光學(xué)位置測(cè)量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于探測(cè)整體量具和至少一個(gè)可沿著至少一個(gè)測(cè)量方向彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)的探頭的相對(duì)位置的光學(xué)位置測(cè)量裝置。所述光學(xué)掃描裝置是這樣地設(shè)計(jì)，使得掃描裝置的有效測(cè)量點(diǎn)位于在背向探頭定向的方向上與整體量具隔開(kāi)定義的距離上。
【專利說(shuō)明】光學(xué)位置測(cè)量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光學(xué)位置測(cè)量裝置，所述光學(xué)位置測(cè)量裝置適用于高精度地確定 兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的對(duì)象的相對(duì)位置。

【背景技術(shù)】
[0002] 為了定位平面對(duì)象，例如半導(dǎo)體加工設(shè)備中定位晶片，經(jīng)常使用所謂的XY臺(tái)。在 此平面對(duì)象位于滑塊上面，所述滑塊能夠按直線自由度X，Y和部分上也按旋轉(zhuǎn)自由度Rz移 動(dòng)，即在全部所謂的"平面上自由度"。在這里X和Y表示在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)滑塊的相對(duì)彼此垂 直取向的運(yùn)動(dòng)方向，Z軸則與其垂直取向。由此對(duì)象的旋轉(zhuǎn)自由度Rz是由滑塊可能圍繞Z 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所致。
[0003] 經(jīng)常通過(guò)基于光柵的光學(xué)位置測(cè)量裝置確定滑塊位置，所述光學(xué)位置測(cè)量裝置以 下也被稱作編碼器并且在其中通過(guò)一個(gè)或多個(gè)探頭光學(xué)掃描一個(gè)一維或二維的整體量具。 為了生成高分辨率的位置信號(hào)在所述光學(xué)位置測(cè)量裝置中優(yōu)選使用干涉掃描原理，在其中 一個(gè)由光源發(fā)射的光束被分裂成至少兩個(gè)分光束并且在一次或多次施加整體量具之后使 得干涉性地疊加。
[0004] 在將XY臺(tái)使用在機(jī)器中的時(shí)候待移動(dòng)的對(duì)象通常必須相對(duì)位置固定的工具或傳 感器定位。在此通過(guò)工具和傳感器定義工具點(diǎn)，所述工具點(diǎn)以下被稱作工具中心點(diǎn)（Tool CenterPoint)TCP并且必須確定其與對(duì)象的相對(duì)位置。在此所使用的光學(xué)位置測(cè)量裝置 的測(cè)量點(diǎn)與機(jī)器的TCP之間的較低的有效距離是一個(gè)重要的前提條件，以便滑塊的導(dǎo)向錯(cuò) 誤不會(huì)在定位過(guò)程中影響測(cè)量精確度。該前提條件也以所謂的阿貝條件為人所熟知并且說(shuō) 明，在測(cè)量裝置中位置測(cè)量的有效測(cè)量點(diǎn)必須在測(cè)量方向上對(duì)準(zhǔn)TCP。有效測(cè)量點(diǎn)與TCP之 間的橫向于測(cè)量方向的橫向距離被稱作阿貝距離；在理想的情況下該距離應(yīng)為零。
[0005] 光學(xué)位置測(cè)量裝置的有效測(cè)量點(diǎn)有時(shí)也被稱作中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，這是因?yàn)樘筋^或位置 測(cè)量裝置的整體量具圍繞中性旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的近似線性的傾斜不會(huì)導(dǎo)致位置測(cè)量值的位移并由 此也不會(huì)在位置確定時(shí)導(dǎo)致誤差。
