JP6570289B2 - 機械を較正するための測定マークシステム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分に記載の機械を較正するための測定マークシステムに関する。

この測定マークシステムでは、作動時に少なくとも１つの空間方向に沿って移動可能であり、関連する位置決め装置によって位置決め可能な機械ヘッドを備える機械の較正が問題となる。このような機械の一例は、「実装装置」もしくは「実装機」とも呼ばれ、基板に構成部材を実装するための装置である。このような装置では、作動時に機械ヘッド、例えば実装ヘッドを高精度に位置決めすることが極めて重要であり、較正方法を用いて位置決めの際に求められる精度を確保する。

較正のために用いられる測定マークシステムは、較正したい機械に適宜に取り付けられた少なくとも１つの測定マークを備えていてもよい；さらに測定マークを検出するための走査ユニットが設けられており、走査ユニットは、機械ヘッドと共に１つ以上の測定マークに対して移動可能となるように、機械に適宜に配置されている。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３００５１８号明細書により、実装機を較正するための方法、ならびにこの方法を実施するように構成された装置が既知である。この場合、基板マークを撮影するために設けられたカメラによって、装置の実装領域の異なる位置に取り付けられた複数の較正マークを付加的に検出し、カメラの位置に対する較正マークの相対位置を決定し、これに基づいて装置を較正する（この場合にそれぞれの実装プロセスにおける相対位置が考慮される）。

冒頭で述べた形式の測定マークシステムにより、移動可能な機械ヘッドを有する機械を、例えば最初の作動前に較正し、製造誤差を補正することができる。しかしながら、機械の作動時に、環境作用、例えば温度変化、特に「温度条件に応じたドリフト」により、さらに誤差が生じる場合もある。

（製造誤差を補正するために）最初の作動前のみならず、作動時にも、例えば温度変化を考慮して機械の較正を行おうとした場合、機械に組み込まれたカメラにより検出されるように位置決めされているそれぞれの測定マークが、機械の作動時に移動される部品と衝突するという問題が生じることもある。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３００５１８号

本発明の基礎をなす課題は、機械を較正するための測定マークシステムにおいて上記欠点を防止したもの提供することである。

この課題は、本発明によれば、請求項１に記載の特徴を有する測定マークシステムを形成することにより解決される。

請求項１の前提部に記載の測定マークシステムにおいては、１つ以上の測定マークに結像光学系が割り当てられおり、この結像光学系によって、走査ユニットにより生成された電磁波と少なくとも１つの測定マークとが相互作用することにより、測定マークから離間された結像平面に虚像測定マークが生成され、この場合に、測定マークを検出するために設けられた走査ユニットは、虚像測定マークを光学式に走査する、すなわち、機械ヘッドに対する虚像測定マークの位置を検出するように構成されている。

これにより、機械に組み込まれた走査ユニットが焦点合わせされる平面、すなわち常に加工平面と一致する平面に（連続的なパターンとして設けられた実際の）測定マーク自体を配置する必要性はもはやなく；それぞれの測定マーク自体をこの平面から離間して取り付けることができる。なぜなら、それぞれの測定マークの結像により生成された虚像測定マークのみが実際に走査されるからである。

測定マークシステムの走査ユニットは、特に（実際の）測定マークを照射するための電磁的な照射源であってもよいし、虚像測定マークを検出するための検出装置であってもよい。この場合、一実施形態によれば、照射源は時間的に同期して作動してもよい。すなわち、照射源は、（較正を行う目的で）それぞれの位置測定において、関連する機械の作動を妨げないようにスイッチオンされ、次いで再びスイッチオフされる。したがって、測定マークシステムに基づいた位置測定は、それぞれ所定の時間枠（較正段階）内でしか実施されず、これらの時間枠内でしか付属の照射源も作動されない。

この場合、照射源として発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザを使用してもよい。さらに、関連する機械に配置される１つ以上の測定マークを設けてもよい。

虚像測定マークを検出するために設けられた検出装置は、機械ヘッドを位置決めするために設けられた位置決め装置の構成部材をなすカメラ、すなわち、機械の較正段階以外の通常作動時にも使用されるカメラを含んでいてもよい。

特に照射源の後方に配置され、かつ少なくとも１つの測定マークの前方に配置された透過型回折格子を含んでいてもよい結像光学系は、結像平面に少なくとも１つの虚像測定マークを生成することにより測定マークシステムの測定マークを結像する。それぞれの虚像測定マークは、透過型回折格子の自己像の形式で生成してもよい。この場合、透過型回折格子と少なくとも１つの測定マークとの間の（照射源から送出される電磁波の光学距離を考慮した）有効距離は、有利には、少なくとも１つの測定マークと、これにより生成される１つ以上の虚像測定マークとの間の有効距離に等しい。

本発明の一構成によれば、照射源から測定マークの方向の送出される照射線の照射軸は結像軸に対して平行に延在しており、この結像軸に沿って虚像測定マークが検出装置に結像される。一態様によれば、この場合に照射軸と結像軸とは相互に離間されている。これに対して、別の態様によれば、照射軸と結像軸とは一致している；すなわち、照射軸と結像軸とは共線的に延在する。

