert Differenzdaten zum Systemsteuercomputer 63 zur Verarbeitung. Die resultierenden Korrekturdaten werden zu jedem Korrekturprozessor 182 der schnellen Tische übermittelt und in diesem gespeichert. Jegliche Differenzen zwischen den gerichteten und tatsächlichen Zielpunktstellen, die von zugehörigen Videokameras 160 festgestellt werden, werden auch kalibriert und kompensiert. Die Linearitäts- und Skalierungsfaktorfehler der langsamen Tische sind auch relativ konstant und erfordern daher keine häufigen Korrekturdatenänderungen.
Andererseits sind mit dem Werkstück in Zusammenhang stehende Fehler relativ variabel und hängen hauptsächlich von der Werkstückanordnung, vom Werkstückversatz, von der Werkstückdrehung und von Werkstückmaßschwankungen unter den Werkstücken 152 ab. Daher erfordert der Geometriekorrekturprozessor 180 relativ große Korrekturdatenänderungen, jedesmal, wenn die Werkstücke 152 gewechselt werden. Das Erzeugen dieser Korrekturdaten hat beispielsweise das Richten der langsamen Tische 56 und 58 auf mindestens zwei und vorzugsweise vier vorbestimmte Kalibrierungsziele an jedem zugehörigen Werkstück 152 zur Folge. Alternativ werden in einem Ausführungsbeispiel, in dem das Sichtsystem durch die schnelle Positionierungseinrichtung arbeitet, sowohl die langsamen Tische 56 und 58 als auch die schnellen Tische 154 in Richtung der Kalibrierungsziele gerichtet. Diese Kalibrierungsziele können beispielsweise Ecken, Bearbeitungslöcher oder Photoätzziele einer ECB sein. Jede Videokamera 160 stellt Differenzen zwischen den gerichteten und tatsächlichen Kalibrierungszielstellen fest und liefert Differenzdaten zum Systemsteuercomputer 63 zur Verarbeitung. Die resultierenden Korrekturdaten für jedes Werkstück 152 werden zum zugehörigen Geometriekorrekturprozessor 180 übermittelt und in diesem gespeichert.
Für jeden Signalprozessor 172 der schnellen Tische werden korrigierte Positionierungsdaten für die Y-Achse von den Korrekturprozessoren 180 und 182 zum Vorschubprozeß 86, zur Galvo-Antriebsvorrichtung 88 und zum schnellen Tisch 154 übermittelt. Positionsrückkopplungsdaten werden vom Positionssensor 120 (wie in 2A) erzeugt und für die Korrektur in den Addierern 184 und 84 kombiniert. Facharbeiter werden verstehen, daß derselbe Prozeß für die schnelle Positionierung der X-Achse gilt.
Beim Anwenden der Korrekturdaten auf die schnellen Tische 154 wird jeder schnelle Tisch vorzugsweise auf einen Positionierungsbereich von 18 mal 18 Millimeter innerhalb seines maximalen linearen Positionierungsbereichs von 20 mal 20 Millimeter begrenzt. Die restlichen 2 Millimeter des Positionierungsbereichs werden zum Anwenden auf die vorstehend beschriebenen Korrekturdaten verwendet.
Das vorangehende beschreibt die Signalverarbeitung für eine einzelne Bewegungsachse für jeden der schnellen und langsamen Positionierungstische.
Facharbeiter werden leicht verstehen, wie die Signalverarbeitung zu wiederholen ist, um die Bewegung beider Achsen, beider Tische und von einzelnen oder mehreren schnellen Positionierungseinrichtungen zu koordinieren.
