JP3429007B2

JP3429007B2 - 光学的位置測定装置

Info

Publication number: JP3429007B2
Application number: JP52208098A
Authority: JP
Inventors: ブラーシュ・ヤン; アルゴイアー・ミヒャエル; カリミツィ・クリスティアン
Original assignee: ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング
Priority date: 1996-11-13
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 2003-07-22
Anticipated expiration: 2017-10-08
Also published as: CN1111936C; DE59704038D1; CN1237284A; JP2001503598A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、特に正確な位置決め駆動装置と関連して使
用可能な、光学的位置測定装置に関する。

半導体製造において、種々の構成部分の正確な相対位
置決めのために、度々駆動ユニットとして種々の構造形
式のリニアモータが使用され、可能な使用領域は、ウエ
ハ処理又はいわゆるウエハ試験である。その際可動構成
部分は、一次元のみならず、二次元においても位置決め
されるべきである場合、相異なる座標方向における各移
動が検出されるために使用される測定システムへの特定
の要求が生じる。２つの座標方向における移動運動の検
出の他に、そのために度々所定の軸線のまわりでの位置
決めされるべき構成部分の回動運動を検出することが必
要である。この際各移動位相のために米国特許第465457
1号明細書から、別個の干渉計を設けることが公知であ
る。制限された測定範囲、測定光路の遮断等についての
問題の他に、目下のところ干渉計の高いコストに基づい
て、比較的大きな出費が生じる。

その他に、この際使用されるリニアモータで通常は存
在するステータユニットの周期的構造を、駆動運動の発
生以外に測定目的にも利用するという付加的問題が存在
する。使用されるリニアモータの構成に従って、この構
造では、二次元に配設された歯状の軟鉄構造又は相異な
る又は同一極性の周期的に配設された永久磁石が対象と
され得る。移動に依存して変調される走査信号を発生さ
せるために、この構造を磁界感応要素又は相応した線輪
構造によって走査することが公知である。その際駆動運
動の発生のために使用される周期的構造は、２〜3nmの
オーダのピッチ周期を有する。生じた走査信号につい
て、精密使用のために時々不十分に達成可能な最大の分
解能が得られる。測定精度又は分解能を高めるために、
従って、可動駆動ユニットの間に、測定目盛を上に付け
られる公知のガラス目盛板を配置すること、即ち例えば
そのような駆動ユニットに、市販のクロス格子測定シス
テムを内蔵することが提案される。クロス格子測定目盛
に対して相対的に移動可能な駆動ユニットには１つ又は
複数の好適な走査ユニットが配設されており、その走査
ユニットを介して測定目盛の光学的走査及び関連する回
動角を含む位置の相応した決定が公知の方法で行われる
ことができる。原理的にはそのように精密使用でも位置
決めの際の充分な分解能が達成される、そのわけは明ら
かにnm範囲に位置する目盛周期をもったそのようなクロ
ス格子が製造されることができるからである。しかし周
期的な軟鉄構造を有するステップモータの場合に、達成
可能な推力は敏感にステータと可動駆動ユニット又はロ
ータとの間の距離に依存する。互いに移動可能な両駆動
ユニットの間の所定の距離を越えた場合、駆動運動の発
生は最早不可能である。このことは、市販のクロス格子
測定システムの２〜3mmの厚さの前記ガラス目盛板がス
テップモータの両可動駆動ユニットの間に配設された場
合である。

本発明の課題は、特に種々の要素の精密位置決め駆動
ユニットと関連してこれらの要素の相対位置の正確な決
定を可能にするための光学的位置測定装置を案出するこ
とである。各型の駆動ユニットの機能方法は、その際追
加の位置測定装置によって影響されるべきではない。こ
のためにそのような位置測定装置のできる限り簡単な構
造が要求される。

