DE68925209T2

DE68925209T2 - Verfahren und vorrichtung zur sicherung der auswechselbarkeit von schattenmasken und frontscheiben während der herstellung von farbkathodenstrahlröhren

Info

Publication number: DE68925209T2
Application number: DE68925209T
Authority: DE
Inventors: Robert Adler; James Fendley; Howard Lange; Charles Prazak; Johann Steiner; Paul Strauss
Original assignee: Zenith Electronics LLC
Current assignee: Zenith Electronics LLC
Priority date: 1988-07-22
Filing date: 1989-07-21
Publication date: 1996-10-17
Anticipated expiration: 2009-07-22
Also published as: KR900702554A; CN1029054C; CN1044188A; EP0430997A1; EP0430997B1; BR8907574A; DE68925209D1; JP2786289B2; MX170880B; JPH04500578A; HK16397A; KR0139423B1; CA1315333C; WO1990001212A1; DE68925209T4; US4973280A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft die Fertigung von Farbkathodenstrahlröhren mit flacher Spannmaske. Genauer gesagt sieht die Erfindung Einrichtungen zur Erzielung der Deckung der Öffnungsmuster von flachen Spannschattenmasken und zugehörigen kathodolumineszierenden Rastern vor.
Insbesondere betrifft die Erfindung einen Teil der bei der Fertigung der Schirmträgeranordnung einer Farbkathodenstrahlröhre mit flacher Spannmaske angewandten Verfahrensschritte. Die Schirmträgeranordnung umfaßt eine gläserne Frontscheibe, eine Halterung auf der Innenseite der Scheibe und eine an der Halterung befestigte, gespannte folienartige Schattenmaske.
In der vorliegenden Beschreibung werden die Begriffe "Gitter" und "Raster" verwendet und beziehen sich allgemein auf das Muster auf der Innenseite der Frontscheibe. Das Gitter, das auch als schwarzes Umfeld oder als Blindmatrix bekannt ist, wird weitgehend verwendet, um den Kontrast zu verbessern. Es wird zuerst auf die Scheibe aufgebracht. Es umfaßt eine dunkle Beschichtung auf der Scheibe, in der Löcher ausgebildet sind, um Licht hindurchtreten zu lassen, und über der die jeweiligen Farbleuchtstoffe zur Bildung des Rasters aufgebracht sind.
Die Löcher in dem Gitter müssen sich mit den Säulen von Elektronen decken, die durch die Löcher oder Schlitze in der Schattenmaske hindurchtreten. Dies ist die primäre Dekkungsanforderung in einer mit einem Gitter ausgestatteten Röhre; die Leuchtstoffbeschichtungen können die Gitterlöcher überdecken, folglich sind ihre Deckungsanforderungen weniger genau.
In Röhren ohne ein Gitter müssen andererseits die Leuchtstoffbeschichtungen mit den Säulen von Elektronen zur Dekkung gelangen. Das Wort "Raster" schließt daher, wenn es im Kontext der Deckung verwendet wird, das Gitter ein, wo ein Gitter verwendet wird, sowie die Leuchststoffbeschichtungen, wenn kein Gitter vorhanden ist.

Probleme bei dem herkömmlichen Fertigungsverfahren

Früher wurde bei der Fertigung von Farbkathodenstrahlröhren verlangt, daß eine Schattenmaske über verschiedene Fertigungsstufen einer speziellen Scheibe zugeordnet wird. Solch ein Verfahren ist komplexer als vielleicht auf den ersten Blick erkennbar; es ist ein komplexes Fördersystem erforderlich, um die Verbindung jeder Maskenanordnung mit ihrer zugehörigen Scheibe während des gesamten Fertigungsprozesses aufrechtzuerhalten. In mehreren Stufen des Prozesses muß die Scheibe von der Maske getrennt werden, und die zugehörige Schattenmaske muß zur späteren Wiedervereinigung mit ihrer passenden Scheibe katalogisiert werden.
Mit der kürzlichen kommerziellen Einführung der Kathodenstrahlröhre mit flacher Spannmaske wurden viele mit der Krümmung der Maske und der Scheibe zusammenhängenden Verfahrensprobleme gemildert bzw. reduziert. Die anfängliche Produktion von Röhren mit flacher Spannmaske mußte sich jedoch zwangsläufig auf die fortgesetzte Verwendung der bewährten Technologie des Zusammenpassens einer zugehörigen Maske mit einer spezifischen Frontscheibe während des gesamten Fertigungsprozesses stützen. Da jedoch die flache Spannmaske Spannkräfte sowohl während des Fertigungsprozesses als auch nach der Installation in eine Röhre erfordert, wurden etwas schwerfällige Prozeß-Tragrahmen notwendig.
Diese Rahmen bedingen Komplexität und Kosten,bei der Fertigung von Farbkathodenstrahlröhren des Spannmaskentyps.
Somit besteht nach wie vor der starke Wunsch nach Vereinfachung des herkömmlichen Produktionsprozesses auch bei der Fertigung von Kathodenstrahlröhren des flachen Spannmaskentyps.
Es wurde festgestellt, daß die Farbröhrenfertigung vereinfacht werden würde, wenn jede Maske mit einem beliebigen Raster zur Deckung gebracht werden könnte (allgemein als "austauschbare" Maske bezeichnet), so daß Masken und Raster nicht länger individuell zusammengepaßt werden müßten. Bis heute wurde jedoch kein geeigneter, kommerziell haltbarer Versuch gemacht oder offenbart, eine solche Austauschbarkeit von Komponenten zu erzielen.

Bekannter Stand der Technik

2,625,734 Law
2,733,366 Grimm
3,437,482 Yamada et al
3,451,812 Tamura
3,494,267 Schwartz
3,563,737 Jonkers
3,638,063 Tachikawa
3,676,914 Fiore
3,768,385 Noguchi
3,889,329 Fazlin
3,894,321 Moore
3,983,613 Palac
3,989,524 Palac
4,593,224 Palac
4,692,660 Adler
4,695,761 Fendley
FR1,477,706 Gobain
GB2,052,148 Sony
20853/65 Japanisch
Aufsatz "Improvements in the RCA Three Beam Shadow-Mask Color Kinescope" (Verbesserungen in der Dreistrahl-Schattenmasken-RCA-Farbbildröhre), Grimes, 1954, Proceedings of the IRE, January, 1954, Seiten 315-326.
Das Patent Nr. 2,733,366 (Grimm et al.) offenbart das alte "Flatpack", das für das frühe Farbfernsehen konstruiert wurde, wobei das Raster sich auf einer separaten Scheibe befand und zusammen mit der Schattenmaske an einem Rahmen befestigt wurde und dann mit einer Frontscheibe über dem Flatpack in die Röhre eingesetzt wurde. Die Maske von Grimm et al. wird nicht mechanisch gestreckt sondern thermisch gedehnt oder "warm neutralisiert" und dann an einem Halterahmen festgeklemmt. Die Maske wird danach auf dem Flatpack-Rahmen ausgerichtet, um das Raster einzupassen. Im wesentlichen scheint es, daß Grimm et al. einen Flatpack-Rahmen offenbaren, der eine Vielzahl von Einstellpunkten aufweist, um die Maske, während sie gedehnt wird, individuell an jedes Raster anzupassen.
Die JP-A-52-31659 zeigt lediglich eine herkömmliche automatische Lichtmessung der Ausrichtung von Maske und Raster.

