光学位置测量装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及用于探测整体量具和至少一个可沿着至少一个测量方向彼此相对运动的探头的相对位置的光学位置测量装置。所述光学扫描装置是这样地设计，使得扫描装置的有效测量点位于在背向探头定向的方向上与整体量具隔开定义的距离上。
【专利说明】光学位置测量装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光学位置测量装置，所述光学位置测量装置适用于高精度地确定 两个相对运动的对象的相对位置。
【背景技术】
[0002] 为了定位平面对象，例如半导体加工设备中定位晶片，经常使用所谓的XY台。在 此平面对象位于滑块上面，所述滑块能够按直线自由度X，Y和部分上也按旋转自由度Rz移 动，即在全部所谓的"平面上自由度"。在这里X和Y表示在运动平面内滑块的相对彼此垂 直取向的运动方向，Z轴则与其垂直取向。由此对象的旋转自由度Rz是由滑块可能围绕Z 轴的旋转运动所致。
[0003] 经常通过基于光栅的光学位置测量装置确定滑块位置，所述光学位置测量装置以 下也被称作编码器并且在其中通过一个或多个探头光学扫描一个一维或二维的整体量具。 为了生成高分辨率的位置信号在所述光学位置测量装置中优选使用干涉扫描原理，在其中 一个由光源发射的光束被分裂成至少两个分光束并且在一次或多次施加整体量具之后使 得干涉性地叠加。
[0004] 在将XY台使用在机器中的时候待移动的对象通常必须相对位置固定的工具或传 感器定位。在此通过工具和传感器定义工具点，所述工具点以下被称作工具中心点（Tool CenterPoint)TCP并且必须确定其与对象的相对位置。在此所使用的光学位置测量装置 的测量点与机器的TCP之间的较低的有效距离是一个重要的前提条件，以便滑块的导向错 误不会在定位过程中影响测量精确度。该前提条件也以所谓的阿贝条件为人所熟知并且说 明，在测量装置中位置测量的有效测量点必须在测量方向上对准TCP。有效测量点与TCP之 间的横向于测量方向的横向距离被称作阿贝距离；在理想的情况下该距离应为零。
[0005] 光学位置测量装置的有效测量点有时也被称作中性旋转点，这是因为探头或位置 测量装置的整体量具围绕中性旋转点的近似线性的倾斜不会导致位置测量值的位移并由 此也不会在位置确定时导致误差。
[0006] 如果使用两个具有相同测量方向并且其探头垂直于共同的测量方向间隔地布设 的位置测量装置或编码器进行位置测量，则通过两个位置测量值的加权的平均值形成有效 测量点不会沿两个测量点的连接线移动。相应地可能的是，通过三个位置固定的探头（从 中得到两个探测滑块的测量方向Y和探测滑块的测量方向X)通过三个位置测量值的线性 组合使用于位置确定的有效测量点任意在通过三个有效测量点的XY平面中移动。因此XY 平面在以下将被称作三个探头或位置测量装置的有效测量平面。对此前提条件只是，两个 具有相同测量方向的探头横向于其测量方向安置和三个探头的全部有效测量点位于平行 于两个测量方向的共同平面中。通过选择上述的线性组合使得有效测量点在有效测量平面 中移动，以便它们对于两个测量方向分别具有最小的阿贝距离。由此有效测量点与TCP位 于相同的X位置和Y位置。至今只有Z方向的阿贝距离不能消除。已知，尤其所述通过三 个位置固定的探头确定位置尤其与二维交叉光栅整体量具相结合。与此类似，但是也可能 的是，探头共同地固定在移动的滑块上和探测位置固定地安置的交叉光栅整体量具。
