JPH038683B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、工具の被加工品に対する位置付け及
び移動を制御するのに用いる形式の高精度位置決
め及び測定装置に係る。特に、本発明は、作業テ
ーブル上のフイルムに対して光ヘツドを位置決め
するのに用いるレーザ干渉計装置に係る。

本発明と同じ譲受人の米国特許第3884580号に
は、光プロツタ又は自動位置決め装置のための高
精度位置決め制御において、位置のフイードバツ
クを行うために用いる干渉計装置が開示されてい
る。レーザ干渉計は高精度であるので位置制御に
理想的に適している。しかしながら、レーザ装置
に用いる光学部品は高価であるので、一般的には
このようなレーザ干渉計を用いるのは、2.5ミク
ロン以下の精度が必要な装置に限定される。微小
回路用のマスクを製作するのに使用する光プロツ
タはこのような精度を必要とする装置の１例であ
る。

少なくとも２次元の寸法を有するフイルム又は
他の被加工品上で動作するプロツタないしその他
の装置においては、光ヘツドないし他の工具を被
加工品に対して２つの座標軸にそつて精密に位置
決めしなければならない。二軸位置決め装置を有
する先行技術の装置においては、各干渉計の測定
軸が常に反射面と交叉するようにするために、２
つの干渉計と２つの細長い反射鏡とを必要とす
る。各座標方向にある反射鏡の長さは、少なくと
も各座標にそつての最大作業行程と同じ長さであ
る必要があり、望ましくはそれ以上である必要が
あり、長い行程においては非常に高価であつて重
くかつ精巧な反射鏡を必要とする。

したがつて、本発明の目的は、一般的により小
さい変位が行われる一方の軸については単一の細
長い反射鏡のみを用い、もう一方の軸については
小さい反射鏡を使用し、かつ他の干渉計測定位置
で得られる精度を実質的に低下させない、二軸干
渉計測定装置を提供することである。

本発明は、２つの座標方向に光プロツタのよう
な工具をフイルムや他の被加工品に対して動かす
ための高精度位置決め装置に関する。この装置は
固定支持体ないし枠を有し、この上で作業テーブ
ルが第１座標方向で枠に対して前後に動くように
取付けられている。このテーブルは第１座標方向
及びこの第１座標方向と直角な第２座標方向に平
行に広がつている作業面を有する。

また、固定支持体及びテーブルの支持面に対し
て第２座標方向で前後に動くように工具キヤリツ
ジが枠上に取付けられている。工具キヤリツジ
は、テーブル作業面上に支持されているフイルム
ないし他の被加工品に対して作用関係にある光ヘ
ツドないし他の工具のためのマウントを有する。
それぞれ作業テーブル及び工具キヤリツジに連結
している駆動モータは、作業操作の間、テーブル
と光ヘツドを相互に動かす。そしてこの運動は、
典型的にはプログラムテープやその他のプロツト
データ源によつて自動制御される。

工具キヤリツジ上に第１干渉計が取付けられて
いて、第１座標方向に延びているこの干渉計の敏
感な測定軸に対して位置決めされている。細長い
形の第１反射鏡が作業テーブル上に取付けられて
いて、この干渉計の測定軸に交叉する反射面を有
する。この反射面は、テーブル位置を測定するた
めに、第２座標方向の工具キヤリツジと第１干渉
計の動きにふさわしい長さだけ第２座標方向に延
びている。

第２干渉計と第２反射鏡が枠と工具キヤリツジ
上に取付けられており、この干渉計の測定軸は、
キヤリツジの位置を測定するために、第２座標方
向に延びていてこの反射鏡と交叉するようになつ
ている。

このようにして、第１座標方向において、工具
キヤリツジと作業テーブルとの間の運動は、第１
干渉計及び細長い反射鏡によつて直接測定され
る。この反射鏡の長い反射面によつて、第２座標
方向における工具キヤリツジの位置にかかわら
ず、第１干渉計からの正確な読取りが確保され
る。キヤリツジとテーブルの間の第２座標方向に
おける相対位置決めは、第２干渉計及び第２反射
鏡の助けによつて行われる。工具キヤリツジは第
２座標方向へ動き、かつ第２干渉計の測定軸は第
２座標方向へ延びているので、この制御軸につい
て細長い反射鏡ないしその他の反射鏡の必要はな
い。その結果、１枚の細長い反射鏡と１枚の小さ
い反射鏡のみしかこの干渉計測定装置には必要と
しない。