[0006] 如果使用兩個(gè)具有相同測(cè)量方向并且其探頭垂直于共同的測(cè)量方向間隔地布設(shè) 的位置測(cè)量裝置或編碼器進(jìn)行位置測(cè)量，則通過(guò)兩個(gè)位置測(cè)量值的加權(quán)的平均值形成有效 測(cè)量點(diǎn)不會(huì)沿兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)的連接線移動(dòng)。相應(yīng)地可能的是，通過(guò)三個(gè)位置固定的探頭（從 中得到兩個(gè)探測(cè)滑塊的測(cè)量方向Y和探測(cè)滑塊的測(cè)量方向X)通過(guò)三個(gè)位置測(cè)量值的線性 組合使用于位置確定的有效測(cè)量點(diǎn)任意在通過(guò)三個(gè)有效測(cè)量點(diǎn)的XY平面中移動(dòng)。因此XY 平面在以下將被稱作三個(gè)探頭或位置測(cè)量裝置的有效測(cè)量平面。對(duì)此前提條件只是，兩個(gè) 具有相同測(cè)量方向的探頭橫向于其測(cè)量方向安置和三個(gè)探頭的全部有效測(cè)量點(diǎn)位于平行 于兩個(gè)測(cè)量方向的共同平面中。通過(guò)選擇上述的線性組合使得有效測(cè)量點(diǎn)在有效測(cè)量平面 中移動(dòng)，以便它們對(duì)于兩個(gè)測(cè)量方向分別具有最小的阿貝距離。由此有效測(cè)量點(diǎn)與TCP位 于相同的X位置和Y位置。至今只有Z方向的阿貝距離不能消除。已知，尤其所述通過(guò)三 個(gè)位置固定的探頭確定位置尤其與二維交叉光柵整體量具相結(jié)合。與此類似，但是也可能 的是，探頭共同地固定在移動(dòng)的滑塊上和探測(cè)位置固定地安置的交叉光柵整體量具。
[0007] 從WO2011/068254Al中已知一種XY臺(tái)，其在滑塊的底側(cè)上面包括設(shè)計(jì)為交叉光 柵的整體量具，所述整體量具通過(guò)滑塊移動(dòng)并且被三個(gè)安裝在滑塊下面的位置固定的探頭 光學(xué)掃描。三個(gè)位置固定的探頭中有兩個(gè)如上所述沿方向Y測(cè)量，第三個(gè)探頭沿方向X測(cè) 量。由此能夠在編碼器的有效測(cè)量平面中精準(zhǔn)地平面上測(cè)量XY臺(tái)。但是基于所使用的編 碼器的掃描透鏡編碼器的有效測(cè)量點(diǎn)及有效測(cè)量平面位于交叉光柵整體量具的平面。相反 TCP則位于對(duì)象或晶片的上側(cè)，所述晶片布設(shè)在滑塊上面并且由此在Z方向相對(duì)位于其下 的有效測(cè)量平面具有大阿貝距離。由此不能高精度地測(cè)量對(duì)象與TCP的相對(duì)位置。XY臺(tái)的 小的Rx或Ry傾斜，即圍繞X或Y軸傾斜，通過(guò)不可避免的導(dǎo)向偏差造成對(duì)象的相應(yīng)的位置 錯(cuò)誤。
[0008] 類似內(nèi)容也適用于從EP2068112Al中得知的裝置。在這里對(duì)透明的XY滑塊進(jìn) 行了描述，在所述滑塊的上側(cè)上面安裝交叉光柵作為整體量具，三個(gè)位置固定的探頭從下 面穿過(guò)透明的滑塊襯底對(duì)所述交叉光柵進(jìn)行光學(xué)掃描。交叉光柵整體量具因此也形成為所 謂的背面光柵。晶片形式的待定位的對(duì)象位于在透明的XY滑塊的上側(cè)。由此在EP2 068 112Al建議的裝置中探測(cè)頭的有效測(cè)量點(diǎn)在Z方向也不像期望的那樣與TCP重合。準(zhǔn)確地 觀察所建議的掃描表明，在透明的滑塊襯底的厚度為30mm-100mm的情況下在Z方向的阿貝 距離導(dǎo)致10mm-33mm的數(shù)量級(jí)。通過(guò)在Rx和Ry傾斜方面大約25μrad的典型的導(dǎo)向偏差 在位置確定過(guò)程中產(chǎn)生250nm-825nm的測(cè)量誤差，這在這類的應(yīng)用中對(duì)于通常高定位的要 求是不可接受的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明以該任務(wù)為基礎(chǔ)，給出一種光學(xué)位置測(cè)量裝置，在其中能夠盡可能靈活地 調(diào)節(jié)有效測(cè)量點(diǎn)的位置和尤其在遵守阿貝條件方面保證位置測(cè)量裝置的有效測(cè)量點(diǎn)與在 相應(yīng)的機(jī)器中工具的工具中心點(diǎn)之間具有盡可能地小的阿貝距離。
[0010] 按照本發(fā)明該任務(wù)將通過(guò)具有權(quán)利要求1的特征的光學(xué)位置測(cè)量裝置解決。
[0011] 按照本發(fā)明的光學(xué)位置測(cè)量裝置的有利的實(shí)施方式從在從屬權(quán)利要求中實(shí)施的 方法中得出。
[0012] 用于探測(cè)整體量具和至少一個(gè)沿著至少一個(gè)測(cè)量方向彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)的探頭的相 對(duì)位置的按照本發(fā)明的光學(xué)位置測(cè)量裝置具有光學(xué)掃描裝置，所述光學(xué)掃描裝置是這樣地 設(shè)計(jì)：掃描裝置的有效測(cè)量點(diǎn)位于在背向探頭取向的方向與整體量具間隔地定義的距離 上。
