專利名稱：位置測量裝置和帶有多個位置測量裝置的組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位置測量裝置以及一種帶有多個位置測量裝置的組件。
背景技術(shù)：
在用于制造和檢驗半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元件的機器中，經(jīng)常存在精確定位物體的要求。因此可能大約需要的是在曝光單元或者檢驗單元之下高精度地定位晶片。晶片在此位于在六個自由度中可移動的臺(其經(jīng)由相應(yīng)的驅(qū)動器來移動)上。這里即臺作為其位置可高精度地來檢測的物體起作用；為了經(jīng)由驅(qū)動器和所屬的控制單元來定位該臺，需要借助于高精度的位置測量裝置產(chǎn)生對于臺的空間位置的位置信號。通常干涉儀而或以光柵為基礎(chǔ)的光學(xué)的位置測量裝置在這樣的機器中用作高精度的位置測量裝置。然而當(dāng)臺沿著所設(shè)置的運動軸線的行駛路徑大于臺在該運動軸線中的伸展或長度時，在這兩種位置測量裝置中產(chǎn)生問題。借助于干涉儀，通常通過利用測量射線(Messstrahl)探測以鏡子的形式的測量反射器來檢測臺在行駛方向或運動軸線上的位置。測量射線在此平行于所檢測的運動軸線伸延并且位置固定地與機器錨定。如果臺現(xiàn)在附加地在第二行駛方向上運動，則必須保證在臺的每個位置中測量射線打到鏡子上。如果第二行駛方向大于臺的側(cè)面長度且因此也大于安裝在臺處的鏡子的側(cè)面長度，則在一定的位置中測量射線不再打到鏡子上并且干涉儀不再能產(chǎn)生正確的位置信號，也就是說干涉儀失去所檢測的位置。為了避免位置的這樣的損失，因此必須利用附加的第二干涉儀軸線的測量射線來探測鏡子，其相對于第一測量射線在第二行駛方向上偏移成使得在每個臺位置中兩個測量射線中的至少一個打到鏡子上。因為干涉儀通常僅增量地而非絕對地檢測位置，此外需要的是，在測量射線中的一個不再打到鏡子上之前，遞交在兩個干涉儀軸線之間的絕對位置；在此提及所謂的位置遞交(Positionsuebergabe)。借助于干涉儀(`其從外部、也就是說從固定的參考系這里檢測臺位置)，由此在沒有另外的輔助軸線和位置遞交的情況下僅可測量對應(yīng)于臺沿著相應(yīng)的運動軸線的長度的最大的行駛路徑。備選于此如果一起引導(dǎo)被移動的臺上的相應(yīng)的干涉儀組件并且利用干涉儀向外在固定參考系的方向上測量，則產(chǎn)生與光輸送和干涉儀信號的探測相聯(lián)系的問題。此外由于在臺上的附加的干涉儀部件，被移動的臺的質(zhì)量提高，這使其動態(tài)特性變差。此外作為另一缺點，產(chǎn)生總體上相當(dāng)大的測量周期。這意味著，干涉儀不直接相對于相應(yīng)的工具、而是相對于遠處的參考(通常干涉儀的光學(xué)單元的裝配地點、即干涉儀頭部(Interferometerkopf))檢測臺的位置。因此在光學(xué)單元與工具之間的位置的可能的漂移直接涉及所測量的位置的漂移。光學(xué)單元與工具之間的空間間距典型地可處在l-2m的范圍中；而所要求的測量精度對于這樣的應(yīng)用處于nm范圍中。為了借助于干涉儀檢測臺沿著兩個彼此垂直的運動軸線的運動，此外需要的是，被移動的臺可從兩側(cè)這里光學(xué)地接近，這又導(dǎo)致在相應(yīng)的機器的設(shè)計中的一定的限制。在使用以光柵為基礎(chǔ)的位置測量裝置(其由計量體(Massverkoerperung)和一個或多個探測單元構(gòu)成)的情況中，可使用的測量長度受相應(yīng)的計量體的長度限制。對于高動態(tài)的應(yīng)用，如在本情況中，原則上有利的是將這樣的位置測量裝置的測量單元布置在固定參考系中而將計量體布置在被移動的臺上。然而另一方面，該臺應(yīng)盡可能緊湊地構(gòu)建地來實施，這又極強地限制了計量體的可能的長度。尤其證實為不利的是，對于計量體選擇一長度，其大于被移動的臺沿著運動軸線的長度。利用傳統(tǒng)的以光柵為基礎(chǔ)的位置測量裝置的這樣的結(jié)構(gòu)，當(dāng)需要的行駛路徑大于被移動的臺沿著該運動軸線的長度時，尤其在開頭所提及的應(yīng)用中行駛路徑的實現(xiàn)因此也證實為有問題的。而如果反過來將以光柵為基礎(chǔ)的位置測量裝置的探測單元裝配在被移動的臺上，則其質(zhì)量又提高并且不利地影響其動態(tài)特性。在此需要的纜線連接(其將探測單元與固定的參考系相連接)同樣證實為不利的。與先前討論的現(xiàn)有技術(shù)相聯(lián)系，例如參考文件EP I 469 351 AU US 7，907，287B2、US 7，751，060 B2 以及參考博士 Ing.habil.Gerd Jlger 教授在 “Sensoren undMesssysteme第三次 ITG/GMA 專業(yè)會議(9.-11.3.1998，Bad Nauheim)上標題為“Laserinterferometrische Messverfahren-Moeglichkeitj Grenzen und Awendung，，的報
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是說明一種用于可移動的物體的高精度的位置檢測的解決方案，經(jīng)由其至少沿著物體的運動軸線可實現(xiàn)取決于物體的伸展的行駛路徑。該目的通過帶有權(quán)利要求1的特征的位置測量裝置來實現(xiàn)。此外，該目的通過帶有權(quán)利要求6的特征的位置測量裝置來實現(xiàn)。

