WO2009103743A1 - Xy-tisch mit einer messanordnung zur positionsbestimmung - Google Patents

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WO2009103743A1
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tcp
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Wolfgang Holzapfel
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Dr. Johannes Heidenhain Gmbh
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    • G01D2205/00—Indexing scheme relating to details of means for transferring or converting the output of a sensing member
    • G01D2205/90—Two-dimensional encoders, i.e. having one or two codes extending in two directions

Definitions

  • the invention relates to an XY table with a measuring arrangement for position determination for the accurate positioning of a preferably flat workpiece, such as a wafer relative to a tool.
  • the tool may be e.g. to act an inspection microscope, an electron beam, an exposure optics and other necessary instruments for the production of integrated circuits.
  • the distance to the side surfaces of a movable table is measured (see FIG. 1).
  • the measuring axes of the laser interferometer are aligned in the XY plane in each case to the measuring point of the tool (Tool Center Point TCP, for example microscope, electron beam, etc.).
  • the measuring axes of the laser interferometer would also have to be aligned with the TCP in the z-direction (perpendicular to the working plane). However, this is usually not provided to avoid upstanding mirror elements that could result in a collision with the tool.
  • the error which arises in case of angular errors of the guidance of the table in connection with the Abbe distance ⁇ ZM of approx. 20 mm, we hereby accept.
  • Measuring arrangements with so-called crossed grating encoders are likewise known.
  • large-scale scales are scanned with a cross-grating from a scanning head.
  • An example of such a measuring arrangement is described in EP 1762828 A2.
  • the production of large and high-precision cross gratings is very complicated.
  • DE 102006024579 A1 therefore describes an arrangement of linear scales with conventional incremental graduations for measuring the position of an XY stage.
  • US Pat. No. 6,949,733 B2 shows an apparatus in which a tool is moved by means of a gantry structure over a flat workpiece.
  • To determine the tool position is an arrangement of several so-called I Dplus - encoder, which allow essentially the position measurement in a measuring direction, but can also detect small movements transverse to this measuring direction.
  • I Dplus - encoder which allow essentially the position measurement in a measuring direction, but can also detect small movements transverse to this measuring direction.
  • the Abbe condition can not be met, so that when tilted by leadership error highly accurate position detection is not possible.
  • the object of the invention is to specify an XY table with a measuring arrangement of encoders which satisfies the Abbe condition as well as possible and thus ensures high accuracies in the position measurement and thus in the positioning.
  • FIG. 2 shows an I Dplus encoder
  • FIG. 4 shows a measuring arrangement with two I Dplus encoders
  • FIG. 5 shows a 1 D plus encoder with V-shaped divisions
  • FIG. 6 shows a first embodiment
  • FIG. 7 a, b, c show an extension of the first exemplary embodiment
  • FIG. 10 shows a third exemplary embodiment
  • Figure 12 shows a fifth embodiment.
  • neutral point of rotation (X NP, NP Y, Z N p) given and defined by the fact that a tilting of the scanning or scale to the neutral point of rotation does not result in linear variation of the displayed position value.
  • the neutral pivot point of an encoder is usually centered in its scanning field either at the level of the scale or at the level of scanning graduation in the scanning head.
  • I Dplus encoder (see Figure 2) have next to a longitudinal track T L also has a transverse track T ⁇ .
  • the scanning head A L which scans the longitudinal track T L , measures along the long extension X of the scale.
  • the scanning head A ⁇ scans the cross track T ⁇ and measures along the short extent Y of the scale M.
  • the in-plane degree of freedom Rz (rotation about the z-axis) can also be measured. There are two basic configurations for this.
  • the first is illustrated in Figure 3 and only has a refer- ence to a scale mounted in part B M which is scanned by three, mounted on an object O AK scanning heads Y1, Y2 AK and AK x.
  • Each of the scanheads scans the scale M at its effective scan location (XNP.YI (XNP, Y2 ! YNP, Y2 ! ZNP, Y2) or (XNP 1 X 1 YNP 1 X 1 ZNP 1 X).
  • the three scanning heads provide the position values ⁇ Y i, ⁇ Y2 and ⁇ x, respectively.
  • the two scanning heads AK Y1 and AK Y2 not only detect the Y displacement of the object O relative to the scale M or to the reference part B, but also the rotation RZ OB about the z axis.
  • RZ OB applies approximately:
  • This calculation applies to any location of the TCP relative to the locations of the scanheads. However, as the distance increases, the accuracy of determining the position (XO- B , YO- B ) decreases. This distance should therefore be chosen as small as possible.
  • FIG. 1 Another possibility for determining the object position (X O - B , Y O - B ) is shown in FIG.
  • two scales M 1 and M 2 mounted on the reference part B of a total of four scanning heads AK X1 , AKx 2 , AK Y1 , AK Y2 mounted on the object O are scanned.
  • the rotation Rz 0 - B is measured by the position values ⁇ x1 and ⁇ 2 of the X-direction sensing heads AK X1 and AK X2 :
  • the position of the object O at the location of the TCP can be determined in an analogous manner with only one further scanning head, eg AK Y1 : (Equation 5)
  • the weighting factor ⁇ can basically be chosen arbitrarily. However, it is advantageous to set this weighting factor ⁇ such that also the thermal expansion of components is compensated, at least for a uniform heating of the object O and of the reference part B.
  • the thermal expansion can be determined by the redundant measurement of the Y-position of the object O by the scanning heads AK Y1 and AK Y2 . Proportional to the distances of the scanning heads AK Y1 and AK Y2 from the TCP, therefore, the thermally corrected Y position Y OB of the object O at the location of the TCP can be calculated. The closer the TCP is to one of the read heads AK Y1 or AK Y2 , the stronger its weight must be weighted. This results in an optimal weighting factor
  • a correction of the thermal expansion in the X direction is also possible.
  • first the change in length in the Y direction between the scanning heads AK Y1 and AK Y2 is converted into a temperature change ⁇ T:
  • the parameter ⁇ CTE OB denotes the difference of the coefficient of thermal expansion CTE 0 of the object and the thermal expansion coefficient CTE 6 of the reference part B.
  • the components involved can then also be used to determine the thermal displacements in the X direction, the fixing points of the components having to be naturally taken into account, of course. A detailed description is omitted here, since it is easy for a person skilled in the art to carry out this calculation with the known temperature change ⁇ T.
  • the thermal correction in the longitudinal direction of the scales is not further elaborated in the embodiments described below, but can of course be used.
  • a longitudinal pitch T L and a transverse pitch T ⁇ can equally well V-shaped pitches T ⁇ and T ß used in accordance with Figure 5, which are scanned by appropriately inclined scanning heads AK ⁇ , AK ß 1 and AK ß , 2 .
  • Such divisions offer the advantage that, when moving in the main direction of movement, ie in the longitudinal direction of the scale, positional changes always occur in the scanning of both tracks.
  • a signal compensation as described for example in the above-mentioned DE 102005023984 A1 in paragraph [0029], is thus possible in a simple and with high accuracy.
  • T ⁇ of Figure 2 is the lateral movement (here in the Y direction) is usually very low, so that no positional changes occur and can not detect new compensation parameter signal compensation and thus interpolation are inevitable.
  • FIG. 6 shows a first embodiment.
  • An intermediate part F is displaceable in the Y direction with respect to a stationary reference part B.
  • the object O here a measuring table
  • the part W is connected to the part W to be measured or processed, e.g. a wafer, slidably mounted in the X direction.
  • the object O can be displaced in the X and Y direction relative to the stationary reference part B.
  • Such a construction is therefore referred to as a sequential arrangement of linear tables. Guide elements are not shown in FIG.