少なくとも１つの測定マークは、好ましくは、少なくとも１つの虚像測定マークが設けられた結像平面に対して平行に延びる測定マーク平面に沿って延在する。この場合、照射軸および結像軸は、特に測定マーク平面および結像平面に対して垂直方向に整列されていてもよい。

さらに、測定マークの方向に送出される照射線は、コリメートされた（平行にされた）照射線束として構成されていてもよい。

少なくとも１つの測定マークは、例えば入射光方式で走査ユニットによって走査することができ、したがって走査ユニットの照射源および検出装置は測定マークと同じ側に配置されている。このために、少なくとも１つの測定マークが反射性基板に配置されていてもよい。したがって、照射源から送出され、少なくとも１つの測定マークと相互作用した電磁波は、（検出装置によって検出される）虚像測定マークを生成するために基板によって反射される。この場合、さらに照射源により生成された電磁波を偏向するための偏向手段が設けられており、これにより、電磁波は、検出装置の結像軸に対して平行に（必要に応じて共線的に）延在する。

入射光方式の走査の代替的な構成によれば、測定マークシステムの少なくとも１つの測定マークは、照射線を透過する基板に設けられている。この場合、基板は部分的に鏡面仕上げされており、これにより照射源から送出された電磁波は測定マークとの相互作用後に反射され、さらに伝送され、その結果、基板の前方に配置された検出装置によって検出可能になっていてもよい。この場合、基板には、特に電磁波を基板に結合するための回折格子および／または電磁波を基板から分離するための回折格子が設けられており、これにより、少なくとも１つの測定マークとの相互作用後に電磁波から１つ以上の適宜な虚像測定マークが生成されるようにしてもよい。

それぞれの測定マークは、高精度に位置測定を行い、これに基づいて較正を行うために少なくとも部分的に格子パターンを備えていてもよい。この場合、格子パターンは、位相型回折格子、特に振幅型回折格子として形成されていてもよいし、または混合された振幅パターンおよび位相パターンとして形成されていてもよい。

一実施形態によれば、絶対的な位置測定を行うために、それぞれの測定マークに２つ以上の格子パターンが設けられており、これらの格子パターンは同じ空間方向に沿って延在し（それぞれの格子線方向は、較正を行うことが望ましい方向に対して垂直方向である）、異なる格子定数を備えていてもよい。

異なる空間方向に沿って位置測定／較正を行う場合、異なる空間方向に沿って延在する少なくとも２つの格子パターンがそれぞれの測定マークに設けられていてもよい。

本発明のさらなる詳細および利点が図面に基づいた以下の実施例の説明により明らかである。

機械を較正するための測定マークシステムを示す実施例である。 図１に示した測定マークシステムの第１態様を示す図である。 図１に示した測定マークシステムの第２態様を示す図である。 請求項１から３までのいずれかに示した測定マークシステムのための測定マークの可能な構成を示す図である。 図４Ａに示した測定マークの一態様を示す図である。 図４Ａに示した測定マークの別の態様を示す図である。 図１に示した測定マークシステムの透過型回折格子を示す図である。 図１に示した測定マークシステムのための２つの回折格子を示し、そのうちの一方の回折格子が測定マーク格子と組み合わされている図である。 図１に示した測定マークシステムにおいて生じる自己結像格子を示す図である。 図２に示した測定マークシステムのための透過型回折格子を示す図である。 図２に示した測定マークシステムのための測定マーク格子を示す図である。 図２に示した測定マークシステムにおいて生じる自己結像格子を示す図である。 較正のために測定マークシステムを使用することができる実装機の形式の機械を示す図である。

図８は、電気部品もしくは電子部品を基板に実装するための装置を概略的に示している。この機械は、機械床ＭおよびスライダガイドＦを含み、スライダガイドＦに沿って、一方ではスライダＳ１が第１方向に沿って移動するように案内され、他方ではスライダＳ２が第１方向とは異なる第２（垂直）方向に移動するように案内される。スライダＳ１，Ｓ２は、それぞれ位置決定のための測定システム（位置測定装置）を備える。

少なくとも１つのスライダＳ１はさらにグリッパＧを支持しており、グリッパＧによって、機械床Ｍに配置されたキャリアＴから較正部材Ｂを持ち上げ、同様に機械床Ｍに配置された実装基板Ｐに供給することができる。スライダＳ１にはさらにカメラＫが配置されており、カメラＫは機械の作動時に、例えば較正部材Ｂの位置を決定するために使用される。

以下に図１〜図７Ｃに基づいて説明するように、カメラＫは二重の用途で、さらに測定マークシステムを使用して機械を較正するために用いることもでき、このためには代替的に、カメラとは別の検出装置を使用してもよい。図８に示すように、このために測定マーク１が機械床Ｍに設けられている。測定マーク１は、較正部材ＢをキャリアＴから持ち上げ、基板Ｐに載置することができる平面の外側に位置する（加工平面）。これにより、機械の作動時に衝突の危険性が減じられる。しかしながら、これでは機械の作動時にカメラＫを焦点合わせさした平面に測定マーク１が位置していることを確保できない。

