DE2135469C2 - Anordnung zur genauen Positonierung eines Gegenstands in einer Ebene - Google Patents
Anordnung zur genauen Positonierung eines Gegenstands in einer EbeneInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur genauen Positionierung eines Gegenstands in einer Ebene, nach
κι dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE-OS 15 38 278 ist eine Positionieranordnung dieser Art bekannt, die eine Grobeinstellung mit
einem ersten Motor, der eine Leitspindel in Drehung versetzt, und eine Feineinstellung mit einem zusätzli-Ii
chen Linearmotor, der die Leitspindel axial verschiebt, aufweist. Durch den ersten Motor wird ein Grobbereichantrieb
geschaffen, der keine hohen regelungsdynamischen Forderungen erfüllen muß und mit hoher
Laufgeschwindigkeit arbeiten kann; der mit dem zweiten Motor verwirklichte Kleinbereichantrieb soll
die Fehler ausgleichen, die der Großbereichanlrieb aufgrund seiner hohen Trägheit verursacht. Die
Steuerung der Antriebsmotoren erfolgt auf hydraulischem Wege. Innerhalb bescheidener Grenzen lassen
sich mit dieser bekannten Anordnung gute Ergebnisse hinsichtlich der Positionierungspräzision erreichen. Dies
gilt auch für eine aus der Zeitschrift »Technica«, 1963, Nr. 19, S. 1441 - 1444, bekannte Anordnung, bei der der
zweite Motor als magnetostriktives Element ausgebildet ist. Dieses magnetostriktive Element wird durch
Einwirkung eines Magnetfeldes in seiner Länge verändert und dann durch Klemmelemente so eingespannt,
daß diese veränderte Länge erhalten bleibt. Bei einer aus der DE-OS 10 87 676 bekannten Anordnung
wird ein einziger Stellantrieb verwendet, wobei die Bewegungsmessung des Stellgliedes in zwei Stufen
erfolgt, nämlich in einem digitalen Grobkanal und in einem analogen Feinkanal. Die mit diesen bekannten
Anordnungen erreichte Positionisierungspräzision ist jedoch um Größenordnungen zu gering für bestimmte
Anwendungen, nämlich insbesondere die Herstellung von integrierten Schaltungen. Die dort angestrebte
Präzision liegt in der Größenordnung von nur einigen hundertstel Mikron. Für solche Anwendungen arbeiten
auch die bekannten Anordnungen zu träge bei der Nachführung durch den zweiten, hydraulischen oder
magnetostrikliven Motor. Um die äußerst komplizierte Struktur von integrierten Schaltungen in einer annehmbaren
Zeit auf das Halbleitersubstrat aufzeichnen zu
so können, muß die Verschiebung durch die beiden Motoren, insbesondere durch den zweiten Motor,
äußerst schnell erfolgen. Dabei darf natürlich die angestrebte Positionierungspräzision nicht verlorengehen.
Auch diese Forderung können die bekannten Anordnungen nicht annähernd erfüllen.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Anordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1
genannten Art zu schaffen, die es ermöglicht, den Gegenstand mit einer solchen Präzision und Geschwindigkeit
zu positionieren, daß die an Maskenmaschinen für die Herstellung von integrierten Schaltungen zu
stellenden Anforderungen erfüllt werden.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die gemäß der Erfindung ausgebildeten Präzisionspositionieranordnungen
eignen sich allgemein für die
Verwendung in Maschinen zur Fertigung sehr präziser
Teile, insbesondere aber von integrierten Mikroschaltungen oder zu ihrer Fertigung dienenden Masken. Im
letzteren Fall bilden die Positionieranordnungen einen »Translationstisclw von Maskenmaschinen, und sie
enthalten zwei gekreuzte Translalionsplalinen, die beispielsweise in zwei zueinander senkrechten Richtungen
X und Y beweglich sind.
