(57)【要約】      （修正有）【課題】機械構成要素の位置と姿勢の少なくとも可能な３自由度測定に加え、振動により引き起こされる機械構成要素の撓みを瞬時に測定できる位置測定装置を提供する。【解決手段】二つの機械構成要素の相対位置を検出するために使用する位置測定装置であり、その機械構成要素は、スライド面で少なくとも第一および第二主移動方向に沿って互いに可動で配設されている。位置測定装置には、第一機械構成要素に配設された少なくとも一つの基準尺が含まれている。第二機械構成要素には、少なくとも６つの走査検知ユニットＥ１１〜Ｅ１６が配設されており、それがスライド面において少なくとも二つの測定方向ＭＲ１，２で基準尺を光学的に走査検知するために使用される。各測定方向には、少なくとも二つの走査検知ユニットが割り当てられている。スライド面における測定方向それぞれの走査検知ユニットが、第二機械構成要素の中心に関して非点対称で配設されている。【選択図】図６
2014002152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スライド面で少なくとも第一主移動方向（Ｙ）および第二主移動方向（Ｘ）に沿って、互いに可動で配設されている二つの機械構成要素の相対位置を検出するために使用される位置測定装置であって、
第一機械構成要素に配設された少なくとも一つの基準尺、および
第二機械構成要素に配設されていると共に、スライド面において少なくとも二つの測定方向（ＭＲ１，ＭＲ２）で基準尺を光学的に走査検知するために使用される少なくとも６つの走査検知ユニット（Ｅ１１〜Ｅ１６；Ｅ２１〜Ｅ２６；Ｅ３１〜Ｅ３８）
を有している位置測定装置において、
各測定方向（ＭＲ１，ＭＲ２）に、少なくとも二つの走査検知ユニット（Ｅ１１〜Ｅ１６；Ｅ２１〜Ｅ２６；Ｅ３１〜Ｅ３８）が割り当てられており、
スライド面における測定方向（ＭＲ１，ＭＲ２）それぞれの走査検知ユニット（Ｅ１１〜Ｅ１６；Ｅ２１〜Ｅ２６；Ｅ３１〜Ｅ３８）が、第二機械構成要素の中心（Ｓ）に関して非点対称で配設されている
ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の位置測定装置において、
少なくとも３つの別の走査検知ユニットを有しており、それが別の方向（Ｚ）に沿って二つの機械構成要素の相対位置を検出するように構成されており、その方向がスライド面に対して直角に向いている
ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の位置測定装置において、
スライド面で共通した測定方向（ＭＲ１，ＭＲ２）を有する走査検知ユニット（Ｅ１１〜Ｅ１６）が、共通した接続直線上に配設されていない
ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の位置測定装置において、
スライド面において互いに直交していると共に第二機械構成要素の中心（Ｓ）で交差する二つの軸（Ａ１，Ａ２）により、４つの象限（Ｑ１〜Ｑ４）を有する直交座標系が構成されており、
少なくとも二つの象限（Ｑ１，Ｑ２）に、それぞれ同じ測定方向（ＭＲ１，ＭＲ２）を有する少なくとも二つの走査検知ユニット（Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３，Ｅ１４）が配設されている
ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項５】
請求項１に記載の位置測定装置において、
スライド面において互いに直交していると共に第二機械構成要素の中心（Ｓ）で交差する二つの軸（Ａ１，Ａ２）により、４つの象限（Ｑ１〜Ｑ４）を有する直交座標系が構成されており、
少なくとも３つの象限（Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３）に、それぞれ同じ測定方向（ＭＲ１，ＭＲ２）を有する少なくとも二つの走査検知ユニット（Ｅ２１，Ｅ２２，Ｅ２３，Ｅ２４，Ｅ２５，Ｅ２６）が配設されている
ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項６】
請求項１に記載の位置測定装置において、
スライド面において互いに直交していると共に第二機械構成要素の中心（Ｓ）で交差する二つの軸（Ａ１，Ａ２）により、４つの象限（Ｑ１〜Ｑ４）を有する直交座標系が構成されており、
４つの象限（Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４）すべてに、それぞれ同じ測定方向（ＭＲ１，ＭＲ２）を有する少なくとも二つの走査検知ユニット（Ｅ２１，Ｅ２２，Ｅ２３，Ｅ２４，Ｅ２５，Ｅ２６，Ｅ３１，Ｅ３２，Ｅ３３，Ｅ３４，Ｅ３５，Ｅ３６，Ｅ３７，Ｅ３８）が配設されている
ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項７】
請求項４、５、または６のいずれかに記載の位置測定装置において、
対角方向で対向する象限（Ｑ１〜Ｑ４）に配設されている走査検知ユニット（Ｅ１１〜Ｅ１６；Ｅ２１〜Ｅ２６；Ｅ３１〜Ｅ３８）が、それぞれ全て同じ測定方向（ＭＲ１，ＭＲ２）を有している
ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項８】
請求項４、５、または６のいずれかに記載の位置測定装置において、
少なくとも３つの象限に別の走査検知ユニットが配設されており、それが別の方向に沿って二つの機械構成要素の相対位置を検出するように構成されており、その方向がスライド面に対して直角に向いている。
ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項９】
前記請求項のいずれか一つに記載の位置測定装置において、
スライド面における一つの測定方向用の少なくとも一つの走査検知ユニットが、スライド面に対して直角な測定方向用の走査検知ユニットと一緒に、組み合わせ走査検知ユニットに一体化されている
ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項１０】
前記請求項のいずれか一つに記載の位置測定装置の、
可動で配設された機械構成要素の複数自由度を検出し、
機械構成要素の振動を検出するための
使用。
【請求項１１】
請求項１０において、位置測定装置の、使用されている基準尺の誤差を検出するための使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置測定装置に関するものである。  
【背景技術】
【０００２】
相対的に互いが可動である機械構成要素を高精密で位置検出するためには、主に光学式位置測定装置が使用される。これに含まれているのが、第一機械構成要素と接続している一つまたは複数の光学式走査検知ユニットおよび、第二機械構成要素と接続している一つまたは複数の基準尺であり、第二機械構成要素は、第一機械構成要素に対して可動である。走査検知ユニットを使って基準尺を光学的に走査検知することにより、スライド量に関係する位置信号、すなわち機械構成要素の相対位置を特定することができる。その場合に基準尺は一次元スケールとして構成されているが、二次元スケールプレートとして構成されていることもある。可能性のある用途では位置測定装置の走査検知ユニットが、加工工具の下側で位置決めせねばならない可動の機械構成要素、例えばテーブルに取り付けられており、そのテーブルに加工すべき加工製品が配設されている。その加工製品はテーブルを介して、スライド面（ＸＹ面）で二つの主移動軸Ｘ，Ｙに沿ってスライド自在であり、他方で別の自由度（ＸＹ面に対して垂直に向いているＺ軸に沿ったスライド移動；Ｘ，Ｙ，Ｚ軸を中心とする回転）は固定されている、ないしは僅かだけ変化するものとする。スライド面に対して平行な面に、位置測定装置の、一つまたは複数の二次元スケールプレートが機械に配設されており、それに対して走査検知ユニットが測定できる。そこではスケールプレートが、当該の加工工具に位置固定して配置されている。
【０００３】
以上のような位置測定装置の主な役割は、少なくとも主移動軸Ｘ，Ｙに沿ったスライド自由度ｘ，ｙに関して、およびＺ軸を中心とした回転自由度ＲＺに関して、機械構成要素の位置および状態を特定することにある。これに関連して以下では、３自由度測定（ＤＯＦ＝Degree Of Freedom 自由度）について述べることにする。高精密な用途では更に、当該機械構成要素の６自由度すべてを検出することが必要となる場合がある。これは追加として更に、Ｚ軸に沿ったスライド自由度ｚおよび、Ｙ軸ないしＸ軸を中心とした回転自由度ＲＹ，ＲＸとなるであろう。この場合には所謂、６自由度測定について述べることになる。
【０００４】
半導体産業において露光または検査ユニット（加工工具）の下側でウエハ（加工製品）を位置決めするために使用されるようなシステムは、例えば特許文献１で公知である。そこでは当該機械のテーブルＴに、特許文献２による４つの組み合わせ走査検知ユニットＥ１〜Ｅ４を有する位置測定装置が設けられており、それを本出願の図１で概略的に図示している。各走査検知ユニットＥ１〜Ｅ４を介して、走査検知信号ないし位置測定値が生成され、それに、走査検知されるスケールプレートに対する走査検知ユニット位置の二つの下記方向成分が含まれる。
−スケールプレート面で規定方向に沿った方向成分；この方向における位置測定値を、以下においてＹ（ｅｎｃ）で表すことにする。
−スケールプレートに対して直角である間隔（直交方向）に沿った方向成分；この位置測定値を、以下においてＺで表すことにし、Ｚ測定として該当する間隔測定である。
【０００５】
従って特許文献２による走査検知ユニットは、スライド面ＸＹでの測定方向を有する走査検知ユニットと、スライド面ＸＹに対して直角な測定方向Ｚを有する走査検知ユニットの組み合わせとして見なすことができる。
【０００６】
走査検知ユニットＥ１〜Ｅ４は、テーブルＴの４つのコーナーに装備されており、そして図１で分かるように、二つの主移動軸Ｘ，Ｙに対して斜めに向けられている。従って走査検知ユニットは、方向に応じて位置測定値Ｙ（ｅｎｃ）＝（Ｘ＋Ｙ）／√２、または位置測定値Ｙ（ｅｎｃ）＝（Ｘ−Ｙ）／√２を測定する。各走査検知ユニットＥ１〜Ｅ４は更に、Ｚ軸に沿ってスケールプレートに対する間隔に関して、情報ないし位置測定値を出力する。
【０００７】
図２で示しているように、公知の配設で走査検知ユニットＥ１〜Ｅ４は、互いに隣接し方形で配置された４つのスケールプレートＭ１〜Ｍ４に対して測定を行う。更に言えば、図１と２における軸目盛の単位は任意に選択している。スケールプレートが配設された中心には、比較的大きな範囲Ｂ（３）が切り取られている。ここに加工工具、例えば露光ユニットまたは検査ユニットが位置する。機械の運転時には４つの走査検知ユニットＥ１〜Ｅ４のうちの一つが時折、切り取られた範囲Ｂの下方に位置することがあり、その間は測定値が出力されない。それにも拘わらず機械の位置は、この場合にも正確に特定できる、というのは、スケールプレートＭ１〜Ｍ４と係合している３つの走査検知ユニットが既に、テーブルＴの６自由度を特定するために十分であるからである。
【０００８】
当該機械の精度は、特に次の障害要因により大きく損なわれる。
−スケールプレートＭ１〜Ｍ４の歪（静的または機械の運転で徐々に変化する所謂“ドリフト”、しばしば温度変動が原因となる）
−加工製品が位置しているテーブルＴないし機械構成要素の振動および固有振動
加工製品が大きければ大きい程、上記の障害要因が重要である、というのは、大きな機械構成要素およびスケールプレートには、それらの構成を強化して振動および変形を抑制することが比較的難しいからである。しかしながら、スケールの変形および機械構成要素の振動について、その時の励振状態の測定データを使用できる場合には、適切な方策を講じて補正または緩衝することがある。
【０００９】