したがって、本実施例では、機械の較正時にカメラによって測定マーク１自体が走査されるのではなく、図８に概略的に示した結像平面Ａにカメラが適宜に焦点合わせされており、この結像平面Ａで虚像測定マークが走査される。適宜な虚像測定マークを形成する場合の手順についても以下に図１〜図７Ｃに基づいて詳細に説明する。

以下に説明する解決方法によって、図８に示した機械においてカメラＫと測定マーク１との間に極めて短い測定周期が形成される。この測定周期が点線の接続線により示される。これに対して、従来技術にしたがった手順により生じる明らかに長い測定周期が図８に破線の接続線により示されている。この場合、図示のようにスライダＳ１の位置測定システムの測定値が加工平面に伝達されるまでに機械的な迂回がなされる。この場合、ガイドの誤差およびガイド構造の機械的変形に基づいて、スライダＳ１の位置測定システムと加工平面との間の極めて大きいアッベの原理に基づく距離に起因する著しい測定誤差が生じる。ここで提案する解決手段により、短縮された測定周期が得られ、透過型回折格子の虚像の位相ずれを検出することにより、このような測定誤差を検出することができる。このようにして検出された測定誤差を用いて、スライダＳ１の位置測定システムで生成された位置値を補正することができる。これにより重要な利点として、スライダＳ１の位置測定システムの測定値が極めて正確に補正される。以下に説明するように、この場合には加工平面の虚像格子が参照され、これに対して従来技術では機械床の表面の測定マークが参照されるが、この測定マークは加工面に対して離間されている。

以下に図１〜図７Ｃに基づいて説明する測定マークシステムの基本思想は、図８に基づいて説明したように機械の可動部分が測定マークと衝突する可能性があるとういう問題の克服である。このために、実施例では、機械が衝突する危険性のある空間の外部に位置する（少なくとも）２つの実際の格子を使用して、いずれか１つの格子（透過型回折格子）の自己像が衝突の危険性のある空間の内部の、しかもカメラが焦点合わせされた結像平面に生成され、カメラは透過型回折格子の像を実際の透過型回折格子と同様に検出することができる。当然ながら、可動部分と格子の像、すなわち、虚像測定マークとが衝突する危険性はない。

このような測定マークシステムでは、測定マークシステムが配置された機械に付属の検出装置、例えばカメラによって虚像測定マークの検出を行い、この検出が、本実施例では透過型回折格子を補足する第２格子として形成されている実際の測定マークの平面と検出装置との距離に関係なく行われる場合、有利である。このことは、格子を照射する電磁波（特に光）の軸線、すなわち照射軸が付属の検出装置の結像属線に対して平行であることにより達成される。さらに、それぞれの軸線は、上記両方の格子、すなわち、第１格子である透過型回折格子および第２格子である少なくとも１つの測定マークが延在する平面に対して実質的に垂直方向に延在することが望ましい。

この場合、一実施形態によれば、照射軸と検出装置の結像軸とは互いに離間されていてもよい。この場合、照射軸と結像軸とは、測定方向に対して垂直に配向されていてもよいし、平行に配置されていてもよい。これにより、自己結像された格子（すなわち虚像測定マーク）は照射軸から検出装置の結像軸へ平行移動される。別の一実施形態によれば、上記両方の軸線は共線的に形成されていてもよい。すなわち、両方の軸線は空間的に一致していてもよい。

さらに、測定マークを検出する場合に、透過型回折格子の自己結像、すなわち、それぞれの虚像測定マークが（実際の）測定マークと検出装置との間の空間に生成される入射光原理を利用すると有利である。検出装置と測定マークとの間の距離が変化した場合には、両方の格子の間（すなわち第１格子である透過型回折格子と第２格子である測定マークとの間）ならびに測定マークと、虚像測定マークが生成される結像平面との間に常に等しい距離が生じる。最初に挙げた距離を以下ではｕとして示し、２番目に挙げた距離をｖとして示す。しかしながら、以下に詳述するように、ここでは有効距離は光学距離に基づいている。

結果として、上記措置により、自己結像における結像比、ひいては自己結像の周期は、検出装置と測定マークとの間の距離が変化した場合にも（測定マークを走査するために用いられる照射線が必要に応じてコリメートされるかどうかとは無関係に）一定に保持される。

ここで測定マークの検出について述べる場合、本発明によれば、測定マークシステムの走査ユニットの電磁波照射源が、透過型回折格子、および少なくとも１つの（実際の）測定マークに入射する電磁波を生成するプロセスに関係しており、この場合、（結像平面で、透過型回折格子の自己結像として）少なくとも１つの虚像測定マークが生成され、虚像測定マークは走査ユニットの検出装置によって走査される。

以下に説明する測定マークシステムに関連した格子の自己結像は、Pettigruewの理論に基づいて説明される。Pettigrew, “Analysis of Grating Imaging and its Application to Displacement Metrology, 1st European Congress on Optics Applied to Metrology, SPIE Vol. 136 (1977)”を参照されたい。

