WO2016083346A1 - Positions-messeinrichtung und verfahren zur ermittlung von positionen eines messobjekts - Google Patents

Positions-messeinrichtung und verfahren zur ermittlung von positionen eines messobjekts Download PDF

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WO2016083346A1
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Peter Vogt
Florian Bart
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Carl Zeiss Smt Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a position-measuring device and a method for determining positions of a measurement object.
  • Capacitive measuring sensors for position detection of DUTs are known. There is a constant need to increase the measurement accuracy in position measurements by means of capacitive measuring sensors.
  • the invention has for its object to provide a position-measuring device for determining positions of a measuring object, which enables a high degree of accuracy in the position detection in a simple manner.
  • a position-measuring device with the features of claim 1.
  • the increasing miniaturization that is to say the reduction of the capacitive measuring sensors, results in the fact that their capacitance is also reduced, as a result of which disturbing influences become more pronounced in the position measuring signal.
  • the position measuring device has at least one capacitive reference measuring sensor in addition to the at least one capacitive position measuring sensor, disturbing influences can be detected and eliminated by evaluating the position measuring signal and the reference measuring signal by means of the arithmetic unit.
  • the arithmetic unit thus calculates from the position measurement signal and the associated reference measurement signal a position signal largely free of interference, which has a significantly higher accuracy than the afflicted with interference influences position measurement signal.
  • the position measurement signal is in particular composed of the position signal to be calculated and an interference signal
  • the reference measurement signal is composed of a predefined reference signal and the interference signal.
  • the interference signal can be determined, for example, by subtracting the reference signal, which in turn can be subtracted from the position measurement signal to determine the position signal.
  • the position measurement signal is freed from the interference signal by this calculation, so that the position of the measurement object can be determined extremely accurately from the position signal.
  • the carrier body is made of a material which has an extremely low coefficient of thermal expansion
  • the reference distance and thus the reference signal do not substantially change as a result of temperature changes.
  • the reference measuring sensor has a high drift stability, as a result of which an extremely constant reference signal can be generated.
  • the material is, in particular, a glass-ceramic material. Glass ceramic materials with low coefficients of thermal expansion are known, for example, under the trade names ZERODUR or ULE.
  • the position-measuring device ensures a high accuracy in the position detection.
  • a position measuring device ensures a high accuracy in the position detection. Due to the fact that the signal lines form a signal cable substantially over their entire length, the signal lines can on the one hand be mutually attenuated against disturbing influences. On the other hand, parasitic currents are equally input into the position measurement signal and the reference measurement signal, so that the interference signal resulting from the disturbing influences in the position measurement signal can be largely eliminated. In particular, changes in the capacity of the signal cable, which are caused for example by buckling, can thereby be eliminated.
  • a position-measuring device ensures high accuracy in the position determination when the position-measuring device has multiple position measuring sensors. Since a separate reference measuring sensor is assigned to each position measuring sensor, it can be arranged optimally with respect to the position measuring sensor, so that the interference influences are equally detected by the position measuring sensor and the reference measuring sensor. The respective position measuring sensor and the associated reference measuring sensor can be a common
  • Measuring sensor housing or two separate measuring sensor housing have.
  • a position-measuring device ensures a high accuracy in the position determination in conjunction with a comparatively low design complexity. Since a reference measuring sensor is assigned to a plurality of position measuring sensors, the associated reference measuring signal can be used to correct all position measuring signals. From the position measurement signals and the reference measurement signal, position signals are thus calculated for all position measurement sensors which are assigned to the reference measurement sensor. This optimizes the number of reference measurement sensors.
  • a position-measuring device ensures a high accuracy in the position detection. Because the at least one If a reference measuring sensor is arranged at a small distance from the associated at least one position measuring sensor, interference effects are equally detected by the at least one reference measuring sensor and the associated at least one position measuring sensor, so that in the subsequent calculation of the associated position Signal can be eliminated as much as possible from the disturbing interference resulting signal.
  • the at least one reference measuring sensor has a first reference electrode and an associated second reference electrode, wherein the second reference electrode may be formed as a reference measuring surface.
  • the reference electrodes are arranged in a predefined reference From each other to the support body.
  • the reference interval is essentially unchangeable. In essence, this means that a change in the reference distance occurs only as a result of interference or environmental influences, such as changes in the ambient conditions.
  • the reference distance thus defines a substantially constant reference signal.
  • the reference measuring surface is formed, for example, as a metallic coating on the support body.
  • the reference measuring surface is a chromium layer.
  • a position measuring device ensures a high accuracy in the position detection.
  • the ratio of the mean position D M of the measuring object at the reference from D R stand ensures that the reference distance D R substantially corresponding to D M of the measurement object the middle position.
  • disturbing influences are transmitted substantially equally into the position measuring signal and the associated signal.
  • Reference reference signal so that the interference resulting from the interference is largely eliminated.
  • a position measuring device ensures a high accuracy in the position detection.
  • a position-measuring device ensures a high accuracy in the position detection.
  • the surrounding medium such as the air, acts according to the position measuring sensor as a dielectric.
  • a position-measuring device ensures a high accuracy in the position detection.
  • the support body is arranged between the reference electrodes, the support body forms the dielectric.
  • the support body is formed in particular of a material having a low coefficient of thermal expansion, such as from a glass-ceramic material. Due to the fact that the carrier body forms the dielectric, environmental conditions barely enter the reference measurement signal, so that a constant reference signal is provided. As a result, in particular the compensation of disturbing influences due to the signal cable and / or the measuring electronics is possible.
  • a position-measuring device ensures a simple and space-saving design.
  • a position-measuring device ensures a high accuracy in the position determination.
  • the reference measuring sensor is arranged such that it serves as a second position measuring sensor.
  • the reference measuring sensor is arranged in particular opposite to the position measuring sensor, so that the position measuring signal and the reference measuring signal ideally, ie without interference, result in addition a constant measuring signal. If, for example, the position measuring sensor and the reference measuring sensor are arranged at equal distances to a mean position of the measuring object, the corresponding result is obtained
  • Position signal if no interference is present, by averaging the added to the position measurement signal reference measurement signal. On the basis of this, interference signals due to disturbing influences in the position measurement signal and the reference measurement signal or their sum can be detected and eliminated.
  • a position measuring device improves the signal-to-noise ratio and thereby ensures a high accuracy in the position detection. Because a transistor is integrated into the measuring sensor housing, the original measuring signal is amplified even before transmission to the arithmetic unit or measuring electronics. If the amplified measuring signal is transmitted to the arithmetic unit or the measuring electronics with constant interference or interfering signal as a result of disturbing influences, the signal-to-noise ratio increases, as a result of which an increased accuracy in the position determination can be achieved.
  • the at least one capacitive position measuring sensor and / or the at least one capacitive reference measuring sensor are formed with an integrated transistor.
  • the integrated transistor is designed in particular as a field-effect transistor.
  • a position-measuring device ensures in a simple manner a calculation of Po sitions- signal. Due to the fact that the at least one position measuring sensor and the respective associated reference measuring sensor are identical in construction, the measuring sensors basically have a matching measuring characteristic, so that no measurement inaccuracies can occur as a result of a different configuration of the measuring sensors. As a result, a high accuracy in the position detection is ensured without complex additional measures would be required to compensate for different measurement characteristics.
  • the invention is further based on the object to provide a positioning device that allows high accuracy in the positioning of a measurement object.
  • the positional accuracy should be in particular in the nanometer range or in the subnanometer range.
  • the position measuring device allows such an accurate position determination of the measurement object that the measurement object can be positioned with the desired accuracy.
  • the positioning device in particular forms a position control loop, so that a desired setpoint position of the measurement object can be precisely adjusted on the basis of the calculated position signal.
  • the further advantages of the positioning device correspond to the already described advantages of the position measuring device.
  • a positioning device ensures a high accuracy in the positioning of the measurement object.
  • a projection exposure apparatus represents an advantageous application of the positioning device according to the invention and the position measuring device according to the invention.
  • the invention is further based on the object of providing a method for determining positions of a measuring object which enables a high degree of accuracy in the position determination in a simple manner ,
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a positioning device with a measurement object to be positioned and a position-measuring device for determining the position of the measurement object, which are part of a projection exposure system, not shown in detail
  • FIG. 2 is a schematic representation of the basic structure of the position-measuring device according to FIG. 1 with at least one capacitive position measuring sensor and at least one capacitive reference measuring sensor
  • 3 shows a schematic representation of a position measuring device according to a first exemplary embodiment, in which the reference measuring sensor is arranged on a carrier body and the surrounding medium forms a dielectric
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a position measuring device according to a second exemplary embodiment, in which the at least one reference measuring sensor is arranged on a supporting body and this forms a dielectric,
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a position measuring device according to a third exemplary embodiment, in which the at least one reference measuring sensor is arranged on the measuring object and this forms a dielectric,
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a position measuring device according to a fourth exemplary embodiment, in which the at least one reference measuring sensor is used as an additional position measuring sensor or as a differential measuring sensor,
  • FIG. 7 is a schematic representation of the structure of a conventional capacitive measuring sensor
  • Fig. 8 is a schematic representation of the structure of a capacitive
  • Fig. 9 is a schematic representation of the structure of a capacitive
  • Measuring sensor according to a second embodiment is a schematic representation of the structure of a capacitive measuring sensor according to a third embodiment
  • 1 1 is a schematic representation of the structure of a capacitive measuring sensor according to a fourth embodiment
  • FIG. 12 shows a schematic representation of the construction of a capacitive measuring sensor according to a fifth exemplary embodiment
  • FIG. 13 shows a schematic illustration of the structure of a capacitive measuring sensor according to a sixth exemplary embodiment
  • FIG. 12 shows a schematic representation of the construction of a capacitive measuring sensor according to a fifth exemplary embodiment
  • FIG. 13 shows a schematic illustration of the structure of a capacitive measuring sensor according to a sixth exemplary embodiment
  • FIG. 12 shows a schematic representation of the construction of a capacitive measuring sensor according to a fifth exemplary embodiment
  • FIG. 13 shows a schematic illustration of the structure of a capacitive measuring sensor according to a sixth exemplary embodiment
  • FIG. 12 shows a schematic representation of the construction of a capacitive measuring sensor according to a fifth exemplary embodiment
  • FIG. 13 shows a schematic illustration of the structure of a capacitive measuring sensor according to a sixth exemplary embodiment
  • FIG. 12 shows a schematic representation of the construction of a capacitive measuring sensor according to
  • Fig. 14 is a schematic representation of the structure of a capacitive
  • Measuring sensor according to a seventh embodiment.
  • a projection exposure apparatus 1 (not shown in more detail) has a positioning device 2 which comprises a measuring object 3 to be positioned, at least one actuator 4 and at least one position measuring device 5.