BEISPIEL
Eine typische Werkzeuganwendung, die das Positionierungssystem 50 verwendet und eine Abbe-Fehlerkorrektur umfaßt, ist das Laserschneiden von Löchern wie z.B. Blindkontaktlöchern in mehrlagigen ECBs oder anderen Werkstücken 62. Mehrlagige ECBs werden typischerweise hergestellt, indem 0,05 bis 0,08 Millimeter dicke Leiterplattenschichten zur Deckung gebracht, zusammengestapelt, laminiert und gepreßt werden. Jede Lage enthält typischerweise eine andere Verbindungskontaktstellen- und Leiterstruktur, die nach der Bearbeitung eine komplexe Montage- und Verbindungsanordnung für elektrische Komponenten bildet. Der Komponenten- und Leiterdichtetrend von ECBs nimmt zusammen mit jener von integrierten Schaltungen zu. Daher nehmen die Positionierungsgenauigkeit und die Maßtoleranzen von Löchern in ECBs proportional zu.
Leider verursacht der Preßschritt eine Ausdehnung und Maßschwankungen, die zu Skalierungsfaktor- und Orthogonalitätsschwankungen unter den ECBs führen. Wenn mehrere ECBs (Werkstücke 152) am langsamen Tisch 58 befestigt sind, können überdies Befestigungsschwankungen eine Maßdrehung und Versatzfehler unter den ECBs verursachen. Dazu kommt, daß es ECB-Dickenschwankungen schwierig machen, Löcher mit einer genau vorbestimmten Tiefe mechanisch zu bohren.
Positionierungssysteme 50 oder 150 lösen die vorstehend beschriebenen Probleme folgendermaßen. Zwei bis vier Kalibrierungsziele können an vorbestimmten Stellen, vorzugsweise eines an jeder Ecke, auf jeder ECB geätzt werden. Videokameras 160 stellen Differenzen zwischen den befohlenen und tatsächlichen Kalibrierungszielstellen fest und liefern Differenzdaten zum Systemsteuercomputer 63 zur Verarbeitung. Die resultierenden Korrekturdaten werden zum Geometriekorrekturprozessor 180 übermittelt und in diesem gespeichert.
Zwei Kalibrierungsziele stellen ausreichend Differenzdaten für den Systemsteuercomputer 63 bereit, um Drehungs- und Versatzschwankungen unter den ECBs zu korrigieren. Drei Kalibrierungsziele stellen ausreichend Differenzdaten für den Systemsteuercomputer 63 bereit, um Drehungs-, Versatz-, Skalierungsfaktor- und Orthogonalitätsschwankungen unter den ECBs zu korrigieren. Das Hinzufügen eines vierten Kalibrierungsziels ermöglicht ferner die Korrektur einer Trapezverzerrung in jeder der ECBs.
ECB-Dickenschwankungen wird leicht durch die Laserschärfentiefe von ±0,13 Millimeter (±0,005 Inch) Rechnung getragen.
Die Bearbeitung von Blindkontaktlöchern stellt eine schwierige Herausforderung für jegliches Lochbearbeitungswerkzeug aufgrund der engen Tiefe, des engen Durchmessers und der engen Positionierungstoleranzen, die beteiligt sind, dar. Dies liegt daran, daß Blindkontaktlöcher typischerweise durch eine erste Leiterschicht hindurch (z.B. Kupfer, Aluminium, Gold, Nickel, Silber, Palladium, Zinn und Blei), durch eine oder mehrere dielektrische Schichten hindurch (z.B. Polyimid, FR-4-Harz, Benzocyclobuten, Bismaleimidtriazin, Harz auf Cyanatesterbasis, Keramik) und bis zu einer, aber nicht durch eine zweite Leiterschicht hindurch bearbeitet werden. Das resultierende Loch wird mit einem leitenden Material plattiert, um die erste und die zweite Leiterschicht elektrisch zu verbinden. Die Blindkontaktlochbearbeitungsfenster sind im einzelnen im US-Patent Nr. 5 841 099 von Owen et al. dargestellt.
