DE19744938A1 - Optische Positionsmeßeinrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Positionsmeßeinrichtung, die insbesondere in Verbindung mit Antrieben zur präzisen Positionierung ein­ setzbar ist.

In der Halbleiterfertigung werden zur präzisen Relativ-Positionierung ver­ schiedener Bauteile oft Linearmotoren unterschiedlicher Bauart als Antriebe eingesetzt; mögliche Einsatzgebiete hierbei sind etwa das Wafer-Handling oder aber das sogenannte Wafer-Probing. Soll dabei ein bewegliches Bauteil nicht nur in einer Dimension, sondern in einer Ebene positioniert werden, so resultieren bestimmte Anforderungen an die verwendeten Meßsysteme, über die die jeweiligen Verschiebungen in den unterschiedlichen Koordinaten­ richtungen erfaßt werden. Neben der Erfassung von Verschiebebewegungen in zwei Koordinatenrichtungen ist zudem oft gefordert, Drehbewegungen der zu positionierenden Bauteile um bestimmte Achsen zu detektieren.

Bekannt ist hierbei etwa aus der US 4,654,571 für jede Verschiebungsachse ein separates Interferometer vorzusehen. Neben Problemen hinsichtlich ei­ nes beschränkten Meßbereiches, Abschatten der Meßstrahlengänge etc. ergibt sich insbesondere ein relativ großer Aufwand aufgrund der derzeitigen hohen Kosten pro Interferometer.

Daneben gibt es Ansätze, die bei den hierfür verwendeten Linearmotoren üblicherweise vorhandene, periodische Struktur der Statoreinheit neben der Erzeugung der Antriebsbewegung auch zu Meßzwecken zu nutzen. Je nach Ausführung des eingesetzten Linearmotors kann es sich bei diesen Struktu­ ren um zweidimensional angeordnete, zahnartige Weicheisenstrukturen oder aber um periodisch angeordnete Permanentmagnete unterschiedlicher bzw. gleicher Polarität handeln. So ist etwa bekannt, diese Strukturen mit Hilfe von magnetfeldempfindlichen Elementen oder aber entsprechenden Spulen­ anordnungen abzutasten, um verschiebungsabhängig modulierte Abtastsignale zu erzeugen. Die zur Erzeugung der Antriebsbewegung ver­ wendeten periodischen Strukturen weisen dabei minimale Teilungsperioden in der Größenordnung einiger mm auf. Bezüglich der der resultierenden Ab­ tastsignale ergibt sich damit eine maximal erreichbare Auflösung, die für Präzisionsanwendungen mitunter nicht ausreicht.

Zur Steigerung der Meßgenauigkeit bzw. Auflösung bietet sich deshalb an, einen bekannten Glas-Teilungsträger mit einer darauf aufgebrachten Meß­ teilung zwischen den beweglichen Antriebseinheiten anzuordnen, also bei­ spielsweise ein kommerzielles Kreuzgitter-Meßsystem in einen derartigen Antrieb zu integrieren. An der relativ zur Kreuzgitter-Meßteilung beweglichen Antriebs-Einheit sind ein oder mehrere geeignete Abtasteinheiten angeord­ net, über die eine optische Abtastung der Meßteilung und eine entspre­ chende Bestimmung der Position inclusive interessierender Verdrehwinkel in bekannter Art und Weise erfolgen kann. Prinzipiell ließe sich derart eine Auflösung bei der Positionsbestimmung erreichen, die auch für Präzisi­ onsanwendungen ausreicht, da ein derartiges Kreuzgitter mit Teilungsperi­ oden gefertigt werden kann, die deutlich unter dem mm-Bereich liegen. Im Fall von Schrittmotoren mit periodischen Weicheisenstrukturen hängt die erzielbare Vortriebskraft jedoch empfindlich vom Abstand zwischen dem Stator und der beweglichen Antriebseinheit bzw. dem Läufer ab. Wird ein bestimmter Abstand zwischen den beiden zueinander beweglichen Antriebs- Einheiten überschritten, so ist die Erzeugung einer Antriebsbewegung nicht mehr möglich. Dies ist der Fall, wenn der erwähnte Glas-Teilungsträger ei­ nes kommerziellen Kreuzgitter-Meßsystems in einer Dicke von einigen Millimetern zwischen den beiden beweglichen Einheiten des Schrittmotors angeordnet ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine optische Positions­ meßeinrichtung zu schaffen, über die insbesondere in Verbindung mit An­ trieben zur präzisen Positionierung verschiedener Elemente eine genaue Bestimmung der Relativposition dieser Elemente möglich ist. Die Funktions­ weise des jeweiligen Antriebstyps soll von der zusätzlichen Positionsmeßein­ richtung dabei nicht beeinflußt werden. Zudem ist ein möglichst einfacher Aufbau einer derartigen Positionsmeßeinrichtung gefordert.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Positionsmeßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Positi­ onsmeßeinrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.

