專利名稱：位置測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位置測(cè)量裝置，其用于在至少兩維(X和Y) 中測(cè)量物體相對(duì)于工具的相對(duì)位置。
背景技術(shù)：
這種位置測(cè)量裝置例如可以應(yīng)用于晶片光刻檢驗(yàn)機(jī)，其中光 學(xué)的、電子光學(xué)的或者離子光學(xué)的顯微鏡必須一夂常精確地在硅晶 片上定位。晶片就是該物體，而顯微鏡是該工具。但除了顯微鏡 之外也可以將其它任意傳感器和加工工具作為工具來使用。應(yīng)用 領(lǐng)域包括了相當(dāng)普遍的各種高精度的、(至少)兩維的定位。
對(duì)于高精度地測(cè)量一維的位置來說，通常應(yīng)用位置測(cè)量裝置 或者編碼器，其光學(xué)地掃描光柵刻度尺并在此產(chǎn)生增加的正弦信 號(hào)和余弦信號(hào)。這些信號(hào)內(nèi)插在評(píng)估電子裝置中，從而產(chǎn)生非常 小的測(cè)量步驟(Messschritt),該步驟僅相當(dāng)于多 一個(gè)信號(hào)段的極小 部分。在此，毫微米的極小部分的測(cè)量步驟是完全可以實(shí)現(xiàn)的。
在X和Y方向上的兩維的位置確定的情況下，經(jīng)常應(yīng)用兩個(gè) -波此垂直布置地、 一維的移位單元，其分別配備有一維的編碼器。 在此迄今為止不可能的是遵守所謂的阿貝原理，從而由于傾斜 誤差在線性可I導(dǎo)裝置(LinearfUehrungen)中產(chǎn)生測(cè)量誤差。阿貝原 理要求各個(gè)測(cè)量系統(tǒng)同軸于移位方向耳又向，而在該方向上應(yīng)該 進(jìn)行測(cè)量。通常阿貝距離、也就是說在編碼器的測(cè)量軸與工具的 中心(在下面稱為工具中心點(diǎn)TCP)之間的距離是顯著的。編碼器的測(cè)量軸根據(jù)在此應(yīng)用的確定穿過編碼器的有效的測(cè)量點(diǎn)沿著 測(cè)量方向延伸。但是，線性引導(dǎo)裝置的直線性偏差也導(dǎo)致了測(cè)量 誤差，該誤差并不由編碼器檢測(cè)到。兩個(gè)誤差影響是僅部分地能 再現(xiàn)的，以至于機(jī)器校準(zhǔn)通常也不能提供所需要的精度?；趯?dǎo)
向偏差的、典型的不可再現(xiàn)性處于100nm的范圍中。
出于這些原因，現(xiàn)在為高精度的、兩維定位而采用了平面鏡 -激光干涉儀。兩個(gè)平面鏡-激光干涉儀的彼此垂直的測(cè)量軸被對(duì) 應(yīng)于阿貝條件這樣布置，即它們?cè)谖恢霉潭ǖ腡CP中相交。這樣 測(cè)得了 XY坐標(biāo)臺(tái)的所有導(dǎo)向偏差并因此不再有對(duì)于精度的顯著 影響。在空氣中被操縱的激光干涉儀當(dāng)然也具有缺點(diǎn)空氣折射 率的波動(dòng)導(dǎo)致了顯著的測(cè)量誤差。因此，在30cm的空氣間隙中 即使在有利的實(shí)驗(yàn)室條件下也要考慮到20nm至50nm的誤差。 這對(duì)于數(shù)量增加的、精度要求為l-10nm的應(yīng)用來說是不夠的。
DE25 21 618描述了一種兩個(gè)交叉的刻度尺的布置，這兩個(gè) 刻度尺在交叉點(diǎn)中被光學(xué)地掃描。其中一個(gè)刻度尺承載了所謂的 縱向刻度，也就是說具有平行于刻度尺面的窄邊的光柵線的光 柵。第二刻度尺配有橫向刻度，也就是說平行于刻度尺面的長邊 延伸的光柵線。通過縱向刻度和橫向刻度的垂直的布置，光柵線 彼此平行豎立，從而可以使用合適的掃描光學(xué)裝置在交叉點(diǎn)中測(cè) 得相對(duì)位置。
為了根據(jù)阿貝條件測(cè)得位置，使縱向刻度在XY平面中對(duì)齊 于TCP并且如TCP —樣是位置固定的。在XY坐標(biāo)臺(tái)上固定橫 向刻度。第二測(cè)量方向測(cè)得第二對(duì)垂直布置的縱向刻度和橫向刻 度，其總刻度在XY平面中同樣也指向于TCP。兩個(gè)掃描光學(xué)裝 置必須分別沿著縱向刻度移位，以便始終能夠在交叉點(diǎn)上掃描。 然而，DE2521618沒有公開合適的掃描光學(xué)裝置，也沒有給出提示，即掃描光學(xué)裝置應(yīng)該如何沿著縱向刻度引導(dǎo)。在更精確地觀
察的情況下，阿貝距離僅僅在XY平面中成為零，但是阿貝距離 在Z方向上仍為不等于零，這是因?yàn)榭潭?DE2521618的圖2中 的參考標(biāo)號(hào)3和8)以及物體(DE2521618的圖2中的參考標(biāo)號(hào)6) 布置在不同的Z位置上。因此，坐標(biāo)臺(tái)的圍繞X軸或Y軸的傾 斜進(jìn)一步導(dǎo)致了測(cè)量誤差。
在EP 1 734 394 Al中公開了對(duì)于這種測(cè)量裝置的其它細(xì)節(jié)。 例如描述了用于掃描頭沿著縱向刻度的必需的引導(dǎo)裝置的實(shí)施 方式。在該文獻(xiàn)中也沒有描述合適的掃描光學(xué)裝置。在Z方向上 的阿貝距離沒有被考慮到，正如由該文獻(xiàn)的圖3可以看到的那樣。
在WO 2007/034379 A2中描述了用于這種位置測(cè)量裝置的不 同的掃描光學(xué)裝置，以便在這種裝置中掃描縱向刻度和橫向刻 度。在此，在Z方向上的阿貝距離也未描述和考慮到，或者說被 降到最小。提出的掃描光學(xué)裝置在更精確的分析的情況下幾乎不 適合于測(cè)量任務(wù)，這是因?yàn)閽呙韫鈱W(xué)裝置的有效的測(cè)量點(diǎn)(其在下 面稱為編碼器的中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)(NP))不能在Z方向上與物體調(diào)平。用 于中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的位置的分析方法將在下面進(jìn)一 步描述并導(dǎo)致了 下述的結(jié)果。掃描光學(xué)裝置的中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)才艮據(jù)WO 2007/034379 A2的圖5或6位于參考標(biāo)號(hào)為5的光柵的上方遠(yuǎn)處，大約為標(biāo) 號(hào)為5的第一個(gè)光^"與標(biāo)號(hào)為4的光柵的距離。在才艮據(jù)所描述的 裝置(WO 2007/034379 A2的圖3)的掃描的情況下，由此強(qiáng)制地給 出在Z方向上的顯著的阿貝距離。根據(jù)WO 2007/034379 A2的圖 8的掃描光學(xué)裝置在標(biāo)號(hào)為4的光柵的高度上具有中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)。 由于標(biāo)號(hào)為7的鏡子在Z方向上超出隨后必然最佳為物體平面的 光柵平面，因此該裝置與工具和物體之間的通常很小的距離不相 適合，這是因?yàn)楣ぞ吆蜆?biāo)號(hào)為7的鏡子彼此阻擋。相類似地也適合于在WO 2007/034379 A2中根據(jù)圖9和10的掃描光學(xué)裝置。 根據(jù)WO 2007/034379 A2的圖11和12的掃描光學(xué)裝置的中性旋 轉(zhuǎn)點(diǎn)位于參考標(biāo)號(hào)為4的光柵的下方遠(yuǎn)處，大約為標(biāo)號(hào)為4的光 柵與標(biāo)號(hào)為5的光柵的距離。中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)與物體的Z位置的調(diào)平 在此同樣也是不可能的。
EP 1 734 394Al和WO 2007/034379 A2專門描述了用于這種 位置測(cè)量裝置的掃描光學(xué)裝置，其在具有縱向刻度的固定刻度尺 上方布置和移動(dòng)。
在未預(yù)先公開的EP 1 837 630 Al中最后描述了用于掃描縱 向刻度和橫向刻度的其它掃描光學(xué)裝置。在該文獻(xiàn)的各種不同的
于測(cè)量物體的相對(duì)位置的提示。作為擴(kuò)充，在此描述了一種在坐 標(biāo)臺(tái)的至少3個(gè)位置上的、在Z方向上的額外的測(cè)量，從而測(cè)得 坐標(biāo)臺(tái)的所有6個(gè)自由度。圍繞坐標(biāo)臺(tái)的主移動(dòng)軸線X和Y的傾 斜Rx和Ry的校正由此可以通過相應(yīng)的數(shù)字式的信號(hào)處理來實(shí) 施。然而這對(duì)于額外的傾斜Rx和Ry的測(cè)量來說需要明顯更多的 投入，其僅在成本非常高的機(jī)器、例如晶片分檔器中才是完全合 理的。Rx傾斜和Ry傾斜的額外的測(cè)量在此是必需的，這是因?yàn)?這種傾斜必需通過在運(yùn)行中的自身的促動(dòng)器來改變。對(duì)于大多數(shù) 其它的應(yīng)用來說，例如在晶片光刻檢驗(yàn)機(jī)中，不會(huì)應(yīng)用Rx促動(dòng) 器和Ry促動(dòng)器，從而基本上可能省卻其測(cè)量。然而在這種情況 下又保留了中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)在Z軸線方向上的并不理想的位置。