Mit erneutem Bezug auf 9 ist die Positionierungseinrichtung 150 mit mehreren Köpfen als ECB-Blindkontaktloch-Schneidvorrichtung gestaltet, bei der N gleich einer geraden Zahl wie z.B. 2, 4 oder 6, aber vorzugsweise 4 ist. Laser 156A und 156C sind UV-Laser (die Wellenlänge ist geringer als etwa 400 Nanometer und vorzugsweise etwa 355 oder 266 nm) und Laser 156B und 156N sind IR-Laser (die Wellenlänge liegt in einem Bereich von etwa 1000 Nanometern bis etwa 10000 Nanometern, vorzugsweise etwa 9000 Nanometern). Da die UV- und IR-Laser im Wesentlichen unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, sind die Spiegel 158 und die Optik für die schnellen Tische 154 für die Kompatibilität mit jeder Wellenlänge des zugehörigen Lasers konfiguriert.
Die UV-Laser 156A und 156C sind in der Lage, sowohl die erste Leiterschicht als auch die dielektrische Schicht in einer geeigneten Weise zu schneiden. Die Laserleistungspegel und die Impulswiederholungsraten werden jedoch sorgfältig gesteuert, um eine unannehmbare Beschädigung an der zweiten Leiterschicht zu verhindern. Dies führt zu einem schmalen "Prozeßfenster". Daher werden die UV-Laser 156A und 156C vorzugsweise verwendet, um nur die erste Leiterschicht und einen Teil der dielektrischen Schicht zu durchschneiden, ein Prozeß der ein breites Prozeßfenster aufweist. Sobald die erste Leiterschicht durch die UV-Laser 156A und 156C entfernt ist, werden die IR-Laser 156B und 156N, die ein breites Prozeßfenster für das Durchschneiden der restlichen dielektrische Schicht ohne Durchschneiden oder Beschädigen der zweiten Leiterschicht aufweisen, verwendet, um den letzten Teil der dielektrischen Schicht zu entfernen. Folglich verwendet die ECB-Blindkontaktloch-Schneidvorrichtung die UV-Laser 156A und 156C, um die ersten Leiterschichten der Werkstücke 152A und 152C zu durchschneiden, und die IR-Laser 156B und 156N, um die dielektrischen Schichten an den Werkstücken 152B und 152N zu durchschneiden.
Die Zeit, die erforderlich ist, damit die UV-Laser 156A und 156C die Leiterschichten durchschneiden, ist typischerweise länger als die Zeit, die für die IR-Laser 156B und 156N erforderlich ist, um die dielektrische Schicht zu durchschneiden. Daher gibt die längere Bearbeitungszeit den Bearbeitungsdurchsatz vor. Da die Zielstellen für alle Werkzeuge an der Positionierungseinrichtung 150 mit mehreren Werkzeugen im Wesentlichen identisch sind, werden die verschiedenen Bearbeitungszeiten durch Vorsehen von geeignet verschiedenen Laserleistungspegeln und Impulswiederholungsraten für die UV- und IR-Laser berücksichtigt.
Einige Anwendungen erfordern das Schneiden von relativ großen Lochdurchmessern von etwa 200 Mikrometern oder weniger. Da die UV-Laser 156A und 156C einen Strahldurchmesser von nur etwa 20 Mikrometer aufweisen, muß die Positionierungseinrichtung 150 mit mehreren Werkzeugen bewirken, daß der UV-Strahl einem Spiral- oder kreisförmigen Weg folgt, um solche Löcher in einer Leiterschicht zu schneiden. Daher dauert das Schneiden dieser relativ großen Löcher eine proportional längere Zeit. Die IR-Laser 156B und 156N weisen jedoch einen Strahldurchmesser von etwa 400 Mikrometer auf, was etwa 20-mal der UV-Laser-Strahldurchmesser ist. Wenn diese Löcher mit relativ großem Durchmesser durch die dielektrischen Schichten geschnitten werden, bedeckt daher zumindest ein gewisser Teil des IR-Laserstrahls das gesamte Loch, während der UV-Strahl dem Spiral- oder kreisförmigen Weg folgt, um ein Loch in einer Leiterschicht zu schneiden. Unter diesen Umständen befinden sich die IR-Laserstrahlen für eine relativ längere Zeit an den Zielstellen und die verschiedenen effektiven Bearbeitungszeiten werden wieder durch Vorsehen von geeignet verschiedenen Laserleistungspegeln und Impulswiederholungsraten für die UV- und IR-Laser berücksichtigt.