Aufgrund der Ausbildung der Meßteilung als integraler Bestandteil einer der beiden relativ zueinander beweglichen Antriebseinheiten ist nunmehr sicher­ gestellt, daß der Abstand zwischen den beiden Antriebseinheiten so gewählt werden kann, daß ein Zusammenwirken der beiden Antriebseinheiten zur Erzeugung einer definierten Relativbewegung mit einem hohen Wirkungs­ grad möglich ist. Damit ist auch ein Funktionieren von Schrittmotoren ge­ währleistet, die relativ abstandssensibel arbeiten. Beispielsweise können auch Schrittmotoren mit Weicheisenstatoren mit der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung ausgerüstet werden, ohne deren Funkti­ onsweise zu beeinträchtigen. Gleichzeitig ist die gewünschte hohe Auflösung bei der Positionsbestimmung sichergestellt, wenn optische Meßteilungen mit Teilungsperioden im µm-Bereich eingesetzt werden.

Hinsichtlich der Ausbildung der Antriebseinheit mit der zugeordneten Meß­ teilung existieren erfindungsgemäß diverse Möglichkeiten. Beispielsweise kann die Meßteilung direkt auf einer planarisierten Oberfläche einer An­ triebs-Statoreinheit oder Teilbereichen davon eingeordnet werden. Alternativ ist auch möglich, die Meßteilung auf einem Teilungsträger aufzubringen, der wiederum auf der planarisierten Oberfläche einer Antriebs-Statoreinheit an­ geordnet wird. Eine Reihe verschiedener Ausführungs-Varianten sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße optische Positionsmeßeinrichtung kann dabei sowohl zur Messung eindimensionaler Verfahrbewegungen eingesetzt werden wie auch zur Bestimmung von Verfahrbewegungen und/oder Verdrehbewegun­ gen bei Positionierungsaufgaben in einer Ebene. Insbesondere im letztge­ nannten Fall erweist sich als vorteilhafte Maßnahme, zwischen den beiden beweglich zueinander angeordneten Antriebseinheiten Luftlager vorzusehen, so daß ein reibungsfreies Positionieren möglich ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform gemäß Anspruch 12 ergibt sich dann, wenn mehrere erfindungsgemäß aufgebaute Antriebs-Statoreinheiten un­ mittelbar benachbart zueinander angeordnet werden und die Abtastung über zwei separate Abtasteinheiten vorgenommen wird, die an einem gemeinsa­ men Schlitten angeordnet sind. Eine derartige Ausführung der erfindungs­ gemäßen Positionsmeßeinrichtung erweist sich insofern günstig, als damit auch größere Verfahrbewegungen erfaßt werden können und gleichzeitig nur die Fertigung relativ kompakter Antriebs-Statoreinheiten erforderlich ist. Grundsätzlich kann bei einem derartigen modularen Aufbau der Antriebs- Statoreinheiten auch lediglich eine einzige Abtasteinheit vorgesehen werden, wenn bestimmte Anforderungen an die Stoßstellen aneinandergrenzender Antriebs-Statoreinheiten erfüllt sind.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen optischen Po­ sitionsmeßeinrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen.