Das zu bearbeitende Teil ist beispielsweise eine photographische Platte, auf welcher Muster mit Hilfe i<
> eines Lichtstrahls, vorzugsweise eines Laserstrahls aufgezeichnet werden. In bestimmten Maskenmaschinen
sind die Muster programmiert, und sie werden im Verlauf von kombinierten Verstellungen der Platte und
des von einem linearen digitalen Ablenkorgan abgelenkten Laserstrahls gebildet, wobei die Gesamtheil
dieser Verstellungen durch ein Rechengerät gesteuert wird, das die Programme empfängt, welches die
aufzuzeichnenden Muster kennzeichnet.
Besonders eignen sich die erfindungsgerr ißen Anordnungen
für alle Maschinen, bei denen eine Meßvorrichtung für die Translationsbewegungen vorgesehen ist,
welche mit interferometrischen Verfahren arbeitet und
quantisierte Meßwerte für diese Translationsbewegungen liefert. Derartige Meßvorrichtungen sind an sich
bereits bekannt; sie ermöglichen die Messung der Translationsbewegungen durch einfaches Vorwärts-
und Rückwärlszählen von Interferenzstreifen, die vor den Abtastorganen vorbeilaufen, wobei die Änderungen
der Laufrichtung die Änderungen der Richtung der Translationsbewegung kennzeichnen. Die Meßquanten
und demzufolge die Genauigkeit der Messung ist in diesem Fall gleich der Hälfte der Breite der Interferenzstreifen,
also gleich einem Viertel der Wellenlänge des verwendeten Lichts. Weilergebildete Ausführungen ji
ermöglichen die Erzielung noch größerer Genauigkeiten mit Hilfe von k verschachtelten Interferenzstreifensysiemen.
Sie ermöglichen Messungen, deren Quanten und demzufolge Meßgenauigkeit den Wert X/4k
erreicht, wobei λ die Wellenlänge des verwendeten Lichts ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt
Fig. 1 ein vereinfachtes Übersichtsschema einer Präzisionseinstellanordnung nach der Erfindung und der
Steuerorgane für eine der beiden Translationsplatinen und
F i g. 2 eine schematische Darstellung der Verbindung einer Translationsplatine mit dem Schrittmotor und der
Anordnung der zugeordneten piezoelektrischen Wandlervorrichtung.
Der nachstehend beschriebene »Translationstisch« eignet sich besonders gut für die Verwendung in einer
Maskenmaschine, und er wird besonders unter diesem
Gewichtspunkt beschrieben, doch kann er natürlich "-,5
auch für alle anderen möglichen Anwendungsfälle verwendet werden.
Auf dem Gestell B der Maschine sind beispielsweise zwei gekreuzte Translationsplatinen Px und Ps angeordnet,
die in zwei zueinander senkrechten Richtungen X bzw. Y beweglich sind. Es werden hier nur die Platine Py
und ihre Steuerorgane betrachtet; ein gleichartiger Aufbau ist für die Platine Px vorgesehen.
Auf der oberen Platine ist ein Block M angebracht, an dessen Seiten Spiegel senkrecht zu den beiden
Richtungen X und Y angeordnet sind, damit die Durchführung interferometrischer Messungen der
Translationsbewegungen möglich ist. Auf diesem Block ist im Fall einer Maskenmaschine die photographische
Platte angeordnet, auf der die Motive beispielsweise mit Hilfe eines Laserstrahls aufgezeichnet werden sollen.
Zur Verbesserung der Güte der Translationsbewegungen
selbst sind bei solchen Systemen im allgemeinen Korrekturorgane vorgesehen, die während der Translationsbewegungen
zur Wirkung kommen. In diesem Fall ist zwischen der oberen Platine P, und der die
Meßspiegel tragenden Platte M eine Korrekturplatte
eingefügt.
Die den Gegenstand der Erfindung bildenden Verbesserungen der präzisen Einstellsysteme betreffen
insbesondere die Organe für die digitale Steuerung und das genaue Stillsetzen der Platinen; die Wirkungsweise
dieser Organe ist unabhängig von den zuvor erwähnten Korrekturorganen für die Translationsbewegungen.
Diese Korrekturorgane werden deshalb hier nicht beschrieben. Es ist jedoch zu bemerken, daß für ihren
Betrieb imerferometrische Meßvorrichtungen für die Translationsbewegungen notwendig sind, die vorzugsweise
auch für die Steuerung des genauen Stillsetzens gemäß der Erfindung verwendet werden.
