DE69027335T2

DE69027335T2 - Servo-geführte trägertischeinrichtung

Info

Publication number: DE69027335T2
Application number: DE69027335T
Authority: DE
Inventors: Samuel Doran; Robert Kendall
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-04-30
Filing date: 1990-10-12
Publication date: 1996-12-12
Anticipated expiration: 2010-10-13
Also published as: EP0527739B1; WO1991017564A1; US5140242A; JPH05504731A; EP0527739A1; JPH07106516B2; DE69027335D1

Description

Hintergrund der Erfindung

1) Anwendungsbereich der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Antriebsmechanismus zum genauen Positionieren eines Arbeitsträgertisches entlang zweier Achsen mit drei Freiheitsgraden.

2) Verwandte Technik

In der US-Patentschrift Nr. 4,528,490 von Hansen mit dem Titel "Two Axis Drive for Stage" ist eine Grundplatte und ein zusätzliches Paar übereinander angeordneter Platten beschrieben, von denen die eine als Trägertischplatte und die andere als Zwischenplatte (20) bezeichnet wird. Jede Platte wird von einem Antrieb angetrieben. Die Zwischenplatte (20) wird von einer Antriebsstange (42) in linearer Richtung zur Grundplatte angetrieben. Das Antriebsmittel für die Trägertischplatte besteht aus einer Antriebsrolle mit Motorantrieb, und die Antriebsstange (66) hat Winkelbewegungsfreiheit, sie ist z.B. unter der Trägertischplatte (12) drehbar befestigt. Die Trägertischplatte (12) ist somit entlang eines zweiten Pfads frei beweglich und drehbar.
J. Reeds et al. beschreiben in "High Speed Precision X-Y Stage", erschienen in J. Vac. Sci. Technol. B, Vol 3, Nr. 1, SS. 112 ff. (Jan/Feb 1985) herkömmliche lineare Wege und Kugellager, wobei der Trägertisch "ein einzigartiges Antriebsrollen-/Schwingantriebsdesign hat, um die Servomotoren und die X- und Y-Trägertischelemente zu koppeln". Der Trägertisch besteht aus drei übereinander angeordneten Platten, die über lineare Kreuzlager miteinander verbunden sind. Die Grundplatte ist an einer Basis befestigt. Die Mittelplatte ist über ein vorbelastetes Duplexlager fest an ihrer Antriebsstange befestigt (FIG. 2). Die Antriebsstangen werden über eine Antriebsrolle mit Reibungsantrieb von einem Servomotor angetrieben.
S. Ido et al. beschreiben in "Precision X-Y Stage for Electron Beam Lithography System", SS. 267-268, Bull. Japan Soc. of Prec. Eng., Vol 18, Nr. 3 (Sept. 1984) eine übereinander angeordnete X-Y-Trägertischkonfiguration mit hydrostatischen Lagern.
Kallmayer et al. stellen in "X-Y Table", IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol 30, Nr. 7 (Dez. 1987), SS. 376-377, drei festmontierte Spindelantriebe mit den Statoren 1, 2 und 3 vor, die auf einem festen Träger befestigt sind, so daß sie nicht relativ zum Tisch 4 drehbar sind; die Flexibilität der Antriebe ist somit infolge ihrer starren Befestigung auf eine begrenzte Anzahl von Bewegungen beschränkt, die durch die Führungen 10 und 11 in den Schlitzen des Tisches 4 ermöglicht werden. Zwei der Spindelantriebe 1 und 2 sind parallel zueinander angeordnet. Die im Artikel mit 5, 6 und 7 gekennzeichneten Laserinterferometer und die Spiegel 8 und 9 dienen zur Messung der Verschiebung.
Tsuyuzaki et al. beschreiben in J. Vac. Sci. Technol. B, Vol 4, Nr. 1, S. 28X (Jan/Feb. 1986) eine Plattenstruktur oder "ebenen" Trägertisch mit X-Y-Bewegungsgenauigkeit, die über bearbeitete Führungsschlitze im Basis- und Substratpositionierungstisch ermöglicht wird. Eine X-Y-Kreuzstruktur befindet sich in diesen Schlitzen zwischen dem oberen Tisch und der Basis. Als Tragfläche wird ein reibungsarmes Polymermaterial wie z.B. PTFE verwendet.
Das konstante Ablast-Reibungsantriebssystem, IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol 32, Nr. 8A (Jan. 1990), SS. 120-121, stellt ein Verfahren und eine Einrichtung zum Aufheben der Ablastvariation vor, die durch das Ende eines Antriebsstangensystems hervorgerufen wird, indem die Antriebsstange vorbela- stet wird (siehe FIG. 3 in dieser Patentschrift). bis hier

Kugelgelenk mit dvnamischer Vorbelastung

Beschreibung verwandter Techniken
Kugelartige Gelenke ermöglichen zahlreiche Freiheitsgrade um einen Punkt in der Mitte einer Kugel. Zuvor bestanden Kugelgelenke aus zwei Grundtypen:
(1) Federgelenke und
(2) Kugellager.
Federgelenke haben ein Kegel- oder Verbindungspaar, das gegen die Kugel angezogen ist, um Spiel zu vermeiden.
Ein Nachteil dieses Systems besteht darin, daß bei Anwendung hoher Vorspannungen mit dem Ziel hoher linearer Steifheit zwischen Kugel und den Kegeln oder den Sockeln starke Reibungskräfte und Abnutzungserscheinungen entstehen.
Das Kugellagergelenk ist mit eng aneinander angepaßten inneren und äußeren Kugellagerelementen verbunden. Diese Art von Kugellager besitzt eine größere lineare Steifheit bei geringeren Reibungserscheinungen, muß jedoch aufgrund der Konstruktionsmerkmale mit einem kleineren Abstand zwischen Innen- und Außenlager auskommen. Dieser kleine Abstand nimmt mit fortschreitenden Abnutzungserscheinungen zu und das mit diesem Abstand einhergehende Spiel macht dieses Kugellager für Anwendungen, in denen es auf Hochpräzisionsabmessungen ankommt, ungeeignet.
Im US-Patent Nr. 3,466,514 an Brunner et al. umfaßt ein Positionierungsträgertisch eine Basis, eine Plattform 10, drei Schraubendrehmittel (16, 19, 22), die senkrecht auf die xbzw. y-Achse lineare Kräfte ausüben. Die Plattform 10 gleitet während der Ausrichtung der Plattform gegen die Schraubendrehkontakte. Die Plattform 10 enthält die Lagereinsätze 49, die zum Schutz der Gleitkontakte gegen Abnutzung dienen. Die Lagerkontakte sind härter und widerstandsfähiger gegen Abnutzung als der Rest der Plattform.

Zusammenfassung der Erfindung

Das Positionierungssystem und der Positionierungsträgertisch gemäß der vorliegenden Erfindung wird in Anspruch 1 bzw. 3 beschrieben. Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen, die nach dieser Beschreibung folgen, beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine Perspektivansicht einer x, y, Theta-Trägertischplatte und einer Mehrzahl linearer Antriebe mit Antriebsstangen, die von Antriebseinheiten mit Reibungsantrieb angetrieben werden, und einem Steuersystem zur Positionierung der Trägertischplatte.
Figur 2 zeigt ein Beispiel eines Antriebsstangensystems der bisherigen Technologie.
Figur 3 zeigt eine Vorspannungsrolle, die am Antriebsstangensystem von Figur 2 zusätzlich angebracht wurde.
Figur 4 zeigt eine ausführliche Ansicht einer Antriebsrolle und mehreren Klemmrollen zum Antrieb einer Antriebsstange in einer ersten diagonalen Position.
Figur 5 ist eine Variation von Figur 4, in der die Antriebsstange in vertikaler Position nach Rotation der Antriebsrolle um die Achse der Antriebsrolle gezeigt wird.
Figur 6 ist eine weitere Variation des Antriebs von Figur 5, in der die Antriebsstange in die entgegengesetzte diagonale Position rotiert wurde.
Die Figuren 7-10 zeigen Ansichten des Trägertisches aus Figur 1, die vereinfacht wurden, um darzustellen, wie Antriebsstangen gemäß der vorliegenden Erfindung linear angetrieben werden können, um die Trägertischplatte überall auf der Basis, auf der die Trägertischplatte sitzt, zu lokalisieren.
Figur 10 stellt außerdem die Rotation der Trägertischplatte um einen Winkel Theta dar.
Die Figuren 11, 12 und 13 zeigen drei alternative Anordnungen eines Kugelgelenks in übereinstimmng mit der vorliegenden Erfindung mit konischen Lagern zur Verwendung in der Verbindung zwischen einer der Antriebsstangen und der Trägertischplatte.
Figur 11 ist eine Querschnitteilansicht einer Kugelgelenkverbindung mit einem automatisch geregelten Stellglied zum Anlegen einer Vorbelastung am Kugelgelenk.
Figur 12 ist eine leichte Abänderung der in Figur 11 dargestellte Kugelgelenkverbindung.
Figur 13 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kugelgelenkverbindung gemäß Figur 12, bei dem allerdings die Struktur zur Anwendung einer Kraft auf die Kegel und die Kugel im Gelenk geändert wurde.
Figur 14 ist eine Darstellung eines schematischen Elektrikdiagramms des Steuersystems für die Antriebe, die zur Positionierung des Trägertisches aus Figur 1 dienen.
Die Figuren 15A-15C liefern Ansichten der unteren, vorderen und rechten Seite eines Paars an Interferometern in der Art, wie sie in den Figuren 1 und 2 für die Y- und Theta-Bewegung des Trägertisches dargestellt werden.
Die Figuren 16A-16C zeigen leichte Abänderungen der Interfero- meter aus den Figuren 15A-15C.
Die Figuren 17A-17C zeigen weitere leichte Abänderungen der in den Figuren 15A-15C dargestellten Interferometer.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeisipiels

Wir betrachten Figur 1. Auf einer Basis 10 ist eine Trägertischplatte 11 angebracht, die so ausgelegt ist, daß ein Werkstück 8 aufgenommen werden kann, das auf der Oberseite der Basis 10 seitlich verschoben werden kann. Die Platte bewegt sich entlang der geradlinigen x- und y-Achse, die im wesentlichen parallel zur ebenen Oberfläche der Basis 10 verlaufen. Die Basis 10 ist vorzugsweise ein sehr ebener, massiver und stabiler Tisch, der beispielsweise aus Granit, Keramik oder Stahl besteht und eine polierte, extrem glatte ebene Oberseite 9 aufweist, auf der sich die X-Y-Trägertischplatte 11 befindet, wobei die Platte 11 auf ihrer Oberseite ein Werkstück 8 aufnehmen kann. Die Unterseite der Trägertischplatte 11 ist auf der Oberfläche 9 der Basis 10 mit Niedrigreibungshalterungen wie beispielsweise den Füßen 12, die aus einem Polymermaterial mit niedrigen Reibungseigenschaften (beispielsweise PTFE (Polytetrafluorethylen)) bestehen, gleitbar gelagert; alternativ hierzu lassen sich die Füße 12 durch Lager wie beispielsweise Luftlager oder Rollenlager ersetzen.
An der X-Y-Trägertischplatte 11 sind an einem Zapfen drei lineare Reibungsantriebseinheiten X1, Y1 und Y2 befestigt. Die Antriebseinheit X1 umfaßt einen Antriebsmotor M1, der sich entlang einer Seite der Basis 10 befindet; Y1 und Y2 enthalten die Antriebsmotoren M2 und M3, die sich auf der gegenüberliegenden Seite der Basis 10 in einem Abstand befinden, der ausreichend groß ist, damit die Trägertischplatte 11 drei Grad Bewegungsfreiheit besitzt. Die Kraftübertragung für die Antriebseinheit X1 auf einer Seite der X1-Antriebsstange 16 (bestehend aus einem Keramik- oder Stahlmaterial) erfolgt durch zwei Klemmrollen 13 und 14 und einer Antriebsrolle 15, die vom Motor M1 angetrieben wird. Die Antriebsrolle 15 von X1 befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite der X1- Antriebsstange 16 mit den Klemmrollen 13 und 14, so daß durch die Antriebsrolle 15 und die beiden Rollen 13 und 14 ein Reibungsantrieb bereitgestellt wird. Die Vorbelastungsrolle 20 drückt nach unten auf die Oberseite der X1-Antriebsstange 16. Die zwei Klemmrollen 13 und 14 sowie die Antriebsrolle 15 und die Rolle 20 sind am Schlitten 18 befestigt, der um den Zapfen Pl entlang der Motorwellenachse der Antriebseinheit X1 rotiert, wodurch eine Drehung auf dem Zapfen der Antriebsstange 16 möglich ist. Die Rollen 13 und 14 auf einer Seite und die Antriebsrolle 15 auf der anderen Seite üben einander entgegengesetzte Kräfte aus, die aber zusammenwirken, um einen Reibungskraftschluß zwischen der Antriebsrolle 15 und der Antriebsstange 16 herzustellen; damit wird ein Transport in Längsrichtung erzielt, während die Antriebsrolle 15 rotiert und gleichzeitig die Antriebsstange 16 und der Schlitten 18, die sich auf der Welle der Antriebsrolle 15 befinden, sowie die Rollen 13 und 14 um die Achse P1 der Welle der Antriebsrolle 15 rotieren können, wodurch auch eine Rotation der Antriebsstange 16 auf dem Schlitten 18 und der Welle der Antriebsrolle 15 möglich ist. Die Antriebsstange 16 ist an ihrem inneren Ende 17 an der Stelle, an der sie mit einer Verbindung unter Einbeziehung von Pin 19, der an der Trägertischplatte 11 befestigt ist, um die Antriebsstange 16 an der Trägertischplatte 11 anzubringen, zusammentrifft, versetzt.
Die Position der Trägertischplatte 11 wird mit einem Laserinterferometersystem unter Verwendung eines Paares von Stangen 50 und 51, die an zwei rechtwinklige Seiten der Platte 11 gegenüber den Antriebseinheiten X1, Y1 und Y2 befestigt sind, gemessen. Jede der Stangen 50 und 51 besitzt eine Spiegelfläche 73 bzw. 52 zur Messung der Verschiebungen der Trägertischplatte 11 entlang der X-Achse und der Y-Achse. Der Laserstrahl 76 wird an das Interferometer 79 geleitet, der die Strahlen 77, 78, 80 und 81 erzeugt, die vom Interferometer 79 zum Spiegel 52 und vom Spiegel 52 zurück zu den Interferometern 79 reflektiert werden, die die Ausgangsstrahlen 82 und 83 reduzieren, die von den Interferometern 79 an die Empfänger 84 und 85 gehen. Die Empfänger 84 und 85 sowie der Empfänger 45 sind optisch-zu-elektrisch-Wandler zur Umwandlung des Lasersignals in elektronische Signale. Die Empfänger 84, 85 und 45 umfassen eine Linse, die den Laserstrahl auf einen aktiven Chip einer Silizium-Photodiode richtet. Jeder Empfänger (hierbei kann es sich um ein beliebiges handelsübliches Produkt, beispielsweise um den Empfänger Hewlett Packard 10780A handeln) umfaßt einen Photodetektor, einen Verstärker und einen Pegelumwandler, einen Leitungstreiber, einen Pegelsensor (Komparator) sowie lokale Spannungsregler. Die Empfänger 84, 85 und 45 konvertieren den Doppler-verlagerten Laserstrahl in elektrische Signale, die vom elektronischen System verarbeitet werden können. Dies wird durchgeführt, um die Position des Spiegels 52 entlang der Y-Achse zu bestimmen&sub1; die gegenüber von den Antriebseinheiten Y1 und Y2 an der Platte 11 gemessen wird. Der Strahl 75 durchläuft den Interferometer 110 und erzeugt dabei die Strahlen 111 und 112, die die Position eines Punktes auf dem Spiegel 73 auf der X-Achse messen, indem die Strahlen 111 und 112 vom Spiegel 73 auf den Interferometer 110 reflektiert werden, der einen Ausgangsstrahl 46 erzeugt, der auf den Empfänger 45 gerichtet ist.

Theta-Winkelmeßvorrichtung

Bezüglich der Messung der Theta-Bewegung unter Verwendung des Laser-Interferometersystems innerhalb eines kleinen Winkelbereichs, der für Anwendungen wie beispielsweise die VLSI- Halbleiter-Chip-Herstellung ausreichend ist, sind die InterferometerÖffnungen groß genug, um die Strahlen aufnehmen zu können, wenn sich die Reflektionswinkel ändern. Bei größeren Rotationswinkeln kann das System auf den Antriebsstangen ein Markierungssystem verwenden, das die absoluten Positionen der Antriebsstangen bezüglich ihrer linearen Antriebe angibt.