AUFGABEN DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fertigungsvorrichtung und ein Fertigungsverfahren für Farbkathodenstrahlröhren mit flacher Spannmaske vorzusehen, wobei Schattenmasken bzw. Frontscheiben während der Montage von Maske und Scheibe auswechselbar sind.
Es ist außerdem eine Aufgabe der Erfindung, eine Methode zur Erzielung der praktischen Austauschbarkeit von Schattenmasken bei der Fertigung von Farbkathodenstrahlröhren mit flacher Spannmaske vorzusehen, indem automatische Einrichtungen zum Einstellen der Position, Größe und/oder Form einer Maske bereitgestellt werden, so daß ihr Öffnungsmuster mit einem Rastermuster zur Deckung gebracht wird.
Es ist eine weitere Aufgabe, eine solche Methode und eine solche Vorrichtung vorzusehen, die Rasterposition und Geometriefehler kompensieren.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, in einem Fertigungsprozeß für Farbkathodenstrahlröhren mit flacher Spannmaske, bei dem Schattenmasken bzw. Frontscheiben während der Montage von Maske und Scheibe auswechselbar sind, ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur Änderung eines geometrischen Parameters des Maskenmusters vorzusehen, um Übereinstimmung mit einem Rastermuster zu erzielen.
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwendung in einem Fertigungsprozeß für Farbkathodenstrahlröhren mit flacher Spannmaske ab, bei dem Schattenmasken bzw. Frontscheiben während der Montage von Maske und Scheibe auswechselbar sind. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Bereitstellens einer Schattenmaske mit einem vorbestimmten Muster von Öffnungen, des Bereitstellens einer Frontscheibe mit einem kathodolumineszierenden Rastermuster, wobei die Frontscheibe eine einstückig ausgebildete Maskenhalterung entlang gegenüberliegender Kanten des Rastermusters aufweist, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte des mechanischen Streckens der Maske, um eine Übereinstimmung zwischen geometrischen Bezugspunkten auf der Maske und externen geometrischen Bezugspunkten, die zu dem Rastermuster auf der Frontscheibe gehören, herzustellen, und des Befestigens der gestreckten Maske an der Maskenhalterung, wobei die Maske gespannt ist und sich das Muster von Öffnungen mit dem Rastermuster deckt.
Diese Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Verwendung bei der Fertigung einer Farbkathodenstrahlröhre mit einer Schattenmaske mit einem zentralen Muster von Öffnungen, die gespannt auf einer durchsichtigen flachen Frontscheibe befestigt ist, wobei das Maskenöffnungsmuster sich mit einem entsprechenden kathodolumineszierenden Rastermuster auf einer Innenseite der Scheibe in Deckung befindet, wobei die Schattenmasken bzw. die Frontscheiben auswechselbar sind. Die Vorrichtung umfaßt eine Rasterbezugseinrichtung, die zu einem Rastermuster auf einer Frontscheibe gehört und einen geometrischen Parameter des Rastermusters angibt, eine Maskenbezugseinrichtung, die zu einem Maskenöffnungsmuster auf einer Schattenmaske gehört und einen entsprechenden geometrischen Parameter des Maskenmusters angibt, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum mechanischen Strecken der Maske, um den geometrischen Parameter des Maskenmusters gegenüber dem des Rastermusters zu ändern, durch eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung des Streckens, so daß die Maskenbezugseinrichtung eine vorbestimmte Beziehung zu der Rasterbezugseinrichtung erreicht, und durch eine Einrichtung zur Befestigung der Maske an einer Maskenhalterung an der Frontscheibe, wobei sich das Maskenmuster und das Rastermuster in Deckung befinden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Merkmale der vorliegenden Erfindung, die für neu gehalten werden, werden ausführlich in den beigefügten Ansprüchen behandelt. Die Erfindung wird zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen davon am besten verständlich anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen (die nicht maßstabsgerecht sind), in deren mehreren Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische und teilweise freigeschnittene Ansicht, die eine Farbkathodenstrahlröhre mit flacher Spannmaske des Typs veranschaulicht, auf den diese Erfindung angewandt werden kann;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer universellen Haltevorrichtung, die in der Praxis der vorliegenden Erfindung von Nutzen ist;
Fig. 3 eine schematische Aufrißansicht einer modifizierten Version der universellen Haltevorrichtung von Fig. 2, die zur Verwendung mit einer Scheibenröhre geeignet ist;
Fig. 4 eine Fig. 3 ähnliche Ansicht der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung, die eine Modifikation der Vorrichtung zur Anpassung an eine weiter gefaßte Toleranz in der Q-Höhe der Maskenhalterung darstellt;
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung, die eine Prozeß-Schattenmaske zum Einstellen der Größe, der Position und/oder der Form der Maske gemäß den Prinzipien dieser Erfindung umfaßt;
Fig. 6 eine Kurve, die die Verteilung der erforderlichen Kräfte entlang der einen Kante der in Fig. 5 gezeigten Maske darstellt;
Fig. 7 eine schematische Darstellung der Verwendung von Hebeln zur Kräfteverteilung entlang den Kanten einer in Fig. 5 gezeigten Maske;
Fig. 8 Modifikationen der Vorrichtung von Fig. 5, in denen:
Fig. 8a eine Vorrichtung veranschaulicht, die eine verringerte Anzahl von unabhängig variablen eingetragenen Kräften vorsieht;
Fig. 8b eine Variante der Ausführungsform von Fig. 8a veranschaulicht, bei der vorgesehen ist, Tangentialkräfte auf die Kante einer Maske wirken zu lassen; und
Fig. 8c eine schematische Ansicht einer Einrichtung zum Eintragen der Tangentialkräfte;
Fig. 9 und 10 die Prinzipien der Arbeitsweise eines optischen Quadrantendetektor-Meßsystems, das zusammen mit der Vorrichtung von Fig. 5 verwendet wird; es wird die Reihenfolge der Bestimmung des Ortes der Abtastlöcher in einer unter Spannung befindlichen Maske in bezug auf die Bezugspunkte unabhängig von der Maske angegeben;
Fig. 11 eine Kurve, die die Ausgangsspannung von einer Matrizierschaltung angibt, die einen Teil des optischen Quadrantendetektor-Meßsystems bildet;
Fig. 12 eine Draufsicht, die ein System schematisch darstellt, das die Prinzipien der Erfindung anwendet, einschließlich mehrfacher Rückkopplungsschleifen;
Fig. 13 Einzelheiten der Komponenten und der Funktion einer Maskenbefestigungsvorrichtung, die sich auf das System von Fig. 12 stützt, umfassend:
Fig. 13a, 13c, 13d und 13f, die Aufrisse darstellen, die Einzelheiten der Komponenten während des Arbeitsablaufs veranschaulichen; und
Fig. 13b, die eine Draufsicht auf die Vorrichtung darstellt;
Fig. 14 zwei Draufsichten auf ein Kathodenstrahlröhrenraster umfaßt, die zwei unerwünschte Rasterbedingungen zeigen, umfassend:
Fig. 14a, die eine vereinfachte Draufsicht ist, die eine Rastermusterposition veranschaulicht, die in Bezug auf ihre Nennposition parallelverschoben und/oder gedreht wurde;
Fig. 14b, die eine Bedingung veranschaulicht, in der die Rastermustergeometrie verzerrt ist, d.h., die Größe und/oder die Form des Musters verzerrt ist;
Fig. 15 eine perspektivische Ansicht einer Scheibenhaltevorrichtung, die das Einstellen der Position der eingeschlossenen Scheibe ermöglicht;
Fig. 16 eine Ansicht eines repräsentativen Querschnitts einer Rasterprüfmaschine, die dazu bestimmt ist, die in Fig. 15 veranschaulichte einstellbare Vorrichtung aufzunehmen, und einer Rückkopplungsschleife zum Einstellen dieser Vorrichtung im Aufriß;
Fig. 17 eine detailliertere Ansicht eines repräsentativen Querschnitts der gleichen Prüfmaschine im Aufriß;
Fig. 18 ein Gitteröffnungsmuster, wie es von einer Videokamera gesehen wird, und die resultierenden Impulsausgänge, umfassend:
Fig. 18a, die eine stark vergrößerte Draufsicht auf eine Ecke eines Gitters ist;
Fig. 18b, die eine Wellenform ist, die das horizontale Ausgangsignal von einer spezifischen Abtastzeile angibt; und
Fig. 18c, die eine Wellenform ist, die ein vertikales Ausgangssignal angibt;
Fig. 19 eine Ansicht eines repräsentativen Querschnitts einer Rasterprüfmaschine im Aufriß, die speziell konstruiert wurde, um einen Schirmträger aufzunehmen;
Fig. 20 eine Detailansicht einer modifizierten Form der Montagemaschine von Fig. 13 im Aufriß;
Fig. 21 eine Teilansicht einer Montagemaschine, die die Rasterprüfung und Rastereinstellung vorsieht, und aus Fig. 21a, die eine Ansicht eines repräsentativen Querschnitts der Maschine im Aufriß ist, und Fig. 21b, die eine Ansicht von der Oberseite der Maschine ist, zusammengesetzt ist;
Fig. 22 eine schematische Darstellung einer differenzbildenden Schaltung zur Steuerung der Servomotoren;
Fig. 23 eine vereinfachte Version der Montagemaschine von Fig. 21, umfassend Fig. 23a, die eine Ansicht eines repräsentativen Querschnitts der Maschine im Aufriß ist, und Fig. 23b, die eine Ansicht von der Oberseite der Maschine ist;
Fig. 24 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Erzeugung von Fehlersignalen, die unmittelbar die Positionsunterschiede zwischen einer Schattenmake und einem Gitter anzeigen, umfassend Fig. 24a und 24b, die Ansichten im Aufriß sind, die die Ausleuchtung von spezifischen Öffnungen anzeigen, und Fig. 24c, die eine stark vergrößerte Draufsicht der ausgeleuchteten Öffnungen ist; und
Fig. 25 eine zusätzliche Ansicht einer Montagemaschine, in der Servomotoren an einem beweglichen Träger montiert sind.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung dient zur Verwendung bei der Fertigung einer Farbkathodenstrahlröhre mit einer Schattenmaske mit einem mittigen Muster von Öffnungen, die unter Spannung an einer durchsichtigen flachen Frontscheibe angebracht ist. Das Maskenöffnungsmuster befindet sich in Deckung mit einem entsprechenden kathodolumineszierenden Rastermuster auf einer Innenseite der Scheibe. Die Frontscheibe weist eine Maskenhalterung auf, die an der rastertragenden Innenseite der Scheibe entlang gegenüberliegender Kanten des Rastermusters befestigt ist. Die Schattenmasken bzw. die Frontscheiben sind gemäß der Erfindung auswechselbar.
Fig. 1-13 beschreiben eine Vorrichtung und ein Verfahren, bei dem gegenseitige Deckung eines Rastermusters mit dem Öffnungsmuster einer gespannten Maske durch Strecken oder durch anderweitiges Dehnen bis auf einen vorbestimmten Normwert erreicht wird. Die übrigen Figuren veranschaulichen das Verfahren und die Vorrichtung, wobei Fehler in Position (x-y-Drehung) und Geometrie (Größe und Form) des Rasters festgestellt und kompensiert werden.
Fig. 1 veranschaulicht eine Farbkathodenstrahlröhre 1 mit flacher Spannmaske umfassend eine gläserne Frontscheibe 2, die an einem evakuierten Kolben 5 hermetisch abgeschlossen ist, der sich zu einem Hals 9 erstreckt und in einem Anschlußstecker 7 mit einer Vielzahl von Fußstiften 13 endet.
Die inneren Teile umfassen eine Maskenhalterung 3, die dauerhaft an der Innenseite 8 der Scheibe 2 befestigt ist, die eine gespannte Schattenmaske 4 trägt. Die Maskenhalterung 3 ist maschinengeschliffen, um eine ebene Fläche bei feststehendem "Q"-Abstand von der Ebene der Innenseite 8 vorzusehen. Auf der Innenseite 8 der Scheibe 2 ist ein Raster 12 aufgebracht, umfassend ein schwarzes Gitter und ein Muster von Farbleuchtstoffen, die quer über die Innenseite 8 innerhalb der inneren Grenzen der Halterung 3 verteilt sind. Die Leuchtstoffe 12 senden, wenn sie durch das Auftreffen eines Elektronenstrahls angeregt werden, rotgefärbtes, grüngefärbtes und blaugefärbtes Licht aus.
Die Schattenmaske 4 weist eine große Anzahl von Strahlen durchlassenden Öffnungen 6 auf und ist dauerhaft z.B. durch Laserschweißen an der geschliffenen Fläche der Halterung 3 befestigt.
In dem Hals 9 der Röhre 1 ist eine Gruppe 10 von drei Elektronenstrahlkanonen installiert, die mit r, g und b bezeichnet sind. Die Elektronenstrahlkanonen senden drei getrennte Elektronenstrahlen aus, die mit r', g' und b' bezeichnet werden, und die gegen die Maske 4 gerichtet sind. Die Elektronenstrahlen werden entsprechend der Farbbild-Signalinformation elektronisch moduliert. Wenn die Elektronenstrahlen r', g' und b' durch Magnetfelder abgelenkt werden, die durch ein Magnetjoch 9a außerhalb der Röhre erzeugt werden, werden sie veranlaßt, horizontal und vertikal abzutasten, so daß die gesamte Fläche der Maske 4 in regelmäßigen Abständen abgetastet wird, so daß ein Bild entsteht, das sich im wesentlichen über die gesamte Fläche des Rasters 12 innerhalb der inneren Grenzen der Maskenhalterung 3 erstreckt.
An Positionen auf der Maske 4, wo sich eine Öffnung 6 befindet, geht jeder der drei Elektronenstrahlen durch die Maske hindurch und trifft auf das Raster 12 auf. Folglich steuern die Position der Maske 4 mit ihrem Muster von Öffnungen 6, die Positionen der Elektronenstrahlkanonen r, g und b bei 10 und die Höhe der Halterung 3 die Stellen, wo die Elektronenstrahlen r', g' und b' auf das Raster 12 auftreffen.
Zur ordnungsgemäßen Funktion der Röhre 1 muß auf dem Raster 12 eine Leuchtstoffbeschichtung der richtigen Farbcharakteristik vorhanden sein, die der Farbinformation der auftreffenden Elektronenstrahlen r', g' oder b' entspricht. Des weiteren muß für die ordnungsgemäße Funktion das Zentrum der Auftrefffläche des Elektronenstrahls innerhalb einer engen Toleranz mit dem Zentrum der zugehörigen Leuchtstoffbeschichtung übereinstimmen.
Wenn diese Bedingungen über die gesamte Fläche des Rasters erfüllt sind, sagt man, daß sich Maske und Raster in Dekkung befinden.
Die rechteckige Fläche, innerhalb der Bilder sichtbar gemacht werden, d.h. die von den Elektronenstrahlen auf dem Raster abgedeckte Fläche, ist größer als die entsprechende Fläche auf der Maske, durch die jene Elektronenstrahlen hindurchgehen; die lineare Vergrößerung von Maske zu Raster hat die Größenordnung von ein paar Prozent. Detaillierte Untersuchungen haben gezeigt, daß diese Vergrößerung über das Raster leicht variiert. Wenn daher ein Satz wie "Deckung zwischen Maskenmuster und Rastermuster" oder "Deckung zwischen dem Öffnungsmuster der Maske und dem Rastermuster" in dieser Beschreibung verwendet wird, bedeutet dies nicht, daß die beiden deckungsgleich sind wie ein fotografisches Negativ und sein Kontaktabzug. Es bedeutet vielmehr, daß die beiden Muster zueinander gehören, wie es in einer Farbröhre der beschriebenen flachen Bauweise erforderlich ist, die eine Halterung von vorbestimmter Höhe verwendet und einen vorbestimmten Abstand zwischen Maske und Raster aufweist. Eine derartige Deckung von Maske und Raster bezieht sich auf das Elektronenstrahl-Ablenkungszentrum. Wie erwähnt wurde, wird in Farbröhren herkömmlicher Bauweise die Deckung durch Verwendung von Paarungen zugeeigneter Schattenmasken und Frontscheiben erleichtert.
Herkömmliche Schattenmasken werden durch Fotoätzen der Öffnungen in einer flachen Metalltafel, danach durch Verformen der flachen Tafel in eine Schalenform hergestellt. Nach diesem Verformungsvorgang sind die geformten Masken nicht auswechselbar. Bei einer flach gebliebenen Maske bleibt jedoch die ursprüngliche Austauschbarkeit von flachen, von einem gemeinsamen Bezugsformstück fotogeätzten Tafeln erhalten. Dies ist ein wichtiger Faktor bei der im folgenden beschriebenen Methode und Vorrichtung.
Bei einer Röhre mit flacher Spannmaske besteht die gespannte Maske typischerweise aus Stahlfolie mit einer Dicke von etwa 0,03 mm (0,001 Zoll). Die Maske steht unter einer erheblichen mechanischen Spannung; die Spannung kann zwischen 2100 und 3500 kg/cm² (30,000-50,000 Pounds pro Quadratzoll) betragen. Die Maske wird daher auf ein beträchtliches Maß gestreckt, wobei die elastische Verformung ein Tausendstel überschreitet; z.B. versetzt das herkömmliche Fertigungsverfahren für flache Spannmasken jede Maske in einen elastisch verformten Zustand, bevor mittels Fotolithografie das Raster erzeugt wird, das zusammen mit der Maske verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung verlangt andererseits, daß alle Raster von einem gemeinsamen Normal hergestellt werden, so daß sie auswechselbar sind. Sie erkennt außerdem an, daß die ungestreckten Masken, wie weiter oben erwähnt, nahezu gleich sind, und nutzt den Vorteil der elastischen Verformung der Maske, die eintritt, wenn eine Maske gestreckt wird. Durch Eintragen kontrollierter Kräfte in eine Vielzahl von Spannvorrichtungen, die periphere Abschnitte der Maske erfassen, kann jede Maske so gestreckt werden, daß ihre Größe und Form einem vorbestimmten Normal entsprechen. Falls gewünscht, können die erforderlichen Kräfte durch Erwärmen der Maske während des Streckvorgangs erheblich verringert werden.
Die gleichen Spannvorrichtungen und Spannkräfte erlauben auch das Zentrieren der Maske, indem diese entlang ihrer x- und ihrer y-Achse (entlang der größeren und entlang der kleineren Abmessung in der Ebene der Maske) bewegt wird, und indem diese ggf. gedreht wird, bis die zahlreichen Bezugszeichen auf der Maske mit entsprechenden festen Markierungen fluchten, um anzuzeigen, daß Position, Größe und Form der Maske nun einem vorbestimmten Normal entsprechen. Sobald dies erreicht ist, werden eine Scheibe, die ein genormtes Raster trägt, und die Maske in einer noch zu beschreibenden Weise zur Deckung gebracht, wobei die Maske die Maskenhalterung berührt. Die Maske wird dann an der Maskenhalterung befestigt, z.B. durch Laserschweißen.