  • the scanning heads AK X1 , ... AK X4 detect the X movement relative to the associated scales M 1 ,... M 4 , and the scanning heads AK Y1 ,... AK Y4 record the corresponding Y movements.
  • the two scales M 1 and M 2 are fixed to the stationary reference part B.
  • the scanning heads AK X1 , AK Y1 , AK X2 and AK Y2 and the scales M 3 and M 4 are mounted on the moving intermediate part F.
  • On the object O are finally the scanning heads AK X3 , AK Y3 , AK X4 and AK Y4 .
  • the movements of the object O relative to the intermediate part F and the intermediate part F relative to the stationary reference part B are respectively measured in the degrees of freedom X, Y and Rz.
  • the Z positions of all encoders match the Z position of the TCP:
  • Y 0 -F T ⁇ ⁇ -F ' [S F3 - R 2 OF ⁇ (XNP, Y 3 ⁇ ⁇ TCP)] + 0 ⁇ ⁇ 0-F) ' KF 4 ⁇ ⁇ 2 0-F ' ( ⁇ NP, Y 4 ⁇ ⁇ J ⁇ TCP
  • a first carrier structure is intended to divert all forces which have to be introduced for holding and moving the components.
  • This support structure is referred to as a force frame.
  • a second, decoupled from this carrier structure serves to accommodate all components that are required for the measurement of relative positions.
  • This carrier structure is called measuring frame.
  • the decoupling of the measuring frame from the force frame prevents deformations of the measuring frame and thus measuring errors.
  • the decoupling can be done by a connection mechanism with flexible elements or by a vibration isolation. In previous machines, both frames are stationary and do not move.
  • FIGS. 7a top view
  • 7b section AA '
  • 7c section CC
  • FIG. 7a top view
  • the component B ' is stationary, the component F' is moved substantially along with the component F along the Y direction and the component O 'is in Moved substantially along with the component O along X and Y.
  • the decoupling elements E B -B, n, E F - F, n and E o - o, n are advantageously designed as solid joints so that in principle all six degrees of freedom of the connected components are locked to each other, but over-determination is avoided. Such a connection is often referred to as a kinematic connection.
  • the decoupling elements E B -B, n, E F- F, n and Eo-o, n are flexible in the radial direction, while they are rigid in the tangential direction.
  • the scanning heads AK X3 , AK Y3 , AK X4 and AK ⁇ 4 are mounted on the intermediate part F instead of the scales.
  • the scales M 3 and M 4 are firmly connected to the object O here.
  • the other structure is similar to the first embodiment and will not be described again here.
  • the intermediate part F can be made simpler. It no longer has to bear a very sensitive scale on bending.
  • the scanning heads are much more robust in comparison. Nevertheless, the intermediate part F must hold the scanning heads positionally stable. Since the object O carries the part W to be measured, it must always be rigid and stable in position. The extra work by attaching the scales M 3 and M 4 is therefore minimal.
  • the effective measuring points of the scanning heads AK Y3 and AK Y4 are advantageously arranged here in the X direction in alignment with the TCP: ⁇ YNP, Yi - ⁇ YNP, YA - ⁇ Y TCP
  • parts in the Z direction must not protrude beyond the measuring object W in order to prevent a collision with the tool, even in the event of a fault. Such errors can occur, for example, when a high power failure occurs at high table speed.
  • the scales M 3 and M 4 are aligned with the division towards the reference part B (see FIG. 9) and their upper side is leveled with the measurement object W, ie brought to the same Z height.
  • encoders are used whose effective measuring location Z N p lies on the graduation side of the scale or else in the substrate area of the scale. In this way, the Abbe condition can not be completely fulfilled.
  • the resulting Abbe distance D z remains very low. Values of less than 5 mm are quite achievable.
  • the scales M 1 and M 2 , and M 3 and M 4 are arranged mirror-symmetrically to each other.
  • This symmetry allows a symmetrical design of the components B, F and O. It basically offers a higher accuracy, since many location-dependent error components, which have the same mirror symmetry, can be kept very small.
  • the standards M 1 and M 2 on the moving intermediate part F and the associated scanning heads AKx 1, AK Y1, Y2 AK ⁇ 2 and AK are fixed to the reference part B comparable prevented.
  • the scales M 3 and M 4 are attached to the object O and the associated scanning heads AK X3 , AK Y3 , AK X4 and AK Y4 attached to the intermediate part F.
  • the scanning heads AK X1 , AK X2 , AK Y3 and AK Y4 can be arranged in this embodiment so that their effective measuring point is always aligned to the TCP along its measuring direction. The correc- tion with the angle Rz thus does not apply to the associated position values, which simplifies the evaluation of the position signals.
  • the part W to be measured is no longer moved relative to the fixed TCP. Rather, the part to be measured is located on the stationary reference part B and the tool or the TCP is moved with the object O.
  • the basic calculations are made in the same way as described above, but the position (X TCP , Y TCP ) of the TCP is no longer constant, but changes with the table position.
  • the scale M 3 is scanned by three scanning heads AK ⁇ 3 , AK ⁇ 3 and AK Y4 .
  • the two scanning heads AK Y3 and AK Y4 scanning on the transverse track T ⁇ detect not only the Y position of the object O relative to the intermediate part F but also the associated rotation Rz 0 - F .
  • all effective measuring points of the scanning heads and the TCP in Z-direction at the same height are effective measuring points of the scanning heads and the TCP in Z-direction at the same height:
  • the intermediate part F must therefore be arranged at least partially next to the part W to be processed. Only in this way can the Abbe condition be met.
  • the usual arrangement of a gantry machine, in which the measuring device and the drive for the Y-direction over the measuring object is moved away, does not meet this condition.
  • the fifth embodiment has, like the second embodiment, an intermediate part F, which carries all the scanning heads AK X1 , AK Y1 , ... AKX 4b , AK Yb .
  • the scales M1 and M2 are in turn fixed to the fixed reference part B, while the scales M3 and M4 are attached to the object O.
  • the scanning of the scale M3 takes place here redundantly with four scanning heads AK X3a , AK Y3a , AK X3b , AK Y3b with the pairs of scanning heads AK X3a / AK X3b or AK Y3a / AK Y3b respectively scanning the same track of the scale M3.
  • the two scanning heads of a pair are offset symmetrically in the X direction in each case to the middle of the intermediate part F.
  • both scanning heads of a pair can scan the scale M3, in the outer layers this can only be done with one of the two scanning heads of a pair.
  • the measuring range in the X direction expands to a value which is greater than the length of the scale M3 by approximately the distance between the two pairs of scanning heads AK X3a / AK X3b and AK Y3a / AK Y3b ,
  • the scale M4 is scanned in an analogous manner by the Abtastkopffare (AK X4a , AK X4b ) and (AK Y4a , AK Y4b ).
  • the determination of the object position X OB, YO- B, RZO- B is again analogous to the equations 10 to 12, wherein each of the sensing of a redundant Abtastkopfpases is selected which is opposed to the associated scale and can scan this. If in the middle X-positions of the object O both scanning heads can scan the corresponding scale, the object positions X OB , YO- B , RZO- B can be doubly determined and the results averaged.
  • the Z positions of the effective measurement locations of all encoders in this embodiment again coincide with the Z position of the TCP. This is achieved by the fact that the Z layers of all scanning heads protrude beyond the measuring object W and the scales are leveled with the TCP. As a particular advantage of this embodiment, a collision of the scanning heads with the tool can be excluded in any possible position of the object O.
  • the scanning heads, the Scales the scales M3 and M4 either to the left of the line GG 'or to the right of the line HH' lie, if the lines GG 'or HH' mark the extension of the tool in the X direction.