Die Translationsbewegungen der Platine P, in der K-Richtung werden von einem Schrittmotor MO
gesteuert, der in der in F i g. 1 gezeigten Weise mit der Platine verbunden ist, und sie werden durch eine
interferomeirische Anordnung / gemessen, die von
einer Laseiquelle LA beleuchtet wird, die mit der Wellenlänge λ arbeitet, in Verbindung mit logischen
Vorwärts- und Rückwärts-Zählschaltungen L auf die ein Digitalzähler CD folgt, der parallele Binärwörter
MB] abgibt. Diese Wörter stellen in jedem Zeitpunkt
den Absland D aes von dem Block M getragenen
Spiegels von einem vorbestimmten Ursprung dar, der beispielsweise einer Stellung 0 der Platine P1 entspricht.
Der Zähler CD zeigt eine Zahl N in binärer Zahlendarstellung an, welche die Bestimmung des
Betrags des Abstands D der Translationsbewcgung in der V-Richtung durch die folgende Gleichung ermöglicht:
N- AY<D<(N+\) ■ Δ Υ
Darin ist Δ Y das Meßinstrument des interferometrischen
Meßsystems, das einem Bruchteil klAk der Wellenlänge λ der Lichtquelle LA gleich ist. wobei k die
Anzahl der verwendeten verschachtelten Interferenzstreifensysteme ist (k>2).
Diese quantisierte Messung der Translationsbcwcgungen wird dazu verwendet, die von dem Motor MO
verursachten Verstellungen durch Feinverstellungeti /u
ergänzen, die durch piezoelektriche Keramikteile CP ausgeführt werden, die in der in F i g. 2 gezeigten Weise
auf die Platine P, einwirken. Zu diesem Zweck werden die Keramikteile von einer Anordnung zum präzisen
Stillsetzen gesteuert, die ein Fehlersignal t.o in der folgenden Weise bildet: Eine digitale Subtrahierschaltung
Dl bildet die Differenz zwischen den letzten Ziffern des von dem Zähler CD gelieferten Binärworts
MB] und den entsprechenden Ziffern des Binärworts
MBi, das die theoretische Stellung darstellt, die der
Block M nach dem Stillsetzen des Schrittmotors MO einnehmen soll. Sie liefert ein Wort MBj, das der
Differenz zwischen den Wörtern MSi und MBi
entspricht und einem Digital-Analog-Umsetzer CDA zugeführt wird. Die Amplitude der von diesem
Umsetzer gelieferten Spannung so ist der Abweichung
zwischen der Ist-Stellung des Blocks M nach dem Stillsetzen des Motors MO und der theoretischen
Soll-Stellung proportional.
Ein Differenzverstärker A mit zwei Ausgängen verstärkt diese Fehlerspannung e«, die in an sich
bekannter Weise dem Keramikstapel CP zugeführt
wird, der die Feinverstellung des Kugelanschlags ßder
Spindel Wsteuert (F i g. 2), die ihrerseits die Verstellungen der Platine P1 steuert.
Diese Anordnung zum präzisen Stillsetzen, die zusätzlich zum Motor MO vorgesehen ist, wird nur dann
in Tätigkeit gesetzt, wenn der Motor stillgesetzt ist. Damit ein solcher Betrieb möglich ist, sind Und-Galter
in den zur Bildung des Fehlcrsignalsf/jdiencndcn Kanal
eingefügt, welche die digitale Regelschleife nur dann schließen, wenn der Motor stillgesetzt ist. Diese
Und-Gatter sind schematisch durch den Block P dargestellt, und es sind ihnen Zwischenspeicher MF.
nachgeschaltel. Sie sind beispielsweise zwischen die parallelen Ausgänge des Digitalzählers CD und die
entsprechenden Eingänge der digitalen Sublrahierschaltung DI eingefügt. Die das Öffnen der Und-Galter
steuernden Eingänge empfangen ein Signal Si, das von den digitalen Steuerorganen CM des Systems abgegeben
wird und ein Kennzeichen für das Stillsetzen des Motors MO ist. Damit die Zeitkonstante der elektronischen
Anordnung der digitalen Schleife an die Zeitkonstante des von den Platinen P1, P, und der
Platine M gebildeten mechanischen Aufbaus angepaßt ist, wird dieses Signal Si den Und-Gattern P über eine
Steuerstufe Pl zugeführt, die durch Zerhacken das periodische Öffnen und Schließen der Und-Gatter
beispielsweise mit einer Frequenz von 10 bis 20 Hz steuert, so daß die Regelung in aufeinanderfolgende
Abschnitte zerlegt wird.