Fig. 2 veranschaulicht eine universelle 6-Punkt-Haltevorrichtung 30 zur Montage von gläsernen Frontscheiben, die während aller Fertigungsprozesse zu verwenden ist, die ein reproduzierbares Positionieren einer Scheibe 2a in bezug auf einen festgelegten Satz von Bezugskoordinaten erfordern. Die Scheibe 2a, die die Maskenhalterung 3a trägt, ist auf einer Befestigungsplatte 18 dargestellt, die ein Halteverfahren verwendet, umfassend drei Halbkugel-Positionsgeber 22a, 22b und 22c, die an Stützen 19a, 19b und 19c angebracht sind, um die seitliche Position zu steuern, während drei vertikale Anschläge 20a, 20b und 20c die vertikale Position steuern. Die vertikalen Anschläge 20a, 20b und 20c sind mit festen, aber relativ nachgiebigen Kontaktflächen 17a, 17b und 17c versehen, die aus einem Material wie z.B. Delrintm bestehen, um die Innenseite der Scheibe 2a zu schützen. Eine Druckvorrichtung 21, die in gestrichelten Linien unter der Scheibe 2a dargestellt ist, übt eine aufwärts gerichtete vertikale Kraft P aus, um den festen Kontakt zwischen der Innenseite und den drei vertikalen Anschlägen 20a, 20b und 20c sicherzustellen. Eine zweite Druckvorrichtung 24, die eine horizontale Kraft F in Richtung gegen die Ecke zwischen den Stützen 19b und 19c ausübt, stellt den festen Kontakt zwischen der Scheibe 2a und den drei Halbkugeln 22a, 22b und 22c sicher.
Die vertikalen Anschläge 20a und 20b sind an den gleichen Stellen angeordnet wie die Stützen 19a und 19b, der dritte vertikale Anschlag 20c ist dagegen von der Stütze 19c vollständig getrennt. Durch Regeln der Position der drei Halbkugel-Positionsgeber 22a, 22b und 22c innerhalb enger Grenzen sowie durch Regeln der durch die drei vertikalen Anschläge 20a, 20b und 20c in verschiedenen Arbeitsplätzen in dem Fertigungsprozeß definierten Ebene kann die Position einer gegebenen Scheibe in jedem von solchen Arbeitsplätzen genau dupliziert werden. Fig. 3 veranschaulicht eine Modifikation der in Fig. 2 dargestellten universellen Haltevorrichtung, wobei die Scheibe 2A und die vertikalen Anschläge, von denen zwei (20a und 20c) dargestellt sind, umgedreht wurden, während die Stützen, von denen zwei (19a und 19c) dargestellt sind, aufrecht bleiben, um das Einsetzen der Scheibe 2A von oben zu ermöglichen. Die Druckvorrichtung 21 ist bei dieser Modifikation optional, da das Gewicht der Scheibe 2A ausreichen kann, um eine genauen Sitz auf den vertikalen Anschlägen sicherzustellen.
Wie in der Technik der Fertigung von Farbkathodenstrahlröhren allgemein bekannt ist, wird zur Belichtung der auf die Innenseite 8A der Scheibe 2A aufgebrachten lichtempfindlichen Materialien eine Belichtungskammer verwendet. Vier getrennte Belichtungen in vier verschiedenen Belichtungskammern werden benötigt, um das schwarze Hintergrundmuster und die drei getrennten Farbleuchtstoffmuster zu erzeugen, die das Raster 12 bilden. Das Belichtungsnormal 33 ist dauerhaft in der Belichtungskammer 40 installiert, wobei die bildtragende Schicht nach oben zeigt, und hat einen sehr geringen Abstand von 0,25 mm (0,010 Zoll) z.B. von der Innenseite der Scheibe 2A. In einem festen Abstand "F" von der Ebene des Belichtungsnormals 33 ist eine Ultraviolett- Lichtquelle 34 angeordnet, die Lichtstrahlen 35 aussendet, die die Elektronenstrahlverläufe in einer fertiggestellten Röhre simulieren.
Eine dunkel getönte Scheibe 36 modifiziert die Lichtstärke über die Fläche der Maske, um die Änderung des Abstandes von der Lichtquelle und die Änderung des Einfallswinkels zu kompensieren, wodurch die erwünschte Belichtung in allen Bereichen erzielt wird. Die Linse 38 dient zur Korrektur der Wege der Lichtstrahlen, um die Verläufe der Elektronenstrahlen während des Betriebes der Röhre perfekter zu simulieren.
Die Erfahrung hat gezeigt, daß durch Befolgen der gerade beschriebenen Verfahren erzeugte Rastermuster hinreichend genau zur Verwendung in hochauflösenden Röhren sind, vorausgesetzt, die Q-Höhe der Halterung 3A, gemessen von der Innenseite 8A der Scheibe 2A bis zu der maschinengeschliffenen oberen Seite der Halterung wird mit einer sehr engen Toleranz beibehalten.
Eine Modifikation von Fig. 3, die in Fig. 4 veranschaulicht ist, bietet eine breitere Toleranz in der Q-Höhe der Maskenhalterung. Hier sind die vertikalen Anschläge durch Halbkugeln 31 ersetzt, und die Scheibe 2A ruht nicht auf ihrer Innenseite, sondern auf der geschliffenen oberen Fläche der Halterung 3A. Wenn beispielsweise diese Konstruktion bei einer gegebenen Scheibe 0,05 mm (0,002 Zoll) zu hoch ist, sitzt infolgedessen diese Scheibe während der Belichtung so viel höher, und das auf sie aufgezeichnete Lichtmuster ist größer als normal. Dies ist genau das, was gefordert wird; wenn eine Maske schließlich an dieser Halterung befestigt wird, wird sie sich 0,05 mm (0,002 Zoll) weiter weg von der Scheibe befinden, was bewirkt, daß die Elektronenstrahlen außerdem ein größeres Muster erzeugen und folglich die übermäßige vertikale Höhe Q kompensieren.
Praktisch wird dann trotz des Fehlers von 0,05 mm (0,002 Zoll) in der Höhe Q der Halterung ein auswechselbares Raster erzeugt.
Der Prozeß zur Erzeugung des Rastermusters, der in Verbindung mit Fig. 3 und 4 beschrieben wurde, unterscheidet sich von dem herkömmlichen Prozeß dadurch, daß für jede der vier Belichtungen eher ein ständiges Normal verwendet wird als eine individuelle Maske, die ausschließlich zu einem speziellen Raster gehört. Da es diese Erfindung jedoch unnötig macht, jedes Raster an eine spezielle Maske anzupassen, können zur Herstellung des Rastermusters andere, wirtschaftlichere Verfahren verwendet werden. Allgemein bekannte Druckverfahren, wie z.B. der Offsetdruck, sind besonders gut zur Erzeugung des geforderten exakten Rastermusters auf Flachglasscheiben geeignet. Der wesentliche Aspekt der Verwendung des Offsetdrucks besteht darin, daß vier getrennte Prozesse der Belichtung, Entwicklung und Trocknung, gefolgt von der Beschichtung für den nächsten Prozeß, nicht länger erforderlich sind. Praktisch bietet der Offsetdruck die Möglichkeit, ein auswechselbares Rastermuster kostengünstig zu produzieren, wie es von dieser Erfindung gefordert wird.
Fig. 5 veranschaulicht schematisch eine Maschine 50 zur Eintragung geregelter Kräfte in eine Vielzahl von Spannvorrichtungen, die periphere Abschnitte der Maske erfassen und die Maske bewegen und elastisch verformen können, bis ihre Position, Größe und Form einem vorbestimmten Normal entsprechen. Die Maschine ist außerdem ausgerüstet, eine mit einem Raster versehene Scheibe in eine spezifische Position angrenzend an die Maske zu bewegen und die Maske an die Halterung anzuschweißen; diese Merkmale, die in Fig. 5 nicht dargestellt sind, werden später ausführlich beschrieben.
Wenn der Offsetdruck oder ein ähnliches Verfahren angewandt wird, muß die Höhe Q der Halterung 3A bis zu einer Genauigkeit geregelt werden, die den speziellen Anforderungen der Anwendung entspricht.
Fig. 5 veranschaulicht eine rechteckige Prozeß-Schattenmaske 4A mit einem breiten Umfangsabschnitt. Dies ist die Form, die die Maske nach dem Fotoätzvorgang besitzt. Der zentrale Lochbereich der Maske ist durch das Rechteck 43 begrenzt. Außerhalb dieses Rechtecks befindet sich eine Reihe von weit beabstandeten Positions-Meßöffnungen 47, die das Rechteck umgeben. An der Maschine 50, die später ausführlich beschrieben wird, angebrachte optische Markierungen dienen als Positions-Bezugspunkte und stellen in dieser Ausführungsform den zuvor diskutierten vorbestimmten Normwerte dar. Aufgabe der Maschine 50 ist es, eine Kräfteverteilung in die Maske einzutragen, um alle Öffnungen 47 mit ihren entsprechenden optischen Markierungen in Übereinstimmung zu bringen.
Am Umfang der Maske 4A befindet sich eine Reihe von Spannvorrichtungen 44, die jeweils ein Paar von betätigbaren Klemmbacken umfassen können. Zur Verdeutlichung sind 28 Spannvorrichtungen dargestellt. Der Grund für das Vorhandensein einer Vielzahl von Spannvorrichtungen auf jeder Seite besteht darin, daß die einzelnen Spannvorrichtungen die Möglichkeit haben müssen, sich unbehindert auseinanderzubewegen, wie es erforderlich ist, wenn die Maske gestreckt wird. Die gleiche Vielzahl erlaubt außerdem die Anwendung einer erwünschten Kräfteverteilung über den Umfang der Maske 4A.
Es muß daran erinnert werden, daß der zentrale Lochbereich der Maske innerhalb des Rechtecks 43 eine durchschnittliche elastische Steifigkeit besitzt, die wesentlich geringer ist als die des geschlossenen Umfangsabschnitts. Da es wünschenswert ist, in dem Streckvorgang die rechteckige Konfiguration des zentralen Lochbereiches im wesentlichen zu erhalten, müssen die Streckkräfte abgestuft werden, wobei die Größe jeder Kraft der örtlichen elastischen Steifigkeit entsprechen muß, die an jeder Spannvorrichtung 44 vorhanden ist. Beispielsweise wirken die einander gegenüberliegenden Spannvorrichtungen 101 und 115 auf das massive Material an dem einen Ende der Maske; sie erfordern daher eine wesentlich größere Kraft als die einander gegenüberliegenden Spannvorrichtungen 104 und 118, die auf einen Abschnitt wirken, der größtenteils durchbrochenes Material aufweist.
Fig. 6 veranschaulicht eine Kurve 51, die die Verteilung der erforderlichen Kraft entlang einer Kante der Maske 4A darstellt. Man erkennt, daß die in der Nähe der Ecken erforderliche Kraft etwa 70 % größer ist als die in der Nähe der Mitte.
Im Prizip wäre es möglich, die in eine große Anzahl von Spannvorrichtungen, zum Beispiel achtundzwanzig wie in Fig. 5, eingetragenen Kräfte einzeln zu regeln. In der Praxis sind sich jedoch die massenweise produzierten Masken außerordentlich ähnlich, so daß eine derartig große Zahl von unabhängig veränderlichen Kräften nicht notwendig ist. Wenn die fotogeätzten Masken exakt die gleiche Dicke, gleiche elastische Eigenschaften und die gleiche Geometrie aufweisen würden, wären die zum Erhalt einer genormten Form in sie einzutragenden Kräfte in der Tat immer die gleichen. Derartige Kräfte könnten vorprogrammiert werden, und eine automatische Regelung wäre nicht erforderlich.
In der Praxis treten unvermeidliche Dickenabweichungen zwischen Masken als solchen sowie quer über jede Maske auf, und es können geringfügige Veränderungen in der Geometrie vorkommen, die beispielsweise durch Temperaturänderungen während der Fertigung bedingt sein können. Um diese Veränderungen zu kompensieren, sind gewisse Krafteinstellungen notwendig, und diese werden gemäß dieser Erfindung durch Rückkopplung gesteuert.
Es ist offensichtlich, daß die Anzahl der unabhängigen Einstellungen, die in einem bestimmten Fall erforderlich sind, von der Genauigkeit abhängt, mit der die Masken gefertigt werden, und von der Toleranz, die für die spezielle Röhrenkonstruktion gefordert wird. In einem Extremfall, wo die Toleranzen ziemlich weit sind, kann die Dickenabweichung zwischen verschiedenen Chargen von Masken die einzige signifikante Abweichung sein. In diesem Fall müssen lediglich zwei unabhängige Einstellungen, nämlich die der Gesamtkräfte, die in der x- und in der y-Richtung eingetragen werden, durch die Rückkopplung gesteuert werden. Die Verteilung 51 der eingetragenen Kräfte kann dann innerhalb jeder Koordinatenachse durch rein mechanische Mittel erreicht werden, z.B. durch ein System von Hebeln.
Fig. 7 veranschaulicht die Verwendung von Hebeln zur Verteilung der Kräfte nach vorbestimmten Verhältnissen. Die Figur zeigt sechs, mit 109-114 bezeichnete Spannvorrichtungen, von denen angenommen wird, daß sie an einer der kurzen Kanten der Maske angebracht sind. Die gewünschten Kräfte betragen in diesem Beispiel in willkürlichen Einheiten: 1,7; 1,3, 1; 1; 1,3; 1,7. Die Kräfte entlang den Zugstangen sind in der Figur unterstrichen; die an die Hebel angefügten Ziffern geben die Hebelverhgltnisse an. Man erkennt, daß jedes gewünschte Kräfteverhältnis für jede gewünschte Anzahl von Spannvorrichtungen entlang einer Kante auf diese Weise erzeugt werden kann.
Fig. 8A veranschaulicht eine Modifikation von Fig. 5, wo weiterhin 28 Spannvorrichtungen, jedoch nur acht Positionsmeßöffnungen 47 und insgesamt zwölf unabhängig veränderliche Kräfte vorhanden sind. Benachbarte Spannvorrichtungen sind durch Hebel miteinander verbunden, wie eben erläutert, mit dem Ergebnis, daß lediglich drei unabhängige Kräfte entlang jeder Seite vorhanden sind. Die vier in den Ecken angeordneten positionsmeßöffnungen sind dazu bestimmt, Positionsfehler entlang der x- und entlang der y-Achse nachzuweisen; jene vier, in der Nähe der Mitte jeder Seite positionierten Öffnungen sprechen nur auf radiale Verschiebungen, d.h. auf nach innen oder außen gerichtete Verschiebungen an. Folglich beträgt die Gesamtzahl der Positionsfehlersignale zwölf, gleich der Anzahl der unabhängig regelbaren Kräfte.
Zusätzlich zum Eintragen von Kräften, die in rechten Winkeln zu den Kanten der Maske wirken, kann es manchmal wünschenswert sein, Tangentialkräfte in einer Richtung parallel zu einer Kante einzutragen. Fig. 8b veranschaulicht eine solche Anordnung, die beispielsweise eine Spannmaske verwendet, in der Öffnungen 406 innerhalb der Begrenzung 443 parallele Schlitze statt runder Löcher sind. Schlitzmasken werden üblicherweise in Farbkathodenstrahlröhren für Fernsehgeräte verwendet. Die Schlitze verlaufen herkömmlich entlang der vertikalen (y-) Richtung; sie sind vom oberen zum unteren Rand nicht durchlaufend, sondern in regelmäßigen Abständen durch Querstangen überbrückt, um die mechanische Stabilität der Maske zu erhöhen.
In einer Farbkathodenstrahlröhre mit flacher Spannmaske kann ein ähnliches Muster von Öffnungen verwendet werden, d.h., es können parallel zur y-Achse verlaufende und in regelmäßigen Abständen überbrückte Schlitze verwendet werden. Lediglich die x-Koordinate des Maskenmusters muß sich mit dem Rastermuster decken, vorausgesetzt, die Leuchtstoffstreifen sind durchlaufend. Parallel zu den Schlitzen, entlang der y-Achse, wird eine hohe mechanische Zugspannung eingetragen; der Betrag dieser Spannung ist nicht kritisch, solange die Elastizitätsgrenze des Maskenmaterials nicht überschritten wird. Entlang der x-Achse wird eine vorsichtig geregelte Zugspannung eingetragen; da die mechanische Steifigkeit der grazilen Brücken (nicht dargestellt) ziemlich gering ist, muß die Spannung in dieser ebenfalls niedrig sein.
Die Maschine 450 in Fig. 8b ist dazu bestimmt, geregelte Kräfte, einschließlich Tangentialkräfte, auf die Schlitzmaske auszuüben. Entlang den beiden vertikalen Kanten werden die Spannvorrichtung 444 durch Kräfte wirken. Die zogen, die im rechten Winkel zu diesen Kanten wirken. Die vier nahe der Mitte jeder Kante angeordneten Spannvorrichtungen sind durch Hebel miteinander verbunden. Sechs unabhängig voneinander regelbare Kräfte F&sub1; bis F&sub6; werden in diese beiden Kanten eingetragen.
Wir wenden uns jetzt den beiden horizontalen Kanten zu. Vorbestimmte Kräfte F&sub0;, die nicht durch Rückkopplung geregelt werden müssen, werden in der Nähe der vier Ecken der Maske im rechten Winkel in diese Kanten eingetragen. Die beiden mittleren Spannvorrichtungen an jeder horizontalen Kante werden jedoch im allgemeinen durch die Kräfte FR(1), FR(2), die nicht senkrecht zu der Kante angreifen, sondern eine regelbare Tangentialkomponente aufweisen, nach außen gezogen.
Fig. 8c zeigt, wie eine derartige Kraft erzeugt werden kann. Zwei Schrittmotoren 424a und 424b sind an dem Rahmen 432 der Maschine 450 wie angegeben unter Winkeln von plus bzw. minus 45 Grad montiert. Die Motoren tragen Untersetzungsgetriebe 428a und 428b, die in Zugstangen 431a bzw. 431b enden. Eine dritte Zugstange 430, die mit den beiden ersten Zugstangen durch Federn 425a, 425b verbunden ist, ist mit dem Hebel verbunden, der die beiden mittleren Spannvorrichtungen antreibt. Die Spannvorrichtungen 460 entlang den horizontalen Kanten sind etwas unterschiedlich gezeigt gelenkig angeschlossen, um die Eintragung von Tangentialkraftkomponenten ohne Erzeugung örtlicher Momente an der Kante der Maske zu ermöglichen.
In Funktion werden die beiden Motoren veranlaßt, ihre jeweiligen Zugstangen 431a, 431b vorzuschieben, bis eine vorbestimmte Kraft F&sub0;' auf die Zugstange 430 ausgeübt wird. Diese Kraft wirkt im rechten Winkel zu der Kante, und ihr exakter Wert ist nicht kritisch.
Wir nehmen nun an, daß zur Kompensierung einer Abweichung in der Maskendicke der mittlere Abschnitt der Maske nach rechts gezogen werden muß, wie in Fig. 8b durch FR(1) veranschaulicht ist. Zu diesem Zweck wird der Schrittmotor 424a vorgeschoben, so daß seine Zugstange 431a dichter an den Rahmen herangezogen wird. Gleichzeitig wird der Motor 424b zurückbewegt, so daß die Zugstange 431b bis über ihre Normalposition hinaus ausgefahren wird. Infolgedessen bewegt sich das untere Ende der Zugstange 430 nach rechts, und die tangentiale Kraftkomponente FT(1) wird erzeugt. Dies erzeugt zusammen mit der senkrechten Komponente F&sub0;' die erwünschte resultierende Kraft FR(1). Acht Positionsmeßfühler (nicht dargestellt), die die Positionsmeßöffnungen 447 verwenden, sind dazu bestimmt, ausschließlich auf positionierfehler in x anzusprechen. Ferner wirken acht unabhängig voneinander regelbare Kräfte F&sub1; bis F&sub6; und die beiden tangentialen Komponenten FT(1) und FT(2), von denen nur die erste in Fig. 8c dargestellt ist.