[0013] 在這里可能的是，為了光學(xué)掃描整體量具光束經(jīng)受到兩個(gè)分光束的分裂，兩個(gè)分 光束中的每一個(gè)施加整體量具的反射光柵至少一次并借此發(fā)生衍射，以便在射入在反射光 柵上面的和由此反射回去的分光束之間的角平分線在某點(diǎn)與光軸相交，所述的點(diǎn)位于整體 量具的與探頭相背的側(cè)并且是掃描裝置的有效測(cè)量點(diǎn)。
[0014] 可以規(guī)定，
[0015] -至少在施加反射光柵之前實(shí)現(xiàn)光束到兩個(gè)分光束的分裂和
[0016] -當(dāng)在反射光柵上面實(shí)現(xiàn)衍射時(shí)分別實(shí)現(xiàn)分光束的從光軸向外偏轉(zhuǎn)和
[0017] -通過(guò)至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)元件實(shí)現(xiàn)朝光軸向回偏轉(zhuǎn)，在那里分光束進(jìn)行重新會(huì)聚。
[0018] 在此在分裂與重新會(huì)聚之間分裂的分光束可以相對(duì)光軸對(duì)稱地伸展。
[0019] 此外還可能的是，整體量具設(shè)計(jì)成背面光柵并且包括片狀的，透明的襯底以及反 射光柵，所述反射光柵的反射側(cè)在襯底方向和探頭方向定向。
[0020] 此外可能的是，整體量具設(shè)計(jì)成正面光柵并且包括反射光柵，所述反射光柵的反 射側(cè)在探頭方向定向。
[0021] 也可以規(guī)定，
[0022] -整體量具布置成可相對(duì)第一探頭沿著第一測(cè)量方向相對(duì)移動(dòng)和
[0023] -整體量具布置成可相對(duì)第二探頭沿著第二測(cè)量方向移動(dòng)，其中第二測(cè)量方向與 第一測(cè)量方向正交地定向。
[0024] 此外在這里整體量具布置成可相對(duì)第三探頭沿著第一或第二測(cè)量方向移動(dòng)。
[0025] 此外可能的是，整體量具設(shè)計(jì)成交叉光柵。
[0026] 在可能的實(shí)施方式中探頭包括光源，多個(gè)探測(cè)器元件以及掃描板，所述掃描板在 一側(cè)上面具有分裂光柵以及會(huì)聚光柵和在對(duì)立側(cè)上面具有多個(gè)其它光柵，使得
[0027] -由光源發(fā)射的光束通過(guò)分裂光柵經(jīng)受到兩個(gè)分光束的分裂，
[0028] -然后分光束分別在掃描板的相對(duì)面上光柵方向傳播并由此分別經(jīng)受在光軸方向 的偏轉(zhuǎn)，
[0029] -然后在整體量具方向繼續(xù)傳播，在那里沿探頭方向產(chǎn)生衍射和向回反射，
[0030] -分光束分別通過(guò)其它光柵經(jīng)受向光軸方向的偏轉(zhuǎn)并且在掃描板的相對(duì)面上在會(huì) 聚光柵方向傳播，在那里它們達(dá)到干涉重疊以及
[0031] -重疊的分光束從會(huì)聚光柵向探測(cè)器元件方向傳播，通過(guò)所述探測(cè)器元件可以采 集相移掃描信號(hào)。
[0032] 在按照本發(fā)明的位置測(cè)量裝置中證明特別有利的是，例如在與XY臺(tái)組合使用的 情況下阿貝距離差不多可以下降到0。作為結(jié)果在確定通過(guò)XY臺(tái)定位的對(duì)象的位置時(shí)可以 達(dá)到特別高的精度。
[0033] 按照本發(fā)明的位置測(cè)量裝置在這里可以靈活地通過(guò)不同的整體量具形成。因此可 能的是，在形成為背面光柵或正面光柵的整體量具上安置位置測(cè)量裝置的相應(yīng)的光學(xué)掃描 裝置。由此在兩種情形下保證，相應(yīng)的位置測(cè)量裝置的有效測(cè)量平面處于整體量具的背面 的另一邊。
[0034] 借此可能的是，能夠在有效測(cè)量平面內(nèi)放置待定位的對(duì)象，例如晶片。因此特別優(yōu) 選可在XY臺(tái)的情況下差不多將全部的阿貝距離降到零并且從而遵守阿貝條件。由此導(dǎo)致 在確定位置時(shí)具有高的測(cè)量精度幾乎不會(huì)受到XY臺(tái)的導(dǎo)向偏差影響。
[0035] 因?yàn)閷?dǎo)向偏差幾乎不再影響位置確定，因此能夠使用具有相應(yīng)地較大公差的更加 簡(jiǎn)單的導(dǎo)向裝置。因?yàn)榈侥壳盀橹垢呔鹊膶?dǎo)向裝置仍然占XY臺(tái)制造成本的很大一部分， 因此通過(guò)這種方法能夠顯著地降低費(fèi)用。
