專利名稱：電容式感測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于測量距離的電容式傳感器(capacitive sensor),尤其涉及用于在光刻設備(lithography apparatus)中測量距目標(target)的距離的電容式傳感器。
背景技術：
帶電微粒以及光學光刻機器和檢查機器被用于將圖案曝光到晶圓和其它目標上，這基本上是半導體裝置制造處理的一部分。在光刻系統(tǒng)中，通常藉由光刻機器所發(fā)出的光學或微粒曝光射束對晶圓的多個位置處進行曝光。晶圓通常被置于晶圓固定臺之上，且通常藉由控制該晶圓固定臺相對于固定電子/光學腔體的位移而實現(xiàn)上述多個曝光。這些曝光通常是在晶圓的表面連續(xù)執(zhí)行的。將要進行曝光的晶圓表面幾乎不可能完全平整。典型的晶圓在未箝緊至晶圓固定臺的情形下可以在其中具有高達50微米的弓形彎曲。除了上述的晶圓弓形彎曲之外，晶圓在其表面上可能具有其它的不均勻性。這些晶圓弓形彎曲和其它不均勻性在晶圓表面造成高度上的變形。為了達到最新光刻機器所需的極高精確度，其必須校正這種高度上的變形，以將被曝光的晶圓表面維持在被用于將該光學或微粒曝光射束聚焦到晶圓上的投影透鏡(projection lens)的焦點平面(focal plane)上。支承晶圓的晶圓固定臺可以被調整，以補償晶圓表面在高度上的變形。可以改變晶圓固定臺的高度，以將要曝光的晶圓表面調整到投影透鏡的焦點平面上。對晶圓固定臺高度的控制可以利用從測量晶圓表面高度(例如，介于投影透鏡及晶圓表面間的距離)的傳感器發(fā)射出信號來完成。這需要高度靈敏的傳感器以確保能以最新的光刻機器所要求的極高精確性對晶圓位置進行正確控制。此類應用已經(jīng)采用了許多不同種類的傳感器，包括電容式探針。然而，現(xiàn)有的電容式探針以及相關的測量和控制系統(tǒng)均受到一些缺陷的限制?，F(xiàn)有的電容式傳感器在高度及傳感器面積上通常很大。圖IA和圖IB顯示了現(xiàn)有技術中的電容式傳感器的結構。圖IA顯示了傳感器探針的橫截面視圖，而圖IB則顯示了端部視圖。導電感測電極2被導電防護電極3包圍。絕緣層4將這兩個電極分隔開，而另一個絕緣層5可被用于將防護電極3與外殼6分隔開。電纜7和連接器8將傳感器連接至信號處理系統(tǒng)，以得到所期望的最終測量信號。該傳感器的操作范圍取決于感測電極2下的感測面積。防護電極3被設置成與感測電極電位相同，以將電場限制在感測面積之內，而在感測電極2和目標9之間生成相對均勻的電場。這種構造導致了高度相對較高的傳感器(通常高度大約為20毫米)和相對較大的感測電極。傳感器相對較大的高度和寬度使得這些傳感器需要被定位在距離投影透鏡相對較遠的位置處，這將由于制造公差和熱膨脹引起傳感器與投影透鏡間的相對位置變化而產生誤差?，F(xiàn)有電容式探針的相對較大尺寸同時要求在多個傳感器配置中的個別傳感器彼此相對遠離，這降低了感測系統(tǒng)的空間分辨率，致使晶圓表面上發(fā)生在小區(qū)域中的不均勻度難以被檢測出來。該相對較寬的間隔也造成了較為緩慢的測量處理，從而降低了使用這些系統(tǒng)的光刻機器的生產量。第2，131，176號英國專利描述了一種電容式距離測量探針，其藉由將兩片熱塑性聚合物薄膜黏接在一起，并在一側沉積有銅涂層而制成，使得一個薄片的銅涂覆面接合至另一個薄片的未涂覆面上。在一個薄片上被暴露出的銅涂層被劃分為構成感測電極的第一區(qū)域和至少部分地包圍該感測電極的第二區(qū)域，該第二區(qū)域與另一個薄片上的銅涂層電互連，以界定出該感測電極的 防護電極。由于提供了包圍感測電極的防護電極，此構造與圖I所示的構造相仿，包圍感測電極的防護電極均形成于此分層裝置的同一表面上并位于同一層處。這導致需要在不同導電層之間建立電連接的結構，并因而需要較為復雜且成本較高的處理。此外，對這些傳感器的導線連接很難實現(xiàn)，而且，接線引入了電容，其影響對傳感器的讀取而需要被考慮在內，通常要對傳感器及導線安裝的組合進行校準。