自己結像では、幾何学像の場合と回折像の場合とが区別される。幾何学像の場合には自己結像は測定マークとの周期的な距離をおいてのみ生成可能である；すなわち、完全な距離からの自立性は得られない。固定された検出平面では、この場合、高コントラストの利点が得られる。測定マークの格子パターンは２倍に拡大して結像される。

これに対して回折像の自己結像では、周期的な距離という条件はなく、したがって距離からの自立性が得られる。測定マークの格子パターンは拡大されずに結像される。

回折は、発散性の照射線によっても、コリメートされた（平行にされた）照射線によっても得られる。この場合、コリメートされた照射線による実施形態は、大きい信号強度および良好な距離許容差に基づき、有利である。さらに製造許容差に基づいた光学距離の変化によって、結像される分割周期のばらつきが生じるが、コリメートされた場合にはこのようなばらつきは小さい。

一方の透過型回折格子と測定マークとの間の有効距離、他方の測定マークと虚像測定マーク（透過型回折格子の自己像）との間の有効距離が等しい大きさである（ｕ／ｖ＝１）場合には、結像平面で生成される透過型回折格子の自己像の周期は透過型回折格子の周期とちょうど同じ大きさである。

図１は、図８に概略的に示した形式の機械、すなわち、特に実装機で使用可能な測定マークシステムを示す。

測定マークシステムは少なくとも１つの（実際の）測定マーク１を含み、この測定マーク１は、測定マーク平面Ｅに延在し、基板１０に配置されている。基板１０は、本実施例では測定マークを走査するために使用される電磁波を透過させる基板である。この基板１０は表面にミラー層１２を備え、電磁波は基板１０の内部においてミラー層１２で反射されて伝播することができる。

（本実施例では測定マーク１との相互作用後に）電磁波を基板１０に結合するために、回折格子１４が設けられている。電磁波を結合するために用いられるこの回折格子１４は、図１の実施例では測定マーク１に向いた基板１０の表面に位置する。したがって、測定マーク１および入口側の回折格子１４は本実施例では基板１０の表面にまとめられている。しかしながら、このような配置は必ずしも強制的ではない；代替的には、例えば測定マーク１を収容するために別個の基板を用いてもよい。さらに基板１０から電磁波を分離するために第２回折格子１６が設けられている。両方の回折格子１４，１６は、測定マーク１が較正のために走査される測定方向ｙに対して横方向に延在する方向ｘに沿って互いに離間されている。

基板１０上の平面Ｅに配置された少なくとも１つの測定マーク１には、照射源４と検出装置５とを含む走査ユニット３が割り当てられている。照射源４は、特に光の形態の電磁波を生成する。照射源４は、本実施例ではコリメートされた（平行にされた）電磁波を放出する照射源である。照射源４の後方には（回折格子基板６０に配置された）透過型回折格子６が配置されており、透過型回折格子６は、同様に走査ユニット３の構成部材であり、したがって照射源４および検出装置５と共に測定マーク１に対して（少なくともｙ方向に沿って）可動である。

この場合、透過型回折格子６は走査ユニット３の照射源４の後方に配置されており、照射源４から送出された電磁波４５は、測定マーク１に入射する前にまず透過型回折格子６を通過し、透過型回折格子６と相互作用する。

照射源４によって生成された電磁波と透過型回折格子６および少なくとも１つの測定マーク１との相互作用により、特にセンサチップ５０および前方に配置された対物レンズ５２を備えるカメラであってもよい検出装置５の結像平面Ａに少なくとも１つの虚像測定マーク２が生成される。電磁波が基板１０内で部分的に伝播されることにより、虚像測定マーク２は測定マーク１に対してずらされ、特に照射源４により生成された電磁波が測定マーク１の照射軸４５に沿って供給される方向ｚに対して垂直方向にずらされる。

さらに虚像測定マーク２は、検出装置５が焦点合わせされている結像平面Ａに位置するように測定マーク１に対しても照射軸４５に沿って離間されている。これは、透過型回折格子６が軸線方向に位置決めされることによって、すなわち、透過型回折格子６が照射軸４５に沿って位置決めされることによって調節可能である。したがって、有利には透過型回折格子６が少なくとも１つの虚像測定マーク２を生成するために結像される結像平面Ａ（透過型回折格子６の自己結像平面）は、検出装置５が焦点合わせされている平面と有利には一致し、これに対して測定マーク１はこの平面の外部に位置することができる。

したがって、少なくとも１つの測定マーク１自体は結像軸Ａの内部に位置している必要ははく、付属の機械の作動時に結像平面Ａを移動する構成部材と衝突する危険性はない。図１の実施例では、検出装置５の結像軸５５は、照射源４によって生成された（コリメートされた）電磁波の照射軸４５に対して平行に延在している。

結果として、少なくとも１つの測定マーク１の平面Ｅおよび結像平面Ａは、照射源４の照射軸４５および検出装置５の結像軸５５に対してそれぞれ垂直方向に延在している。

図１に示した形式の測定マークシステムは、関連する機械、特に実装機に組み込まれた場合に、以下に説明するように作動され、機械の作動時に、測定マーク１に対する走査ユニット３の移動はｙ方向（図１の紙面に対して垂直方向）に沿って行われることが望ましい。