I Inier Berücksichtigung der Steigung und eventueller
Mangel der die Verstellungen der Platine P, bewirkenden Spindel IV und der Anzahl der Schritte pro
Umdrehung des Motors MO kann die Schrilteinstcllung von dem Motor allein bis auf einen angenäherten Wert
erfolgen, der beispielsweise zwischen 5 und 10 μ liegt.
Das dynamische Maximum der von den Kcramikteilen CP bewirkten zusätzlichen Verstellungen muß
größer als dieser Wert oder gleich diesem sein.
Die beschriebene digitale Regelschleife. welche die Krramikieile steuert, ermöglicht die Durchführung der
Endeinstellung mit einem Restfehler, der in der Nähe der Auflösung der Laser-Meßeinrichtung liegt, d. h. des
Quantums Δ Y. Im Fall eines kaliischen Meßsystems mit zwei verschachtelten Interferenzstreifensystemen beträgt
dieser Restfehler beispielsweise λ/8 = 0,08 μ. Wenn
mehr als zwei verschachtelte Interferenzstreifensysteme verwendet werden, beispielsweise vier, kann dieser
Fehler kleiner als 0,08 μ werden und beispielsweise 0.Ü4 μ erreichen.
Die Einstellung ist somit durch die digitale Regelschleife bis auf einige hundertste! Mikron genau
definiert.
Die Wörter MB2, welche Soll-Stellungen der Platinen darstellen sowie die Steuersignale S2 für den Motor MO
's und das Signal Si für das Schließen der Regelschleife
werden von den Digilalstcuerorganen CM geliefert, die der beschriebenen Einstellvorrichtung zugeordnet sind.
Diese digitale Steueranordnung arbeitet beispielsweise mit Hilfe von Lochstreifen, welche das vorgesehene
Programm darstellen und im Fall von Maskenmaschinen von den aufzuzeichnenden Mustern abhängen. Den
Steuerorganen CM der Motoren MO ist ein Lochstreifenabtaster DB zugeordnet.
Die von dem Lochstreifen BP getragenen Blöcke B, stellen die aufeinanderfolgenden Abläufe des. Betriebs
der Einstellvorrichtung Pi, P> dar. Jeder Block B<
enthält ein Kennwort Mi, das den zu steuernden Vcrslellmotor für die X-Richtung oder V-Richtung
bezeichnet. Auf dieses Kennwort M\ folgt ein Wort M2,
das die Anzahl der Schritte angibt, um die sich der bezeichnete Motor drehen soll. Dann foigen weitere
Wörter M1 j. Mn. Mn..., die verschiedenen Hilfsfunklionen
entsprechen, die ausgeführt werden sollen, wenn der Motor stillgesetzt ist.
Diese Funktionen steuern beispiclswise das Schließen
der digitalen Schleife für die Feineinstellung, die Lasermeßanordnungen, das Aufzeichnen der Muster
usw.
Der Lochstreifen BP enthält ferner Blöcke Bi, deren
Kennwort ni\ nicht von den digitalen Steuerorganen CM identifiziert wird, sondern von einem äußeren
Decodierorgan DE, so daß das folgende Wort /772 von
den Schaltungen der digitalen Regelschleife verarbeitet wird. Dieses Wort mj stellt das Wort MB2 dar, welches
den theoretischen Sollwert der Stellung angibt, in weiche der Block M von der Regelschleife nach dem
Stillsetzen des Motors MO gebracht werden soll. Es wird in einem Pufferspeicher MT gespeichert, der auf
den Decodierer DE folgt. Beim Ablaufen des Lochstreifens erscheinen die Blöcke Bi zuerst, doch da sie von den
Steuerorganen CM nicht identifiziert werden, bleiben sie ohne Wirkung für die eigentliche numerische
Steuerung; dagegen füllen sie den Speicher MTrnit den
Wörtern Ti2=MB2. Die dann erscheinenden Blöcke B\
sind ohne Wirkung auf die Schaltungen DE, MT und steuern den Block CM.