  • Encoders M1, M2, M3, M4 and in particular their scales are constructively arranged so that their projection in a spanned by the first and second directions X, Y level containing the Tool Center Point TCP, in the entire range of movement of the XY table outside of the part W to be processed. Only by this measure is the best possible compliance with the Abbe condition possible, because all scales or effective measuring locations of the 1 DPIus encoder can be aligned in the Z direction with the Tool Center Point.
  • Gantry structures in which an encoder is arranged on the crossbar whose projection falls into the working plane and thus to the part W can not fulfill this condition since the encoder will always be above the part W and therefore above the Tool Center Point TCP ,
  • two-dimensional cross grating encoders which also allow two-dimensional position detection.
  • a cross lattice as an Iplus scale according to FIG. 2, whose two graduation tracks T L and T ⁇ are pushed into each other or are superimposed on one another.
  • Such cross gratings are much less expensive to manufacture than the large cross gratings mentioned above.
  • I Dplus encoder also encoders with such cross gratings.
  • an I Dplus scale can also be used, which, however, then has to be scanned by three scanning heads as in the third exemplary embodiment.
  • Two of the three scanning heads touch the transverse division T ⁇ off.
  • the distance between these two scanning heads should be as large as possible in order to achieve sufficient accuracy for the determination of the corresponding rotation Rz.
  • Typical guide errors for linear guides are about 1 - 10 microrad.
  • An Abbe distance in the Z direction of 10 millimeters then leads to a measurement error between 10 and 100 nanometers. If one considers 100 nanometers as still permissible measuring errors, then the Abbe distance may not exceed 10 millimeters.

Abstract

Es wird ein XY-Tisch mit einer Messanordnung zur Positionsbestimmung beschrieben, mit einem ortsfesten Referenzteil (B) und einem Zwischenteil (F), das relativ zum Referenzteil (B) in einer ersten Richtung (Y) verschiebbar gehalten ist, mit einem Objekt (O) das relativ zum Zwischenteil (F) in einer zweiten Richtung (X) verschiebbar gehalten ist, wobei ein zu bearbeitendes Teil (W) auf dem Objekt (O) oder auf dem Referenzteil (B) angeordnet ist, sowie für die erste Richtung (X) mit wenigstens einem 1Dplus-Encoder (M1, M2) zum Messen von in-plane Freiheitsgraden (X, Y, Rz) zwischen Referenzteil (B) und Zwischenteil (F), und für die zweite Richtung (X) mit wenigstens einem 1Dplus-Encoder (M3, M4) zum Messen der in-plane Freiheitsgrade (X, Y, Rz) zwischen dem Objekt (O) und dem Zwischenteil (F), so dass die Lage (Xo, Yo) eines Tool Center Points (TCP) am Objekt (O) oder Teil (W) erfassbar ist. Dabei sind die 1Dplus-Encoder (M1, M2, M3, M4) konstruktiv so angeordnet sind, dass deren Projektion in die durch die erste und zweite Richtung (X, Y) aufgespannte Ebene, die den Tool Center Point (TCP) enthält, im gesamten Verfahrbereich des XY-Tisches außerhalb des Teils (W) liegt. Dies erlaubt die Einhaltung der Abbe-Bedingung und damit die genau Erfassung des Tool Center Points (TCP) am Objekt (O) mit einfachen 1Dplus-Encodern.

Description

XY-Tisch mit einer Messanordnung zur Positionsbestimmung
Die Erfindung betrifft einen XY-Tisch mit einer Messanordnung zur Positionsbestimmung zum genauen Positionieren eines vorzugsweise flächigen Werkstücks wie beispielsweise eines Wafers relativ zu einem Werkzeug. Beim Werkzeug kann es sich z.B. um ein Inspektionsmikroskop, einen Elek- tronenstrahl, eine Belichtungsoptik und andere zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen nötige Instrumente handeln.
Für hochgenaue XY-Tische muss bei der Anordnung von Positionsmessgeräten die Abbe - Bedingung eingehalten werden. Dies ist bisher nur mit Planspiegel - Laserinterferometern und mit Kreuzgitter - Messsystemen möglich.
Mit Planspiegel - Laserinterferometern wird der Abstand zu den Seitenflächen eines beweglichen Tisches gemessen (siehe Figur 1 ). Die Messachsen des Laserinterferometers sind in der XY-Ebene jeweils zum Messpunkt des Werkzeuges (Tool Center Point TCP, z.B. Mikroskop, Elektronenstrahl, etc.) ausgerichtet. Eigentlich müssten die Messachsen des Laserinterferometers auch in z-Richtung (senkrecht zur Bearbeitungsebene) mit dem TCP fluchten. Jedoch wird dies meist nicht vorgesehen, um hochstehende Spiegelelemente zu vermeiden, die einen Zusammenstoß mit dem Werkzeug zur Folge haben könnten. Der Fehler, der bei Winkelfehlern der Führung des Tisches in Verbindung mit dem Abbe-Abstand ΔZM von ca. 20 mm entsteht, wir hierbei akzeptiert.
Der Nachteil dieser Anordnung ist zum einen der hohe Aufwand, der durch die Verwendung teurer Laserinterferometer verursacht wird. Darüber hinaus ist auch die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit von Laserinterferometern in Luft sehr beschränkt. Durch die Brechungsindexschwankungen der Luftsäule ergeben sich selbst bei guten Laborbedingungen typische Abweichun- gen von 50 nm bei einer Luftsäule von 50 cm. Solch große Abweichungen sind für hochgenaue Anwendungen nicht tolerierbar.
Messanordnungen mit sogenannten Kreuzgitter - Encodern sind ebenfalls bekannt. Hier werden großflächige Maßstäbe mit einem Kreuzgitter von ei- nem Abtastkopf abgetastet. Ein Beispiel für eine solche Messanordnung ist in der EP 1762828 A2 beschrieben. Die Herstellung von großen und hochgenauen Kreuzgittern ist jedoch sehr aufwändig.
Die DE 102006024579 A1 beschreibt daher eine Anordnung von Linearmaßstäben mit herkömmlichen Inkrementalteilungen zum Messen der Lage eines XY-Tisches.
Die US 6949733 B2 zeigt eine Vorrichtung, bei der ein Werkzeug mittels einer Gantry - Struktur über einem flächigen Werkstück bewegt wird. Zur Feststellung der Werkzeugposition dient eine Anordnung von mehreren sogenannten I Dplus - Encodern, die im Wesentlichen die Positionsmessung in einer Messrichtung erlauben, aber auch kleine Bewegungen quer zu dieser Messrichtung erfassen können. In der vorgeschlagenen Anordnung, bei der ein Querarm oberhalb der Arbeitsebene bewegt wird, kann jedoch die Abbe - Bedingung nicht eingehalten werden, so dass bei Verkippungen durch Führungsfehler eine hochgenaue Positionserfassung nicht möglich ist.
Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen von I Dplus - Encodern sind in der DE 102005023984 A1 offenbart.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen XY-Tisch mit einer Messanordnung von Encodern anzugeben, die der Abbe-Bedingung möglichst gut genügt und somit hohe Genauigkeiten bei der Positionsmessung und damit bei der Po- sitionierung gewährleistet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen, die in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind. Auf diese Weise lässt sich der von einem Werkzeug erfasste Punkt des Werkstücks oder allgemeiner des Objekts genau messen bzw. über geeignete Antriebe einstellen. Dieser besondere Punkt des Objekts wird auch als Tool Center Point oder kurz TCP bezeichnet.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Figuren. Dabei zeigen
Figur 1 einen XY-Tisch mit einer Anordnung von
Laserinterferometern,
Figur 2 einen I Dplus-Encoder,
Figur 3 einen 1 Dplus-Encoder mit zusätzlichem Abtastkopf,
Figur 4 eine Messanordnung mit zwei I Dplus-Encodern,
Figur 5 einen 1 Dplus-Encoder mit V-förmigen Teilungen,
Figur 6 ein erstes Ausführungsbeispiel,
Figur 7a, b, c eine Erweiterung des ersten Ausführungsbeispiels,
Figur 8, 9 ein zweites Ausführungsbeispiel,
Figur 10 ein drittes Ausführungsbeispiel,
Figur 11 ein viertes Ausführungsbeispiel,
Figur 12 ein fünftes Ausführungsbeispiel.