Wenn eine geeignete Laserleistung zur Verfügung steht, kann ein einzelner Laser unter mehreren Werkstücken gemeinsam genutzt werden, indem geeignete Leistungsteilungsvorrichtungen verwendet werden. Es wird auch in Erwägung gezogen, daß Laser mit schaltbarer Wellenlänge in dieser Erfindung verwendet werden können.
Diese Erfindung stellt eine verbesserte Kombination von Positionierungsgenauigkeit, Positionierungsgeschwindigkeit, minimierter oder beseitigter Stoppzeit, nicht-aufgeteilten Werkzeugweg-Datenbanken und minimiertem Bewegungsbereich der schnellen Tische bereit, was den Bearbeitungsdurchsatz drastisch verbessert, während Werkstückbeanstandungen, die durch Maß- und Orientierungsschwankungen verursacht werden, verringert werden.
Facharbeiter werden erkennen, daß Teile dieser Erfindung von der vorstehend beschriebenen Laserstrahl-Anikrobearbeitungsimplementierung verschieden implementiert werden können. Eine breite Vielfalt von Werkzeugen in Konfigurationen mit einzelnem oder mehreren Köpfen können beispielsweise durch den schnellen Positionierungstisch bewegt werden, wie z.B. Bohrer mit Mikroabmessungen, Stanzen, Laser, Laserstrahlen, Strahlungsbündel, Teilchenstrahlen, Strahlerzeugungsvorrichtungen, Mikroskope, Linsen, optische Instrumente und Kameras. Viele verschiedenen Positionierungsvorrichtungen können auch in verschiedenen Kombinationen verwendet werden, die aus Galvanometern, Schwingspulen, piezoelektrischen Wandlern, Schrittmotoren und Leitspindel-Positionierungseinrichtungen entnommen sind. Die DSPs müssen nicht vollständig digital sein und können beispielsweise eine beliebige geeignete Kombination von analogen und digitalen Unterschaltungen umfassen. Die Positionierungssignalprofile, die Spektralbandbreite und die Amplituden und die Filterkennlinien, die hierin beschrieben sind, können natürlich alle modifiziert werden, um sie an die Anforderungen von anderen Bearbeitungsanwendungen anzupassen.
Für Facharbeiter ist es offensichtlich, daß viele andere Änderungen an den Einzelheiten der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele dieser Erfindung vorgenommen werden können, ohne von deren zugrundeliegenden Prinzipien abzuweichen. Der Schutzbereich der Erfindung sollte daher nur durch die folgenden Ansprüche bestimmt werden.