Das beschriebene Verfahren zur Eintragung von tangentialen Kraftkomponenten in eine Maskenkante ist keinesfalls auf die in Fig. 8b gezeigte Ausführung beschränkt. Eine umfassendere Anwendung der beschriebenen Prinzipien würde Maßnahmen zur Eintragung von Tangentialkräften in alle Spannvorrichtungen vorsehen. Des weiteren könnte das Verfahren auf Masken anderer Typen, z.B. "Punkt"-Masken (Masken mit runden Öffnungen) angewandt werden. Das Verfahren könnte auf Spannvorrichtungen in einer hebellosen Spannanordnung angewandt werden, wie in Fig. 5 veranschaulicht ist.
Fig. 9 veranschaulicht das Funktionsprinzip eines handelsüblichen optischen Quadrantendetektor-Sensors 89, der in der Maschine 450 eingesetzt werden kann, um die benötigten positionierfehlersignale zu erzeugen. Ein derartiger Sensor wird von der United Detector Technology of California vertrieben und besteht aus einem Halbleiterchip mit einem lichtempfindlichen Bereich in Form einer kreisrunden Scheibe, die in vier 90-Grad-Sektoren eingeteilt ist. Der Fotostrom von jedem Sektor ist extern getrennt verfügbar.
In Fig. 9 wird davon ausgegangen, daß sich die Maske 4A in dem korrekten Spannungszustand befindet, bei dem sich die Positions-Meßfühleröffnungen 47 mit den optischen Lichtsensoren 89 decken. Jede Öffnung 47 ist durch eine Lichtquelle 87, die einen Lichtstrahl 88 aussendet, vollständig ausgeleuchtet. Der Lichtstrahl 88 kann von einem Laser oder von einer herkömmlicheren optischen Quelle erzeugt werden.
Eine Vielzahl von Quadrantendetektor-Lichtsensoren 89 ist auf einer Platte 91 montiert, deren Position in bezug auf den Rahmen der Maschine 450 genau definiert ist, wie später in Verbindung mit Fig. 13 ausführlich beschrieben wird. Die wirksame Fläche 92 des Quadrantendetektor-Lichtsensors ist vertikal mit der gewünschten Position der Positionsmeßöffnung 47 ausgerichtet. Die ausgeleuchtete Fläche 47a stellt das auf eine wirksame Fläche 92 des Quadrantendetektor- Lichtsensors 89 projizierte Bild des Öffnungsloches 47 dar.
Der Durchmesser des Lichtstrahls 88 ist größer als der Durchmesser der wirksamen Fläche 92 des Quadrantendetektor- Lichtsensors 89, whrend der Durchmesser der Positionsmeßöffnung 47 erheblich kleiner ist. Wenn eine Positionsmeßöffnung auf die wirksame Fläche 92 ihres Quadrantendetektor-Lichtsensors 89 genau konzentrisch ausgerichtet ist, erzeugen alle vier Sektoren den gleichen Fotostrom; eine in der Technik allgemein bekannte Matrizierschaltung, mit der jedes Ungleichgewicht zwischen den Sektorströmen angezeigt werden kann, wird dann den Nullpositionsfehler in der x- und in der y-Koordinate anzeigen. Genau gesagt, die Matrizierschaltung liefert zwei Ausgangsgrößen. Die erste gibt die Differenz zwischen der Summe der Ströme der beiden linken Sektoren und der Summe der Ströme der beiden rechten Sektoren an; dies zeigt einen Fehler in der x-Koordinate an. Die zweite Ausgangsgröße gibt die Differenz zwischen der Summe der Ströme der beiden oberen Sektoren und der Summe der Ströme der beiden unteren Sektoren an, wodurch ein Fehler in der y-Koordinate signalisiert wird.
Fig. 10 veranschaulicht einen Zustand, wo eine Positionsmeßöffnung 47 nicht mit der wirksamen Fläche 92 des Quadrantendetektor-Lichtsensors 89 fluchtet; das projizierte Bild 47a ist daher nicht ausgerichtet, die vier Sektoren sind ungleichmäßig ausgeleuchtet, und es wird ein von Null verschiedenes Ausgangssignal erzeugt. In dem spezifischen Fall ist die Summe der Ströme der linken Sektoren größer ist als die der Ströme der rechten Sektoren, wodurch ein Ausgangssignal in der x-Koordinate erzeugt wird, das anzeigt, daß die Öffnung 47 zu weit links angeordnet ist.
Fig. 11 gibt die Ausgangsspannung V von einer Matrizierschaltung des beschriebenen Typs an, die in Abhängigkeit von der Verschiebung Δx der Öffnung aufgetragen wurde. Der steilansteigende Mittelabschnitt a entspricht Verschiebungen, die kleiner sind als der Radius der Positionsmeßöffnung 47. Für größere Verschiebungen wird die Ausgangsgröße konstant (dargestellt in b). Eine weitere Verschiebung bewirkt, daß das Bild der Positionsmeßöffnung 47 den Rand der wirksamen Fläche 92 kreuzt; das bei c dargestellte Ausgangssignal fällt ab und erreicht null (d), wenn das Bild der Öffnung 47 die wirksame Fläche verläßt. Der Abstand zwischen dem Punkt d und der Mitte der Kurve gibt das Maximum des Positionierfehlers an, das diese spezielle Kombination von Sensor und Positionsmeßöffnung lesen kann.
Der optische Nachweis ist durchaus nicht die einzige Möglichkeit zur Ermittlung von Positionsfehlern. Beispielsweise können sehr exakte Positionsmessungen mit Hilfe einer Kombination von Luftdüsen, Maskenöffnungen und Durchflußmessern oder Druckmessern vorgenommen werden.
Wie zuvor erläutert wurde, werden die Positionsfehlersignale verwendet, um alle Fehler in der Maskenposition und - orientierung zu korrigieren, die Maske zu strecken und ihre Form einzustellen. Einige dieser Arbeitsgänge können es erfordern, daß bestimmte Spannvorrichtungen 44 zurückbewegt werden, d.h., eine Lockerung vorsehen, so daß andere Spannvorrichtungen sich nach außen bewegen können, ohne die Maskenspannung zu erhöhen. Die von jeder Spannvorrichtung ausgeübte Kraft bleibt jedoch immer nach außen gerichtet; die Rücknahme wird durch vorübergehendes Verringern der von der einen Spannvorrichtung ausgeübten Kraft bis unter die Kraft der gegenüberliegenden Spannvorrichtung oder der gegenüberliegenden Spannvorrichtungen erreicht.
Die erforderlichen Zugkräfte können von hydraulischen, pneumatischen oder elektrischen Antrieben erzeugt werden. Wie z.B. hier erläutert wurde, sind elektrische Schrittmotoren, die heruntergeschaltet werden, so daß sie eine große Kraft mit geringer Verschiebung erzeugen, für den Antrieb durch rechnergesteuerte Impulse gut geeignet. Wenn es gewünscht wird, eher eine kontrollierte Verschiebung als eine regelbare Kraft zu erzeugen, kann zwischen Motor und Spannvorrichtung eine Feder eingesetzt werden.
Es sollte daran erinnert werden, daß in der Praxis ein Motor über einen Kraftverteiler, wie er in Fig. 7 dargestellt ist, eine Vielzahl von Spannvorrichtungen antreiben kann.
Gemäß der Erfindung ist eine Rechnereinrichtung zum Einstellen der von jedem Motor oder einem anderen Krafterzeuger erzeugten Kraft vorgesehen. Wenn nur der eine Motor und nur die eine Fehlermeßeinrichtung vorhanden wären, würde die Rückkopplungsschleife eine einfache Servoeinrichtung sein, und ein Rechnereinsatz wäre nicht erforderlich. Das gleiche würde zutreffen, wenn jeder Motor nur auf den Positionierfehler der einen Koordinate in einem speziellen Meßfühlerort einwirken würde; dann wäre eine gesonderte Schleife für jedes Motor-Meßfühler-Paar erforderlich, zwischen den Paaren würde jedoch keine gegenseitige Beeinflussung stattfinden.
In der Praxis ist die Situation komplexer; jeder Motor verursacht Verschiebungen an den meisten oder an allen Meßfühlerorten. Diese Verschiebungen sind am größten dicht an der von dem einzelnen Motor angetriebenen Spannvorrichtung und wesentlich kleiner an anderer Stelle, wenn aber mehrere oder viele Motoren vorhanden sind, summieren sich diese Beiträge. Jeder derartige Beitrag kann durch einen Matrizenkoeffizienten charakterisiert werden, und für eine gegebene Konfiguration von Motoren, Spannvorrichtungen und Meßfühlerorten können diese Koeffzienten ein für allemal bestimmt und in dem Speicher eines Rechners gespeichert werden. Das Problem der Bestimmung der Werte der N Kräfte, die erforderlich sind, um die N Positionsfehler auf null zu reduzieren, besteht dann lediglich darin, N simultane lineare Gleichungen zu lösen, eine Aufgabe, die leicht und schnell von einem Rechner erledigt wird.
Die Spannvorrichtungen, die zum Übertragen der geregelten Kräfte auf den Umfang der Maske verwendet werden, müssen eine Zugkraft in der Größenordnung von 2,1 kg/cm² (30 Pounds pro Zoll) Breite aushalten, mit einem ausreichenden Sicherheitsspielraum. Es können unbeschichtete stählerne Klemmbacken verwendet werden, in diesem Fall sind Spannkräfte von mehreren hundert englischen Pfund für Spannvorrichtungen mit einer Breite von etwa ein Zoll erforderlich; Elastomerbeschichtungen reduzieren diese Anforderung beträchtlich, bringen jedoch ein Verschleißelement mit sich. Hydraulische Antriebe sind gut geeignet, um die große statische Kraft zu erzeugen, die nach dem Schließen erforderlich ist. Die Klemmbacken werden vorzugsweise durch relativ schwache Federn offengehalten, wenn der hydraulische Druck nicht aufgebracht wird. Während des normalen Betriebes der Maschine 450 wird der Klemmdruck in allen Spannvorrichtungen gleichzeitig aufgebracht oder weggenommen, so daß nur ein einziges Ventil erforderlich ist, um den hydraulischen Druck aufzubringen oder wegzunehmen.
Fig. 12 ist eine schematische Darstellung der oben beschriebenen mehrfachen Rückkopplungsschleifen. Die Positionsfehlersignale von den Positionsmeßöffnungen 47 und von den Quadrantendetektor-Lichtsensoren 89 sind Analogsignale; sie werden in dem Analog-Digital-Umwandler 121 in Digitalsignale umgewandelt und dann dem Rechner 122 übermittelt. Der Rechner, der die passenden Matrizenkoeffizienten in seinem Speicher 123 gespeichert hat, berechnet die von den Schrittmotoren 124 zu erzeugenden Kräfte und berechnet, gestützt auf die bekannten Konstanten der Federn 125 und des Kraftverteilungssystems 126, das die von jedem Motor erzeugte Kraft auf mehrere Spannvorrichtungen 44 überträgt, die Anzahl der Schritte, um die jeder Motor vorgerückt oder gebremst werden sollte. Außerdem erzeugt er die passende Anzahl und den passenden Typ (vorwärts oder rückwärts) von Impulsen. Diese Impulse werden in Leistungsverstärkern 127 verstärkt und auf die Motoren 124 aufgebracht, die mit Untersetzungsgetrieben 128 ausgerüstet sind.
Der Rechner steuert außerdem das Öffnen und Schließen des Hydroventils 129, das den hydraulischen Druck auf die Spannvorrichtungen 44 bringt, indem es die Klemmbacken veranlaßt, sich zu schließen, wenn die Maske einzuspannen ist, und indem es ermöglicht, daß sie sich öffnen, wenn die Maske freizugeben ist.
Die im Zusammenhang mit Fig. 12 beschriebene Anordnung eignet sich für den Prozeß des Indeckungbringens der Maske mit einem vorbestimmten Standardmuster. Fig. 13a-13f veranschaulichen ein Umfeld, in dem diese Anordnung verwendet wird, um Montagen von Masken und Scheiben für Farbkathodenstrahlröhren mit flacher Spannmaske durchzuführen. Es ist davon auszugehen, daß die in Fig. 13a-13f veranschaulichte Maschine 130 die Elemente von Fig. 12 umfaßt oder in Verbindung mit ihnen funktioniert.
Das wichtigste Element der Maschine 130 ist ein stabiler Rahmen 131. Die eine Seite dieses Rahmens ist im Vertikalschnitt in Fig. 13a dargestellt, und eine Untersicht des gesamten inneren Teils des Rahmens ist in Fig. 13b dargestellt. Die Oberseite des Rahmens ist eine plan bearbeitete Fläche 132, auf der die Spannvorrichtungen gleiten können. Der Rahmen bildet eine fensterartige Öffnung, etwas kleiner (z.B. in x- und in y-Richtung um ein Zoll) als die Maske in ihrer ursprünglichen ungeschnittenen Form.
Vier indexierende Anschläge 133a, 133b, 133c und 133d sind an der Innenseite des Rahmens angebracht. Die Anschläge 133a und 133b, die symmetrisch entlang einer gemeinsamen Kante angeordnet sind, tragen Halbkugeln 222a, 222b sowie vertikale Anschläge 220a, 220b. Die Halbkugel 222c ist, bezogen auf 222b, um die Ecke herum positioniert, der dritte vertikale Anschlag 220c befindet sich dagegen in der Mitte der Kante, gegenüber den Anschlägen 133a und 133b.
Diese sechs indexierenden Elemente bilden zusammen mit einer Einrichtung (nicht dargestellt) zum Aufwärts- und Seitwärtsverschieben einer Scheibe, um den Kontakt an allen sechs Punkten aufrechtzuerhalten, eine Form der zuvor beschriebenen universellen Sechs-Punkt-Haltevorrichtung 30.
Eine Bodenplatte 91, die im Schnitt in Fig. 13c und 13d zu sehen ist, kann ebenfalls gegen die gleichen indexierenden Elemente verschoben werden. Sie ist groß genug, um das Fenster in dem Rahmen 131 nahezu auszufüllen und dabei ringsherum gerade noch einen schmalen Spalt freizulassen. Sie weist vier ausgeschnittene Abschnitte 138 auf, die die sechs indexierenden Elemente aufnehmen, so daß die Bodenplatte 91 genau eingepaßt werden kann. Wenn die Platte 91 folglich eingepaßt ist, ist ihre ebene Oberseite 139 horizontal, parallel zu der bearbeiteten oberen Seite 132 des Rahmens 131 und koplanar mit der Oberseite der unteren Klemmbacken der Spannvorrichtungen 44, die auf der Fläche 132 sitzen.
Außerdem ist eine Kopfplatte 141 mit einer ebenen horizontalen Bodenfläche 142 vorhanden, die von oben nach unten bewegt werden kann, um sich auf die Oberseite 139 der Bodenplatte 91 aufzusetzen. Die Bodenplatte und die Kopfplatte sind mit später zu beschreibenden optischen Einrichtungen ausgerüstet.
Anstelle der Kopfplatte kann der Schweißkopf 143 eines Hochleistungslasers (siehe Fig. 13f) soweit heruntergeführt werden, daß sein Brennpunkt in einer Ebene knapp über der bearbeiteten Oberseite 139 der Bodenplatte 91 liegt.
In dem in Fig. 13c dargestellten Ausgangszustand der Maschine 130 ist die Bodenplatte 91 gegen die sechs indexierenden Elemente eingepaßt Zwei einziehbare Paßstifte (nicht dargestellt) ragen aus der Oberseite 139 heraus. Die Spannvorrichtungen 44 sind zurückgezogen. Nun wird eine Maske 4A auf der Fläche 139 angeordnet, mit passenden vorgegtzten Öffnungen, in die die beiden Paßstifte passen.
Als nächstes wird die Kopfplatte 141 soweit abgesenkt, bis sie selbst auf der Maske 4A aufsitzt. Die beiden vorstehenden Paßstifte gleiten in die Abstandslöcher (nicht dargestellt> in der Kopfplatte. Die Spannvorrichtungen 44 werden vorgerückt, bis sie die Maske soweit überdecken, daß das Spannen möglich ist; sie werden dann geschlossen (Fig. 13d). Darauf wird die Kopfplatte ein wenig angehoben, um die Maske freizugeben, und die beiden Paßstifte werden zurückgezogen.
Entsprechend jeder Positionsmeßöffnung 47 in der Maske (in Fig. 13a-13f nicht dargestellt) befindet sich eine zylindrische Bohrung 144 in der Kopf- und in der Bodenplatte. Die Kopfplatte 141 trägt eine Lampe 145 in einem kleinen Gehäuse 146 über der Bohrung 144. Die Bodenplatte 91, die mit der Maske in Kontakt bleibt, trägt ein optisches System 147, das aus einem Quadrantendetektor-Lichtsensor 89 an dem Ende eines Rohres 148 und aus einer Linse 149 besteht, die dazu dient, ein Bild der Maskenpositionsmeßöffnung 47 auf den Quadrantendetektor-Lichtempfänger 89 zu fokussieren. Das an dem Boden der Bodenplatte 91 angebrachte optische System 147 ermöglicht geringfügige seitliche mechanische Einstellungen, damit ihre Position mit hoher Genauigkeit eingestellt werden kann.
Kehren wir nun zu der Arbeitsfolge der Maschine 130 zurück. Als nächstes wird das Rückkopplungssystem zum Positionieren, Strecken und Formen der Maske aktiviert. Dies erfolgt vorzugsweise stufenweise, um unerwünschte mechanische Übergangsvorgänge zu vermeiden. Sobald alle Positionierfehler sich innerhalb der Toleranz befinden, werden die Positionen der Spannvorrichtungen arretiert; wenn beispielsweise Schrittmotoren zum Ziehen der Spannvorrichtungen verwendet werden, werden diese Motoren in ihrer Position elektrisch verriegelt.
Die Kopfplatte 141 und die Bodenplatte 91 werden dann beide zurückgezogen und zur Seite bewegt (siehe Fig. 13e). Eine gerasterte Scheibe 28 wird in die Maschine eingesetzt und soweit gegen die Maske 4A angehoben, bis sie von den sechs indexierenden Elementen aufgenommen wird. An diesem Punkt berührt die geschliffene Oberseite der Maskenhalterung 3A die Unterseite der gestreckten Maske und hebt sie vorzugsweise einige Tausendstel eines Zolls an. Nun wird der Schweißkopf 143 abgesenkt (Fig. 13f), und die Maske wird an die Halterung angeschweißt.
Als nächstes wird der Umfangsabschnitt der Maske abgeschnitten, vorzugsweise mit Hilfe des gleichen Lasers, und der Schweißkopf 143 wird angehoben und zur Seite bewegt. Die Spannvorrichtungen 44 werden geöffnet und zurückgezogen, damit der abgeschnittene Umfangsabschnitt der Maske weggeworfen werden kann. Schließlich wird die fertiggestellte Baugruppe aus der Scheibe 2B und der Maske 4A - die letztere ist nun an die Maskenhalterung 3A angeschweißt - abgesenkt und aus der Maschine genommen. Die beiden Paßstifte werden erneut ausgefahren, und die Maschine ist bereit für einen weiteren Arbeitstakt.
Der in dem vorhergehenden Teil dieser Beschreibung beschriebene Prozeß stützt sich auf die Annahme, daß, wenn der Schirmträger 2A gegen die Halbkugeln 22a, 22b und 22c und gegen die vertikalen Anschläge 20a, 20b und 20c gedrückt wird, das Rastermuster exakt dort angeordnet ist, wo es sich befinden sollte. In der Praxis treten allerdings manchmal Abweichungen von der Idealsituation auf. Diese Abweichungen lassen sich in zwei Kategorien einteilen:
(1) Das gesamte Rastermuster kann in bezug auf seine Nennposition, wie sie in Fig. 14a angegeben ist, parallelverschoben und/oder gedreht werden; es wird darauf hingewiesen, daß keine Veränderung der Geometrie (d.h., Größe und Form> des Musters existiert;
(2) die Geometrie des Rastermusters kann verzerrt sein. Das Muster kann z.B. in einer oder in beiden Abmessung(en), wie in Fig. 14b angegeben ist, gestreckt oder zusammengedrängt sein. Eine Rasterverzerrung kann außerdem in Kombination mit einer Parallelverschiebung und/oder einer Drehung stattfinden.
Ein gewisses Maß an Abweichung von dem Ideal muß in jedem Fertigungsprozeß erwartet werden. In diesem Fall existieren jedoch Möglichkeiten zum Ausschalten oder zumindest zum Reduzieren des Einflusses solcher Abweichungen. Diese Möglichkeiten werden nun besprochen.