Dabei zeigt

Fig. 1a die Draufsicht auf einen Ausschnitt einer er­ sten, schematisiert dargestellten Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen optischen Positi­ onsmeßeinrichtung;

Fig. 1b eine seitliche Schnittansicht der erfindungsge­ mäßen Positionsmeßeinrichtung aus Fig. 1a;

Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht einer zweiten, schematisiert dargestellten Ausführungsform der Antriebs-Statoreinheit der erfindungsgemä­ ßen optischen Positionsmeßeinrichtung;

Fig. 3a und 3b zwei Ansichten einer dritten Ausführungsform der Antriebs-Statoreinheit der erfindungsgemä­ ßen optischen Positionsmeßeinrichtung;

Fig. 4 eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung mit zwei aneinander stoßenden stationären Antriebseinheiten.

Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Positions­ meßeinrichtung ist in Fig. 1a in einer schematisierten Darstellung in Drauf­ sicht teilweise gezeigt. Eine seitliche Schnittdarstellung dieses ersten Aus­ führungsbeispiels entlang der in Fig. 1a eingezeichneten Schnittlinie zeigt Fig. 1b.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Po­ sitionsmeßeinrichtung ist dabei in Verbindung mit einem Antrieb gezeigt, der zur präzisen Positionierung von relativ zueinander in einer Ebene bewegli­ chen Bauelementen, beispielsweise in der Halbleiterfertigung, eingesetzt werden kann. Der Antrieb ist hierbei als Schrittmotor ausgebildet, der eine stationäre Antriebseinheit, d. h. eine Antriebs-Statoreinheit 1 sowie eine rela­ tiv dazu bewegliche Antriebseinheit 2 umfaßt. In einer vorteilhaften Ausfüh­ rungsform ist die bewegliche Antriebseinheit 2 über geeignete Luftlager rei­ bungsfrei auf der Antriebs-Statoreinheit 1 gelagert. Die Antriebs-Statoreinheit 1 wiederum ist in diesem Ausführungsbeispiel als Weicheisen-Stator aus­ geführt, der auf einem Grundkörper 5 angeordnete, räumlich strukturierte Bereiche mit würfelförmigen Erhebungen 6 sowie dazwischen liegende Aus­ nehmungen 9 aufweist. Zur Erzeugung der Antriebsbewegung umfaßt die bewegliche Antriebseinheit 2 mehrere - nicht dargestellte - Erreger-Spulen, die in bekannter Art und Weise angesteuert werden, d. h. über die zeitlich definierte Anregung der Erreger-Spulen ist die schrittweise Positionierung des beweglichen Antriebsteiles 2 in der xy-Ebene möglich. Hierzu ist die be­ wegliche Antriebseinheit 2 über eine Verbindungsleitung 4 mit einer geeignet ausgebildeten Steuer- und Auswerte-Einheit 3 verbunden.

Zur gewünschten, hochauflösenden Positionsbestimmung des beweglichen Antriebsteiles 2 in der xy-Ebene ist in diesem Ausführungsbeispiel eine op­ tische Positionsmeßeinrichtung vorgesehen, mit der verschiebungsabhän­ gige Abtastsignale über eine Auflicht-Anordnung erzeugt werden. Hierbei wird von ein oder mehreren, in bekannter Art und Weise ausgebildeten Ab­ tasteinheiten 10, die auf Seiten der beweglichen Antriebseinheit 2 angeord­ net ist, eine Meßteilung 8 abgetastet, die der Antriebs-Statoreinheit 1 zuge­ ordnet ist. In den Darstellungen der Fig. 1a und 1b ist lediglich eine ein­ zige Abtasteinheit 10 auf Seiten des beweglichen Antriebseinheit 2 erkenn­ bar; zur vollständigen Erfassung der Bewegung in der xy-Ebene inclusive der Bestimmung des Winkels ϕ, um den die bewegliche Abtasteinheit 2 um eine vertikale Achse verdreht werden kann, sind jedoch drei derartige Ab­ tasteinheiten vorzusehen.

Die jeweiligen Abtasteinheiten 10 umfassen zu diesem Zweck eine Licht­ quelle 11 sowie mindestens ein optoelektronisches Detektorelement 12, das die von der Meßteilung 8 zurückreflektierte Strahlung erfaßt. Hinsichtlich der Ausbildung der Abtasteinheit 10 existieren dabei vielfältige, bekannte Mög­ lichkeiten, wie etwa zusätzlich geeignete Sendeoptiken, Abtastgitter, meh­ rere geeignet verschaltete Detektorelemente etc. vorzusehen.