Claims

Positionierungssystem (50) zum Positionieren eines Werkzeugs (76) relativ zu einer Zielstelle auf einem Werkstück (62) als Reaktion auf einen Positionierungsbefehl, mit einer langsamen Positionierungseinrichtung (56, 58) zum Bewirken eines großen Bereichs von relativer Bewegung zwischen dem Werkzeug (76) und dem Werkstück (62), wobei die langsame Positionierungseinrichtung (56, 58) einen Translationstisch (56, 58) umfaßt, der zu einer Bewegung im allgemeinen entlang einer Achse (X, Y) in der Lage ist; einer schnellen Positionierungseinrichtung (54) zum Bewirken von kleinen Bereichen von relativer Bewegung zwischen dem Werkzeug (76) und dem Werkstück (62); einem Positionierungssignalprozessor (52) zum Ableiten von Steuersignalen für langsame und schnelle Bewegungen vom Positionierungsbefehl; einem Treiber (96) der langsamen Positionierungseinrichtung zum Steuern des großen Bereichs von relativer Bewegung des Translationstischs (56, 58) als Reaktion auf das Steuersignal für langsame Bewegungen; und einem Treiber (88) der schnellen Positionierungseinrichtung zum Steuern der kleinen Bereiche von relativer Bewegung der schnellen Positionierungseinrichtung (54) als Reaktion auf das Steuersignal für schnelle Bewegungen; einem Paar von beabstandeten Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) in Verbindung mit dem Treiber (88) der schnellen Positionierungseinrichtung, die zum Bewegen mit dem Translationstisch (56, 58) entlang der Achse (X, Y) gekoppelt sind; und einer Bezugsoberfläche (126, 134, 136), die in der Nähe des Translationstischs (56, 58) und parallel zu der Achse angeordnet ist, wobei der Translationstisch (56, 58) in der Lage ist, sich entlang der Bezugsoberfläche (126, 134, 136) zu bewegen, und die Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) in der Lage sind, eine Information hinsichtlich ihrer relativen Abstände von der Bezugsoberfläche (126, 134, 136) zu erfassen und die Information zum Treiber (88) der schnellen Positionierungseinrichtung zu übertragen, um einen Abbe-Fehler zu korrigieren, der einer außeraxialen oder Drehbewegung des Translationstischs (56, 58) zugeordnet ist.
Positionierungssystem (50) nach Anspruch 1, wobei die Drehbewegung Gieren ist.
Positionierungssystem (50) nach Anspruch 1, wobei: der Translationstisch (56, 58) ein erster Translationstisch (56, 58) ist, der ein Werkstück (62) abstützt; die langsame Positionierungseinrichtung (56, 58) ferner einen zweiten Translationstisch (56, 58) umfaßt, der in der Lage ist, sich entlang einer zweiten Achse (X, Y) zu bewegen, die zur ersten Achse (X, Y) quer liegt; und die schnelle Positionierungseinrichtung (54) am zweiten Translationstisch (56, 58) montiert ist.
Positionierungssystem (50) nach Anspruch 3, wobei der erste und der zweite Translationstisch (56, 58) eine jeweilige erste und zweite Trägheitsmasse tragen.
Positionierungssystem (50) nach Anspruch 3, wobei die schnelle Positionierungseinrichtung (54) eine erste schnelle Positionierungseinrichtung (154) ist und wobei der zweite Translationstisch (56, 58) eine zweite schnelle Positionierungseinrichtung (154) abstützt.
Positionierungssystem (50) nach Anspruch 3, wobei mehrere Werkstücke (152) am ersten Translationstisch (56, 58) montiert sind.
Positionierungssystem (50) nach Anspruch 3, wobei der zweite Translationstisch (56, 58) ein zweites Paar von beabstandeten Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) in Verbindung mit dem Treiber (88) der schnellen Positionierungseinrichtung umfaßt, die zum Bewegen mit dem zweiten Translationstisch (56, 58) entlang der zweiten Achse gekoppelt sind, und wobei eine zweite Bezugsoberfläche (126, 134, 136) in der Nähe des zweiten Translationstischs (56, 58) und parallel zur zweiten Achse angeordnet ist, wobei der zweite Translationstisch (56, 58) in der Lage ist, sich entlang der zweiten Bezugsoberfläche (126, 134, 136) zu bewegen, und die zweiten Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) in der Lage sind, eine zweite Information hinsichtlich ihrer relativen Abstände von der zweiten Bezugsoberfläche (126, 134, 136) zu erfassen und die zweite Information zum Treiber (88) der schnellen Positionierungseinrichtung zu übertragen, um einen zweiten Abbe-Fehler zu korrigieren, der einer zweiten außeraxialen oder Drehbewegung des zweiten Translationstischs (56, 58) zugeordnet ist.