このような機械構成要素の振動は、機械構成要素、例えばテーブルが振動して変形していることを示している。その振動により、剛体である（と仮定された）機械構成要素においてそれに配設された走査検知ユニットＥ１〜Ｅ４が、その想定位置に対して向きが変わることになる。振動を考慮しないで直接、走査検知ユニットＥ１〜Ｅ４の測定値から得られる機械構成要素の位置は、結果として機械構成要素の実際の位置と一致しない。更に加工工具、即ち例えば露光ユニットまたは検査ユニットの、機械構成要素の位置から計算された位置は、加工製品に対して、即ちウエハに対して相対的に正確に測定されていない、というのは、機械構成要素と接続している加工製品が振動し、対応して撓むからである。
【００１０】
機械構成要素の振動を検出する公知の方法は、走査検知ユニット測定値の時間的推移の分析ないし、機械構成要素に作用した力および周波数空間における該当分析に基づいている。それに関しては、例えば特許文献３を参照されたい。振動モードが引き起こす機械構成要素の撓みに関して以上のようにして得られた情報は、アクチュエータの制御に供給されて、加工製品に対して相対的な加工工具の位置の、振動が引き起こす誤差を大きく減少する。
【００１１】
しかしながら、専ら走査検知ユニット測定値の時間的な分析に基づいて、以上のように振動検出して補正することには一連の欠点がある。
機械構成要素の振動を、機械の運転時に測定システムを介して検出するのではなく、機械構成要素に対する外力の作用を示す動的な物理モデルを介して算出する。その物理モデルは、理論的な計算または機械的な測定から求めることができる。従って、このモデルで実際の機械的な挙動からの僅かな違いおよび、機械構成要素に対する検出されない力の作用が直接、加工製品に対する相対的な加工工具の位置決め誤差に影響する。実際の挙動とモデルの予想との違いは、機械の運転時に検出することができない。
【００１２】
更に、言及した特許文献３で提案されているように、測定値（および力）を位置信号および振動信号に分解することは、これらの量の時間的な変化を処理するフィルタをベースにしている。そのフィルタは、例えば周波数空間でバンドパスフィルタ乃至ノッチフィルタとして設けられる。そのような周波数フィルタリングを実施するためには、時間的な信号変化が、振動周期のレベルの時間間隔に亘って公知でなければならない。結果として、そのような信号処理は必然的に、少なくとも振動に振り当てられる周波数帯域内で、制御システムにおける一定のイナーシャないしタイムラグとなる。従って、急速に加速する過程において、または短時間に振動を能動的に緩衝しようとする時には、鈍い制御システムは不備であることが想定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】ＵＳ２００７／０１９５２９６Ａ１号公報
【特許文献２】ＵＳ７，５７３，５８１Ｂ２号公報
【特許文献３】ＵＳ２０１１／０３１７１４２Ａ１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の課題は位置測定装置を得ることであり、それは、機械構成要素の位置と姿勢の少なくとも可能な３自由度測定に加えて更に、振動により引き起こされる機械構成要素の撓みを出来るだけ瞬時に測定することを可能にするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この課題を、請求項１の特徴を有する位置測定装置により解決する。
本発明による位置測定装置の利点ある実施変形例は、従属する特許請求項の特徴から得られる。
【００１６】
本発明による位置測定装置は、二つの機械構成要素の相対位置を検出するために使用され、その機械構成要素は、スライド面で少なくとも第一主移動方向および第二主移動方向に沿って互いに可動で配設されているものである。それには、第一機械構成要素に配設された少なくとも一つの基準尺および、第二機械構成要素に配設されていると共に、スライド面において少なくとも二つの測定方向で基準尺を光学的に走査検知するために使用される少なくとも６つの走査検知ユニットが含まれている。そこで各測定方向に、少なくとも二つの走査検知ユニットが割り当てられている。更にスライド面における測定方向それぞれの走査検知ユニットが、第二機械構成要素の中心に関して非点対称で配設されている。
【００１７】
更に、少なくとも３つの別の走査検知ユニットが設けられていることがあり、それが別の方向に沿って二つの機械構成要素の相対位置を検出するように構成されており、その方向がスライド面に対して直角に向いている。
【００１８】
スライド面で共通した測定方向を有する走査検知ユニットが、共通した接続直線上に配設されていないと利点がある。
−スライド面において互いに直交していると共に第二機械構成要素の中心で交差する二つの軸により、４つの象限を有する直交座標系が構成されており、そして
−少なくとも二つの象限に、それぞれ同じ測定方向を有する少なくとも二つの走査検知ユニットそれぞれが配設されている
ようにしていることがある。
【００１９】
代替として、
−スライド面において互いに直交していると共に第二機械構成要素の中心で交差する二つの軸により、４つの象限を有する直交座標系が構成されており、そして
−少なくとも３つの象限に、それぞれ同じ測定方向を有する少なくとも二つの走査検知ユニットそれぞれが配設されている
ようにしていることもある。
【００２０】
最後に挙げることとして、
−スライド面において互いに直交していると共に第二機械構成要素の中心で交差する二つの軸により、４つの象限を有する直交座標系を構成しており、そして
−４つの象限すべてに、それぞれ同じ測定方向を有する少なくとも二つの走査検知ユニットそれぞれが配設されている
ようにしていることもある。
【００２１】
ここで更に、対角方向で対向する象限に配設されている走査検知ユニットが、それぞれ全て同じ測定方向を有していることがある。
更に少なくとも３つの象限に、別の走査検知ユニットが配設されており、それが別の方向に沿って二つの機械構成要素の相対位置を検出するように構成されているようにしていることがあり、その方向がスライド面に対して直角に向いている。