  • a positioning device 2 which comprises a measuring object 3 to be positioned, at least one actuator 4 and at least one position measuring device 5.
  • the actuators 4 are arranged on a base plate 6 and serve to displace the measuring object 3 relative to the base plate 6.
  • the measuring object 3 is, for example - as shown in FIG. 1 - a plate which is in the nanometer range, in particular in the subnanometer range, for the function
  • the projection exposure system must be positioned exactly, for example by a linear displacement and / or tilting and / or deformation.
  • the position measuring device 5 has at least one capacitive position measuring sensor 7 on, which provides a calculation unit 8 with a position measurement signal P M to the measurement object 3.
  • each actuator 4 is assigned a capacitive position measuring sensor 7, which serves to determine a respective position x of the measuring object 3.
  • the arithmetic unit 8 comprises a measuring electronics 8a and a signal processing 8b, which are described in detail below.
  • the capacitive position measuring sensors 7 are of identical construction, so that only one of the capacitive position measuring sensors 7 is described below.
  • the position measuring sensor 7 has a measuring sensor housing 9, in which at least partially a first electrode 10 is arranged.
  • the first electrode 10 is connected via a signal line 1 1 to the arithmetic unit 8.
  • a second electrode 12 belonging to the position measuring sensor 7 is designed as a measuring surface on the measuring object 3.
  • the measuring object 3 is provided opposite to the first electrode 10 with a coating, wherein the coating acts as a second electrode 12 or measuring surface.
  • the second electrode 12 is connected to the arithmetic unit 8 via a signal line 13.
  • the measuring principle of the capacitive position measuring sensor 7 is basically known.
  • the capacitive position measuring sensor 7 acts approximately as a plate capacitor whose capacitance C is dependent on the distance or the position x of the electrodes 10 and 12.
  • the capacitive position measuring sensor 7 provides the arithmetic unit 8 with the position measuring signal P M which characterizes the position x of the measuring object 3.
  • the position measurement signal P M is composed of a useful signal or the actual position signal P and a disturbance signal S, which is superimposed on the position signal P as a result of interference. This is illustrated schematically in FIG. 1.
  • the position measuring device 5 also has at least one capacitive reference measuring sensor 14, which provides the arithmetic unit 8 with a reference measuring signal R M.
  • the reference measurement signal R M provided by the reference measurement sensor 14 of the computing unit 8 is in turn composed of a useful signal or reference signal R and a disturbance signal S superimposed as a result of disturbing influences. This is indicated schematically in FIG.
  • each position measuring sensor 7 may be assigned its own reference measuring sensor 14, or a common reference measuring sensor 14 may be assigned to a plurality of position measuring sensors 7. From the reference measurement signal R M and the respective position measurement signal P M , a position signal P is calculated by means of the arithmetic unit 8 for each position measurement sensor 7.
  • the reference measuring sensors 14 are of identical construction and, in particular, are of identical design to the associated position measuring sensors 7, so that only one of the reference measuring sensors 14 is described below.
  • the capacitive reference measuring sensor 14 has a measuring sensor housing 15, in which at least partially a first electrode or reference electrode 16 is arranged.
  • a second electrode or reference electrode 17 belonging to the reference measuring sensor 14 is designed as a measuring surface or reference measuring surface and is arranged opposite to the first reference electrode 16. The arrangement of the reference electrode 16 and the reference measuring surface 17 will be described in detail below.
  • the first reference electrode 16 is connected to the arithmetic unit 8 by means of a signal line 18. Accordingly, the second reference Reference electrode or reference measuring surface 17 is connected via a signal line 19 to the arithmetic unit 8.
  • the arithmetic unit 8 is designed to determine the position x of the measurement object 3 in such a way that the interference signal S can be calculated from the position measurement signal P M and the associated reference measurement signal R M and a predefined reference signal R so as to determine the position To correct measurement signal P M and to eliminate the interference signal S contained therein.
  • the correction of the position measurement signal P M is based on the assumption that the interference signal S is substantially equally contained in the position measurement signal P M and the associated reference measurement signal R M. This assumption applies all the more, the more the structure, the installation conditions and the environmental conditions of the position measuring sensor 7 and the associated reference measuring sensor 14 correspond to each other.
  • the position measuring sensor 7 and the associated reference measuring sensor 14 are preferably arranged at the smallest possible distance d from each other, so that the installation and / or ambient conditions largely correspond to one another.
  • the distance d is, in particular, at most 10 mm, in particular at most 8 mm, and in particular at most 6 mm.
  • the signal lines 1 1, 13, 18 and 19 largely form a common signal cable 20.
  • the signal lines 1 1, 13, 18 and 19 form the common signal cable 20 in particular over at least 70%, in particular over at least 80% and in particular over at least 90% of their entire length L. This is illustrated in principle in FIG. 2.
  • the reference electrodes 16, 17 define between them a reference distance D R.
  • a ratio of an average position D M of the measurement jekts 3 to the reference distance D R is especially 0,7 ⁇ D M / D R ⁇ 1.3, in particular 0.8 ⁇ D M / D R ⁇ 1.3, in particular 1.2 ⁇ D M / D R ⁇ 1.3, and in particular 0.9 ⁇ D M / D R ⁇ 1.1.
  • the reference distance D R is fixed, for example, ie the reference electrodes 16, 17 are not displaceable relative to each other.
  • FIG. 3 shows a first exemplary embodiment of the position measuring device 5, in which the reference measuring sensor 14 is arranged on a carrier body 21.
  • the support body 21 is arranged for example on the base plate 6.
  • the support body 21 is formed in cross section as a hollow profile, wherein the first reference electrode 16 and the second reference electrode 17 and the reference measuring surface are arranged on opposite inner sides 22, 23 of the support body 21, so that between the reference electrodes 16 , 17 the surrounding medium is arranged as a dielectric.
  • the support body 21 is preferably made of a material which has a thermal expansion coefficient ⁇ at a temperature of 20 ° C, for the amount ⁇ ⁇ 10 ⁇ 10 ⁇ 8 / K, in particular ⁇ ⁇ 8 ⁇ 10 ⁇ 8 / K, and in particular ⁇ ⁇ 6 x 10 "8 / K holds.
  • the material is in particular a glass ceramic material. such materials are known for example under the trade designations ZERODUR or ULE.
  • the second electrode 12 and the corresponding second reference electrode 17 are formed for example as a measuring surfaces by a
  • the reference electrodes 16, 17 can not be displaced relative to one another, so that the reference distance D R and the associated reference signal R are constant
  • the reference measuring sensor 14 is drift-stable and reacts only very slightly to changes in temperature. Since the surrounding medium acts as a dielectric in the reference measuring sensor 14 and in the position measuring sensor 7, ambient conditions, such as, for example, the atmospheric humidity and / or the atmospheric pressure, can be used as interference signal S in the position measuring signal P M and the reference -Measured signal R M and then compensated in the arithmetic unit 8. Since the reference measuring sensor 14 generates a constant reference signal R, this acts as a passive sensor.
  • the carrier body 21 is designed as a plate, on whose outer sides 24, 25 the reference electrodes 16, 17 are arranged.
  • the support body 21 in this case forms a dielectric for the reference measuring sensor 14.
  • the support body 21 is preferably made according to the preceding embodiment of a material having a low coefficient of thermal expansion ⁇ . Because the reference electrodes 16, 17 are not displaceable relative to one another and the carrier body 21 forms a dielectric, the ambient conditions essentially do not enter into the reference measurement signal R M , so that in particular interference effects due to the signal lines 11, 13 , 18, 19 and the measuring electronics 8a are detected and compensated.
  • the preceding exemplary embodiment reference is made to the preceding exemplary embodiment.
  • FIG. 5 shows a third exemplary embodiment of the position measuring device 5 according to the invention, in which the measuring object 3 forms the supporting body 21. det.
  • the measuring object 3 is thus arranged between the reference electrodes 16, 17 of the reference measuring sensor 14 and forms for this
  • the reference electrodes 16, 17 are arranged on outer sides 24, 25 of the measuring object 3.
  • the second reference electrode 17 is designed in particular as a reference measuring surface, which is produced by a coating.
  • the reference electrode 17 or the reference measuring surface simultaneously serves as the second electrode 12 or measuring surface for the position measuring sensor 7.
  • the measuring object 3 preferably consists of a material corresponding to the preceding embodiments, which has a low thermal expansion coefficient ⁇ .
  • the position measuring device 5 is simple and space-saving. With regard to the further structure and further operation, reference is made to the preceding embodiments.
  • FIG. 6 shows a fourth exemplary embodiment of the position measuring device 5 according to the invention.
  • the reference measuring sensor 14 operated as active sensor or differential sensor.
  • the reference measuring sensor 14 is thus arranged such that the reference measuring signal R M or the reference signal R changes as a function of the position x of the measuring object 3.
  • the reference measuring sensor 14 is arranged on a side of the measuring object 3 which is opposite to the position measuring sensor 7.
  • the second reference electrode 17 is arranged on the outer side 24 of the measuring object 3, whereas the second electrode 12 is arranged on the outer side 25.
  • the second electrodes 12, 17 are designed as measuring surfaces, which are produced by a coating.
  • the first electrode 10 has a mean distance or a middle position D M to the second electrode 12, which is a mean reference distance D R corresponds.
  • the sum of the distances D M and D R is constant and substantially equal to twice the distance D M and D R. Since, due to this arrangement, the sum of the position signal P and the reference signal R must be constant, the interference signal S can be determined therefrom and eliminated. As a result, it is possible in particular to detect and compensate for disturbing influences as a result of the ambient conditions and disturbing influences due to the signal lines 11, 13, 18, 19 and the measuring electronics 8a.
  • the features of the position measuring device 5 according to the invention can be combined as desired with one another in order to compensate for disturbing influences by means of at least one reference measuring sensor 14.
  • interference of signal cables for example by bending or routing, environmental influences, such as temperature, humidity and / or pressure, interference due to drift and noise of the measuring electronics 8a, common mode interference, drift Changes in the position measuring sensor 7 over its life and / or disturbing influences due to heating of the measuring electronics 8a are compensated.
  • the position measuring device 5 according to the invention becomes more robust against interference and has a high accuracy in determining the position.
  • the position-measuring device 5 can be used immediately after switching.
  • the at least one reference measuring sensor 14 preferably corresponds in design and in installation to the associated position measuring sensor 7.
  • the measuring electronics 8a, the wiring, plug, the attachment, design and the design of the measuring sensors 7, 14 should be selected accordingly.
  • the compensation of the disturbing influences or the calculation of the position signal P can be carried out in real time or at discrete time intervals.
  • the calculated position signal P is compared in the signal processing 8b with a desired position. From the control deviation, a position control implemented in the signal processing 8b generates an actuating signal U with which the associated actuator 4 is actuated in order to adapt the position x of the measuring object 3 to the desired desired position. In order to achieve the desired positioning accuracy in the nanometer range or
  • the actuator 4 must allow a corresponding positioning accuracy.