Positionierungssystem (50) nach Anspruch 7, wobei die zweite Drehbewegung Taumeln oder Gieren ist.
Positionierungssystem (50) nach Anspruch 7, wobei der zweite Translationstisch (56, 58) ein drittes Paar von beabstandeten Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) in Verbindung mit dem Treiber (88) der schnellen Positionierungseinrichtung umfaßt, die zum Bewegen mit dem zweiten Translationstisch (56, 58) entlang der zweiten Achse gekoppelt sind, und wobei eine dritte Bezugsoberfläche (126, 134, 136) in der Nähe des zweiten Translationstischs (56, 58) parallel zur zweiten Achse angeordnet ist, wobei der zweite Translationstisch (56, 58) in der Lage ist, sich entlang der dritten Bezugsoberfläche (126, 134, 136) zu bewegen, und die dritten Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) in der Lage sind, eine dritte Information hinsichtlich ihrer relativen Abstände von der dritten Bezugsoberfläche (126, 134, 136) zu erfassen und die dritte Information zum Treiber (88) der schnellen Positionierungseinrichtung zu übertragen, um einen dritten Abbe-Fehler zu korrigieren, der einer dritten außeraxialen oder Drehbewegung des zweiten Translationstischs (56, 58) zugeordnet ist.
Positionierungssystem (50) nach Anspruch 9, wobei die dritte Drehbewegung Taumeln oder Gieren ist.
Positionierungssystem nach Anspruch 9, wobei der zweite Translationstisch (56, 58) einen vierten Verschiebungssensor (124, 128, 130, 131, 132) in Verbindung mit dem Treiber (88) der schnellen Positionierungseinrichtung umfaßt, der zum Bewegen mit dem zweiten Translationstisch (56, 58) in einer Ebene, die die zweite Achse enthält, gekoppelt ist, und wobei eine vierte Bezugsoberfläche (126, 134, 136) in der Nähe des zweiten Translationstischs (56, 58) parallel zur zweiten Achse und in einer zweiten Ebene, die im allgemeinen die zweite Bezugsoberfläche (126, 134, 136) enthält, angeordnet ist, wobei der zweite Translationstisch (56, 58) in der Lage ist, sich entlang der vierten Bezugsoberfläche (126, 134, 136) zu bewegen, und der vierte Verschiebungssensor (124, 128, 130, 131, 132) in Zusammenwirkung mit einem der zweiten Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) in der Lage ist, eine vierte Information hinsichtlich ihrer relativen Abstände von der jeweiligen vierten und zweiten Bezugsoberfläche (126, 134, 136) zu erfassen und die vierte Information zum Treiber (88) der schnellen Positionierungseinrichtung zu übertragen, um einen vierten Abbe-Fehler zu korrigieren, der einer vierten außeraxialen oder Drehbewegung des zweiten Translationstischs (56, 58) zugeordnet ist.
Positionierungssystem (50) nach Anspruch 9, wobei die vierte Drehbewegung Rollen ist.
Positionierungssystem (50) nach einem vorangehenden Anspruch, wobei die Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) kapazitive Sensoren umfassen.
Positionierungssystem (50) nach einem vorangehenden Anspruch, wobei die Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) in der Lage sind, relative Abstände zu unterscheiden, die nicht größer als 10 nm sind.
Positionierungssystem (50) nach einem vorangehenden Anspruch, wobei die Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) in der Lage sind, relative Abstände zu messen, die nicht kleiner als 50 μm sind.
Positionierungssystem (50) nach einem vorangehenden Anspruch, wobei das Werkzeug (76) ein Laserstrahl ist.
Positionierungssystem (50) nach einem vorangehenden Anspruch, wobei die Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) mit dem Positionierungssignalprozessor zur Einstellung des Steuersignals für schnelle Bewegungen auf der Basis der von den Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) erfaßten Information am Positionierungssignalprozessor in Verbindung stehen, um dadurch eine Echtzeitkompensation des Abbe-Fehlers zu erreichen.