[0007] 从WO2011/068254Al中已知一种XY台，其在滑块的底侧上面包括设计为交叉光 栅的整体量具，所述整体量具通过滑块移动并且被三个安装在滑块下面的位置固定的探头 光学扫描。三个位置固定的探头中有两个如上所述沿方向Y测量，第三个探头沿方向X测 量。由此能够在编码器的有效测量平面中精准地平面上测量XY台。但是基于所使用的编 码器的扫描透镜编码器的有效测量点及有效测量平面位于交叉光栅整体量具的平面。相反 TCP则位于对象或晶片的上侧，所述晶片布设在滑块上面并且由此在Z方向相对位于其下 的有效测量平面具有大阿贝距离。由此不能高精度地测量对象与TCP的相对位置。XY台的 小的Rx或Ry倾斜，即围绕X或Y轴倾斜，通过不可避免的导向偏差造成对象的相应的位置 错误。
[0008] 类似内容也适用于从EP2068112Al中得知的装置。在这里对透明的XY滑块进 行了描述，在所述滑块的上侧上面安装交叉光栅作为整体量具，三个位置固定的探头从下 面穿过透明的滑块衬底对所述交叉光栅进行光学扫描。交叉光栅整体量具因此也形成为所 谓的背面光栅。晶片形式的待定位的对象位于在透明的XY滑块的上侧。由此在EP2 068 112Al建议的装置中探测头的有效测量点在Z方向也不像期望的那样与TCP重合。准确地 观察所建议的扫描表明，在透明的滑块衬底的厚度为30mm-100mm的情况下在Z方向的阿贝 距离导致10mm-33mm的数量级。通过在Rx和Ry倾斜方面大约25μrad的典型的导向偏差 在位置确定过程中产生250nm-825nm的测量误差，这在这类的应用中对于通常高定位的要 求是不可接受的。
【发明内容】
[0009] 本发明以该任务为基础，给出一种光学位置测量装置，在其中能够尽可能灵活地 调节有效测量点的位置和尤其在遵守阿贝条件方面保证位置测量装置的有效测量点与在 相应的机器中工具的工具中心点之间具有尽可能地小的阿贝距离。
[0010] 按照本发明该任务将通过具有权利要求1的特征的光学位置测量装置解决。
[0011] 按照本发明的光学位置测量装置的有利的实施方式从在从属权利要求中实施的 方法中得出。
[0012] 用于探测整体量具和至少一个沿着至少一个测量方向彼此相对运动的探头的相 对位置的按照本发明的光学位置测量装置具有光学扫描装置，所述光学扫描装置是这样地 设计：扫描装置的有效测量点位于在背向探头取向的方向与整体量具间隔地定义的距离 上。
[0013] 在这里可能的是，为了光学扫描整体量具光束经受到两个分光束的分裂，两个分 光束中的每一个施加整体量具的反射光栅至少一次并借此发生衍射，以便在射入在反射光 栅上面的和由此反射回去的分光束之间的角平分线在某点与光轴相交，所述的点位于整体 量具的与探头相背的侧并且是扫描装置的有效测量点。
[0014] 可以规定，
[0015] -至少在施加反射光栅之前实现光束到两个分光束的分裂和
[0016] -当在反射光栅上面实现衍射时分别实现分光束的从光轴向外偏转和
[0017] -通过至少一个偏转元件实现朝光轴向回偏转，在那里分光束进行重新会聚。
[0018] 在此在分裂与重新会聚之间分裂的分光束可以相对光轴对称地伸展。
[0019] 此外还可能的是，整体量具设计成背面光栅并且包括片状的，透明的衬底以及反 射光栅，所述反射光栅的反射侧在衬底方向和探头方向定向。
[0020] 此外可能的是，整体量具设计成正面光栅并且包括反射光栅，所述反射光栅的反 射侧在探头方向定向。
[0021] 也可以规定，
[0022] -整体量具布置成可相对第一探头沿着第一测量方向相对移动和
[0023] -整体量具布置成可相对第二探头沿着第二测量方向移动，其中第二测量方向与 第一测量方向正交地定向。
[0024] 此外在这里整体量具布置成可相对第三探头沿着第一或第二测量方向移动。
[0025] 此外可能的是，整体量具设计成交叉光栅。
[0026] 在可能的实施方式中探头包括光源，多个探测器元件以及扫描板，所述扫描板在 一侧上面具有分裂光栅以及会聚光栅和在对立侧上面具有多个其它光栅，使得