この課題は、請求項１に記載の特徴を有する光学的位
置測定装置によって解決される。

本発明による光学的測定装置の有利な実施形態は、従
属請求項中の措置から得される。

相対的に互いに移動可能な両駆動ユニットの一方と不
可欠な構成部分としての測定目盛の形状に基づいて、両
駆動ユニットの間の距離が、特定された相対運動の発生
のために両駆動ユニットの高い効率をもった協働が可能
であるように選択されることができる。それによって比
較的距離に敏感に作動するステップモータの機能も保証
される。例えば軟鉄ステータを備えたステップモータ
も、その機能方法を損なうことなしに、本発明による光
学的位置測定装置と交換されることができる。μｍ領域
の目盛周期を有する光学的測定目盛が使用される場合、
同時に位置測定装置では所望の高い分解能が確保され
る。

付設の測定目盛を備えた駆動ユニットの構成に関して
本発明によれば、種々雑多の可能性が存在する。例えば
測定目盛は、直接駆動ユニットの平坦な表面上又はその
目盛領域に配設されることができる。駆動ユニットの平
坦な表面上に配設された目盛板上に測定目盛を付けるこ
とも可能である。一連の種々の実施バリエーションは、
従属請求項に記載されている。

その際本発明による光学的位置測定装置は、一次元走
行運動の測定のためにも一平面内の位置決め機能におけ
る走行運動及び又は回動運動の特定のためにも使用され
ることができる。時に一平面における位置決め機能の場
合に、互いに移動可能に配設された駆動ユニットの間に
空気軸受を受けることが有利であることが実証され、そ
の結果摩擦のない位置決めが可能である。

請求項７による有利な実施形態は、本発明により構成
される複数の駆動ユニットが、互いに直接隣接して配設
されかつ走査が、共通のスライダに配設された２つの別
個の走査ユニットを介して実施される場合に得られる。
本発明による位置測定装置のそのような実施形態は、そ
れによって大きな走行運動も検出されることができかつ
同時に比較的コンパクトな駆動ユニットしか必要としな
い限り好適であることが実証される。基本的には駆動ユ
ニットのそのように変形された構成では互いに境を接す
る駆動ユニットの突き当て個所に対する所定の要求が充
足される場合に、単一の走査ユニットのみが設けられる
ことができる。

本発明による光学的位置測定装置の他の利点並びに詳
細は、図面に基づく実施例の次の記載から得られる。即
ち、図1aは、本発明による光学的位置測定装置の図式的に
表された第１実施形態を破断して示す平面図である。