第１図は全体として10で表わした光プロツタを
示しており、これは±５ミクロン（±
0.0002inch）の精度の線や記号をフイルム板Ｆに
露光するのに用いられる。フイルムは32インチ×
40インチ（80cm×100cm）の大きさをしており、
このようなフイルムは典型的には印刷回路ないし
印刷微小回路の設計に用いられるものである。フ
イルムに描かれる文字と線の間隔と精度とは、最
終製品特に高密度微小回路の性能にとつて最も決
定的なものである。しかしながらこの発明は光プ
ロツタに対する応用に限定されず、少なくとも２
座標方向について相互に可動な他の工具や被加工
品について利用することができる。

この光プロツタは、足１４を持つた固定支持枠
１２、支持プラツトフオーム１６、及びそれらの
上にあるブリツジ１８を含んでいる。このブリツ
ジはプラツトフオームに固く連結していて、プラ
ツトフオームの中間でそれから一定の高さでかけ
渡されている。

作業テーブル２０は作業面を有し、その上に、
例えば負圧を利用する手段によつて、フイルム板
Ｆを支持する。このテーブルは、一対の断面円形
ガイド２２，２４によつて図示のＸ座標方向に可
動にプラツトフオーム１６に取付けられている。
この２つのガイドはプラツトフオーム１６に固く
固着されている。第２図に示すように、ガイド２
４上を運動する軸受２６はテーブル２０に固く取
付けられている。しかし、ガイド２２上を運動す
る軸受２８は台板３０に対して滑動可能に接触し
ており、複数のバネリンク３２と隔壁３４とを介
してテーブルに横方向に整列している。この台板
とバネリンクとは、２つのガイド２２，２４の間
のいかなる整列誤差、それにこれらガイド、固定
枠１２及び作業テーブル２０の間の関連する連結
にも、軸受２８を適応させることができる。より
重要なことは、ガイド２４は作業テーブルのＸ座
標方向への整列及び運動を規定する主ガイドにな
る。２つのガイドの間の誤差についてのあいまい
さは、このようにしてガイド２４が主となること
によつて解決される。

テーブル２０のＸ座標方向への運動は、第１図
及び第３図に示すようにバランスのとれた駆動力
を出すために、Ｘ駆動モータ４０によつて回転駆
動される単一のボールリードネジ４２、及びテー
ブルの中央部分に取付けられたボールナツト４４
によつて、行われる。周知の型のボールナツトは
一連の再回転ボールを有し、これらボールはリー
ドネジ４２のら旋溝に対して加圧装着され、位置
合わせ機構のバツクラツシを排除する。

駆動モータ４０は命令信号ケーブル５２を通し
てプロツト制御装置５０へ接続されている。制御
装置５０はプログラムテープ５４からプロツト命
令を読取り、その命令を駆動モータ４０へ伝え、
作業テーブル２０とその上のフイルムＦをプロツ
ト作業中にＸ座標軸にそつて種々の位置へ位置付
ける。

光学的ヘツド５６は工具キヤリツジ５８によつ
てフイルム板Ｆ上に支持され、かつ動くようにな
つている。この光ヘツドはフイルム板Ｆの感光面
及びＸ、Ｙ座標軸に一般的に垂直に延びている光
軸５７を有し、この軸にそつて光ビームを投射す
ることによつてフイルム面を露光する。フイルム
板と光ヘツドが相互に動く間に露光が行われるた
め、連続する線が露光される。又は、光ビームの
中に挿入された開口板が特別な輪郭の形状をフイ
ルム上にフラツシ露光する間、フイルムとヘツド
は静止保持される。光ヘツド装置自身のより完全
な説明については、米国特許第3848520号参照。

工具キヤリツジ５８は、第１図のブリツジ１８
の上にそれにそつて図示のＹ座標方向へ運動する
ように取付けられている。工具キヤリツジの運動
は、Ｙ駆動モータ６０、このモータに連結してい
る単一ボールリードネジ６２、及び工具キヤリツ
ジ５８に取付けられたボールナツト６４によつて
行われる。プログラムテープ５４から同様に読取
られた命令信号が、制御装置５０によつてＹ駆動
モータ６０へ与えられ、フイルム板Ｆに対してブ
リツジ１８にそつて横断的に光ヘツドを位置付け
る。Ｘ駆動モータ４０、Ｙ駆動モータ６０による
フイルム及び光ヘツドの複合運動により、光ヘツ
ドはフイルムＦの感光面のいずれの領域でも露光
可能であると言うことは理解できよう。