此外，該目的通過帶有權(quán)利要求11的特征的組件來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的解決方案的有利的實施形式在相應(yīng)從屬的權(quán)利要求中找到。根據(jù)本發(fā)明作為第一解決方案設(shè)置有一種位置測量裝置，其用于檢測物體沿著第三軸線的位置，第三軸線垂直于物體的兩個正交的、第一和第二主運動軸線定向。其包括
-光源，其沿著第一主運動軸線在物體的方向上發(fā)射射線束(Strahlenbuendel),
-布置在物體處的計量體，其由周期性地沿著第三軸線布置的分度標記(Teilungsmarkierung)構(gòu)成，
-沿著第三軸線與物體相間隔地布置的至少一個反射器，
-貓眼反射器組件(Retroreflektoranordnung)以及 -探測器組件，其中
其布置和構(gòu)造成使得從由射線束產(chǎn)生的測量射線和參考射線的疊加中可產(chǎn)生關(guān)于物體沿著第三軸線的運動的位置信號。在一可能的實施形式中貓眼反射器組件可包括分束器元件、參考反射器以及貓眼反射器。反射器可
-構(gòu)造為入射光-衍射光柵(Auflicht-Beugungsgitter),其包括周期性地沿著第一主運動軸線布置的分度標記，或者
-構(gòu)造為平面鏡，其垂直于射入其上的測量射線來布置。
有利地布置在物體處的計量體作為入射光-衍射光柵構(gòu)造成使得射入其上的射線束僅以+/-1.級經(jīng)歷衍射并且衍射的+/-1.級的分射線束(Teilstrahlenbuendel)經(jīng)歷在至少一個反射器的方向上的反射。在根據(jù)本發(fā)明的第一位置測量裝置的實施形式中設(shè)置成，
-由光源發(fā)射的射線束在貓眼反射器組件中經(jīng)歷分裂成測量射線和參考射線，
-測量射線在計量體的方向上傳播并且在其上經(jīng)歷在反射器的方向上的反射和衍射， -測量射線在反射器處經(jīng)歷在計量體的方向上的第一反向反射(Rueckreflexion),
-測量射線在計量體處經(jīng)歷在貓眼反射器組件的方向上的第一反向反射，在那里測量射線經(jīng)歷在計量體的方向上的貓眼反射和反向反射，
-測量射線在計量體處經(jīng)歷在反射器的方向上的第二反射和衍射，
-測量射線在反射器處經(jīng)歷在計量體的方向上的第二反向反射，
-測量射線從計量體經(jīng)歷在貓眼反射器組件的方向上的第二反向反射并且 -參考射線穿過貓眼反射器組件并且然后
-經(jīng)歷與在第二反向反射之后到達計量體這里的測量射線的疊加并且由測量射線和參考射線構(gòu)成的疊加對在探測器組件的方向上傳播。根據(jù)本發(fā)明作為第二解決方案設(shè)置有一種位置測量裝置，其用于檢測物體沿著第二主運動軸線的位置，其中，物體沿著兩個正交的、第一和第二主運動軸線可移動地來布置，該測量裝置帶有
-光源，其沿著第一主運·動軸線在物體的方向上發(fā)射射線束，
-布置在物體處的計量體，其包括周期性地沿著第二主運動軸線布置的分度標記，
-在第三軸線的方向上與物體相間隔地布置的至少一個反射器，其中，第三軸線垂直于第一和第二主運動軸線定向，
-貓眼反射器組件以及 -探測器組件
其布置和構(gòu)造成使得從由射線束產(chǎn)生的測量射線和參考射線的疊加中可產(chǎn)生關(guān)于物體沿著第二主運動軸線(X)的運動的位置信號。反射器可
-包括在第二主運動軸線的方向上相間隔的兩個入射光-衍射光柵，其具有周期性地布置的分度標記，或者
-包括在第二主運動軸線的方向上相間隔的兩個平面鏡，其相應(yīng)垂直于射入其上的測量射線來布置。有利地，布置在物體處的計量體作為入射光-衍射光柵構(gòu)造成使得射入其上的射線束僅以+/-1.級經(jīng)歷衍射并且衍射的+/-1.級的分射線束作為測量射線和參考射線經(jīng)歷在至少一個反射器的方向上的反射?？赡艿氖?，布置在物體處的計量體
-構(gòu)造為一維的計量體，其以相對于第三軸線(Z)不等于0°的角度布置在物體處，或
者
-構(gòu)造為二維的計量體，其平行于第三軸線布置在物體處且此外包括周期性地沿著第三軸線布置的分度標記。
在根據(jù)本發(fā)明的第二位置測量裝置的實施形式中設(shè)置成，
-由光源發(fā)射的射線束在計量體的方向上傳播并且在那里經(jīng)歷分裂成兩個分射線束，其可作為測量射線和參考射線用于干涉地產(chǎn)生位置信號，并且其中，兩個分射線束在在計量體處的反射之后在不同的方向上傳播至反射器，
-兩個分射線束在反射器處相應(yīng)經(jīng)歷在計量體的方向上的第一反向反射，
-兩個分射線束在計量體處經(jīng)歷在貓眼反射器組件的方向上的第一反向反射，在那里兩個分射線束經(jīng)歷在計量體的方向上的貓眼反射和反向反射，
-兩個分射線束在計量體處經(jīng)歷在反射器的方向上的第二反射和衍射，
-兩個分射線束在反射器處經(jīng)歷在計量體的方向上的第二反向反射，
-分射線束在計量體處實現(xiàn)再結(jié)合(Wiedervereinigung)并且疊加的射線束從計量體在探測器組件的方向上傳播。根據(jù)本發(fā)明的組件包括
-物體，其沿著兩個正交的、第一和第二主運動軸線并且沿著垂直于此的第三軸線可移動地來布置，以及