【００２２】
最後に挙げることとして、スライド面における一つの測定方向用の少なくとも一つの走査検知ユニットが、スライド面に対して直角な測定方向用の走査検知ユニットと一緒に、組み合わせ走査検知ユニットに一体化されていることがある。
【００２３】
以上により、本発明による位置測定装置は、
−可動で配設された機械構成要素の複数自由度を検出するために、そして
−機械構成要素の振動を検出するために
使用することができる。
【００２４】
本発明による位置測定装置は更に、使用されている基準尺の誤差を検出するために使用することができる。
以上により本発明による位置測定装置は、機械構成要素の振動を瞬時に一緒に検出することを可能にする。この場合に従来技術と違って、長期に亘る測定値の分析を特に必要としない。振動に起因する機械構成要素の向き変化についての情報が、遅滞なく得られるので、機械制御システムにおける不要なタイムラグないし鈍い反応を避けることができる。
【００２５】
別の利点として挙げられることは、振動に起因する機械構成要素の撓みの測定を、本発明による位置測定装置の走査検知ユニットの測定点で直接行うことである。従って、その時の撓みを測定する時に、機械構成要素で手間がかかると共に場合により不十分な動的モデルから得る予想に頼る必要性がない。
【００２６】
最後に挙げることとして更に本発明による方策を介して、使用する基準尺をわざわざ大きくすることなく、全体システムの最大移動範囲を拡張する可能性が得られる。以上により、機械構成要素を移動して位置決めできる範囲が拡大される。
【００２７】
追加して得られる測定値は更に、システムの較正のために、即ち、場合によるスケールプレートの変形ないし誤差を検出するために使用することができる。
本発明の更なる利点および詳細は、図を使った実施例の説明から得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来技術を示す第一概略図。
【図２】従来技術を示す第二概略図。
【図３】位置測定装置の測定値に対する振動の作用に関する概略図。
【図４】図４ａ〜４ｅはそれぞれ方形テーブルの重要な振動モードに関する概略図。
【図５】位置測定装置における走査検知ユニットの可能性ある配設。
【図６】本発明による位置測定装置の第一実施形態における走査検知ユニットの配設。
【図７】本発明による位置測定装置の第二実施形態における走査検知ユニットの配設。
【図８】本発明による位置測定装置の第三実施形態における走査検知ユニットの配設。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図６〜８を使って本発明による３つの位置測定装置の３つの具体的な実施例を説明する前に、まず本発明と関連する種々の理論的な考察を検討することにする。
振動モードを引き起こすのは、そのモードに特徴的な形態にある該当機械構成要素の振動する変形である。図４ａ〜４ｅでは、方形で構成され均質の機械構成要素における５つの最低周波数の振動モードを例示的に図示しており、そのとき機械構成要素として設けているのは、上に加工製品を配置する平坦なテーブルである。その図４ａ〜４ｅは、それぞれ機械構成要素の高さ形状線、即ちＺ方向の向き変化を示している。この図では等高線の他に、それぞれの傾斜の方向を示す矢印も記載している。位置測定装置で機械構成要素の異なった位置に取り付けられた個々の走査検知ユニットが、これらの振動する変形により向きを変えられる。機械構成要素のモードが既知である場合には、機械構成要素の撓みによる位置測定値を、既知であり走査検知ユニットの位置に関係する方法で補正する。
【００３０】
図３において機械構成要素ないしテーブルの僅かな変形に対するメカニズムを、一次元で図示している。図においては基準尺を、参照符号Ｍを使って表している。ＣＯは、静止状態にあるテーブル表面を表しており、それが基準尺ＭからｄＭＣの距離に位置していることになる。この面において点ＰＯに、破線で明示した走査検知ユニットＡが位置している。そのとき走査検知ユニットＡは、必ずしもテーブル表面ＣＯの上側に配設されている必要はなく、これがむしろテーブル表面ＣＯに対して下方に埋めて配設されていることもある。走査検知ユニットＡは基準尺Ｍに向かって測定し、それを図では直角に延伸する点線により明示している。
【００３１】
機械の運転時には振動が、テーブル面ないしテーブル表面が振動して湾曲することに作用する。図３において、例示的に湾曲したテーブルを図示しており、それをＣＶＩＢで表している。振動が発生することにより、走査検知ユニットＡも位置がずれて傾く。位置がずれた走査検知ユニットＡを、図では実線で図示している。平坦な機械構成要素にとって一次元の振動モードは、機械構成要素表面の等高線の振動する変化として解釈することができる。振動により走査検知ユニットＡは、Ｚ軸に沿ってδＺの量だけ上昇ないし降下する。更に図３においてＲＸで表している角度だけ、Ｘ軸を中心として走査検知ユニットＡが傾くことになる。測定方向および走査検知ユニットＡの構成に応じて、静止状態とは異なる偏差δＺおよびＲＸが、走査検知ユニットＡで生成される位置測定値に影響を及ぼす。傾きおよび位置のずれが生じる時の走査検知ユニットＡの特性が既知であれば、位置測定値に対して振動モードが引き起こす影響を、機械構成要素の瞬時的な向きの変化から計算することができる。図３で図示している走査検知ユニットＡで対象となるのが、例えばＹ軸に沿った測定方向を有する走査検知ユニットであり、そして走査検知ユニットＡの中立回転ポイントが基準尺Ｍ上にある場合には、測定方向Ｙに沿って検出される位置測定値が、機械構成要素の撓みによりδＹ≒ｄＭＣ・ＲＸの量だけ変化する。ここで中立回転ポイントとは、それを中心に走査検知ユニットＡが場合により傾く時に、生成される位置測定値で変化を生じないポイントと解釈する。その場合には一次元の近似も廃止できる。そして機械構成要素の向き変化と位置測定値との関係は、厳密に言えば比較的複雑であるが、幾何形状的なモデルの範疇で計算することができる。
【００３２】