[0036] 借助下述按照本發(fā)明的裝置的實(shí)施例的說(shuō)明并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的其它細(xì)節(jié)和 優(yōu)勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0037] 所示為：
[0038] 附圖1和2示出用于解釋按照本發(fā)明的光學(xué)位置測(cè)量裝置的理論思想的光路圖；
[0039] 附圖3a_3c示出按照本發(fā)明的光學(xué)位置測(cè)量裝置的第一實(shí)施例的剖面圖；
[0040] 附圖4示出按照本發(fā)明的光學(xué)位置測(cè)量裝置的第二實(shí)施例的剖面圖；
[0041] 附圖5a_5c示出按照本發(fā)明的光學(xué)位置測(cè)量裝置的第三實(shí)施例的剖面圖；
[0042] 附圖6a_6b示出按照本發(fā)明的光學(xué)位置測(cè)量裝置的第四實(shí)施例的剖面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0043] 在對(duì)按照本發(fā)明的光學(xué)位置測(cè)量裝置進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明之前，首先利用附圖1和2對(duì) 基本的理論思路進(jìn)行說(shuō)明。所述附圖顯示按照本發(fā)明的光學(xué)位置測(cè)量裝置的實(shí)施例內(nèi)的掃 描光程。
[0044] 在基于干涉掃描原理的高分辨率的光學(xué)位置測(cè)量裝置中，通常使由光源提供的光 束進(jìn)行準(zhǔn)直校正并且分裂成兩個(gè)分光束。分光束然后在整體量具上被偏轉(zhuǎn)成不同的衍射級(jí) 和最后通過(guò)疊加進(jìn)行干涉并且從中推導(dǎo)出與位置相關(guān)的，相移的掃描信號(hào)。
[0045] 在附圖1中部分示出示范性的光學(xué)位置測(cè)量裝置的光路，所述光學(xué)位置測(cè)量裝置 具有形成為背面光柵的整體量具M(jìn)。背面光柵包括片狀的，透明的襯底S和反射光柵G，所 述反射光柵的反射面在襯底S的方向或在相對(duì)整體量具M(jìn)至少沿測(cè)量方向X移動(dòng)的探頭AK 的方向定向。
[0046] 借助該圖應(yīng)首先對(duì)位置測(cè)量裝置的有效測(cè)量點(diǎn)NP的位置進(jìn)行解釋。
[0047] 其中假設(shè)，兩個(gè)分裂的分光束的光路與光軸Z對(duì)稱地伸展，則下面足以僅觀察在 整體量具M(jìn)上偏轉(zhuǎn)成+1衍射級(jí)并且在附圖1中用TSl表示的分光束。在此整體量具M(jìn)圍 繞Y軸傾斜角度α。所觀察到的分光束TSl以對(duì)光軸Z的角度βi從探頭AK射出，達(dá)到形 成為背面光柵的整體量具M(jìn)的透明的上側(cè)上面，在那里通過(guò)在空氣襯底S界面上的折射以 對(duì)光軸Z的角度β2偏轉(zhuǎn)并且通過(guò)襯底S繼續(xù)向整體量具M(jìn)的背面的反射光柵G傳播。在 那里該分光束以第一衍射級(jí)按對(duì)光軸Z的角度β3反射地衍射并且在整體量具的上側(cè)上面 重新通過(guò)在襯底S空氣界面上的折射以對(duì)光軸Z的角度β4偏轉(zhuǎn)。分光束TSl然后向探頭 AK傳播，在那里通過(guò)其它沒(méi)有詳細(xì)顯示的光學(xué)部件（像偏轉(zhuǎn)光柵和會(huì)聚光柵）按距離Z1, Z2,……Zsh沿光軸Z偏轉(zhuǎn)和最后在光軸Z上面在位置Z=Zm與相對(duì)光軸Z與第一分光束 TSl對(duì)稱地傳播的第二分光束TS2重疊，該分光束在附圖1中未顯示。通過(guò)后置的探測(cè)器系 統(tǒng)D實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)相關(guān)的掃描信號(hào)的采集。
[0048] 能夠最簡(jiǎn)單地在沿著光軸Z的位置上計(jì)算所觀察的分光束TSl在光程中發(fā)生的相 移。該相移作為kz ·△ζ形式的各個(gè)相移量值的和數(shù)給出，其中kz代表光路的分段的k矢量 的Z成分和Δ z代表在光軸Z的位置上分段的所屬Z伸長(zhǎng)。由此對(duì)于所產(chǎn)生的分光束TSl 的相移Φ得出：

【權(quán)利要求】