図1bは、図1aの本発明による位置測定装置の側面断面図
である。

図２は、本発明による光学的位置測定装置の駆動ユニ
ットを図式的に表した第２実施形態の側面断面図であ
る。

図3a及び図3bは、本発明による光学的位置測定装置の
駆動ユニットの第３実施形態の２つの図である。

図４は、互いに突き当てられた不動の駆動ユニットを
備えた本発明による位置測定装置の他のバリエーション
を表わす図である。

本発明による光学的位置測定装置の第１実施形態は、
図式的表示により図1aに部分的に示されている。図1aに
記入された切断線に沿うこの第１実施例の側面断面図を
図1bが示す。その際本発明による光学的位置測定装置の
図示の実施例が、一平面内で互いに相対的に移動可能な
構成要素の正確な位置決めのために、例えば半導体製造
に使用されることができる駆動ユニットと関連して示さ
れている。この際駆動ユニットは、不動の駆動ユニット
１と、これに対して可動的な駆動ユニット２とを有する
ステップモータとして形成されている。有利な実施形態
において、可動駆動ユニット２は、好適な空気軸受を介
して駆動ユニット１上に摩擦なしに支承されている。駆
動ユニット１は、更にこの実施例において軟鉄ステータ
として形成されており、軟鉄ステータは、基体５上に立
方体状の隆起６とこれらの間に位置する凹部９とを備え
た立体的に構成された領域を有する。駆動運動の発生の
ために、可動駆動ユニット２は、図示しない複数の励磁
線輪を有し、励磁線輪は、公知の方法で制御され、即ち
励磁線輪の時間的に特定された励起を介してxy平面内で
の可動駆動ユニット２のステップ状の位置決めが可能で
ある。このために可動駆動ユニット２は、接続導線を介
して好適に形成された制御及び評価ユニット３と接続し
ている。xy平面内での可動駆動ユニット２の所望の、高
い分解能をもった位置決めのために、この実施例におい
て移動に依存した走査信号を発生する光学的位置測定装
置が設けられている。その際公知の方法で形成され、可
動駆動ユニット２の側面に配設された１つ又は複数の走
査ユニットによって、駆動ユニット１に付設された測定
目盛８が走査される。図1a及び1bの表示中、可動駆動ユ
ニット２の側面に単一の走査ユニット10のみが認められ
るが、可動駆動ユニット２が垂直軸線のまわりに回動さ
れることができる角度φの決定も含めてxy平面内の移動
の検出の完全のために、そのような３つの走査ユニット
が設けられている。各走査ユニット10は、この目的のた
めに光源11並びに少なくとも１つのオプトロニック検出
要素12を有し、オプトロニック検出要素12は、測定目盛
８から反射する光を受光する。走査ユニット10の構成に
関して、追加の好適な送信光学系、走査格子、複数の好
適に接続された検出機要素等を設ける多くの公知の可能
性が存在する。反射光又は照明光によって走査される測
定目盛８は、図示の可動駆動ユニット２の二次元移動の
場合のクロス格子として形成されており、クロス格子は
公知の方法でインクリメンタル位置情報の取得のために
走査される。測定目盛８の目盛周期は、光学的走査の場
合に既に述べたように、例えば他の走査原理を介して位
置情報を取得するために走査されることができる立方体
状の隆起６の周期よりも明らかに小さい。測定目盛８の
意味のある目盛周期は、１〜100μｍの範囲に位置す
る。形成される走査信号の100倍の補間の場合、それに
よって0.01〜１μｍの位置特定の場合に可能な分解能が
得られる。

勿論次に説明する本発明による光学的位置測定装置の
構成は、二次元における移動の図示の場合に制限されな
い、即ち、一次元における位置決めのみを可能にする類
似したリニアステップモータをも備える。この場合、例
えば前記空気軸受機構は不要にされることができかつ可
動駆動部分の別個の案内が設けられることもできる。測
定目盛としては、この場合測定方向に周期的な目盛構造
の配列を備えた公知の一次元の、反射型インクリメンタ
ル目盛が使用される。

所望の位置決めと関連してもステップモータの機能を
保証するために、本発明によれば、図示の実施例におい
て、駆動ユニット１の一体的な構成部分として測定目盛
８を載せられた目盛板７の形成が考慮される。この目的
で、駆動ユニット１の隆起６の間にある凹部９が充填材
料を備え、その結果駆動ユニット１の平坦な表面が得ら
れる。この実施例に使用される凹部９のための充填材料
について、所定の必要条件が考慮される。先ず、ステッ
プモータの機能にできる限り影響を及ぼさないために、
充填材料は非磁性体でなければならない。そのために使
用される材料は、駆動ユニット１のできる限り平坦な表
面の製造を保証し、即ちできる限り良好に磨かれかつ膨
らんではいけない。

更に場合によっては上に付けられる層のできる限り良
好な付着が確保されるべきである。更に、使用される充
填材料が駆動ユニット１の周囲の材料と同様な熱膨張率
を有することは有利である。この必要条件の下に硬質は
んだが好適な充填材料とされる。他の非磁性金属又は合
成樹脂の充填も選択的に行われることができる。好適な
充填材料による凹部９の充填後、これに続く加工ステッ
プにおける平坦度要求に従ってこの駆動ユニットの表面
の磨きがかけられることができる。駆動ユニット１ので
きる限り平坦な表面上に、目盛板７として役立つ薄い層
が付けられる。目盛板の材料では、公知の方法で塗られ
る、例えばいわゆるスピンオンガラス又はしかしゾル−
ゲル材料が対象とされ得る。更に目盛板として、例えば
薄い金属層、例えばクロムが使用されることができる。
目盛板７として使用される層の厚さは数nmである。続い
て目盛板７上に固有の測定目盛８が付けられ又は目盛板
７が構成される。この場合照明光で走査される測定目盛
８が、例えばTiNから成る反射領域と、TiO₂から成る非
反射領域とを有する周期的構造が好適である。選択的
に、反射しないCrO層上にCrから成る反射領域が配設さ
れた構造も可能である。そのように構成された目盛板７
が配設される。種々の領域の固有の構造は、その際公知
のフオトリゾグラフ技術を介して行われることができ
る。