設けられているのが、スライド面における測定方向を有する走査検知ユニットのみである場合には、Ｘ軸ないしＹ軸を中心とした機械構成要素の傾きおよび機械構成要素のＺ位置を測定できない、ないし直線的な次数でスライド面におけるスライド自由度ｘ，ｙと区別することができない。即ち、機械構成要素の位置および向きを３自由度測定するためには、走査検知ユニットの少なくとも三つの適切な位置測定値がなければならず、それから機械構成要素の座標Ｘ，Ｙおよび回転角ＲＺを特定することができる。別の得られる位置測定値すべてを、振動の検出のために利用することもできる。ＸＹ面での測定方向を有する３＋Ｎ個の走査検知ユニットを含む配設全体を使うことにより、結果として最大３つの自由度ｘ，ｙ，ＲＺおよびＮ個の振動モードを検出することができる。
【００３３】
測定方向Ｚを有する走査検知ユニットが更に少なくとも３つある場合には、機械構成要素の６自由度測定を行うことができる。即ち、この場合には機械構成要素の座標Ｘ，Ｙ，Ｚおよび回転ＲＸ，ＲＹ，ＲＺを特定するために、少なくとも６つの適切な位置測定値が必要である。それから得られる位置測定値全ては、振動検出のために使用することができる。合計６＋Ｎ個の走査検知ユニットを有する６自由度測定用の配設を使うことにより、（剛体である）機械構成要素の６自由度に加えて、結果として更に最大Ｎ個の振動モードを検出することができる。
【００３４】
生成された位置測定値を評価するためにはまず、例えばコンピュータシミュレーションまたは適切な測定を使ったモード分析により、機械構成要素で最も重要な振動モードが特定されていなければならない。評価のためには例えば、機械構成要素に走査検知ユニットを規定どおりに配設した時に予想される位置測定値を表す方程式を作成する。それぞれの方程式が、その時の振動の向き変化およびその時の機械構成要素位置に従って、位置測定値を規定する。
【００３５】
モード分析を使って求めた各振動モードは、追加の自由度を示すことになる。従って形式上は、複数の走査検知ユニットを有する本発明による位置測定装置を使うことにより、少なくとも一つの３＋Ｎ自由度測定（ＸＹスライド面でのみの測定方向を有する走査検知ユニットに限る時）ないし６＋Ｎ自由度測定（剛体の６自由度に加えて、更にＮの追加の振動自由度を測定）を実施する。よって機械構成要素で働いている撓みは、これが検出した振動モードから構成されていると共に別の−通常は比較的高次の−モードを無視することができる場合には、実用的に瞬時に検出することができる。
【００３６】
ここで述べている分析方法は、位置測定値および機械構成要素への力の時間的な変化の分析と、例えば先に挙げた特許文献３で公知であるような取り組みの時でも、選択的に組み合わせることができる。
【００３７】
従って本発明により、更に次の可能性が開くことになる：
−必要な場合には、例えば種々の固有周波数に分割することにより、走査検知ユニットで提供される位置測定値より多くの自由度を区別することができる。
−瞬時的な変動（例えばノイズ）を低減するために、先に行った測定からの情報を最終結果に盛り込むことができる。
−それぞれ検出したモードでその時の振幅および位相を特定することが可能である。そのために、時間的に推論した向きの変化を使用することがある。その場合には、それに先行する測定時点の少なくとも一セットの位置測定値を算入する。
【００３８】
振幅および位相の情報を使うことにより、機械構成要素の加速度および／または適切なアクチュエータ制御を狙って調整することができ、それにより機械構成要素の振動を能動的に緩衝する。機械に応じては場合により、加工過程中に機械構成要素または工具の位置をトラッキングして補正することにより、加工製品に作用する振動を低減することも可能である。
【００３９】
機械構成要素で顕著な振動が発生しない場合には、６つの剛体自由度を特定するために必要なのは６つの位置測定値のみである。この場合に更に使用できる（“余剰の”）位置測定値は、例えば機械を較正するために使用することができる。特に例えば、スケールプレートとして構成された基準尺の歪を検出することができる。そのような較正は、既知の振動モードとは関係なく走査検知値を適切に選択することにより、例えば既知の振動周波数に対して位相固定した走査検知により、あるいは少なくとも一つの振動周期の平均化により行うことができる。
【００４０】
以上により纏めると、本発明による位置測定装置を使って出来るだけ瞬時に、振動が引き起こす機械構成要素の撓みを測定する、ないし補正するように対応する。
機械の設計段階には、例えば有限要素シミュレーションまたはＮの最重要振動モードを求めるための適切な測定により、関連する機械構成要素のモード分析を行う。
【００４１】
機械の本来の運転時には、本発明による位置測定装置を使って３＋Ｎないし６＋Ｎ自由度を検出する形式で、機械構成要素の位置および機械構成要素の振動の測定を行う。
以上により例えば、モータ制御に連結された機械構成要素の加速を使って、または別個のアクチュエータの制御を使って、振動を緩衝する力を機械構成要素に作用させることが可能である。
【００４２】
更に、機械構成要素または加工工具をトラッキングして、残留振動を補正することも可能である。
ここで、本発明による位置測定装置における走査検知ユニットの配設を、検出するモードに関して出来るだけ敏感となるように、そして大きな移動範囲を確保するように有利に選ぶ必要があろう。工数および費用を少なく維持するためには、本発明による位置測定装置に使用する走査検知ユニットは出来るだけ少数であることが必要であろう。しかしながら基本的に少なくとも３つの重要な振動モードを、本発明による位置測定装置で選択した構成を介して検出できることが必要であろう。
【００４３】
本発明による位置測定装置の３つの具体的な実施例を、以下において図６〜８を使って説明することにする。本発明による考え方を良く理解するために、まず図５を使って位置測定装置における８つの走査検知ユニットＥ１〜Ｅ８の配設を説明することにする。その配設は確かに従来技術と較べて改善されているが、得ようとする機械構成要素の振動の検出にとっては最適なものではない。