對現(xiàn)有傳感器進行校準的需求，再加上在更換傳感器時需要在此校準傳感器接線的需求，使得這種更換變得復雜、耗時、而且昂貴。第4，538，069號美國專利描述了一種校準用于曝光十字標線(reticle)的單電子射束光刻機器的電容測高計(capacitance height gage)的方法。該測高計首先利用激光干涉儀(laser interferometer)在一校準設備中進行校準,然后機器被重新定位到光刻站，以曝光十字標線，并使用電容測量計測量距該十字標線的距離。該電容測量計是在基板上形成的，該基板被安裝在電子射束光學模塊外殼的底部。將該十字標線目標接地，而電容測量計由相位相差180°的信號驅動，并且來自每一個測量計的輸出信號被分開處理，以生成四個高度測量信號。

發(fā)明內容
本發(fā)明尋求解決或減少上述缺陷，而提供一種改進的電容式感測系統(tǒng)，其包括具有薄膜結構的傳感器，該薄膜結構包括傳感器，其具有第一絕緣層，和包括在該第一絕緣層的第一表面上形成的感測電極的第一導電膜，以及包括背護電極(back guard electrode)的第二導電膜。該背護電極在單個平面上形成，并包括在同一平面內的周邊部分，并且被部署在該第一絕緣層的第二表面和第二絕緣層或保護層的第一表面上。該背護電極的周邊部分延伸超過感測電極以形成側護電極(side guard electrode),該側護電極大致上或完全地包圍該感測電極。這種傳感器結構省略了在與感測電極同一層級上形成的分離的側護電極，并省略了介于分離的側護電極與背護電極之間的電連接，同時仍達成高度精確的傳感器設計。在如同本發(fā)明所設想的小尺寸薄膜傳感器之中，這種電連接使得制造過程更加復雜且成本更高，其需要測量諸如穿過絕緣層的穿孔或者額外的外部導線連接。本發(fā)明利用可由背護電極周邊部分形成側護電極的現(xiàn)象，使側護電極與背護電極為在同一平面上形成的單個薄膜，例如，在同一絕緣層表面上形成。這種設計避免了需要對分離的側護電極進行電連接的難度。在背護電極的場線延伸越過背護電極的平面，且介于感測電極和背護電極之間的絕緣層的層厚度具有很淺的高度，使得防護電極在不需要與感測電極處于正好相同高度(即，在同一平面上)的基礎上，可省略位于與感測電極同一平面內而包圍感測電極的分離側護電極。這種傳感器設計與先前的管狀設計以及具有在與感測電極同一平面上形成的側護電極的設計的薄膜等效形式均有所差異，這導致了簡單且生產費用低廉但卻精確的傳感器，其可能更普遍且更易于應用。該電容式感測系統(tǒng)可以進一步包括長形連接構件，該構件包括可撓性膜片(flexible membrane)，在其上印刷或黏附有導電軌道，這些導電軌道一端電連接至傳感器的感測電極和背護電極，而另一端電連接至連接器。絕緣層可包括在其上形成感測電極的第一區(qū)域以及在其上形成導電軌 道的第二長形區(qū)域。該薄膜結構可進一步包括第三導電薄膜,其包括屏蔽電極(shield electrode),其被配置在該第二絕緣層的第二表面之上。該薄膜結構可進一步包括長形連接構件，該構件包括可撓性膜片，在其上印刷或黏附有導電軌道，這些導電軌道在一端電連接至少感測電極，以及感測電極的背護電極、背護電極、和屏蔽電極(44)，而在另一端被電連接至連接器。該傳感器可被連接至三軸電纜，且屏蔽電極可被電連接至其外部接地的電導體上。該電容式感測系統(tǒng)可還包括用于向電容式傳感器供電的AC電源、用于處理來自該傳感器的信號的信號處理電路，以及用于將該電容式傳感器連接至該AC電源及該信號處理電路的三軸電纜，其中，該電纜具有中心導體、外部導體，以及屏蔽導體，該中心導體用于將該AC電源電連接至該傳感器的感測電極，該外環(huán)導體用于電連接至該傳感器的背護電極，并且該屏蔽導體用于在該電纜遠離傳感器的一端將該傳感器的屏蔽電極電連接至該信號處理電路的接地端。另一方面，本發(fā)明涉及一種電容式感測系統(tǒng)，其包括具有薄膜結構的傳感器，該薄膜結構包括傳感器，其具有第一絕緣層、包括在該第一絕緣層的第一表面上形成感測電極的第一導電膜、包括被配置在該第一絕緣層的第二表面和第二絕緣層的第一表面上的背護電極的第二導電膜，以及包括被配置在該第二絕緣層的第二表面上的屏蔽電極的第三導電膜。