1. 用于探測(cè)整體量具和至少一個(gè)可沿著至少一個(gè)測(cè)量方向彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)的探頭的相 對(duì)位置的光學(xué)位置測(cè)量裝置，其中光學(xué)掃描裝置這樣地設(shè)計(jì)，使得掃描裝置的有效測(cè)量點(diǎn) 位于在背向探頭定向的方向上與整體量具隔開(kāi)定義的距離上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)位置測(cè)量裝置，其中為了光學(xué)掃描整體量具光束經(jīng)受到 兩個(gè)分光束的分裂，兩個(gè)分光束中的每一個(gè)施加整體量具的反射光柵至少一次并借此經(jīng)受 衍射，以便在射入在反射光柵上面的和由此反射回去的分光束之間的角平分線在某點(diǎn)與光 軸相交，所述的點(diǎn)位于整體量具的與探頭相背的側(cè)上并且是掃描裝置的有效測(cè)量點(diǎn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)位置測(cè)量裝置，在其中 -至少在施加反射光柵之前實(shí)現(xiàn)光束到兩個(gè)分光束的分裂以及 -當(dāng)在反射光柵上面實(shí)現(xiàn)衍射時(shí)分別實(shí)現(xiàn)分光束從光軸離開(kāi)的偏轉(zhuǎn)以及 -通過(guò)至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)元件實(shí)現(xiàn)朝光軸的向回偏轉(zhuǎn)，在那里分光束進(jìn)行重新會(huì)聚。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)位置測(cè)量裝置，其中在分裂與重新會(huì)聚之間的分裂的分 光束相對(duì)光軸對(duì)稱地伸展。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)位置測(cè)量裝置，其中整體量具形成為背面 光柵并且包括片狀的，透明的襯底以及反射光柵，所述反射光柵的反射側(cè)定向在襯底方向 和探頭方向上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)位置測(cè)量裝置，其中整體量具形成為正面 光柵并且包括反射光柵，所述反射光柵的反射側(cè)定向在探頭方向上。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)位置測(cè)量裝置，其中， _整體量具布設(shè)成可相對(duì)第一探頭沿著第一測(cè)量方向相對(duì)移動(dòng)和 _整體量具布設(shè)成可相對(duì)第二探頭沿著第二測(cè)量方向移動(dòng)，其中第二測(cè)量方向定向成 與第一測(cè)量方向正交。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)位置測(cè)量裝置，其中整體量具布沒(méi)成可以相對(duì)第三探頭 沿著第一或第二測(cè)量方向移動(dòng)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)位置測(cè)量裝置，其中整體量具設(shè)計(jì)成交叉光柵。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)位置測(cè)量裝置，其中探頭包括光源，多個(gè) 探測(cè)器元件以及掃描板，所述掃描板在一側(cè)上面具有分裂光柵以及會(huì)聚光柵和在對(duì)立側(cè)上 面具有多個(gè)其它光柵，使得 -由光源發(fā)射的光束通過(guò)分裂光柵經(jīng)受到兩個(gè)分光束的分裂， -然后分光束分別在掃描板的相對(duì)側(cè)上的光柵方向上傳播并由此分別經(jīng)受向光軸方向 的偏轉(zhuǎn)， _然后在整體量具的方向上繼續(xù)傳播，在整體量具沿探頭方向產(chǎn)生衍射和向回反射， _分光束分別通過(guò)其它光柵經(jīng)受光軸方向上的偏轉(zhuǎn)并且在掃描板的相對(duì)側(cè)上的會(huì)聚光 柵方向上傳播，在那里分光束達(dá)到干涉重疊并且 -重疊的分光束從會(huì)聚光柵在探測(cè)器元件方向上傳播，通過(guò)所述探測(cè)器元件可以采集 相移掃描信號(hào)。
【文檔編號(hào)】G01B11/00GK104457571SQ201410719523
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】W·霍爾茨阿普費(fèi)爾 申請(qǐng)人:約翰內(nèi)斯·海德漢博士有限公司