所才笨討的文獻(xiàn)DE 25 21 618、 EP 1 734 394 Al 、 WO 2007/034379 A2和EP 1 837 630 Al分別在具有位置固定的TCP 的機(jī)器方案上受到限制。它們沒有給出提示，即具有移動(dòng)的TCP 的其它的機(jī)器方案如何能夠通過交叉的縱向刻度和橫向刻度得到改進(jìn)。
此外，位置測(cè)量裝置或者編碼器的內(nèi)插精度必須被考慮至'-
向刻度沿著光柵線移動(dòng)。通過光柵公差的信號(hào)干擾導(dǎo)致了內(nèi)插誤 差，其不能通過電子補(bǔ)償方法來得到補(bǔ)償，這是因?yàn)檫@種補(bǔ)償方 法對(duì)于足夠的誤差校正來說始終需要信號(hào)的相移并且因此也需 要在測(cè)量方向上的移動(dòng)分量。

發(fā)明內(nèi)容
通過本發(fā)明應(yīng)該給出一種用于至少兩維定位的位置測(cè)量裝 置，其確保了與來自現(xiàn)有技術(shù)的已知的系統(tǒng)相比明顯更高的精 度。在此特別應(yīng)該給出用于這種位置測(cè)量裝置的掃描光學(xué)裝置， 其允許了，將阿貝距離在Z方向上也減小到零。
該目的通過一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置測(cè)量裝置來實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的有利的實(shí)施方式由從屬權(quán)利 要求中得出。
根據(jù)本發(fā)明的、用于測(cè)量物體相對(duì)于工具的相對(duì)位置的位置
測(cè)量裝置，其中工具具有工具中心點(diǎn)，所述位置測(cè)量裝置包括 至少兩個(gè)交叉布置的并且在至少一個(gè)移動(dòng)平面中可以相對(duì)彼此 移動(dòng)的刻度尺；以及所配屬的光學(xué)的掃描單元，其產(chǎn)生用于平行 于移動(dòng)平面的至少一個(gè)測(cè)量方向的位置信號(hào)。每個(gè)刻度尺具有中 性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，以便各個(gè)刻度尺的圍繞該中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的傾斜不會(huì)引起 所測(cè)得位置的改變。通過掃描光學(xué)裝置確保了兩個(gè)刻度尺的中 性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的位置相 一致。通過刻度尺相對(duì)于工具中心點(diǎn)的布置確 保了 兩個(gè)刻度尺的中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)與工具中心點(diǎn)處于一個(gè)平行于移
，因此橫動(dòng)平面的平面中。
在一個(gè)可能的實(shí)施例中，掃描光學(xué)裝置包括下面的部分 -空間固定地布置的刻度尺，所述刻度尺具有刻度， -相對(duì)于空間固定地布置的刻度尺可移動(dòng)地和交叉地布置的刻度 尺，其具有刻度，以及
-掃描單元，其中可移動(dòng)刻度尺布置在空間固定的刻度尺下方， 并且在可移動(dòng)刻度尺的下方布置有掃描單元，從而使兩個(gè)刻度尺 的中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)處于在兩個(gè)刻度尺之間的區(qū)域中或者處于可移動(dòng) 刻度尺上。
特別有利的是中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)與垂直于移動(dòng)平面的工具中心點(diǎn) 的位置偏差小于lmm。
優(yōu)選地，可移動(dòng)刻度尺的刻度裝設(shè)在這樣的刻度尺側(cè)上，即 所述刻度尺側(cè)朝向空間固定的刻度尺。
在此特別有利的是可移動(dòng)刻度尺的刻度和工具中心點(diǎn)布置
在平行于移動(dòng)平面的平面中。
在一個(gè)有利的實(shí)施方式中，可移動(dòng)刻度尺的刻度構(gòu)造為透射 光刻度(Durchlichtteilung)。
掃描單元的一個(gè)可能的實(shí)施變體包括光源以及至少一個(gè)光 電元件，其這樣來布置，即，使得
-由光源發(fā)出的光束在撞擊位置處射到可移動(dòng)刻度尺的刻度上， 在那里實(shí)現(xiàn)了分離為多個(gè)部分光線束，
-分離的部分光線束隨后撞擊到空間固定的刻度尺的刻度上，在 那里實(shí)現(xiàn)在可移動(dòng)刻度尺的方向上的向后反射，在此向后反射的 部分光線束在可移動(dòng)刻度尺的刻度上的匯合位置上重疊并進(jìn)行 干涉，
-從可移動(dòng)刻度尺的刻度上的匯合位置在至少一個(gè)空間方向上射出光束，其到達(dá)掃描單元中的至少一個(gè)光電元件上，在那里產(chǎn)生 取決于移位調(diào)制的光電 流。
在此，掃描單元也可以包括多個(gè)光電元件并且在可移動(dòng)刻度 尺的刻度上、在匯合位置處射出在不同的空間方向上的多個(gè)光 束，所述光束到達(dá)多個(gè)光電元件上，在此產(chǎn)生多個(gè)取決于移位調(diào) 制的、相移的光電 流o
已證明為特別有利的是可移動(dòng)刻度尺的刻度構(gòu)造為具有 l/3*dm線寬和120°相位高度(Phasenhoehe)的相柵，其中dm給 出了可移動(dòng)刻度尺的刻度的刻度段(Teihmgsperiode),從而在光電 元件上產(chǎn)生了相移為120°的相移的光電流。
在根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的一個(gè)可能實(shí)施方式中，空間 固定的刻度尺的刻度構(gòu)造為反射刻度。
在此有利的是從光源中射出的光束的照射角度小于20。。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，空間固定的刻度尺具有刻度和至少一 個(gè)反射器元件，其這樣來布置，即，使得
-分離的部分光線束射到空間固定的刻度尺的刻度上，所述刻度使 部分光線束沿測(cè)量方向偏向并橫向于測(cè)量方向聚焦， -隨后，部分光線束通過至少一個(gè)反射器元件來反射， -以及又到達(dá)空間固定的刻度尺的刻度上，所述刻度又使部分光線 束沿測(cè)量方向重新偏向并又橫向于測(cè)量方向準(zhǔn)直，從而所述部分 光線束在可移動(dòng)刻度尺的方向上向后反射。
在此，優(yōu)選地空間固定的刻度尺的刻度構(gòu)造為衍射結(jié)構(gòu)，所 述衍射結(jié)構(gòu)顯示了沿測(cè)量方向偏向的光柵和橫向于測(cè)量方向聚 焦的、衍射的柱狀透鏡的重疊。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，空間固定的刻度尺包括刻度和棱鏡， 其中入射到空間固定的刻度尺上的部分光線束首先射到空間固定的刻度尺的刻度上，所述刻度使部分光線束沿測(cè)量方向偏向， 隨后，部分光線束通過棱鏡反射并且又到達(dá)空間固定的刻度尺的 刻度上，所述刻度又〗吏部分光線束沿測(cè)量方向偏向，乂人而使所述 部分光線束沿可移動(dòng)刻度尺的方向向后反射。
在此，優(yōu)選地將棱鏡構(gòu)造為90°的屋脊棱鏡。
在另 一個(gè)實(shí)施方式中，將空間固定的刻度尺的刻度構(gòu)造為背 面-反射刻度。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，掃描單元包括光源以及至少一個(gè)光電
元件，其這樣來布置，即，使得
-由光源發(fā)出的光束在分離位置上射到可移動(dòng)刻度尺的刻度上，在 此分離為多個(gè)部分光線束，
-分離的部分光線束隨后撞擊到空間固定的刻度尺的刻度上，在此 沿可移動(dòng)刻度尺的方向向后反射，在此向后反射的部分光線束與 分離位置偏置地射到可移動(dòng)刻度尺的刻度上，所述部分光線束沿 測(cè)量方向偏向并且垂直于測(cè)量方向聚焦，以^更在可移動(dòng)刻度尺的 反射器上的反射后又通過所述刻度衍射，最后在空間固定的刻度 尺的刻度上相對(duì)于匯合位置另 一次衍射后，到達(dá)可移動(dòng)刻度尺的 刻度上，在其處沿至少一個(gè)空間方向射出光束，所述光束到達(dá)掃 描單元中的至少 一個(gè)光電元件上，在此產(chǎn)生取決于移位調(diào)制的光 電流。