Positionierungssystem (50) nach Anspruch 6, wobei die schnelle Positionierungseinrichtung (54) mehrere schnelle Positionierungseinrichtungen (154) in wirksamem Zusammenhang mit mehreren Werkzeugen (156) zum Bewirken einer Bewegung der Werkzeuge (156) relativ zu einem oder mehreren Werkstücken, die auf dem ersten Translationstisch (56, 58) abgestützt sind, umfaßt.
Verfahren zur Positionierung eines Laserausgangssignals relativ zu einer Zielstelle auf einem Werkstück (62), umfassend: Liefern von Steuersignalen für langsame und schnelle Bewegungen von einem Positionierungssignalprozessor; Steuern eines großen Bereichs von relativer Bewegung eines Translationstischs (56, 58) mit einem Treiber (96) der langsamen Positionierungseinrichtung im allgemeinen entlang einer Achse und entlang einer Bezugsoberfläche (126, 134, 136), die in der Nähe des Translationstischs (56, 58) und parallel zur Achse angeordnet ist, als Reaktion auf das Steuersignal für langsame Bewegungen; Steuern eines kleinen Bereichs von relativer Bewegung einer schnellen Positionierungseinrichtung (54) als Reaktion auf das Steuersignal für schnelle Bewegungen mit einem Treiber (88) der schnellen Positionierungseinrichtung; Bewirken des großen Bereichs von relativer Bewegung zwischen dem Laserausgangssignal und dem Werkstück (62) auf dem Translationstisch (56, 58); mit einem Paar von beabstandeten Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132), die zur Bewegung mit dem Translationstisch (56, 58) entlang der Achse gekoppelt sind, Erfassen einer Information hinsichtlich ihrer relativen Abstände von der Bezugsoberfläche (126, 134, 136); Übertragen der Information von den Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) zum Treiber (88) der schnellen Positionierungseinrichtung; Bewirken des kleinen Bereichs von relativer Bewegung zwischen dem Laserausgangssignal und dem Werkstück (62) mit einer schnellen Positionierungseinrichtung (54), einschließlich einer Korrektur eines Abbe-Fehlers, der einer außeraxialen oder Drehbewegung des Translationstischs (56, 58) zugeordnet ist; und Erzeugen eines Laserausgangssignals, damit es auf die Zielstelle auf dem Werkstück (62) auftrifft.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Drehbewegung Gieren ist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei: der Translationstisch (56, 58) ein erster Translationstisch (56, 58) ist, der ein Werkstück (62) abstützt; die langsame Positionierungseinrichtung (56, 58) ferner einen zweiten Translationstisch (56, 58) umfaßt, der in der Lage ist, sich entlang einer zweiten Achse zu bewegen, die zur ersten Achse quer liegt; und die schnelle Positionierungseinrichtung (54) am zweiten Translationstisch (56, 58) montiert ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der erste und der zweite Translationstisch (56, 58) eine jeweilige erste und zweite Trägheitsmasse tragen.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die schnelle Positionierungseinrichtung (54) eine erste schnelle Positionierungseinrichtung (154) ist und wobei der zweite Translationstisch (56, 58) eine zweite schnelle Positionierungseinrichtung (154) abstützt.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei mehrere Werkstücke (152) am ersten Translationstisch (56, 58) montiert werden.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der zweite Translationstisch (56, 58) ein zweites Paar von beabstandeten Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) in Verbindung mit dem Treiber (88) der schnellen Positionierungseinrichtung umfaßt, die zum Bewegen mit dem zweiten Translationstisch (56, 58) entlang der zweiten Achse gekoppelt sind, und wobei eine zweite Bezugsoberfläche (126, 134, 136) in der Nähe des zweiten Translationstischs (56, 58) und parallel zur zweiten Achse angeordnet ist, wobei der zweite Translationstisch (56, 58) in der Lage ist, sich entlang der zweiten Bezugsoberfläche (126, 134, 136) zu bewegen, und die zweiten Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) in der Lage sind, eine zweite Information hinsichtlich ihrer relativen Abstände von der zweiten Bezugsoberfläche (126, 134, 136) zu erfassen und die zweite Information zum Treiber (88) der schnellen Positionierungseinrichtung zu übertragen, um einen zweiten Abbe-Fehler zu korrigieren, der einer zweiten außeraxialen oder Drehbewegung des zweiten Translationstischs (56, 58) zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die zweite Drehbewegung Taumeln oder Gieren ist.