JP2007127649A - 担持体にスケールを固定するための方法、そのために形成されたスケールならびにこのスケールを備えた担持体 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の課題は、結合が汚染あるいは気泡の形成により解除しやすく、コストが高いという従来のオプティカルコンタクトの問題を取り除く方法を提供することにある。
【解決手段】 接合結合が互いに間隔をおいて設けられた多数のスケール（１１〜１５）の表面領域（６１〜６５）で行われ、これらの表面領域が少なくとも一つの管路（２００）により分離していることにより解決される。
【選択図】 図７

Description

本発明は担持体にスケールを固定する方法に関する。

二つの機械部分の相対位置を測定するために、機械部分の一方にスケールを固定し、互いに可動な他方の機械部分に走査ユニットを固定しなければならない。位置測定の際、スケールの目盛を走査ユニットにより走査する。

スケールを担持体に固定する場合、二つの根本原理がある。第一の根本原理にあっては、スケールが担持体に対して温度変化がある場合自由に延びることができるようにスケールを担持体に固定する。この場合固定は測定方向で移動可能な固定部材あるいは弾性的接着層を用いて行われる。

第二の根本原理にあっては、スケールを担持体に堅く固定する。この場合担持体とスケールは線膨張係数が同じ材料でできている。担持体とスケールが異なる材料でできている場合、スケールには担持体の温度特性が強制される。この固定は第二根本原理の場合、固く硬化する希薄な接着層あるいはオプティカルコンタクトを介して行われる。

高度に精密な位置測定を行うためには、線膨張係数がほとんど無視できるガラスあるいはガラスセラミックでできたスケールを使用するのが好ましい。このスケールは加工がし易く、従ってこの場合特許文献１に記載されているようにオプティカルコンタクトを対向面に対して使用する。

スケールのオプティカルコンタクトにおける問題点は、結合が汚染あるいは気泡の形成により容易に解除してしまうことがあることである。さらに結合面の高い平面度が必要であり、これには高額なコストがかかる。この問題は相対的に面が広いスケールの場合に増幅されて生じる。この理由からスケールのオプティカルコンタクトは
一般に実施されなかった。
独国特許出願公開第１０１５３１４７号明細書 米国特許第２００４／０２６３８４６号明細書

本発明の課題は、この問題を取り除く方法を提供することにある。

この課題は、請求項１による方法により解決される。

本発明の別の課題は、安定して固定されたスケールを備えた担持体を提供することである。

この課題は請求項７による担持体を備えていることにより解決される。

さらに本発明は請求項１８の特徴を備えたスケールに関する。

本発明の有利な実施例は従属請求項に示してある。

本発明によって、できるだけ大きな力を保持力として加え、同時にではあるがオプティカルコンタクトの短所を回避することにより、また多数の互いに分離したオプティカルコンタクト面を形成することにより、オプティカルコンタクトの達成されうる長所が利用される。

汚染あるいは擦り傷により局所的に解除した接合結合（Bondverbindung）の解除部は、本発明によるオプティカルコンタクト面の分離により区画される。解除は一般に遮断された接合結合によっては広がらない。

さらに妨げとなる媒質が、少なくとも一つの外側に案内される管路を通って流出するので、良好なスケールの平面度が得られる。

本発明の実施例を図に基づき詳しく説明する。

図１〜３を基にして第一実施例を説明する。この場合ガラスあるいはガラスセラミック（例えばZERODUR）でできたスケール１１は測定目盛２１を備えている。測定目盛２１は位置測定するためにＸ方向で走査可能なインクリメンタル目盛である。測定目盛２１は、既知の方法で高度に精密で干渉の位置測定を行なうために使用される、反射する振幅ジッターあるいは位相ジッターであってもよい。スケール１１はベッセル点の領域内において隆起部３１を備え、この隆起部は担持体５１の対向面４１に取付けるための支持部として使用されている。同様にして担持体５１はガラスあるいはガラスセラミック（例えばZERODUR）でできているのが好ましい。

担持体５１の対向面４１と相対する隆起部３１の表面６１、ならびに対向面４１は清潔でありかつ高度に研磨された表面である。必要な表面の品質は機械的な研磨仕上げあるいは化学機械的仕上げにより達せられる。