此外可能的是空間固定的刻度尺和可移動(dòng)刻度尺的刻度的 刻度線傾斜于相應(yīng)刻度尺的外邊緣低于45°地布置。


本發(fā)明的其它細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)借助下面與附圖相關(guān)對(duì)實(shí)施例的 描述而闡述。其示出圖1根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)示出了位置測(cè)量裝置在XY坐標(biāo)臺(tái)上的布
置，
圖2示出了在具有反射刻度的刻度尺處對(duì)稱衍射的情況下， 中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPm的位置，
圖3示出了中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPm和NPf的最佳Z-位置，
圖4a示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的第一實(shí)施例的掃 描光學(xué)裝置的正視圖，
圖4b示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的第一實(shí)施例的掃 描光學(xué)裝置的橫向視圖，
圖5示出了圖4a、 4b中的掃描光學(xué)裝置的透視圖，
圖6示出了根據(jù)圖4a、 4b和5所示的位置測(cè)量裝置在XY坐 標(biāo)臺(tái)上的布置的透視圖，
圖7a示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的第二實(shí)施例的掃 描光學(xué)裝置的正視圖， '
圖7b示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的第二實(shí)施例的掃 描光學(xué)裝置的橫向視圖，
圖8a示出了用于說明才艮據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的第二實(shí)
圖8b示出了用于說明才艮據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的第二實(shí) 施例的具有后向反射器作用的刻度尺的偏向作用的詳細(xì)橫向視 圖，
圖9示出了在根據(jù)圖7a、 7b、 8a、 8b中所示的根據(jù)本發(fā)明的 位置測(cè)量裝置中的構(gòu)造為后向反射器刻度的刻度的結(jié)構(gòu)的詳細(xì) 視圖，
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的第三實(shí)施例的掃 描光學(xué)裝置的透視圖，圖1 la示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的第四實(shí)施例的掃 描光學(xué)裝置的正視圖，
圖lib示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的第四實(shí)施例的掃 描光學(xué)裝置的橫向視圖，
圖12a示出了另一正視圖，以用于說明根據(jù)圖lla和lib中 所示的刻度尺的偏向作用，
圖12b示出了另一正視圖，以用于說明根據(jù)圖lla和lib中 所示的刻度尺的偏向作用，
圖13a示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的第五實(shí)施例的掃 描光學(xué)裝置的正視圖，
圖13b示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的第五實(shí)施例的掃 描光學(xué)裝置的橫向視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)示出了可沿X-方向和Y-方向移動(dòng)的XY 坐標(biāo)臺(tái)Ch的已知布置，所述XY坐標(biāo)臺(tái)具有兩個(gè)位置測(cè)量裝置 或者編碼器Ex和Ey,這例如在所述的DE 25 21 618中已知。處 于XY坐標(biāo)臺(tái)Ch上的物體Ob要相對(duì)于工具T利用其TCP來定 位。對(duì)此，這兩個(gè)位置測(cè)量裝置Ex和Ey確定坐標(biāo)臺(tái)Ch在其移 動(dòng)平面XY中的X-位置或Y-位置。X-編碼器Ex或X-位置測(cè)量 裝置包括具有刻度Gfk(構(gòu)造為縱向刻度)的位置固定刻度尺 Mfx;具有刻度Mmx(構(gòu)造為橫向刻度)的、在XY坐標(biāo)臺(tái)Ch上固 定的并且進(jìn)而被移動(dòng)的刻度尺M(jìn)m;以及掃描單元AEx。掃描單 元AEx僅能沿X-方向移位，且隨著所述XY坐標(biāo)臺(tái)Ch的X-位 置移動(dòng)，這就是說，與纟皮移動(dòng)的刻度尺M(jìn)m的X-位置一起移動(dòng)。 由此掃描單元AEx可以掃描在交叉區(qū)域中的兩個(gè)刻度M&和Mmx。 Y-編碼器Ey或者Y-位置測(cè)量裝置類似地包括部件Mfy、Mmy和AEy,其中掃描單元AEy僅能沿Y-方向移位并且隨著XY坐標(biāo)臺(tái)Ch的Y-位置一起移動(dòng)。由于清楚的原因，在圖1中沒有示出如線性電機(jī)或平面電機(jī)等驅(qū)動(dòng)部件以及導(dǎo)向元件。
下面借助圖2-13b闡述了根據(jù)本發(fā)明改良的位置測(cè)量裝置、特別是其各個(gè)掃描光學(xué)裝置。在此應(yīng)用與上述現(xiàn)有技術(shù)一致的術(shù)語。
為了可以沿Z-方向除去阿貝距離，這就是說減小為零，人們需要精確地了解位置測(cè)量裝置的有效測(cè)量點(diǎn)。所述有效測(cè)量點(diǎn)必須相對(duì)于TCP沿著各個(gè)測(cè)量方向設(shè)置。
僅包括具有刻度或刻度尺光柵的刻度尺和掃描單元的傳統(tǒng)位置測(cè)量裝置的有效測(cè)量點(diǎn)通常稱為位置測(cè)量裝置的中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NP。在圍繞中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NP傾斜刻度尺或掃描單元時(shí)沒有出現(xiàn)相移，所指示的位置值在第一布置中保持不變。
在根據(jù)本發(fā)明具有兩個(gè)交叉的刻度尺M(jìn)f、 Mm的編碼器方案中存在兩個(gè)中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPm和NPf。當(dāng)刻度尺M(jìn)m圍繞旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPm和/或刻度尺M(jìn)f圍繞旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPf傾斜時(shí)，所指示的位置保持不變。兩個(gè)中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPm、 NPf通常不重疊。根據(jù)本發(fā)明，通過合適的掃描光學(xué)裝置確保兩個(gè)刻度尺的中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPm、NPf的位置相一致。
現(xiàn)在首先考慮可移動(dòng)刻度尺M(jìn)m的傾斜，因?yàn)橹行孕D(zhuǎn)點(diǎn)NPm為位置測(cè)量裝置的有效測(cè)量點(diǎn)。為了能夠確定中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPm的位置，必須考慮兩個(gè)干涉的部分光線束在衍射時(shí)的不同相移和/或必要時(shí)在傾斜的刻度尺M(jìn)m處的反射。在圖2中示出了兩個(gè)部分光線束的情況，這兩個(gè)部分光線束在刻度Gm(構(gòu)造為反射刻度)處對(duì)稱地在刻度尺M(jìn)m上衍射。這種考慮還以類似的方式適合于透射刻度，這就是說刻度可以被透射，或者適用于非對(duì)稱 的情況。這兩個(gè)具有k-矢量kh和W &的入射部分光線束Sh和S' in 衍射成具有k-矢量k。ut和k' 。ut的出射部分光線束S。ut和S' 。ut。在
刻度尺M(jìn)m任意地、少量地移動(dòng)時(shí)兩個(gè)部分光線束的相移A (P和
△ O'通過下面的/>式主合出