[0027] -由光源发射的光束通过分裂光栅经受到两个分光束的分裂，
[0028] -然后分光束分别在扫描板的相对面上光栅方向传播并由此分别经受在光轴方向 的偏转，
[0029] -然后在整体量具方向继续传播，在那里沿探头方向产生衍射和向回反射，
[0030] -分光束分别通过其它光栅经受向光轴方向的偏转并且在扫描板的相对面上在会 聚光栅方向传播，在那里它们达到干涉重叠以及
[0031] -重叠的分光束从会聚光栅向探测器元件方向传播，通过所述探测器元件可以采 集相移扫描信号。
[0032] 在按照本发明的位置测量装置中证明特别有利的是，例如在与XY台组合使用的 情况下阿贝距离差不多可以下降到0。作为结果在确定通过XY台定位的对象的位置时可以 达到特别高的精度。
[0033] 按照本发明的位置测量装置在这里可以灵活地通过不同的整体量具形成。因此可 能的是，在形成为背面光栅或正面光栅的整体量具上安置位置测量装置的相应的光学扫描 装置。由此在两种情形下保证，相应的位置测量装置的有效测量平面处于整体量具的背面 的另一边。
[0034] 借此可能的是，能够在有效测量平面内放置待定位的对象，例如晶片。因此特别优 选可在XY台的情况下差不多将全部的阿贝距离降到零并且从而遵守阿贝条件。由此导致 在确定位置时具有高的测量精度几乎不会受到XY台的导向偏差影响。
[0035] 因为导向偏差几乎不再影响位置确定，因此能够使用具有相应地较大公差的更加 简单的导向装置。因为到目前为止高精度的导向装置仍然占XY台制造成本的很大一部分， 因此通过这种方法能够显著地降低费用。
[0036] 借助下述按照本发明的装置的实施例的说明并结合附图对本发明的其它细节和 优势进行详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0037] 所示为：
[0038] 附图1和2示出用于解释按照本发明的光学位置测量装置的理论思想的光路图；
[0039] 附图3a_3c示出按照本发明的光学位置测量装置的第一实施例的剖面图；
[0040] 附图4示出按照本发明的光学位置测量装置的第二实施例的剖面图；
[0041] 附图5a_5c示出按照本发明的光学位置测量装置的第三实施例的剖面图；
[0042] 附图6a_6b示出按照本发明的光学位置测量装置的第四实施例的剖面图。
【具体实施方式】
[0043] 在对按照本发明的光学位置测量装置进行详细说明之前，首先利用附图1和2对 基本的理论思路进行说明。所述附图显示按照本发明的光学位置测量装置的实施例内的扫 描光程。
[0044] 在基于干涉扫描原理的高分辨率的光学位置测量装置中，通常使由光源提供的光 束进行准直校正并且分裂成两个分光束。分光束然后在整体量具上被偏转成不同的衍射级 和最后通过叠加进行干涉并且从中推导出与位置相关的，相移的扫描信号。
[0045] 在附图1中部分示出示范性的光学位置测量装置的光路，所述光学位置测量装置 具有形成为背面光栅的整体量具M。背面光栅包括片状的，透明的衬底S和反射光栅G，所 述反射光栅的反射面在衬底S的方向或在相对整体量具M至少沿测量方向X移动的探头AK 的方向定向。
[0046] 借助该图应首先对位置测量装置的有效测量点NP的位置进行解释。
[0047] 其中假设，两个分裂的分光束的光路与光轴Z对称地伸展，则下面足以仅观察在 整体量具M上偏转成+1衍射级并且在附图1中用TSl表示的分光束。在此整体量具M围 绕Y轴倾斜角度α。所观察到的分光束TSl以对光轴Z的角度βi从探头AK射出，达到形 成为背面光栅的整体量具M的透明的上侧上面，在那里通过在空气衬底S界面上的折射以 对光轴Z的角度β2偏转并且通过衬底S继续向整体量具M的背面的反射光栅G传播。在 那里该分光束以第一衍射级按对光轴Z的角度β3反射地衍射并且在整体量具的上侧上面 重新通过在衬底S空气界面上的折射以对光轴Z的角度β4偏转。分光束TSl然后向探头 AK传播，在那里通过其它没有详细显示的光学部件（像偏转光栅和会聚光栅）按距离Z1, Z2,……Zsh沿光轴Z偏转和最后在光轴Z上面在位置Z=Zm与相对光轴Z与第一分光束 TSl对称地传播的第二分光束TS2重叠，该分光束在附图1中未显示。通过后置的探测器系 统D实现与移动相关的扫描信号的采集。