スケール１１の隆起部３１は、隆起部３１の領域がカバーされ、材料が隆起部３１の周囲で腐食して除去されることによって、公知の構造方式により製造されるのが好ましい。従って隆起部３１はスケール１１において構造一体的に形成されている。

スケール１１と担持体５１の結合は、隆起部３１の表面６１を担持体５１の対向面４１と接合することにより行なわれる。本発明の根底をなしている接合の基盤は、その状態が原子の結合力の届く範囲内に達する場合に、清潔で圧着可能でかつ研磨された表面が互いに付着するような接着である。さらに接合は光学的接触あるいは非接着ボンディングとも呼ばれる。隆起部の表面６１は、この隆起部が担持体５１の対向面４１と接合接続を行なうための接合可能な表面６１を備えるように形成されている。

この接合はオプティカルコンタクトとも呼ばれる直接接合（直接接合あるいは直接接触）であってもよい。直接接合の場合、接合作用は熱の影響により、あるいは界面活性剤を塗布することにより高めることができる。界面活性剤を用いた直接接合により、良好な接合強度が相対的に低い温度の場合でも得られる。特殊な界面活性剤の様式は結晶化する液体を提供することである。さらにこの接合方式は低温接合技術とも呼ばれ、かつインターネットを介して公開されている、明確に関連したキャロル・クリック、レオ・ギロイ及びデーブ・バンダープール著の「SCHOTT Low Temperature Bonding for Precision Optics」という題名のショット社の論文で解説されている。ＬＴＢ方式の場合、スケール１１と担持体５１は、各々線膨張係数がゼロに近いガラスセラミック、特にZERODURでできている。

さらに接合は電気化学的接合であり、この電気化学的接合において、互いに接続されるべきスケール１１と担持体５１の表面６１，４１には、金属の電気的に導通性のある補助層、例えばアルミニウムが、隆起部３１と対向面４１の間の中間層として付与されている。
この補助層は蒸着された層であってもよい。電気化学的接合の場合、補助層と担持体５１の間には応力がかかっており、従って補助層のイオンは担持体内に流れ、および／または担持体５１のイオンは補助層内に流れる。かかっている応力は静電気の引力であり、この静電気の引力によりスケールと担持体の間で原子の接触が生じる。

多次元の位置測定を行なうために、二次元の測定目盛２２を備えたスケール１２を使用することが増えている。この場合相対的に拡大されたスケール１２（例えば４０ｃｍ×４０ｃｍ）を、機械部分５２の面４２に固定する。スケール１２を固定しなければならない機械部分５２は、線膨張係数がゼロに近いガラスセラミック（例えばZERODUR）でできているリソグラフィック装置の場合に特に、本発明が使用可能であるのは有利である。二次元の測定目盛２２を備えたスケールを用いたこのような機械はここにおいて関連する特許文献２に説明されている。

この場合必要とされる約１ｍ×２ｍの測定領域をカバーするために、多数のスケール１２を例えば１ｍ×２ｍの機械面５２上で二次元で並んでモザイク状に固定しなければならないことが必要であることがある。特に光電的に走査される測定目盛２２を備えたスケール１２は、必要な精密さで、すなわち約４０ｃｍ×４０ｃｍの大きさで仕上げ可能である。これらのスケール１２は各々、本発明によればあとで述べる図で示すように担持体５２に固定される。