Für jede hochgenaue Positionsbestimmung ist, wie oben erwähnt, die Einhaltung der Abbe-Bedingung wichtig, um Ungenauigkeiten durch Kippbewegungen zu minimieren. Bei Encodern bedeutet diese Bedingung, dass der Objektpunkt, dessen Position bestimmt werden soll, und die effektiven Messorte der Encoder in Verlängerung entlang deren Messrichtungen liegen müssen. Der effektive Messort eines Encoders wird dabei durch seinen - A -
neutralen Drehpunkt (XNP, YNP, ZNp) vorgegeben und definiert sich dadurch, dass eine Kippung des Abtastkopfes oder des Maßstabs um den neutralen Drehpunkt keine lineare Änderung des angezeigten Positionswertes ergibt. Der neutrale Drehpunkt eines Encoders liegt meist mittig in seinem Abtast- feld entweder in Höhe des Maßstabs oder in Höhe der Abtastteilung im Abtastkopf.
Hochgenaue XY-Tische erfordern aber nicht nur die Einhaltung der Abbe- Bedingung und damit die Minimierung des Einflusses von Kippbewegungen der Tischführungen. Es müssen darüber hinaus auch die linearen Querbewegungen der Führungen, insbesondere die Geradheitsabweichungen in der Bewegungsebene (XY) des Tisches erfasst und korrigiert werden.
In vielen Applikationen muss nur in der Tischebene (XY) eine hochgenaue Positionsbestimmung erfolgen. Neben den entsprechenden Positionswerten X und Y ist aber häufig auch die Rotation Rz des Tisches um die Achse Z senkrecht zur Tischebene wichtig, wenn das verwendete Werkzeug eine nennenswerte Ausdehnung in der XY-Ebene aufweist. Dies ist z.B. bei einem Mikroskop mit einem nicht zu vernachlässigendem Beobachtungsfeld der Fall. Die Freiheitsgrade X, Y und Rz werden im Nachfolgenden als inplane Freiheitsgrade bezeichnet. Demgegenüber brauchen die restlichen, sogenannten out-of-plane Freiheitsgrade Rx, Ry und Z meist gar nicht oder nicht so genau bestimmt werden. Dies trifft z.B. für ein Mikroskop mit einer großen Fokustiefe zu. Wichtig ist aber, dass genau derjenige Objektpunkt TCP durch die Encoder gemessen wird, der auch vom Werkzeug erfasst wird. Sein Ort liegt bei (XTCP, YTCP, ZTCP)-
Erfindungsgemäß soll die Einhaltung der Abbe-Bedingung und die Erfassung von Querbewegungen des Tisches durch die Verwendung sogenann- ter I Dplus Encoder erfolgen. I Dplus Encoder (siehe. Figur 2) besitzen neben einer Längsspur TL auch eine Querspur Tτ. Der Abtastkopf AL, der die Längsspur TL abtastet, misst entlang der langen Ausdehnung X des Maßstabs. Der Abtastkopf Aτ dagegen tastet die Querspur Tτ ab und misst entlang der kurzen Ausdehnung Y des Maßstabs M. Mit Hilfe eines dritten Abtastkopfs lässt sich auch der in-plane Freiheitsgrad Rz (Rotation um die z-Achse) messen. Dafür gibt es zwei Grundkonfigurationen. Die erste ist in Figur 3 dargestellt und weist nur einen auf einem Refe- renzteil B montierten Maßstab M auf, der von drei, auf einem Objekt O befestigten Abtastköpfen AKY1, AKY2 und AKx abgetastet wird. Jeder der Abtastköpfe tastet den Maßstab M jeweils an seinem effektiven Abtastort (XNP.YI
Figure imgf000007_0001
(XNP,Y2!YNP,Y2!ZNP,Y2) bzw. (XNP1X1YNP1X1ZNP1X) ab. Die drei Abtastköpfe liefern die Positionswerte ξYi, ξY2 bzw. ξx.
Es wird im Folgenden angenommen, dass der zu bestimmende Objektort TCP in Z-Richtung mit den Z-Lagen der effektiven Abtastorte aller Abtastköpfe übereinstimmt:
'NPJl = z NP,Y2 = ^ 7 NP, X = ^ 7 TCP
(Gl. 1 )
Die beiden Abtastköpfe AKY1 und AKY2 erfassen nicht nur die Y-Verschie- bung des Objekts O relativ zum Maßstab M bzw. zum Referenzteil B son- dem auch die Drehung RZO-B um die z-Achse. Für kleine Rotationen RZO-B gilt näherungsweise:
^2O-B ~ V-3Y2 ~ hγi ) '\^ NPJ2 ~ ^ NP Jl ) ■ (Gl. 2)
Zur Bestimmung der Lage (XO-B, YO-B) des Objekts O relativ zum Referenzteil B an der Stelle des TCP muss die von der Rotation RZO-B bewirkte Verschiebung zwischen den effektiven Abtastorten (XNp,x, YNP.X), (XNP.YI , YNP.YI), (XNP,Y2, YNP,Y2) der Abtastköpfe AKx, AKY1, AKY2 und dem TCP berücksichtigt werden: ^ 0-B Sx ^~ ^7O-B \ *NP,X * TCp )
Y0_B = ξγι - Rz O-B \^ NPJX ^ TCP )
(Gl. 3)
Diese Berechnung gilt für jede beliebige Lage des TCP relativ zu den Lagen der Abtastköpfe. Jedoch nimmt mit zunehmendem Abstand die Genauigkeit der Bestimmung der Lage (XO-B, YO-B) ab. Dieser Abstand sollte deshalb möglichst klein gewählt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Objektlage (XO-B, YO-B) ist in Figur 4 dargestellt. Hier werden zwei auf dem Referenzteil B montierte Maßstäbe M1 und M2 von insgesamt vier, auf dem Objekt O befestigten Abtastköpfen AKX1, AKx2, AKY1 , AKY2 abgetastet. In diesem Fall wird die Rotation Rz0-B durch die Positionswerte ξx1 und ξχ2 der in X-Richtung messenden Abtastköpfe AKX1 und AKX2 gemessen:
Figure imgf000008_0001
(Gl. 4)
Die Lage des Objekts O am Ort des TCP lässt sich in analoger Weise mit nur einem weiteren Abtastkopf, z.B. AKY1 bestimmen:
Figure imgf000008_0002
(Gl. 5)
Bei einem weiteren Abtastkopf AKY2 ist es aber vorteilhaft, auch die entspre- chende, redundante Positionsinformation ξY2 einzuschließen, so dass sich statt Gl. 5 ergibt:
Figure imgf000009_0001
* TCP)
Yo-B =T1 ' -Wl - R2O-B " (X NPJl ~ XTCP )] + 0 "Η ) ' R 72 ~ ^2O-B ' (^NPJl ~ ^ TCP )\
(Gl. 6)
Der Gewichtungsfaktor η kann grundsätzlich beliebig gewählt werden. Es ist jedoch vorteilhaft, diesen Gewichtungsfaktor η so setzen, dass auch die thermische Ausdehnung von Komponenten zumindest bei einer gleichmäßigen Erwärmung des Objekts O und des Referenzteils B kompensiert wird. Die thermische Ausdehnung kann durch die redundante Messung der Y- Lage des Objekts O durch die Abtastköpfe AKY1 und AKY2 bestimmt werden. Anteilig zu den Abständen der Abtastköpfe AKY1 und AKY2 vom TCP kann daher die thermisch korrigierte Y-Position YO-B des Objekts O am Ort des TCP berechnet werden. Je näher der TCP zu einem der Abtastköpfe AKY1 oder AKY2 liegt, desto stärker muss dessen Messwert gewichtet werden. Damit ergibt sich als optimaler Gewichtungsfaktor
_ 1 YTCP - 1YNPJl
1 Y NPJl - λY NP Jl
(Gl. 7)
Auch eine Korrektur der thermischen Ausdehnung in X-Richtung ist möglich. Dazu wird zunächst die Längenänderung in Y-Richtung zwischen den Abtastköpfen AKY1 und AKY2 in eine Temperaturänderung ΔT umgerechnet:
Λ γ _ LS Yl ~ 1^2Q-B ' V^ NP, Yl ~ ^ TCP )i ~ LS 72 ~ 1^2O-B ' V^ NP, Y 2 ~ ^ TCP )\
AC1∑LO_B ' \iNPjι ~ Y NP, Yi ) (Gl. 8)
Der Parameter ΔCTEO-B bezeichnet die Differenz des thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE0 des Objekts und des thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE6 des Referenzteils B. Mit Hilfe der Temperaturänderung ΔT und der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Bauteile können dann auch die thermischen Verschiebungen in X-Richtung bestimmt werden, wobei die Fixierpunkte der Bauteile untereinander natürlich berücksichtigt werden müssen. Auf eine detaillierte Beschreibung wird hier verzichtet, da es für den Fachmann einfach ist, mit der bekannten Temperaturänderung ΔT diese Berechnung durchzuführen. Die thermische Korrektur in Längsrichtung der Maßstäbe wird auch in den unten beschriebenen Ausführungsformen nicht weiter ausgeführt, kann aber selbstverständlich verwendet werden.