-用于檢測物體在多個空間自由度中的位置的多個位置測量裝置，其中，多個光學(xué)的位置測量裝置從唯一的探測方向探測物體并且探測方向與兩個主運動軸線中的一個相符。在一有利的實施形式中不同的位置測量裝置的在物體處需要的所有計量體和/或測量反射器布置在物體的共同的側(cè)面處。可能的是，用于檢測物體沿著第一主運動軸線的運動并且用于檢測物體圍繞第二主運動軸線和圍繞第三軸線的旋轉(zhuǎn)運動的位置測量裝置構(gòu)造為3軸線干涉儀并且具有三個測量射線，其加載在物體處的測量反射器，其中，第一和第二測量射線在相同高度上在第三軸線中并且相間隔地在第二主運動方向上延伸而第三測量射線在第三軸線的方向上在第一和第二測量射線之下延伸。為了檢測物體沿著第三軸線的運動并且為了檢測物體圍繞第一主運動軸線的旋轉(zhuǎn)運動，可設(shè)置有兩個根據(jù)本發(fā)明的第二位置測量裝置，它具有兩個測量射線，其加載在物體處的計量體，其中，兩個測量射線在相同高度上沿著第三軸線且相間隔地在第二主運動方向上延伸。為了檢測物體沿著第二主運動軸線的運動，可設(shè)置有根據(jù)本發(fā)明的第一位置測量裝置，它具有測量射線，其加載在物體處的計量體。因此經(jīng)由根據(jù)本發(fā)明的措施可實現(xiàn)物體沿著運動軸線的所要求的長的行駛路徑并且同時確保物體的高精度的位置檢測。根據(jù)本發(fā)明的解決方案在此不需要由于位置測量裝置的附加部件而提高被移動的物體的質(zhì)量。同樣放棄被移動的物體與固定參考系的纜線連接，也就是說在被移動的物體處僅布置有(多個)位置測量裝置的被動的部件。在根據(jù)本發(fā)明的組件的一可能的實施方案中，可實現(xiàn)相應(yīng)地可移動地支承的物體的所有六個自由度的檢測。原則上在此可能在得出相應(yīng)的測量任務(wù)時也相應(yīng)獨立于整個組件使用第一和第二根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置。

作為對根據(jù)本發(fā)明的組件特別有利的最后應(yīng)提及的是，為了測量相應(yīng)的物體的所有六個自由度，其僅須從唯一的探測方向光學(xué)地來觸碰或探測。這優(yōu)選地從對應(yīng)于較長的主運動軸線的方向?qū)崿F(xiàn)。當(dāng)相應(yīng)的物體例如構(gòu)造為機器中可移動的臺時，以該方式產(chǎn)生擴大的結(jié)構(gòu)可能性。


根據(jù)實施例的接下來的說明結(jié)合附圖來闡述本發(fā)明的另外的細節(jié)和優(yōu)點。其中: 圖1顯示用于定義不同軸線(物體沿著其運動)的原理 圖2a以第一視圖(zy_平面)顯示根據(jù)本發(fā)明的第一位置測量裝置的探測光路(Abtaststrahlengang)的極其示意性的圖示；
圖2b以第二視圖(xy-平面)顯示根據(jù)本發(fā)明的第一位置測量裝置的探測光路的極其示意性的圖示；
圖2c顯示對根據(jù)本 發(fā)明的第一位置測量裝置的計量體的俯視 圖2d顯示對根據(jù)本發(fā)明的第一位置測量裝置的反射器的俯視 圖3a以第一視圖(zy_平面)顯示根據(jù)本發(fā)明的第二位置測量裝置的探測光路的極其示意性的圖示；
圖3b以第二視圖(xy-平面)顯示根據(jù)本發(fā)明的第二位置測量裝置的探測光路的極其示意性的圖示；
圖3c顯示對根據(jù)本發(fā)明的第二位置測量裝置的反射器的俯視 圖3d顯示根據(jù)本發(fā)明的第二位置測量裝置的光路的一部分的放大的圖示(zy-平面)；
圖4a以第一視圖(zy_平面)顯示根據(jù)本發(fā)明的組件的極其示意性的圖示；
圖4b以第二視圖(xy-平面)顯示根據(jù)本發(fā)明的組件的極其示意性的圖示；
圖4c顯示對根據(jù)本發(fā)明的組件的測量反射器和計量體的俯視 圖4d顯示對根據(jù)本發(fā)明的組件的反射器的俯視圖。
具體實施例方式圖1顯示原理圖，根據(jù)其對于接下來的說明來定義不同軸線x、y、z，物體I沿著其運動并且其沿著不同軸線x、y、z的運動應(yīng)被檢測。僅示意性地示出的物體I例如是被用于半導(dǎo)體制造或者用于半導(dǎo)體檢驗的機器的臺。在臺上例如可布置有晶片，其為了加工或者檢驗應(yīng)相對于其它機器部件高精度地來定位。臺或者說物體I在此沿著長的移動軸線或沿著第一主運動軸線I和沿著垂直于此的、較短的第二主運動軸線X運動；此外，物體I能夠沿著第三軸線z運動，其又垂直于第一和第二主運動軸線y、χ取向。因此沿著第一主運動軸線y對于物體I設(shè)置有比沿著垂直于此的第二主運動軸線χ更長的行駛路徑。此外在本實施例中，沿著第一主運動軸線I的行駛路徑比物體I沿著該主運動軸線I的伸展更長。除了檢測沿著兩個主運動軸線X、y和第三軸線z的線性的物體運動之外，為了物體I的高精度的定位，此外需要在測量技術(shù)上檢測物體I圍繞三個不同的軸線x、y、z的旋轉(zhuǎn)運動，以便在所有六個自由度中確定物體I在空間中的位置。物體I圍繞軸線x、y、z的旋轉(zhuǎn)運動下面被稱為Rx、Ry和Rz運動。多個位置測量裝置用于檢測可移動的物體I的所有六個自由度，其可適宜地被聯(lián)合成組件或者總系統(tǒng)。這些位置測量裝置中的兩個(其也可獨立于總系統(tǒng)用于檢測六個自由度)下面作為第一和第二解決方案相應(yīng)單獨來說明。最后，用于檢測所有六個自由度的總系統(tǒng)作為由多個位置測量裝置構(gòu)成的組件來闡述。接下來首先根據(jù)在圖2a_圖2d中極其示意性的圖示來說明根據(jù)本發(fā)明的第一位置測量裝置，其用于檢測沿著第三軸線的物體運動，其垂直于兩個主運動軸線x、y定向。