このように固定する場合に前述の接合方法を使用する。

図４及び５には、二次元の測定目盛２２−交差ジッターとも呼ばれる−を備えたスケール１２が模範的に示してある。担持体５２の方に向いたスケール１２の面には、接合可能な表面６２を備えた隆起部３２が形成されている。これらの隆起部３２は二次元空間的に配分された状態で、言い換えれば規則的な走査パターンで幾何学的かつ一様に配置されているかあるいは統計学的に配置されているかのどちらかの状態で設けられているのが好ましい。隆起部３２は各々円形状に形成されており、３０ｍｍよりは小さく、一般的には２００μｍ〜４ｍｍの直径を備え、スケール１２の厚さよりも好ましくは小さい相互間隔を備えており、この場合したがって相互間隔、すなわち縁部間隔は図１１及び１６では４ｍｍである。隆起部３２の高さは有利な方法では１０ｎｍであり、好適な値は特に２０ｎｍ〜５０μｍである。隆起部３２の表面６２の平面度（うねり）は約１０ｍｍの直径上では５００ｎｍ以下の範囲にあり、一般的には３０ｎｍから１０ｍｍまでの範囲にある。一方接合面として形成された隆起部３２の表面６２は、共通平面内にある。スケール１２の厚さに関する一般的値は１〜１５ｍｍである。隆起部３２の直径が小さく、相互間隔が小さいほど、隆起部３２の高さはいっそう低く仕上げられている。

少なくとも空間的な隆起部３２の分配は、隆起部３２の間で−ＸＹ平面に関してスケール１２の縁部まで達する開口管路２００が生じるように行なわれねばならない。この方法により、表面活性剤は接合後スケール１２と担持体５２の間の空域から容易に抜け出すことができる。さらに気泡もスケールの面にわたり開口管路２００を介して容易に抜け出すことができ、それにより接合強度は高まり、ならびに良好なスケール１２の平面度が確実に得られる。

隆起部３２はイボ状突起の様式を形成し、かつ開口管部２００を形成する縁部−その傍らにある窪みへの移行部−が丸みを付されているように形成されている。これにより接合されるべき表面６２はより良好に洗浄され、場合によっては表面活性化される。別の長所は剥離に関する不都合な作用点が防止され、材料が割れる危険が著しく下がることにある。

メンテナンスの際、スケール１２と担持体５２の中間空域内で、担持体５２あるいはスケール１２内の少なくとも一つの（図示していない）孔を介して媒体、例えば圧縮空気が導入され、これにより圧力が上昇し、スケール１２と担持体５２が互いに押し合うことにより、接合結合は解除される。

特に（例えば図６と７に示した）担持体５３から突出するスケール１３の場合、振動励起によりスケール１３の縁部領域の交互の剥離と再度のオプティカルコンタクトを生じる危険がある。この現象により、突出するスケール領域の短周期的長さ異常の変化は予測不能になる。これを回避するためには、別の手段が有利である。したがってスケール１１〜１５を保持するための他のロック機構（Sicherung）を担持体５１〜５５に設けることができる。この別のロック機構は、バネ、ブラケット、磁気保持手段、静電気によるロック機構あるいは真空保持機構でもよく、あるいは油膜もしくは接着方式のような付着保持手段を使用してもよい。この別のロック機構は、少なくとも絞り結合の領域において、従ってスケール１３および／または担持体５３の縁部領域において、すなわちスケール１３と担持体５３のオーバーラップ部の縁部領域において有効である。

以下にオプティカルコンタクト部を補充するために、図６〜１９に基づいた特に有利な接着結合を説明する。この場合不連続のオプティカルコンタクト面６３の予荷重により、特にスケール１３と担持体５３の結合の縁部領域においては、接着剤７を用いて結合相手１３と５３の間の圧力が高められる。

接着剤７を用いたロック機構により、スケール１３が離れることやなくなることは、例えば間違って接触した場合に、組立作業により防止されている。

この場合接着層により場合によればスケール１３の最小変形が局所的に発生する。位置と平面度は依然として精密であり、かつオプティカルコンタクト接合により広範囲に及んでズレもない。

図６は担持体５３にわたり縁部領域に沿って突出しているスケール１３を示す。スケール１３の円形の隆起部３３の幾つかは接着箇所を別に備えており、隆起部の中から一つを図７において横断面図で示してある。オプティカルコンタクト接合された隆起部３２と接着剤７により別に保護された隆起部３３を区別するために、これらは異なる関連標識を備え、接着剤７により保護された隆起部３３は図６において黒で示してある。接着剤７により別に保護された隆起部３３の場合、円形のオプティカルコンタクト面６３の内側には円形の接着面７３があり、この円形の接着面は接着剤禁止部としての溝状の窪み部８３によりオプティカルコンタクト面６３から分離している。これにより接着剤７が塗布された場合に前記円形の接着剤がオプティカルコンタクト面６３に達することは回避される。