Statt einer Längsteilung TL und einer Querteilung Tτ können ebenso gut V- förmige Teilungen Tα und Tß gemäß Figur 5 verwendet werden, die durch entsprechend geneigte Abtastköpfe AKα, AKß 1 und AKß,2 abgetastet werden. Beispielsweise kann man α=135° und ß=45° wählen. Solche Teilungen bieten den Vorteil, dass bei einer Bewegung in der Hauptbewegungsrichtung, d.h. in der Längsrichtung des Maßstabs, stets Positionsänderungen bei der Abtastung beider Spuren auftreten. Eine Signalkompensation, wie sie z.B. in der oben genannten DE 102005023984 A1 in Absatz [0029] beschrieben wird, ist damit einfach und mit hoher Genauigkeit möglich. Bei einer Querteilung Tτ gemäß Figur 2 ist die Querbewegung (hier in Y-Richtung) meist sehr gering, so dass kaum Positionsänderungen auftreten und die Signalkompensation nicht neue Kompensationsparameter erfassen kann und somit Interpolationsfehler unvermeidbar sind.
Aus den Messwerten ξα, ξß:1 und ξß,2 können analog zu Gl. 2 und Gl. 3 Posi- tionswerte XO-B, YO-B und Rz0-B, bestimmt werden. Der Fachmann kann die entsprechenden Transformationsgleichungen leicht aufstellen. Solche V- förmige Teilungen liefern damit äquivalente Positionsinformationen. In den unten beschriebenen Ausführungsbeispielen sind der Einfachheit halber alle Maßstäbe mit Längs- und Querteilungen (TL, Tτ) gezeigt. In der Praxis ist es aber vorteilhaft V-förmige Teilungen zu verwenden. Wie in der DE 102005023984 A1 in Absatz [0023] beschrieben, ist es dann auch möglich, für beide Teilungsspuren Referenzmarken anzuordnen und zu detektie- ren, selbst wenn keine Querbewegung auftritt. 1. Ausführungsbeispiel:
In Figur 6 ist eine erste Ausführungsform dargestellt. Ein Zwischenteil F ist in Y-Richtung verschiebbar gegenüber einem ortsfesten Referenzteil B gela- gert. Weiterhin ist relativ zum Zwischenteil F das Objekt O (hier ein Messtisch) mit dem zu messenden bzw. zu bearbeitenden Teil W, z.B. ein Wafer, in X-Richtung verschiebbar gelagert. Durch eine kombinierte Verschiebung lässt sich das Objekt O in X- und Y-Richtung relativ zum ortsfesten Referenzteil B verschieben. Ein solcher Aufbau wird deshalb als sequentielle An- Ordnung von Lineartischen bezeichnet. Führungselemente sind in Figur 6 nicht dargestellt.
Die Abtastköpfe AKX1,... AKX4 erfassen die X-Bewegung relativ zu den zugehörigen Maßstäben M1,... M4, die Abtastköpfe AKY1,... AKY4 die entspre- chenden Y-Bewegungen. Die beiden Maßstäbe M1 und M2 sind am ortsfesten Referenzteil B befestigt. Die Abtastköpfe AKX1, AKY1, AKX2 und AKY2 und die Maßstäbe M3 und M4 sind am bewegten Zwischenteil F montiert. Auf dem Objekt O befinden sich schließlich die Abtastköpfe AKX3, AKY3, AKX4 und AKY4. Durch die Anordnung von Abtastköpfen und Maßstäben werden die Bewegungen des Objekts O relativ zum Zwischenteil F und des Zwischenteils F relativ zum ortsfesten Referenzteil B jeweils in den Freiheitsgraden X, Y und Rz gemessen. Die Z-Lagen aller Encoder stimmen mit der Z-Lage des TCP überein:
ZNp^χι Z NPJ1 ^ NP, Xl ^ NP, Yl ^- ' NP, XT, ^ NP, YT, ^ NP, X 4 ^ NP, Y A ^TCP
(Gl. 9)
Für die Bestimmung der relativen Lage XF-B, YF-B, RZF-B des Zwischenteils F relativ zum ortsfesten Referenzteil B am Ort des TCP gilt:
Figure imgf000012_0001
NPJl)
Figure imgf000012_0002
(Gl. 10)
Analog gilt für die Bestimmung der Lage XO-F, YO-F, RZO-F des Objektes O relativ zum Zwischenteil F:
Figure imgf000012_0003
Figure imgf000012_0004
~ ^ TCP J
Y0-F =T\ θ-F ' [S F3 - R2O-F ~ (XNP,Y3 ~ ^ TCP )] + 0 ~Α 0-F ) ' KF4 ~ ^20-F ' (^ NP, Y 4 ~ ^ TCP J^
Figure imgf000012_0005
(Gl. 1 1 )
Natürlich ist es möglich die Gewichtungsfaktoren ηF-B und/oder ηO-F auch auf die Werte 1 zu setzen. In diesen Fällen benötigt man die Abtastköpfe AKX2 bzw. AKγ4 nicht mehr, wobei die oben beschriebene, thermische Korrekturmöglichkeit entfällt.
Die Bestimmung der Lage XO-B, YO-B und des Drehwinkels RZO-B des Objekts
0 relativ zum feststehenden Referenzteil B am Ort des TCP erfolgt durch eine Addition der Relativlagen des Objekts O zum Zwischenteil F und des Zwischenteils F zum feststehenden Referenzteil B:
Y — Y A- Y
Λ O-B ~ Λ O-F """ Λ F-B
1 Y O-B = λY O-F A ^- λY F-B
Figure imgf000012_0006
(Gl. 12) Durch die Bestimmung sowohl der X- als auch der Y-Lagen beider bewegten Teile F und O werden auch Führungsfehler wie z.B. Geradheitsabweichungen erfasst und durch eine nicht dargestellte Regelung und entsprechende Antriebe korrigiert.