Die in Reflexion bzw. Auflicht abgetastete Meßteilung 8 ist im dargestellten Fall der zweidimensionalen Bewegung der beweglichen Antriebseinheit 2 als Kreuzgitter ausgebildet, das in bekannter Art und Weise zur Gewinnung von inkrementalen Positionsinformationen abgetastet wird. Die Teilungsperioden der Meßteilung 8 sind im Fall der optischen Abtastung wie bereits erwähnt deutlich kleiner als die Periodizitäten der würfelförmigen Erhebungen 6, die z. B. über andere Abtastprinzipien zur Gewinnung der Positionsinformation abgetastet werden könnten. Sinnvolle Teilungsperioden der Kreuzgitter- Meßteilung 8 liegen im Bereich 1 . . . 100 µm. Im Fall einer 100fachen Interpo­ lation der resultierenden Abtastsignale ergibt sich damit eine mögliche Auflö­ sung bei der Positionsbestimmung von 0,01 . . . 1 µm.

Selbstverständlich ist die nachfolgend detailliert beschriebene Ausbildung der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung nicht auf den dargestellten Fall der Bewegung in zwei Dimensionen beschränkt, d. h. ana­ log läßt sich auch ein Linear-Schrittmotor damit ausstatten, der lediglich eine Positionierung in einer Dimension ermöglicht. In diesem Fall kann dann bei­ spielsweise auch auf die erwähnte Luftlager-Anordnung verzichtet werden und separate Führungen des beweglichen Antriebsteiles vorgesehen wer­ den. Als Meßteilung wäre in diesem Fall dann eine bekannte eindimensio­ nale, reflektierende inkremental-Teilung einzusetzen mit einer in Meßrich­ tung periodischen Anordnung von Teilungsstrukturen.

Um ein Funktionieren des Schrittmotors auch in Verbindung mit der ge­ wünschten Positionsbestimmung zu gewährleisten, ist nunmehr im darge­ stellten Ausführungsbeispiel erfindungsgemäß vorgesehen, den Teilungs­ träger 7 inclusive der darauf angeordneten Meßteilung 8 als integralen Be­ standteil der Antriebs-Statoreinheit 1 auszubilden. Zu diesem Zweck werden die zwischen den Erhebungen 6 der Antriebs-Statoreinheit 1 befindlichen Ausnehmungen 9 mit einem Füllmaterial versehen, so daß eine plane Ober­ fläche der Antriebs-Statoreinheit 1 resultiert. Hinsichtlich des in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Füllmateriales für die Ausnehmungen 9 sind dabei bestimmte Anforderungen zu berücksichtigen. Zunächst muß das Füllmaterial nicht-magnetisch sein, um die Funktionsweise des Schrittmotors möglichst nicht zu beeinflussen. Zudem sollte das verwendete Füllmaterial die Herstellung einer möglichst planen Oberfläche der Antriebs-Statoreinheit 1 gewährleisten, sich also möglichst gut polieren lassen und nicht quellen. Ferner sollte eine möglichst gute Haftung von ggf. darauf angeordneten Schichten sichergestellt sein. Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn das einge­ setzte Füllmaterial einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das umgebende Material der Antriebs-Statoreinheit 1. Als ge­ eignetes Füllmaterial erweist sich unter diesen Anforderungen etwa Hartlot. Alternativ kann auch eine Füllung mit einem anderen, nichtmagnetischen Metall oder aber einem Kunststoff erfolgen.

Nach dem Ausfüllen der Ausnehmungen 9 mit einem geeigneten Füllmaterial kann je nach Planaritätsanforderung in einem anschließenden Bearbei­ tungsschritt ein Polieren der Oberfläche dieser Antriebseinheit erfolgen. Auf der möglichst planen Oberfläche der Antriebs-Statoreinheit 1 wird im darge­ stellten Ausführungsbeispiel daraufhin eine als Teilungsträger 7 dienende dünne Schicht aufgebracht. Beim Material des Teilungsträgers kann es sich z. B. um sogenanntes Spin-on-glas oder aber um sogenannte Sol-Gel-Mate­ rialien handeln, die in bekannter Art und Weise aufgebracht werden. Des­ weiteren kann als Teilungsträger z. B. auch eine dünne Metallschicht vorge­ sehen werden, etwa Cr. Die Dicke der als Teilungsträger 7 dienenden Schicht beträgt dabei wenige nm.