【００４４】
最初に述べたように当該の位置測定装置は、半導体を製造する機械に使用されることがある。そこでは、それが二つの対象物ないし機械構成要素の相対位置を検出するために使用され、それらは第一および第二主移動軸Ｙ，Ｘに沿って互いに可動で配設されている。当該機械構成要素で対象になることがあるのが、例えばまず位置固定された機械構成要素であり、およびそれに対して可動の機械構成要素、例えばテーブルＴである。テーブルＴは、互いが直角に向いた第一および第二主移動軸Ｙ，Ｘに沿って位置決めすることができる。テーブルＴの上には加工製品、例えばウエハを配設することができ、それを位置固定された加工工具に対して相対的に位置決めする。
【００４５】
例において位置固定された機械構成要素には、一つまたは複数の二次元基準尺が例えば既に図２で図示しているように、上に十字格子が配設されたスケールプレートの形態で設けられている。可動の機械構成要素ないしテーブルＴには、基準尺を光学的に走査検知する複数の走査検知ユニットＥ１〜Ｅ８が設けられている。可能な光学式走査検知および走査検知原理の具体的な構成の詳細に関しては、例えば既に先で言及した本出願人の特許文献２を参照されたい。
【００４６】
テーブルＴは、以下においてＸＹ面とも呼ぶことのあるスライド面に配設されている。テーブルＴは図５においてもそれに続く図においても、簡略化して方形で図示している。円形の加工製品は、その都度、テーブルＴの中心Ｓに配設することができる。勿論、テーブルＴが代替の形状を有していることもある。
【００４７】
図５の例では図示の位置測定装置に、テーブルＴに配設された合計８個の走査検知ユニットＥ１〜Ｅ８が含まれている。そこで４つの走査検知ユニットＥ１，Ｅ３，Ｅ５，Ｅ７が、方形のコーナーに配設されている。その４つの走査検知ユニットＥ１，Ｅ３，Ｅ５，Ｅ７の配設は、配設面においてテーブルＴの中心Ｓに対して点対称で行われている；４つの走査検知ユニットＥ１，Ｅ３，Ｅ５，Ｅ７全てが、中心Ｓに対して同じ第一間隔ｄ１を有している。
【００４８】
方形で図示しているテーブルＴでそれぞれ対向するコーナーにある走査検知ユニットＥ１とＥ５ないしＥ３とＥ７は、平行に向いている。これが意味することは、光学的に走査検知するためにその中に設けられた格子が互いに平行に向いており、それにより夫々の測定方向が同一であるということである。従って、二つの対向するコーナーでは、位置測定値Ｙ（ｅｎｃ）＝（Ｘ＋Ｙ）／√２を、そして別の二つの対向するコーナーでは、位置測定値Ｙ（ｅｎｃ）＝（Ｘ−Ｙ）／√２を測定する。
【００４９】
更に図５の例において４つの走査検知ユニットＥ１，Ｅ３，Ｅ５，Ｅ７のそれぞれに対して、平行に向いた測定方向を有する別の走査検知ユニットＥ２，Ｅ４，Ｅ６，Ｅ８が、テーブルＴで先の４つの走査検知ユニットＥ１，Ｅ３，Ｅ５，Ｅ７の配設面に設けられている。図５で分かるように、これら４つの別の走査検知ユニットＥ２，Ｅ４，Ｅ６，Ｅ８のＹ座標が、コーナーにある走査検知ユニットＥ１，Ｅ３，Ｅ５，Ｅ７とは違って、それぞれテーブルＴの中心Ｓに向かってオフセットしている。従って４つの別の走査検知ユニットＥ２，Ｅ４，Ｅ６，Ｅ８は、中心Ｓまで第二間隔ｄ２を有しており、それは、コーナーに配設された走査検知ユニットＥ１，Ｅ３，Ｅ５，Ｅ７の第一間隔ｄ１と較べて小さい。
【００５０】
機械構成要素ないしテーブルＴの対称特性が、固有振動の形態に反映する。図４ａ〜４ｅから分かるように、テーブル重心ないし中心Ｓに関する点対称が、特に重要な対称性を示している。テーブルの機械的な構造が（近似的に）点対称性を満たしていると、固有モードも点対称の下では（近似的に）、偶数（即ち変化なし）または奇数（即ち±符号を除いて同じ）である。
【００５１】
グループの走査検知ユニットが、扱っているテーブル対称の意味で互いに対称的に配設されている場合には、それを介して生成される位置測定値は、対称変換の下で偶数（ないし奇数）の振動モードに関して余剰である、というのは、これらの振動により引き起こされる信号が、互いに対称である走査検知ユニットグループでは同じ（ないし±符号を除いて同じ）だからである。この余剰性は意図するものではない、というのは、その時のテーブル励振状態についての、設けられた走査検知ユニットを使って求めることができる独立した情報の数が減少するからである。
【００５２】
ここで特に注意するべきは、図４ａ〜４ｃに図示している３つの振動モードである。これら３つの振動モードが点対称下で偶数であることが分かる。従って本発明による位置測定装置では、この初めの３つの振動モードのそれぞれに関して敏感にするために、必要な走査検知ユニットで点対称配設を避けるように、走査検知ユニットを配設することを適用している。
【００５３】
図５の例による走査検知ユニットの配設は、高度に対称的である。ここでは、隣接して並ぶ二つの走査検知ユニットＥ１〜Ｅ８が、数多い基準尺の一つの下に位置しているのではなく、例えば加工工具を有するフリーの中央範囲にある典型的なケースを考えることにする。そこで対象になることがあるのは、例えば図５で示す走査検知ユニット配設における走査検知ユニットＥ７とＥ８である。残りのアクティブな走査検知ユニットＥ１〜Ｅ６が、次の情報を出力する：
テーブルＴの６剛体自由度を求めるためには、コーナーにある３つの走査検知ユニットＥ１，Ｅ３，Ｅ５を介して既に十分な情報が得られる。残りの３つの走査検知ユニットＥ２，Ｅ４，Ｅ６は、振動検出のための追加情報を出力する。しかしながら、走査検知ユニットのペアＥ１，Ｅ２およびＥ５，Ｅ６は、互いが点対称で配設されている、即ち、これらの走査検知ユニットＥ１，Ｅ２およびＥ５，Ｅ６により出力される情報は、少なくとも一部で余剰である。そのことから、図５で示す８つの走査検知ユニットＥ１〜Ｅ８の配設は、場合により存在する振動についての最大可能な情報を得るために理想的ではない。
【００５４】
図５に較べて最適化した走査検知ユニットの配設、従って本発明による位置測定装置の第一実施例を、以下において図６を使って説明することにする。