Einstellen der Schirmträgerposition zur Korrektur der Parallelverschiebung und/oder Drehung des Rastermusters

Wenn das Raster durch Offsetdruck oder ein ähnliches Verfahren auf den Schirmträger aufgebracht wird, ist es wahrscheinlich, daß der vorherrschende Fehler ein Positionierfehler entlang einer Achse, d.h. entlang der x- oder der y-Achse sein wird, verursacht durch unvollkommenes Indizieren der translatorischen Bewegung des Schirmträgers mit der Drehbewegung der Druckwalze. Weitere Positionsfehler, die aus einer seitlichen Verschiebung oder aus einer leichten Drehung des Schirmträgers in bezug auf seine Nennposition in der Druckpresse resultieren, sind ebenfalls möglich. Andererseits kann keine signifikante Verzerrung der Geometrie des Rastermusters vorhanden sein, so daß lediglich das erneute Positionieren des Schirmträgers in der Montagemaschine erforderlich wäre.
Vom Konzept her besteht die einfachste Methode darin, den Montagevorgang zu befolgen, der zuvor in Verbindung mit Fig. 13 beschrieben wurde, jedoch alle Positionierungsfeh-1er des Rastermusters, d.h., Parallelverschiebung oder Drehung in bezug auf seine Standardposition, durch Einstellen der Position der Scheibe vor ihrem Einsetzen in die Montagemaschine oder wenigstens vor dem Anschweißen der Maske an die Halterung 3A zu korrigieren. Verfahren dafür sind im folgenden beschrieben.
Bei der einen Methode wird eine modifizierte Form der zuvor in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen universellen Haltevorrichtung 30 verwendet. Die modifizierte Vorrichtung 400 ist in Fig. 15 dargestellt und bildet eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme eines Schirmträgers (einer Frontscheibe). Die feststehenden Halbkugeln 22a, 22b und 22c von Fig. 2 sind in der Vorrichtung 400 durch einstellbare Halbkugeln 401a, 401b und 401c ersetzt. Jede dieser Halbkugeln ist andern Ende einer Mikrometerschraube 402 befestigt, die von einem einzelnen Schrittmotor 404 über Schneckenradgetriebe 406 gedreht werden kann. Durch selektives Einstellen der Positionen der drei Halbkugeln kann ein aufgenommener Schirmträger in bezug auf die Vorrichtungsplatte 416 bewegt werden, um das Rastermuster in eine vorbestimmte Position in bezug auf die Vorrichtungsplatte zu bringen.
Der Arbeitsgang, der sich auf diese Methode stützt, besteht darin, einen Schirmträger in die Haltevorrichtung 400 einzulegen, die geladene Vorrichtung in eine Rasterprüfmaschine (wird im Zusammenhang mit Fig. 16 beschrieben) einzusetzen, diese Maschine die drei Halbkugelhalterungen einstellen zu lassen, so daß das Raster fehlerfrei positioniert ist, und dann die geladene Vorrichtung in eine Montagemaschine einzusetzen, wo die Maske positioniert und gestreckt wird, so daß sie einem Standardmuster in Position und Geometrie entspricht; die Maske wird dann an die Halterung angeschweißt. Diese Montagemaschine ist im wesentlichen die gleiche wie die von Fig. 13, abgesehen von solchen Modifikationen, wie sie zur Aufnahme und zur exakten Anordnung der Vorrichtungsplatte 416 anstelle eines Schirmträgers erforderlich sind.
Um den festen und exakten Sitz jedes Schirmträgers in der Vorrichtung 400 zu gewährleisten, umfaßt die Vorrichtung vertikale Anschläge 408a, 408b und 408c, und drei Blattfedern 410, um den Schirmträger gegen die vertikalen Anschläge zu drücken. Die Blattfedern 410 können um Drehzapfen 412 gedreht werden, um das Einsetzen des Schirmträgers 413 von unten durch die rechteckige Öffnung 414 auf der Vorrichtungsplatte 416 zu ermöglichen. Um sicherzustellen, daß der Schirmträger zu allen drei Halbkugeln Kontakt hat, drückt die an der Stütze 420 montierte O-förmige Blattfeder 418 gegen eine Ecke.
Im Betrieb wird ein Schirmträger in die Vorrichtung 400 eingelegt, an Ort und Stelle durch Drehen der Blattfedern 410 in die dargestellte Position verriegelt, und die Vorrichtung wird in die Rasterprüfmaschine von Fig. 16 eingesetzt. Die Gitterpositionsfehler dx und dy werden an einer Anzahl von Punkten gemessen. Aus den Meßdaten werden die erforderlichen Einstellungen der drei Mikrometerschrauben 402 berechnet, und entsprechende Impulse werden auf die drei Schrittmotoren 404 übertragen. Die Prüfung aller Restpositionierfehler, die nach dieser ersten Einstellung noch vorhanden sind, kann weitere Einstellungen erfordern; hier ist eine Rückkopplungsschleife oder ein Regelkreis vorhanden, die (der) eine sehr genaue Einstellung der Schirmträgerposition erlaubt. Diese Schleife ist in Fig. 16 angegeben, die folgendes schematisch darstellt: eine Rasterprüfmaschine 430, die die Vorrichtung 400 von Fig. 15 aufnehmen kann, einen Rechner 432, um Positionsfehlersignale 434 von dem Meßfühler 431 (der eine Videokamera umfassen kann) in Schrittmotorimpulse 440 umzuwandeln, einen Schalter 438, um den Rechnerausgang mit den drei Schrittmotoren 404 zu verbinden, und Mikrometerschrauben 402, um die Position des Schirmträgers einzustellen. Wie zuvor erläutert, wird die eingestellte Vorrichtung dann an eine Maske in einer Montagemaschine angepaßt, die im allgemeinen wie in Fig. 13 konstruiert ist, abgesehen davon, daß diese Maschine eher für die Behandlung der Vorrichtungsplatte 416 als des Schirmträgers ausgerüstet ist.
Fig. 17 veranschaulicht eine Variante einer Rasterprüfmaschine im Detail. Diese Variante kann verwendet werden, wenn zum Zeitpunkt der Prüfung keine Aluminiumschicht auf das Raster aufgebracht wurde, oder wenn die zu messenden Punkte, typischerweise an der Peripherie des Blickfeldes, während der Auftragung der Schicht abgedeckt wurden, so daß sie unbeschichtet bleiben. Der das Gitter 3 tragende Schirmträger 28 ist in der Haltevorrichtung 400 verriegelt, die ihrerseits in die Prüfmaschine 430 eingesetzt wird, durch den Tisch 362 angehoben wird und nach oben gegen die vertikalen Anschläge 358 sowie seitlich gegen die Halbkugeln 360 gedrückt wird, die beide an Konsolen 359 montiert sind (nur eine Konsole ist dargestellt). An der Unterseite des Tisches 362 montierte Lichtquellen 364 beleuchten kleine ausgewählte Bereiche an der Peripherie des Gitters durch Löcher 366 in dem Tisch 362 und durch die rechteckige Öffnung 414 in der Vorrichtungsplatte 416. Mit Videokameras ausgerüstete Mikroskope 431, die fest an dem Rahmen 370 der Maschine 430 angebracht sind, entwickeln Muster, die der Gitterkonfiguration in dem kleinen ausgewählten Bereich entsprechen.
Fig. 18a zeigt, stark vergrößert, das Muster, das eine Ecke des Gitters, gesehen durch die Videokamera, darstellt. In Fig. 18a ist eine horizontale Abtastlinie 367 angegeben; das entsprechende Ausgangssignal ist in Fig. 18b gezeigt.
Andere horizontale Abtastlinien werden in Abhängigkeit davon, wo sie die Gitteröffnungen kreuzen, breitere oder schmalere Impulse erzeugen. Aus dem Anfangs- und dem Endzeitpunkt jedes Impulses können die horizontalen Koordinaten x der Lochmitten berechnet werden, und mit Hilfe vieler Abtastlinien können die Werte gemittelt werden, um Fehler zu reduzieren. In ähnlicher Weise erzeugt die vertikale Abtastung die in Fig. 18c dargestellten scharfkantigen Impulse und liefert damit Informationen bezüglich der vertikalen Koordinaten y der Gitterlöcher.
Der Rechner 432 (Fig. 16) nimmt diese Information entgegen, berechnet die erforderlichen Einstellungen der drei Mikrometerschrauben 402 und erzeugt die passenden Impulse für die Schrittmotoren 404, wie zuvor erläutert wurde. Dieser Vorgang kann solange wiederholt werden, bis die Restfehler bis unter eine vorbestimmte Toleranzgrenze reduziert sind.
Eine andere Version der Rasterprüfmaschine 430, die durch Fig. 17 veranschaulicht wird, muß verwendet werden, wenn das Raster zum Zeipunkt der Prüfung vollständig aluminiert ist, so daß auch die peripheren Abschnitte des Gitters abgedunkelt sind. Dann wird es erforderlich, das Gitter von der Außenseite zu prüfen, d.h. durch den Schirmträger. Zu diesem Zweck kann die in Fig. 15 dargestellte Vorrichtung 400 vor dem Einsetzen in die Maschine 430 umgedreht werden; die in Fig. 17 dargestellten Lichtquellen 364 werden durch Lichtquellen ersetzt, die in der Nähe der Videokameras 431 angeordnet sind. Die Videokameras 431 beobachten das Gitter durch die gesamte Dicke des Schirmträgers 416. Die Dicke des Schirmträgers kann variieren, und der Brennpunkt der Videokamera muß eingestellt werden, um derartige Änderungen zu kompensieren. Dies kann mittels eines herkömmlichen automatischen Fokussierungssystems erfolgen, oder durch einen Mechanismus, mit dem die Rasteroberfläche gemessen werden kann, und der auf einen Zuwachs 5 in der Schirmträgerdicke mit Zurückziehen der Kameras 431 um S(n - 1)/n reagiert, wobei n der Brechungsindex des Glases des Schirmträgers ist.
Eine weitere Methode zum Korrigieren der Rastermusterpositionsfehler umgeht die Verwendung einer speziellen Haltevorrichtung; der Schirmträger wird direkt in die in Fig. 19 veranschaulichte Rasterprüfmaschine eingesetzt. Es wird darauf hingewiesen, daß die meisten der wichtigen Merkmale dieser Maschine 530, d.h. die vertikalen Anschläge 558 und die Halbkugeln 560, der Tisch 562, die Lichtquelle 564, das Loch 566 und die Videokamera 531 ihre Gegenstücke in Fig. 17 besitzen. Der signifikante Unterschied ist das Fehlen der Haltevorrichtung 400 und der einstellbaren Anschläge mit ihren Mikrometerschrauben 402 und den Schrittmotoren 404. Darüberhinaus können die Anschläge 558 und die Halbkugeln 560 eher den Schirmträger als die größere Vorrichtungsplatte 416 aufnehmen.
Rasterpositionierungsfehler werden in der Maschine 530 genauso gemessen, wie zuvor im Zusammenhang mit der Maschine 430 (Fig. 17) beschrieben wurde, und die zur Korrektur dieser Fehler erforderlichen Mikrometereinstellungen werden berechnet. In diesem Fall existiert jedoch keine Rückkopplungsschleife; stattdessen wird die Korrekturinformation zur späteren Übertragung auf die Montagemaschine in dem Rechner gespeichert.
Die Montagemaschine ist eine modifizierte Form der Maschine von Fig. 13. Die Modifikation besteht darin, daß die Halbkugeln einstellbar gemacht wurden, wie in der Detailansicht in Fig. 20 dargestellt ist (diese Figur sollte mit Fig. 13f verglichen werden). Die Halbkugeln 380 (nur eine ist dargestellt) sind an Mikrometerschrauben 382 angebracht, die von dem Schrittmotor 384 über die Getriebe 386 und 388 eingestellt werden können.
Vor dem Einsetzen eines Schirmträgers in die in Fig. 13 angegebene modifizierte Montagemaschine, wie sie in Fig. 20 modifiziert ist, werden die gespeicherten Korrekturdaten für diesen Schirmträger auf die Schrittmotoren 384 übertragen. Wenn also dieser Schirmträger in die Montagemaschine eingesetzt ist, befindet sich das Raster in der richtigen Position. Eine Maske, die derart positioniert und gestreckt ist, daß sie einer genormten Position und Geometrie entspricht, wird daher ohne irgendwelche weiteren Messungen mit diesem Schirmträger verbunden, und daraus ergibt sich die Deckung von Öffnungen und Rastermustern.
Die Verwendung einer separaten Maschine, die zur Rasterprüfung bestimmt ist, macht es möglich, die Positionsmeßfühler - beispielsweise die Videokameras 431 oder 531 - starr an dem Rahmen 370 oder 570 dieser Maschine zu befestigen (siehe die jeweiligen Figuren 17 und 19), wodurch eine gute Reproduzierbarkeit der Messungen sichergestellt ist. Der Schirmträger oder die Haltevorrichtung kann eingesetzt und herausgenommen werden, ohne daß die Meßfühler zur Seite bewegt werden müßten.
Es ist jedoch auch möglich, das Raster in einer Montagemaschine zu prüfen. Diese Alternative macht eine separate Rasterprüfmaschine und die zugehörige gesonderte Handhabung des Schirmträgers überflüssig, die eine größere Komplexität und einen langsameren Arbeitstakt der Montagemaschine bedeuten würden, was durch die zusätzlichen Arbeitsgänge bedingt ist, die jetzt in dieser Maschine durchgeführt werden müssen.
Ein Beispiel einer solchen Maschine ist in Fig. 21 dargestellt. Diese Figur zeigt eine Montagemaschine, die die grundlegenden Merkmale der Maschine von Fig. 13 aufweist, die dahingehend modifiziert wurde, daß sie, wie in Fig. 21 gezeigt wird, die einstellbaren Halbkugeln 380 zum Einstellen der Position des Schirmträgers umfaßt, und die des weiteren dahingehend modifiziert wurde, daß sie optische Sensoren zum Beobachten nicht nur der Maske, sondern auch des Gitters umfaßt.
Fig. 21a veranschaulicht zwei ähnliche fensterartige Konstruktionen 320a und 320b, die über und unter der Grundplatte 321 (in Fig. 21b dargestellt) der Montagemaschine 318 montiert sind, die, wie erwähnt, im allgemeinen analog zu der Maschine von Fig. 13 ist. Die Konstruktionen 320a und 320b bestehen aus Querträgern 322a und 322b, die von Säulen 324a und 324b abgestützt werden, die an der Grundplatte 321 befestigt sind. Ein Schirmträger 330 ist mit der Halterung 332 in die Maschine eingesetzt, und eine Maske 333 befindet sich aufgrund der von Zugstangen 334 auf die Spannvorrichtungen 356 ausgeübten Kräfte unter Spannung.
Die Querträger 322a und 322b sind mit Verlängerungen 336 ausgerüstet, die Präzisionslager 338 tragen. Eine zylindrische Welle 340 kann sich in diesen Lagern frei drehen. Zwei optische Vorrichtungen 342 und 344 sind mit Hilfe von Riegeln 346 und 348 und ausfahrbaren Abstützungen 350 und 352 auf dieser Welle fest angebracht. Zum Zweck des Einsetzens, Schweißens und Herausnehmens der Maske und des Schirmträgers können sie zur Seite ausgeschwenkt oder in die veranschaulichte Position bewegt werden, wobei der Riegel 348 die Halbkugel 354 berührt, die an einer der Säulen 324b angebracht ist.
Jede der optischen Vorrichtungen 342 und 344 weist eine Lichtquelle und einen optischen Meßfühler auf. Beispielsweise kann die Einrichtung 342 eine Einrichtung zum Projizieren eines konvergierenden hohlen Lichtkegels durch die Maske auf die aluminierte Innenseite des Rasters enthalten, um nach der Reflexion durch die Schicht einen hell erleuchteten Fleck auf der Innenseite der Maske zu bilden. Der optische Meßfühler in der Einrichtung 342 kann aus einer Kombination einer Fokussierlinse und eines Quadrantendetektors ähnlich den Elementen 149 und 89 von Fig. 13d bestehen, zum Messen der Positionsfehler einer vorbestimmten Maskenöffnung in x- und in y-Richtung und zum Erzeugen von zu derartigen Positionsfehlern gehörenden Fehlersignalen.
Die optische Vorrichtung 344 hat andererseits die Aufgabe, Positionsfehler in x- und in y-Richtung des Gitters an einem vorbestimmten Ort zu messen. Es wird hier davon ausgegangen, daß das Gitter an dieser Stelle durch die Aluminiumschicht abgedunkelt ist, folglich kann Gegenbeleuchtung nicht zweckmäßig sein. Die Vorrichtung 344 kann daher eine Einrichtung zum Beleuchten eines Abschnitts des Rasters von vorn sowie einen Meßfühler umfassen, der ein mit einer Fokussierlinse ausgerüsteter Quadrantendetektor sein kann, der jedoch vorzugsweise ein Mikroskop mit einer Videokamera ist. Wie zuvor erläutert wurde, muß der optische Meßfühler in der Vorrichtung 344 so beschaffen sein, daß er Abweichungen in der Schirmträgerdicke kompensiert, entweder indem er mit einem automatischen Fokussiersystem ausgerüstet ist, oder mit Hilfe eines Mechanismus zum Erfassen der Rasteroberfläche.
Die Betriebsweise der Montagemaschine 318 ist analog zu dem zuvor im Zusammenhang mit der separaten Rasterprüfmaschine (Fig. 17 und 19) beschriebenen Verfahren: Die Information von den Meßfühlern der optischen Vorrichtungen 344 (äquivalent mit dem Meßfühler 431 in Fig. 16) über die Gitterposition wird einem Rechner (äquivalent mit dem Rechner 432 in Fig. 16) übermittelt, der die erforderlichen Korrekturen der drei Halbkugeln (380 in Fig. 21) berechnet und entsprechende Impulse zu den Schrittmotoren 384 sendet, so daß sie die Mikrometerschrauben 382 über die Getriebe 386 und 388 einstellen. Dies ist eine geschlossene Rückkopplungsschleife, analog zu der von Fig. 16; das Wiederholen dieses Arbeitstaktes bewirkt, daß der Fehler in der Rasterposition bis unter eine vorbestimmte Toleranzgrenze reduziert wird.
Völlig unabhängig von der gerade beschriebenen Einstellung der Schirmträgerposition wird die Maske 333 von den Meßfühlern der optischen Vorrichtung 342 überwacht und durch Spannvorrichtungen 356 gestreckt sowie positioniert, die von Servomotoren (nicht dargestellt) über Zugstangen 334 in der zuvor erläuterten Weise angetrieben werden, bis die Maske einer festgelegten genormten Position und Geometrie entspricht. Sobald die Einstellungen des Schirmträgers und der Maske abgeschlossen sind, werden die optischen Vorrichtungen 342 und 344 zur Seite geschwenkt; die Maske wird dann an die Halterung 332 angeschweißt, das überschüssige Material wird abgeschnitten, und die Anordnung wird in der im Zusammenhang mit Fig. 13 beschriebenen Weise aus der Maschine genommen.