一目瞭然である理由から、目盛は示していない。オプティカルコンタクト面６３に対向して低い位置にある領域、すなわち接着面７３と窪み部８３の製造は例えばリソグラフィ法で行われる。代替え手段としては、機械加工、フライス加工、あるいは相応する材質の場合にはレーザー加工も可能である。

接着面７３と接着剤７のＥモジュールは、（接着剤７の収縮により条件付けられるが）接着剤硬化後の引張り力によるスケール１３の曲げ変形を、必要であるができるだけ小さい大きさに維持するように、無条件で必要不可欠な大きさに維持される。

さらに看過され易く重要ではない短周期性のスケール１３の撓みは、接着面７３の大きさが同じである場合、図８及び９において各々右側に示した、オプティカルコンタクト面６３ならびに接着面７３の長円形の形状により得られる。構造的な設計には関係なく、硬化した際の接着剤により及ぼされる力は、可能な限り短い支持間隔でもって、かつ可能な限り周囲で捕捉されることが重要である。これにより接着面７３を取囲む隆起部あるいはオプティカルコンタクト面６３は保証されている。

オプティカルコンタクト及び接着の保証の作業手順は、以下のように行われる。
−スケール１３が担持体５３と接触する。
−スケール１３を担持体５３に合わせて調節し、この場合この状態でのオプティカルコンタクトを防ぐために、例えば孔９３を経由して、ガス、例えば空気をスケール１３と担持体５３の中間空域内に収容することにより、調節を楽にする。
−担持体５３にスケール１３を押圧し、同時にスケール１３を調節された状態でオプティカルコンタクトする。この場合押圧はスケール１３と担持体５３の中間空域内で真空（真空にすること）を発生させることにより行われる。
−担持体５３内の孔９３を経由して接着面７３に接着剤７を塗布する。

例えば空気の湿度を変化させることにより、接着剤７が収縮するかあるいは膨れることによる測定運転中のスケール１３の形状変化を防止するために、孔９３を接着剤の塗布後に気密に閉鎖することができる。代替え案としては、孔９３を経由してオプティカルコンタクトが行われた後に、接着剤７の劣化を防ぐために、ガス（例えば窒素あるいはヘリウム）を一定の湿度でもって、スケール１３と担持体５３の中間空域内に案内し、したがって接着面７３まで案内してもよい。

適切な接着剤７を使用する場合、メンテナンスの際の接着が保証されるオプティカルコンタクトの結合は、例えば接着剤７を加熱することにより、あるいは一定の波長の光を使用したクラックにより、あるいは化学薬品により解除可能である。加熱による解除の場合、接着面７３を局所的に加熱するために、加熱部材を孔９３内に挿入してもよい。化学的解除剤を使用した解除の場合、加熱は同様に孔９３を介して行うことができる。代替え案あるいは別の案として、オプティカルコンタクトの結合を解除するために、孔９３を経由してスケール１３と担持体５３の中間空域内で圧力を上昇させてもよい。

以下に述べる図１０〜１９による実施例は接着剤７の塗布を軽減する有利な変形を示す。

図１０〜１４による実施例では、接着剤７はスケール１４あるいは担持体５４の縁部から配量され、かつ毛細管力により接着面７４内に引張られる。突起状の隆起部３４の表面６４と接着面７４の間の溝状かあるいは条溝形状の窪み部８４により、オプティカルコンタクト面６４への接着コンタクトは防止される。

配量管路のすぐ近くにおいて、ならびに接着面７４により形成されている接着領域の内側においてオプティカルコンタクト面６４により支持することが保証されている。窪み部８４は接着剤７がオプティカルコンタクト面６４に接触するのを防止する（オプティカルコンタクトは入り込む接着剤７により阻止される）。

図１５〜１９による実施例では、担持体５５において切欠き部９５が設けられており、この切欠き部は接着面７５に接着剤７を塗布するために使用される。接着剤７は毛細管力により切欠き部９５から出発して接着面７５まで引張られる。これによりスケール１５の突出した領域での収縮した接着点は回避され、接着剤７は突出するスケール１５を外すことはない。