Auf dem Teilungsträger 7 wird anschließend die eigentliche Meßteilung 8 aufgebracht bzw. der Teilungsträger 7 strukturiert. Hierbei eignet sich im Fall einer im Auflicht abgetasteten Meßteilung 8 z. B. eine periodische Struktur mit reflektierenden Bereichen aus TiN und nichtreflektierenden Bereichen aus TiO₂. Alternativ wäre auch eine Strukturierung möglich, bei der auf einer nicht-reflektierenden CrO-Schicht reflektierende Bereiche aus Cr in ange­ ordnet werden. Eine derartig aufgebaute Meßteilung 8 würde vorzugsweise auf dem als Cr-Schicht ausgebildeten Teilungsträger 7 angeordnet. Die ei­ gentliche Strukturierung der unterschiedlichen Bereiche kann dabei etwa über bekannte Photolithographie-Techniken erfolgen.

Schließlich ist es alternativ auch möglich, den Teilungsträger als dünne Me­ tallfolie auszubilden, die in bekannter Art und Weise strukturierbar ist, d. h. etwa mit den zur Stahlmaßband-Herstellung bekannten Techniken. Bei­ spielsweise ist in diesem Zusammenhang zur Strukturierung auch die Verwendung von Lasern möglich usw. Die Metallfolie inclusive der darauf angeordneten Teilungstruktur kann anschließend auf die planarisierte Ober­ fläche der Antriebs-Statoreinheit aufgeklebt werden.

Im Gegensatz zum bloßen Anordnen einer Glasplatte eines kommerziellen Kreuzgitter-Meßsystems auf der Oberfläche der Antriebs-Statoreinheit 1 kann durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen sichergestellt werden, daß der Abstand d zwischen den periodischen Strukturen des einen Antriebstei­ les 1 und den Erreger-Spulen des anderen, beweglichen Antriebsteiles 2 nicht zu groß wird und eventuell keine Antriebsbewegung mehr erzeugbar ist. Die auf der planarisierten Oberfläche der Antriebs-Statoreinheit 1 ange­ ordneten Schichten mit dem Teilungsträger 7 und der Meßteilung 9 weisen insgesamt eine Dicke in der Größenordnung von 1 µm auf. Damit ist ge­ währleistet, daß im beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Zusammenwir­ ken der Antriebs-Statoreinheit 1 mit der relativ dazu beweglichen An­ triebseinheit 2 weiterhin möglich ist und derart eine definierte Relativbewe­ gung zwischen den beiden Antriebseinheiten 1, 2 erzeugt werden kann.

Alternativ zur erläuterten Variante mit der periodischen Struktur auf Seiten der statorseitigen Antriebeinheit kann selbstverständlich in der gleichen Art und Weise die Antriebseinheit mit der periodischen Struktur als bewegliche Antriebseinheit eingesetzt werden. Der Teilungsträger inclusive Meßteilung ist in diesem Fall in der gleichen Art und Weise wie oben erläutert der be­ weglichen Antriebseinheit zugeordnet.

Eine zweite Ausführungsform einer Antriebs-Statoreinheit 21, die in der er­ findungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung eingesetzt werden kann, ist in Fig. 2 schematisiert dargestellt. Im Unterschied zum ersten be­ schriebenen Ausfürungsbeispiel ist eine andere periodische Struktur auf Seiten der Antriebs-Statoreinheit 21 vorgesehen, die in einem Permanent­ magnet-Linearmotor zum Einsatz kommen kann. So sind auf einem Grund­ körper 25 der Antriebs-Statoreinheit 21 in einem periodischen Muster analog zum ersten Ausführungsbeispiel quaderförmige Permanentmagneten 26 an­ geordnet, wobei in Fig. 2 eine Anordnung mit unterschiedlichen Polaritäten der benachbarten Permanentmagnete 26 vorgesehen ist. Alternativ können diese Permanentmagnete auch allesamt in dem jeweils gleichen Ausrichtung angeordnet werden. Die Erzeugung der Antriebsbewegung einer - nicht dar­ gestellten - relativ hierzu beweglichen Antriebseinheit erfolgt in bekannter Art und Weise durch die entsprechende Ansteuerung von Erregerspulen in der jeweils anderen Antriebseinheit.