【実施例１】
【００５５】
図６において本発明による位置測定装置の第一実施例の一部、即ち、可動のテーブルＴとして構成された機械構成要素を示しており、それに６つの走査検知ユニットＥ１１〜Ｅ１６が、規定の形式と方法で配設されている。それとは違って静止している機械構成要素が、図６では示されていないが、それに少なくとも一つの基準尺が配設されている。テーブルＴは、スライド面で二つの主移動方向（軸）Ｘ，Ｙに沿ってスライド自在で配設されている。ここでは基準尺として既に図２で示したように、複数のスケールプレートＭ１〜Ｍ４が設けられており、それには、走査検知ユニットＥ１１〜Ｅ１６を使って走査検知できる二次元の十字格子をそれぞれ含んでいる。ここで走査検知ユニットＥ１１〜Ｅ１６を介して基準尺の光学的な走査検知を、規定された測定方向ＭＲ１，ＭＲ２に沿って夫々行う。従って各走査検知ユニットＥ１１〜Ｅ１６に、特定の測定方向ＭＲ１，ＭＲ２を割り当てる。ここで三次元空間において規定された方向を、測定方向ＭＲ１，ＭＲ２として解釈することにする。走査検知ユニットＥ１１〜Ｅ１６が、測定時点に数値的な値、所謂、位置値を出力する。その位置値は、空間において測定方向ＭＲ１，ＭＲ２が方向を規定している直交座標軸に関して、走査検知ユニットＥ１１〜Ｅ１６の座標に相当している。ここで直交座標軸は、上記の主移動方向Ｙ，Ｘと一致している必要はない。
【００５６】
本実施例では走査検知ユニットＥ１１〜Ｅ１６の測定方向ＭＲ１，ＭＲ２が、それぞれ具体的にはその長手軸に沿って延伸している；しかしながら、このことは基本的に本発明の範疇において必然的なものではなく、当該の光学的な走査検知原理に関係するものである。走査検知ユニットの構成に関しては、例えば上記で言及した本出願人の特許文献２を参照されたい。
【００５７】
本発明による位置測定装置の第一実施例では、設けられている走査検知ユニットＥ１１〜Ｅ１６を、二つの測定方向ＭＲ１，ＭＲ２で少なくとも一つの基準尺を光学的に測定するために使用する。図６で分かるように、そのために３つの走査検知ユニットＥ１１，Ｅ１２，Ｅ１５に、第一測定方向ＭＲ１が割り当てられており、それが第一移動方向Ｙに対して＋４５°傾いている；３つの走査検知ユニットＥ１３，Ｅ１４，Ｅ１６には、第二測定方向ＭＲ２が割り当てられており、それが第一移動方向Ｙに対して−４５°傾いている。本実施例では各測定方向ＭＲ１，ＭＲ２に、それぞれ３つの走査検知ユニットＥ１１，Ｅ１２，Ｅ１５ないしＥ１３，Ｅ１４，Ｅ１６が割り当てられているが、基本的に少なくとも必要なことは、本発明による位置測定装置において各測定方向に少なくとも二つの走査検知ユニットが割り当てられていることである。
【００５８】
初めの３つの振動モードを検出する時に上記で論議した余剰性を回避するために本発明では、スライド面における測定方向ＭＲ１ないしＭＲ２それぞれの走査検知ユニットＥ１１，Ｅ１２，Ｅ１５ないしＥ１３，Ｅ１４，Ｅ１６を、テーブルＴないし該当機械構成要素の中心Ｓに対して非点対称で配設するようにしている。よって、例えば図示の第一実施例では、走査検知ユニットＥ１１，Ｅ１２，Ｅ１５（第一測定方向ＭＲ１）の配設に関して、中心Ｓに対する点対称性が生じていない。走査検知ユニットＥ１２およびＥ１５は、中心Ｓまで異なる間隔を有している；走査検知ユニットＥ１１とＥ１５間の接続直線は、中心Ｓを通過しない。第二測定方向ＭＲ２のために、別の走査検知ユニットＥ１３，Ｅ１４，Ｅ１６の配設を同様に行う。
【００５９】
本発明による位置測定装置が半導体製造用の機械に使用され、従って走査検知ユニットを有する機械構成要素が加工製品を伴うテーブルである時には、走査検知ユニットを配設できるのが通常、テーブル縁部の近くのみである。テーブルの中心には一般的に、加工製品が位置している。振動検出のために測定方向の共通した走査検知ユニットは、テーブルの一つの縁部にすべてが位置していない配設が好ましい。この関連で例えば、図４ａで図示した振動モードを考えられたい。同じ測定方向を有する走査検知ユニットを、テーブルの一つの直線縁部に配設すると、走査検知ユニットの位置測定値すべてが、ほぼ同じ値だけ変化する。従ってこの変化を、テーブルの位置変化（またはスライド面における軸を中心とした傾き）とは区別できない。従って、一つの測定方向の走査検知ユニットが共通した一つの直線上に全て位置していないことが、本発明による位置測定装置において時により利点となる場合がある。
【００６０】
図示の第一実施例では、測定方向ＭＲ１，ＭＲ２それぞれに３つの走査検知ユニットＥ１１，Ｅ１２，Ｅ１５ないしＥ１３，Ｅ１４，Ｅ１６が設けられている。ここでは、測定方向ＭＲ１，ＭＲ２それぞれに設けられた走査検知ユニットＥ１１，Ｅ１２，Ｅ１５ないしＥ１３，Ｅ１４，Ｅ１６の配設が、スライド面で共通した測定方向ＭＲ１，ＭＲ２を有する走査検知ユニットＥ１１〜Ｅ１６が、共通した接続直線上に配設されていないようになっている。
【００６１】
図６では更に、スライド面で互いに直交する二つの軸Ａ１，Ａ２が記載されており、それがテーブルＴの中心Ｓで交差している。従って、中心Ｓにある原点および４つの象限Ｑ１〜Ｑ４を有する直交座標系が、これらの軸Ａ１，Ａ２を介して構成される。本発明による位置測定装置の図示している第一実施例では二つの象限Ｑ１，Ｑ２に、それぞれ二つの走査検知ユニットＥ１１，Ｅ１２ないしＥ１３，Ｅ１４が配設されている。象限Ｑ１ないしＱ２に配設された走査検知ユニットＥ１１，Ｅ１２ないしＥ１３，Ｅ１４は夫々、同じ測定方向ＭＲ１，ＭＲ２を有している。対角方向で対向する象限Ｑ１，Ｑ３ないしＱ２，Ｑ４に、走査検知ユニットＥ１１〜Ｅ１６が配設されている場合に、これらが同じ測定方向ＭＲ１，ＭＲ２を有すると更に利点のあることがある。これは、例えば走査検知ユニットＥ１１，Ｅ１２，Ｅ１５が、対角方向で対向する象限Ｑ１，Ｑ３で同じ測定方向ＭＲ１を有していることを意味している。同様に走査検知ユニットＥ１３，Ｅ１４，Ｅ１６が、該当する象限Ｑ２，Ｑ４で同じ測定方向ＭＲ２を有している。