* = d ~ 。' Af Alf以及姊'《 (f'細(xì)-^》' ^i，.戰(zhàn)尸，
其中△ xp和△ Xp,描述了刻度尺M(jìn)m在撞擊點(diǎn)P以及P'上的移動(dòng)。 在刻度尺M(jìn)m傾斜式移動(dòng)(Kippbewegung)時(shí)，△ xp和△ Xp'是不同 的。在所述點(diǎn)上繪入的矢量Ak和Ak'分別確定直線，所述直線 相交在一點(diǎn)。所述點(diǎn)為位置測(cè)量裝置的中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPm,這是因 為刻度尺M(jìn)m圍繞這個(gè)點(diǎn)的傾斜使兩個(gè)撞擊點(diǎn)P或P'在第一布 置中分別垂直于矢量△ k和△ k'移動(dòng)，從而根據(jù)上述公式不會(huì)出 現(xiàn)相移。對(duì)于多次將部分光線束撞擊到刻度尺M(jìn)m上的位置測(cè)賁 裝置，對(duì)每個(gè)(例如衍射、反射和/或透射的)相互作用的各個(gè)中 性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPm求算術(shù)平均，以便獲得位置測(cè)量裝置的中性旋轉(zhuǎn) 點(diǎn)NPm。
位置測(cè)量裝置的中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPm必須與物體調(diào)平，這就是 說處于相同的Z-位置。因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，物體表面與工具相 互作用，表面還用作參考高度。通常TCP處于所述表面上。僅在 調(diào)平(Nivellierung)的情況下，根據(jù)本發(fā)明還可以在Z-方向上也消 除阿貝距離。必要的調(diào)平精確性可以容易地算出在通常的引導(dǎo) 偏差為20jurad和坐標(biāo)臺(tái)的必要定位精確性為5nm時(shí)，得出了最 大的阿貝距離5nm/20 (a rad=250 p m。因此必須在構(gòu)建中非常精確 地考慮調(diào)平，否則就不能在納米范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)臺(tái)的定位精確 性。根據(jù)圖3,為此位置測(cè)量裝置的中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPm在每種情況 下都必須處于承載刻度Gf的固定刻度尺M(jìn)f之下，因?yàn)槲矬wOB要在固定刻度尺M(jìn)f之下移動(dòng)。保持在實(shí)踐中優(yōu)選至少為0.5mm 的安全距離Dmin。另 一方面，中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPm還應(yīng)該不在具有 刻度Gm的移動(dòng)刻度尺M(jìn)m之下。否則移動(dòng)刻度尺M(jìn)m必須超出 物體OB。在工具T和物體OB之間的通常很小的距離下，移動(dòng) 區(qū)域必須受到很大限制，以便防止工具T和移動(dòng)刻度尺M(jìn)m相撞。 掃描光學(xué)裝置出于相同的原因不需要例如偏轉(zhuǎn)鏡等元件，它們超 出中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPm。最佳地，中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPm的Z-位置在兩個(gè) 刻度尺M(jìn)f和Mm之間的區(qū)域B中(見圖3)。所述區(qū)域B通過從 固定刻度尺M(jìn)f直到移動(dòng)刻度尺M(jìn)m的最小距離Dmin來限定。
除了中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPm的位置，中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPf關(guān)于固定刻 度尺M(jìn)f的位置是重要的?？梢岳孟嗤纳鲜龇椒▉泶_定中性 旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPf。如果人們考慮測(cè)量圓規(guī)(Messzirkel)的干擾影響，可 以發(fā)現(xiàn)中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPf的最佳位置。通過熱或時(shí)間上漂移效應(yīng)或 變化的機(jī)械力，剛性地與工具T連接的刻度尺M(jìn)f可以相對(duì)于物 體OB和與之剛性連接的刻度尺M(jìn)m移動(dòng)。在位置測(cè)量裝置的線 性移動(dòng)被檢測(cè)期間，傾斜移動(dòng)通常會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。僅當(dāng)用于移 動(dòng)TCP的、可以考慮作為工具的中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的杠桿臂和用于移動(dòng) 位置測(cè)量裝置的位置的杠桿臂相同時(shí)，可以避免測(cè)量誤差。這就 是說，中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPf和TCP的Z-位置必須一致。因?yàn)樽罴训?位置測(cè)量裝置必須具有相同的中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPm和NPf。因此，根 據(jù)本發(fā)明通過刻度尺M(jìn)m、 Mf相對(duì)于工具中心點(diǎn)TCP的布置而 確保了中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPm、 NPf和工具中心點(diǎn)TCP處于一平面 中，所述平面平行于移動(dòng)平面XY。這個(gè)條件適合于三個(gè)空間分 量X、 Y和Z。
下面借助圖4a-13b來描述根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的掃 描光學(xué)裝置的不同實(shí)施方式以及相應(yīng)的刻度尺布置，其保證遵循所述條件。
根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的掃描光學(xué)裝置的第 一 實(shí)施例
圖4a、4b和圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的掃描光 學(xué)裝置的第 一 實(shí)施例，所述位置測(cè)量裝置具有兩個(gè)沿測(cè)量方向 Mr可彼此相對(duì)移動(dòng)的刻度尺M(jìn)m和Mf以及掃描單元AE。相應(yīng) 的位置測(cè)量裝置在根據(jù)圖1的布置中用作X-編碼器和Y-編碼器。
在下面闡述所示的掃描光學(xué)裝置的掃描光程之前，首先要指 出，所有掃描光程中的那些元件都屬于根據(jù)本申請(qǐng)專業(yè)術(shù)語所述 的掃描光學(xué)裝置，通過這些元件可以產(chǎn)生與移位相關(guān)的輸出信 號(hào)，除了兩個(gè)刻度尺M(jìn)m和Mf之外還有在其中設(shè)置了例如光源 LD、透鏡L以及多個(gè)光電元件PEO、 PE-1、 PE+1等元件的掃描 單元AE。
激光二極管形式的光源LD的光束、優(yōu)選垂直發(fā)射的 VCSEL(垂直空腔表面發(fā)射激光器)通過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直并且沿刻度 Gm的線方向(Strichrichtung)傾斜地射到刻度尺M(jìn)m上。在分離位 置Pa上，構(gòu)造為透射光刻度的刻度Gm將光束分為+ l.和-l，衍射 級(jí)。兩個(gè)部分光線束緊接著射到具有構(gòu)造為反射刻度的刻度Gf 的刻度尺M(jìn)f上。通過在-1.或+l.衍射級(jí)中的衍射，兩個(gè)部分光 線束轉(zhuǎn)回到測(cè)量方向上，而所述部分光線束在線方向上僅纟皮反 射?？潭菺f的刻度段(Teilungsperiode)df僅為刻度Gm的刻度段 dm的一半。在另一光程中，兩個(gè)部分光線束重新到達(dá)刻度尺M(jìn)m 并且通過在刻度Gm上的再次衍射在匯合位置Pb上重疊并且進(jìn) 行干涉。在作為結(jié)果的-l.、 0.和+l.衍射級(jí)中射出的光束到達(dá)光 電元件PE-1、 PE和PE+1，其產(chǎn)生相應(yīng)的光電流。在其它未示 出的信號(hào)走向中，光電流變強(qiáng)并且以已知的方式和方法輸送給內(nèi) 插補(bǔ)器(Interpolator),所述內(nèi)插補(bǔ)器由此確定高分辨率的位置值。在優(yōu)選分別為120°的光電流之間必要的相移在這個(gè)實(shí)施例中通 過刻度Gm的特別設(shè)計(jì)方案來實(shí)現(xiàn)?？潭菺m根據(jù)EP 163 362 Bl 實(shí)施為具有線寬度約0.33,dm且相位高度約為120°的相柵?？?度Gf優(yōu)選為板寬度(Stegbreite)約dm/2且相位高度為180。的相 位刻度。