  • the positioning accuracy of the actuator 4 is in particular at least 1.0 nm, in particular at least 0.5 nm, and in particular at least 0.1 nm. The same applies to the measurement accuracy of the position measuring device 5.
  • the capacitive position measuring sensor 7 can either directly measure the position of the measuring object 3 or indirectly measure a position in the kinematics of the associated actuator 4, which likewise makes it possible to determine the position of the measuring object 3.
  • the at least one capacitive position measuring sensor 7 and / or the at least one capacitive reference measuring sensor 14 are described in detail below. Since the following statements apply equally to the position measuring sensor 7 and the reference measuring sensor 14, the various exemplary embodiments are explained in general terms with reference to a capacitive measuring sensor 7, 14.
  • the measuring electronics 8a which provides the signal processing 8b with the respective measuring signal P M or R M , is regarded as part of the measuring sensor 7, 14.
  • Fig. 7 shows the basic structure of the capacitive measuring sensor 7, 14, as is usual. Due to a limitation of the installation space and to avoid an undesirable heat input, the measuring electronics 8a is spatially located away from the measuring sensor housing 9, 15 and the first electrode 10, 16 and the second electrode 12, 17 received therein.
  • the measuring electronics 8a is connected via the subsequently designated as measuring line 1 1, 18 signal line and the second electrode 12 via the subsequently designated as a supply line 13, 19 signal line to the measuring electronics 8a.
  • the supply line 13, 19 is connected via an AC voltage source 26 to a reference potential 27.
  • the alternating voltage source 26 generates a measuring signal which is dependent on a capacitance C of the measuring sensor 7, 14 and which is transmitted via the measuring line 11, 18 to the measuring electronics 8a.
  • the measuring signal is pre-amplified by means of a transistor 28 and further amplified and processed by means of an amplifier circuit 29. By ohmic resistances i and R 2 , an operating point of the transistor 28 is set.
  • An ohmic resistor R 3 connects the transistor 28 on the input side to the reference potential 27.
  • the amplifier circuit 29 is followed by a signal measurement 30 and a signal evaluation 31, which determine from the amplified measurement signal relevant parameters, such as the capacitance C and the associated position or the associated Distance x of the electrodes 10, 12 or 16, 17.
  • the measured variables are supplied to the signal processing 8b, which uses these, for example, for the position control.
  • the signal evaluation 31 is in signal connection with a controller 32 which controls the AC voltage source 26 and the excitation signal.
  • the measuring electronics 8a may be formed analogously and / or digitally as needed. Accordingly, the signal processing 8b may be analog and / or digital as required. 8 shows a first exemplary embodiment of the capacitive measuring sensor 7, 14 according to the invention.
  • the transistor 28 for amplifying or preamplifying the measuring signal is arranged in the measuring sensor housing 9, 15 near the first electrode 10, 16.
  • the transistor 28 is thus integrated into the measuring sensor housing 9, 15.
  • the transistor 28 is designed as a field-effect transistor and has a gate terminal 33, a source terminal 34, a drain terminal 35 and a bulk terminal 36.
  • the gate terminal 33 is connected to the first electrode 10, 16 via a connecting line 37.
  • the connecting line 37 is arranged in the measuring sensor housing 9, 15 and has a length of less than 100 mm, in particular less than 10 mm, and in particular less than 1 mm.
  • the drain terminal 35 is connected via the measuring line 1 1, 18 to the measuring electronics 8 a and the amplifier circuit 29 formed therein.
  • the source terminal 34 is short-circuited in the measuring sensor housing 9, 15 with the bulk terminal 36 and connected via a further measuring line 1 1 ', 18' to the measuring electronics 8a.
  • the measuring line 1 1 ', 18' is connected in the measuring electronics 8a via the ohmic resistance R 2 to the reference potential 27.
  • the ohmic resistances i and R 2 define the operating point of the now arranged in the measuring sensor housing 9, 15 transistor 28.
  • the second electrode 12, 17 is according to the previous embodiment via the supply line 13, 19 with the AC voltage source 26 and Reference potential 27 connected.
  • the measuring signal belonging to the connecting line 37 is already pre-amplified in the measuring sensor housing 9, 15, ie near the first electrode 10, 16, so that the measuring signal P M , RM, transmitted via the measuring line 1 1, 18 is reinforced in comparison to the embodiment of FIG. 7 by a multiple.
  • the measuring signal P M , R M is amplified by at least a factor of 10, in particular by at least a factor of 20, and in particular by a factor of at least 50.
  • interferences that are coupled into the measuring signal P M , R M as interference signal S, for example via the measuring line 1 1, 18, are much less significant. In other words, the signal-to-noise ratio improves by the factor mentioned above.
  • the improved signal-to-noise ratio improves the measurement accuracy, which can be used for a more accurate position measurement or position determination and / or for a reduction of the technical requirements for the signal cable 20 and / or the measurement electronics 8a.
  • the signal lines 1 1, 1 1 'and 13 or 18, 18' and 19 are preferably combined together in the signal cable 20.
  • the pre-amplified measuring signal P M , R M is amplified again in the amplifier circuit 29 and compared in the signal evaluation 31 with the excitation signal of the AC voltage source 26, whereby the desired measured variables are determined.
  • FIG. 9 shows a second exemplary embodiment of the capacitive measuring sensor 7, 14 according to the invention.
  • the connecting line 37 is connected to the reference potential 27 via the ohmic resistor R 3 .
  • the ohmic resistor R 3 is disposed within the measuring sensor housing 9, 15.
  • the reference potential 27 is in principle an arbitrary, fixed and known potential within permissible limits.
  • the reference potential 27 is the ground potential.
  • the resistance R is increased for this purpose. is selected to be ohmic and is in particular at least 10 kQ, in particular at least 100 kQ, and in particular at least 1000 kQ.
  • the reference potential 27 must be sufficiently low-interference available in the immediate vicinity of the measuring sensor housing 9, 15, so that via the reference potential 27 no interference is coupled, which would nullify the improved signal-to-noise ratio.
  • the ground potential can be selected as the reference potential 27 by connecting the ohmic resistor R 3 to a metal component with good electrical conductivity.
  • FIG. 10 shows a third exemplary embodiment of the capacitive measuring sensor 7, 14 according to the invention.
  • the source terminal 34 is connected to the reference potential 27.
  • the measuring line 1 1 ', 18' and the ohmic resistance R 2 can be omitted hereby.
  • FIG. 11 shows a fourth exemplary embodiment of the capacitive measuring sensor 7, 14 according to the invention.
  • the source terminal 34 and the ohmic resistor R form a node, which is connected to the reference potential 27.
  • the measuring line 1 1 ', 18' and the ohmic resistance R 2 omitted.
  • the connecting line 37 has a defined potential.
  • FIG. 12 shows a fifth exemplary embodiment of the capacitive measuring sensor 7, 14 according to the invention.
  • the connecting line 37 is connected to the measuring electronics 8a via the ohmic resistor 3 and a further signal line 11 '", 18".
  • the signal line 1 1 ", 18" is connected to the reference potential 27 via a DC voltage source 38.
  • the potential of the signal line 1 1 ", 18" freely selectable, whereby the transistor 28 can be statically maintained in an advantageous operating condition for the measurement.
  • FIG. 13 shows a sixth exemplary embodiment of the capacitive measuring sensor 7, 14 according to the invention.
  • the source terminal 34 and the ohmic resistor R form a node which is connected via the signal line 1 1 ", 18" and the DC voltage source 38 connected to the reference potential 27.
  • the measuring sensor 7, 14 and the position-measuring device 5 reference is made to the preceding exemplary embodiments.
  • the first electrode 10, 16 and the field effect transistor 28 are formed as an integrated circuit.
  • the first electrode 10, 16 and the field-effect transistor 28 are thus implemented with methods of microelectronics design in an integrated circuit.
  • the integration makes use of the fact that the field-effect transistor 28 itself already forms a capacitor, namely between the gate terminal 33 or the gate terminal and the bulk terminal 36 or the bulk terminal. This capacitor is formed in particular by a channel 39, indicated in FIG. 14, below the gate terminal 33.
  • the field-effect transistor 28 is therefore not to be regarded merely as a pure signal amplifier, but is in this embodiment an integral part of the measuring sensor 7, 14, since the electric field to be measured acts directly on the channel 39 of the field effect transistor 28. It is particularly advantageous that the potentially shock-sensitive connection line 37 between the first electrode 10, 16 and the gate terminal 33 is formed extremely short and has a length of less than 1 ⁇ . The electric field to be measured is thus measured by its influence on the gain itself, which reduces the Störempfmd- sensitivity to a minimum. In addition, the required installation space is considerably reduced because the first electrode 10, 16 and the field effect transistor 28 merge into one unit. The integration of the first electrode 10, 16 and the field effect transistor 28 can in principle be applied to any of the preceding embodiments.
  • the respective circuit diagram is not changed, only the layout or the integrated structure differs from the discrete structure.
  • the capacitive measuring sensor 7, 14 according to the invention makes possible a comparatively better compromise between the restricting influencing variables installation space, heat development and measurement accuracy to be achieved.
  • the measuring accuracy can be increased considerably, without generally affecting the available space and / or the additional heat development due to the transistor 28 would be disadvantageous.
  • the measurement accuracy obtained can optionally be used to simplify the measuring electronics 8a and / or the signal cable 20.
  • the measurement signal is already amplified at the place of origin, so that already the amplified measurement signal P M , R M ZU the remote measuring electronics arranged 8a is transmitted. This significantly improves the signal-to-noise ratio.
  • the described capacitive measuring sensor 7, 14 is basically not limited to the measurement of a position or a distance, but can also be used to measure other mechanical variables, such as levels and pressures. In the described position measuring device 5 or the positioning device 2, a high accuracy in the position determination is achieved, on the one hand, by associating the at least one position measuring sensor 7 with a reference measuring sensor 14, so that interference effects in the position measuring signal P M can be eliminated are.
  • an increased accuracy in the position determination is achieved in that the transistor 28 is integrated into the respective measuring sensor housing 9, 15, so that the position measuring signal P M and the reference measuring signal R M before the transmission to the measuring electronics 8a already amplified, so a better signal-to-noise ratio is achieved.
  • Both methods can be isolated or find common application.
  • the respective position measuring sensor 7 and the associated reference measuring sensor 14 may be of conventional construction, as illustrated in FIG. 7.
  • the increased accuracy is achieved in this case only by eliminating the interference.
  • no reference measuring sensor 14 can be assigned to the respective position measuring sensor 7, but the position measuring sensor 7 can be equipped with a transistor 28 integrated in the measuring sensor housing 9, as illustrated in FIGS. 8 to 14.