Antriebssystem mit konstantem Abrieb

Die Figuren 2 und 3 stellen dar, wie die Abriebschwankungen durch die Enden der Antriebsstangen 16, 26 und 36 auf ein Mindestmaß beschränkt werden können.
Reibungsantriebseinheiten werden in mechanischen Systemen häufig verwendet, um eine hochpräzise Positionierung von Komponenten wie beispielsweise Werkstücken und ähnlichem zu erreichen. Eines der Probleme mit diesen Systemen besteht darin, daß die Stärke des Abriebs der Antriebsstange auf die angetriebene Komponente mit dem freitragenden Ausleger der Antriebsstange entlang von dessen Pfad variiert.
Figur 2 zeigt ein Beispiel eines Antriebsstangensystems der bisherigen Technologie. Wird eine Antriebsstange 16 der Länge L und des Gewichts W um einen Abstand B über den Punkt hinaus bewegt, an dem sie durch ein Antriebssystem X mit Abrieb unter Verwendung einer Antriebsrolle 15' befestigt ist, die am Antriebspunkt die Antriebsstange 16 berührt, übt sie auf däs angetriebene Objekt eine Kraft von W(B-L/2) /B aus: Trägertischplatte 11. Die Trägertischplatte 11 ist gemäß Darstellung in diesem geänderten Ausführungsbeispiel an den Rollen 12' befestigt. Es wird davon ausgegangen, daß der Schwerpunkt der Antriebsstange 16 an L/2 ist, jedoch ist dies nicht von Belang. Die Schwankung der Abriebkraft verursacht eine Abweichung in der Belastung oder Verwindung des angetriebenen Objekts. Wird das Objekt zum Mittelpunkt versetzt angetrieben, erfährt die Belastung zusätzlich ein variierendes Längsneigungsmoment. Es wird darauf hingewiesen, daß eine Abriebkraft am Ende der Antriebsstange 16 nicht notwendigerweise ein Nachteil sein muß, da diese als Vorbelastung verwendet werden kann. Die Schwankung in der Abriebkraft als Funktion der Verlängerung der Antriebsstange 16 führt jedoch in der Tat zu einem Problem.
Figur 3 zeigt eine Vorbelastungsrolle 20', die dem Antriebsstangensystem von Figur 2 hinzugefügt wird. Die Vorbelastungsrolle 20' unter Einwirkung der Kraft einer Feder 20'' übt eine Kraft P aus, die die Antriebsstange 16 in einem Abstand C vom Antriebspunkt vorbelastet, und übt auf das angetriebene Objekt eine Kraft PC/B aus. (Zwar wird vorzugsweise eine Feder 20'' verwendet, wie sie in Figur 3 gezeigt wird, jedoch wurde im Ausführungsbeispiel von Figur 1 der einfacheren Darstellung wegen diese Feder in Figur 1 weggelassen.) Wenn das Produkt PC gleich WL/2 ist, ändert sich die Abriebkraft am entfernten Ende der Antriebsstange 16, an dem es mit dem angetriebenen Objekt verbunden ist, nämlich Trägertischplatte 11, nicht wesentlich, wenn die Antriebsstange 16 aus- und eingefahren wird. Das Produkt PC ist ein Drehmoment, das am Drehpunkt angewandt wird. Andere Mittel als eine Vorspannungsrolle 20' können ebenfalls verwendet werden, um dieses Drehmoment zu erzeugen.
Die Figuren 4, 5 und 6 sind vereinfachte Darstellungen der rotierbaren Schlitten 28' (ähnlich den Schlitten 18, 28 und 38 in Figur 1), die die Elemente eines Reibungsantriebs enthalten, der so angepaßt wurde, daß er eine lineare Bewegung einer der Antriebsstangen 16, 26 und 36 erzeugt, wodurch eine der rotierbaren Antriebsrollen 15, 25 und 35 sichtbar wird. In diesem Fall hält die Antriebsrolle 25, die vom Motor M2 gedreht wird, die Antriebsstange 26 zwischen der Seite der Antriebsrolle 25 und den Seiten der Klemmrollen 23 und 24. Die Antriebsrolle 25 ist auf einer Welle (nicht dargestellt) befestigt, die im Schlitten 28', der so abgeändert wurde, daß die Vorbelastungsrolle 30 der einfacheren Darstellung wegen in der Figur weggelassen wurde, ein Lager enthält. Der Schlitten 28' rotiert um die Welle, auf der die Antriebsrolle 25 befestigt ist, so daß die Antriebsstange 26 von der in Figur 4 gezeigten Position, in der sie aus der diagonalen Ausrichtung in eine vertikale Position wie in Figur 5 und in eine umgekehrt diagonale Position wie in Figur 6 rotieren kann. Es wird darauf hingewiesen, daß bezüglich der X1-Antriebsstange 16 Figur 4 analog Figur 9 und Figur 5 analog Figur 7 und Figur 6 analog Figur 8 ist.

X, Y, Theta, Dreifach-Linear-Antriebsstangensystem

X1-Antriebsstange 16 verhält sich im allgemeinen reziprok parallel zur X-Achse, wie dies aus der Darstellung in Figur 1 hervorgeht, wobei eine Rotation um die Achse P1 nicht parallel zur x-Achse stattfindet, um bei der Positionierung des Pins 19 und der Trägertischplatte 11 an einer beliebigen Stelle innerhalb der vorbestimmten Begrenzungen der Basis 10 eine erhöhte Flexibilität zu erreichen. Wie aus der Darstellung in den Figuren 7-10 hervorgeht, kann die Platte 11 durch einen Winkel Theta (gemäß Darstellung in Figur 10) bezüglich der X- und Y- Achse unter gemeinsamer sich ergänzender Verwendung der drei Antriebssysteme von Figur 1 rotiert werden, wobei die Bewegung der Antriebsstangen 26 und 36 ungleich erfolgt.
Die Figuren 7-10 zeigen Ansichten des Trägertisches von Figur 1, die in der Darstellung vereinfacht wurden, um die Art und Weise zu veranschaulichen, in der die Antriebsstangen 16, 26 und 36 in Übereinstimmng mit der vorliegenden Erfindung linear angetrieben werden können, um die Trägertischplatte beliebig auf der Basis 9, auf der sich die Trägertischplatte befindet, lokalisieren zu können.
Die Figuren 7-9 veranschaulichen die Fähigkeit des Antriebs zur Positionierung der Trägertischplatte 11 in den vier entfernten Positionen auf der Basis 10. Figur 10 zeigt die Rotation der Trägertischplatte 11 um einen Winkel Theta.
Die Figuren 7-10 sind Ansichten des Tisches aus Figur 1, die zum Zweck der Darstellung in der Art und Weise vereinfacht wurden, wie die drei Antriebsstangen 16, 26 und 36 linear angetrieben werden können, um die Trägertischplatte 11 beliebig auf der Basis 10 lokalisieren zu können. Das dargestellte Werkstück 8 repräsentiert einen Wafer mit Chips, was durch die Quadrate auf dem Werkstück 8 sichtbar wird. Die Rotation im Winkel Theta ist in Figur 10 dargestellt.
In Figur 7 sind die Antriebsstangen 16, 26 und 36 ungefähr zur Hälfte ausgefahren, wobei die X1-Antriebsstange 16 horizontal und parallel zur X-Achse, und die Y-Antriebsstangen 26 und 36 vertikal und parallel zur Y-Achse ausgerichtet sind.
Die Figuren 8 und 9 veranschaulichen die Bewegung der Platte 11 und des Werkstücks 8 in zwei entgegengesetzte Ecken der Basis 10, und es ist offensichtlich, daß die anderen beiden Ecken durch analoge Betätigung der Antriebsstangen erreicht werden können. Um die Platte 11 nach links zu bewegen, wird die X1-Antriebsstange 16 nach links getrieben. Um die Platte 11 nach rechts zu bewegen, wird die X1-Antriebsstange 16 nach rechts getrieben. In beiden Fällen drehen sich die Antriebsstangen 26 und 36 um die Zapfen P2 und P3.
In Figur 8 wurden die Antriebseinheit X1 und die Antriebsstange 16 im Uhrzeigersinn rotiert. Die Antriebseinheiten Y1 und Y2 sowie die Antriebsstangen 26 und 36 wurden im Gegenuhrzeigersinn rotiert. Alle drei Antriebsstangen 16, 26 und 36 wurden vollständig ausgefahren, um die Trägertischplatte 11 in die entfernte Position zu bringen, in der sie am weitesten von den drei Antriebseinheiten X1, Y1 und Y2 entfernt ist.
Um darüber hinaus die Platte 11 nach oben links zu bewegen, werden die Antriebsstange 16 nach links und die Antriebsstangen 26 und 36 nach oben getrieben, wobei die Antriebsstange 16 im Uhrzeigersinn um die Achse P1 und die Antriebsstangen 26 und 36 im Gegenuhrzeigersinn um die Zapfen P2 und P3 (siehe Figur 8) rotieren.
Um die Platte 11 nach unten rechts der Basis zu bewegen (siehe Figur 9), werden die Antriebsstangen 26 und 36 nach unten in ihre kleinste Ausfahrposition eingezogen, wobei die Antriebsstange 16 im Gegenuhrzeigersinn zur ihren Positionen in den Figuren 7 und 8 rotiert, und wobei die Antriebsstangen 26 und 36 in ihre ganz ausgefahrenen Positionen rotiert werden. Um in die untere linke Position der Basis 10 zu gelangen, werden die Antriebsstangen 26 und 36 in ihre entferntesten Gegenuhrzeigersinnpositionen rotiert, während die Antriebsstange 16 entlang der X-Achse nach links bewegt wird und dabei leicht im Uhrzeigersinn rotiert, wodurch die Platte 11 in die nahe Position bewegt wird.
In Figur 9 wurden die Antriebseinheit X1 und die Antriebsstange 16 im Gegenuhrzeigersinn rotiert. Die Antriebseinheiten Y1 und Y2 sowie die Antriebsstangen 26 und 36 wurden im Uhrzeigersinn rotiert. Alle drei Antriebsstangen 16, 26 und 36 wurden in ihre kürzeste Ausfahrposition eingefahren, um die Trägertischplatte 11 in ihre nahe Position zu bringen, das heißt, in die den drei Antriebseinheiten X1, Y1 und Y2 am nächsten gelegene Position.
In Figur 10 wurde die Rotation aus der in Figur 7 dargestellten Position erreicht, indem der zweite Antrieb 36 der Y-Achse nach unten getrieben wurde, während die erste Antriebsstange 26 der Y-Achse und die Antriebsstange 26 der X1-Achse unbewegt blieben. Die Klemmrollen 23 und 24 wirken mit der Antriebsrolle 25 zusammen und erzeugen einen Reibungsantriebskraftschluß mit der Antriebsstange 26, die am inneren Ende 27 am Pin 29, der die Antriebsstange 26 mit der Trägertischplatte 11 verbindet, befestigt ist. Die Klemmrollen 23 und 24 sowie die Antriebsrolle 25 und die Rolle 30 sind am Schlitten 28 befestigt und rotieren auf der Wellenachse des Motors M2 der Antriebseinheit Y2 um den Zapfen P2.
Die Klemmrollen 33 und 34 wirken mit der Antriebsrolle 35 zusammen, um mit der Antriebsstange 36 zusammenzukommen, die am inneren Ende 37 an Pin 39 befestigt ist, der die Antriebseinheit Y2 mit der Trägertischplatte 11 verbindet. Die Klemmrollen 33 und 34 sowie die Antriebsrolle 35 und die Rolle 40 sind am Schlitten 38 befestigt und rotieren entlang der Wellenachse des Motors der Antriebseinheit Y1 um den Zapfen P3.