結局、目盛板を、公知の方法で、即ち鋼測定尺製造の
ために公知の技術で、構成され得る金属フィルムとして
形成することも、選択的に可能である。例えば構成のた
めのこの関連で、レーザ等の使用も可能である。金属フ
ィルムは、その上に配設された目盛構造も含んで、続い
て駆動ユニットの平坦な表面上に接着されることができ
る。

市販のクロス格子測定システムのガラス板を単に駆動
ユニット１の表面上に配列することとは異なり、本発明
による措置によって、一方の駆動部分１と他方の可動駆
動部分２の励磁線輪との間の距離ｄは、大き過ぎずかつ
場合によっては駆動運動は最早行われ得ないことが確保
されることができる。目盛板７と測定目盛９とを有する
駆動ユニット１の平坦な表面上に配設された層は、１μ
ｍのオーダの厚さを有する。それによって記載の実施例
において、駆動ユニット１のこれに対して相対的に可動
の駆動ユニット２との共働が可能でありかつそのように
両駆動ユニット１、２の間の特定された相対移動が発生
されることができる。

不動の駆動ユニットの側面に周期的構造を有するこれ
までに説明したバリエーションに対して選択的に、勿論
同様な方法で、可動駆動ユニットとして周期的構造を有
する駆動ユニットが使用されることができる。測定目盛
を含めて目盛板は、この場合、上記の説明と同様な方法
で可動駆動ユニットに付設されている。

本発明による光学的位置測定装置に使用されることが
できる駆動ユニット21の第２実施形態は、図２に図式的
に表されている。記載された第１実施形態とは異なり、
他の周期的構造が駆動ユニット21の側面に設けられてお
り、駆動ユニットは、永久磁石−リニアモータに使用さ
れることができる。駆動ユニット21の基体25上に、周期
的パターンとして第１実施例に類似して矩形状の永久磁
石26が配設されており、その際図２には隣接した永久磁
石26が相異なる極性を有する配列がなされている。選択
的にこれらの永久磁石は、一括してもそれぞれ同一の方
向に整列して配設されることができる。図示しない相対
的に可動的な駆動ユニットの駆動運動の発生は、それぞ
れ他方の駆動ユニットにおける励磁線輪の相応した制御
によって公知の方法で行われる。第１実施例のように、
永久磁石26の間の凹部29に充填材料を充填することが行
われ、その結果駆動ユニット21の平坦な表面が得られ
る。そのような平坦な表面上に、続いて目盛板27として
使用される層が付けられ、その層上には更に測定目盛28
が配設される。目盛板27、測定目盛28の可能な構成につ
いて並びに充填材料に対する要求に対して上記の説明が
参照される。

本発明による光学的位置測定装置の他の実施形態は、
２つの部分図、図3a及び図3bに図式的に表されている。
測定目盛58は、更に駆動ユニット51に付設されており、
駆動ユニットは第１実施例に類似して、隆起56と、これ
らの間に位置する凹部59とを基体55上に備えた周期的構
造を有し、即ち軟鉄ステータとして形成された駆動ユニ
ット51の上方に配設され、励磁線輪を有する可動駆動ユ
ニット並びに駆動ユニット51上の測定目盛58の照明光走
査のために使用される１つ又は複数の駆動ユニットは、
図示してない。先に説明した両実施形態とは異なり、不
動の駆動ユニット51の一体的な構成部分としてクロス格
子として形成された測定目盛58を直接平坦な又は平坦に
された構成部分上に配設することが行われ、即ち別個の
目盛板は不要にされる。