該解決方案可如已提及的那樣原則上還獨立于接下來還待闡述的整體(組件)使用于相應(yīng)的應(yīng)用中。根據(jù)本發(fā)明的第一位置測量裝置(其示出由干涉儀和以光柵為基礎(chǔ)的位置測量裝置構(gòu)成的組合)在本實施例中包括光源2.1、布置在物體I處的計量體3、沿著第三軸線z與物體相間隔地布置的反射器4、貓眼反射器組件2.6以及探測器組件2.5。光源2.1、貓眼反射器組件2.6和探測器組件2.5在此布 置在光學(xué)單元2中，其在長的、第一主運動軸線y中與物體I相間隔地來布置。接下來闡述光路，在根據(jù)本發(fā)明的第一位置測量裝置中經(jīng)由其產(chǎn)生關(guān)于沿著第三軸線z的運動的位置信號。光源2.1、例如帶有前置的準直儀鏡頭(Kollimatorlinse)的合適的激光光源在物體I的方向上發(fā)射沿著y方向、也就是說沿著第一主運動軸線y對準的射線束。在光學(xué)單元2的貓眼反射組件2.6中，射線束打到分束器元件2.2 (其這里構(gòu)造為分束器立方體(Strahlteilerwuerfel))上。經(jīng)由分束器元件2.2或其分束器面,射入其上的射線束被分裂成測量射線和參考射線。在圖2b中接下來以實線示出測量射線、以虛線示出參考射線。在分裂之后測量射線沿著第一主運動軸線y在物體I的方向上或在布置在物體處的計量體3的方向上傳播。如從圖2c中的俯視圖可見，計量體3由周期性地沿著第三軸線z布置的帶有不同光學(xué)反射特性的分度標記構(gòu)成，也就是說入射光-衍射光柵作為計量體3起作用。在此其構(gòu)造成使得射入其上的射線束僅以+/-1.級經(jīng)歷衍射而0.級被壓制。在所示的示例中產(chǎn)生射入的測量射線在反射器4的方向上的第一反射和衍射。在該變體中這兩個產(chǎn)生的衍射分支中的僅僅一個、即以+1.級的那個被用于產(chǎn)生信號。這樣構(gòu)造的計量體3在本實施例中在物體I的整個長度上沿著第二主運動軸線X延伸。反射器4沿著第三軸線z與物體I相間隔地來布置并且與相對于可移動的物體I靜止的機器部件5相連結(jié)。在本實施例中反射器4構(gòu)造為入射光-衍射光柵，經(jīng)由其在物體處產(chǎn)生測量射線自身在計量體3的方向上的反向反射。根據(jù)圖2d(其示出對反射器4的俯視圖)，其由周期性地沿著第一主運動軸線y布置的不同反射特性的分度標記構(gòu)成。經(jīng)由計量體3測量射線然后經(jīng)歷在貓眼反射器組件2.6的方向上的第一反向反射。在那里在分束器元件2.2中實現(xiàn)在貓眼反射器2.3方向上的偏轉(zhuǎn)并且接下來在物體I處實現(xiàn)在計量體3的方向上的重新的反射和貓眼反射。在測量射線在反射器4處經(jīng)歷在計量體3的方向上的第二反射和衍射之前，在計量體3處產(chǎn)生在反射器4的方向上的第二反射和衍射。最后由計量體3第二次在貓眼反射器組件2.6的方向上反射測量射線。在分束器元件2.2處產(chǎn)生的參考射線以接下來所闡述的方式在分裂之后穿過貓眼反射器組件2.6。由此參考射線首先在參考反射器2.4 (例如構(gòu)造為平面鏡)的方向上傳播、從那里被反射并且到達貓眼反射器2.3，其例如可構(gòu)造為貓眼反射的三棱鏡。在就此產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)之后，參考射線再一次在參考反射器2.4方向上傳播并且本身再一次被其反射。在分束器元件2.2的分束器面處參考射線與從物體I這里射入的測量射線達到干涉的疊力口。由測量射線和參考射線構(gòu)成的疊加對接下來在(僅示意性地表示的)探測器組件2.5的方向上傳播。探測器組件2.5在此可構(gòu)造為已知的干涉儀-探測器組件，其使能夠檢測相位移動的干涉儀信號。在物體I包括計量體3沿著第三軸線z運動的情況中，當(dāng)P示出計量體3在z方向中的分度周期時，因此在探測器組件2.5處產(chǎn)生相位移動的帶有信號周期P/4的多個信號。在物體在y方向上的另一運動分量的情況中，經(jīng)由探測器組件2.5產(chǎn)生的位置信號包含附加的分量。因為在該第一主運動軸線y中的物體運動通常經(jīng)由單獨的位置測量裝置來檢測，該分量是已知的，使得與該信息相結(jié)合可沿著z方向確定需要的位置信息或物體自由度。在 該位置測量裝置中使用貓眼反射器2.6用于補償由于移動的物體I相對于名義位置的可能的翻傾而產(chǎn)生的射線剪切(Strahlscherung)。在此應(yīng)指出的是，備選于所示出的實施形式，貓眼反射器組件2.6也可在本發(fā)明且尤其其對測量射線貓眼反射的效果的范圍中被調(diào)換；例如也可使用其它的棱鏡和/或鏡子組合。關(guān)于物體沿著第三軸線z的運動的位置信號的產(chǎn)生在所闡述的第一位置測量裝置中因此通過物體I或布置在其處的計量體3從唯一的探測方向的光學(xué)探測而實現(xiàn)，探測方向與帶有更長的行駛路徑的第一主運動軸線y相符。除了根據(jù)本發(fā)明的第一位置測量裝置的所示出的變體之外，對此還存在備選的實施形式。由此例如可設(shè)置成將反射器4在物體I之上構(gòu)造為平面鏡，其垂直于射入其上的測量射線來布置。此外可能不僅利用在計量體3處產(chǎn)生的+/- 1.兩個衍射級中的一個，而且利用所產(chǎn)生的兩個衍射級。對此那么必須將第二反射器設(shè)置在物體I之下，其類似于來自所闡述的示例的反射器4來構(gòu)造。此外在相應(yīng)的組件中可設(shè)置成根據(jù)給定的測量需求以多重的實施方案使用所說明的第一位置測量裝置。