  • the increased accuracy is achieved exclusively by an improvement in the signal-to-noise ratio.
  • optimum accuracy is achieved when both methods are combined with each other, ie the associated position measuring sensor 7 is assigned an associated reference measuring sensor 14 in order to eliminate interference effects, and both the respective position measuring sensor 7 and the associated position measuring sensor 7 Reference measuring sensor 14 is formed with a built-in the respective measuring sensor housing 9, 15 transistor 28 to improve the signal-to-noise ratio.

Abstract

Bei einer Positions-Messeinrichtung (5) und einem Verfahren zur Ermittlung von Positionen eines Messobjekts (3) ist zur Bereitstellung eines Positions-Messsignals (PM) zu dem Messobjekt (3) mindestens ein kapazitiver Positions-Messsensor (7) und zur Bereitstellung eines Referenz-Messsignals (RM) mindestens ein kapazitiver Referenz-Messsensor (14) vorgesehen. Die Messsensoren (7, 14) sind mit einer Recheneinheit (8) verbunden, die derart ausgebildet ist, dass zur Ermittlung der Positionen ein Positions-Signal (P) aus dem Positions-Messsignal (PM) und dem Referenz-Messsignal (RM) berechnet wird. Dadurch, dass Störeinflüsse als Stör-Signal (S) im Wesentlichen gleichermaßen in dem Positions-Messsignal (PM) und dem Referenz-Messsignal (RM) enthalten sind, kann das Stör-Signal (S) bei der Berechnung bestimmt und eliminiert werden.

Description

Positions-Messeinrichtung und Verfahren zur Ermittlung von Positionen eines Messobjekts
Die vorliegende Patentanmeldung nimmt die Priorität der deutschen Pa- tentanmeldung DE 10 2014 224 221.5 in Anspruch, deren Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
Die Erfindung betrifft eine Positions-Messeinrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung von Positionen eines Messobjekts.
Kapazitive Messsensoren zur Positionsermittlung von Messobjekten sind bekannt. Es besteht ein stetiger Bedarf, die Messgenauigkeit bei Positionsmessungen mittels kapazitiver Messsensoren zu erhöhen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positions-Messeinrichtung zur Ermittlung von Positionen eines Messobjekts zu schaffen, die auf einfache Weise eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Positions-Messeinrichtung mit den Merk- malen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die zunehmende Miniaturisierung, also die Verkleinerung der kapazitiven Messsensoren dazu führt, dass sich auch deren Kapazität verkleinert, wodurch Störeinflüsse stärker in das Positions-Messsignal eingehen. Dadurch, dass die Positions-Messeinrichtung zusätzlich zu dem mindestens einen kapazitiven Positions-Messsensor mindestens einen kapazitiven Referenz- Messsensor aufweist, können durch eine Auswertung des Positions-Mess- signals und des Referenz-Messsignals mittels der Recheneinheit Störeinflüsse erkannt und eliminiert werden. Die Recheneinheit berechnet somit aus dem Positions-Messsignal und dem zugehörigen Referenz-Messsignal ein von Störeinflüssen weitestgehend befreites Positions-Signal, das eine deutlich höhere Genauigkeit als das mit Störeinflüssen behaftete Positions- Messsignal aufweist. Das Positions-Messsignal ist insbesondere aus dem zu berechnenden Positions-Signal und einem Stör-Signal zusammenge- setzt, wohingegen das Referenz-Messsignal aus einem vordefinierten Referenz-Signal und dem Stör-Signal zusammengesetzt ist. Aus dem Referenz- Messsignal kann beispielsweise durch Subtraktion des Referenz-Signals das Stör-Signal ermittelt werden, das wiederum zur Ermittlung des Positions-Signals von dem Positions-Messsignal subtrahiert werden kann. Das Positions-Messsignal wird durch diese Berechnung von dem Stör-Signal befreit, so dass aus dem Positions-Signal die Position des Messobjekts äußerst genau ermittelbar ist.
Dadurch, dass der Tragkörper aus einem Material besteht, das einen äu- ßerst geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, verändert sich der Referenz- Abstand und somit das Referenz- Signal infolge von Temperaturänderungen im Wesentlichen nicht. Hierdurch weist der Referenz- Messsensor eine hohe Driftstabilität auf, wodurch ein äußerst konstantes Referenz- Signal erzeugbar ist. Bei dem Material handelt es sich insbeson- dere um ein glaskeramisches Material. Glaskeramische Materialien mit geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten sind beispielsweise unter den Markenbezeichnungen ZERODUR oder ULE bekannt. Hierdurch gewährleistet die Positions-Messeinrichtung eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 2 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung. Dadurch, dass die Signalleitungen im Wesentlichen über ihre gesamte Länge ein Signalkabel ausbilden, können die Signalleitungen einerseits gemeinsam gegen Störeinflüsse abge- schirmt werden und geben andererseits Störeinflüsse gleichermaßen in das Positions-Messsignal und das Referenz-Messsignal ein, so dass das aus den Störeinflüssen resultierende Stör-Signal in dem Positions-Messsignal weitestgehend eliminiert werden kann. Insbesondere Änderungen in der Kapa- zität des Signalkabels, die beispielsweise durch Einknicken verursacht werden, können hierdurch eliminiert werden.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 3 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung, wenn die Positions-Messeinrich- tung mehrere Positions-Messsensoren aufweist. Dadurch, dass jedem Posi- tions-Messsensor ein eigener Referenz-Messsensor zugeordnet ist, kann dieser optimal zu dem Positions-Messsensor angeordnet werden, so dass die Störeinflüsse gleichermaßen von dem Positions-Messsensor und dem Referenz-Messsensor erfasst werden. Der jeweilige Positions-Messsensor sowie der zugehörige Referenz-Messsensor können ein gemeinsames
Messsensor-Gehäuse oder zwei separate Messsensor-Gehäuse aufweisen.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 4 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung in Verbindung mit einem ver- gleichsweise geringen konstruktiven Aufwand. Dadurch, dass ein Referenz-Messsensor mehreren Positions-Messsensoren zugeordnet ist, kann das zugehörige Referenz-Messsignal zur Korrektur aller Positions-Messsi- gnale verwendet werden. Aus den Positions-Messsignalen und dem Referenz-Messsignal werden somit Positions-Signale für alle Positions-Mess- sensoren, die dem Referenz-Messsensor zugeordnet sind, berechnet. Hierdurch wird die Anzahl an Referenz-Messsensoren optimiert.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 5 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung. Dadurch, dass der mindestens ei- ne Referenz-Messsensor in einem geringen Abstand zu dem zugehörigen mindestens einen Positions-Messsensor angeordnet ist, werden Störeinflüs- se gleichermaßen von dem mindestens einen Referenz-Messsensor und dem zugehörigen mindestens einen Positions-Messsensor erfasst, so dass bei der anschließenden Berechnung des zugehörigen Positions-Signals das aus den Störeinflüssen resultierende Stör-Signal weitestgehend eliminiert werden kann.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 6 gewährleistet in einfa- eher Weise die Bereitstellung des Referenz-Messsignals. Der mindestens eine Referenz-Messsensor weist eine erste Referenz-Elektrode und eine zugehörige zweite Referenz-Elektrode auf, wobei die zweite Referenz- Elektrode als Referenz-Messfläche ausgebildet sein kann. Die Referenz- Elektroden sind in einem vordefinierten Referenz- Ab stand zueinander an dem Tragkörper angeordnet. Der Referenz- Ab stand ist im Wesentlichen nicht veränderbar. Im Wesentlichen bedeutet hierbei, dass eine Veränderung des Referenz- Abstandes lediglich infolge von Stör- bzw. Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Änderungen der Umgebungsbedingungen, erfolgt. Der Referenz- Abstand definiert somit ein im Wesentlichen konstan- tes Referenz-Signal. Die Referenz-Messfläche ist beispielsweise als metallische Beschichtung an dem Tragkörper ausgebildet. Beispielsweise ist die Referenz-Messfläche eine Chromschicht.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 7 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung. Durch das Verhältnis der mittleren Position DM des Messobjekts zu dem Referenz- Ab stand DR wird gewährleistet, dass der Referenz-Abstand DR im Wesentlichen der mittleren Position DM des Messobjekts entspricht. Hierdurch gehen Störeinflüsse im Wesentlichen gleichermaßen in das Positions-Messsignal und das zugehö- rige Referenz-Messsignal ein, so dass das aus den Störeinflüssen resultierende Stör-Signal weitestgehend eliminierbar ist.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 8 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 9 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung. Dadurch, dass die Referenz-Elektroden an gegenüberliegenden Innenseiten des Tragkörpers angeordnet sind, wirkt das Umgebungsmedium, wie beispielsweise die Luft, entsprechend dem Positions-Messsensor als Dielektrikum. Hierdurch können Störeinflüsse infolge der Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise der Luftfeuchtigkeit, des Luftdrucks oder der Temperatur, in dem Referenz- Messsignal erfasst und nachfolgend in dem Positions-Messsignal eliminiert werden.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 10 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung. Dadurch, dass der Tragkörper zwischen den Referenz-Elektroden angeordnet ist, bildet der Tragkörper das Dielektrikum. Hierbei ist der Tragkörper insbesondere aus einem Material mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet, wie beispielsweise aus einem glaskeramischen Material. Dadurch, dass der Tragkörper das Dielektrikum ausbildet, gehen Umweltbedingungen in das Referenz-Messsignal kaum ein, so dass ein konstantes Referenz- Signal bereitgestellt wird. Hierdurch ist insbesondere die Kompensation von Störeinflüssen infolge des Signalkabels und/oder der Messelektronik möglich.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 1 1 gewährleistet einen einfachen und platzsparenden Aufbau. Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 12 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung. Der Referenz-Messsensor ist derart angeordnet, dass dieser als zweiter Positions-Messsensor dient. Hierbei ist der Referenz-Messsensor insbesondere gegenüberliegend zu dem Positions-Messsensor angeordnet, so dass das Positions-Messsignal und das Referenz-Messsignal idealerweise, also ohne Störeinflüsse, in Addition ein konstantes Messsignal ergeben. Werden der Positions-Messsensor und der Referenz-Messsensor beispielsweise in gleichen Abständen zu einer mittle- ren Position des Messobjekts angeordnet, so ergibt sich das zugehörige
Positions-Signal, wenn keine Störeinflüsse vorhanden sind, durch eine Mittelwertbildung des mit dem Positions-Messsignal addierten Referenz- Messsignals. Ausgehend hiervon können Stör-Signale infolge von Störeinflüssen in dem Positions-Messsignal und dem Referenz-Messsignal bzw. deren Summe erkannt und eliminiert werden.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 13 verbessert das Signal- Rausch- Verhältnis und gewährleistet hierdurch eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung. Dadurch, dass in das Messsensor-Gehäuse ein Transistor integriert ist, wird das ursprüngliche Messsignal bereits vor der Übertragung zu der Recheneinheit bzw. einer Messelektronik verstärkt. Wird das verstärkte Messsignal bei gleichbleibendem Störeintrag bzw. Stör-Signal infolge von Störeinflüssen zu der Recheneinheit bzw. der Messelektronik übertragen, so vergrößert sich das Signal-Rausch- Verhält- nis, wodurch eine erhöhte Genauigkeit bei der Positionsermittlung erzielbar ist. Beispielsweise sind der mindestens eine kapazitive Positions-Messsensor und/oder der mindestens eine kapazitiven Referenz-Messsensor mit einem integrierten Transistor ausgebildet. Der integrierte Transistor ist insbesondere als Feldeffekt-Transistor ausgebildet. Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 14 gewährleistet in einfacher Weise eine Berechnung des Po sitions- Signals. Dadurch, dass der mindestens eine Positions-Messsensor und der jeweils zugehörige Referenz- Messsensor baugleich sind, weisen die Messsensoren im Grundsatz eine übereinstimmende Messcharakteristik auf, so dass keine Messungenauig- keiten infolge einer unterschiedlichen Ausgestaltung der Messsensoren auftreten können. Hierdurch wird eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung gewährleistet, ohne dass aufwendige Zusatzmaßnahmen zur Kompensation unterschiedlicher Messcharakteristiken erforderlich wären.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Positioniervorrichtung zu schaffen, die eine hohe Genauigkeit bei der Positionierung eines Messobjekts ermöglicht. Die Positionsgenauigkeit soll insbesondere im Nanometerbereich bzw. im Subnanometerbereich liegen.