該傳感器被固定在一個結構上，并電連接至三軸電纜，該傳感器的屏蔽電極被電連接至三軸電纜外部導體，用于該電纜遠離傳感器的一端形成通往接地電位的連接，而該傳感器的屏蔽電極并未電連接至在該傳感器處的該結構上。傳感器的電極可以經(jīng)由薄膜連接元件連接至三軸電纜中的對應導體。傳感器的電極可經(jīng)由薄膜連接器上的導電軌道連接至電纜中的導體，這些導電軌道在一端電連接至至少傳感器的感測電極和背護電極，并在另一端電連接至連接器。被電連接至背護電極的一個或多個導電軌道可以被布置成，位于連接至感測電極的導電軌道的上方，被電連接至背護電極的導電軌道較寬，使得周邊部分從被連接至感測電極的導電軌道邊緣向外延伸。該系統(tǒng)可以進一步包括在一端被連接至該傳感器的屏蔽電極的一個或多個導電軌道，并在另一端被電連接至該電纜的外部接地電位電導體。電連接至屏蔽電極的一個或多個導電軌道可以被布置成位于被連接至背護電極的導電軌道以及連接至感測電極的導電軌道的上方。該電容式感測系統(tǒng)的絕緣層可以被額外的電容式傳感器共享，且該薄膜結構可以是可撓性的。這些絕緣層可以包含Kapton膜(Kapton sheet ;即聚亞酰胺膜)、或派萊克斯基板(pyrex substrate,硼娃酸玻璃基板)、或具有絕緣涂層的娃基板(siliconsubstrate)。另一方面，本發(fā)明還涉及一種用于曝光目標的光刻系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于將曝光射束聚焦到該目標上的投影透鏡系統(tǒng)、用于承載該目標的可移動平臺、用于對在該投影透鏡系統(tǒng)和該目標間的距離進行測量的(依據(jù)上述變形中的任一項的)電容式感測系統(tǒng)，以及用于至少部分地基于來自該電容式感測系統(tǒng)的信號控制該可移動平臺的移動以調整該目標的位置的控制單元。


參照在附圖中示出的實施例將進一步闡明本發(fā)明的不同方面，其中圖IA是電容式傳感器的橫截面視圖；
圖IB是圖IA中的電容式傳感器的端面視圖；圖2是平行極板電極布置的簡化示意圖；圖3是電容式傳感器探針及接地導電目標的示意圖；圖4是以差分式測量方式布置的兩個電容式傳感器探針及接地導電目標的示意圖；圖5是包括薄膜結構的電容式傳感器的橫截面視圖；圖6A、6B、6C及6D是薄膜傳感器的不同實施例的橫截面視圖；圖6E是圖6A及圖6B中的傳感器的俯視圖；圖6F是圖6D中的傳感器的俯視圖；圖7A是具有方形感測電極的薄膜傳感器的俯視圖；圖7B是圖8A中的傳感器的橫面視圖；圖8A是具有圓形感測電極的薄膜傳感器的俯視圖；圖8B是圖8A中的傳感器的橫截面視圖；圖9A、圖9B及圖9C是整合型差分式薄膜傳感器的不同實施例的橫截面視圖；圖9D是整合型差分式薄膜傳感器的俯視圖；圖IOA至圖IOD是薄膜電容式傳感器的橫截面視圖；圖11是具有連接線及接觸墊的傳感器的俯視圖；圖12A及圖12B是接觸墊結構的橫截面視圖；圖13A至圖13D是在公共基板上形成的傳感器、連接線以及接觸墊的示意圖；圖14是被固定在光刻機器上的傳感器的側視圖；圖15A及圖15B是撓性印刷連接器的示意圖；圖16A及圖16B是帶電粒子光刻機器的投影透鏡堆(stack)的橫截面視圖；圖17A至圖17D是具有多個傳感器及整合型撓性印刷連接器的可撓性印刷電路結構的示意圖；圖18是在光刻機器上傳感器的另一種連接布置；圖19A及圖19B是將整合型可撓性印刷電路結構固定在光刻機器上的布置的示意圖；圖20A及圖20B是在固定的板上電容式傳感器配置的示意圖；圖20C及圖20D是被布置成對角線配置的電容式傳感器的示意圖；圖21A及圖21B是薄膜結構的示意圖，在其上形成有多個電容式傳感器；圖21C是具有多個傳感器及整合型撓性印刷連接器的可撓性印刷電路結構的示意圖；圖21D是整合型撓性印刷連接器的橫截面視圖22是傳感器系統(tǒng)及信號處理系統(tǒng)的示意圖；圖23A是具有電流源的高阻抗放大器電路的簡化電路圖；圖23B是具有電流源的差分式傳感器布置的簡化電路圖；圖24A是具有電壓源的惠斯登電橋(whetstone