光源の形式の照射源４は、特にコリメートされた電磁波を生成するように構成されていてもよく、照射源４および検出装置５と共に走査ユニット３としてまとめられている透過型回折格子６を照射する。透過型回折格子６は、例えば振幅型回折格子であってもよい。その分割周期は、２０μｍの大きさであってもよい。

本実施例では、透過型回折格子６の分割線は測定方向ｙに対して垂直方向に延在しており、この場合、測定方向ｙと共に少なくとも１つの測定マーク１の平面Ｅもしくは検出装置５の結像平面Ａをなすｘ方向に沿って延在している。

透過型回折格子６と相互作用した後に、照射源４から送出された電磁波は少なくとも１つの測定マーク１に入射する。同様に測定マーク１は、２０μｍの格子周期を有する回折格子、例えば透過-位相型回折格子として構成されていてもよい。

測定マークシステムを機械、例えば実装機に適宜に配置した場合、測定マーク１は、機械によって処理され、カメラの形式の検出装置５によって検出される加工部品の近傍に位置するが、しかしながら、（測定マーク１の平面Ｅもしくは結像平面Ａに対して垂直方向に延在する軸線方向ｚに沿って見た場合に）異なる高さに位置する。

図１の実施例では、照射源４から送出される電磁波は（透過型回折格子６および少なくとも１つの測定マーク１との相互作用後に）、結合された入口側の回折格子１４によりｘ方向に偏向される。入口側の回折格子１４によって偏向された照射線は基板１０内でミラー層１２において幾度か反射され、これによりｘ方向の成分を有する；したがって、基板１０内における照射線の経過はジグザグ状である。入口側の回折格子１４による照射線の偏向角が適宜な大きさである場合には、ミラー層の使用に対して代替的に、基板１０の表面における照射線の全反射を利用してもよい。

出口側の第２回折格子１６により、電磁波は、照射源４の照射軸４５に対して平行に延在する検出装置５の結像軸５５に沿って再び基板１０から出射される。両方の回折格子１４，１６により照射線が偏向された結果として、両方の軸線４５，５５は方向ｘに沿って相互に離間されている。方向ｘは、測定方向ｙに対して横方向に配向され、かつ軸線４５，５５の方向ｚ（軸線方向）に対して横方向に配向されている。

その結果、透明な基板１０は、屈折率ｎを有する平面板の光学作用を有し、これにより、虚像測定マーク２を形成する透過型回折格子６の自己像を空間的に（ｚ方向に）ずらされる。比較的粗い２０μｍの格子定数の場合、このずれはほぼｄ^＊（ｎ−１）／ｎとなり、ｄは基板１０における照射線の幾何学経路（ジグザグ経路）を示す。

少なくとも１つの測定マーク１と、対応する虚像測定マーク２との間の距離は、「有効距離」とも呼ばれ、この像のずれを考慮している。この距離は、測定マーク１から虚像測定マーク２への光学距離である。

図１の場合には、透過型回折格子６と測定マーク１との間の有効距離（距離ｕ）が、測定マーク１と虚像測定マーク２との間の有効距離（距離ｖ）に等しくなるように、すなわちｕ／ｖ＝１となるように配置した場合、有利であり、本実施例では、距離ｕおよびｖはそれぞれ透過型回折格子６と測定マーク１との間もしくは測定マーク１と虚像測定マーク２との間の最短距離ではなく、上述のように、むしろ透過型回折格子６と測定マーク１との間もしくは測定マーク１と虚像測定マーク２との間の照射線の光学距離を示す。

透過型回折格子６および測定マーク１の場合には、本実施例では有効距離は最短距離と一致する。これに対して、測定マーク１および虚像測定マーク２の場合には、基板１０内における照射線のジグザグな動きが考慮され、したがって、有効距離ｖは、測定マーク１と仮想測定マーク２との間の最短距離よりも著しく大きい。

検出装置５の結像平面Ａで生成される虚像測定マーク２は、検出装置５の対物レンズ５２によって、例えばＣＣＤアレイの形式のセンサチップ５０に結像される。

走査ユニット３が測定方向ｙに測定マーク１に対して相対移動された場合、虚像測定マーク２を形成する透過型回折格子６の自己像の位相変位が行われる。図１に示した測定マークシステムが組み込まれる機械における温度に起因する長さ変化は、結像される格子の分割周期よりも一般に小さいので、検出装置５で検出されるストライプパターンの位相は、（選択された機械の参照位置における）分割周期内の位置検出のために用いられる。

図１に示した測定マークシステムの実施形態では、いずれにせよ実装機の実装ヘッドに設けられたカメラを、測定マークシステムの構成部材として付加的に使用することもできる。カメラに変更を加えるか、または特別な調整を行う必要はない。

走査ユニット３により測定マーク１を走査する場合、照射源４がそれぞれ短時間作動され、これにより、較正を行う目的で測定マークシステムにより参照位置測定が行われる。参照位置測定もしくは較正を行いたい時点で照射源４を選択的にのみ操作することにより、基板に構成部材を実装する際に検出装置５の検出タスクが妨害されることを防止することができる。