本発明によつて、光ヘツド５６と作業テーブル
２０の運動は、フイルム板Ｆ上にプロツトを精密
に露光するために、レーザ干渉計装置によつて測
定される。この干渉計装置はＸ及びＹ座標の両方
向の運動を測定するための二軸システムのもので
あり、第２図に平面図として一般的に示してあ
る。この装置には第１図の固定枠１２に取付けら
れていてレーザビームを発生させるためのヘリウ
ム−ネオン・レーザ７０が含まれており、このレ
ーザビームは両方の座標軸にそつた測定に用いら
れる。この装置にはまたＸ軸にそう運動を測定す
るためのＸ軸光検出器７２と、Ｙ軸にそう運動を
測定するためのＹ軸光検出器７４とが含まれてい
る。発生されたレーザビームは第１図のブリツジ
１８に取付けられたビームスプリツタ７６へ送ら
れ、このビームスプリツタはビームの一方を工具
キヤリツジ５８に取付けられたＸ軸干渉計７８
へ、ビームの他方を同様にブリツジ１８に取付け
られたＹ軸干渉計８０へそれぞれ向ける。Ｘ軸干
渉計７８は平面鏡干渉計であつて、第２図でこの
干渉計と作業テーブル２０の一端にそつて延びて
いる細長い第１面反射鏡８４との間に延びる測定
軸８２を有している。この反射鏡の反射面は測定
軸８２に垂直であつてＹ座標方向に延びており、
ホールリードネジ６２にそう工具キヤリツジ５８
のどの位置においてもこの測定軸はこの反射面と
交叉するようになつている。また、測定軸８２
は、米国特許第3884580号に記載されているよう
にアツベ誤差を最小にするために、光ヘツド５６
の光軸５７と交叉することが望ましい。アツベ誤
差は高精共位置決め装置においては重要な考慮事
項であり、測定軸と実際の対象面との間の非平行
性によつて発生するものであり、測定軸と対象面
との間の間隔に比例する。

「測定軸」と言う用語は、干渉計と反射鏡の間
の相対運動を測定する目的で干渉計がこの離れた
反射鏡へ射出するコヒーレント光の単一ビームな
いし複数のビームにそう軸のことを示す。この軸
は実際には２本以上の平行光ビームの中間線であ
り、これらビームは干渉計と反射鏡の間の点にお
いて偏向され、測定軸を２以上の点において異な
る方向に延びて曲がるようにする。「交叉」と言
う用語は、直線又はその延長が特定の点、直線又
は平面を通過する幾何学的条件をさすものであ
る。

Ｙ軸干渉計８０は直線干渉計であり、この干渉
計と工具キヤリツジ５８に取付けられた再帰反射
鏡８８との間に延びる測定軸８６を有する。工具
キヤリツジは軸８６に平行なＹ座標方向に動くの
で、再帰反射鏡８８は長い形状のものでなく、工
具キヤリツジと作業テーブル２０のどの位置にお
いても何ら長い形状を必要とせずに軸８６と交叉
する関係を維持する。また、測定軸８６は、上記
したアツベ誤差を最小にするために、光軸５７と
交叉することが望ましい。

テーブルのＸ座標方向への運動を案内するガイ
ド２４の曲り、及び光ヘツドのＹ座標方向への運
動を案内するブリツジ１８の曲りによつて発生す
る位置決め誤差を調べることによつて、このレー
ザ干渉計装置は主なる誤差をほとんど検出して修
正すると言うことが示される。断面円形ガイド２
４がＸ干渉計７８の測定軸８２に正確には平行で
ない場合、又はこのガイドに曲りがある場合、第
１面反射鏡８４はＸ軸にそつて発生するアツベ誤
差を検出し、それによつてテーブルの位置決めを
修正する。工具キヤリツジ５８が断面円形ガイド
２４から離れていればいるほど、誤差はより大き
いが、それでもその誤差は検出される。また、断
面円形ガイド２４の軸外れ又は曲りはＹ座標方向
の誤差も発生させるが、このような誤差は小さ
く、アツベ誤差の場合のように断面円形ガイドか
らの距離比例はしない。

Ｙ座標方向について、測定軸８６に対する直線
性及び平行性は、非常に高精度かつ平面にみがか
れた反射鏡８４の第１面の直線性によつて決ま
る。したがつて、工具キヤリツジが可動に取付け
られたブリツジ１８はＹ方向のアツベ誤差の主な
発生場所である。しかしながら、工具キヤリツジ
５８がどの位置にあつても測定軸８６は光軸５７
を通つて延びており、またビームの曲がりによつ
て発生する片寄り及びそれに対応するアツベ誤差
が最小であるので、上に述べたような誤差は最小
にすることができる。