接下來根據(jù)圖3a至圖3d來闡述根據(jù)本發(fā)明的第二位置測量裝置。第二位置測量裝置用于檢測物體I沿著第二主運動軸線χ、也就是說沿著圖1中兩個主運動軸線χ、y中較短的那個的位置。就如根據(jù)本發(fā)明的第一位置測量裝置那樣，第二位置測量裝置原則上也可單獨地、也就是說獨立于接下還待闡述的(總)組件被用于確定位置。根據(jù)本發(fā)明的第二位置測量裝置在本實施例中包括光源12.1、布置在物體I處的計量體13、沿著第三軸線z與物體相間隔地布置的反射器14.1、14.2、貓眼反射器組件12.6以及探測器組件12.5。反射器在所示出的實施例中在此兩件式地來構(gòu)造。光源12.1、貓眼反射器組件12.6和探測器組件12.5布置在光學(xué)單元12.1中，其在長的、第一主運動軸線y中與物體I相間隔地來布置。在第二主運動軸線χ中物體自由度的檢測因此也經(jīng)由從探測方向光學(xué)探測物體I或位置測量裝置的布置在其處的部件而實現(xiàn)，探測方向與物體I的第一主運動軸線I相符。接下來根據(jù)附圖來闡述光路，經(jīng)由其在根據(jù)本發(fā)明的第二位置測量裝置中產(chǎn)生關(guān)于沿著較短的、第二主運動軸線X的運動的位置信號。光源12.1 (例如又構(gòu)造為帶有前置的準直儀鏡頭的激光光源)在物體I的方向上發(fā)射沿著y方向、也就是說沿著第一主運動軸線I對準的射線束。在光學(xué)單元12的貓眼反射器組件12.6中，所發(fā)射的射線束打到分束器元件12.2上，其構(gòu)造為分束器立方體。在分束器元件12.2中射線束經(jīng)過偏轉(zhuǎn)面12.7并且沿著第一主運動軸線I在物體I的方向上或在布置在物體I處的計量體13的方向上傳播。在根據(jù)本發(fā)明的第二位置測量裝置的所示出的實施例中，計量體13在物體處現(xiàn)在不垂直地關(guān)于射入的射線束或平行于第三軸線z來布置，而是以相對于z軸線不等于90°的角度α或逆平行于ζ軸線來布置，如這從圖3d中可見。計量體13 (其在物體I的完整長度上沿著第二主運動軸線χ延伸)如從圖3b中的圖示可見，由周期性地沿著第二主運動軸線χ布置的帶有不同的光學(xué)反射特性的分度標記構(gòu)成。因此入射光-衍射光柵作為計量體13起作用。在此其構(gòu)造成使得在第一碰撞點Pl處射入其上的射線束僅以+/-1.級經(jīng)歷衍射而0.級被壓制。在根據(jù)本發(fā)明的第二位置測量裝置的所示出的實施例中所示的示例引起第一反射和衍射或射入的射線束分裂成兩個分射線束，其在兩件式的反射器14.1,14.2的方向上傳播，如這在圖3b中所示。反射器
14.1,14.2沿著第三軸線ζ與物體I相間隔地來布置并且與相對于物體I靜止的機器部件5機械地相連接。因此在根據(jù)本發(fā)明的第二位置測量裝置中在計量體13處分裂的兩個分射線束作為測量射線和參考射線起作用。其被用于干涉地產(chǎn)生關(guān)于沿著第二主運動軸線X的物體運動的位置信號。嚴格地說在此不同于根據(jù)本發(fā)明的第一位置測量裝置，實際上涉及兩個測量射線，因為兩個 測量射線加載被移動的物體I ;與此相對在第一位置測量裝置中參考射線不達到物體I。然而接下來由于統(tǒng)一術(shù)語的原因，在第二位置測量裝置中也提及測量射線和參考射線，由其疊加來產(chǎn)生感興趣的位置信號。在根據(jù)本發(fā)明的第二位置測量裝置的所示出的實施例中反射器14.1,14.2包括在第二主運動軸線X的方向上相間隔的兩個入射光-衍射光柵，其由周期性布置的不同反射率的分度標記構(gòu)成。根據(jù)在圖3C中反射器14.1,14.2的兩個入射光-衍射光柵的視圖，分度標記傾斜地相對于第二主運動軸線χ延伸。由于入射光-衍射光柵或反射器14.1、14.2的這樣選擇的構(gòu)造，這兩個分射線束本身在計量體13的方向上在物體I處被反射(Littrow組件)。經(jīng)由計量體13這兩個分射線束然后經(jīng)歷在貓眼反射器組件12.6的方向上的第一反向反射。在那里在分束器元件12.2中在偏轉(zhuǎn)面12.7處實現(xiàn)這兩個射入的分射線束在貓眼反射器12.3的方向上的偏轉(zhuǎn)并且接下來在計量體13的方向上在物體I處實現(xiàn)分射線束在偏轉(zhuǎn)面12.7處的重新反射和貓眼反射。在計量體13上這兩個分射線束然后到達第二碰撞點P2，其在ζ方向上與射線束的第一碰撞點Pl相間隔。最后由計量體13產(chǎn)生分射線束在反射器14.1,14.2的方向上的第二反射。在反射器14.1,14.2處這兩個分射線束那么經(jīng)歷在計量體13的方向上的第二反射。在計量體13上分射線束或者說測量射線和參考射線被再結(jié)合并且作為疊加的射線束在又僅示意性地表示的探測器組件12.5的方向上傳播。在物體I包括計量體13沿著第二主運動軸線χ運動的情況中，經(jīng)由探測器組件12.5產(chǎn)生多個相位移動的位置信號，其例如可用于物體I的運動控制。由于所選擇的帶有計量體13的兩次加載和貓眼反射器組件2.6的設(shè)置在其之間的穿過的光路，可補償由于被移動物體I的翻傾而產(chǎn)生的位置信號的擾動(Einbruch)。在這樣的翻傾的情況中結(jié)果將是射線剪切和莫爾效應(yīng)并且將導(dǎo)致所提及的在位置信號的強度中的擾動。除了根據(jù)本發(fā)明的第二位置測量裝置的示出的實施例之外當(dāng)然還存在備選的實施形式。例如可大概設(shè)置成在物體I之上借助于兩個平面鏡來構(gòu)造反射器14.1,14.2，其相應(yīng)垂直于射入其上的分射線束來布置。