JP2003233424A - Ｘｙステージの位置補正方法、装置、及び、これを用いた位置決め方法、装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置の価格を上げることなく、高いレーザ加
工位置精度を実現する。 【解決手段】 予めパターンが規則的に形成された基準
マスク３０をＸＹステージ１０上に配置し、各パターン
３２の位置をカメラ４４で撮影して得た座標値に基づい
て、ＸＹステージの位置を補正する際に、ＸＹステージ
の位置測定用のスケール２０Ｘ、２０Ｙをレーザ測長に
より補正し、前記基準マスク３０の所定の列上に並んだ
パターンの位置を、前記レーザ測長により補正したＸＹ
ステージ用のスケールを基準として求め、該補正後のス
ケール測定値に基づいて、前記座標値を補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＸＹステージの位
置補正方法、装置、及び、これを用いた位置決め方法、
装置に係り、特に、レーザ加工システムで、３００ｍｍ
×３００ｍｍを越える大ストロークのＸＹステージを使
用する際に用いるのに好適な、ＸＹステージの位置補正
方法、装置、及び、これを用いた位置決め方法、装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ステージ上に配設された物体を二次元方
向に自在に移動するＸＹステージが知られている。この
ＸＹステージで、機械的な位置決め精度を向上するに
は、高精度の部品を使用する必要があり、又、組み立て
に精度が要求され、価格が高価になると共に、組み立て
工数が増える等の問題点を有する。

【０００３】このような問題点を解決するべく、特開平
１０−１０５２４２や特開平７−３２５６２３には、予
めパターンの位置座標を正確に測定して作成されたガラ
スマスクを基準マスクとして用い、これをＸＹステージ
上にセットして、基準マスク上のパターン位置により定
まる設計値に相当した量だけＸＹステージを駆動し、そ
のときのＸＹステージの位置と基準マスクに記されたパ
ターン位置との誤差を求め、この誤差から補正テーブル
を作成し、記憶装置等へ記憶して、ＸＹステージを所定
位置へ移動させる際は、補正テーブルから所定位置に移
動するための補正量を求め、求めた補正量を用いてＸＹ
ステージの駆動量を得て、ＸＹステージの位置を補正す
る方法が記載されている。

【０００４】この方法では、基準マスクに高精度が要求
され、温度変化の影響が小さくなるように、例えば石英
のマスクを使用するのが望ましいとされている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな低熱膨張率の材料は、一般に非常に高価であり、特
にレーザ加工システム等で要求される３００ｍｍ×３０
０ｍｍ以上の大きさになると、ＸＹステージ本体の価格
より基準マスクの方が高価となるという問題がある。数
多くのＸＹステージを補正するのであれば、このような
高価な基準マスクでも使用可能であるが、数十台までの
少量のＸＹステージの位置補正を行う際には、作業中に
おける破損の恐れもあり、現実的でない。又、合成石英
の熱膨張率は０．６μｍ／℃であり、基準マスクの製作
された周囲温度（例えば１７℃）と、補正を行う場所の
温度（例えば２３℃）が異なるときには、温度変化分の
位置誤差がステージ位置精度に反映されてしまうという
問題点も有していた。

【０００６】本発明は、前記従来の問題点を解消するた
めになされたもので、熱膨張率の小さな高価な基準マス
クを用いることなくＸＹステージの位置精度を高めるこ
とを課題とする。

【０００７】本発明は、又、ＸＹステージが暴走等によ
り機械的なストッパに衝突して、真直度やヨーイング等
の精度が悪化してしまった場合に、低価格且つ速やかに
ステージ精度を回復することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、予めパターン
が規則的に形成された基準マスクをＸＹステージ上に配
置し、各パターンの位置をカメラで撮影して得た座標値
に基づいて、ＸＹステージの位置を補正する際に、ＸＹ
ステージの位置測定用のスケールをレーザ測長により補
正し、前記基準マスクの所定の列上に並んだパターンの
位置を、前記レーザ測長により補正したＸＹステージ用
のスケールを基準として求め、該補正後のスケール測定
値に基づいて前記座標値を補正するようにして、前記課
題を解決したものである。