また、第２図及び第３図から、レーザ７０及び
干渉計７８，８０を適当に位置付けて、測定軸８
２，８６を可能な限りフイルム面又はフイルムテ
ーブル２０の支持面に近づけて位置させることに
より、アツベ誤差を最小にすることができること
が明らかになろう。

干渉計装置の詳細な動作は第４図と結びつけて
説明する。ヘリウム−ネオン・レーザ７０は２つ
の多少異なつた光周波数からなるコヒーレント光
ビームを発する。そのうち一方のものは適当な偏
光において、レーザと干渉計の間のビーム光路の
変動に適応させるための参照ビームとして用いら
れ、もう一方のものは対応する偏光において測定
ビームとして用いられる。２周波数ビームはレー
ザ７０からビームスプリツタ７６へ送られ、ここ
で分割され、一方は軸９０にそつて平面鏡干渉計
７８は向けられ、他方は軸９２にそつて直線干渉
計８０へ向けられる。干渉計７８において、参照
周波数はキユーブコーナ９４によつてまつすぐ後
へ軸９６にそつてビームスプリツタへ反射され、
ビームスプリツタから軸１００にそつてＸ軸検出
器７２へ反射される。測定周波数は軸９０から偏
向され、測定軸８２ａにそつて反射鏡８４に達
し、後へ反射されてキユーブコーナ９８に達し、
そこで再び反射されて平面鏡偏光変換器（図示な
し）を通して軸８２ｂにそつて反射鏡８４に達す
る。反射鏡８４からの第２回目の反射は、反射鏡
８４及びテーブル２０のＸ座標方向の運動によつ
て２回のドツプラーシフトを受けており、ビーム
スプリツタ７６により軸９６，１００にそつてＸ
軸検出器７２へ戻る。光検出器７２はこの運動に
よつて発生するフリンジパターンを感知し、検出
器内のカウンタ及び他の回路によつてフリンジ計
数から測定運動を計算し、第１図の制御装置５０
へ相当するフイードバツク信号を送る。

Ｙ座標方向の測定は、ただ１回の反射とドツプ
ラーシフトが起ると言う点を除いて、同じ様に行
われる。レーザ７０からの参照周波数は、キユー
ブコーナ１０４によつて直接後へ反射されてＹ軸
光検出器７４へ戻る。測定周波数は測定軸８６ａ
にそつて再帰反射鏡８８へ達し、軸８６ｂにそつ
て干渉計へ戻る。光ヘツド５６の運動によつてド
ツプラーシフトを受けた周波数は次に軸１０６に
そつて検出器へ反射され、そこでフリンジの計数
を検出する。測定運動を計算して第１図の制御装
置５０へ信号としてフイードバツクする。

まとめると、２つの座標軸にそう光ヘツド及び
フイルムの運動を検出するためのレーザ干渉計測
定装置をそなえた光フロツタ１０を説明した。こ
の干渉計装置は、一方の座標軸上の単一の細長い
反射鏡と、他方の座標軸上の関連する干渉計と整
列に続ける再帰反射鏡とを含んでいる。干渉計と
反射鏡の配置は、アツベ誤差を最小にし、装置全
体の精度を上げ、テーブル又はヘツド上の第２の
長い反射鏡の重量と費用とを排除するものであ
る。各座標方向の運動は単一のボールナツト及び
リードネジによつて行われる。