此外可能通過二維的計量體(其平行于第三軸線ζ布置在物體處)來代替在物體I處以相對第三軸線ζ成角度α布置的一維的計量體13。除了沿著第二主運動軸線X周期性的分度標記之外，其那么還包括周期性地沿著第三軸線ζ布置的分度標記。代替+1和-1衍射級，此外也可能利用兩個其它的、不同的衍射級用于測量射線和參考射線并且將其帶到干涉地疊加。最后根據(jù)圖4a至圖4d現(xiàn)在應(yīng)說明一組件，其適合于借助于多個位置測量裝置在六個自由度中檢測物體I的位置。物體I (例如又是用于半導(dǎo)體制造或者檢驗的機器中的臺)在此如在圖1中所繪沿著第一和第二主運動軸線y、x以及沿著垂直于此的第三軸線Z可移動。第一主運動軸線I又表示在χ方向和y方向上的兩個移動軸線中的較長的那個；物體I沿著該第一主運動軸線y可移動比物體I在該方向上的伸展明顯更長的量。在圖4a、4b中在此僅極其示意性地表示決定性的測量射線光路，其被用于物體I在六個自由度中的位置檢測或位置確定；出于清晰性原因放棄示出各個位置測量裝置的詳細的光路。尤其在此另外不可見的是，不同的測量射線兩次在物體I的方向上傳播。為了檢測物體I沿著第一主運動軸線I的運動且為了檢測物體I圍繞第二主運動軸線χ和第三軸線ζ的旋轉(zhuǎn)運動Rx、Rz，設(shè)置有本身已知的位置測量裝置。其構(gòu)造為所謂的3軸線干涉儀，如其例如從文件US 6，542，247 B2中已知。在根據(jù)本發(fā)明的組件中所使用的3軸線干涉儀利用三個測量射線My1、My2、My3，其相應(yīng)從第二主運動軸線y的方向這里探測物體I。在物體I處對此布置有測量反射器23.1，三個測量射線My1、My2、My3如從圖4a、4b中可見射入到其上并且從那里又在光學(xué)單元12的方向上被反射回。測量反射器23.1在物體I處布置在與第二主運動軸線I中的光學(xué)單元12相關(guān)聯(lián)的側(cè)面處。在圖4c中測量反射器23.1從探測方向可見，此外可見射入其上的三個測量射線My1、My2、My3的碰撞點PMy1、PMy2、PMy3。3軸線干涉儀以及根據(jù)本發(fā)明的組件的另外的位置測量裝置的另外的光學(xué)部件安裝在光學(xué)單元12中。此外在3軸線干涉儀的情況中大約涉及合適的光源、一個或多個分束器元件、參考反射器和探測器組件。如從圖4a、4b和4c中可見，該位置測量裝置或3軸線測量儀的第一和第二測量射線My1、My2在相同的高度上在ζ方向上延伸并且在χ方向上彼此相間隔地在碰撞點PMy1、PMy2、PMy3處打到測量反射器23.1上。在所示出的實施例中，3軸線干涉儀的第三測量射線My3在ζ方向上在第一和第二測量射線My1Jy2之下延伸，其在碰撞點PMy3處打到測量反射器23.1上。從經(jīng)由這樣的三個測量射線My1、My2、My3獲得的間距信號中，因此可檢測關(guān)于物體運動的三個自由度。相應(yīng)的間距信號在此相應(yīng)從測量射線My1、My2, My3與(未示出的)參考射線的干涉疊加和相應(yīng)的信號經(jīng)由合適的探測器組件的探測中得出。如開頭所提及地，涉及物體I沿著第一 主運動軸線I的運動和物體I圍繞第二主運動軸線χ和第三軸線ζ的旋轉(zhuǎn)運動Rx、Rz。
為了檢測物體I在兩個另外的自由度中的運動、即物體I沿著第三軸線ζ的運動并且為了檢測物體I圍繞第一主運動軸線I的旋轉(zhuǎn)運動Ry使用兩個另外的的位置測量裝置，其相應(yīng)具有結(jié)構(gòu)或光路，如上面所詳細闡述的第一位置測量裝置。這些位置測量裝置的這兩個所利用的測量射線在圖4a和圖4b中以附圖標記MZl、Mz2標明并且在相同的高度上在ζ方向上和在χ方向上彼此相間隔地延伸。在物體I處該位置測量裝置的這兩個測量射線MZl、Mz2如上面所說明的那樣在兩個碰撞點PMZl、PMz2上打到計量體23.2上，經(jīng)由其實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)至反射器24。從反射器24這兩個位置測量裝置的相應(yīng)的測量射線MZl、Mz2又經(jīng)由計量體23.2被反射回到光學(xué)單元12的方向上，在那里還布置有這兩個位置測量裝置的不同的另外的需要的光學(xué)部件。對于這兩個位置測量裝置所需要的計量體23.2(如3軸線干涉儀的測量反射器23.1)在物體I處布置在與第二主運動軸線I中的光學(xué)單元12相關(guān)聯(lián)的側(cè)面上；圖4c從探測方向顯示了該側(cè)的俯視圖。最后為了檢測可移動的物體I的第六自由度(即物體I沿著第二主運動軸線X的運動)在該組件中設(shè)置有位置測量裝置，其對應(yīng)于上面所闡述的第二位置測量裝置。所屬的測量射線在圖4a、4b中以Mx來標明并且在碰撞點PMx處打到布置在物體I處的計量體23.3上。該計量體23.3也如3軸線測量儀的測量反射器23.1和另一計量體23.2那樣在物體I處布置在與第二主運動軸線I中的光學(xué)單元12相關(guān)聯(lián)的側(cè)面處。從計量體23實現(xiàn)測量射線Mx或相應(yīng)的分射線束在反射器24的方向上的分裂和偏轉(zhuǎn)；接下來的光路對應(yīng)于上面結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的第二位置測量裝置所說明的光路。該位置測量裝置的另外的光學(xué)部件也布置在光學(xué)單元12中。