Einstellen der Maskenposition zur Korrektur der Parallelverschiebung und/oder Drehung des Rastermusters

In dem vorhergehenden Teil dieser Beschreibung wurden Methoden zum Bestimmen der Abweichung des Gitters (Rasters) von seiner Nennposition und zum Verwenden dieser Information zum Bewegen des Schirmträgers ausgeführt, so daß sich vor dem Anschweißen der Maske an ihre Halterung in der Montagemaschine das Gitter in seiner Nennposition befindet. Es besteht jedoch eine alternative Möglichkeit der Verwendung der gleichen Information. Sie wird am besten anhand eines Beispiels veranschaulicht.
Es soll angenommen werden, daß das Raster in der Maschine von Fig. 19 geprüft wird, und daß die Meßfühler feststellen, daß das Gitter um 0,08 mm (drei tausendstel Zoll) nach rechts und um 0,02 mm (ein tausendstel Zoll) nach oben verschoben ist, bei einem Verdrehungsfehler von 0,2 Milliradian im Uhrzeigersinn. Gemäß den zuvor beschriebenen Prozeduren müßten die Mikrometerschrauben in der Vorrichtung 400 (Fig. 15) oder in der Montagemaschine (Fig. 20 oder 21) so eingestellt werden, daß sie den Schirmträger um drei tausendstel Zoll nach links und um ein tausendstel Zoll nach unten bewegen und ihn um 0,2 Milliradian gegen den Uhrzeigersinn drehen, um das Gitter in seine Nennposition zu bringen. Das gleiche Endergebnis ließe sich ohne Vornahme irgendwelcher mechanischen Einstellungen an dem Schirmträger durch Bewegen der ordnungsgemäß gestreckten Maske aus ihrer Nennposition um drei tausendstel Zoll nach rechts und um ein tausendstel Zoll nach oben und durch ihr Drehen um 0,2 Milliradian im Uhrzeigersinn erzielen. Dies kann z.B. erfolgen, indem man zuerst ermöglicht, daß die die Maske streckenden Servomotoren die Maske positionieren und strekken, damit sie der vorbestimmten genormten Position und Geometrie entspricht, und dann die Regelkreise abschaltet und den Motoren geeignete Eingangssignale übermittelt, damit sie die Maske wie gefordert in einem rückführungslosen Modus verschieben, ohne Änderung ihrer Größe, Form oder Spannung, d.h., unter Erhaltung ihrer Geometrie.
Eine weitere Möglichkeit besteht im Montieren aller Servomotoren auf einem starren Träger, der als ein Ganzes verschoben werden kann, und im Eintragen der Positionskorrektur in diesen Träger. Dies ist in Fig. 25 veranschaulicht, die eine Montagemaschine 600 zeigt, umfassend einen Rahmen 602, drei Halbkugeln 604 (nur eine von ihnen ist dargestellt) und drei vertikale Anschläge 606 (nur zwei von ihnen sind dargestellt) zum Lokalisieren des Schirmträgers 608, sowie einen vertikal bewegbaren Tisch 609, um den Schirmträger gegen die vertikalen Anschläge zu drücken. Der Rahmen 602 besitzt ebene Oberseiten 610, die den rahmenförmigen Träger 612 über Stahlkugeln 614 abstützen. Die Schrittmotoren 616 zum Strecken der Maske 618 über Zugstangen 620 und Spannvorrichtungen 622 stützen sich sämtlich auf die Oberseite des Trägers 612 ab.
Die Höhe des Trägers 612 über den ebenen Oberseiten 610 des Rahmens 602 wird durch die Stahlkugeln exakt geregelt. Ihre horizontale Position kann durch drei Mikrometerschrauben 624 (nur eine ist dargestellt) eingestellt werden, die durch Schrittmotoren 626 über Untersetzungsgetriebe 627 und 628 gesteuert werden. Nur ein Schrittmotor ist dargestellt, drei sind jedoch erforderlich, um allein die horizontale Position des Trägers zu definieren; eine schematisch dargestellte komprimierte Feder 630 sichert den ständigen Kontakt zwischen den Spitzen der drei Mikrometerschrauben 624 und dem Träger 612.
Um die Zeichnung zu vereinfachen, zeigt Fig. 25 keine optischen Vorrichtungen. Außerdem ist die horizontale Abmessung der Maske reduziert dargestellt, so daß beide Seiten des Trägers 612 gezeigt werden können.
Es ist ferner möglich, die Information von der Rasterprüfmaschine zu verwenden, um die Rückkopplungsschleifen anzusteuern, die die Maskenservomotoren steuern. Diese Möglichkeit ist in Fig. 22 für den Fall von Analogsignalen veranschaulicht. Es ist wesentlich, daß beide Fehlersignale lineare Funktionen der Positionierfehler sind, und daß eine gegebene Spannung dem gleichen Fehler für beide Quellen (Maske und Gitter) entspricht. Es wird einleuchten, daß eine digitale Version dieser Schaltung ebenfalls möglich ist. In jedem Fall werden sich die Servomotoren solange bewegen, bis das Differenzsignal Xm - Xg oder Ym - Yg bis auf null reduziert ist.
Die soeben ausgeführten drei Methoden haben das Prinzip gemeinsam, daß die Maske aus ihrer Standardposition bewegt wird, um eine Verschiebung des Gitters zu kompensieren. In allen drei Fällen wird die Maske gestreckt, damit sie einer Standardposition und -geometrie entspricht, und wird außerdem verschoben. Bei der ersten und der zweiten Methode werden diese beiden Arbeitsgänge getrennt ausgeführt; bei der dritten Methode werden sie zusammengefaßt. In allen drei Fällen kommen die Anweisungen für die zusätzliche Verschiebung von einer separaten Rasterprüfmaschine, und es ist nicht erforderlich, den Schirmträger in der Montagemaschine zu bewegen oder zu betrachten. Die Montagemaschine kann daher die in Fig. 13 dargestellte einfache Form annehmen, abgesehen von der Hinzufügung eines in Querrichtung bewegbaren Trägers zum Montieren der Servomotoren in dem Fall der zweiten Methode.
Die bis zu diesem Punkt beschriebenen Methoden stützen sich sämtlich auf die Annahme, daß das Gitter (das Raster) aus seiner Nennposition verschoben werden kann, daß es jedoch die richtige Größe und Form besitzt, so daß eine Maske, die gestreckt wurde, damit sie der Standardgeometrie entspricht, immer zu dem Gitter passen wird, lediglich vorausgesetzt, daß alle relativen Verschiebungen korrigiert werden.