相応する表面の平坦化は、先に説明したように、即ち
充填材料、例えば硬質はんだによる凹部56の充填によっ
て行われる。続いて表面は、測定目盛58を付けるため
に、固有の構造形成が行われる前に磨かれる。その際測
定目盛58は、TiN/TiO₂等から成るような周期的に配設さ
れた反射する領域と、反射しない領域とから成る。図示
のバリエーションに対して選択的に、測定目盛は各測定
要求に従って駆動ユニットの表面の部分領域においての
み、例えば隆起等の平坦な表面上にのみ付けられること
ができる。

本発明による光学的位置測定装置の特別に有利な実施
形態は、酸４に図式的に表されている。この際互いに隣
接して配設された２つの別個の駆動ユニット31.1、31.2
が示されている。両駆動ユニット31.1、31.2の構成は、
図1a及び図1bに記載された第１の実施例の駆動ユニット
に相応し、即ち駆動ユニット31.1、31.2の表面上にはそ
れぞれ駆動ユニットの一体的な構成部分としての測定目
盛38.1、38.2としてクロス格子が配設されている。両駆
動ユニット31.1、31.2の上方には、空気軸受を介してxy
平面に位置決めされ得る可動駆動ユニット32が設けられ
ている。可動駆動ユニット32は、図示の実施例におい
て、特に２つの走査ユニット40.1、40.2を有し、走査ユ
ニット40.1、40.2は、駆動ユニット32の両横面に配設さ
れておりかつそれによってクロス格子測定目盛の光学的
走査が行われる。xy平面における移動量の決定の他に図
示の機構によってｚ方向に向いた垂直軸線のまわりの可
動駆動ユニット32の回動も検出されることができる。こ
の実施例を介して本発明に基づいてそのような駆動ユニ
ットで可動駆動ユニットの大きな走行範囲も実現可能で
ありかつ同時に高い分解能の光学的位置測定装置が可能
である。このために、一括して記載の方法で構成された
複数の小さい駆動ユニットが互いに整列されることがで
きる。そのために、大きな面積の測定目盛を含む単一の
大きな面積の駆動ユニットをつくることは必要なく、必
要な走行領域に従って相応して整列される、所定のステ
ータ寸法が使用されることができる。図４に示された実
施例において、可動駆動ユニット32の側面に２つの間隔
を置いて走査ユニット40.1、40.2が配設されており、即
ち両走査ユニット40.1、40.2の１つによる、互いに境を
接する駆動ユニット31.1、31.2の突き合わせ個所上の通
過は行われない。このために他の実施形態において選択
的に可動駆動ユニットが、駆動ユニットのモジュール構
造でも単一の走査ユニットのみを有する。この場合更
に、この個所でも正確な位置決めを保証するために、走
査ユニットによって通過可能な突き当て個所での所定の
要求が設定される。第１のバリエーションにおいて、測
定目盛の充分に精密な製造によって、特に直接境を接す
る駆動ユニットの突き当て個所の領域において、この個
所に誤測定が生じないことを確保する。この領域に単一
の走査ユニットのみを有する第２のバリエーションにお
いて、選択的に互いに境を接する駆動ユニットの間に特
定の大きさの距離を設けることが可能である。この特定
距離は、個々のモジュールから成る全駆動ユニットの組
立の際に、好適な光学的調整装置を介して調整されるこ
とができる。そのようにしても走査ユニットによる突き
当て個所の通過の際に位置決定に誤差が生じないことが
確保される。