在圖4d中顯示反射器24的該側(cè)面，由計量體23.2,23.3衍射的測量射線Mz1Jz2和Mx打到其上并且在Littrow組件中又被反射回。除了布置在中間的用于測量射線Mx的兩個反射器24.1>24.2之外,布置在外面的用于測量射線MzpMz2的兩個反射器23.3、24.4可見。不同的反射器如上面所 闡述的那樣相應(yīng)構(gòu)造為入射光-衍射光柵。經(jīng)由該組件現(xiàn)在可在所有六個自由度中檢測可移動的物體I的位置。在此對于所提出的組件決定性的是，所有所使用的位置測量裝置的光學(xué)探測從唯一的探測方向這里實現(xiàn)。在所示出的實施例中這是第一主運動方向y，相對于第二主運動方向χ沿著其明顯更長的行駛路徑對于物體I是可能的。不同的、所使用的位置測量裝置的所有測量射線My1、My2> My3> Mz1、Mz2和Mx沿著該方向延伸。除了根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置或根據(jù)本發(fā)明的組件的所闡述的實施例之外，當(dāng)然在本發(fā)明的范圍中還存在另外的設(shè)計可能性。這例如涉及在相應(yīng)的位置測量裝置中的備選的光路、用于實現(xiàn)必要時所需的參考光路的其它變體或者用于需要的貓眼反射的備選的變體。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測物體(1)沿著第三軸線(Z)的位置的位置測量裝置，所述第三軸線(z)垂直于所述物體(1)的兩個正交的、第一和第二主運動軸線(y，x)定向，所述位置測量裝置帶有 -光源(2.1)，其沿著所述第一主運動軸線(y)在所述物體的方向上發(fā)射射線束， -布置在所述物體(1)處的計量體(3)，其由周期性地沿著所述第三軸線(z)布置的分度標記構(gòu)成， -沿著所述第三軸線(z)與所述物體(1)相間隔地布置的至少一個反射器(4)， -貓眼反射器組件(2.6)以及 -探測器組件(2.5)， 其布置和構(gòu)造成使得從由所述射線束產(chǎn)生的測量射線和參考射線的疊加中能夠產(chǎn)生關(guān)于所述物體(I)沿著所述第三軸線(z)的運動的位置信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其中，所述貓眼反射器組件(2.6)包括分束器元件(2.2)、參考反射器(2.4)以及貓眼反射器(2.3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其中，所述反射器(4) -構(gòu)造為入射光-衍射光柵，其包括周期性地沿著所述第一主運動軸線(y)布置的分度標記或者 -構(gòu)造為平面鏡，其垂直于射入其上的所述測量射線來布置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其中，布置在所述物體(I)處的所述計量體(3)作為入射光-衍射 光柵構(gòu)造成使得射入其上的射線束僅以+/-1.級經(jīng)歷衍射并且衍射的+/-1.級的分射線束經(jīng)歷在至少一個所述反射器(4)的方向上的反射。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的至少一項所述的位置測量裝置，其中 -由所述光源(2.1)發(fā)射的所述射線束在所述貓眼反射器組件(2.6)中經(jīng)歷分裂成測量射線和參考射線， -所述測量射線在所述計量體(3)的方向上傳播并且在其上經(jīng)歷在所述反射器(4)的方向上的反射和衍射，-所述測量射線從所述反射器(4)經(jīng)歷在所述計量體(3)的方向上的第一反向反射，-所述測量射線從所述計量體(3)經(jīng)歷在所述貓眼反射器組件(2.6)的方向上的第一反向反射，在那里所述測量射線經(jīng)歷在所述計量體(3)的方向上的貓眼反射和反向反射， -所述測量射線在所述計量體(3)處經(jīng)歷在所述反射器(4)的方向上的第二反射和衍射， -所述測量射線在所述反射器(4)處經(jīng)歷在所述計量體(3)的方向上的第二反向反射， -所述測量射線在所述計量體(3)處經(jīng)歷在所述貓眼反射器組件(2.6)的方向上的第二反向反射并且 -所述參考射線穿過所述貓眼反射器組件(2.6)并且然后 -經(jīng)歷與在所述第二反向反射之后到達所述計量體(3)這里的所述測量射線的疊加并且由測量射線和參考射線構(gòu)成的疊加對在所述探測器組件(2.6)的方向上傳播。
6.一種用于檢測物體(1)沿著第二主運動軸線(X)的位置的位置測量裝置，其中，所述物體(I)沿著兩個正交的、第一和第二主運動軸線(y，χ)可移動地來布置，所述位置測量裝置帶有 -光源(12.1)，其沿著所述第一運動軸線(y)在所述物體(I)的方向上發(fā)射射線束， -布置在所述物體(I)處的計量體(13)，其包括周期性地沿著所述第二主運動軸線(χ)布置的分度標記， -在第三軸線(z)的方向上與所述物體(I)相間隔地布置的至少一個反射器(14.1,.14.2),其中,所述第三軸線(z)垂直于所述第一和第二主運動軸線(y, χ)定向， -貓眼反射器組件(12.6)以及 -探測器組件(12.5) 其布置和構(gòu)造成使得從由所述射線束產(chǎn)生的測量射線和參考射線的疊加中能夠產(chǎn)生關(guān)于所述物體(I)沿著所述第二主運動軸線(χ)的運動的位置信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的位置測量裝置，其中，所述反射器(14.1，14.2) -包括在所述第二主運動軸線(y)的方向上相間隔的兩個入射光-衍射光柵，其具有周期性地布置的分度標記，或者 -包括在所述第二主運動軸線(y)的方向上相間隔的兩個平面鏡，其相應(yīng)垂直于射入其上的所述測量射線來布置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的位置測量裝置，其中，布置在所述物體(I)處的所述計量體(3)作為入射光-衍射光柵構(gòu)造成使得射入其上的射線束僅以+/-1.