照射源４のパルス継続時間Ｔは、有利には走査ユニット３の移動速度ｖおよび信号周期ＳＰに応じて、次の関係にしたがって選択することができる：Ｔ＜ＳＰ／（２・ｖ）。この場合、信号周期ＳＰは走査ユニット３が変位される期間であり、したがって結像された走査パターンは１周期だけ変位される。

透過型回折格子６を結像平面Ａに自己結像する場合の結像比は、一方の透過型回折格子６と測定マーク１との有効（光学）距離、および他方の測定マーク１と虚像測定マーク２との有効（光学）距離の比率に依存している。この比率ｕ／ｖを１として選択した場合、本実施例における回折像の場合には、虚像測定マーク２を生成する像の分割周期は、（使用される照射源がコリメートされた照射源であるか否かとは無関係に）透過型回折格子６の分割周期とちょうど同じ大きさである。このことは、走査ユニット３と測定マーク１との距離が変化した場合に、上記距離の比率は変化しない、すなわち、依然として１であり、したがって虚像測定マーク２の分割周期は依然として透過型回折格子６の分割周期に等しいという利点に結びついている。したがって、測定マーク１の走査は、距離に依存しない。

照射軸４５に沿って、すなわちｚ方向に沿って透過型回折格子６を調整することによって、透過型回折格子６の自己像の空間的位置は、関連する機械の実装プロセスにおいて検出装置５の焦点面（結像平面）と一致するように選択することができるので、較正を行う目的で参照位置を測定する場合に検出装置５を再び焦点合わせする必要はない。

前述のように、図１の実施例では、透明な基板１０によって、照射源４から測定マーク１の方向に放射された電磁波の変位が得られ、これにより照射源４が結像軸５５から幾何学的に分離されることが確保される。したがって、照射源４および透過型回折格子６を検出装置５に隣接して（衝突が生じないように）配置することが可能になる。これにより、機械の実装ヘッドにいずれにせよ設けられている、特にカメラの形式の検出装置を、さらなる変更を加えなくても測定マークシステムの構成部材として使用することができる。

これに対して、図２に示した測定マークシステムの実施形態では、照射軸４５と結像軸５５とは一致する。これにより、測定マークシステムの側方寸法をより小さくすることが可能となる；照射軸と結像軸とを側方にずらすために走査に使用される電磁波を伝播させることができる厚い基板は不可欠ではなくなる。

この場合、図２の実施例では、同時に照射線調節器をなす偏向素子１８を使用することにより結像軸と照射軸との平行性もしくは共線性が得られる。照射源から送出された電磁波は（透過型回折格子６と相互作用した後に）偏向素子１８により偏向され、偏向された電磁波の照射軸４５は検出装置５の結像軸５５と一致する。このために、偏向素子１８は、図２の実施例では結像軸５５によって定義された光路に位置する。この場合、照射源４から送出された電磁波は、まず結像軸５５に対して垂直方向に送出され、次いで照射軸４５が結像軸５５に対して平行もしくは共線的に延在するように偏向素子１８によって偏向される。

走査ユニット３において付加的な偏向素子１８を使用した場合、機械の実装ヘッドにいずれにせよ設けられているカメラを図２に示した測定マークシステムで使用するために変更を加えるか、または別のカメラを使用する必要がある。このように、図２の実施例では、検出装置５の対物レンズ５２とセンサチップ５０との間に偏向素子１８が配置される。

この場合、（測定マーク格子の形式の）測定マーク１は簡単に反射基板１０′に配置されていてもよい。

（較正を目的として）参照位置測定を行う場合、照射源４から送出された電磁波は、（透過型回折格子６と相互作用した後に）偏向素子１８によって偏向され、対物レンズ５２によって縮尺に応じて対物レンズの後方の平面に結像され、この平面に透過型回折格子６の中間像が生成される。中間像の平面の正確な位置および結像縮尺は、この場合、対物レンズ５２の焦点距離と、透過型回折格子６と対物レンズ５２の間の光学距離との比率に依存する。回折像の場合には、結像縮尺は、透過型回折格子６の分割周期に応じて、透過型回折格子６の中間像の周期が測定マーク１の格子の周期に対応するように有利に選択される。中間像は、（同じ分割周期を有する）実際の格子と同様に測定マーク１と相互作用し、その結果、検出装置５の結像平面Ａに透過型回折格子６の自己像が生成される。

一般に、中間像の縮尺と透過型回折格子６から対物レンズ５２までの光学距離とは依存しているので、それぞれの参照位置測定時に対物レンズ５２を正しい平面に適宜に焦点合わせをする必要がある。有利な一実施形態では、中間像の平面は、関連する機械の作動時に構成部材を結像するためのカメラの焦点面と一致するように選択される。この場合、参照位置測定のためにカメラを再び焦点合わせをする必要はない。図２の場合について既に説明したように、測定マーク１が反射型回折格子として構成されている場合には、測定マーク１と透過型回折格子６の中間像との距離は、測定マーク１と透過型回折格子６の自己像の平面との距離と常にちょうど同じ大きさである。したがって、それぞれの結像平面Ａには、透過型回折格子６の中間像および自己像が（電磁波と測定マーク１との相互作用の後に）生じる。