【０００９】又、前記レーザ測長の方向を、各ステージ
の送り方向と一致させて、補正精度を高めたものであ
る。

【００１０】又、前記基準マスクの傾き補正を、前記レ
ーザ測長による補正を行った列の交点を基準として行う
ことにより、同じく補正精度を高めたものである。

【００１１】本発明は、又、予めパターンが規則的に形
成された基準マスクを用いてＸＹステージの位置を補正
するためのＸＹステージの位置補正装置において、ＸＹ
ステージ上に基準マスクを固定する手段と、該基準マス
ク上の各パターンの位置を撮影する撮像手段と、ＸＹス
テージの位置測定用のスケールを補正するためのレーザ
測長手段と、前記基準マスク上の所定の列上に並んだパ
ターンの位置を、前記レーザ測長により補正したＸＹス
テージ用のスケールを基準として求める位置測定手段
と、前記撮像手段により得た各パターンの座標値を、前
記位置測定手段により得た補正後のスケール測定値に基
づいて補正する手段と、を備えたことにより、前記課題
を解決したものである。

【００１２】又、前記撮像手段の撮像中心と前記レーザ
測長手段の光軸が一致するようにして、補正精度を高め
たものである。

【００１３】本発明は、又、前記の位置補正方法により
求めた補正値を利用して、ＸＹステージを目標位置に位
置決めすることを特徴とするＸＹステージの位置決め方
法を提供するものである。

【００１４】本発明は、又、前記の位置補正装置と、該
位置補正装置により補正した座標値を用いて、ＸＹステ
ージの位置決めを行う手段とを備えたことを特徴とする
ＸＹステージの位置決め装置を提供するものである。

【００１５】本発明は又、前記の位置決め方法を用い
て、ＸＹステージ上に配置された加工対象物の位置決め
を行うことを特徴とする加工方法を提供するものであ
る。

【００１６】本発明は、又、前記の位置決め装置と、該
位置決め装置により位置決めされるＸＹステージ上に加
工対象物を固定する手段と、前記ＸＹステージ上の加工
対象物を加工する手段とを備えたことを特徴とする加工
装置を提供するものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下図面を参照として、本発明の
実施形態を詳細に説明する。

【００１８】本実施形態では、図１（正面図）、図２
（平面図）及び図３（要部斜視図）に示す如く、Ｙ軸モ
ータ１４ＹによってＹ軸方向（図２の上下方向）に駆動
されるＹステージ１２Ｙと、該Ｙステージ１２Ｙ上に配
置された、Ｘ軸モータ１４ＸによりＸ軸方向（図１及び
図２の左右方向）に駆動されるＸステージ１２Ｘと、該
Ｘステージ１２Ｘ上で加工対象物や基準マスク３０を固
定する吸着テーブル１６を備えたＸＹステージ１０を対
象としている。

【００１９】前記Ｘステージ１２Ｘ及びＹステージ１２
Ｙには、各々図３に示す如く、リニヤスケール２０Ｘ、
２０Ｙが配設され、Ｘステージ１２Ｘ又はＹステージ１
２Ｙ側に固定されたスケール本体２２Ｘ、２２Ｙと、Ｙ
ステージ１２Ｙ又はベース１８側に固定された走査ユニ
ット２４Ｘ、２４Ｙの相対変位により、各ステージ１２
Ｘ、１２Ｙの各軸（Ｘ軸及びＹ軸）方向の位置を測定す
るようにされている。図において、２６Ｘ、２６Ｙはケ
ーブルである。

【００２０】前記基準マスク３０は、一般的に使われる
ソーダライム等の比較的安価なガラス製とされ、図４に
示す如く、例えば碁盤の目上に規則的に配置されたパタ
ーンである位置検出用マーク３２が描画されている。各
マーク３２の絶対位置精度は、高い程望ましく、例えば
３μｍ以下とされている。一般的なガラス成分であるソ
ーダライムの熱膨張率は８．５μｍ／℃であり、位置検
出用マーク３２の位置精度は、温度変化の影響を大きく
受けるが、各マーク３２の配列の真直性は、温度が変化
しても変化しない。