全ての実施例において担持体５５は縁部に向ってテーパー部１００を備えていてもよい。従って担持体５５は剛性が低く、突出するスケール１５の変形に同時に影響を及ぼす。これにより縁部領域内での解除の危険は軽減する。実施例は図１５に示してある。

担持体５１〜５５の縁部領域のテーパー部１００は一緒に使用可能であり、かつオプティカルコンタクトの安定性を改善するための他の接着固定部が無くても使用可能である。

隆起部３３〜３５により形成され、接着面７３〜７５を取囲むサポート面６３〜６５は、接着面７３〜７５の周囲でできる限り対称に設けられるべきである。これにより同様に表面の部分的変形はわずかに維持される。

突起状の隆起部３１〜３５は、外側まで通じている管路２００により、さらに平坦なオプティカルコンタクト面内で互いに分離されている（中間空域からの空気の漏洩、オプティカルコンタクト作用の改善）。接着剤止め用窪み部８３，８４，８５があってもあるいは無くても、面／突起部／条溝の様々な混合が可能である。

接合結合部を外部の影響及び異物混入（Unterkriechen）から守るために、接合結合部を作った後、スケール１１〜１５と、担持体５１〜５５との間の中間空域は、スケール１１〜１５の周囲の縁部をシールすることによりシールすることができる。この目的で塗料あるいは接着剤を使用することができる。さらに中間空域が媒質を用いてあふれることにより保護がなされる。このために例えば一定の特性のガスが隆起部３１〜３５の間の空域内へ、従って管路２００内へ収容されかつその中を貫流する。

先に示した実施例の場合、互いに間隔をおいて設けられた隆起部３１〜３５は、突起の形状でスケール１１〜１５に形状一体に形成されている。さらに隆起部３１〜３５は代替え的かあるいは付加的に担持体５１〜５５にも形成されていてもよい。さらに隆起部３１〜３５はスケール１１〜１５あるいは担持体５１〜５５上に取り付けられかつ構造を与えられた被膜であってもよい。

隆起部３１〜３５の形状と配設は図示した実施例に限定されない。

少なくともほぼ正方形かあるいは円形のスケールにおいて、ただ三つの隆起部が平面内に分配されて設けられていることにより、隆起部は動的に一定の受台を形成する。

本発明の接合方法にはすべて、ファンデルワールス力により互いに引き合うことができるか（直接接合）、あるいは関節結合の様式でわずかな原子位置を構成することにより、原子の結合を作れるように（ＬＴＤ，陽極接合）、結合すべき表面６１〜６５，４１〜４５がほんのわずかな原子間間隔まで互いに接近することが共通である。

図中に記入した寸法はｍｍで与えられており、例として大きさを示す。

第一スケールとスケールを固定するための第一担持体を示す図である。 第一担持体に固定された図１による第一スケールを示す図である。 図２によるスケール及び担持体の縦方向断面図である。 第二スケールと第二担持体を示す図である。 第二担持体に固定された図４による第二スケールを示す図である。 第三担持体と第三スケールの平面図である。 図６による担持体に固定されたスケールの断面図である。 第三担持体を形成するための二つの隣合ってデザインされた変形の横断面図である。 図８の二つの変形の平面図である。 第四担持体と第四スケールを示す図である。 第四担持体と第四スケールの平面図である。 図１１の横断面Ａ−Ａを示す図である。 図１２の拡大図Ｂである。 図１１の拡大図Ｃである。 第五担持体と第五スケールを示す図である。 第五担持体と第五スケールの平面図である。 図１６の横断面Ａ−Ａを示す図である。 図１７の拡大図Ｂである。 図１６の拡大図Ｃである。

Claims (20)