Wie im ersten Ausführungsbeispiel ist wiederum vorgesehen, die Ausneh­ mungen 29 zwischen den Permanentmagneten 26 mit einem Füllmaterial auszufüllen, so daß eine plane Oberfläche dieser Antriebseinheit 21 resul­ tiert. Auf einer derart planarisierten Oberfläche wird anschließend eine als Teilungsträger 27 dienende Schicht aufgebracht, auf der wiederum die Meßteilung 28 angeordnet ist. Hinsichtlich der möglichen Ausbildung des Teilungsträgers 27, der Meßteilung 28 sowie zu den Anforderungen an das Füllmaterial sei auf die obigen Ausführungen verwiesen.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Positions­ meßeinrichtung ist in zwei Teil-Ansichten in den Fig. 3a und 3b schema­ tisiert dargestellt. Die Meßteilung 58 ist wiederum der stationären An­ triebseinheit 51 zugeordnet, die analog zum ersten Ausführungsbeispiel eine periodische Struktur mit Erhebungen 56 und dazwischen liegenden Aus­ nehmungen 59 auf einem Grundkörper 55 aufweist, d. h. als Weicheisen- Stator ausgebildet ist. Nicht dargestellt ist die oberhalb der Antriebs-Sta­ toreinheit 51 angeordnete, bewegliche Antriebseinheit mit den Erregerspulen sowie ein oder mehreren Abtasteinheiten, die zur Auflicht-Abtastung der Meßteilung 58 auf der Antriebs-Statoreinheit 51 dienen. Im Unterschied zu den beiden vorab erläuterten Ausführungsformen ist nunmehr vorgesehen, die als Kreuzgitter ausgebildete Meßteilung 58 als integralen Bestandteil der stationären Antriebseinheit 51 direkt auf der planen bzw. planarisierten der­ selben anzuordnen, d. h. auf einen separaten Teilungsträger zu verzichten. Das Planarisieren der entsprechenden Oberfläche erfolgt wie vorab erläu­ tert, d. h. durch Ausfüllen der Ausnehmungen 56 mit einem geeigneten Füllmaterial, beispielsweise Hartlot. Anschließend wird die Oberfläche noch poliert, bevor die eigentliche Strukturierung erfolgt, um die Meßteilung 58 aufzubringen. Hierbei kann die Meßteilung 58 wiederum aus periodisch an­ geordneten, reflektierenden und nicht-reflektierenden Bereichen bestehen wie etwa aus TiN/TiO₂ etc.

Alternativ zur dargestellten Variante kann die Meßteilung je nach Meßanfor­ derungen auch nur in Teilbereichen der Oberfläche der Antriebs-Statorein­ heit aufgebracht werden, beispielsweise nur auf den planen Oberflächen der Erhebungen usw.

Eine spezielle, vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen opti­ schen Positionsmeßeinrichtung ist in Fig. 4 schematisiert dargestellt. Hier­ bei sind zwei separate Antriebs-Statoreinheiten 31.1, 31.2 gezeigt, die be­ nachbart zueinander angeordnet sind. Der Aufbau der beiden Antriebs-Sta­ toreinheiten 31.1, 31.2 entspricht demjenigen aus dem ersten beschriebenen Ausführungsbeispiel in Fig. 1a und 1b, d. h. auf der Oberseite der Antriebs- Statoreinheiten 31.1, 31.2 ist jeweils als integraler Bestandteil derselben ein Kreuzgitter als Meßteilung 38.1, 38.2 angeordnet. Oberhalb der beiden An­ triebs-Statoreinheiten 31.1, 31.2 ist die bewegliche Antriebseinheit 32 vorge­ sehen, die über Luftlager in der xy-Ebene positioniert werden kann. Die be­ wegliche Antriebseinheit 32 umfaßt im gezeigten Ausführungsbeispiel u. a. zwei Abtasteinheiten 40.1, 40.2, die an den beiden Querseiten der An­ triebseinheit 32 angeordnet sind und mit denen eine optische Abtastung der Kreuzgitter-Meßteilungen erfolgt. Neben der Bestimmung der Verschiebebe­ träge in der xy-Ebene kann mit der dargestellten Anordnung auch eine Dre­ hung der beweglichen Antriebseinheit 32 um eine in z-Richtung orientierte vertikale Achse detektiert werden.

