[发明专利]位置测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种位置测量装置。

背景技术

为了高精度地测量相对彼此可运动的机器组件的位置，优选地应用了光学位置测量装置。该光学位置测量装置包括：一个或多个光学扫描单元，这些扫描单元与第一机器组件相连接；以及一个或多个量具，这些量具与第二机器组件相连接，其中第二机器组件相对于第一机器组件是可运动的。通过借助于扫描单元光学扫描(多个)量具，可以确定和移动有关的位置信号和进而确定机器组件的相对位置。量具在此可以设计为一维的刻度尺或者也可设计为二维的刻度片。在一个可能的应用中，位置测量装置的扫描单元安装在可运动的机器组件、例如工作台上，其必须定位在加工工具下方，其中，在工作台上布置有待加工的工件。该工件应该通过工作台在移动平面(XY-平面)中沿两个主运动轴X,Y是可移动的，而另外的自由度(沿Z轴移动，其垂直于XY-平面；围绕X-,Y-和Z-轴的旋转)被固定或仅应轻微地调整。在平行于移动平面的平面中，位置测量装置的一个或多个二维的刻度片布置在机器上，扫描单元必须能够测量到它们。刻度片在此位置固定地围绕各个加工工具放置。

这种位置测量装置的主要任务在于，至少在沿主运动轴X,Y的移动自由度x,y方面以及在围绕Z-轴的旋转自由度R_z方面确定机器组件的位置和情况。下面在此是涉及所谓的3-DOF-测量(DOF＝自由度)。此外对于高精度的应用而言可能需要的是，检测各个机器组件的所有六个自由度。这附加地还可能是沿Z-轴的移动自由度z以及围绕Y-或X-轴的旋转自由度R_y，R_x。在这种情况下是指所谓的6-DOF-测量。

这种在半导体工业中被用于在照明-或检查单元(加工工具)下方定位晶片(工件)的系统例如由US 2007/0195296 A1已知。处于这种机器中的工作台T在此配有位置测量装置，该位置测量装置具有根据US 7,573,581 B2的四个组合的扫描单元E1-E4，如这在本申请的图1中示意性地示出地那样。通过每个扫描单元E1-E4产生了扫描信号或者说位置测量值，其包含相对于被扫描的刻度片的、扫描单元位置的两个方向分量：

-沿在刻度片的平面中的预定的方向；在该方向上的位置测量值在下面被标记为Y^(enc)。

-沿垂直于刻度片的距离；该位置测量值在下面被标记为Z，相应的距离测量作为Z-测量。

根据US 7,573,581 B2的扫描单元因此可以被视为具有在移动平面XY中的测量方向的扫描单元和具有垂直于移动平面XY的测量方向Z的扫描单元的组合。

扫描单元E1-E4被安装在工作台T的四个角上并且如可由图1中看到地倾斜于两个主运动轴X,Y对齐。因此，扫描单元根据对齐方向算出位置测量值或者位置测量值此外，每个扫描单元E1-E4提供了关于其沿相对于刻度片的Z-轴的距离的信息或者说位置测量值。

扫描单元E1-E4在已知的装置中相对于四个彼此相邻的、在菱形中放置的刻度片M1-M4进行测量，如这在图2中所示。此外，在图1和2中的轴描述的一致性被任意地选择。在刻度片装置的中央开槽形成了较大的区域B。加工工具、例如照明-或检查单元位于这里。在机器运行时，四个扫描单元E1-E4之一可以暂时位于开槽形成的区域B的下方并且同时不提供测量值。尽管如此，机器位置也可以在这种情况下被准确地确定，因为三个与刻度片M1-M4啮合的扫描单元已经足够用于确定工作台T的六个自由度。

相应的机器的精度还通过下面的干扰因素而决定性地受到影响：

-刻度片M1-M4变形(在机器运行时静止或缓慢改变，所谓的“Drift(逐渐变化)”，通常由温度波动引起)

-在其上放置有工件的工作台T或机器组件的固有振动和颤动。

工件越大，则所述的干扰因素就越重要，因为对于较大的机器组件和刻度片而言，更困难的是通过加强的同一个设计方案来抑制振动和变形。然而如果提供了关于刻度变形和机器组件颤动的当前激励状态的测量数据，则可以采取合适的措施来补偿或减振。

机器组件的这种颤动表现为机器组件的、例如工作台的振荡的变形。其导致在(假定的)刚性的机器组件中相对于其假设的位置的布置在其上的扫描单元E1-E4的偏转。因此，机器组件的、在没有颤动时考虑直接从扫描单元E1-E4的测量值中获取的位置和机器组件的实际的位置不一致。此外，由机器组件-位置计算出的加工工具位置、即例如照明-或检查单元的位置相对于工件、即晶片不能精确确定，因为工件与机器组件共同颤动并且相应地弯曲。