Diese Aufgabe wird durch eine Positionsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Die erfindungsgemäße Positions-Messeinrichtung ermöglicht eine derart genaue Positionsermittlung des Messobjekts, dass das Messobjekt mit der gewünschten Genauigkeit positionierbar ist. Hierzu bildet die Positioniervorrichtung insbesondere einen Positions-Regelkreis aus, so dass auf Basis des berechneten Positions-Signals eine gewünschte Soll-Position des Messobjekts exakt einregelbar ist. Die weiteren Vorteile der Positioniervorrichtung entsprechen den bereits beschriebenen Vorteilen der Positions-Messeinrichtung.
Eine Positionsvorrichtung nach Anspruch 16 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Positionierung des Messobjekts. Eine Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 17 stellt eine vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung und der erfindungsgemäßen Positions-Messeinrichtung dar. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung von Positionen eines Messobjekts zu schaffen, das in einfacher Weise eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des An- spruchs 18 gelöst. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen den bereits beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Positions-Messeinrichtung bzw. der Positioniervorrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere auch mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 17 weitergebildet werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Positioniervorrichtung mit einem zu positionierenden Messobjekt und einer Positions-Messeinrichtung zur Ermittlung der Position des Messobjekts, die Teil einer nicht näher dargestellten Projektionsbelichtungsanlage sind, Fig. 2 eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus der Positions-Messeinrichtung gemäß Fig. 1 mit mindestens einem kapazitiven Positions-Messsensor und mindestens einem kapazitiven Referenz-Messsensor, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Positions-Messeinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem der Referenz- Messsensor an einem Tragkörper angeordnet ist und das Umgebungsmedium ein Dielektrikum ausbildet,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Positions-Messeinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem der mindestens eine Referenz-Messsensor an einem Tragkörper angeordnet ist und dieser ein Dielektrikum ausbildet,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Positions-Messeinrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, bei dem der mindestens eine Referenz-Messsensor an dem Messobjekt angeordnet ist und dieses ein Dielektrikum ausbildet,
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Positions-Messeinrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, bei dem der mindestens eine Referenz-Messsensor als zusätzlicher Positions-Messsensor bzw. als Differenz-Messsensor eingesetzt ist,
Fig. 7 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines üblichen kapazitiven Messsensors,
Fig. 8 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines kapazitiven
Messsensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 9 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines kapazitiven
Messsensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig. 10 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines kapazitiven Messsensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
Fig. 1 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines kapazitiven Messsensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
Fig. 12 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines kapazitiven Messsensors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, Fig. 13 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines kapazitiven Messsensors gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel, und
Fig. 14 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines kapazitiven
Messsensors gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel.
Eine nicht näher dargestellte Projektionsbelichtungsanlage 1 weist eine Positioniervorrichtung 2 auf, die ein zu positionierendes Messobjekt 3, mindestens einen Aktuator 4 und mindestens eine Positions-Messeinrich- tung 5 umfasst. In Fig. 1 sind beispielhaft zwei Aktuatoren 4 dargestellt. Die Aktuatoren 4 sind auf einer Basisplatte 6 angeordnet und dienen zur Verlagerung des Messobjekts 3 relativ zu der Basisplatte 6. Das Messobjekt 3 ist beispielsweise - wie in Fig. 1 dargestellt ist - eine Platte, die im Nanometerbereich, insbesondere im Subnanometerbereich, für die Funktion der Projektionsbelichtungsanlage exakt positioniert werden muss, bei- spielsweise durch eine lineare Verschiebung und/oder eine Verkippung und/oder eine Verformung.
Zur Ermittlung einer Position x des Messobjekts 3 weist die Positions- Messeinrichtung 5 mindestens einen kapazitiven Positions-Messsensor 7 auf, der einer Recheneinheit 8 ein Positions-Messsignal PM zu dem Messobjekt 3 bereitstellt. Bei der in Fig. 1 dargestellten Positioniervorrichtung 2 ist jedem Aktuator 4 ein kapazitiver Positions-Messsensor 7 zugeordnet, der zur Ermittlung einer jeweiligen Position x des Messobjekts 3 dient. Die Recheneinheit 8 umfasst eine Messelektronik 8a sowie eine Signalverarbeitung 8b, die nachfolgend im Detail beschrieben sind.
Die kapazitiven Positions-Messsensoren 7 sind baugleich ausgebildet, so dass nachfolgend lediglich einer der kapazitiven Positions-Messsensoren 7 beschrieben ist. Der Positions-Messsensor 7 weist ein Messsensor-Gehäuse 9 auf, in dem zumindest teilweise eine erste Elektrode 10 angeordnet ist. Die erste Elektrode 10 ist über eine Signalleitung 1 1 mit der Recheneinheit 8 verbunden. Eine zu dem Positions-Messsensor 7 gehörige zweite Elektrode 12 ist als Messfläche an dem Messobjekt 3 ausgebildet. Hierzu ist das Messobjekt 3 gegenüberliegend zu der ersten Elektrode 10 mit einer Be- schichtung versehen, wobei die Beschichtung als zweite Elektrode 12 bzw. Messfläche wirkt. Die zweite Elektrode 12 ist über eine Signalleitung 13 mit der Recheneinheit 8 verbunden. Das Messprinzip des kapazitiven Positions-Messsensors 7 ist grundsätzlich bekannt. Der kapazitive Positions-Messsensor 7 wirkt näherungsweise als Plattenkondensator, dessen Kapazität C von dem Abstand bzw. der Position x der Elektroden 10 und 12 abhängig ist. Dementsprechend stellt der kapazitive Positions-Messsensor 7 der Recheneinheit 8 das Positions-Mess- signal PM bereit, das die Position x des Messobjekts 3 charakterisiert. Hierbei setzt sich das Positions-Messsignal PM aus einem Nutz-Signal bzw. dem eigentlichen Positions-Signal P und einem Stör-Signal S zusammen, das infolge von Störeinflüssen dem Positions-Signal P überlagert ist. Dies ist schematisch in Fig. 1 veranschaulicht. Die Positions-Messeinrichtung 5 weist ferner mindestens einen kapazitiven Referenz-Messsensor 14 auf, der der Recheneinheit 8 ein Referenz-Messsignal RM bereitstellt. Das von dem Referenz-Messsensor 14 der Rechen- einheit 8 bereitgestellte Referenz-Messsignal RM setzt sich wiederum aus einem Nutz-Signal bzw. Referenz-Signal R und einem infolge von Störeinflüssen überlagerten Stör-Signal S zusammen. Dies ist in Fig. 1 schematisch angedeutet. In Abhängigkeit der an die Positioniervorrichtung 2 gestellten Anforderungen kann jedem Positions-Messsensor 7 ein eigener Referenz-Messsensor 14 zugeordnet sein oder mehreren Positions-Messsensoren 7 ein gemeinsamer Referenz-Messsensor 14 zugeordnet sein. Aus dem Referenz-Messsignal RM und dem jeweiligen Positions-Messsignal PM wird für jeden Po- sitions-Messsensor 7 ein Positions-Signal P mittels der Recheneinheit 8 berechnet.
Die Referenz-Messsensoren 14 sind baugleich ausgebildet und insbesondere auch baugleich zu den zugehörigen Positions-Messsensoren 7 ausgebil- det, so dass nachfolgend lediglich einer der Referenz-Messsensoren 14 beschrieben ist. Der kapazitive Referenz-Messsensor 14 weist ein Messsensor-Gehäuse 15 auf, in dem zumindest teilweise eine erste Elektrode bzw. Referenz-Elektrode 16 angeordnet ist. Eine zu dem Referenz-Messsensor 14 gehörige zweite Elektrode bzw. Referenz-Elektrode 17 ist als Messflä- che bzw. Referenz-Messfläche ausgebildet und gegenüberliegend zu der ersten Referenz-Elektrode 16 angeordnet. Die Anordnung der Referenz- Elektrode 16 und Referenz-Messfläche 17 ist nachfolgend im Detail beschrieben. Die erste Referenz-Elektrode 16 ist mittels einer Signalleitung 18 mit der Recheneinheit 8 verbunden. Entsprechend ist die zweite Refe- renz-Elektrode bzw. Referenz-Messfläche 17 über eine Signalleitung 19 mit der Recheneinheit 8 verbunden.
Die Recheneinheit 8 ist zur Ermittlung der Position x des Messobjekts 3 derart ausgebildet, dass aus dem Positions-Messsignal PM und dem zugehörigen Referenz-Messsignal RM sowie einem vordefinierten Referenz- Signal R das Stör-Signal S berechenbar ist, um so das Positions-Messsignal PM zu korrigieren bzw. das darin enthaltene Stör-Signal S zu eliminieren. Die Korrektur des Positions-Messsignals PM beruht hierbei auf der Annahme, dass das Stör-Signal S im Wesentlichen gleichermaßen in dem Positions- Messsignal PM und dem zugehörigen Referenz-Messsignal RM enthalten ist. Diese Annahme trifft umso mehr zu, je mehr der Aufbau, die Einbaubedingungen und die Umgebungsbedingungen des Positions-Messsensors 7 und des zugehörigen Referenz-Messsensors 14 einander entsprechen.