Über dieses Ausführungsbeispiel soll verdeutlicht werden, daß auf Grund­ lage der vorliegenden Erfindung auch große Verfahrbereiche von bewegli­ chen Antriebseinheiten bei derartigen Antrieben realisierbar sind und gleich­ zeitig die hochauflösende optische Positionsbestimmung möglich ist. Hierzu können mehrere kleinere Antriebs-Statoreinheiten, die allesamt in der be­ schriebenen Art und Weise aufgebaut sind, aneinandergereiht werden. Es ist demzufolge nicht erforderlich, eine einzige großflächige Antriebs-Statorein­ heit inclusive großflächiger Meßteilung zu fertigen, vielmehr kann eine be­ stimmte Statorgröße eingesetzt werden, die je nach erforderlichem Verfahr­ bereich entsprechend oft aneinandergereiht wird.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel der Fig. 4 sind auf Seiten der bewegli­ chen Antriebseinheit 32 zwei beabstandete Abtasteinheiten 40.1, 40.2 ange­ ordnet, d. h. es ist kein Überfahren der Stoßstelle der aneinandergrenzenden Antriebs-Statoreinheiten 31.1, 31.2 mit einer der beiden Abtasteinheiten 40.1, 40.2 vorgesehen. Alternativ hierzu kann in einer weiteren Ausfüh­ rungsform die bewegliche Antriebseinheit auch beim modularen Aufbau der Antriebs-Statoreinheit lediglich eine einzige Abtasteinheit umfassen. In die­ sem Fall wiederum resultieren bestimmte Anforderungen an die dann von der Abtatseinheit überfahrbare Stoßstelle, um auch an dieser Stelle eine ex­ akte Positionsbestimmung zu gewährleisten. In einer ersten Variante kann durch hinreichend präzise Fertigung der Meßteilungen insbesondere im Be­ reich der Stoßstellen unmittelbar aneinandergrenzender Antriebs-Statorein­ heiten sichergestellt werden, daß an dieser Stelle keine Fehlmessungen re­ sultieren. Alternativ ist es in einer zweiten Variante mit lediglich einer einzi­ gen Abtasteinheit möglich, zwischen den aneinandergrenzenden Antriebs- Statoreinheiten einen Abstand definierter Größe vorzusehen. Dieser defi­ nierte Abstand kann etwa beim Aufbau der gesamten Antriebs-Statoreinheit aus den einzelnen Modulen über eine geeignete optische Justiervorrichtung eingestellt werden. Auch derart läßt sich sicherteilen, daß beim Überfahren der Stoßstellen mit der Abtasteinheit keine Fehler in der Positionsbestim­ mung resultieren.

Es ergeben sich somit auf Grundlage der erfindungsgemäßen Überlegungen eine Reihe von Ausführungsmöglichkeiten, die allesamt eine zuverlässige, hochauflösende, optische Positionsbestimmung in Verbindung mit verschie­ denen Schrittmotor-Varianten gewährleisten.

Claims (15)

1. Optische Positionsmeßeinrichtung für einen Antrieb zur präzisen Posi­ tionierung, weicher zwei zueinander bewegliche Antriebseinheiten (1, 2; 21; 31.1, 31.2, 32; 51) umfaßt, wobei eine der beiden Antriebseinheiten (1; 21; 31.1, 31.2; 51) eine Meßteilung (8; 28; 38.1, 38.2; 58) als inte­ gralen Bestandteil aufweist, die von einer mit der anderen Antriebsein­ heit (2; 32) verbundenen Abtasteinheit (10; 40.1, 40.2) zur Erzeugung von positionsabhängigen Ausgangssignalen abtastbar ist und die Meß­ teilung (8; 28; 38.1, 38.2; 58) direkt oder indirekt zumindest auf einem Teilbereich einer planen Oberfläche der Antriebseinheit (1; 21; 31.1, 31.2; 51) angeordnet ist, wodurch sich ein Abstand (d) zwischen den beiden Antriebseinheiten (1, 2; 21; 31.1, 31.2, 32; 51) derart ergibt, daß im Zusammenwirken der beiden Antriebseinheiten (1, 2; 21; 31.1, 31.2, 32; 51) die Erzeugung einer definierten Relativbewegung zwischen den beiden Antriebseinheiten (1, 2; 21; 31.1, 31.2, 32; 51) möglich ist.

2. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Meßtei­ lung (8; 28; 38.1, 38.2) auf einer als Teilungsträger (7; 27) dienenden Schicht auf der planen Oberfläche der jeweiligen Antriebseinheit (1; 21; 31.1, 31.2) angeordnet ist und die Dicke der als Teilungsträger (7; 27) dienenden Schicht inclusive der Meßteilung (8; 28; 38.1, 38.2) so ge­ wählt ist, daß ein Zusammenwirken dieser Antriebseinheit (1; 21; 31.1, 31.2) mit der relativ dazu beweglichen anderen Antriebseinheit (10; 40.1, 40.2) möglich ist.

3. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Meßtei­ lung (58) zumindest in Teilbereichen direkt auf der planen Oberfläche der jeweiligen Antriebseinheit (51) angeordnet ist.

4. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, wobei der Tei­ lungsträger (7; 27) und die Meßteilung (8; 28; 38.1, 38.2) der Antriebs- Statoreinheit zugeordnet sind, welche räumlich strukturierte Bereiche mit Erhebungen (6; 26) und dazwischen befindlichen Ausnehmungen (9; 29) umfaßt, die in ein oder zwei Dimensionen periodisch angeordnet sind.

5. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, wobei der Tei­ lungsträger (27) und die Meßteilung (28) der Antriebs-Statoreinheit zu­ geordnet sind, welche Bereiche (26) mit einem definierten Magnetisie­ rungsmuster umfaßt, das in ein oder zwei Dimensionen periodisch an­ geordnet ist.

6. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 4, wobei die Aus­ nehmungen (9; 29) in der Antriebs-Statoreinheit mit einem Füllmaterial versehen sind.

7. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 6, wobei das Füllma­ terial einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das umgebende Material der Antriebs-Statoreinheit.

8. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, wobei als Material des Teilungsträgers (7; 27) Spin-on-Glas gewählt ist.

9. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, wobei als Material des Teilungsträgers (7; 27) ein Sol-Gel-Material gewählt ist.

10. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, wobei der Tei­ lungsträger (7; 27) als dünne Metallfolie ausgebildet ist.

11. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 10, wobei die Metall­ folie als Meßteilung reflektierende und nichtreflektierende Bereiche um­ faßt.

12. Vorrichtung zur präzisen Positionierung eines in einer Ebene bewegli­ chen Bauteiles, die zwei oder mehr benachbart angeordnete An­ triebseinheiten (31.1, 31.2) mit Meßteilungen (38.1, 38.2) gemäß An­ spruch 1 umfaßt und eine relativ dazu bewegliche Antriebseinheit (32) mit mindestens einer Abtasteinheit (40.1, 40.2) aufweist, die zur opti­ schen Abtastung der auf den anderen Antriebseinheiten (31.1, 31.2) an­ geordneten Meßteilungen (38.1, 38.2) ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die bewegliche Antriebseinheit (32) zwei beabstandete Abtasteinheiten (40.1, 40.2) aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die bewegliche Antriebseinheit eine einzige Abtasteinheit umfaßt, die Antriebseinheiten mit den darauf angeordneten Meßteilungen unmittelbar aneinandergrenzend angeord­ net sind und die an den Stoßstellen aneinandergrenzenden Meßteilun­ gen exakt aneinander anschließen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei wobei die bewegliche An­ triebseinheit eine einzige Abtasteinheit umfaßt und die Antriebseinheiten mit den darauf angeordneten Meßteilungen mit einem definierten Ab­ stand zueinander angeordnet sind.