透過型回折格子６の自己像もしくは透過型回折格子６の中間像を再び検出装置５に結像するためには、検出器５のセンサチップ５０と対物レンズ５２との距離が透過型回折格子６と対物レンズ５２との光学距離とちょうど同じ大きさに選択される。

図３は、図２に示した実施例の一態様を示す。この態様では、ビームスプリッタの形式の偏向素子１８が（照射源４および透過型回折格子６と共に）検出装置５の焦点面の下方に設けられている。この場合、透過型回折格子６と偏向素子１８との距離は結像平面Ａと偏向素子１８との間の距離に等しくなるように配置されている。

図３の実施例では、透過型回折格子６の中間像の生成は行われない。

この実施形態では、個々の距離条件を満たすために、測定マーク１および照射源４は透過型回折格子６と共にユニットを形成していてもよい。この場合、透過型回折格子６の不動の自己像が提供され、照射源４と協働した検出装置５による透過型回折格子６走査はもはや距離に依存しない。

図１〜図３の実施例に基づいて測定マークシステムにおける測定マーク１の検出時の入射光の態様についてそれぞれ説明した。しかしながら、透過光の態様を使用することもできる。

本発明による測定マークシステムの測定マーク１の構成には多数の異なる可能性がある。最も簡単な場合、周期的な格子によって測定マーク１を形成してもよい。測定マーク１の分割線は測定方向に連続して配置されており、それぞれ測定方向に対して横方向に互いに平行に延在している。

一実施形態によれば、測定マークは異なる空間方向に沿って延在する格子を含んでいてもよい。これにより、測定方向にのみではなく、例えば測定方向に対して垂直方向にも参照位置測定を行うことができ、必要に応じて回動を検出することもできる。

測定マークは、位置ずれを絶対的に測定することが可能となるように構成されていてもよい。このような構成は、例えば２つの格子が設けられており、これらの格子が同じ方向に連続して配置されているが、分割周期の異なる分割線を備えていることにより達成される。

図４Ａに示す実施例では、測定マーク１は全部で４つの分割領域１０１，１０２，１０３，１０４を含む。この場合、第１および第２分割領域１０１，１０２の分割線は同じ空間方向に連続して配置されているが、異なる分割周期を備える。

第３および第４分割領域１０３，１０４の分割線は、同様にそれぞれ同一の空間方向に連続して配置されており、分割線は、第１分割領域１０１，１０２のそれぞれの空間方向に対して垂直方向に延在し、この場合にも異なる分割周期を備える。これにより、第１方向に対して垂直方向の第２空間方向に沿っても絶対的な位置検出が可能となる。

異なる空間方向に沿った測定を可能にする分割の組合せは、この場合、図４Ａの場合のように異なる分割領域の配置に対して代替的に交差格子の形式の配置であってもよい。

測定マークの別の実施形態が図４Ｂに示されている。この場合、測定マーク１の異なる分割領域１０１，１０２，１０３，１０４の分割線は、それぞれ図４Ａの分割線に対して直交方向に配向されている。

図５の実施例では、測定マーク１を形成する全部で８つの分割領域１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６，１１７，１１８が設けられている。この場合、これらの分割領域のうちそれぞれ２つの分割領域は、同一の空間方向に沿って（周期的に）連続して配置された分割線を備えるが、これらの分割領域はそれぞれ異なる分割周期を有する。これにより、それぞれの空間方向に沿って絶対的な位置測定が可能になる。同一の空間方向に沿って分割線が連続して配置されているが、異なる分割周期を有する分割領域、すなわち、分割領域１１１および１１２；分割領域１１３および１１４；分割領域１１５および１１６；ならびに分割領域１１７および１１８は、それぞれ対の形式で互いに向かい合って配置されている。

空間的に配向が異なる格子パターンを有する所定数の分割領域により、図５に示す参照マーク１によって、一平面において互いに垂直な２つの方向に沿って（絶対的な）位置測定を行うことができるだけではなく、さらにこの平面に対して垂直方向の軸線を中心とした回動を検出することもできる。

図６Ａ，６Ｂおよび６Ｃには、特に図１に示した測定マークシステムにおける格子、すなわち、図６Ａの透過型回折格子６の可能な実施形態が示されている；図６Ｂで周期的な格子として実施された測定マーク１は入口側（結合側）の回折格子１４および出口側（分離側）の回折格子１６と共に示されており；図６Ｃには、虚像測定マーク２を形成する透過型回折格子６の像が示されている。

対応して、図７Ａ〜図７Ｃは、図２に示した形式の測定マークシステムにおける格子を示す；すなわち、図７Ａには透過型回折格子６が示されており、図７Ｂには周期的な格子として実施された測定マーク１が示されており、図７Ｃには仮想マーク２を形成する透過型回折格子６の自己像が示されている。