Kugelgelenkzapfen mit dynamischer Vorbelastung

Eine Kugelgelenkzapfenverbindung in Übereinstimmng mit der vorliegenden Erfindung verwendet eine dynamische Vorbelastungseinstellung des Kugelgelenks. Die Kugelgelenkverbindung umfaßt eine Kugel und ein Kegelpaar, die durch eine Servosteuerung (mit Rückmeldung) eines Vorbelastungsstellglieds dynamisch vorbelastet werden. Alternative Ausführungen sind durch Herstellungs- und Montagetoleranzen sowie durch die Abnutzung der Lagerflächen beschränkt oder können sich aufgrund thermischer Schwankungen im Lauf der Zeit verändern.
Kugelgelenkverbindungen gewährleisten Freiheitsgrade um einen Punkt in der Mitte einer Kugel. Bisher basierten Kugelgelenke auf zwei Grundarten, nämlich federgespannte Gelenke und Kugellager.
Federgespannte Kugelgelenke enthalten ein Kegelpaar oder ein Sockelpaar, in denen die Federn die Kegel oder Sockel gegen die Kugel drücken, um das Spiel zu beseitigen. Ein Nachteil dieses Systems besteht darin, daß bei Verwendung hoher Vorspannungen mit dem Ziel einer hohen linearen Steifheit es zu sehr großen Reibungen und Abnutzungen zwischen Kugel und Kegeln oder Sockeln kommt.
Die Kugellagerverbindung ist abhängig von eng aneinanderhegenden inneren und äußeren Kugellagerelementen. Diese Art von Kugelverbindung besitzt eine hohe lineare Steifheit und eine geringe Reibung, doch durch die Auslegung dieser Ausführung ist festgelegt, daß diese Kugelverbindung ein geringes Spiel zwischen innerem und äußerem Lager benötigt. Dieses geringe Spiel nimmt mit wachsender Abnutzung zu und das mit diesem Abstand einhergehende Spiel macht dieses Kugellager für Anwendungen, in denen es auf Hochpräzisionsabmessungen ankommt, ungeeignet.
Die Kugelverbindung in Übereinstimmng mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, die Vorbelastung zwischen den Kegeln und der Kugel dynamisch auf die gewünschten Werte zu ändern. Dies ist ein sehr entscheidender Vorteil in Anwendungen, in denen es auf Hochpräzisionsabmessungen ankommt, beispielsweise bei einem Trägertisch mit X-Y-Schrittfunktion. Wenn der Trägertisch oder eine andere Einrichtung sich gerade bewegt, kann die Vorbelastung reduziert werden, um eine geringe Reibung und Abnutzung bereitzustellen. Wenn sich der Trägertisch oder eine andere Einrichtung nicht bewegt, dann kann die Vorbelastung erhöht werden, um ein Spiel zu vermeiden und um eine hohe Steifheit zu erzielen.
Dies wird mit der in den Figuren 11 bis 13 abgebildeten Anordnung erreicht. Wir betrachten nun Figur 11. Eine Antriebsstange 51 (mit rundem Querschnitt am Ende) mit kugelförmigem Ende 50 befindet sich zwischen zwei Kegeln oder Sockeln 67 und 68 in einem fest angebrachten Glied 52 bzw. einer Vorbelastungsstange 53. Der Kegel 67, der im bevorzugten Ausführungsbeispiel in Figur 11 als fester Kegel 67 dargestellt ist, ist an einem zu bewegenden Objekt befestigt. Der Vorbelastungskegel 68 wird auf der unteren Fläche der Vorbelastungsstange 53 gebildet. Die Vorbelastungsstange 53 ist mit dem Flansch 64 verbunden, das heißt, mit dem Zapfenende 64. Die gegenüberliegenden Enden der Stange 53 sind der Flansch 64, der an der Basis 63 befestigt ist, und der Hauptkörper 53, die durch den flexiblen Streifen 54, der zwischen dem verlängerten Paar der transversalen Schlitze 154 und 254 gebildet wird, flexibel miteinander verbunden sind. Wir fassen zusammen: Der flexible Streifen 54 stellt von einem erhöhten Standpunkt aus einen flexiblen "Punkt" bereit, der zwischen dem Körper 53 und dem Flansch 64, der das Zapfenende 64 der Vorbelastungsstange 53 bildet, gebildet wird.
Der Flansch 64 ist mit den mit Gewinde versehenen Befestigungselementen 65 an der Basis 63 des befestigten Glieds 52 befestigt. Die Basis 63 ist eine Befestigungsplatte mit Öffnungen zur Befestigung an der Trägertischplatte 11 durch mit Gewinde versehenen Befestigungselementen (nicht dargestellt). Der flexible Zapfen 54 ermöglicht, daß der Vorbelastungskegel 68 im Glied 53 in einem kleinen Winkel um den flexiblen Zapfen 54 bewegt werden kann. Das Vorbelastungsstellglied 55 ist so montiert, daß eine Vorbelastungskompressionskraft bereitgestellt werden kann, die nach unten gegen das Vorbelastungsglied 53 und den Vorbelastungskegel 68 drückt. Das Vorbelastungsstellglied 55 umfaßt ein piezoelektrisches oder entsprechendes Stellglied wie beispielsweise ein pneumatisches, hydraulisches Stellglied oder ein Stimmspulenstellglied oder entsprechendes.
Die an die Kegel 67 und 68 und an die Kugel 50 unter Verwendung einer Vorbelastungsspannmutter 59 durch eine Öffnung in der Mitte des Vorbelastungsstellglieds 55 angelegte Vorbelastungskompressionskraft. Zusätzlich verläuft die Stange 57 durch eine Öffnung 70 im Vorbelastungsglied 53 durch die Mitte eines Vorbelastungskegels 68, durch die Kugel 50 und durch das befestigte Glied 52 und die Mitte eines befestigten Kegels 67 sowie eine Öffnung 74 in der Mitte eines Vorbelastungssensors 56, der ein Belastungsmeßinstrument oder ähnliches, beispielsweise einen Kraftmesser, enthält.
Der Lastsensor 56 ist so montiert, daß er die Last auf der Spannungsstange 57 messen kann. Die Leitung 62 verbindet den Ausgang des Belastungsmeßinstruments mit dem Eingang des Vorbelastungsservomittels und der Antriebselektronik 58, deren Ausgang mit dem Eingang des piezoelektrischen Vorbelastungsstellglieds 55 verbunden wird. Um die Vorbelastungskraft auf die Kugelverbindung zu erhöhen, wird das Stellglied 55 verlängert oder nimmt in seiner Dicke zu, wodurch die Kugelverbindung zusammengedrückt wird. Um die Vorbelastungskraft zu reduzieren, wird das Stellglied eingezogen oder nimmt in seiner Dicke ab, wobei im Servomittel ein festgelegter Wert elektronisch einprogrammiert ist. Die Vorbelastungskraft kann geändert werden, wobei die Frequenz lediglich durch die Bandbreite des Stellglieds 55 begrenzt ist. Das Servomittel 58 empfängt eine weitere Eingabe 61 von einem System-Controller, um den gewünschten Wert der Vorbelastung einzustellen.
Zwar zeigt Figur 11 ein System unter Verwendung einer Spannungsstange 57 und ein Servosystem mit geschlossener Schleife, doch können auch andere Ausführungen verwendet werden, um dynamische Vorbelastungskräfte bereitzustellen, die auf eine Kugelzapfenverbindung ausgeübt werden.
Figur 12 zeigt eine geänderte Ausführung dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung, bei der sich eine Antriebsstange 51' mit einem Kugelende 50' zwischen zwei Kegeln oder Sockeln 67' und 68' im befestigten Glied 52' und im keilförmigen Vorbelastungshebel 53' befindet. Diese beiden Kegel werden in Figur 12 dargestellt als befestigter Kegel 67', der in der oberen Fläche des befestigten Glieds 52' gebildet wird und am Objekt so befestigt ist, daß er bewegt werden kann, und als Vorbelastungskegel 68'.
Der Vorbelastungskegel 68' ist integraler Bestandteil des keilförmigen Hebels 53', der integral durch einen flexiblen Zapfen 54' mit einem Zapfenende 64' verbunden ist, der integral mit der Basis 63' ist, wodurch die Notwendigkeit für eine separate Vorbelastungsstange, die an der Basis 63' befestigt ist, entfällt. Der flexible Zapfen 54' ermöglicht, daß der Vorbelastungskegel 68' im Hebel 53' durch einen kleinen Winkel um den flexiblen Zapfen 54' bewegt werden kann.
Das Vorbelastungsstellglied 55' ist so befestigt, daß eine Vorbelastungskraft bereitgestellt wird, die seitlich gegen den Vorbelastungshebel 53' drückt, der den Vorbelastungskegel 68' nach unten gegen das Kugelende 50' treibt. Die Kompressionsvorbelastung wird ohne Verwendung einer Vorbelastungsstange und einer Mutter 59 erzielt, da der keilförmige Hebel 53' integral mit dem festen Glied 52' ist. Der Vorbelastungssensor 56' ist so befestigt, daß er die Last auf dem keilförmigen Hebel 53' vom Stellglied 55' registriert. Die Leitung 62' verbindet den elektrischen Ausgang des Belastungsmeßinstruments 56' mit dem Eingang des Vorbelastungsservomittels und der Antriebselektronik 58', deren elektrisches Ausgangssignal mit dem Eingang des piezoelektrischen Vorbelastungsstellglieds 55' verbunden wird.
Um die Vorbelastungskraft auf die Kugelverbindung zu erhöhen, wird das Stellglied 55' verlängert oder nimmt in seiner Dicke zu, und um die Vorbelastungskraft zu reduzieren, wird das Stellglied eingezogen oder nimmt in seiner Dicke ab, wobei im Servomittel 58' ein festgelegter Wert elektronisch einprogrammiert ist. Die Vorbelastungskraft kann geändert werden, wobei die Frequenz lediglich durch die Bandbreite des Stellglieds 55' begrenzt ist. Das Servomittel 58' empfängt eine weitere Eingabe 61' von einem System-Controller, um den gewünschten Wert der Vorbelastung einzustellen.
Figur 13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel analog Figur 12, wobei gleiche Elemente gleiche Funktionen ausführen, jedoch wird der Aufbau zur Anwendung von Kräften auf die Kegel geändert.