Hierzu sind der Positions-Messsensor 7 und der zugehörige Referenz- Messsensor 14 vorzugsweise in einem möglichst geringen Abstand d voneinander angeordnet, so dass die Einbau- und/oder Umgebungsbedingungen einander weitestgehend entsprechen. Der Abstand d beträgt insbeson- dere höchstens 10 mm, insbesondere höchstens 8 mm, und insbesondere höchstens 6 mm. Ferner bilden die Signalleitungen 1 1, 13, 18 und 19 weitestgehend ein gemeinsames Signalkabel 20 aus. Die Signalleitungen 1 1, 13, 18 und 19 bilden insbesondere über mindestens 70 %, insbesondere über mindestens 80 % und insbesondere über mindestens 90 % ihrer ge- samten Länge L das gemeinsame Signalkabel 20 aus. Dies ist prinzipiell in Fig. 2 veranschaulicht.
Die Referenz-Elektroden 16, 17 definieren zwischen sich einen Referenz- Abstand DR. Für ein Verhältnis einer mittleren Position DM des Messob- jekts 3 zu dem Referenz- Abstand DR gilt insbesondere 0,7 < DM / DR < 1,3, insbesondere 0,8 < DM / DR < 1,3, insbesondere 1,2 < DM / DR < 1,3, und insbesondere 0,9 < DM / DR < 1,1. Hierdurch ist im Wesentlichen gewährleistet, dass die Dicke des Dielektrikums zwischen den Referenz-Elektro- den 16, 17 im Wesentlichen der Dicke des Dielektrikums zwischen den Elektroden 10, 12 des Positions-Messsensors 7 entspricht. Der Referenz- Abstand DR ist beispielsweise fest, also die Referenz-Elektroden 16, 17 zueinander nicht verlagerbar. Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Positions-Messeinrichtung 5, bei dem der Referenz-Messsensor 14 an einem Tragkörper 21 angeordnet ist. Der Tragkörper 21 ist beispielsweise auf der Basisplatte 6 angeordnet. Der Tragkörper 21 ist im Querschnitt als Hohlprofil ausgebildet, wobei die erste Referenz-Elektrode 16 und die zweite Referenz-Elektrode 17 bzw. die Referenz-Messfläche an gegenüberliegenden Innenseiten 22, 23 des Tragkörpers 21 angeordnet sind, so dass zwischen den Referenz-Elektroden 16, 17 das Umgebungsmedium als Dielektrikum angeordnet ist. Der Tragkörper 21 besteht vorzugsweise aus einem Material, das bei einer Temperatur von 20°C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α hat, für den betragsmäßig α < 10· 10~8 / K, insbesondere α < 8· 10~8 / K, und insbesondere α < 6· 10"8 / K gilt. Das Material ist insbesondere ein glaskeramisches Material. Derartige Materialien sind beispielsweise unter den Markenbezeichnungen ZERODUR oder ULE bekannt. Die zweite Elektrode 12 und die entsprechende zweite Referenz-Elektrode 17 sind beispielsweise als Messflächen ausgebildet, die durch eine Be- schichtung hergestellt sind. Die Referenz-Elektroden 16, 17 sind zueinander nicht verlagerbar, so dass der Referenz-Abstand DR sowie das zugehörige Referenz- Signal R konstant sind. Aufgrund des Materials sowie der Ausbildung des Tragkörpers 21 als mechanischer Kurzschlussbügel ist der Referenz-Messsensor 14 driftstabil und reagiert nur äußerst gering auf Temperaturänderungen. Da das Umgebungsmedium bei dem Referenz- Messsensor 14 sowie bei dem Positions-Messsensor 7 als Dielektrikum wirkt, können Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise die Luftfeuchtigkeit und/oder der Luftdruck, als Stör-Signal S in dem Positions-Messsi- gnal PM und dem Referenz-Messsignal RM erfasst und anschließend in der Recheneinheit 8 kompensiert werden. Da der Referenz-Messsensor 14 ein konstantes Referenz- Signal R erzeugt, wirkt dieser als passiver Sensor.
Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Posi- tions-Messeinrichtung 5. Im Unterschied zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel ist der Tragkörper 21 als Platte ausgebildet, an deren Außenseiten 24, 25 die Referenz-Elektroden 16, 17 angeordnet sind. Der Tragkörper 21 bildet hierbei ein Dielektrikum für den Referenz-Messsensor 14. Der Tragkörper 21 besteht vorzugsweise entsprechend dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel aus einem Material, das einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten α aufweist. Dadurch, dass die Referenz- Elektroden 16, 17 nicht zueinander verlagerbar sind und der Tragkörper 21 ein Dielektrikum bildet, gehen in das Referenz-Messsignal RM die Umgebungsbedingungen im Wesentlichen nicht ein, so dass insbesondere Stör- einflüsse infolge der Signalleitungen 1 1, 13, 18, 19 und der Messelektronik 8a erfasst und kompensiert werden. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise wird auf das vorangegangene Ausführungs- beispiel verwiesen.
Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Positi- ons-Messeinrichtung 5, bei dem das Messobjekt 3 den Tragkörper 21 bil- det. Das Messobjekt 3 ist somit zwischen den Referenz-Elektroden 16, 17 des Referenz-Messsensors 14 angeordnet und bildet für diesen ein
Dielektrikum. Die Referenz-Elektroden 16, 17 sind an Außenseiten 24, 25 des Messobjekts 3 angeordnet. Die zweite Referenz-Elektrode 17 ist insbe- sondere als Referenz-Messfläche ausgebildet, die durch eine Beschichtung hergestellt ist. Die Referenz-Elektrode 17 bzw. die Referenz-Messfläche dient gleichzeitig als zweite Elektrode 12 bzw. Messfläche für den Positi- ons-Messsensor 7. Das Messobjekt 3 besteht vorzugsweise aus einem Material entsprechend den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, das einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten α aufweist. Die Positions-Mess- einrichtung 5 ist einfach aufgebaut und platzsparend. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen. Fig. 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Positi- ons-Messeinrichtung 5. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, bei denen der Referenz-Messsensor 14 als passiver Sensor mit einem konstanten Referenz- Abstand DR betrieben wurde, wird der Referenz-Sensor 14 als aktiver Sensor bzw. Differenz-Sensor betrieben. Der Referenz-Messsensor 14 ist also derart angeordnet, dass sich das Referenz- Messsignal RM bzw. das Referenz-Signal R in Abhängigkeit der Position x des Messobjekts 3 ändert. Hierzu ist der Referenz-Messsensor 14 an einer zu dem Positions-Messsensor 7 gegenüberliegenden Seite des Messobjekts 3 angeordnet. Die zweite Referenz-Elektrode 17 ist an der Außenseite 24 des Messobjekts 3 angeordnet, wohingegen die zweite Elektrode 12 an der Außenseite 25 angeordnet ist. Die zweiten Elektroden 12, 17 sind als Mess- flächen ausgebildet, die durch eine Beschichtung hergestellt sind. Die erste Elektrode 10 weist zu der zweiten Elektrode 12 einen mittleren Abstand bzw. eine mittlere Position DM auf, die einem mittleren Referenz- Abstand DR entspricht. Durch diese Anordnung ist die Summe der Abstände DM und DR konstant und entspricht im Wesentlichen dem zweifachen Abstand DM bzw. DR. Da aufgrund dieser Anordnung die Summe aus dem Positions- Signal P und dem Referenz- Signal R konstant sein muss, kann hieraus das Stör- Signal S bestimmt und eliminiert werden. Hierdurch können insbesondere Störeinflüsse infolge der Umgebungsbedingungen und Störeinflüs- se infolge der Signalleitungen 1 1, 13, 18, 19 sowie der Messelektronik 8a erfasst und kompensiert werden. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise wird auf die vorangegangenen Ausführungs- beispiele verwiesen.
Die Merkmale der erfindungsgemäßen Positions-Messeinrichtung 5, insbesondere der einzelnen Ausführungsbeispiele, können beliebig miteinander kombiniert werden, um Störeinflüsse mittels mindestens eines Referenz- Messsensors 14 zu kompensieren. Insbesondere können durch die erfindungsgemäße Positions-Messeinrichtung 5 Störeinflüsse von Signalkabeln, beispielsweise durch Biegung oder das Routing, Umgebungseinflüsse, wie beispielsweise Temperatur, Feuchtigkeit und/oder Druck, Störeinflüsse infolge von Drift und Rauschen der Messelektronik 8a, Common-Mode- Störungen, Drift durch Veränderungen des Positions-Messsensors 7 über dessen Lebensdauer und/oder Störeinflüsse infolge einer Erwärmung der Messelektronik 8a kompensiert werden. Hierdurch wird die erfindungsgemäße Positions-Messeinrichtung 5 robuster gegenüber Störeinflüssen und weist eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung auf. Insbesondere kann die Positions-Messeinrichtung 5 sofort nach dem Einschalten eingesetzt werden. Vorzugsweise entspricht der mindestens eine Referenz-Messsensor 14 im Aufbau sowie im Einbau dem zugehörigen Positions-Mess- sensor 7. Insbesondere die Messelektronik 8a, die Verkabelung, Stecker, die Anbringung, Ausführung und das Design der Messsensoren 7, 14 soll- ten entsprechend gewählt werden. Die Kompensation der Störeinflüsse bzw. die Berechnung des Positions-Signals P kann in Echtzeit oder in diskreten Zeitabständen durchgeführt werden. Das berechnete Positions-Signal P wird in der Signalverarbeitung 8b mit einer Soll-Position verglichen. Aus der Regelabweichung erzeugt eine in der Signalverarbeitung 8b implementierte Positions-Regelung ein Stell- Signal U, mit dem der zugehörige Aktuator 4 angesteuert wird, um die Position x des Messobjekts 3 an die gewünschte Soll-Position anzupassen. Um die gewünschte Positioniergenauigkeit im Nanometerbereich bzw.
Subnanometerbereich zu erzielen, muss der Aktuator 4 eine entsprechende Positioniergenauigkeit ermöglichen. Die Positioniergenauigkeit des Aktua- tors 4 beträgt insbesondere mindestens 1 ,0 nm, insbesondere mindestens 0,5 nm, und insbesondere mindestens 0,1 nm. Entsprechendes gilt für die Messgenauigkeit der Positions-Messeinrichtung 5. Der kapazitive Positi- ons-Messsensor 7 kann entweder direkt die Position des Messobjekts 3 messen oder indirekt eine Position in der Kinematik des zugehörigen Aktua- tors 4 messen, die gleichermaßen eine Ermittlung der Position des Messobjekts 3 ermöglicht.