【００２１】前記ＸＹステージ１０の上方には、図１に
示す如く、カメラ観察系として、照明装置４０と、レン
ズ４２を介して、前記基準マスク３０のマーク３２を撮
像するカメラ４４と、該カメラ４４により取得された画
像を処理して、各マーク３２の位置を求める画像処理装
置４６と、該画像処理装置４６による画像処理結果をモ
ニタ５０に表示するパソコン（ＰＣ）４８が設けられて
いる。

【００２２】ここで、レーザ光軸と同軸にカメラ観察系
を設置し、補正を行う方が補正精度は高まるが、レーザ
光軸とは異なる位置にカメラを設置し、補正を実施して
も構わない。その場合、光軸から離れるほど、補正精度
が悪化する傾向がある。

【００２３】前記照明装置４０は、リング照明でも同軸
照明でも、位置検出用マーク３２の画像処理検出に支障
をきたさない照明法であれば構わない。

【００２４】前記ＸＹステージ１０の位置決めは、図３
に示したように、リニアスケール２０Ｘ、２０Ｙとサー
ボモータ１４Ｘ、１４Ｙを有するフルクローズ制御系を
用いるのが望ましく、レーザ測長によりピッチエラー補
正を行い、軸方向の位置決め精度を補正する。具体的に
は、リニヤスケール２０Ｘ、２０Ｙによる測定値と、レ
ーザ測長により測定した値との対比表をコンピュータ上
で作成し、レーザ測長で計測した値を基準にステージ１
２Ｘ、１２Ｙが動くように、リニヤスケール２０Ｘ、２
０Ｙを通してフィードバック制御をかける。

【００２５】図２に示した如く、レーザ測長によりスト
ローク方向に補正を行なった軸を基準マスク３０による
補正の基準軸とする。この基準軸は、レーザ加工による
加工点１９を通るようにする方が、補正精度が向上す
る。

【００２６】そのため、前記ＸＹステージ１０には、更
に、図５に例示する如く、例えば干渉によるレーザ測長
器６０が設けられ、図２に示した加工点１９を通るＸス
テージ１２Ｘの送り方向（Ｘ軸方向）の位置及びＹステ
ージ１２Ｙの送り方向（Ｙ軸方向）の位置を高精度に測
定可能とされている。図５において、６２は、ＸＹステ
ージ１０と共に移動するようにされた可動側ミラーであ
る。

【００２７】ここで、レーザ測長器６０から照射される
レーザ光は、ビームスプリッタ６６及び固定側ミラー６
８を介して可動側ミラー６２で反射してレーザ測長器６
０に戻るため、レーザ測長器６０は、照射光と反射光と
の関係から、可動側ミラー６２と固定側ミラー６８の距
離ｘ、即ちＸＹステージ１０のＸ軸方向の距離を得る。
又、レーザ測長器６０から照射されるレーザ光は、ビー
ムスプリッタ６６及び固定側ミラー７０を介して可動側
ミラー６２で反射してレーザ測長器６０に戻るため、レ
ーザ測長器６０は、固定側ミラー７０と可動側ミラー６
２間の距離ｙを検出し、ＸＹステージ１０のＹ軸方向の
距離を得る。

【００２８】以下、図６を参照して具体的な処理手順を
説明する。

【００２９】まずステップ１００で、ＸＹステージ１０
上に基準マスク３０を配置し、吸着テーブル１６又は治
具により固定する。このとき、基準マスクパターン軸と
ステージ軸との傾きは、なるべく少なくなるようにし
て、補正範囲の最初と最後で、パターンがカメラ４４の
視野内で検出可能な程度とする。

【００３０】次いでステップ１０２に進み、基準マスク
３０の四隅のパターンをカメラ４４で見て、そのパター
ン座標を測定し、基準マスクパターン軸のステージ軸に
対する傾きを計算する。なお、図７に示す如く、ＸＹス
テージ１０上に回転可能なθステージ１５が付いている
場合には、該θステージ１５により基準マスク３０を回
転し、基準マスク３０のパターン軸がステージ軸と平行
になるように補正することができる。

【００３１】次いでステップ１０４に進み、基準マスク
３０をＸ軸方向及びＹ軸方向に一列ずつ、所定ピッチ
（例えばパターンピッチの１〜５倍）で送りながら、格
子状に並んだ各位置検出用マーク３２をカメラ４４で見
て、画像処理により座標値を得ると共に、各基準軸上に
あるパターンについては、レーザ測長器６０による測長
値も得る。