所述掃描光學(xué)裝置的中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPm和NPf在分離位置Pa 和匯合位置Pb中間的同一位置處(參見圖4a、 4b)。這可以容易地 借助上述方法理解。所述掃描光學(xué)裝置由此滿足了用于根據(jù)本發(fā) 明的位置測(cè)量裝置的最佳設(shè)計(jì)的所述非常重要的前提條件。為了 根據(jù)圖3所示的中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPm和NPf處于有利區(qū)域B中，在 這個(gè)實(shí)例中移動(dòng)刻度Gm必須選為透射光刻度并且固定刻度Gf 選為反射刻度。因此由移動(dòng)刻度的一側(cè)開始掃描，并不像在WO 2007/034379 A2中示出那樣從固定刻度Gf的一側(cè)開始。 一方面 掃描單元AE包括光源LD、透鏡L和光電元件PE-1、 PEO、 PE + 1，另一方面固定刻度Gf設(shè)置在移動(dòng)刻度Gm的相對(duì)側(cè)上。為 了更好地示出，整個(gè)布置在圖5中以立體圖示出。
此外在圖6中還以立體圖示出了整個(gè)系統(tǒng)，其中XY坐標(biāo)臺(tái) Ch設(shè)計(jì)用于利用根據(jù)前述實(shí)施例所述的兩個(gè)位置測(cè)量裝置Ex、 Ey沿X-方向和Y-方向纟全測(cè)其移動(dòng)。
構(gòu)造為透射光刻度的刻度Gm在本實(shí)施例中優(yōu)選安裝在移動(dòng) 刻度尺M(jìn)m的朝向位置固定的刻度尺M(jìn)f的一側(cè)上。構(gòu)造為反射 刻度的刻度Mf還可以構(gòu)造為背面刻度(Rueckflaechenteilung)，所 述背面刻度裝設(shè)在刻度尺M(jìn)f的背向于刻度尺M(jìn)m的一側(cè)上。中 性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPf和NPm的位置因此沒有改變。
優(yōu)選地，從透鏡L射出的光線束的照射角度應(yīng)該選擇為盡可 能小，從而在掃描單元AE和刻度尺M(jìn)f之間的距離改變時(shí)，光線束偏置仍受限制。應(yīng)該不會(huì)超過值20。。在兩個(gè)刻度尺M(jìn)m和 Mf之間的距離優(yōu)選在l-30mm范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的第 一 實(shí)施例的掃描光學(xué)裝置 可選變型例如通過產(chǎn)生相移信號(hào)的另一方式得出、例如利用極化 光學(xué)掃描。在此，人/2或者人/4才反裝i殳在刻度尺M(jìn)f和Mm之間， 并且由此正交地極化兩個(gè)部分光線束。為了避免不希望地?zé)崃繐p 失，光纖還可以用于照明輸送和光學(xué)的信號(hào)回輸。替代激光二極 管還可以使用其它的光源，例如LED。
此外提到，與開頭所述的現(xiàn)有技術(shù)相比明顯更為有利地證 明掃描光學(xué)裝置的移動(dòng)元件設(shè)置在構(gòu)造為縱向刻度的刻度Gf 的相對(duì)側(cè)上進(jìn)而設(shè)置在構(gòu)造為橫向刻度的刻度Gm之下。
因此具有位置固定的刻度尺Gf以及相對(duì)于此移動(dòng)的刻度尺 Gm、包括掃描單元AE的掃描光學(xué)裝置的根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)方案 確保了 兩個(gè)交叉的刻度尺Gf、 Gm的兩個(gè)中性;旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPf、 NPm 的位置一致。
根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的掃描光學(xué)裝置的第二實(shí)施例 圖7a和7b以不同的示圖示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置 的第二實(shí)施例的掃描光學(xué)裝置。激光二級(jí)管LD的光束又通過準(zhǔn) 直透鏡L準(zhǔn)直并且平行于與刻度尺M(jìn)m垂直的光學(xué)軸線OA偏 向。在其上側(cè)，構(gòu)造為透射光刻度的刻度Gm在分離位置Pa使 光束分為-l.和+ l.衍射級(jí)。兩個(gè)部分光線束到達(dá)刻度尺M(jìn)f上， 所述刻度尺在其下側(cè)上承載構(gòu)造為特別的透射光刻度的刻度Gf。 所述刻度Gf使部分光線束從測(cè)量方向Mr上看平行于光學(xué)軸線 OA偏向。與此橫向，刻度Gf聚焦部分光線束并且使其偏向，從 而所述部分光線束聚焦到刻度尺M(jìn)f的背側(cè)上的反射器Rl或R2 上。在反射后，它們又到達(dá)刻度Gf上。在那里，所述部分光線束又沿測(cè)量方向Mr偏向，其中所述偏向?qū)ΨQ于入射的光線束實(shí) 現(xiàn)。橫向于測(cè)量方向Mr,刻度Gf又使部分光線束準(zhǔn)直，并且使 其平行于光學(xué)軸線OA偏向。射出的部分光線束回到刻度Gm, 在此它們?cè)趨R合位置Pb上通過在+ l.或-l.衍射級(jí)中的衍射重疊 并且進(jìn)行干涉?？潭菺m的刻度結(jié)構(gòu)與在第一實(shí)施例中一樣如此 選擇，使得在作為結(jié)果的-l.、 0.和+l.的衍射級(jí)中射出的光束分 別以120。相位偏置的方式在其強(qiáng)度方面進(jìn)行調(diào)制，并且通過光 電元件PE-1 、 PE0和PE + 1得以4企測(cè)。
與在前述的實(shí)施例中 一樣，刻度尺M(jìn)m固定在XY坐標(biāo)臺(tái)上， 并且可以與其一起沿X-方向和Y-方向移^f立，而示意性示出的掃 描單元AE僅沿測(cè)量方向Mr隨著XY坐標(biāo)臺(tái)一起移動(dòng)，并且橫 向于此通過線性可1導(dǎo)裝置(未示出)保持固定?？潭瘸進(jìn)f位置固定 地設(shè)置。
這個(gè)實(shí)施例的特殊性在于刻度Gf的設(shè)計(jì)。所述刻度Gf在下 文中還稱為后向反射器刻度。在圖8a和8b中為了說明詳細(xì)示出 了在刻度尺M(jìn)f的區(qū)域中的掃描光程中的光線走向?？潭菺f或后 向反射器刻度以衍射結(jié)構(gòu)的形式同時(shí)實(shí)施兩個(gè)功能。
一方面，所述后向反射器刻度^f吏入射的部分光線束沿測(cè)量方 向Mr或反向于測(cè)量方向Mr偏向。所述偏向作用與周期刻度的光 學(xué)作用相符，所述刻度具有刻度段df。因?yàn)闃?gòu)造為透射光刻度的 刻度Gf被兩次穿透，對(duì)于這個(gè)實(shí)施例來說，df必須等于刻度Gm 的刻度段dm。
另一方面，刻度Gf為衍射的柱狀透鏡。所述柱狀透鏡使部 分光線束橫向于測(cè)量方向Mr聚焦到反射器Rl或R2上，如在圖 8b中所示出的那樣。^t向于測(cè)量方向Mr的同時(shí)偏向通過入射的 部分光線束相對(duì)柱狀透鏡的中心Z的偏置S來實(shí)現(xiàn)。反射器Rl和R2不僅可以構(gòu)造為金屬鏡而且還可以構(gòu)造為干涉鏡。
在光線走向中兩次被穿透的柱狀透鏡與反射器Rl或R2 —起 形成后向反射器，所述后向反射器橫向于且僅橫向于測(cè)量方向 Mr使入射輻射方向偏向。后向反射器具有與帶90。棱鏡角度的 屋脊棱鏡相同的光學(xué)作用。后向反射能夠?qū)崿F(xiàn)補(bǔ)償刻度尺M(jìn)m、 Mf圍繞光學(xué)軸線OA的明顯較大的旋轉(zhuǎn)。在刻度尺M(jìn)m、 Mf的 這種稱為莫爾旋轉(zhuǎn)的傾斜的情況下，兩個(gè)部分光線束的相反的輻 射傾斜橫向于測(cè)量方向Mr出現(xiàn)。在沒有后向反射器的情況下， 莫爾傾斜可I起信號(hào)擾動(dòng)，其特別是在具有小信號(hào)周期的位置測(cè)量 裝置的情況下非常大。結(jié)果是關(guān)于莫爾傾斜的極小的可靠公差。 通過后向反射器補(bǔ)償橫向于測(cè)量方向Mr的輻射傾斜，從而即便 在具有非常小信號(hào)周期的位置測(cè)量裝置的情況下，大得多的莫爾 z^差也是允許的。對(duì)此其它實(shí)施例在DE 10 2005 029 917 Al中以 及在DE 10 2006 042 743.2已知。