Nachfolgend sind verschiedene Ausführungsbeispiele des mindestens einen kapazitiven Positions-Messsensors 7 und/oder des mindestens einen kapazitiven Referenz-Messsensors 14 im Detail beschrieben. Da die nachfolgenden Ausführungen gleichermaßen für den Positions-Messsensor 7 und den Referenz-Messsensor 14 gelten, sind die verschiedenen Ausführungsbeispiele allgemein anhand eines kapazitiven Messsensors 7, 14 erläutert. Zudem wird die Messelektronik 8a, die der Signalverarbeitung 8b das jeweilige Messsignal PM bzw. RM bereitstellt, als Teil des Messsensors 7, 14 betrachtet. Fig. 7 zeigt den prinzipiellen Aufbau des kapazitiven Messsensors 7, 14, wie dieser üblich ist. Aufgrund einer Limitierung des Bauraums sowie zur Vermeidung eines unerwünschten Wärmeeintrags ist die Messelektronik 8a räumlich entfernt von dem Messsensor-Gehäuse 9, 15 und der darin aufgenommenen ersten Elektrode 10, 16 sowie der zweiten Elektrode 12, 17 angeordnet. Hierzu ist die Messelektronik 8a über die nachfolgend als Messleitung 1 1, 18 bezeichnete Signalleitung und die zweite Elektrode 12 über die nachfolgend als Versorgungsleitung 13, 19 bezeichnete Signalleitung mit der Messelektronik 8a verbunden. Die Versorgungsleitung 13, 19 ist über eine Wechselspannungsquelle 26 mit einem Bezugspotential 27 verbunden. Die Wechselspannungsquelle 26 erzeugt ein von einer Kapazität C des Messsensors 7, 14 abhängiges Messsignal, das über die Messleitung 1 1, 18 zu der Messelektronik 8a übertragen wird. Das Messsignal wird mit- tels eines Transistors 28 vorverstärkt und mittels einer Verstärkerschaltung 29 weiter verstärkt und aufbereitet. Durch ohmsche Widerstände i und R2 wird ein Arbeitspunkt des Transistors 28 festgelegt. Ein ohmscher Widerstand R3 verbindet den Transistor 28 eingangsseitig mit dem Bezugspotential 27. Der Verstärkerschaltung 29 ist eine Signalmessung 30 und eine Signalauswertung 31 nachgeordnet, die aus dem verstärkten Messsignal relevante Messgrößen ermitteln, wie beispielsweise die Kapazität C und die zugehörige Position bzw. den zugehörigen Abstand x der Elektroden 10, 12 bzw. 16, 17. Die ermittelten Messgrößen werden der Signalverarbeitung 8b zugeführt, die diese beispielsweise für die Positions-Regelung verwendet. Die Signalauswertung 31 ist in Signalverbindung mit einer Steuerung 32, die die Wechselspannungsquelle 26 bzw. das Erregersignal steuert. Die Messelektronik 8a kann je nach Bedarf analog und/oder digital ausgebildet sein. Entsprechend kann die Signalverarbeitung 8b je nach Bedarf analog und/oder digital ausgebildet sein. Fig. 8 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Messsensors 7, 14. Erfindungsgemäß ist der Transistor 28 zur Verstärkung bzw. Vorverstärkung des Messsignals in dem Messsensor- Gehäuse 9, 15 nahe der ersten Elektrode 10, 16 angeordnet. Der Transistor 28 ist also in das Messsensor-Gehäuse 9, 15 integriert. Der Transistor 28 ist als Feldeffekt-Transistor ausgebildet und weist einen Gate-Anschluss 33, einen Source-Anschluss 34, einen Drain- Anschluss 35 und einen Bulk- Anschluss 36 auf. Der Gate-Anschluss 33 ist über eine Verbindungsleitung 37 mit der ersten Elektrode 10, 16 verbunden. Die Verbindungsleitung 37 ist in dem Messsensor-Gehäuse 9, 15 angeordnet und weist eine Länge von weniger als 100 mm, insbesondere von weniger als 10 mm, und insbesondere von weniger als 1 mm auf. Der Drain- Anschluss 35 ist über die Messleitung 1 1 , 18 mit der Messelektronik 8a und der darin ausgebildeten Ver- Stärkerschaltung 29 verbunden. Der Source-Anschluss 34 ist in dem Messsensor-Gehäuse 9, 15 mit dem Bulk- Anschluss 36 kurzgeschlossen und über eine weitere Messleitung 1 1 ', 18' mit der Messelektronik 8a verbunden. Die Messleitung 1 1 ', 18' ist in der Messelektronik 8a über den ohm- schen Widerstand R2 mit dem Bezugspotential 27 verbunden. Entsprechend dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel definieren die ohmschen Widerstände i und R2 den Arbeitspunkt des nun im Messsensor-Gehäuse 9, 15 angeordneten Transistors 28. Die zweite Elektrode 12, 17 ist entsprechend dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel über die Versorgungsleitung 13, 19 mit der Wechselspannungsquelle 26 und dem Bezugspoten- tial 27 verbunden. Durch den Transistor 28 wird das zu der Verbindungsleitung 37 gehörige Messsignal bereits in dem Messsensor-Gehäuse 9, 15, also nahe der ersten Elektrode 10, 16 vorverstärkt, so dass das Messsignal PM, RM, das über die Messleitung 1 1 , 18 übertragen wird, im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 um ein Vielfaches verstärkt ist. Das Messsignal PM, RM ist insbesondere mindestens um den Faktor 10, insbesondere mindestens um den Faktor 20, und insbesondere mindestens um den Faktor 50 verstärkt. Hierdurch fallen Störeinflüsse, die als Stör-Signal S, beispielsweise über die Messleitung 1 1, 18 in das Messsignal PM, RM eingekoppelt sind, wesentlich weniger ins Gewicht. Anders ausgedrückt, verbessert sich das Signal-Rausch- Verhältnis um den oben erwähnten Faktor. Durch das verbesserte Signal-Rausch- Verhältnis wird die Messgenauigkeit verbessert, was für eine genauere Positionsmessung bzw. Positionsermittlung und/oder für eine Reduktion der technischen Anforderungen an das Signalkabel 20 und/oder die Messelektronik 8a genutzt werden kann. Die Signalleitungen 1 1, 1 1 ' und 13 bzw. 18, 18' und 19 sind vorzugsweise gemeinsam in dem Signalkabel 20 zusammengefasst.
Das vorverstärkte Messsignal PM, RM wird in der Verstärkerschaltung 29 nochmals verstärkt und in der Signalauswertung 31 mit dem Erregersignal der Wechselspannungsquelle 26 verglichen, wodurch die gewünschten Messgrößen ermittelt werden. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise des Messsensors 7, 14 und der Positions-Messein- richtung 5 wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
Fig. 9 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Messsensors 7, 14. Im Unterschied zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel ist die Verbindungsleitung 37 über den ohmschen Widerstand R3 mit dem Bezugspotential 27 verbunden. Der ohmsche Widerstand R3 ist innerhalb des Messsensor-Gehäuses 9, 15 angeordnet. Das Bezugspotential 27 ist prinzipiell ein beliebiges, festes und bekanntes Potential innerhalb zulässiger Grenzen. Beispielsweise ist das Bezugspotential 27 das Massepotential. Durch den ohmschen Widerstand R wird das Potential der Verbindungsleitung 37 definiert. Der Widerstand R wird hierzu hoch- ohmig gewählt und beträgt insbesondere mindestens 10 kQ, insbesondere mindestens 100 kQ, und insbesondere mindestens 1000 kQ. Das Bezugspotential 27 muss in der unmittelbaren Umgebung des Messsensor- Gehäuses 9, 15 hinreichend störungsarm zur Verfügung stehen, so dass über das Bezugspotential 27 keine Störungen eingekoppelt werden, die das verbesserte Signal-Rausch- Verhältnis zunichte machen würden. Beispielsweise kann als Bezugspotential 27 das Massepotential gewählt werden, indem der ohmsche Widerstand R3 mit einem elektrisch gut leitenden Metallbauteil verbunden ist. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weite - ren Funktionsweise des Messsensors 7, 14 und der Positions-Messeinrich- tung 5 wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
Fig. 10 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Messsensors 7, 14. Im Unterschied zu den vorangegangenen Aus- führungsbeispielen ist der Source-Anschluss 34 mit dem Bezugspotential 27 verbunden. Die Messleitung 1 1 ', 18' und der ohmsche Widerstand R2 können hierdurch entfallen. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise des Messsensors 7, 14 und der Positions-Messein- richtung 5 wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
Fig. 1 1 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Messsensors 7, 14. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen bildet der Source-Anschluss 34 und der ohmsche Widerstand R einen Knoten aus, der mit dem Bezugspotential 27 verbunden ist. Durch die Verbindung mit dem Bezugspotential 27 kann die Messleitung 1 1 ', 18' und der ohmsche Widerstand R2 entfallen. Zudem weist die Verbindungsleitung 37 ein definiertes Potential auf. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise des Messsensors 7, 14 und der Positions-Messeinrichtung 5 wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
Fig. 12 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen ka- pazitiven Messsensors 7, 14. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist die Verbindungsleitung 37 über den ohmschen Widerstand 3 und eine weitere Signalleitung 1 1 ", 18" mit der Messelektronik 8a verbunden. In der Messelektronik 8a ist die Signalleitung 1 1 ", 18" über eine Gleichspannungsquelle 38 mit dem Bezugspotential 27 verbun- den. Über die Gleichspannungsquelle 38 ist das Potential der Signalleitung 1 1 ", 18" frei wählbar, wodurch der Transistor 28 statisch in einem für die Messung vorteilhaften Betriebszustand gehalten werden kann. Insbesondere ist es vorteilhaft, auf diese Weise eine Schwellspannung des Transistors 28 statisch zu überwinden. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der wei- teren Funktionsweise des Messsensors 7, 14 und der Positions-Messeinrichtung 5 wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
Fig. 13 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Messsensors 7, 14. Im Unterschied zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel bildet der Source-Anschluss 34 und der ohmsche Widerstand R einen Knoten aus, der über die Signalleitung 1 1 ", 18" und die Gleichspannungsquelle 38 mit dem Bezugspotential 27 verbunden. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise des Messsensors 7, 14 und der Positions-Messeinrichtung 5 wird auf die vorange- gangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