1. スケール（１１〜１５）と担持体（５１〜５５）の間で接合結合部を製造することにより、担持体（５１〜５５）にスケール（１１〜１５）を固定するための方法において、
   接合結合が互いに間隔をおいて設けられた多数のスケール（１１〜１５）の表面領域（６１〜６５）で行われ、これらの表面領域が少なくとも一つの管路（２００）により分離していることを特徴とする方法。
2. 接合結合が直接接合、低温接合あるいは陽極接合により行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 接合結合が二次元格子内で分配された状態で設けられ、かつ互いに間隔をおいて設けられた表面領域（６１〜６５）で実施されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 表面領域（６１〜６５）が隆起部（３１〜３５）により形成され、これらの隆起部がスケール（１１〜１５）の厚さよりもごくわずかしかない相互間隔を備えていることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 接合結合に加えて別の結合が実施されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
6. この別の結合が、スケール（１３，１４，１５）と担持体（５３，５４，５５）の間で接着剤（７）が塗布される形での接着結合であることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. スケールを備えた担持体であって、この場合スケール（１１〜１５）が担持体（５１〜５５）において接合により固定されている担持体において、
   接合が多数の間隔をおいて設けられたスケール（１１〜１５）の表面領域（６１〜６５）で行われており、これらの表面領域が少なくとも一つの管路（２００）により分離していることを特徴とする担持体。
8. スケール（１１〜１５）および／または担持体（５１〜５５）に隆起部（３１〜３５）が形成されており、この隆起部が互いに間隔をおいて設けられた表面領域（６１〜６５）を形成していることを特徴とする請求項７記載の担持体。
9. 隆起部（３１〜３５）が二次元格子内で分配された状態で設けられていることを特徴とする請求項８記載の担持体。
10. 表面領域（６１〜６５）が隆起部（３１〜３５）により形成され、これらの隆起部がスケール（１１〜１５）の厚さよりもごくわずかしかない相互間隔を備えていることを特徴とする請求項９記載の担持体。
11. 接合結合に加えて別の別の結合部が設けられていることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一つに記載の担持体。
12. 別の結合が接着結合であり、この結合においてスケール（１３，１４，１５）と担持体（５３，５４，５５）の間で、接着剤（７）を備えた接着面（７３，７４，７５）が設けられていることを特徴とする請求項１１記載の担持体。
13. 接着面（７３，７４，７５）が各々、隆起部（３３，３４，３５）から溝状の窪み部（８３，８４，８５）により分離していることを特徴とする請求項１２記載の担持体。
14. 担持体（５３，５４，５５）がスケール（１３，１４，１５）と隆起部（３３，３４，３５）において直接接触し、接着面（７３，７４，７５）が隆起部（３３，３４，３５）に対して後方に下がった状態で設けられており、従ってスケール（１３，１４，１５）と担持体（５３，５４，５５）の間には、接着剤（７）の収容部に対して間隙が生じていることと、
    溝状の窪み部（８３，８４，８５）が接着面（７３，７４，７５）に対して後方に下がった状態で設けられていることを特徴とする請求項１３記載の担持体。
15. 担持体（５３，５４）内において、少なくとも一つの開口部（９３，９５）が、接着剤（７）を接着面（７３，７５）に塗布するために設けられていることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一つに記載の担持体。
16. 接着面（７４，７５）がスケール（１４，１５）および／または担持体（５４，５５）の縁部まで案内されており、かつ接着剤（７）が毛細管力により縁部から、縁部から離れて設けられた接着面（７４，７５）に達していることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一つに記載の担持体。
17. 担持体(５５)がその縁部に向ってテーパー部１００を備えていることを特徴とする請求項７〜１６のいずれか一つに記載の担持体。
18. 担持体（５，５０）に固定するための固定面を備えたスケールにおいて、
    固定面が互いに間隔をおいて設けられた隆起部（３，３０）により形成されており、この場合隆起部（３，３０）が各々、担持体（５，５０）の対向面（４，４０）と接合結合を作るための接合可能な表面（６，６０）を備えていることを特徴とするスケール。
19. 隆起部（３１〜３５）が二次元格子内で分配された状態で設けられていることを特徴とする請求項１８記載のスケール。
20. 表面領域（６１〜６５）が隆起部（３１〜３５）により形成され、これらの隆起部がスケール（１１〜１５）の厚さよりもごくわずかしかない相互間隔を備えていることを特徴とする請求項１９記載のスケール。

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