１ 測定マーク
２ 虚像測定マーク
３ 走査ユニット
４ 照射源
５ 検出装置
６ 透過型回折格子
６，１０，１０′１２，１４，１６，１８ 結像光学系
４５ 照射軸
５５ 結像軸
１０１，１０２；１０３，１０４，１１１，〜１１８ 格子パターン
Ａ 結像平面
Ｅ 測定マーク平面
Ｓ１ 機械ヘッド
ｕ 距離
ｖ 有効距離
ｙ 空間方向

Claims (15)

1. 作動時に少なくとも１つの測定方向（ｙ）に沿って移動可能な機械ヘッド（Ｓ１）を備える機械を較正するための測定マークシステムであって、
   機械に適宜に取り付けられた少なくとも１つの測定マーク（１）と、
   電磁波を使用して少なくとも１つの前記測定マーク（１）を検出するための走査ユニット（３）とを備え、
   該走査ユニット（３）が、前記機械ヘッド（Ｓ１）と共に前記測定マーク（１）に対して移動可能となるように、前記機械に適宜に配置される測定マークシステムにおいて、
   前記測定マーク（１）に結像光学系（６，１０，１０′１２，１４，１６，１８）が割り当てられており、これにより、前記走査ユニット（３）によって生成される電磁波と前記測定マーク（１）とが相互作用し、測定マーク（１）から離間された結像平面（Ａ）に虚像測定マーク（２）が生成され、
   前記走査ユニット（３）が、移動により前記虚像測定マーク（２）を光学式に走査するように構成されていることを特徴とする測定マークシステム。
2. 請求項１に記載の測定マークシステムにおいて、
   前記走査ユニット（３）が、前記測定マーク（１）を照射するための電磁波による照射源（４）と、前記虚像測定マーク（２）を光学式に検出するための検出装置（５）とを含む測定マークシステム。
3. 請求項２に記載の測定マークシステムにおいて、
   前記照射源（４）が、時間的に同期して作動可能である測定マークシステム。
4. 請求項２または３に記載の測定マークシステムにおいて、
   前記検出装置（５）が、位置決め装置の構成部材であるカメラによって形成される測定マークシステム。
5. 請求項２から４までのいずれか一項に記載の測定マークシステムにおいて、
   結像光学系が、照射源（４）の後方に配置され、かつ測定マーク（１）の前方に配置された透過型回折格子（６）を含む測定マークシステム。
6. 請求項５に記載の測定マークシステムにおいて、
   電磁波の光学距離を考慮した前記透過型回折格子（６）と前記測定マーク（１）との間の有効距離（ｕ）が、前記測定マーク（１）と前記虚像測定マーク（２）との間の有効距離（ｖ）に等しい測定マークシステム。
7. 請求項２から６までのいずれか一項に記載の測定マークシステムにおいて、
   前記照射源（４）から前記測定マーク（１）の方向に送出される照射線の照射軸（４５）が、結像軸（５５）に対して平行に延在しており、該結像軸（５５）に沿って、前記虚像測定マーク（２）が前記検出装置（５）に結像される測定マークシステム。
8. 請求項１から７までのいずれか一項に記載の測定マークシステムにおいて、
   少なくとも１つの前記測定マーク（１）が測定マーク平面（Ｅ）に沿って延在しており、該測定マーク平面（Ｅ）が、前記結像平面（Ａ）に対して平行に延在し、かつ前記結像平面（Ａ）から離間されている測定マークシステム。
9. 請求項７に従属したときの請求項８に記載の測定マークシステムにおいて、
   前記照射軸（４５）および前記結像軸（５５）が、前記測定マーク平面（Ｅ）および前記結像平面（Ａ）に対して垂直方向に整列されている測定マークシステム。
10. 請求項７または９に記載の測定マークシステムにおいて、
    前記照射軸（４５）と前記結像軸（５５）とが相互に離間されているか、または共線的に一致している測定マークシステム。
11. 請求項１から１０までのいずれか一項に記載の測定マークシステムにおいて、
    少なくとも１つの前記測定マーク（１）が、照射線を透過する基板（１０）に配置されている測定マークシステム。
12. 請求項２から７および９のうちのいずれか一項に従属したときの請求項１１に記載の測定システムにおいて、
    前記基板（１０）が部分的に鏡面仕上げされており、前記照射源（４）から送出された電磁波が、前記測定マーク（１）と相互作用した後に基板（１０）で反射される測定マークシステム。
13. 請求項１１または１２に記載の測定マークシステムにおいて、
    前記基板（１０）に、電磁波を基板（１０）に結合するための回折格子（１４）と、電磁波を分離するための回折格子（１６）とが設けられており、これにより前記結像平面（Ａ）で虚像測定マーク（２）が生成される測定マークシステム。
14. 請求項１から１０までのいずれか一項に記載の測定マークシステムにおいて、
    前記測定マーク（１）が反射基板（１０′）に配置されており、照射源（４）から送出され、前記測定マーク（１）と相互作用する電磁波が、前記虚像測定マーク（２）を生成するために基板（１０′）によって反射される測定マークシステム。
15. 請求項１から１４までのいずれか一項に記載の測定マークシステムにおいて、
    少なくとも１つの前記測定マーク（１）が少なくとも部分的に格子パターン（１０１，１０２；１０３，１０４，１１１，〜１１８）を備える測定マークシステム。

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