Für die Genauigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es wichtig, dass alle zur Lagebestimmung relevanten Teile B, F und O stabil bleiben. Dies wird zum einen durch die Wahl geeigneter Materialien bestimmt. So ist es oft vorteilhaft, Materialien mit geringer Ausdehnung, wie z.B. Zerodur oder Invar, oder auch Materialien mit guter Wärmeleitung, wie z.B. Aluminium, zu verwenden. Zum anderen dürfen aber auch keine Kräfte wirken, die diese Teile B, F und O verbiegen oder in ihrer Länge beeinflussen.
Bei hochgenauen XY-Tischen, die bisher oftmals mit Laserinterferometern ausgerüstet sind, werden teilweise zwei getrennte, ortsfeste Trägerstrukuren verwendet. Eine erste Trägerstruktur soll alle Kräfte ableiten, die zur Halte- rung und Bewegung der Bauteile eingeleitet werden müssen. Diese Trägerstruktur wird als Kräfterahmen bezeichnet. Eine zweite, davon entkoppelte Trägerstruktur dient zur Aufnahme aller Bauteile, die für die Messung der Relativpositionen erforderlich sind. Diese Trägerstruktur heißt Messrahmen. Durch die Entkoppelung des Messrahmens vom Kräfterahmen wird verhindert, dass Verformungen des Messrahmens und damit Messfehler entstehen. Die Entkoppelung kann durch eine Verbindungsmechanik mit flexiblen Elementen oder durch eine Schwingungsisolation erfolgen. Bei bisherigen Maschinen sind beide Rahmen ortsfest und bewegen sich nicht.
Die Figuren 7a (Draufsicht), 7b (Schnitt AA') und 7c (Schnitt CC) zeigen eine Erweiterung dieses Konstruktionsprinzips. Jedes der Bauteile B, F und O tragen Komponenten der Encoder und werden deshalb als Messrahmenelemente bezeichnet. Davon jeweils durch Entkoppelungselemente EB-B,n, EF -F,n und EO-o,n (n=1 ,2,3) getrennt gibt es die Bauteile B', F' und O'. Das Bauteil B' ist ortsfest, das Bauteil F' wird im Wesentlichen zusammen mit dem Bauteil F entlang der Y-Richtung bewegt und das Bauteil O' wird im Wesentlichen zusammen mit dem Bauteil O entlang X und Y bewegt. An den Bauteilen B', F' und O' sind die Kraft erzeugenden Elemente befestigt, wie z.B. die Führungselemente LO -F .Π, LF -B',n und Lo -B',n (n=1 ,2,...), die hier als Luftlager ausgebildet sind, und auch die Linearmotoren LMn (n=1 ,2,3,4). Die Entkoppelungselemente EB-B,n, EF -F,n und Eo -o,n sind vorteilhafterweise als Festkörpergelenke so ausgeführt, dass grundsätzlich alle sechs Freiheitsgrade der verbundenen Bauteile zueinander gesperrt sind, aber eine Überbestimmung vermieden wird. Eine solche Verbindung wird oftmals auch als eine kinematische Verbindung bezeichnet. Durch das Fehlen von Über- bestimmungen werden Verbiegungen der Messrahmenelemente vermieden. In Figur 7a sind beispielsweise die Entkoppelungselemente EB-B,n, EF -F,n und Eo-o,n in radialer Richtung flexibel, während sie in tangentialer Richtung starr sind.
2. Ausführungsbeispiel
Bei der zweiten Ausführungsform gemäß Figur 8 und Figur 9 sind auf dem Zwischenteil F statt den Maßstäben die Abtastköpfe AKX3, AKY3, AKX4 und AKγ4 befestigt. Die Maßstäbe M3 und M4 sind hier mit dem Objekt O fest verbunden. Der sonstige Aufbau gleicht der ersten Ausführungsform und wird hier nicht noch einmal beschrieben.
Durch die Befestigung der Maßstäbe M3 und M4 auf dem Objekt O kann das Zwischenteil F einfacher ausgeführt sein. Es muss nicht mehr einen auf Biegung äußerst empfindlichen Maßstab tragen. Die Abtastköpfe sind im Ver- gleich dazu deutlich robuster. Dennoch muss das Zwischenteil F die Abtastköpfe positionsstabil haltern. Da das Objekt O das zu messende Teil W trägt, muss es in jedem Fall steif und positionsstabil aufgebaut sein. Der Mehraufwand durch die Befestigung der Maßstäbe M3 und M4 ist also minimal.
Die effektiven Messpunkte der Abtastköpfe AKY3 und AKY4 werden hier vorteilhaft in X-Richtung fluchtend mit dem TCP angeordnet: Λ YNP,Yi — Λ YNP,YA — Λ Y TCP
Dadurch vereinfachen sich die Berechnungsformeln.
In vielen Anwendungen dürfen keine Teile in Z-Richtung über das Messobjekt W hinausragen, um eine Kollision mit dem Werkzeug auch in Fehlerfällen zu verhindern. Solche Fehlerfälle können z.B. auftreten, wenn bei hoher Tischgeschwindigkeit ein Stromausfall auftritt. Um solche Kollisionen zu verhindern, werden in dieser Ausführungsform die Maßstab M3 und M4 mit der Teilung zum Referenzteil B hin ausgerichtet (siehe Figur 9) und ihre Oberseite mit dem Messobjekt W nivelliert, d.h. auf gleiche Z-Höhe gebracht. Vorteilhafterweise werden hier Encoder eingesetzt, deren effektiver Messort ZNp auf der Teilungsseite des Maßstabs liegt oder auch im Substratbereich des Maßstabs. Auf diese Weise lässt sich zwar die Abbe-Bedingung nicht mehr vollständig erfüllen. Der resultierende Abbe-Abstand Dz bleibt aber sehr gering. Werte von kleiner 5 mm sind durchaus erreichbar.
In dieser Ausführungsform sind die Maßstäbe M1 und M2, bzw. M3 und M4 zueinander spiegelsymmetrisch angeordnet. Dasselbe gilt auch für die zu- gehörigen Abtastköpfe. Diese Symmetrie erlaubt eine symmetrische Gestaltung der Bauteile B, F und O. Sie bietet grundsätzlich eine höhere Genauigkeit, da viele ortsabhängige Fehleranteile, die dieselbe Spiegelsymmetrie aufweisen, sehr klein gehalten werden können.
3. Ausführungsbeispiel
Bei der dritten Ausführungsform gemäß Figur 10 befinden sich die Maßstäbe M1 und M2 auf dem bewegten Zwischenteil F und die zugehörigen Abtastköpfe AKx1, AKY1, AKχ2 und AKY2 sind ortsfest mit dem Referenzteil B ver- bunden. Wie in der zweiten Ausführungsform sind die Maßstäbe M3 und M4 am Objekt O angebracht und die zugehörigen Abtastköpfe AKX3, AKY3, AKX4 und AKY4 am Zwischenteil F befestigt. Die Abtastköpfe AKX1, AKX2, AKY3 und AKY4 lassen sich in dieser Ausführungsform so anordnen, dass ihr effektiver Messpunkt stets zum TCP entlang ihrer Messrichtung ausgerichtet ist. Für die zugehörigen Positionswerte entfällt damit die Korrektur mit dem Winkel Rz, was die Auswertung der Po- sitionssignale vereinfacht.