【００３２】次いでステップ１０６で、得られた座標か
ら、基準マスク３０の傾きによる座標誤差を計算により
取り除く。この際、Ｘ軸レーザ測長を行った列とＹ軸レ
ーザ測長を行った列の交点を基準（０，０）として、傾
きによる誤差を計算する。

【００３３】これにより、ステップ１０８で、補正した
いストローク範囲における各格子点でのＸ、Ｙ軸方向の
補正値の集合である第1次補正マップが完成する。この
第1次補正マップは、基本的に、特開平１０-１０５２４
２や特開平７−３２５６２３により作成されるものと同
じである。

【００３４】次いで、ステップ１１０に進み、レーザ測
長器６０により求めた値により、Ｘ成分を補正する。具
体的には、図８に示すデータ（Ｘ1，ＹＬ）のＸ1を、レ
ーザ測長によって求めたＸ1Ｌに変更し、（Ｘ1，Ｙ1）
〜（Ｘ1，ＹN）のＸ1に（Ｘ1-Ｘ１L）を加算する。同様
にして、各格子点のＸ成分を補正する。

【００３５】次いでステップ１１２に進み、データ（Ｘ
L，Ｙ1）のＹ1を、レーザ測長で求めた値Ｙ1Lに変更
し、（Ｘ1，Ｙ1）〜（ＸN，Ｙ1）のＹ1に（Ｙ1-Ｙ1L）
を加算する。同様にして、各格子点のＹ成分を補正す
る。

【００３６】このようにして、レーザ測長補正をベース
に、ステップ１０８で完成した第１次補正マップを補正
することによって、ステップ１１４で第２次補正マップ
が完成する。

【００３７】ＸＹステージ１０を所定の位置に移動させ
るときには、図９に示すような手順による。

【００３８】即ち、まずステップ２００で、ＸＹステー
ジ１０の移動量（目標値）を入力する。

【００３９】次いで、ステップ２０２で、図８に示した
ような第２次補正マップから、図１０に示す如く、移動
すべき点（Ｘ，Ｙ）を囲む近傍４点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの補
正データを取り出す。

【００４０】次いでステップ２０４で、取り出した近傍
４箇所のデータから、図１０に示す如く、目標位置
（Ｘ，Ｙ）における補正量をキーストン補正（台形補
正）により算出し、ステップ２０６で、補正量を加算し
て、ステップ２０８で、補正量分を含めた位置にＸＹス
テージ１０を移動させる。

【００４１】この際、測定ピッチ（補正ピッチ）を狭め
る程、精密な補正が可能となる。

【００４２】このようにして、例えば３００ｍｍ×３０
０ｍｍを越える大ストロークのＸＹステージをレーザ加
工システムで使用する場合でも，高価な高精度ＸＹステ
ージや補正方法を使用することなく、加工位置精度を高
めることができる。

【００４３】又、ＸＹステージは、暴走等により機械的
なストッパに衝突してしまうと、真直度やヨーイング等
の精度が悪化してしまい、ステージの修理によりこれを
修正するには、時間、コスト共に掛かるが、本発明に示
すように、基準マスクを用いて位置補正をやり直すこと
により、絶対位置精度を容易に一定の値（例えば±２μ
ｍ〜±５μｍ）に回復することが可能となる。

【００４４】なお前記実施形態においては、本発明が、
レーザ加工システムに適用されていたが、本発明の適用
対象はこれに限定されず、他の加工機や、加工機以外に
も同様に適用できることは明らかである。

【００４５】又、ＸＹステージの位置を検出する手段も
リニヤスケールに限定されず、例えばステージ送り軸の
回転を検出するロータリエンコーダであっても良い。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、装置の価格を上げるこ
となく、高い位置決め精度を実現することができる。
又、補正により、製品毎に安定した精度を得ることがで
きる。更に、一度ＸＹステージの精度が落ちた場合にお
いても、物理的な修正を施すことなく、再測定してソフ
トウエアによる補正により、比較的容易に且つ速やかに
ステージ精度を回復することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施形態の全体の構成を示す正面
図