In diesem Ausführungsbeispiel besitzt die Antriebsstange 51'' ein kugelförmiges Ende 50'', das sich zwischen zwei Kegeln oder Sockeln 67'' und 68'' im festen Glied 52'' bzw. im Vorbelastungshebel 53'' befindet. Der feste Kegel 67'' wird auf der oberen Fläche des festen Glieds 52'' gebildet, das am zu bewegenden Objekt befestigt ist. Der Vorbelastungskegel 68'' wird auf der unteren Fläche der Vorbelastungsstange 53'' gebildet, die integral durch einen flexiblen Zapfen 54'' mit dem Zapfenende 64'' verbunden ist, das wiederum ein integraler Bestandteil von Basis 63' ist, wodurch die Notwendigkeit einer separaten Vorbelastungsstange, die an der Basis 63'' befestigt ist, ausgeschaltet wird. Der flexible Zapfen 54'' ermöglicht, daß der Vorbelastungskegel 68'' in Glied 53'' durch einen kleinen Winkel um den flexiblen Zapfen 54'' bewegt werden kann.
Ein Vorbelastungsstellglied 55'' ist so montiert, daß eine Vorbelastungsdruckkraft nach unten auf das Vorbelastungsglied 53'' und den Vorbelastungskegel 68'' drückt. Diese Vorbelastungsdruckkraft wird unter Verwendung eines Vorbelastungsspannungsarms 72 erzeugt, der integraler Bestandteil der Basis 63'' ist. Der Vorbelastungssensor 56'' ist so montiert, daß er die Last auf die Stange 53'', die vom Stellglied 55'' herrührt, registriert.
Die Leitung 62'' verbindet den elektrischen Ausgang des Belastungsmeßinstruments 56'' mit dem Eingang des Vorbelastungsservomittels und der Antriebselektronik 58'', deren elektrisches Ausgangssignal mit dem Eingang des piezoelektrischen Vorbelastungsstellglieds 55'' verbunden wird. Um die Vorbelastungskraft auf das Lager zu erhöhen, wird das Stellglied 55'' verlängert oder nimmt in seiner Dicke zu, und um die Vorbelastungskraft zu reduzieren, wird das Stellglied eingezogen oder nimmt in seiner Dicke ab, wobei im Servomittel 58'' ein festgelegter Wert elektronisch einprogrammiert ist. Die Vorbelastungskraft kann geändert werden, wobei die Frequenz lediglich durch die Bandbreite des Stellglieds 55'' begrenzt ist. Das Servomittel 58'' empfängt eine weitere Eingabe 61'' von einem System-Controller, um den gewünschten Wert der Vorbelastung einzustellen.
Figur 14 stellt schematisch das Elektrik-Diagramm des Steuersystems für den Trägertisch 11 dar. Drei identische Geschwindigkeitsservomittel, die in Figur 2 dargestellt sind, werden verwendet, um die drei Antriebsrolleneinheiten M1, M2 und M3 zu bewegen.
Wenn die Servosteuerungselektronik 86 von einem Host-Computer 105 auf den Leitungen 103 eine neue Zieladresse empfängt, wird eine Reihe von Geschwindigkeitswerten an die Geschwindigkeitsservoeinheiten von Figur 14 gesendet, um den Trägertisch 11 zu veranlassen, sich in die gewünschte neue Richtung zu bewegen. Die Servoschleifenverstärkung in der geschlossenen Schleifenposition in Abhängigkeit von der Frequenz und die maximalen Werte der Trägertischgeschwindigkeit, die Beschleunigung und die Beschleunigungsänderungsgeschwindigkeit werden durch gespeicherte Parameter und Software in der Servosteuerungselektronik 86 gesteuert.
Die Geschwindigkeitsservos können während der Meß- und Initialisierungsabläufe mit geöffneter Positionsservoschleife betrieben werden, solange die Laserstrahlen nicht aktiviert sind. Auch kann der analoge Joystick zur manuellen Trägertischsteuerung verwendet werden, wobei die Theta-Servoeinheit den Theta-Wert des Trägertisches nahe Null hält.
Feinstellglieder wie beispielsweise piezoelektrische Wandler können jeder der drei Antriebsstangen 16, 26 und 36 hinzugefügt werden, wenn eine höhere Positions- und Winkelgenauigkeit (weniger als 1 Mikrometer und 10 Mikroradianten) erforderlich ist. Dies stellt eine Kombination aus grober und feiner Servosteuerung bereit, wobei der feine Servo eine Bandbreite mit einer höheren Verstärkung aufweisen kann, weil er nur die Masse des Trägertisches und der Nutzlast treibt. Die Masse der Antriebsstange und die Trägheit der Motoren M1, M2 und M3 befinden sich außerhalb der Feinpositionierungsservoschleife.
Ein X-Y-Joystick 107 stellt außerdem eine Eingabe an die Steuerelektronik 86 zur manuellen Steuerung der Position des x-y-Theta-Trägertisches 11 bereit.
Der Laserpositionswandler und die Servosteuerungselektronik 86 empfängt über das Kabel 104 die X-Positionssignale vom Ausgang des X1-Achsen-Empfängers 45. Die Steuerungselektronik 86 empfängt außerdem über Kabel 116 die Ausgabe des Y-Achsen- Empfängers 85. Die Elektronik 86 empfängt außerdem über Kabel 115 die Ausgabe des Theta-Empfängers 84. Das Interferometer 110 verwendet ein Lichtstrahlenpaar, das auf den Zielspiegel 73 gerichtet ist, was in Figur 1 ausführlich gezeigt wird. Für die Theta- und Y-Achsen-Messungen durch die Empfänger 84 und 85 befindet sich ein Interferometerpaar in einer integrierten Struktur 79 gemäß der vorliegenden Erfindung und gemäß Darstellung in Figur 1 und Figuren 15A-C. Die Laserstrahlen 82 und 83 gehen von den Interferometern in der Struktur 79 an den Theta-Empfänger 84 bzw. an den Y-Achsen-Empfänger 85. Die Interferometer arbeiten mit dem Zielspiegel 52, was ausführlich an anderer Stelle unter Verweis auf die Figuren 1 und 15A-15C beschrieben wird, wo jedes Lichtstrahlenpaar dargestellt ist, während diese in Figur 14 der Einfachheit halber als Einzelstrahlen 200 bzw. 201 dargestellt sind.
In der Elektronik 86 läuft die X1-Fehlerausgabe 87 an den positiven Eingang der Summiererschaltung 88, die eine Ausgabe an den X-1-Antriebsverstärker 90 bereitstellt, der den Motor M1, der in Figur 1 dargestellt ist, mit Energie versorgt. Die Drehzahlmesserrückmeldung 91 wird auf Leitung 91 gezeigt, die mit dem negativen Eingang der Summiererschaltung 88 verbunden ist, um eine negative Rückmeldung bereitzustellen.
In der Elektronik 86 läuft die Y-Fehlerausgabe 92 an den positiven Eingang der Summiererschaltung 99 und die Summiererschaltung 94. Die Summiererschaltung 99 liefert eine Ausgabe 100 an den Y-+-Theta-Antriebsverstärker 101, der den Motor M3, der in Figur 1 dargestellt ist, mit Energie versorgt. Die Drehzahlmesserrückmeldung auf Leitung 103 wird mit dem negativen Eingang der Summiererschaltung 99 verbunden, um eine negative Rückmeldung bereitzustellen.
In der Elektronik 86 läuft weiterhin eine Theta-Fehlerausgabe 93 an den negativen Eingang der Summiererschaltung 94 und an den positiven Eingang der Summiererschaltung 99. Die Summiererschaltung 94 liefert eine Ausgabe 95 an den Y - Theta- Antriebsverstärker 96, der den Motor M2, der in Figur 1 dargestellt ist, mit Energie versorgt. Die Drehzahlmesserrückmeldung 98 wird auf Leitung 98 gezeigt und ist mit dem negativen Eingang der Summiererschaltung 94 verbunden, um eine negative Rückmeldung bereitzustellen.
Wenn eine reine X-Bewegung gewünscht wird, lädt der Host- Computer eine neue X-Zieladresse. Mehrere X-Geschwindigkeitsbefehle werden gegeben, um den X-Motor M1 und die Antriebsstange 16 zu bewegen, bis der Trägertischpositionsfehler an der neuen X-Position gegen Null läuft. Während sich der Trägertisch entlang der X-Achse bewegt, treibt die Y-Positionsservoeinheit die Y-Motoren M2 und M3 an, um den Y-Positionsfehler aktiv gegen Null zu bringen. Während der X-Bewegung treten außerdem Theta-Störungen auf, so daß die Theta-Servoeinheit die Y-Motoren M2 und M3 aktiv differential antreibt, um das Giermoment während der Bewegung nahe Null zu bringen und es nach der Bewegung nahe Null zu halten.
Die Theta-Servoeinheit hält den Theta-Wert (Gierwinkel) des Trägertisches nahe Null, indem auf elektronischem Wege an den Y-Geschwindigkeitsbefehlen 92 in den Surnmierkreuzpunkten 94 und 99 kleine Geschwindigkeitskorrekturen 93 durchgeführt werden. Die dedizierte Theta-Servoeinheit mit geschlossener Schleife gleicht ständig winzige Verstärkungsunterschiede in den Verstärkern 96 und 101 und in den Motoren M2 und M3 und Trägheitsunterschiede im Trägertisch und in den Antriebsstangen 26 und 36 und dynamische Reibungsunterschiede in den Lagersegmenten aus. Die Theta-Servoeinheit entfernt außerdem die Theta-Störungen, die durch die X-Antriebsstange 16 hervorgerufen werden. Da die Aufgabe der Aufrechterhaltung eines kleinen Theta-Werts durch eine dedizierte Theta-Servoeinheit erfüllt wird, können die Y-Positions-Servo-Hardware und -Software mit der X-Positions-Servoeinheit identisch sein.
Wird ein Theta-Wert gewünscht, der nicht gleich Null ist, kann der Host-Computer einen Theta-Wert in die Elektronik laden; daraufhin werden die Y-Antriebsstangen 26 und 36 mit den Motoren M2 und M3 eingefahren und ausgestoßen, wie dies erforderlich ist, um einen neuen Theta-Wert zu erhalten.
Eine reine Y-Bewegung läßt sich erzielen, indem man einen neuen Y-Zielwert lädt und dieselbe X-Pdsition aufrechterhält