4. Ausführungsbeispiel
Bei der vierten Ausführungsform gemäß Figur 1 1 wird nicht mehr das zu messende Teil W relativ zum feststehenden TCP bewegt. Vielmehr befindet sich das zu messende Teil auf dem ortsfesten Referenzteil B und das Werkzeug bzw. der TCP wird mit dem Objekt O mitbewegt. Die grundsätzlichen Berechnungen erfolgen in gleicher Weise wie oben beschrieben, die Position (XTCP, YTCP) des TCP ist allerdings nicht mehr konstant, sondern ändert sich mit der Tischposition. Auf einen vierten Maßstab wird in diesem Ausführungsbeispiel verzichtet. Stattdessen wird der Maßstab M3 durch drei Abtastköpfe AKχ3, AKγ3 und AKY4 abgetastet. Die beiden auf der Querspur Tτ abtastenden Abtastköpfe AKY3 und AKY4 erfassen nicht nur die Y-Lage des Objekts O relativ zum Zwischenteil F sondern auch die zugehörige Rotation Rz0-F- Wie bei den obigen Ausführungsbeispielen sind alle effektiven Messpunkte der Abtastköpfe und der TCP in Z-Richtung auf gleicher Höhe:
^ 7 NP, Xl - ^ 7 NP, Yl = z NP, X 2 = z NP,Y2 = z NP,X3 = z NP,Y3 - 7 - 7 TCP
Das Zwischenteil F muss deshalb zumindest teilweise neben dem zu bearbeitenden Teil W angeordnet sein. Nur auf diese Weise kann die Abbe-Bedingung eingehalten werden. Die übliche Anordnung einer Gantry-Maschine, bei der das Messgerät und der Antrieb für die Y-Richtung über dem Messobjekt hinwegbewegt wird, genügt dieser Bedingung nicht.
5. Ausführungsbeispiel Das fünfte Ausführungsbeispiel weist wie das zweite Ausführungsbeispiel ein Zwischenteil F auf, das alle Abtastköpfe AKX1, AKY1, ... AKX4b, AKYb trägt. Die Maßstäbe M1 und M2 sind wiederum am feststehenden Referenzteil B befestigt, während die Maßstäbe M3 und M4 am Objekt O angebracht sind. Die Abtastung des Maßstabs M3 erfolgt hier redundant mit vier Abtastköpfen AKX3a, AKY3a, AKX3b, AKY3b wobei die Paare von Abtastköpfen AKX3a/AKX3b bzw. AKY3a/AKY3b jeweils dieselbe Spur des Maßstabs M3 abtasten. Die beiden Abtastköpfe eines Paares sind in X- Richtung jeweils zur Mitte des Zwischenteils F symmetrisch versetzt. In den mittleren X-Lagen des Objekts O relativ zum Zwischenteil F können damit beide Abtastköpfe eines Paares den Maßstab M3 abtasten, in den äußeren Lagen kann dies jeweils nurmehr mit einem der beiden Abtastköpfe eines Paares erfolgen. Bei einer begrenzten Länge des Maßstabs M3 erweitert sich damit der Messbereich in X-Richtung auf einen Wert, der ungefähr um den Abstand der beiden Paare von Abtastköpfen AKX3a/AKX3b bzw. AKY3a/AKY3b größer ist als die Länge des Maßstabes M3.
Auf der gegenüberliegenden Seite des Objekts wird der Maßstab M4 in analoger Weise durch die Abtastkopfpaare (AKX4a, AKX4b) und (AKY4a, AKY4b) abgetastet. Die Bestimmung der Objektlage XO-B, YO-B, RZO-B erfolgt wieder analog zu den Gleichungen 10 - 12, wobei jeweils der Abtastkopf eines redundanten Abtastkopfpaares ausgewählt wird, der dem zugehörigen Maßstab gegenübersteht und diesen abtasten kann. Wenn in den mittleren X-Lagen des Objekts O beide Abtastköpfe den zugehörigen Maßstab abtasten können, können die Objektlage XO-B, YO-B, RZO-B doppelt bestimmt und die Ergebnisse gemittelt werden.
Die Z-Lagen der effektiven Messorte aller Encoder stimmen bei diesem Ausführungsbeispiel wiederum mit der Z-Lage des TCP überein. Dies wird dadurch erreicht, dass die Z-Lagen aller Abtastköpfe über das Messobjekt W hinausragen und die Maßstäbe mit dem TCP nivelliert werden. Als besonderer Vorteil dieses Ausführungsbeispiels kann eine Kollision der Abtastköpfe mit dem Werkzeug bei jeder möglichen Lage des Objekts O ausgeschlossen werden. Dazu müssen gemäß Fig. 12die Abtastköpfe, die die Maßstäbe M3 und M4 abtasten, entweder links der Linie GG' oder rechts der Linie HH' liegen, wenn die Linien GG' bzw. HH' die Ausdehnung des Werkzeugs in X-Richtung markieren.
Weitere Hinweise:
Allen gezeigten Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass die I Dplus-
Encoder M1 , M2, M3, M4 und insbesondere deren Maßstäbe konstruktiv so angeordnet sind, dass deren Projektion in eine durch die erste und zweite Richtung X, Y aufgespannte Ebene, die den Tool Center Point TCP enthält, im gesamten Verfahrbereich des XY-Tisches außerhalb des zu bearbeitenden Teils W liegt. Erst durch diese Maßnahme wird die möglichst gute Einhaltung der Abbe-Bedingung ermöglicht, denn so können alle Maßstäbe bzw. effektive Messorte der 1 DPIus-Encoder auch in Z-Richtung mit dem Tool Center Point fluchten. Gantry-Strukturen, bei denen ein Encoder am Querbalken angeordnet ist, dessen Projektion in die Arbeitsebene und damit auf das Teil W fällt, können diese Bedingung nicht erfüllen, da der Encoder immer oberhalb des Teils W und damit oberhalb des Tool Center Point TCP liegen wird.
Selbstverständlich können im Rahmen dieser Erfindung die verschiedenen Elemente der Ausführungsformen in unterschiedlicher Weise kombiniert werden.
Statt der I Dplus-Encoder können auch zweidimensional messende Kreuzgitterencoder verwendet werden, die ebenfalls eine zweidimensionale Positionserfassung ermöglichen. Für die hier beschriebenen Anwendungen benötigt man keine großflächigen Kreuzgitter, sondern solche, die nur in einer Richtung ausgedehnt sind, und quer zu dieser Richtung nur einen kleinen Messbereich ermöglichen. Man kann sich so ein Kreuzgitter als einen I Dplus Maßstab gemäß Figur 2 vorstellen, dessen beiden Teilungsspuren TL und Tτ ineinandergeschoben oder übereinandergelegt sind. Solche Kreuzgitter sind wesentlich weniger aufwändig in der Herstellung als die eingangs erwähnten großflächigen Kreuzgitter. Im Sinne dieser Anmeldung seinen von dem Begriff I Dplus Encoder auch Encoder mit solchen Kreuzgittern umfasst.
Neben einem ortsfesten TCP (Ausführungsbeispiele 1 ,2,3 und 5) und einem mit dem Objekt O mit bewegten TCP (Ausführungsbeispiel 4) gibt es noch die Möglichkeit, dass der TCP sich sowohl zum Referenzobjekt B als auch zum Objekt O bewegt. Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Lagebestimmung gemäß Gleichungen 10 - 12 auch für diesen Fall eingesetzt werden.
Um die Einflüsse von Maschinenvibrationen zu minimieren, die entweder vom Maschinenfundament oder aber durch die Beschleunigungskräfte eingeleitet werden, ist es vorteilhaft die Abtastköpfe an Knotenpunkten von störenden Schwingungsmoden der zugehörigen Messrahmenelemente zu plazieren. Dadurch wird die Übertragung der Maschinenvibration auf die Abtastköpfe minimiert und die Messgenauigkeit erhöht.
Darüberhinaus können verschiedene Entkopplungselemente EB-B,Π, EF -F,Π und Ecy-o,n zwischen den Messrahmenelementen B, F, O und den zugehörigen Kraftrahmenelementen B', F', O' eingesetzt werden. Neben Festkörperelementen sind auch mechanische Berührkontakte wie z.B. Kugeln, die durch Federn gegen Nuten gedrückt werden, verwendbar. Lorentzaktuatoren bieten besondere Vorteile, da sie neben einer sehr guten Schwingungsisolierung auch eine zusätzliche Verstellung ermöglichen.