【００６２】
以上のような配設は、下記の考えにより利点のあることが分かっている。
テーブルＴの回転を出来るだけ良好に検出できるようにするためには、走査検知ユニットＥ１１〜Ｅ１６間で十分に大きな間隔がなければならない。従って、走査検知ユニットＥ１１〜Ｅ１６はすべてが、軸Ａ１，Ａ２により定義された座標系の一つおよび同じ象限Ｑ１〜Ｑ４に位置していないと好都合である。同時に、スケールプレートの大きさが制限されているけれども、可能な限り大きな移動範囲でテーブルＴの位置測定を出来るようにする必要がある。これら二つの必要事項は先に簡単に述べたように、それぞれ同じ測定方向ＭＲ１，ＭＲ２の少なくとも二つの走査検知ユニットＥ１１〜Ｅ１６を、言及している座標系の異なる二つの象限Ｑ１〜Ｑ４に設けることで対応することができる。同じ測定方向ＭＲ１ないしＭＲ２の二つの走査検知ユニットＥ１１，Ｅ１２ないしＥ１３，Ｅ１４により、二つの走査検知ユニットの一つがスケールプレートの下に位置していない時にも、位置の測定が確保される。
【００６３】
本発明による位置測定装置では、テーブルＴのスライド面で測定方向ＭＲ１，ＭＲ２を有する走査検知ユニットＥ１１〜Ｅ１６を設けている他に、少なくとも３つの別の−図示していない−走査検知ユニットをテーブルＴに配設するようにしていることがあり、それを介することにより、別の軸に沿ってテーブルＴの相対位置を検出することが可能となる。そこで対象となるのは一般的に、スライド面に対して直角に向いているＺ軸であり、それに沿って機械の運転時に同じくテーブルの移動を行うことができる。従って以上のような形式と方法により、テーブルで６つの移動と回転の自由度を検出することができる。この追加する走査検知ユニットの配設は、図６で示した象限Ｑ１〜Ｑ４の少なくとも３つに、そのような走査検知ユニットを配置するように行うと好ましい。
【００６４】
ここで更にスライド面で測定方向ＭＲ１，ＭＲ２を有する走査検知ユニットＥ１１〜Ｅ１６が、スライド面に対して直角な測定方向用の追加走査検知ユニットと一緒に、組み合わせ走査検知ユニットに一体化されていると特に利点がある。
【実施例２】
【００６５】
本発明による位置測定装置の第二実施例を、図６の図示に類似して図７で示している。以下では基本的に、第一実施例に対して決定的に異なる点のみを説明することにする。
ここでも６つの走査検知ユニットＥ２１〜Ｅ２６が設けられており、それらが規定の形式と方法でテーブルＴないし該当する機械構成要素に配設されている。
【００６６】
図から分かるように、同じ測定方向ＭＲ１，ＭＲ２のそれぞれ二つの走査検知ユニットＥ２１／Ｅ２２，Ｅ２３／Ｅ２４，Ｅ２５／Ｅ２６が、言及している座標系の少なくとも３つの象限に配設されている。この配設の利点は、走査検知ユニットＥ２１〜Ｅ２６全てを、テーブルの中心Ｓから相対的に遠く離れて配置できることにある。それにより特に良好な振動検出が可能であり、同時にテーブルＴの大きな移動経路が、継続して確保されている。
【００６７】
対角方向で対向する象限Ｑ１，Ｑ３ないしＱ２，Ｑ４において、同じ測定方向ＭＲ１，ＭＲ２を有する走査検知ユニットＥ２１〜Ｅ２６が配設されていると好ましい。このことが、ここでは象限Ｑ１，Ｑ３および走査検知ユニットＥ２１，Ｅ２２，Ｅ２５，Ｅ２６で確保されている。この場合には、対向する象限Ｑ１，Ｑ３ないしＱ２，Ｑ４において、走査検知ユニットの配設時に中心Ｓに関して点対称が生じないことに特に注意する必要がある。この必要事項に対して、図示している実施例では走査検知ユニットＥ２１を、走査検知ユニットＥ２５と較べてテーブルＴの中心Ｓ近くに配設することで対応している。
【００６８】
この実施例も先に説明したように、Ｚ軸に沿ったテーブル移動を検出するために使用する追加の走査検知ユニットを補うことができる。
【実施例３】
【００６９】
最後に図８を使って、本発明による位置測定装置の第三実施例を説明するが、以下においても同じく、前記二つの例に対して決定的に異なる点のみを扱うことにする。
該当する機械で加工工具が大きくなると、スケールプレートの中心に大きな範囲を切り取ることが必要になる場合がある。従って加工工具の下に位置する走査検知ユニットは、位置値を出力しない。
【００７０】
それにも拘わらず本発明による位置測定装置の第三実施例により、上記で導入して説明した座標系の４つの象限Ｑ１〜Ｑ４全てに、それぞれ少なくとも二つの走査検知ユニットＥ３１／Ｅ３２，Ｅ３３／Ｅ３４，Ｅ３５／Ｅ３６，Ｅ３７／Ｅ３８を配設することにより、必要とする位置および振動の検出が同じく可能である。加工工具が例えば４つの象限Ｑ１〜Ｑ４の一つの上方に位置している場合に、別の３つの象限Ｑ１〜Ｑ４の走査検知ユニットからの位置測定値を使って、前記二つの実施例に従って測定することができる。
【００７１】
この実施例に関しても、上記で言及した形状的な考えが当て嵌まる。ここでも同じく、論議した拡張が追加の走査検知ユニットを使って可能である。
説明した変形例の他に勿論、本発明の範疇で更に多くの別の実施可能性がある。
【符号の説明】
【００７２】
Ａ              走査検知ユニット
Ｅ１〜Ｅ８      走査検知ユニット
Ｅ１１〜Ｅ１６  走査検知ユニット
Ｅ２１〜Ｅ２６  走査検知ユニット
Ｅ３１〜Ｅ３８  走査検知ユニット
Ｍ              基準尺
Ｍ１〜Ｍ４      スケールプレート
ＭＲ１，ＭＲ２  測定方向
Ｑ１〜Ｑ４      象限
Ｓ              中心
Ｔ              テーブル
Ｘ，Ｙ，Ｚ      測定方向、座標
【図１】
2014002152.tif 000003
【図２】
2014002152.tif 000004
【図３】
2014002152.tif 000005
【図４】
2014002152.tif 000006
【図５】
2014002152.tif 000007
【図６】
2014002152.tif 000008
【図７】
2014002152.tif 000009
【図８】
2014002152.tif 000010