不同于在DE 10 2005 029 917 Al中已知的(掃描-)刻度，后向 反射器刻度即刻度Gf在這種情況下必須使入射的部分光線束既 在測(cè)量方向Mr上也與測(cè)量方向Mr相反地偏向，進(jìn)而必須具有通 ?？潭鹊姆蛛x作用。這導(dǎo)致了必要的刻度Gf必須;波另外確定 尺寸。圖9示出了刻度Gf和后向反射器刻度的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。其包 括分別具有寬度dP2的各個(gè)條帶GfA和Gffi,所述條帶周期性地 沿測(cè)量方向Mr設(shè)置。兩個(gè)條帶GfA和Gffi互補(bǔ)，這就是說，所 述結(jié)構(gòu)可以相互轉(zhuǎn)換，其中二元結(jié)構(gòu)(derbinaeren Struktur)的兩個(gè) 狀態(tài)在每個(gè)位置上互換。每個(gè)條帶GfA或Gffi為衍射的柱狀透 鏡。所述備帶借助下面的相位函教(p(y)計(jì)算
<formula>formula see original document page 24</formula>其中y :=橫向位置
Df : -刻度尺M(jìn)f的厚度
n : -刻度尺M(jìn)f的折射系數(shù)
入 -所應(yīng)用的光源的波長。
在條帶GfA中，存在每個(gè)位置上具有b(力一眾^的第一狀態(tài)，在條帶GfB中，那里存在互補(bǔ)的笫二狀態(tài)。二元結(jié)構(gòu)優(yōu)選構(gòu)造成具有180°相位高度的相位刻度。因?yàn)樵谶吘墔^(qū)域中，局部刻度段已經(jīng)處于波長入的范圍中，因此相位高度和結(jié)構(gòu)寬度或結(jié)構(gòu)形狀利用數(shù)值優(yōu)化而如此局部匹配，使得實(shí)現(xiàn)了所使用的衍射級(jí)的最大衍射效果。所述優(yōu)化通常提供圓形的結(jié)構(gòu)元件代替根據(jù)圖9所示的矩形。特別有利的-盡管是成本高的-將帶形的柱狀透鏡構(gòu)造為閃耀結(jié)構(gòu)(geblazte Strukturen)。
如在圖7b中示出的那樣，刻度Gf或后向反射器刻度產(chǎn)生橫向于測(cè)量方向Mr的輻射偏置2 * S。這允許準(zhǔn)直的光源的照射方向垂直于刻度尺M(jìn)m和Mf,同時(shí)允許借助于光電元件PE-1、 PE0和PE+ 1沿y-方向在其旁邊設(shè)置的檢測(cè)。在此不再需要如在第一實(shí)施例中所述的傾斜的照射方向。通過所述高對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)了關(guān)于兩個(gè)刻度尺M(jìn)m、 Mf和掃描單元AE的特別大的位置^^差。特別是對(duì)于在刻度尺M(jìn)m和Mf之間距離來說，在實(shí)踐中不再有相關(guān)的公差限制。
才艮據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的掃描光學(xué)裝置的第三實(shí)施例圖10以立體圖示出了才艮據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的第三實(shí)施例的掃描光學(xué)裝置，其中棱鏡Pr設(shè)置在刻度尺M(jìn)f的背側(cè)上并且棱鏡Pr構(gòu)造為90。-屋脊棱鏡。在此，第二實(shí)施例的衍射的后向反射器刻度或刻度Gf的兩個(gè)功能分布到刻度尺M(jìn)f的兩個(gè)組成部分上，這就是說分布到刻度Gf和棱鏡Pr上?？潭菺f在此具有與在刻度尺M(jìn)m上的刻度Gm相同的刻度段。由此，入射的部分光線束在測(cè)量方向Mr上沿著光學(xué)軸線偏向。然后90° -屋脊棱鏡實(shí)施橫向于測(cè)量方向Mr的后向反射。部分光線束在測(cè)量方向Mr上通過刻度Gf的再次穿透將兩個(gè)部分光線束沿測(cè)量方向Mr集中到在刻度Gm上的共同的匯合位置Pb上，在此與這個(gè)實(shí)施例相應(yīng)地實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部分光線束的干涉。
刻度尺Gf的兩個(gè)元件、即棱鏡Pr和刻度Gf在這個(gè)實(shí)施例中固定地」波此連接。有利地，所述元件整體地制造。可選擇地，所述元件可以分開地制造，然后例如通過粘著(Ansprengen)連接。還可以是分開的結(jié)構(gòu)，其使兩個(gè)元件固定連接。在一個(gè)成本非常有利的變型中，兩個(gè)細(xì)長的鏡帶(Spiegelstreifen)代替90。-屋脊棱鏡以90。角相對(duì)固定并作為后向反射器應(yīng)用。
關(guān)于其它功能，參閱前述第二實(shí)施例。
因?yàn)槭褂脫p耗更少的、衍射的構(gòu)件，第三實(shí)施例的特別的優(yōu)點(diǎn)在于可獲得的高信號(hào)強(qiáng)度。下面的內(nèi)插補(bǔ)電子裝置的內(nèi)插補(bǔ)質(zhì)量可以由此得到改善。
通常，后向反射器刻度和裝設(shè)有屋脊棱鏡的刻度可以與4艮多的掃描原理相結(jié)合。從而可以簡單地設(shè)置具有莫爾補(bǔ)償?shù)膾呙韫鈱W(xué)裝置，并且還可能提供用于每個(gè)用戶的其它選擇。
在此前闡述的實(shí)施例中，刻度尺M(jìn)m和Mf具有連續(xù)的刻度場(chǎng)(Teilungsfelder)?？潭瘸進(jìn)m、 Mf和掃描單元AE的位置公差彼此相關(guān)的額外限制在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中不是必要的，所述限制在WO 2007/034379 A2中的多個(gè)實(shí)施例中是必要的，以便引導(dǎo)各個(gè)光線束穿過所屬的彼此分隔的刻度場(chǎng)。
根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的掃描光學(xué)裝置的第四實(shí)施例
圖lla和llb示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的第四實(shí)施例的掃描光學(xué)裝置，類似于在圖7a和7b中示出第二實(shí)施例。在圖12a和12b中同樣類似于第二實(shí)施例示出了在空間固定的刻度尺M(jìn)f的區(qū)域中的掃描光程中的光線走向。
激光二極管LD的光束又通過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直并且平行于與可移動(dòng)的刻度尺M(jìn)m垂直的光學(xué)軸線OA偏向。在其上側(cè)，構(gòu)造為透射光刻度的刻度Gm又在分離位置Pa將入射的光束分離為在-1.和+ l.衍射級(jí)中的部分光線束。
兩個(gè)分離的部分光線束到達(dá)可移動(dòng)的刻度尺M(jìn)f,所述可移動(dòng)的刻度尺在其下側(cè)或者在朝向可移動(dòng)的刻度尺M(jìn)m的 一側(cè)在中心區(qū)域承載反射層R;所述反射層R在背向于可移動(dòng)的刻度尺M(jìn)m的側(cè)的方向上具有反射作用。側(cè)向相鄰于反射層R,分離的部分光線束在空間固定的刻度尺M(jìn)f的下側(cè)朝向光學(xué)軸線OA折射并且到達(dá)空間固定的刻度尺M(jìn)f的上側(cè)的、現(xiàn)在構(gòu)造為反射刻度的刻度Gf。反射刻度Gf構(gòu)造為反射相柵并且在其衍射作用方面具有與(在圖7a、 7、 8a和8b的第二實(shí)施例中的)構(gòu)造為透射光刻度的刻度Gf相同的光學(xué)特性。這意味著，入射到刻度Gf上的部分光線束沿測(cè)量方向Mr看朝向光學(xué)軸線OA平行地耳又向，并且橫向于測(cè)量方向Mr使部分光線束聚焦到反射層R上。因此光學(xué)作用又沿測(cè)量方向Mr、在重疊中與分離光柵(Aufspaltgitter)相符并且橫向于測(cè)量方向Mr與衍射的柱狀透鏡相符。如此選擇衍射的柱狀透鏡的焦距，使得焦點(diǎn)處于其上的反射層R的平面中。
然后，部分光線束在反射層R上沿刻度Gf的方向射回，在此部分光線束重新準(zhǔn)直，并同時(shí)沿測(cè)量方向Mr偏向。由于在入射的部分光線束和柱狀透鏡的光學(xué)軸線OA之間的偏置s引起了在射到空間固定的刻度尺M(jìn)f中的部分光線束和由此射出的、橫向于測(cè)量方向Mr(即沿y-方向)的部分光線束之間的輻射偏置2s。部分光線束在離開空間固定的刻度尺M(jìn)f時(shí)又進(jìn)行折射并且全部在匯合位置Pb上射到可移動(dòng)的刻度尺M(jìn)m的刻度Gm上，在此所述部分光線束類似于第二實(shí)施例通過在+ l.和-l.衍射級(jí)中的衍射重疊并進(jìn)行干涉?？潭菺m的刻度結(jié)構(gòu)如同在第二實(shí)施例中那樣如此選擇，使得在作為結(jié)果的-l.、 0.和+l.的衍射級(jí)中由此射出的光束在可相對(duì)移位的組件相對(duì)移動(dòng)的情況下分別以120°相移的方式在其強(qiáng)度方面進(jìn)行調(diào)制，并且通過光電元件PE-1、 PEO和PE十1進(jìn)行檢測(cè)。