Fig. 14 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Messsensors 7, 14. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, bei denen die erste Elektrode 10, 16 und der Transistor 28 diskrete Bauelemente ausgebildet haben, sind die erste Elektrode 10, 16 und der Feldeffekt-Transistor 28 als integrierte Schaltung ausgebildet. Die erste Elektrode 10, 16 und der Feldeffekt-Transistor 28 sind also mit Methoden des Mikroelektronik-Designs in einem integrierten Schaltkreis imp- lementiert. Bei der Integration wird die Tatsache genutzt, dass der Feldeffekt-Transistor 28 bereits selbst einen Kondensator ausbildet, nämlich zwischen dem Gate-Anschluss 33 bzw. dem Gate-Pol und dem Bulk-An- schluss 36 bzw. dem Bulk-Pol. Dieser Kondensator wird insbesondere durch einen in Fig. 14 angedeuteten Kanal 39 unterhalb des Gate-An- Schlusses 33 gebildet. Der Feldeffekt-Transistor 28 ist somit nicht lediglich als reiner Signalverstärker anzusehen, sondern ist bei diesem Ausführungsbeispiel integraler Bestandteil des Messsensors 7, 14, da das zu messende elektrische Feld unmittelbar auf den Kanal 39 des Feldeffekt-Transistors 28 wirkt. Vorteilhaft ist insbesondere, dass die potentiell stoßempfindliche Verbindungsleitung 37 zwischen der ersten Elektrode 10, 16 und dem Gate-Anschluss 33 äußerst kurz ausgebildet ist und eine Länge von weniger als 1 μηι aufweist. Das zu messende elektrische Feld wird somit durch seinen Einfluss auf die Verstärkung selbst gemessen, was die Störempfmd- lichkeit auf ein Minimum reduziert. Zusätzlich wird der benötigte Bauraum erheblich verkleinert, da die erste Elektrode 10, 16 und der Feldeffekt- Transistor 28 zu einer Einheit verschmelzen. Die Integration der ersten Elektrode 10, 16 und des Feldeffekt-Transistors 28 kann prinzipiell auf jedes der vorangegangenen Ausführungsbeispiele angewandt werden. Der jeweilige Schaltplan wird dadurch nicht verändert, lediglich das Layout bzw. der integrierte Aufbau unterscheidet sich von dem diskreten Aufbau. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise des Messsensors 7, 14 und der Positions-Messeinrichtung 5 wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen. Der erfindungsgemäße kapazitive Messsensor 7, 14 ermöglicht einen vergleichsweise besseren Kompromiss zwischen den beschränkenden Einflussgrößen Bauraum, Wärmeentwicklung und zu erreichender Messgenauigkeit. Mit dem erfindungsgemäßen kapazitiven Messsensor 7, 14 kann die Messgenauigkeit erheblich erhöht werden, ohne dass in der Regel der zur Verfügung stehende Bauraum beeinträchtigt wird und/oder die zusätzliche Wärmeentwicklung infolge des Transistors 28 nachteilig wäre. Die gewonnene Messgenauigkeit kann wahlweise zur Vereinfachung der Messelektronik 8a und/oder des Signalkabels 20 genutzt werden. Durch den Transis- tor 28 wird das Messsignal bereits am Ort des Entstehens verstärkt, so dass bereits das verstärkte Messsignal PM, RM ZU der räumlich entfernt angeordnete Messelektronik 8a übermittelt wird. Hierdurch ist das Signal-Rausch- Verhältnis wesentlich verbessert. Der beschriebene kapazitive Messsensor 7, 14 ist grundsätzlich nicht auf die Messung einer Position bzw. eines Abstands begrenzt, sondern kann auch zur Messung anderer mechanischer Größen, wie beispielsweise von Füllständen und Drücken eingesetzt werden. Bei der beschriebenen Positions-Messeinrichtung 5 bzw. der Positioniervorrichtung 2 wird eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung einerseits dadurch erzielt, dass dem mindestens einem Positions-Messsensor 7 ein Referenz-Messsensor 14 zugeordnet ist, so dass Störeinflüsse in dem Positions-Messsignal PM eliminierbar sind. Andererseits wird eine erhöhte Genauigkeit bei der Positionsermittlung dadurch erzielt, dass der Transistor 28 in das jeweilige Messsensor-Gehäuse 9, 15 integriert ist, so dass das Positions-Messsignal PM bzw. das Referenz-Messsignal RM vor der Übertragung zu der Messelektronik 8a bereits verstärkt ist, also ein besseres Signal-Rausch- Verhältnis erzielt wird. Beide Methoden können isoliert oder gemeinsam Anwendung finden. Beispielsweise können der jeweilige Positions-Messsensor 7 und der zugehörige Referenz-Messsensor 14 herkömmlich aufgebaut sein, wie dies in Fig. 7 veranschaulicht ist. Die erhöhte Genauigkeit wird in diesem Fall ausschließlich durch das Eliminieren der Störeinflüsse erzielt. Weiterhin kann beispielsweise dem jeweiligen Positions-Messsensor 7 kein Referenz-Messsensor 14 zugeordnet sein, jedoch der Positions-Messsensor 7 mit einem in das Messsensor-Gehäuse 9 integrierten Transistor 28 ausgestattet sein, wie dies in den Fig. 8 bis 14 veranschaulicht ist. In diesem Fall wird die erhöhte Genauigkeit aus- schließlich durch eine Verbesserung des Signal-Rausch- Verhältnisses erzielt. Eine optimale Genauigkeit wird jedoch dann erzielt, wenn beide Methoden miteinander kombiniert werden, also dem jeweiligen Positions- Messsensor 7 ein zugehöriger Referenz-Messsensor 14 zugeordnet ist, um Störeinflüsse zu eliminieren, und sowohl der jeweilige Positions-Messsen- sor 7 als auch der zugehörige Referenz-Messsensor 14 mit einem in das jeweilige Messsensor-Gehäuse 9, 15 integrierten Transistor 28 ausgebildet ist, um das Signal-Rausch- Verhältnis zu verbessern.

Claims

Patentansprüche
1. Positions-Messeinrichtung zur Ermittlung von Positionen eines Messobjekts, umfassend:
- mindestens einen kapazitiven Positions-Messsensor (7) zur Bereitstellung eines Positions-Messsignals (PM) zu einem Messobjekt (3),
mindestens einen kapazitiven Referenz-Messsensor (14) zur Bereitstellung eines Referenz-Messsignals (RM),
- eine Recheneinheit (8) zur Ermittlung von Positionen des Messobjekts (3),
— die mit dem mindestens einen Positions-Messsensor (7) und dem mindestens einen Referenz-Messsensor (14) verbunden ist und
— die derart ausgebildet ist, dass zur Ermittlung der Positionen aus dem Positions-Messsignal (PM) und dem Referenz- Messsignal (RM) ein Positions-Signal (P) berechnet wird, dadurch gekennzeichnet,
dass der mindestens Referenz-Messsensor (14) eine erste Referenz- Elektrode (16) und eine zweite Referenz-Elektrode (17) aufweist, die an einem Tragkörper (21) angeordnet sind, und
dass der Tragkörper (21) aus einem Material besteht, das bei einer Temperatur von 20°C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α hat, für den betragsmäßig gilt: α < 10· 10"8/Κ.
2. Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Recheneinheit (8) mittels Signalleitungen (1 1, 1 1 ', 1 1 ", 13, 18, 18', 18", 19) mit dem jeweiligen Positions-Messsensor (7) und dem jeweils zugehörigen Referenz-Messsensor (14) verbunden ist, die zumindest abschnittsweise, insbesondere über mindestens 70 %, insbesondere über mindestens 80 % und insbesondere über mindestens 90 % ihrer gesamten Länge (L), ein Signalkabel (20) ausbilden.
Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass jedem Positions-Messsensor (7) ein Referenz-Messsensor (14) zur Berechnung des Positions-Signals (P) zugeordnet ist.
Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass mehreren Positions-Messsensoren (7) ein gemeinsamer Referenz- Messsensor (14) zur Berechnung des jeweiligen Positions-Signals (P) zugeordnet ist.
Positions-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass der mindestens eine Referenz-Messsensor (14) zu dem zugehörigen mindestens einen Positions-Messsensor (7) in einem Abstand (d) von höchstens 10 mm, insbesondere von höchstens 8 mm, und insbesondere von höchstens 6 mm angeordnet ist.
Positions-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Referenz-Elektrode (16) und die zweite Referenz- Elektrode (17) nicht zueinander verlagerbar sind.
7. Positions-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet,
dass die Referenz-Elektroden (16, 17) einen Referenz- Abstand DR definieren, wobei für ein Verhältnis einer mittleren Position DM des Messobjekts (3) zu dem Referenz-Abstand DR insbesondere gilt: 0,7 <
DM/DR < 1 ,3, insbesondere 0,8 < DM/DR < 1,2, und insbesondere 0,9 < DM/DR < 1,1.
8. Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekenn- zeichnet,
dass für den Wärmeausdehnungskoeffizienten α betragsmäßig gilt: α < 8· 10"8/Κ, und insbesondere α < 6· 10"8/Κ.
9. Positions-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
dass der Tragkörper (21) im Querschnitt als Hohlpro fil ausbildet und die Referenz-Elektroden (16, 17) an gegenüberliegenden Innenseiten (22, 23) des Tragkörpers (21) angeordnet sind.
10. Positions-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
dass der Tragkörper (21) zwischen der Referenz-Elektroden (16, 17) angeordnet ist.
1 1. Positions-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
dass der Tragkörper (21) durch das Messobjekt (3) ausgebildet ist.
12. Positions-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass der mindestens eine Referenz-Messsensor (14) derart angeordnet ist, dass sich das Referenz-Messsignal (RM) in Abhängigkeit der Posi- tion des Messobjekts (3) ändert.
13. Positions-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens einer der kapazitiven Messsensoren (7, 14) einen in ein Messsensor-Gehäuse (9,15) integrierten Transistor (28) zur Signalverstärkung aufweist.
14. Positions-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
dass der mindestens eine Positions-Messsensor (7) und der mindestens eine Referenz-Messsensor (14) baugleich sind.
15. Positioniervorrichtung mit
- einem zu positionierenden Messobjekt (3),
- einem Aktuator (4) zur Positionierung des Messobjekts (3),
- einer Positions-Messeinrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
16. Positioniervorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (8) derart ausgebildet ist, dass anhand des berechneten Positions-Signals (P) der Aktuator (4) angesteuert wird, wobei der Aktuator (4) insbesondere eine Positioniergenauigkeit von mindestens 1,0 nm, insbesondere von mindestens 0,5 nm, und insbesondere von mindestens 0, 1 nm aufweist.
17. Projektionsbelichtungsanlage mit einer Positioniervorrichtung (2) nach Anspruch 15 oder 16.
18. Verfahren zur Ermittlung von Positionen eines Messobjekts mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Positions-Messsignals (PM) zu einem zu positionierenden Messobjekt (3) mittels mindestens eines kapazitiven Positions-Messsensors (7),
- Bereitstellen eines Referenz-Messsignals (RM) mittels mindestens eines kapazitiven Referenz-Messsensors (14),
Übermitteln der Messsignale (PM, RM) an eine Recheneinheit (8) zur Ermittlung einer Position des Messobjekts (3), und
Berechnen eines Positions-Signals (P) aus dem Positions- Messsignal (PM) und dem Referenz-Messsignal (RM) zur Ermittlung der Positionen.
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