Die beschriebene Anordnung zur genauen Einstellung durch Translationsbewegungen in zwei zueinander
senkrechten Richtungen X und V, die durch Schrittmotore
und zusätzlich durch digitale Regelschleifen gesteuert wird, ermöglicht ein sehr genaues Stillsetzen,
das insbesondere bei der Verwendung in Maskenmaschinen vorteilhaft ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Anordnung zur genauen Positionierung eines Gegenstands in einer Ebene durch Translationsbewegungen
in wenigstens einer Richtung, mit einer von einer Leitspindel angetriebenen Platine für jede
Translationsrichtung, wobei die Leitspindel von einem ersten Motor mit einer Drehbewegung zur
Grobeinstellung und einem zweiten Motor mit einer Axialbewegung zur Feineinstellung antreibbar ist,
mit Steuereinrichtungen zur Ansteuerung der Motoren derart, daß die Platine in eine vorbestimmte
Position bewegt wird, mit einer Einrichtung zur Messung der Position der Platine sowie mit einer
Vergleichseinrichtung zum Messen der Abweichungen der erreichten Position der Platine von der
vorbestimmten Position und Erzeugen eines den Steuereinrichtungen zugeführten Nachregelsignals,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Motor (MO) ein Schrittmotor ist, daß der zweite
Motor (CP) ein piezoelektrischer Wandler ist und daß die Meß-, Vergleichs- und Steuereinrichtungen
eine Anordnung (I) zum quantisierten Messen der Translationsbewegungen der Platine (Py) und
Erzeugung der Meßwerte in Digitalform, eine auf den ersten Motor (MO) derart einwirkende Steuerschaltung
(CM), daß dieser die Leitspindel eine Anzahl von Schritten weiterdreht, die einer an die
gemessene Abweichung angenäherten Translationsbewegung der Platine (Py) entspricht, eine Subtrahierschaltung
(DI) zur digitalen Berechnung der nach dieser angenäherten Translationsbewegung
verbleibenden Abweichung der gemessenen Position von der vorbestimmten Position sowie einen
Digital/Analog-Umsetzer (CDA) aufweisen, der nach dem Stillstand des ersten Motors (MO) ein
Steuersignal für den zweiten Motor (CP) abgibt, dessen Wert so bemessen ist, daß die von der
Subtrahierschaltung (DI) gemessene verbleibende Abweichung von dem zweiten Motor (CP) ausgeglichen
wird.
2. Anordnung .lach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßanordnung f/jein Laserinterferometcr
ist, dessen quantisierte Meßgröße ein Bruchteil der Wellenlänge der verwendeten Schwingung
ist, daß der bewegliche Spiegel des Interferometers von der Platine (Py) getragen ist und die
feststehenden Teile des Interfereometers sowie die Motoren (MO, CD) an einem Sockel befestigt sind,
auf dem die wenigstens eine Platine verschiebbar ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Größe, die digital in
Abhängigkeit von dem Meßquantum ausgedrückt ist, einer Zahl zugeordnet ist, welche die Anzahl der
Schritte ausdrückt, die der erste Motor (MO) ausführen muß, damit eine Annäherung an die
vorbestimmte Größe erreicht wird, und daß diese Größe und diese Anzahl von einem Informationsträger
gleichzeitig mit weiteren Digitaldaten abgelesen werden, die eine präzise Positionierung in zwei
Stufen steuern.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aufeinander
angeordnete Platinen (Px, Py) zur Positionierung in der Koordinatenebene (X, Y) vorgesehen sind.
5. Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ihre Zuordnung zu Musteraufzeichnungseinrichtungen,
derart, daß eine Maskenmaschine für die Herstellung einzelner oder mehrerer integrierter
Schaltungen gebildet ist.
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