本発明を望ましい実施例について説明したが、
本発明の精神から外れることなく種々の変形及び
置換が可能であることが理解されよう。例えば、
ビームスプリツタ７６は干渉計８０にそつて工具
キヤリツジ上に取付けることができ、また再帰反
射鏡８８はその場合固定枠１２上に取付けること
ができる。しかしながら、光ヘツドと共に動く部
品の数を最少にすることは望ましいことであり、
上記の部品の配置はこの目的に合致するものであ
る。また、平面鏡８４を工具キヤリツジ上に位置
させ、干渉計７８をフイルムテーブル上でレーザ
７２から発せられるビームに常に整列するように
位置させることも可能である。しかしながら、キ
ヤリツジよりテーブルの方が細長い物を支持する
のに適しているので、反射鏡８４はテーブルの端
部にそつて取付けられている。したがつて、本発
明は望ましい実施例について限定のためではなく
実例として説明してきた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を用いた光プロツタの斜視図で
あり、第２図は第１図の光プロツタを概略的に示
している平面図であり、レーザ干渉計の主測定軸
を示しており、第３図は第１図の光プロツタを概
略的に示している側面図であり、第４図は第１図
の光プロツタのレーザ干渉計測定装置の詳細を示
す図面である。 １２……固定支持枠、２０……作業テーブル、
４０……Ｘ駆動モータ、５０……制御装置、５６
……光ヘツド、５８……工具キヤリツジ、６０…
…Ｙ駆動モータ、７８……Ｘ軸干渉計、８０……
Ｙ軸干渉計、８４……第１面反射鏡、８８……再
帰反射鏡。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ２つの座標軸方向において工具５６と被加工
   品Ｆとを相対的に運動させる高精度位置決め装置
   にして、 固定支持体１２、固定支持体に対し第１座標軸
   Ｘ方向において往復運動するように固定支持体に
   装着される可動の作業テーブル２０、固定支持体
   及び作業テーブルに対し第１座標軸方向と直角の
   第２座標軸Ｙ方向において往復運動するように固
   定支持体に装着される工具キヤリツジ５８、固定
   支持体と作業テーブルの間に連結され作業テーブ
   ルを第１座標軸方向において往復運動させる第１
   駆動手段40、固定支持体と工具キヤリツジの間に
   連結され工具キヤリツジを第２座標軸方向におい
   て往復運動させる第２駆動手段60、工具キヤリツ
   ジ５８上に取り付けられ第１座標軸Ｘ方向に延び
   る測定軸８２を備えて位置決めされる第１干渉計
   ７８、作業テーブル２０上に取り付けられる第１
   反射鏡８４、第２座標軸Ｙ方向における工具キヤ
   リツジの位置を測定する第２干渉計８０及び第２
   反射鏡８８、及び第１駆動手段及び第２駆動手段
   に接続される制御装置を含み、 作業テーブル２０が第１座標軸Ｘ方向及び第２
   座標軸方向Ｙに広がつている作業面を有し、該作
   業面上に被加工品Ｆが支持され、 工具キヤリツジ５８が作業テーブルの作業面上
   に支持される被加工品に対し作業可能な関係にお
   いて工具を支持するためのマウントを提供し、 第１反射鏡８４が第１干渉計７８の測定軸８２
   に交叉する反射面を有し、該反射面が、第１座標
   軸Ｘ方向における作業テーブルの位置を測定する
   ため、工具キヤリツジ５８及び第１干渉計７８の
   第２座標軸Ｙ方向における運動に比例する距離だ
   け第２座標軸Ｙ方向に延び、 第２干渉計８０及び第２反射鏡８８の一方が工
   具キヤリツジ５８に取り付けられそしてその他方
   が固定支持体１２に取り付けられ、第２干渉計の
   測定軸８６が第２座標軸Ｙ方向に延び第２反射鏡
   の反射面に交叉して位置決めされ、 該制御装置が第１干渉計及び第２干渉計から得
   られる測定値に基づいて作業テーブル及び工具キ
   ヤリツジを正確に位置決めすることを特徴とする
   位置決め装置。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の高精度位置決
   め装置にして、第１反射鏡８４が第１座標軸Ｘ方
   向に垂直の反射面を有する第１面反射鏡であるこ
   とを特徴とする位置決め装置。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載の高精度位置決
   め装置にして、第１反射鏡８４が作業テーブル２
   ０の周辺に取り付けられる反射鏡であることを特
   徴とする位置決め装置。 ４ 特許請求の範囲第１項に記載の高精度位置決
   め装置にして、可動の作業テーブル２０が２本の
   ほぼ平行のガイド２２，２４により固定支持体１
   ２上に取り付けられ、２本のガイドの一方２４の
   みが、固定支持体及び作業テーブルに対して固定
   的に整列され、第１座標軸方向における運動経路
   を確定し制御することを特徴とする位置決め装
   置。 ５ 特許請求の範囲第４項に記載の高精度位置決
   め装置にして、２本のガイドの他方のガイド２２
   は、２本のガイドの間の誤差を吸収するために作
   業テーブルと固定支持体の間に弾性的に連結され
   ることを特徴とする位置決め装置。 ６ 特許請求の範囲第１項に記載の高精度位置決
   め装置にして、工具キヤリツジ５８が、第１座標
   軸方向及び第２座標軸方向に対して直角に延びる
   工具軸５７を有する工具５６を有し、第１干渉計
   ７８及び第２干渉計８０が、工具軸に交叉する第
   １干渉計の測定軸８２及び第２干渉計の測定軸８
   ６を備えることを特徴とする位置決め装置。 ７ 特許請求の範囲第１項に記載の高精度位置決
   め装置にして、第１干渉計７８が平面鏡干渉計で
   あることを特徴とする位置決め装置。