級經(jīng)歷衍射并且衍射的+/-1.級的分射線束作為測量射線和參考射線經(jīng)歷在至少一個所述反射器(14.1，14.2)的方向上的反射。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的位置測量裝置，其中，布置在所述物體(I)處的所述計量體(13) -構(gòu)造為一維的計量體，其以相對于所述第三軸線(z)不等于0°的角度布置在所述物體⑴處，或者 -構(gòu)造為二維的計量體，其平行于所述第三軸線(z)布置在所述物體(I)處并且此外包括周期性地沿著所述第三軸線(Z)布置的分度標記。
10.根據(jù)權(quán)利要求6-9中的至少一項所述的位置測量裝置，其中， -由所述光源(12.5)發(fā)射的所述射線束在所述計量體(13)的方向上傳播并且在那里經(jīng)歷分裂成兩個分射線束，其能夠作為測量射線和參考射線用于干涉地產(chǎn)生位置信號，并且其中，兩個所述分射線束在在所述計量體(13)處的反射之后在不同的方向上傳播至所述反射器(14.1, 14.2)， -兩個所述分射線束在所述反射器(14.1, 14.2)處相應(yīng)經(jīng)歷在所述計量體(13)的方向上的第一反向反射， -兩個所述分射線束在所述計量體(13)處經(jīng)歷在所述貓眼反射器組件(12.6)的方向上的第一反向反射，在那里兩個所述分射線束經(jīng)歷在所述計量體(13)的方向上的貓眼反射和反向反射， -兩個所述分射線束在所述計量體(13)處經(jīng)歷在所述反射器(14.1, 14.2)的方向上的第二反射和衍射， -兩個所述分射線束在所述反射器(14.1, 14.2)處經(jīng)歷在所述計量體(13)的方向上的第二反向反射，-所述分射線束在所述計量體(13)處實現(xiàn)再結(jié)合并且從所述計量體(13)疊加的射線束在所述探測器組件(12.5)的方向上傳播。
11.一種組件，其帶有 -物體(I)，其沿著兩個正交的、第一和第二主運動軸線(y，x)且沿著垂直于此的第三軸線(Z)可移動地來布置，以及 -用于在多個空間自由度中檢測所述物體(I)的位置的多個位置測量裝置，其中，多個光學(xué)的所述位置測量裝置從唯一的探測方向探測所述物體(I)并且所述探測方向與兩個所述主運動軸線中的一個(y)相符。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組件，其中，不同的所述位置測量裝置的在所述物體(I)處需要的所有計量體(23.2，23.3)和/或測量反射器(23.1)布置在所述物體(I)的同一側(cè)處。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組件，其中，用于檢測所述物體(I)沿著所述第一主運動軸線(y)的運動且用于檢測所述物體(I)圍繞所述第二主運動軸線(χ)和圍繞所述第三軸線(z)的旋轉(zhuǎn)運動(Rx，Rz)的位置測量裝置構(gòu)造為3軸線干涉儀并且具有三個測量射線(My1, My2, My3)，其加載在所述物體(I)處的測量反射器(23.1)，其中，第一和第二測量射線(My1, My2)在相同高度上在所述第三軸線(z)中且相間隔地在所述第二主運動方向(y)上延伸而第三測量射線(My3)在所述第三軸線(z)的方向上在所述第一和第二測量射線(My1, My2)之下延伸。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組件，其中，為了檢測所述物體(I)沿著所述第三軸線(z)的運動且為了檢測所述物體(I)圍繞所述第一主運動軸線(y)的旋轉(zhuǎn)運動(Ry)，兩個位置測量裝置根據(jù)權(quán)利要求6來構(gòu)造且具有兩個測量射線(Mz1, Mz2)，其加載在所述物體(I)處的計量體(23.2)，其中，兩個所述測量射線(Mz1, Mz2)在相同高度上沿著所述第三軸線(z)且相間隔地在所述第二主運動方向(y)上延伸。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組件，其中，為了檢測所述物體(I)沿著所述第二主運動軸線(χ)的運動， 位置測量裝置根據(jù)權(quán)利要求1來構(gòu)造且具有測量射線(Mx)，其加載在所述物體(I)處的計量體(23.3)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種位置測量裝置以及一種帶有多個位置測量裝置的組件，其用于檢測物體在多個空間自由度中的位置，其中，多個視覺位置測量裝置從唯一的探測方向探測物體并且探測方向與兩個主要運動軸線中的一個相符。
文檔編號G01D5/26GK103245288SQ201310040219
公開日2013年8月14日 申請日期2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月1日
發(fā)明者W.霍爾薩普費爾, J.德雷舍爾, M.邁斯納, R.約爾格, B.穆施, T.克爾貝雷爾 申請人:約翰尼斯海登海恩博士股份有限公司