如在第二實(shí)施例中那樣，刻度尺M(jìn)m固定在XY坐標(biāo)臺(tái)上，并且可隨其沿X-和Y-方向移位，而示意性示出的掃描單元AE僅沿測(cè)量方向Mr與XY坐標(biāo)臺(tái)一起移動(dòng)并且橫向于此通過線性引導(dǎo)裝置保持固定?？潭瘸進(jìn)f又位置固定地設(shè)置。
這個(gè)實(shí)施例的特殊性在于位置固定的刻度尺M(jìn)f的方案，所述位置固定的刻度尺構(gòu)造為所謂的背面刻度尺并帶有構(gòu)造為反射相柵的刻度Gf。關(guān)于其具體的光學(xué)特性參照第二實(shí)施例的實(shí)施，其現(xiàn)在轉(zhuǎn)移到反射相位刻度。
在這個(gè)實(shí)例中特別有利的是，位置固定的刻度尺M(jìn)f具有防污染的背面反射刻度。污染不會(huì)進(jìn)入相位刻度的溝槽(Furchen)中，因?yàn)榭潭韧ㄟ^平的反射層(例如金屬層)來保護(hù)。位置固定的刻度尺M(jìn)f的相對(duì)的一側(cè)僅具有平面，其在受污染的情況下可以纟皮容易地清潔。
根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的掃描光學(xué)裝置的第五實(shí)施例圖13a和13b示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的第五實(shí)施
例的掃描光學(xué)裝置，類似于上述實(shí)施例的闡述。
激光二極管LD的準(zhǔn)直的光束平行于光學(xué)軸線OA射到可移
動(dòng)的刻度尺M(jìn)m上。在其上側(cè)具有刻度段dm的第一透射光刻度Gml將撞擊到分離位置Pa的光束分為-l.和+ l.衍射級(jí)。兩個(gè)分 離的部分光線束到達(dá)空間固定的刻度尺M(jìn)f的反射刻度Gf并且在 那里向回衍射。通過非常小的刻度段df〈dm/2,部分光線束沿測(cè) 量方向x偏置于分離位置Pa到達(dá)可移動(dòng)的刻度尺M(jìn)m。所述部分 光線束在那里由第二透射光刻度Gm2a以及Gm2b衍射，所述第 二透射光刻度在兩側(cè)設(shè)置在第一透射光刻度Gml的旁邊。第二 透射光刻度Gm2a、 Gm2b類似于根據(jù)圖7a、 7、 8a和8b的第二 實(shí)施例的刻度Gm實(shí)施。所述第二透射光刻度由此使部分光線束 沿測(cè)量方向x平行于光學(xué)軸線OA偏向，并且垂直于測(cè)量方向x 聚焦到可移動(dòng)的刻度尺M(jìn)m的下側(cè)上的反射器Rl和/或R2上。 在Rl和/或R2上反射后，部分光線束又到達(dá)刻度Gm2a和Gm2b, 在那里又沿測(cè)量方向x轉(zhuǎn)回并且又橫向于測(cè)量方向x準(zhǔn)直。在空 間固定的刻度尺M(jìn)f的光柵Gf上的其它衍射后，部分光線束又通 過刻度Gml在匯合位置Pb處重疊并進(jìn)行干涉。最后與上述實(shí)施 例中的類似，光電元件PE-1、 PEO和PE+l^r測(cè)在不同方向上射 出的光線束。
利用上述方法，可以容易地來確定中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPm和NPf 的空間位置。通過空間固定的刻度Gf的強(qiáng)偏向作用，中性旋轉(zhuǎn) 點(diǎn)處于刻度尺M(jìn)m和Mf之間?？潭榷蝑f相對(duì)于刻度段dm越小 地選擇，中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)NPf和NPm在Z-方向上越高。因此，它們 可以適合地匹配于本申請(qǐng)的必要性。在各種情況下特別的優(yōu)點(diǎn)在 于，可移動(dòng)的刻度尺M(jìn)m因此可以更深地固定在所述坐標(biāo)臺(tái)上， 并且其上側(cè)不必再與TCP對(duì)準(zhǔn)。因此它可容易地避免與工具碰 撞。此外測(cè)量物體(例如晶片)可以更為容易地從坐標(biāo)臺(tái)中取下， 因?yàn)榭梢苿?dòng)的刻度尺M(jìn)m不必再突出于坐標(biāo)臺(tái)的上邊緣測(cè)量物體 (晶片)的厚度。除了所述實(shí)施例之外，當(dāng)然在本發(fā)明的范圍內(nèi)還存在多個(gè)其 它的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量物體相對(duì)于工具(T)的相對(duì)位置的位置測(cè)量裝置，所述工具具有工具中心點(diǎn)(TCP)，所述位置測(cè)量裝置包括至少兩個(gè)交叉布置的并且在至少一個(gè)移動(dòng)平面(XY)中可以相對(duì)于彼此移動(dòng)的刻度尺(Mm，Mf；Mmx，Mfx；Mmy，Mfy)；以及所配屬的光學(xué)的掃描單元(AE；AEx，Aey；AE1，AE2，AE3)，所述掃描單元產(chǎn)生用于平行于移動(dòng)平面的至少一個(gè)測(cè)量方向(Mr)的位置信號(hào)，每個(gè)刻度尺(Mm，Mf；Mmx，Mfx；Mmy，Mfy)具有中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)(NPm，NPf)，以便各個(gè)刻度尺(Mm，Mf；Mmx，Mfx；Mmy，Mfy)的傾斜不會(huì)引起所測(cè)得的位置的改變，其中，-通過所述掃描光學(xué)裝置確保了所述兩個(gè)刻度尺(Mm，Mf；Mmx，Mfx；Mmy，Mfy)的中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)(NPm，NPf)的位置相一致，以及-通過所述刻度尺(Mm，Mf；Mmx，Mfx；Mmy，Mgy)相對(duì)于工具中心點(diǎn)(TCP)的布置確保了所述兩個(gè)刻度尺(Mm，Mf；Mmx，Mfx；Mmy，Mfy)的中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)(NPm，NPf)與所述工具中心點(diǎn)(TCP)處于一個(gè)平行于移動(dòng)平面(XY)的平面中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置測(cè)量裝置，其中所述掃描光學(xué)裝置 包括下面的部件-空間固定布置的、具有刻度(Gf)的刻度尺(Mf),-相對(duì)于所述空間固定布置的刻度尺(Mm)可移動(dòng)地和交叉地布置 的、具有刻度(Gm)的刻度尺(Mm),以及陽掃描單元(AE; AEx, Aey; AE1， AE2， AE3)，其中可移動(dòng)刻 度尺(Mm)布置在所述空間固定的刻度尺(Mf)的下方，并且在所述可移 動(dòng)刻度尺(Mm)的下方布置有所述掃描單元(AE; AEx， Aey; AE1, AE2, AE3)，從而使兩個(gè)刻度尺(Mm， Mf; Mmx, Mfx; Mmy, Mfy) 的中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)(NPm， NPf)處于兩個(gè)刻度尺(Mm, Mf; Mmx, M&; Mmy， Mfy)之間的區(qū)域(B)中或者處于所述可移動(dòng)刻度尺(Mm, Mmx,Mmy)上。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的位置測(cè)量裝置，其中，所 述中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)(NPm, NPf)與垂直于移動(dòng)平面(XY)的工具中心點(diǎn)(TCP) 的位置偏差小于lmm。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的位置測(cè)量裝置，其中，所 述可移動(dòng)刻度尺(Mm)的刻度(Gm)裝設(shè)在朝向所述空間固定的刻度尺 (MQ的刻度尺側(cè)上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的位置測(cè)量裝置，其中所述可移動(dòng)刻度尺 (Mm)的刻度(Gm)和工具中心點(diǎn)(TCP)布置在一個(gè)平面中，所述平面平 行于所述移動(dòng)平面(XY)。