Einstellen der Maskenform auf ein spezielles Raster

Die Möglichkeit, daß Rastermuster zu groß oder zu klein sind oder Verzerrungen aufweisen, wie sie in Fig. 14b angegeben sind, kann nicht ausgeschlossen werden. Es liegt in der Natur der streckbaren Maske, daß sie geringfügige Abweichungen von der korrekten Größe und Form des Gittermusters kompensieren kann. Um allerdings Vorteil aus dieser Eigenschaft zu ziehen, muß das Prinzip des Streckens der Maske, damit sie einer vorbestimmten Standardposition und - geometrie entspricht, durch den Gedanken ersetzt werden, sie zu strecken, damit sie einem individuellen Gitter entspricht. Wenn eine Rasterprüfmaschine mehr als zwei Punkte (beispielsweise die vier Ecken) an einem verschobenen, jedoch unverzerrten Gitter mißt, existieren bestimmte geometrische Beziehungen zwischen den gemessenen Daten. Beispielsweise sind die horizontalen Verschiebungen der beiden oberen Ecken gleich. Drei unabhängige Messungen (z.B. die vertikale Verschiebung jeder oberen Ecke und ihre gemeinsame horizontale Verschiebung) genügen, um die Parallelverschiebung des oberen Randes in x- und in y-Richtung sowie die Verdrehung zu bestimmen. Das Messen der x- und der y- Verschiebung aller vier Ecken liefert eine willkommene Redundanz, was die genauere Berechnung der Translationskomponenten eines ausgewählten Punktes (z.B. der Mitte des Rechtecks) sowie der Verdrehung mit Hilfe einfacher Algorithmen ermöglicht.
Wenn das Raster nicht nur verschoben, sondern auch verzerrt ist, können diese Algorithmen dennoch verwendet werden, um die translatorische und die rotatorische Komponente zum Zweck des Bewegens des Schirmträgers oder der Maske zu berechnen, um auf diese Weise eine Kompensation zu erzielen; aber natürlich wird eine solche Kompensation wegen der noch vorhandenen Verzerrungskomponente nicht vollständig sein.
Andererseits wird die letzte, in dem vorhergehenden Abschnitt ausgeführte Methode, wo die Rückkopplungsschleifen in Übereinstimmung mit den Fehlersignalen der Gitterposition, die von der Rasterprüfmaschine kommen, beeinflußt werden, automatisch bewirken, daß die Maske von der Standardgeometrie abweicht und gestreckt wird, so daß die Rasterverzerrung zumindest teilweise kompensiert wird. Wir nehmen z.B. an, daß das Gitter wie in Fig. 14b angegeben verzerrt, d.h. in der horizontalen Richtung zu lang ist; dann werden die horizontalen Verschiebungen der beiden oberen Ecken nicht gleich sein, wobei die rechte obere Ecke einen größeren positiven (oder kleineren negativen) Xg-Wert als die linke obere Ecke aufweist. Die beiden, dem linken und dem rechten Servomotor übermittelten Gitter-Vorspannungen (oder digitalen Vorspannungssignale) werden daher unterschiedlich sein und bewirken, daß die Motoren in Positionen zum Stillstand kommen, die die Maske mehr als den normalen Betrag strecken, um die übermäßige Länge des Gitters zu kompensieren.
Das soeben beschriebene Verfahren stellt eine Zwischenstufe zwischen dem Strecken der Maske, damit sie einer Standardposition und -geometrie entspricht, und ihrem Strecken dar, damit sie einem individuellen Gitter entspricht: Die Maske wird gestreckt, damit sie dem Standard entspricht, dagegen wird die Gitterinformation in die Rückkopplungsschleifen eingegeben, damit sie das spezielle Gitter korrigieren. Dies scheint ein umständliches Verfahren zu sein, und es erhebt sich die Frage, in welchem Umfang ein Standard in dieser Ausführungsform tatsächlich erforderlich ist.
Fig. 23 zeigt eine Montagemaschine, die eine vereinfachte Version der Maschine von Fig. 21 ist: Die in Fig. 21 angegebenen einstellbaren Halbkugeln 321 sind durch feststehende Halbkugeln ersetzt. Bei der Konstruktion der oberen Meßfühler der optischen Vorrichtung 342, die Maskenpositionsfehler in bezug auf ein Maskennormal messen, und der unteren Meßfühler der optischen Einrichtung 344, die Gitterpositionsfehler in bezug auf ein Gitternormal messen, ist dafür gesorgt, daß sichergestellt ist, daß gleiche Positionsfehler gleiche Fehlerspannungen (oder gleiche Fehlersignale) von beiden Gruppen von Meßfühlern produzieren. Die Meßfühler-Ausgangssignale werden dann an die differenzbildende Schaltung von Fig. 22 abgesetzt, und die Ausgangssignale von dieser Schaltung werden verwendet, um die Masken-Servomotoren zu steuern. Wenn die Servomotoren zum Stillstand kommen, paßt die Maske zu dem Gitter - verzerrt oder unverzerrt - soweit es innerhalb der mechanischen Einschränkungen des Systems möglich ist.
Das gemeinsame Anbringen eines Paars von Meßfühlern (342 und 344) an einer starren Welle 340 ist vorteilhaft, da das Ausgangssignal von der differenzbildenden Schaltung (Fig. 22) für die gleichzeitige Verschiebung beider Meßfühler um gleiche Beträge nicht empfindlich ist.
Fig. 24 zeigt ein direkteres Verfahren zum Erzeugen von Fehlersignalen, die Differenzen zwischen Maske und Gitter unmittelbar anzeigen, durch Messen der Positionen ausgewählter Punkte in der Maske direkt in bezug auf entsprechende Punkte auf einem individuellen Gitter. Die Anordnung von Fig. 24 modifiziert die Montagemaschine von Fig. 13. Ein Masken- oder Gitterstandard wird nicht verwendet. Insbesondere veranschaulicht Fig. 24 eine punktartige Lichtquelle 302, vorzugsweise einen Galliumarseniddiodenlaser, der zwei runde Öffnungen 304 (in Fig. 24c stark vergrößert dargestellt) in dem peripheren Bereich der Maske in der Nähe der Halterung 3a außerhalb des Blickfeldes ausleuchtet. Das durch die beiden Öffnungen hindurchtretende Licht trifft auf das schwarze Gitter 306. Das Gitter weist ein rechteckiges Fenster 308 auf, das so positioniert ist, daß, wenn Raster und Maske ordnungsgemäß ausgerichtet sind, die eine Hälfte des Lichts, das durch jede der beiden Maskenöffnungen 304 hindurchtritt, auch durch das Fenster hindurchtreten wird. Fig. 24c veranschaulicht den Fall, wo das Raster und damit das Fenster 308 nach links verschoben ist; demzufolge dringt jetzt mehr Licht von der linken Öffnung als von der rechten Öffnung durch das Fenster. Ein abgeglichener Fotodetektor 310, der aus zwei getrennten, im Gegentakt gekoppelten Fotodetektoren besteht, ist unter dem Schirmträger angeordnet, um ein die Fehlanpassung anzeigendes elektrisches Ausgangssignal und folglich ein Positionsfehlersignal zu erzeugen. Eine differenzbildende Schaltung des in Fig. 22 gezeigten Typs ist hier nicht erforderlich, da ein Differenzsignal direkt von der in Fig. 24 dargestellten optischen Anordnung erzeugt wird.
Die Größe der Öffnungen 304 des Fensters 308 hängt von der Größe des erwarteten anfänglichen Rasterpositionsfehlers der Maske in bezug auf das Gitter ab. Raum entlang dem Rand des Blickfeldes ist sehr gefragt; die Öffnungen und das Fenster sollten daher nicht größer gemacht werden als notwendig. Eine untere Grenze für die Öffnungsgröße wird durch das Auftreten von Beugungseffekten gesetzt, die dazu neigen, den Schatten des Öffnungsrandes auf dem Gitter unscharf zu machen.
Wenn zwischen dem Blickfeld und der Halterung 3A nicht genügend Raum verfügbar ist, können die Öffnungen 304 und das Fenster 308 außerhalb der Halterung angeordnet werden, wie in Fig. 24b gezeigt ist. Die Funktionsweise ist die gleiche wie die im Zusammenhang mit Fig. 24a beschriebene.
Die Fig. 24a und 24b zeigen, daß der Lichtstrahl von der Quelle 302 unter einem Winkel auf die Öffnungen 304 auftrifft. Es wird bevorzugt, diesen Winkel oder wenigstens seine Projektion auf eine Ebene, die die Lichtquelle sowie die Mitten der Öffnungen 304 enthält, im wesentlichen gleich dem entsprechenden Winkel zu machen, der durch die einfallenden Elektronenstrahlen in der fertiggestellten Röhre gebildet wird. Dies hat den Vorteil, daß Fehler in der Höhe der Halterung 3A kompensiert werden; wenn beispielsweise die Halterung zu niedrig ist, wird sich der Schatten der Öffnungen 304 nach rechts bewegen, wie in Fig. 24c gezeigt ist, und ein Fehlersignal erzeugen, das ein zusätzliches Strecken der Maske erfordert.
Das Montageverfahren ist analog zu dem im Zusammenhang mit Fig. 13 beschriebenen, mit folgenden Änderungen: In dem in Fig. 13c dargestellten Schritt wird eine ebene Bodenplatte durch die mit optischen Bauelementen ausgerüstete Platte 91 ersetzt, nur um die Maske abzustützen, bevor sie gespannt wird. Nach dem Spannen wird die Bodenplatte zurückgezogen, ein Schirmträger wird eingesetzt, wie in Fig. 13f; die optischen Bauelemente (die zur Seite bewegt werden mußten, um Maske und Schirmträger einzusetzen) werden in ihre richtigen Positionen gebracht, und die Servoschaltungen werden eingeschaltet. Das gesamte Positionieren und Strecken der Maske erfolgt in bezug auf das Gitter; die Spannmotoren werden von den von den abgeglichenen Fotodetektoren 310 kommenden Signalen gesteuert, entweder einzeln (ein Motor - ein Fotodetektor) oder vorzugsweise gemeinsam durch den in Verbindung mit Fig. 12 beschriebenen Matrizierprozeß.
Es wurde bereits erwähnt, daß einfache Algorithmen zum Herausziehen der translatorischen und rotatorischen Komponenten aus gemessenen Verschiebungen an ausgewählten Punkten existieren. Dies gilt, ob sich die Verschiebungen auf Maske im Verhältnis zu Standard, auf Gitter im Verhältnis zu Standard oder auf Maske im Verhältnis zu Gitter beziehen. In sämtlichen Fällen können die translatorische und die rotatorische Komponente durch Verschieben der Maske, des Gitters oder beider kompensiert werden. Genauer gesagt, die Maske kann ausschließlich durch Aktivieren der Spannmotoren bewegt werden, oder durch Anbringen dieser Motoren an einem Träger, der zur Parallelverschiebung und Drehung in der x- y-Ebene zu Einstellungen der Maskenposition in der Lage ist. Das Gitter kann durch die in mehreren Ausführungsformen veranschaulichten Mikrometerschrauben oder durch andere Einrichtungen bewegt werden, die zum Parallelverschieben und Drehen des Schirmträgers in der x-y-Ebene in der Lage sind. Diese Arbeitsgänge können in einem Regelkreis oder in einem rückführungslosen Modus ausgeführt werden. Die Auswahl einer speziellen Kombination ist eine Angelegenheit der Modellwahl.
Im vorhergehenden wurde gezeigt, wie eine Maske positioniert und gestreckt werden kann, so daß ihr Muster eine erwünschte Beziehung zu einem Raster erreicht. Die obige Diskussion umfaßt:
I. Strecken und Positionieren der Maske und Positionieren des Rasters dahingehend, daß sie einem gemeinsamen Standard entsprechen.
A. Wenn bekannt ist, daß das Raster unverzerrt ist (d.h., daß es eine "Standard"-Geometrie besitzt) und auf der Scheibe richtig positioniert ist, durch Positionieren und Strecken der Maske dahingehend, daß sie der vorbestimmten Standard-Maskenposition und -geometrie entspricht;
B. Wenn bekannt ist, daß das Raster unverzerrt, jedoch nicht notwendigerweise richtig auf der Scheibe positioniert ist, durch
1. Vorsehen einer einstellbaren Vorrichtung (Fig. 15) zum Handhaben der Scheibe, die unabhängig ist von der Montagemaschine, Prüfen der Rasterposition in einer separaten Rasterprüfmaschine (Fig. 17) und durch Rückkopplung (Fig. 16) Einstellen der Vorrichtung, oder
2. Vorsehen der Einstellfähigkeit in der Montagemaschine (Fig. 20), mit der zum Durchführen der Einstellung erforderlichen Information, die kommt
a. von einer separaten Rasterprüfmaschine (Fig. 19) oder
b. von der in der Montagemaschine selbst (Fig. 21) durchgeführten Rasterprüfung.
In allen diesen Fällen wird die Scheibe bewegt, um Rasterpositionsfehler zu korrigieren, und die Maske wird positioniert und gestreckt, damit sie einer Standardposition und -geometrie entspricht.
II. Anpassen der Maske an das Raster
Eine weitere Klasse von Lösungen nutzt gemeinsam das allgemeine Merkmal, daß die Maske positioniert und gestreckt wird - nicht, damit sie einem Standard entspricht, sondern eher, um die Unterschiede zwischen einander entsprechenden Punkten auf einer speziellen Maske und auf einem Raster auf ein Minimum zu reduzieren (Fig. 22). Dies kann erfolgen durch:
A. Prüfen des Rasters in einer separaten Maschine (Fig. 19), um Rasterabweichungen (Xg) von einer Standardposition und -geometrie zu messen; um in der Montagemaschine Maskenabweichungen (Xm) von der Standardposition und -geometrie zu messen; um die Maske zu bewegen und zu strecken, um die Differenz Xm - xg (Fig. 22) zu minimieren.
B. Prüfen von Maske und Raster gleichzeitig in einer Montagemaschine; Reduzieren der Differenz zwischen einander entsprechenden Punkten auf ein Minimum. Dies kann wie folgt realisiert werden:
1. Separate optische Systeme können verwendet werden, um die Position von Maske und Raster zu messen (Fig. 23), wobei die Differenz elektronisch gebildet wird (Fig. 22), oder
2. Es kann ein einziges optisches System verwendet werden, das Maske und Raster miteinander verbindet, wobei die Differenz optisch gebildet wird (Fig. 24).
Ein genormter Referenzwert wird nicht verwendet.
Es wurde eine Anzahl von Methoden zum Ausschalten oder Abmindern des Einflusses von Rasterfehlern beschrieben. Es wird davon ausgegangen, daß diese Alternativen aus Einzelschritten bestehen, die zusätzlich zu den beschriebenen weitere Kombinationen ermöglichen.
Obwohl eine spezielle Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben wurde, wird es Fachleuten ohne weiteres einleuchten, daß Änderungen und Modifikationen in den Einrichtungen und Methoden der Erfindung vorgenommen werden können, ohne von der Erfindung in ihren weiterreichenden Aspekten abzuweichen, und daher besteht der Zweck der beigefügten Ansprüche darin, alle derartigen Änderungen und Modifikationen abzudecken, soweit sie in den Rahmen der Erfindung fallen.