Integrierte Spiegelinterferometer mit paralleler Dualebene

In den Figuren 15A-15C wird ein Interferometerpaar gezeigt, das in einer integrierten Struktur untergebracht ist, die zusätzlich eine Anordnung paralleler, dualer oder zweiachsiger (zwei Ebenen) Spiegelinterferometer in Übereinstimmng mit der vorliegenden Erfindung umfaßt. Optische Elemente der Interferometer der Figur 1 und der Figuren 17A-C sind auf ein optisch transparentes würfelförmiges Element 129'' geklebt. Das Element 129'' besteht aus zwei geklebten Glaselementen mit einer polarisierenden strahlbrechenden Oberfläche 130, die die beiden Hälften des würfelförmigen Elements 129''miteinander verbindet. In anderen Worten: Auf dem Element 129'' sind die Komponenten der Interferometer in einer integralen Struktur aufgeklebt. Die verschiedenen optischen Elemente sind mit einem UV-ausgehärteten optischen Klebstoff oder ähnlichem auf das würfelförmige Element 129'' aufgeklebt.
Ein Strahlteiler 120 wird auf die Außenseite des Elements 129'' genau unterhalb eines Strahlbiegers 121 geklebt. Ein Laserstrahl 76 mit den kombinierten vertikalen und horizontalen Polarisationskomponenten f1, f2 wird an den 50% -Strahlteiler 120 geleitet, der den Strahl in zwei Hälften spaltet. 50% des Strahls 76 werden aus dem Teiler 120 herausgeleitet und werden zu Strahl 191, der auf einer Achse des X/Y-Tisches verwendet wird. 191 wird nach oben zum 90-Grad-Strahlbieger 121 reflektiert, von wo aus er entlang des Strahlpfads 192 in das Innere des transparenten Elements 129'' geleitet wird. Wenn die f1, f2 Komponenten des Strahls 192 vom Strahlbieger 121 auf die Strahlteilerfläche 130 des Elements 129'' treffen, wird der vertikal polarisierte Teil f2 als f2-Strahl 193 in einen Retroreflektor in die Ecke des Würfels 124 weitergeleitet. Der (sich horizontal bewegende) f2-Strahl 193 wird über die Würfelecke 124 in rechten Winkeln nach oben und zurückre- flektiert und auf der gegenüberliegenden Seite der Würfelecke 124 durch die Oberfläche 130 entlang des Pfads 183 zurückreflektiert und verläuft entlang des Pfads 83 aus dem Element 129'' hinaus, und zwar als f2-Komponente des Ausgangsstrahls 83 zum Empfänger 85. Zur selben Zeit, wie der obige vertikal polarisierte f2-Teil (Strahl 193) des Strahls 192 vom Strahlbieger 121 durch die polarisierende strahlteilende Oberfläche 130 des Elements 129'' läuft, wird der horizontal polarisierte f1-Teil des Strahls vom Strahlbieger 121 nach unten reflektiert, und zwar entlang des Strahlpfads 78 durch eine 1/4- Wellenplatte 123. Die Platte 123 ist an der Unterseite des Elements 129'' angeklebt. Der Strahl 78 verläuft weiter nach unten entlang des Pfads 78, bis er den Spiegel 52 (siehe Figuren 1 und 14) erreicht, und der Strahl 78 wird vom Spiegel 52 mit der Frequenz f1 +/- Delta f entlang desselben Strahlpfads 78 durch die 1/4-Wellenplatte 123 und die Oberfläche 130 zurück nach oben in die Würfelecke 127 reflektiert, wo er (in der Würfelecke 127) nach rechts und zurück nach unten entlang des Strahlpfads 77 (parallel zu Strahlpfad 78) durch die Oberfläche 130 und die 1/4-Wellenplatte 123 als Strahl f1 +/- Delta f an eine danebenliegende Position auf dem Spiegel 52 doppelt reflektiert wird, bis er ein zweites Mal als Strahl f1 +/- 2Delta f durch die 1/4-Wellenplatte 123 zurück nach oben zur Strahlteilfläche 130 reflektiert wird, wo er aufgrund seiner vier 1/4-Polarisationswellenlängenänderungen, die durch die zwei Durchläufe durch die Platte 123 hervorgerufen werden, wiederum reflektiert wird, um entlang des Strahlpfads 83 nach außen zu gelangen, wobei die beiden Strahlen f2 und f1 +/- 2delta f ebenfalls zum Strahlpfad 83 führen. Die beiden Strahlen, die entlang des Strahlpfads 83 laufen, nämlich einer vom Würfeleck 124 und ein anderer von der Oberfläche 130, beeinträchtigen sich optisch gegenseitig infolge der Position des Trägertisches 11 bezüglich der Position des Interferometerelements 79, das eine relativ fixe Position einnimmt.
Die andere Hälfte des Strahlpfads 76, die ebenfalls aus den Komponenten f1 und f2 vom Strahlteiler 120 besteht und zur Messung der Position der zweiten Achse dient, verläuft direkt entlang des Strahlpfades 176 zur strahlpolarisierenden strahlteilenden Fläche 130. Dort wird der vertikal polarisierte f2- Teil des Strahls zur Würfelecke 125 übertragen. In der Würfelecke 125 wird dieser vertikal polarisierte Teil des Strahls 176 nach oben und zurück durch die Oberfläche 130 nach außen entlang des Strahlpfads 82 zum Detektor 84 gemäß Darstellung in den Figuren 1 und 14 reflektiert. Der verbleibende, horizontal polarisierte Teil des Strahls, der entlang des Pfads 176 für die zweite Achse vom Strahlteiler 120 verläuft, wird von der strahlteilenden Oberfläche 130 nach unten durch die 1/4-Wellenplatte 122 entlang des Strahlpfads 81 reflektiert. Der Strahl verläuft entlang Pfad 81 zum Spiegel 52 und wird von dort als Folge der beiden Durchläufe durch die 1/4-Wellenplatte 122 erneut zurück nach oben entlang des Strahlpfads 81 durch 1/4-Wellenplatte 122 und durch die Oberfläche 130 reflektiert. Dieser Strahl verläuft zur Würfelecke 126, wo er doppelt reflektiert wird und entlang des Strahlpfads 80 erneut durch die 1/4-Wellenplatte 122 verläuft; anschließend verläuft er entlang des Strahlpfads 80 (parallel zum Strahlpfad 81) zum Spiegel 52 und der Strahl f1+/- 2delta f verläuft zurück nach oben entlang des Strahlpfads 80 zur polarisierenden strahlteilenden Oberfläche 130, wo infolge der Auswirkungen der 1/4-Wellenplatte 122 er entlang des Strahlpfads 82 nach außen zum Detektor 84 reflektiert wird, wobei letzterer Strahl mit dem Strahl zusammenfällt, der entlang des anderen Strahlwegs, nämlich von der Würfelecke 125 durch den Würfel 126 zum Strahlpfad 82, verlaufen ist.
Die Figuren 16A-16C zeigen Modifikationen der in den Figuren 15A-15C dargestellten Interferometer. Im allgemeinen ist die Operation dieselbe, außer daß der 50%-Strahlteiler nach oben zum Ausgang des Pfads 82 bewegt wurde. Der Strahl auf Pfad 82 enthält die neu kombinierten vertikalen und horizontal polarisierten Komponenten. Der Strahl 191, der nach oben reflektiert wurde, durchläuft die Hälfte der Wellenplatte 128 und rotiert die kombinierten Strahlen um 90 Grad und läuft von dort in den 90-Grad-Strahlbieger 121, der die neu kombinierten f1- und f2- Komponenten des Strahls 191 durch den zweiten integrierten Interferometer sendet. Wenn die Komponente f1 die Referenzkomponente in Strahl 76 wäre, wäre sie auch die Meßkomponente in Strahl 191, und umgekehrt. Dies führt dazu, daß das Vorzeichen der registrierten Bewegung umgekehrt wird, wodurch ermöglicht wird, daß die zweite Achse die Umwandlung nicht registriert, da mit der Inkrementierung der ersten Achse um +df die zweite Achse um -df dekrementiert wird, wobei ein Wert Null übrig bleibt. Dies setzt voraus, daß der Spiegel auf beiden Achsen exakt dieselbe Strecke zurücklegt. Ist dies nicht der Fall, dann kommt nicht der Wert Null heraus, und der Trägertisch muß rotiert worden sein, um die unterschiedlichen Pfade zu erzeugen. Somit haben wir ein optisches Signal für Theta.
Die Figuren 17A-17C zeigen weitere Modifikationen der Interferometer der Figuren 15A-15C. In diesem Fall geht dem 50%- Strahlteiler 120 ein 33%-Strahlteiler 140 voraus. Es gibt zusätzliche Würfelecken 154 und 155 und einen zusätzlichen 90- Grad-Strahlteiler 150 sowie die 1/4-Wellenplatte 162, die allesamt die Steigung, die Position und den Gierwinkel messen, die auch von bisherigen Systemen gemessen wurden.