本発明による構成に基づいて、種々のステップモータ
バリエーションと関連して、許容される高い分解能の、
光学的位置決定を保証する一連の実施可能性が得られ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アルゴイアー・ミヒャエルドイツ連邦共和国、Ｄ―83371 シュタイン、キーンベルクストラーセ、24 (72)発明者カリミツィ・クリスティアンドイツ連邦共和国、Ｄ―83714 ミースバッハ、アンガー、25 (56)参考文献特開昭63−148856（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−148855（ＪＰ，Ａ) 特開平３−124255（ＪＰ，Ａ) 特開平８−191564（ＪＰ，Ａ) 特開平２−65652（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 41/03 G01B 11/00 G01D 5/34 H02P 7/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの相互に移動可能な駆動ユニット（1,
2;21;31.1,31.2,32;51、52）、を有する正確な位置決め
のための駆動装置用の光学的位置測定装置であって、 M1）両駆動ユニット（1,2;21;31.1,31.2,32;51、52）
の一方が、隆起（6;26;56）を備えた立体的に構成され
た領域とこれらの間にあり１次元又は２次元に周期的に
配設されている凹部（9;29;59）とを有し、 M2）この一方の駆動ユニット（1;21;31.1,31.2;51）
は、不可欠の構成部分としての測定目盛（8;28;38.1,3
8.2;58）を有し、測定目盛は位置に依存した出力信号の
発生のために、他方の駆動ユニット（2;32;52）に結合
した走査ユニット（10;40.1,40.2）によって走査され、 M3）目盛支持体（7;27）として役立つ層上の測定目盛
（8;28;38.1,38.2;58）は、該一方の駆動ユニット（1;2
1;31.1,31.2;51）の平坦な表面上に配設されており、そ
の際測定目盛（8;28;38.1,38.2）を含んで、目盛支持体
（7;27）として役立つ層の厚さは、該一方の駆動ユニッ
ト（1;21;31.1,31.2;51）がこれに対して相対的に移動
可能な他方の駆動ユニット（2;32;52）の走査ユニット
（10;40.1,40.2）と協働することができるように選択さ
れており、そして M4）目盛支持体（7;27）と測定目盛（8;28;38.1,38.
2）を備えた該一方の駆動ユニット（1;21;31.1,31.2;5
1）の表面の平坦化のために、凹部（9;29;59）が充填材
を備え、充填材は該一方の駆動ユニット（1;21;31.1,3
1.2;51）の平坦な表面の形成を可能にしかつ更にその上
に配設される層の良好な接着を確保して、両駆動ユニッ
ト（１、2;21;31.1,31.2、32;51、52）の相互作用に影
響を及ぼさないことを特徴とする前記光学的位置測定装置。
【請求項２】充填材が、該一方の駆動ユニット（1;21;3
1.1,31.2;52）の周囲材料と同様な熱膨張率を有するこ
とを特徴とする請求項１に記載の光学的位置測定装置。
【請求項３】目盛支持体（7;27）の材料として、スピン
オンガラスが選択されていることを特徴とする請求項１
に記載の光学的位置測定装置。
【請求項４】目盛支持体（7;27）の材料として、ゾルゲ
ル材料が選択されていることを特徴とする請求項１に記
載の光学的位置測定装置。
【請求項５】目盛支持体（7;27）が、薄い金属フィルム
として形成されていることを特徴とする請求項１に記載
に光学的位置測定装置。
【請求項６】金属フィルムが、目盛として反射する領域
と反射しない領域とを有することを特徴とする請求項５
に記載の光学的位置測定装置。
【請求項７】一平面内で移動可能な構成部分の精密な位
置決め装置であって、該装置は、請求項１に記載の光学
的位置測定装置を備えて隣接して配設された２つ又はそ
れ以上の駆動ユニット（31.1、31.2）と、これに対して
相対的に移動可能で少なくとも１つの走査ユニット（4
0.1、40.2）を備えた可動駆動ユニット（32）とを有
し、この走査ユニットは、他方の駆動ユニット（31.1、
31.2）上に配設された測定目盛（38.1、38.2）の光学的
走査のために形成されていることを特徴とする前記装
置。
【請求項８】可動駆動ユニットが、間隔をおいて位置す
る２つの走査ユニット（40.1,40.2）を有することを特
徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】可動駆動ユニットが、単一の走査ユニット
を有し、目盛を備えた可動駆動ユニットが互いに直接境
を接して配設されておりかつ可動駆動ユニットは、突き
当て個所で互いに境を接する測定目盛に正確に互いに接
続する、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】可動駆動ユニットが、単一の走査ユニッ
トを有しかつ測定目盛を搭載した駆動ユニットが互いに
特定された相互間隔をおいて配設されていることを特徴
とする請求項７に記載の装置。