Claims

1. Verfahren zur Verwendung in einem Fertigungsprozeß für Farbkathodenstrahlröhren mit flacher Spannmaske, bei dem Schattenmasken und Frontscheiben während der Montage von Maske und Scheibe auswechselbar sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellen einer Schattenmaske (4A) mit einem vorbestimmten Muster von Öffnungen (6); Bereitstellen einer Frontscheibe (28) mit einem kathodolumineszierenden Rastermuster, wobei die Frontscheibe eine einstückig ausgebildete Maskenhalterung (3A) entlang gegenüberliegender Kanten des Rastermusters aufweist; wobei das Verfahren des weiteren gekennzeichnet ist durch die folgenden Schritte: mechanisches Strecken der Maske (4A), um eine Übereinstimmung zwischen geometrischen Bezugspunkten (47) auf der Maske (4A) und externen geometrischen Bezugspunkten, die zu dem Rastermuster auf der Frontscheibe (2B) gehören, herzustellen; und Befestigen der gestreckten Maske (4A) an der Maskenhalterung (3A), wobei die Maske gespannt ist und sich das Muster aus Öffnungen (6) mit dem Rastermuster deckt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des mechanischen Streckens den Schritt des Messens eines Unterschieds in der Größe oder Form der Maske (4A) in bezug auf einen vorbestimmten Referenzwert umfaßt, und den Schritt des kontrollierten Einwirkens auf die Maske (4A), um die Größe oder Form der Maske (4A) zu ändern, wobei außerdem Zugkräfte auf die Maske (4A) ausgeübt werden, um diesen Unterschied in Richtung null zu reduzieren.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Maske (4A) ausgeübten Zugkräfte durch ein Rückkopplungssystem gesteuert werden, das in Abhängigkeit von einem erfaßten Fehlersignal die Größe oder Form der Maske ändert, um den Unterschied in Richtung null zu reduzieren.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Rasterbezugseinrichtung, die zu dem Rastermuster auf der Frontscheibe (2B) gehört und einen geometrischen Parameter des Rastermusters angibt; Bereitstellen einer Maskenbezugseinrichtung, die zu dem Maskenöffnungsmuster auf der Schattenmaske (4A) gehört und einen entsprechenden Parameter des Maskenmusters angibt; Ändern des geometrischen Parameters von einem von dem Maskenmuster und dem Rastermuster in bezug auf den anderen; und mit Hilfe eines Rückkopplungssystems, das auf die Maskenbezugseinrichtung und die Rasterbezugseinrichtung und somit auf die geometrischen Parameter des Rastermusters und des Maskenmusters anspricht, Steuern der Änderung dahingehend, daß die Maskenbezugseinrichtung eine vorbestimmte Beziehung zu der Rasterbezugseinrichtung erreicht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: mechanisches Strecken der Maske, um den geometrischen Parameter des Maskenmusters in bezug auf den des Rastermusters zu ändern, und Steuern des Streckens dahingehend, daß die Maskenbezugseinrichtung eine vorbestimmte Beziehung zu der Rasterbezugseinrichtung erreicht.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß optische Rasterbezugseinrichtungen im Zusammenhang mit der Frontscheibe (2B) vorgesehen sind, und daß außerdem optische Maskenbezugseinrichtungen auf der Schattenmaske (4A) vorgesehen sind, und daß das Rückkopplungssystem auf die Maskenbezugseinrichtung (47) und die Rasterbezugseinrichtung anspricht, um die Änderung der Parameter dahingehend zu steuern, daß die Maskenbezugseinrichtung eine optische Ausrichtung mit der Rasterbezugseinrichtung erreicht, die auf eine Übereinstimmung zwischen dem Maskenmuster und dem Rastermuster bezüglich des geometrischen Parameters hindeutet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Ausrichtung auf eine Übereinstimmung zwischen Masken- und Rastermuster bezüglich Größe oder Form hindeutet.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des mechanischen Streckens das Strecken und Positionieren der Maske auf einen vorbestimmten Normwert umfaßt sowie das Positionieren des Rasters auf einen entsprechenden Normwert, um das Maskenmuster und das Rastermuster zur Deckung zu bringen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Position des Rastermusters auf der Scheibe gemessen wird und daß Fehlersignale über die Position des Rasters erzeugt werden, die Informationen über Positionsfehler des Rastermusters in bezug auf eine vorbestimmte Bezugsposition des Rasters enthalten, und daß die Maske in Abhängigkeit von den Fehlersignalen über die Position des Rasters derart ausgebreitet und positioniert wird, daß ihr Öffnungsmuster eine Position entsprechend der Position des Rastermusters einnimmt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Maskenöffnungsmuster gemessen wird, und daß Fehlersignale über die Position der Maskenöffnungen erzeugt werden, die Informationen über Positionsfehler des Öffnungsmusters in bezug auf eine vorbestimmte Maskenbezugsposition enthalten, und daß die Maske in Abhängigkeit von Fehlersignalen über die Position der Maskenöffnungen und über die Rasterposition derart ausgebreitet und positioniert wird, daß das Muster der Übereinstimmung der Position der Maske und des Rastermusters optimiert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der Maske in bezug auf die Scheibe eingestellt wird, um die Rasterpositionsfehler auszugleichen.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine folienartige Schattenmaske bereitgestellt wird, die ein Maskenöffnungsmuster mit einem zur Überprüfung vorbestimmten Musterbereich besitzt, und daß das vorbestimmte Maskenmuster überprüft wird und Fehlersignale erzeugt werden, die Informationen über Fehler in der Position oder Geometrie des Maskenöffnungsmusters in bezug auf eine herkömmliche Musterposition oder -geometrie enthalten.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der vorbestimmte Musterbereich ein spezieller Bereich ist, der außerhalb des normalen betrachteten Bereichs der Kathodenstrahlröhre liegt, der beiseite geschoben wird, um die Überprüfung zu erleichtern.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Öffnungsmuster der Maske und das Rastermuster der Scheibe genau zur Deckung gebracht werden, indem ein Strahl erzeugt und durch die Maske und das Raster gerichtet wird, daß in Abhängigkeit von dem durch die Maske und das Raster gerichteten Strahl eine fehlerhafte Ausrichtung der Muster festgestellt wird, und daß ein Fehlersignal erzeugt wird, das Informationen über Fehler in der Positionsübereinstimmung zwischen dem Maskenmuster und dem Rastermuster enthält, und daß eine Rückkopplungsschleife verwendet wird, die in Abhängigkeit von dem Fehlersignal eine relative Bewegung zwischen der Maske und dem Raster bewirkt, um die Fehler zu minimieren, damit die Übereinstimmung zwischen dem Rastermuster und dem Maskenmuster optimiert wird.

15. Vorrichtung zur Verwendung bei der Herstellung von Farbkathodenstrahlröhren mit einer Schattenmaske (4A) mit einem mittigen Muster von Öffnungen (6), die im gespannten Zustand auf einer durchsichtigen flachen Frontscheibe (2B) so montiert ist, daß das Maskenöffnungsmuster mit einem entsprechenden kathodolumineszierenden Rastermuster auf der Innenseite der Scheibe (2B) übereinstimmt, wobei die Schattenmasken (4A) und die Frontscheiben (2B) jeweils austauschbar sind, umfassend eine Rasterbezugseinrichtung, die zu einem Rastermuster auf einer Frontscheibe (2B) gehört und einen geometrischen Parameter des Rastermusters angibt; eine Maskenbezugseinrichtung, die zu einem Maskenöffnungsmuster auf einer Schattenmaske (4A) gehört und einen entsprechenden geometrischen Parameter des Maskenmusters angibt; gekennzeichnet durch eine Einrichtung (44) zum mechanischen Strecken der Maske (4A), um den geometrischen Parameter des Maskenmusters in bezug auf den des Rastermusters zu ändern; eine Steuerungseinrichtung (146, 147, 342, 344) zur Steuerung des Streckens, damit die Maskenbezugseinrichtung eine vorbestimmte Beziehung zu der Rasterbezugseinrichtung erreicht; und eine Einrichtung (143) zur Befestigung der Maske an einer Maskenhalterung (3A) auf der Frontscheibe, so daß sich das Maskenmuster und das Rastermuster in Deckung befinden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Maskenhalterung (3A) auf der Frontscheibe (28) an der mit dem Raster versehenen Innenseite der Scheibe (2B) entlang gegenüberliegender Kanten des Rastermusters befestigt ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung (146, 147, 342, 344) ein Rückkopplungssystem umfaßt, das auf die Maskenbezugseinrichtung und die Rasterbezugseinrichtung und somit auf die geometrischen Parameter des Rastermusters und des Maskenmusters anspricht, wobei die Steuerungseinrichtung die Maskenstreckung dahingehend steuert, daß die Maskenbezugseinrichtung die vorbestimmte Beziehung zu der Rasterbezugseinrichtung erreicht, die eine Übereinstimmung zwischen dem Maskenmuster und dem Rastermuster bezüglich der geometrischen Parameter angibt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie des weiteren eine Einrichtung (356) zur Änderung des geometrischen Parameters von einem von dem Maskenmuster und dem Rastermuster in bezug auf das andere umfaßt, wobei die Steuerungseinrichtung die Änderung solange steuert, bis die Maskenbezugseinrichtung die vorbestimmte Beziehung zu der Rasterbezugseinrichtung erreicht hat.

19. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Rasterbezugseinrichtung und die Maskenbezugseinrichtung optische Einrichtungen sind, wobei die Steuerungseinrichtung die Änderung dahingehend steuert, daß die Maskenbezugseinrichtung eine optische Ausrichtung mit der Rasterbezugseinrichtung erreicht, die eine Übereinstimmung zwischen dem Maskenmuster und dem Rastermuster bezüglich der geometrischen Parameter angibt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung eine Rahmeneinrichtung (18) umfaßt, die eine rechteckige Aufnahme für die Scheibe bildet, die drei Anschlageinrichtungen (19a-19c) aufweist, von denen zwei (19a, 19b) entlang einer Seite der Scheibenaufnahmevorrichtung positioniert sind, um in eine Seite einer aufgenommenen Scheibe (48) einzugreifen, und wobei die dritte Anschlageinrichtung (19c) auf einer angrenzenden Seite der Aufnahmevorrichtung positioniert ist, um in die entsprechende angrenzende Seite der Scheibe einzugreifen, um die Position einer in den Rahmen eingesetzten Scheibe zu definieren, und eine Einrichtung (404, 406) zur Einstellung der relativen Positionen der Anschlageinrichtungen, um die Position der in der Aufnahmevorrichtung aufgenommenen Scheibe zu ändern.