Um nicht nur eine sehr hohe Reproduzierbarkeit sondern auch eine sehr hohe Genauigkeit der erfindungsgemäße Lagebestimmung des Objektes O erreichen zu können, muss diese kalibriert werden. Aus der Literatur sind dazu verschiedene Kalibrierverfahren bekannt.
In allen Ausführungsformen kann statt den zwei, jeweils parallel angeordneten Maßstäben auch nur ein I Dplus Maßstab verwendet werden, der dann aber wie im dritten Ausführungsbeispiel durch drei Abtastköpfe abge- tastet werden muss. Zwei der drei Abtastköpfe tasten dabei die Querteilung Tτ ab. Der Abstand dieser beiden Abtastköpfe sollte möglichst groß sein, um eine ausreichende Genauigkeit für die Bestimmung der entsprechenden Rotation Rz zu erzielen.
Um in Z-Richtung den effektiven Messpunkt des Encoders in die gleiche Höhe wie das Messobjekt zu bringen, muss ein Teil des Encoders in Z- Richtung über das Messobjekt hinausragen. Die Vermeidung eines Zusammenstoßes mit dem Werkzeug ist damit schwierig zu erreichen. Deshalb kann es vorteilhaft sein, die Komponenten des Encoders in Z- Richtung soweit nach unten zu verschieben, dass sie nicht mehr über das Messobjekt hinausragen. Der dadurch entstehende Abbe-Abstand von ca. 20mm ist in vielen Fällen noch akzeptabel.
Typische Führungsfehler für Linearführungen betragen etwa 1 - 10 Mikrorad. Ein Abbe Abstand in Z-Richtung von 10 Millimetern führt dann zu einem Messfehler zwischen 10 und 100 Nanometer. Betrachtet man 100 Nanome- ter als noch zulässigen Messfehler, so darf der Abbe Abstand höchstens 10 Millimeter betragen.

Claims

Ansprüche
1. XY-Tisch mit einer Messanordnung zur Positionsbestimmung,
mit einem ortsfesten Referenzteil (B) und einem Zwischenteil (F), das relativ zum Referenzteil (B) in einer ersten Richtung (Y) ver- schiebbar gehalten ist,
mit einem Objekt (O) das relativ zum Zwischenteil (F) in einer zweiten Richtung (X) verschiebbar gehalten ist,
wobei ein zu bearbeitendes Teil (W) auf dem Objekt (O) oder auf dem Referenzteil (B) angeordnet ist,
- sowie für die erste Richtung (Y) mit wenigstens einem 1 Dplus-Enco- der (M1 , M2) zum Messen aller in-plane Freiheitsgrade (X, Y, Rz) zwischen Referenzteil (B) und Zwischenteil (F),
und für die zweite Richtung (X) mit wenigstens einem 1 Dplus-Enco- der (M3, M4) zum Messen aller in-plane Freiheitsgrade (X, Y, Rz) zwischen dem Objekt (O) und dem Zwischenteil (F),
so dass die Lage eines Tool Center Points (TCP) am Teil (W) oder am Objekt (O) erfassbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die I Dplus-Encoder (M1 , M2, M3, M4) konstruktiv so angeordnet sind, dass deren Projektion in eine durch die erste und zweite Richtung (Y, X) aufgespannte Ebene, die den Tool Center Point (TCP) enthält, im gesamten Verfahrbereich des XY-Tisches außerhalb des Teils (W) liegt.
2. XY-Tisch nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die I Dplus- Encoder (M1 , M2, M3, M4) so angeordnet sind, dass deren effektive Messorte bezüglich einer dritten Richtung (Z) senkrecht zur ersten und zweiten Richtung (Y, X) im Wesentlichen auf gleicher Höhe liegen.
3. XY-Tisch nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die I Dplus- Encoder (M1 , M2, M3, M4) so angeordnet sind, dass deren effektive Messorte und der Tool Center Point (TCP) bezüglich der dritten Richtung (Z) im Wesentlichen auf gleicher Höhe liegen.
4. XY-Tisch nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die I Dplus-Encoder (M1 , M2, M3, M4) so angeordnet sind, dass deren effektive Messorte bezüglich der dritten Richtung (Z) um nicht mehr als zehn Millimeter vom Tool Center Point (TCP) entfernt sind.
5. XY-Tisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die erste und/oder zweite Richtung (Y, X) auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Teils (W) je ein durch zwei
Abtastköpfe (AKX1, AKY1, AKX2, AKY2, AKX3, AKY3, AKX4, AKY4) abgetasteter I Dplus-Encoder (M1 , M2, M3, M4) liegt, der jeweils an einem der Elemente Referenzteil (B), Zwischenteil (F) und Objekt (O) befestigt ist.
6. XY-Tisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die erste und/oder zweite Richtung (Y, X) ein durch drei Abtastköpfe (AKX3, AKY3, AKY4) abgetasteter I Dplus-Encoder (M3) vorgesehen ist, der an einem der Elemente Referenzteil (B), Zwischenteil (F) und Objekt (O) befestigt ist.
7. XY-Tisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich Referenzteil und/oder Zwischenteil und/oder Objekt jeweils zusammensetzen aus einem Komponenten der I Dplus- Encoder (M1 , M2, M3, M4, AK) tragenden Messrahmenelement (B, F, O) und einem Kraft erzeugende Elemente tragenden Kraftrahmenelement (B', F', O').
8. XY-Tisch nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftrahmenelemente (B', F', O') vom jeweiligen Messrahmenelement (B, F, O) durch Entkopplungselemente (EB-B,n, EF-F,n, Eo -o,n) getrennt sind.
9. XY-Tisch nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungselemente (EB-B,n, EF-F,n, Eo -o,n) eine kinematische Verbindung zwischen den jeweiligen Kraftelementen (B', F', O') und Messrahmenelementen (B, F, O) herstellen.
10. XY-Tisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der I Dplus - Maßstäbe (M3) in einer mittleren Lage des Objekts (O) redundant von zwei voneinander beabstandeten Paaren von Abtastköpfen (AKX3a/AKγ3a, AKX3b/AKγ3b) und in äußeren Lagen nur von jeweils einem der Paare abgetastet wird, so dass ein Messbereich auf einen Wert vergrößert ist, der größer ist als die Länge des I Dplus-Maßstabes (M3).
1 1. XY-Tisch nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand der beiden Paare von Abtastköpfen (AKX3a/AKγ3a, AKX3b/AKγ3b) größer ist als die Ausdehnung eines Werkzeugs (TL), so dass eine Kollision der
Abtastköpfe (AKχ3a/AKγ3a, AKχ3b/AKγ3b) mit dem Werkzeug (TL) in jeder möglichen Lage des Objekts (O) ausgeschlossen ist.
12. XY-Tisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die I DPIus-Maßstäbe (M) Teilungsstrukturen (TL, Tτ) aufweisen, die senkrecht und parallel zur Messrichtung (X) verlaufen.
13. XY-Tisch nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass die I DPIus-Maßstäbe (M) Teilungsstrukturen (Tα, Tß ) aufweisen, die in unterschiedlichen Winkeln (α,ß) zur Messrichtung (X) geneigt sind.
14. XY-Tisch nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilungsstrukturen nach Art eines Kreuzgitters übereinander angeordnet sind.
15. XY-Tisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Positionen durch sich gegenüberliegende
Abtastköpfe (AKY1, AKY2) redundant erfasst werden, um die thermische Ausdehnungen zu korrigieren.
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