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的位置測(cè)量裝置，其中，所 述可移動(dòng)刻度尺(Mm)的刻度(Gm)構(gòu)造為透射光刻度。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的位置測(cè)量裝置，其中，所 述掃描單元(AE; AEx, Aey; AE1, AE2， AE3)包括光源(LD)以及至 少一個(gè)光電元件(PE-1， PE0， PE+1),其這樣來布置，即，使得-由光源(LD)發(fā)出的光束在撞擊位置(Pa)處射到所述可移動(dòng)刻度 尺(Mm)的刻度(Gm)上，在那里實(shí)現(xiàn)了分離為多個(gè)部分光線束，-分離的部分光線束隨后撞擊到所述空間固定的刻度尺(Mf)的刻 度(Gf)上，在那里實(shí)現(xiàn)了在可移動(dòng)刻度尺(Mm)的方向上的向后反射， 在此向后反射的部分光線束在所述可移動(dòng)刻度尺(Mm)的刻度(Gm) 上、在匯合位置(Pb)處重疊并進(jìn)行干涉，-從匯合位置(Pb)在可移動(dòng)刻度尺(Mm)的刻度(Gm)上、在至少一個(gè)空 間方向上射出光束，所述光束到達(dá)掃描單元(AE; AEx， Aey; AE1， AE2, AE3)中的至少一個(gè)光電元件(PE-1， PEO, PE+1)上，在此產(chǎn)生 耳又決于移位調(diào)制的光電流。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的位置測(cè)量裝置，其中，所述掃描單元 (AE; AEx， Aey; AE1， AE2， AE3)包括多個(gè)光電元件(PE-1, PE0， PE + l)并且在所述可移動(dòng)刻度尺(Mm)的刻度(Gm)上在匯合位置(Pb)處在不同的空間方向上射出多個(gè)光束，所述光束到達(dá)多個(gè)光電元件(PE-l, PEO, PE+1)上，在此產(chǎn)生多個(gè)取決于移位調(diào)制的、相移的光 電流。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的位置測(cè)量裝置，其中，所述可移動(dòng)刻度 尺(Mm)的刻度(Gm)構(gòu)造為具有1/3*<1!11線寬和120°相位高度的相柵， 其中dm給出了所述可移動(dòng)刻度尺(Mm)的刻度(Gm)的刻度段，從而在 所述光電元件(PE-1， PEO, PE+l)處產(chǎn)生相移的光電流，所述光電流 具有120°的相移。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的位置測(cè)量裝置，其中，所述空間固定 的刻度尺(Mf)的刻度(Gf)構(gòu)造為反射刻度。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的位置測(cè)量裝置，其中，從所述光源(LD) 中射出的光束的照射角度小于20。。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的位置測(cè)量裝置，其中，所述空間固定 的刻度尺(Mf)既具有刻度(Gf)也具有至少一個(gè)反射器元件(R, Rl, R2)， 其這樣來布置，即，使得-分離的部分光線束射到所述空間固定的刻度尺(Mf)的刻度(Gf) 上，所述刻度使所述部分光線束沿測(cè)量方向(Mr)偏向并橫向于測(cè)量方 向(Mr)聚焦，-隨后，所述部分光線束通過所述至少一個(gè)反射器元件(R， Rl, R2)來反射，-以及又到達(dá)空間固定的刻度尺(Mf)的刻度(Gf)上，所述刻度又使 部分光線束沿測(cè)量方向(Mr)偏向并又橫向于測(cè)量方向(Mr)準(zhǔn)直，從而 所述部分光線束在可移動(dòng)刻度尺(Mm)的方向上向后反射。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的位置測(cè)量裝置，其中，所述空間固定 的刻度尺(Mf)的刻度(Gf)構(gòu)造為衍射結(jié)構(gòu)，所述衍射結(jié)構(gòu)表示沿測(cè)量 方向(Mr)偏向的光柵和橫向于測(cè)量方向(Mr)聚焦的、衍射的柱狀透鏡 的重疊。
14. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的位置測(cè)量裝置，其中，所述空間固定的刻度尺(Mf)既包括刻度(Gf)也包括棱鏡(Pr)，以及入射到所述空間固 定的刻度尺(Mf)上的部分光線束首先射到所述空間固定的刻度尺(Mf) 的刻度(Gf)上，所述刻度使所述部分光線束沿測(cè)量方向(Mr)偏向，隨 后，所述部分光線束通過所述棱鏡(Pr)反射并且又到達(dá)所述空間固定 的刻度尺(Mf)的刻度(Gf)上，所述刻度又使所述部分光線束沿測(cè)量方 向(Mr)偏向，從而使所述部分光線束沿所述可移動(dòng)刻度尺(Mm)的方向 向后反射。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的位置測(cè)量裝置，其中，所述棱鏡(Pr) 構(gòu)造為90° -屋脊棱鏡。
16. 根據(jù)權(quán)利要求10和12所述的位置測(cè)量裝置，其中，所述空 間固定的刻度尺(Mf)的刻度(Gf)構(gòu)造為背面-反射刻度。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中至少一項(xiàng)所述的位置測(cè)量裝置，其中， 所述掃描單元(AE)包括光源(LD)以及至少一個(gè)光電元件(PE-1, PE0， PE+1),其這樣來布置，即，使得-由所述光源(LD)發(fā)出的光束在分離位置(Pa)處射到所述可移動(dòng) 刻度尺(Mm)的刻度(Gml)上，在此實(shí)現(xiàn)了分離為多個(gè)部分光線束，-分離的部分光線束隨后撞擊到所述空間固定的刻度尺(Mf)的刻 度(Gf)上，在此沿所述可移動(dòng)刻度尺(Mm)的方向向后反射，在此向后 反射的部分光線束與分離位置(Pa)偏置地射到所述可移動(dòng)刻度尺(Mm) 的刻度(Gm2a, Gm2b)上，所述部分光線束沿測(cè)量方向(Mr)偏向并且 垂直于測(cè)量方向(Mr)聚焦，以便在所述可移動(dòng)刻度尺(Gm)的反射器 (R1, R2)處的反射后又通過所述刻度(Gm2a, Gm2b)衍射，最后在所 述空間固定的刻度尺(Mf)的刻度(Gf)處相對(duì)于匯合位置(Pb)另 一次衍 射后，到達(dá)所述可移動(dòng)刻度尺(Gm)的刻度(Gm)上，在所述匯合位置(Pb) 處沿至少一個(gè)空間方向射出光束，所述光束到達(dá)所述掃描單元(AE)中 的至少一個(gè)光電元件上，在此產(chǎn)生取決于移位調(diào)制的光電流。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置測(cè)量裝置，其中，所述空間固定 的刻度尺和所述可移動(dòng)刻度尺(Mm, Mf)的刻度(Gf， Gm)的刻度線傾斜于相應(yīng)刻度尺(Mm, Mf)的外邊緣低于45。地布置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種位置測(cè)量裝置，其用于測(cè)量物體相對(duì)于工具的相對(duì)位置，其中工具具有工具中心點(diǎn)。所述位置測(cè)量裝置包括至少兩個(gè)交叉布置的和彼此在至少一個(gè)移動(dòng)平面中可移動(dòng)的刻度尺；以及所配屬的光學(xué)的掃描單元，所述掃描單元產(chǎn)生用于平行于移動(dòng)平面的至少一個(gè)測(cè)量方向的位置信號(hào)。每個(gè)所述刻度尺具有中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，以便各個(gè)刻度尺的傾斜不會(huì)引起所測(cè)得的位置的改變。通過所述掃描光學(xué)裝置確保了所述兩個(gè)刻度尺的中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的位置相一致。通過所述刻度尺相對(duì)于工具中心點(diǎn)的布置確保了所述兩個(gè)刻度尺的中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)與所述工具中心點(diǎn)處于一個(gè)平行于移動(dòng)平面的平面中。
文檔編號(hào)G01D5/26GK101680745SQ200880016332
公開日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月16日
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