【図２】同じくＸＹステージの平面図

【図３】同じく斜視図

【図４】同じく基準マスクの平面図

【図５】同じくレーザ測長の構成を示す斜視図

【図６】同じく補正マップ作成手順を示す流れ図

【図７】ＸＹステージの変形例を示す斜視図

【図８】本発明に係る実施形態の補正マップの例を示す
図表

【図９】同じく位置補正量の算出手順を示す流れ図

【図１０】同じく補正位置の算出方法を示す説明図

【符号の説明】

１０…ＸＹステージ １２Ｘ…Ｘステージ １２Ｙ…Ｙステージ １４Ｘ…Ｘ軸モータ １４Ｙ…Ｙ軸モータ １６…吸着テーブル １９…加工点 ２０Ｘ、２０Ｙ…リニヤスケール ３０…基準マスク ３２…位置検出用マーク ４０…照明装置 ４４…カメラ ４６…画像処理装置 ３８…パソコン（ＰＣ） ５０…モニタ ６０…レーザ測長器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA03 AA06 BB27 FF04 FF51 GG04 HH04 HH13 LL12 PP12 2F078 CA08 CB06 CB12 CC01 5H303 AA01 BB02 BB07 BB12 CC02 DD01 EE03 EE09 FF08 FF13 GG13 HH02 HH07 LL03

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】予めパターンが規則的に形成された基準マ
   スクをＸＹステージ上に配置し、各パターンの位置をカ
   メラで撮影して得た座標値に基づいて、ＸＹステージの
   位置を補正する際に、 ＸＹステージの位置測定用のスケールをレーザ測長によ
   り補正し、 前記基準マスクの所定の列上に並んだパターンの位置
   を、前記レーザ測長により補正したＸＹステージ用のス
   ケールを基準として求め、 該補正後のスケール測定値に基づいて前記座標値を補正
   することを特徴とするＸＹステージの位置補正方法。
2. 【請求項２】前記レーザ測長の方向を、各ステージの送
   り方向と一致させたことを特徴とする請求項１に記載の
   ＸＹステージの位置補正方法。
3. 【請求項３】前記基準マスクの傾き補正を、前記レーザ
   測長による補正を行った列の交点を基準として行うこと
   を特徴とする請求項１又は２に記載のＸＹステージの位
   置補正方法。
4. 【請求項４】予めパターンが規則的に形成された基準マ
   スクを用いてＸＹステージの位置を補正するためのＸＹ
   ステージの位置補正装置において、 ＸＹステージ上に基準マスクを固定する手段と、 該基準マスク上の各パターンの位置を撮影する撮像手段
   と、 ＸＹステージの位置測定用のスケールを補正するための
   レーザ測長手段と、 前記基準マスク上の所定の列上に並んだパターンの位置
   を、前記レーザ測長により補正したＸＹステージ用のス
   ケールを基準として求める位置測定手段と、 前記撮像手段により得た各パターンの座標値を、前記位
   置測定手段により得た補正後のスケール測定値に基づい
   て補正する手段と、 を備えたことを特徴とするＸＹステージの位置補正装
   置。
5. 【請求項５】前記撮像手段の撮像中心と前記レーザ測長
   手段の光軸が一致するようにされていることを特徴とす
   る請求項４に記載のＸＹステージの位置補正装置。
6. 【請求項６】請求項１乃至３のいずれかに記載の位置補
   正方法により求めた補正値を利用して、ＸＹステージを
   目標位置に位置決めすることを特徴とするＸＹステージ
   の位置決め方法。
7. 【請求項７】請求項４又は５に記載の位置補正装置と、 該位置補正装置により補正した座標値を用いて、ＸＹス
   テージの位置決めを行う手段と、 を備えたことを特徴とするＸＹステージの位置決め装
   置。
8. 【請求項８】請求項６に記載の位置決め方法を用いて、
   ＸＹステージ上に配置された加工対象物の位置決めを行
   うことを特徴とする加工方法。
9. 【請求項９】請求項７に記載の位置決め装置と、 該位置決め装置により位置決めされるＸＹステージ上に
   加工対象物を固定する手段と、 前記ＸＹステージ上の加工対象物を加工する手段と、 を備えたことを特徴とする加工装置。