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei der zweite Translationstisch (56, 58) ein drittes Paar von beabstandeten Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) in Verbindung mit dem Treiber (88) der schnellen Positionierungseinrichtung umfaßt, die zum Bewegen mit dem zweiten Translationstisch (56, 58) entlang der zweiten Achse gekoppelt sind, und wobei eine dritte Bezugsoberfläche (126, 134, 136) in der Nähe des zweiten Translationstischs (56, 58) parallel zur zweiten Achse angeordnet ist, wobei der zweite Translationstisch (56, 58) in der Lage ist, sich entlang der dritten Bezugsoberfläche (126, 134, 136) zu bewegen, und die dritten Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) in der Lage sind, eine dritte Information hinsichtlich ihrer relativen Abstände von der dritten Bezugsoberfläche (126, 134, 136) zu erfassen und die dritte Information zum Treiber (88) der schnellen Positionierungseinrichtung zu übertragen, um einen dritten Abbe-Fehler zu korrigieren, der einer dritten außeraxialen oder Drehbewegung des zweiten Translationstischs (56, 58) zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die dritte Drehbewegung Taumeln oder Gieren ist.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der zweite Translationstisch (56, 58) einen vierten Verschiebungssensor in Verbindung mit dem Treiber (88) der schnellen Positionierungseinrichtung umfaßt, der zum Bewegen mit dem zweiten Translationstisch (56, 58) in einer Ebene, die die zweite Achse enthält, gekoppelt ist, und wobei eine vierte Bezugsoberfläche (126, 134, 136) in der Nähe des zweiten Translationstischs (56, 58) parallel zur zweiten Achse und in einer zweiten Ebene, die im allgemeinen die zweite Bezugsoberfläche (126, 134, 136) enthält, angeordnet ist, wobei der zweite Translationstisch (56, 58) in der Lage ist, sich entlang der vierten Bezugsoberfläche (126, 134, 136) zu bewegen, und der vierte Verschiebungssensor in Zusammenwirkung mit einem der zweiten Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) in der Lage ist, eine vierte Information hinsichtlich ihrer relativen Abstände von der jeweiligen vierten und zweiten Bezugsoberfläche (126, 134, 136) zu erfassen und die vierte Information zum Treiber (88) der schnellen Positionierungseinrichtung zu übertragen, um einen vierten Abbe-Fehler zu korrigieren, der einer vierten außeraxialen oder Drehbewegung des zweiten Translationstischs (56, 58) zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die vierte Drehbewegung Rollen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 30, wobei die Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) kapazitive Sensoren umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 31, wobei die Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) in der Lage sind, relative Abstände zu unterscheiden, die nicht größer als 10 nm sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 32, wobei die Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) in der Lage sind, relative Abstände zu messen, die nicht kleiner als 50 μm sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 33, wobei die Übertragung der Information von den Verschiebungssensoren (124, 128, 130, 131, 132) zum Treiber (88) der schnellen Positionierungseinrichtung den Empfang der Information am Positionierungssignalprozessor und die Einstellung des Steuersignals für schnelle Bewegungen auf der Basis der empfangenen Information am Positionierungssignalprozessor umfaßt, um dadurch eine Echtzeitkompensation des Abbe-Fehlers zu erreichen.