[0048] 能够最简单地在沿着光轴Z的位置上计算所观察的分光束TSl在光程中发生的相 移。该相移作为kz ·△ζ形式的各个相移量值的和数给出，其中kz代表光路的分段的k矢量 的Z成分和Δ z代表在光轴Z的位置上分段的所属Z伸长。由此对于所产生的分光束TSl 的相移Φ得出：
【权利要求】
1. 用于探测整体量具和至少一个可沿着至少一个测量方向彼此相对运动的探头的相 对位置的光学位置测量装置，其中光学扫描装置这样地设计，使得扫描装置的有效测量点 位于在背向探头定向的方向上与整体量具隔开定义的距离上。
2. 根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其中为了光学扫描整体量具光束经受到 两个分光束的分裂，两个分光束中的每一个施加整体量具的反射光栅至少一次并借此经受 衍射，以便在射入在反射光栅上面的和由此反射回去的分光束之间的角平分线在某点与光 轴相交，所述的点位于整体量具的与探头相背的侧上并且是扫描装置的有效测量点。
3. 根据权利要求2所述的光学位置测量装置，在其中 -至少在施加反射光栅之前实现光束到两个分光束的分裂以及 -当在反射光栅上面实现衍射时分别实现分光束从光轴离开的偏转以及 -通过至少一个偏转元件实现朝光轴的向回偏转，在那里分光束进行重新会聚。
4. 根据权利要求2所述的光学位置测量装置，其中在分裂与重新会聚之间的分裂的分 光束相对光轴对称地伸展。
5. 根据前述权利要求中至少一项所述的光学位置测量装置，其中整体量具形成为背面 光栅并且包括片状的，透明的衬底以及反射光栅，所述反射光栅的反射侧定向在衬底方向 和探头方向上。
6. 根据权利要求1-4中至少一项所述的光学位置测量装置，其中整体量具形成为正面 光栅并且包括反射光栅，所述反射光栅的反射侧定向在探头方向上。
7. 根据前述权利要求中至少一项所述的光学位置测量装置，其中， _整体量具布设成可相对第一探头沿着第一测量方向相对移动和 _整体量具布设成可相对第二探头沿着第二测量方向移动，其中第二测量方向定向成 与第一测量方向正交。
8. 根据权利要求7所述的光学位置测量装置，其中整体量具布没成可以相对第三探头 沿着第一或第二测量方向移动。
9. 根据权利要求7所述的光学位置测量装置，其中整体量具设计成交叉光栅。
10. 根据前述权利要求中至少一项所述的光学位置测量装置，其中探头包括光源，多个 探测器元件以及扫描板，所述扫描板在一侧上面具有分裂光栅以及会聚光栅和在对立侧上 面具有多个其它光栅，使得 -由光源发射的光束通过分裂光栅经受到两个分光束的分裂， -然后分光束分别在扫描板的相对侧上的光栅方向上传播并由此分别经受向光轴方向 的偏转， _然后在整体量具的方向上继续传播，在整体量具沿探头方向产生衍射和向回反射， _分光束分别通过其它光栅经受光轴方向上的偏转并且在扫描板的相对侧上的会聚光 栅方向上传播，在那里分光束达到干涉重叠并且 -重叠的分光束从会聚光栅在探测器元件方向上传播，通过所述探测器元件可以采集 相移扫描信号。
【文档编号】G01B11/00GK104457571SQ201410719523
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2013年9月11日
【发明者】W·霍尔茨阿普费尔 申请人:约翰内斯·海德汉博士有限公司