Anwendbarkeit in der Industrie

Dieses x-y-Positionierungssystem eignet sich zur Verwendung durch Hersteller und Anwender von E-Strahlsystemen oder ähnlichen Systemen in der Halbleiterfertigungsindustrie. Dieses x- y-Tischpositionierungssystem eignet sich zur Verwendung in einem E-Strahlsystem, das zur Belichtung lithographischer Masken zur Verwendung für die Halbleiterherstellung verwendet wird. Diese Antriebstische gestatten verbesserte Produktionstoleranzen, die weit unter denen liegen, die in der Vergangenheit möglich oder erforderlich waren.

Claims

1. Ein Positionierungssystem, bestehend aus:

a) einer Basis (10) mit einer Oberfläche;

b) einem Trägertisch (11), der gleitbar auf der genannten Oberfläche der genannten Basis gelagert ist;

c) mindestens drei linearen Antriebsmitteln (x1, y1, y2) zur Beförderung der genannten Trägertischplatte entlang eines Pfads mit mindestens drei separaten Antriebsbewegungen (16, 26, 36) zur Beförderung der genannten Platte auf der genannten Oberfläche der genannten Basis;

d) einem Mittel (79, 84, 85) zur Erkennung der Bewegung jedes der genannten linearen Antriebsmittel;

e) einem Steuerelektronikmittel (Figur 14) zur Bereitstellung von Steuersignalen, die dafür sorgen, daß Eingaben an die genannten Mittel zur Erkennung und Ausgaben an die genannten linearen Antriebsmittel geleitet werden;

wobei das genannte Mittel zur Erkennung folgendes umfaßt:

ein Interferometersystem (79) mit einer integrierten Struktur mit einer Mehrzahl an optischen Interferometersystemen auf einer würfelförmigen Elementstruktur (129'');

wobei die Elementstruktur (129'') ein optisch transparentes Material umfaßt, das in zwei Hälften unterteilt ist und sechs ebene Außenflächen umfaßt, bestehend aus einer ersten, einer zweiten, einer dritten, einer vierten, einer fünften und einer sechsten Seite und bestehend aus zwei aneinandergeklebten Elementen mit einer polarisierenden strahlteilenden Oberfläche (130) am Schnittpunkt zwischen den beiden genannten aneinandergeklebten Elementen, wobei sich die genannte erste und die genannte zweite Seite ih zueinander parallelliegenden Ebenen befinden;

eine Mehrzahl an optischen Elementen, die an dieser Struktur befestigt sind, wobei die genannte Mehrzahl an optischen Elementen einen Strahlbieger, einen Strahlteiler, einen ersten Retroreflektor (124), einen zweiten Retroreflektor (125), einen dritten Retroreflektor (126), einen vierten Retroreflektor (127), ein erstes 1/4-Wellenelement und ein zweites 1/4-Wellenelement umfaßt;

wobei die genannte Mehrzahl an optischen Elementen kombiniert ist, um mindestens ein Interferometerpaar zu bilden, das so ausgerichtet ist, daß es auf einen einzelnen retroreflektierenden Spiegel (52) auf einer Oberfläche zeigt, deren lineare Position und Winkelposition gemessen werden soll;

wobei die genannte erste Seite der genannten Struktur (129'') den genannten Strahlbieger (121) und den genannten Strahlteiler (120) umfaßt, die daran befestigt sind, um einen Eingabelaserlichtstrahl (76) zu empfangen, der von den genannten Interferometern mit einem ersten optischen Pfad (176), der direkt auf die genannte erste Seite der genannten Struktur (129'') ausgerichtet ist, und einem zweiten optischen Pfad (191), der entlang eines Pfads parallel zur genannten ersten Seite in Richtung des genannten Strahlbiegers (121), der so ausgerichtet ist, daß er einen zweiten Teil des vom genannten Strahlteiler geteilten Strahls empfangen kann, ausgerichtet ist, und daß er zur Biegung des genannten zweiten Teils direkt entlang eines dritten optischen Pfads (192, 193) an eine andere Stelle auf der genannten ersten Seite verwendet werden kann, wodurch der genannte erste und der genannte dritte optische Pfad parallel in Richtung der genannten polari- sierenden strahlteilenden Oberfläche (110) gerichtet werden;

wobei der genannte erste, zweite, dritte und vierte parallele Retroreflektor (124, 125 und 126, 127) doppelt reflektierende Oberflächen aufweisen, um einen Strahl zu reflektieren, der parallel zu seinem Originalpfad verläuft, wobei der genannte erste und der zweite Retroreflektor (124, 125) an die genannte zweite Seite der genannten Struktur auf der gegenüberliegenden Seite der genannten Struktur von der genannten ersten Seite der genannten Struktur (129'') angeklebt sind, wobei der genannte zweite Retroreflektor (125) mit dem genannten ersten optischen Pfad (176) vom genannten Strahlteiler (120) und der genannte erste Retroreflektor (124) mit dem genannten dritten optischen Pfad (192) vom genannten Strahlbieger (121) ausgerichtet ist, und wobei sich die genannte polarisierende strahlteilende Oberfläche (130) zwischen der genannten ersten Seite und der genannten zweiten Seite befindet, wodurch Strahlen (192, 176), die mit Licht vom genannten ersten und vom genannten dritten optischen Pfad vom genannten ersten und vom genannten zweiten Retroreflektor (124, 125) reflektiert werden, vom genannten ersten und vom genannten zweiten Retroreflektor (124, 125) aus durch die genannte strahlteilende Oberfläche (130) laufen und anschließend aus der genannten Struktur (129'') durch die genannte erste Seite entlang des vierten und fünften optischen Pfads (83, 82) geleitet werden, und wobei die verbleibenden Teile des Lichts vom genannten ersten und vom genannten dritten optischen Pfad (176, 192), die von der genannten strahlteilenden Oberfläche (130) reflektiert werden, entlang des sechsten und siebten optischen Pfads (81, 78) durch eine dritte Seite der genannten Struktur (129'') geleitet werden, wobei das genannte erste und das genannte zweite 1/4-Wellenelement (122, 123) an die genannte dritte Seite in Ausrichtung mit der Ablenkung des Lichts entlang des genannten sechsten bzw. siebten optischen Pfads vom genannten Bieger (121) und dem genannten Teiler (120) angeschlossen wird, die von der genannten teilenden Oberfläche (130) außerhalb der genannten Struktur und in Richtung auf den genannten Spiegel (52) reflektiert werden, wobei die genannte dritte Seite der genannten Struktur mit der genannten ersten und der genannten zweiten Seite verbunden ist und im allgemeinen auf einer normalen Ebene zur genannten ersten und zur genannten zweiten Seite liegt, wobei die genannte vierte Seite im allgemeinen auf einer parallelen Ebene zur genannten dritten Seite liegt;

wobei die Reflektion von Licht vom sechsten und vom siebten optischen Pfad (81,78) vom genannten Spiegel (52) entlang des genannten sechsten und siebten Pfads (80, 77) verläuft und entlang der parallelen Pfade durch das genannte erste bzw. das genannte zweite 1/4-Wellenelement (122, 123) zurückkehrt und von der genannten strahlteilenden Oberfläche (130) zur genannten vierten Seite läuft, wobei die genannte vierte Seite der genannten Struktur (129'') gegenüber der genannten dritten Seite angeordnet ist, wobei der genannte dritte Retroreflektor (126) und der genannte vierte Retroreflektor (127) mit der vierten Seite verbunden sind, und wobei der genannte dritte Retroreflektor (126) und der genannte vierte Retroreflektor (127) mit ihren Achsen auf die Achsen des genannten sechsten bzw. des genannten siebten optischen Pfads ausgerichtet sind, um Licht zu empfangen, das durch die genannte Struktur (129'') läuft und den genannten dritten Retroreflektor (126) bzw. den genannten vierten Retroreflektor (127) erreicht, um von dort zurück nach unten entlang des achten und neunten optischen Pfads reflektiert zu werden, die parallele Pfade zum sechsten und zum siebten optischen Pfad über die genannten 1/4-Wellenplatten (122, 123) zum genannten Spiegel (52) umfassen, um von dort zurück entlang des genannten achten und des genannten neunten optischen Pfads zur genannten strahlteilenden Oberfläche (130) entlang der genannten parallelen Pfade reflektiert zu werden, um von dort aus zurück nach oben zur genannten strahlteilenden Oberfläche (130) reflektiert zu werden, um von dort aus seitlich entlang des genannten fünften und des genannten vierten optischen Pfads (82, 83) durch die genannte erste Seite der genannten Struktur (129'') auf demselben Strahlpfad wie die Reflektionen vom genannten ersten bzw. vorn genannten zweiten Retroreflektor (124, 125) reflektiert zu werden;

wobei eine Kombination aus x,y-geradlinigen Bewegungen und Drehbewegungen bezüglich der genannten Basis erzielt werden kann.

2. Ein Positionierungssystem in Übereinstimmng mit Anspruch 1, wobei die genannte polarisierende strahlteilende Oberfläche (130) der genannten Struktur (129'') in einer Ebene positioniert wird, die diagonal zu den Strahlen des genannten Strahlteilers (120) und des genannten Strahlbiegers (121) ausgerichtet ist, wobei der horizontal polarisierte Teil des Strahls auf dem genannten dritten optischen Pfad vorn genannten Bieger (121) nach unten durch das genannte zweite 1/4-Wellenelement (123) entlang des genannten siebten optischen Pfads (78) auf den genannten Spiegel (52) reflektiert wird, und der genannte horizontal polarisierte Teil zurück zum genannten vierten Retroreflektor (127) reflektiert wird, wo der genannte horizontal polarisierte Teil im genannten vierten Retroreflektor (127) nach unten entlang des genannten neunten optischen Pfads (77) parallel zum genannten siebten Pfad (78) zum genannten Spiegel (52) doppelt reflektiert wird, bis der genannte horizontal polarisierte Teil zur genannten strahlteilenden Oberfläche (130) nach oben reflektiert wird, wo der genannte horizontal polarisierte Teil aufgrund der Polarisation reflektiert wird, die von den zwei Durchläufen durch das genannte zweite 1/4-Wellenelement (123) verursacht wird, um von dort aus entlang des genannten vierten optischen Pfads (83) zum genannten zweiten Detektor (85) zu gelangen, wobei auch die beiden genannten optischen Pfade zum genannten vierten optischen Pfad (83) führen; diese beiden Pfade beeinträchtigen sich infolge der Entfernung der Bewegung zum genannten Spiegel (52);

wobei der Strahl auf dem genannten ersten optischen Pfad (76) vom genannten Strahlteiler (120) für die zweite Achse direkt zur genannten strahlteilenden Oberfläche (130) verläuft, wo der vertikal polarisierte Teil des Strahls auf dem genannten ersten optischen Pfad (176) teilweise an den genannten zweiten Retroreflektor (125) übertragen wird; dieser vertikal polarisierte Teil des Strahls wird vom genannten zweiten Retroreflektor (125) nach außen entlang des genannten fünften optischen Pfads (82) an einen ersten Detektor (84) zurückreflektiert;

wobei der verbleibende, horizontal polarisierte Teil des Strahls für die zweite Achse auf dem genannten ersten optischen Pfad (176) vom genannten Strahlteiler (120) teilweise durch die strahlteilende Oberfläche (130) nach unten entlang des genannten sechsten optischen Pfads (81) auf den Spiegel (52) und zurück nach oben entlang des genannten sechsten optischen Pfads (81) bis zum genannten dritten Retroreflektor (126) reflektiert wird, wo der genannte verbleibende, horizontal polarisierte Teil doppelt reflektiert wird nach unten entlang des genannten achten optischen Pfads (80) auf den Spiegel (52) und zurück nach oben entlang des genannten achten optischen Pfads (80) bis zur polarisierenden strahlteilenden Oberfläche (130) reflektiert wird, wo der genannte verbleibende, horizontal polarisierte Teil nach außen entlang des genannten fünften optischen Pfads (82) zum ersten Detektor (84) reflektiert wird, wobei die letzteren Wellen die Wellen, die entlang des äußeren Strahlenwegs zum genannten fünften optischen Pfad (82) durch den genannten dritten Re- troreflektor (126) verliefen, beeinträchtigen.

3. Ein Positionierungsträgertisch, bestehend aus:

a) einer Basis (10);

b) einem Trägertisch (11), der gleitbar auf der genannten Basis gelagert ist;

c) mindestens drei linearen Antriebsmitteln (x1, y1, y2) zur Beförderung der genannten Trägertischplatte entlang eines Pfads mit mindestens drei separaten Antriebsbewegungen (16, 26, 36) entlang der geradlinig angeordneten x- und y-Achse, und Rotation der genannten Platte auf der genannten Basis, die im wesentlichen parallel zur Oberfläche der genannten Basis verläuft, wobei die genannte Platte auf der Oberfläche der genannten Basis beweglich ist;

d) wobei jedes der genannten linearen Antriebsmittel eine kugelförmige Zapfenverbindung (51) mit dynamischer Vorbelastungseinstellung umfaßt, bestehend aus

1) einem ersten Glied (50), das in einer Kugel für die genannte Verbindung endet;

2) einem Paar gegenüberliegender Lagerelemente (68), wobei jedes dieser Elemente eine Lagerfläche für eine Seite der genannten Kugel umfaßt, wobei die genannte Kugel zwischen den genannten Lagerflächen der genannten Lagerelemente zusammengesetzt ist;

3) wobei mindestens eines der genannten Lagerelemente mit einem Vorbelastungsstellglied (55) verbunden ist;

4) einem Vorbelastungssensor (56), der an mindestens einem der genannten Lagerelemente befestigt ist;

5) einem Servosteuermittel (58) mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei der genannte Eingang an den Ausgang des genannten Vorbelastungssensors und der genannten Ausgang an das genannte Vorbelastungsstellglied angeschlossen ist;

wobei das genannte Vorbelastungsstellglied durch Betätigung des genannten Servosteuermittels in Reaktion auf den genannten Vorbelastungssensor und die kombinierte Bewegung aus geradlinigen Bewegungen und Drehbewegungen bezüglich der genannten Basis dynamisch vorbelastet wird.

4. Ein Trägertisch gemäß Anspruch 3, bei dem die genannten Lagerflächen konisch sind.

5. Ein Trägertisch gemäß den Ansprüchen 3 und 4, wobei die genannten Lagerelemente ein relativ befestigtes Lagerelement und ein relativ bewegliches Element umfassen;

wobei das relativ bewegliche Element ein Zapfenende umfaßt; dieses Zapfenende ist an das genannte feste Lagerelement und an ein Hauptkörperende, das die genannte Lagerfläche einschließt, befestigt, wobei das genannte Hauptkörperende mit dem genannten Zapfenende durch einen flexiblen Teil des genannten beweglichen Elements verbunden ist, wobei der genannte flexible Teil eine flexible Bewegung des genannten beweglichen Elements zwischen dem genannten Hauptkörperende und dem genannten Zapfenende ermöglicht.

6. Ein Trägertisch gemäß den Ansprüchen 3 und 4, wobei die genannten Lagerelemente ein relativ befestigtes Lagerelement und ein relativ bewegliches Element umfassen, wobei das relativ bewegliche Element ein Zapfenende umfaßt; dieses Zapfenende ist integraler Bestandteil des genannten befestigten Lagerelements und eines Hauptkörperendes einschließlich der genannten Lagerfläche;

wobei das genannte Hauptkörperende durch einen flexiblen Teil des genannten beweglichen Elements mit dem genannten Zapfenende verbunden ist;

wobei der genannte flexible Teil eine flexible Bewegung des genannten beweglichen Elements zwischen dem genannten Hauptkörperende und dem genannten Zapfenende ermöglicht.