bridge)布置的簡化電路圖；圖24B是具有電壓源的 差分式傳感器布置的簡化電路圖；圖25是差分式傳感器電路布置的簡化電路圖；圖26是同步檢測電路的簡化電路圖；圖27是示出在傳感器系統(tǒng)中的電容的示意圖；圖28A及圖28B是具有將傳感器連接至信號處理電路的電纜的配置的簡化電路圖；圖29是同步電路的另一個實施例的簡化電路圖；圖30是用于處理來自傳感器差分對的信號的布置的簡化電路圖；圖31是用于定位光刻機器的晶圓的控制系統(tǒng)的示意圖；以及圖32A及圖32B是圖31的控制系統(tǒng)使用的傳感器布置的示意圖。
具體實施例方式以下是通過僅作為示例的并且參照圖示給出的本發(fā)明的不同實施例的說明。電容式傳感器理論電容式傳感器利用了在兩個導電表面之間建立的均勻電場。在較短距離之間，所施加的電壓與這些表面之間的距離成正比。單板式傳感器測量在單個傳感器板與導電目標表面之間的距離。圖2示出了平行極板電極的布置。在兩個電極11、12之間的電容等于在這兩個電極間的電位差在其中的一個電極上感應到的電荷除以該電位差，如等式(I)所示，C =蓋.(0這兩個平行電極彼此分隔開距離d。忽略場彎曲(field bending)效應和電介質的非均勻性，在該二電極間的電容由等式⑵給定，C = ￡么1(2)
d其中C是在這兩個電極間的電容(F)，A是這兩個電極的疊加面積(m2)，e C1是自由空間的介電系數(shù)(permittivity ;或稱電容率)(8. 85x l(T12F/m), S1 是在電極間介質的相對介電系數(shù)，而d是在電極間的距離(m)。當使用交流電流源13對平行板電容器充電時，在電極之間產生的電壓電位取決于這些電極的阻抗。平行板電容的阻抗如等式(3)所示，Z =(3)其中的Z是阻抗(Q )，f是頻率(Hz)，而C是電容(F)。由等式(3)可以看出，電容式阻抗與電容的值以及施加到電容器的信號的頻率成反比。在具有電容式傳感器的情況中，對電參數(shù)(電壓或電流)的變化進行測量，其對應于傳感器的阻抗的變化。當被施加到傳感器的信號的頻率保持不變時，可以使得阻抗與電容的變化成反比。等式(2)示出電容是與傳感器電極的疊加面積直接成正比的，并與電極間距離的變化成反比。將等式(2)和等式(3)合并產生以下等式

權利要求
1.ー種電容式感測系統(tǒng)，包括具有薄膜結構的傳感器，所述薄膜結構包括傳感器(30)，其具有第一絕緣層(34)和包括在該第一絕緣層的第一表面上形成的感測電極(31)的第一導電膜，以及包括背護電極(35)的第二導電膜，該背護電極形成于單個平面之中并在該同一平面中包含周邊部分，所述背護電極被部署在所述第一絕緣層(34)的第二表面和第二絕緣層(43)或保護層(38)的第一表面上，其中，所述背護電極的所述周邊部分延伸超過所述感測電極以形成大致或完全地包圍所述感測電極的側護電扱。
2.如權利要求I所述的電容式感測系統(tǒng)，其中，所述薄膜結構還包括長形連接構件(110)，其包括可撓性膜片，導電軌道(114a至114c)被印刷或黏附在所述可撓性膜片上，所述導電軌道在一端被電連接至所述傳感器的所述感測電極(31)和所述背護電極(35)，而在另一端被電連接至連接器(116)。
3.如權利要求I或2所述的電容式感測系統(tǒng)，其中，所述絕緣層(34)包括所述感測電極(31)形成于其中的第一區(qū)域，以及所述導電軌道(114a至114c)形成于其上的第二長形區(qū)域。
4.如前述權利要求中的任一項所述的電容式感測系統(tǒng)，其中，所述薄膜結構還包括第三導電薄膜，該第三導電薄膜包括被部署在所述第二絕緣層(43)的第二表面上的屏蔽電極(44)。
5.如權利要求4所述的電容式感測系統(tǒng)，其中，所述薄膜結構還包含長形連接構件(110)，其包括可撓性膜片，導電軌道(114a至114e)被印刷或黏附在所述可撓性膜片上，所述導電軌道在一端被電連接至至少所述感測電極(31)和所述感測電極(31)的所述背護電極(35)、所述背護電極(35)，和所述傳感器的所述屏蔽電極(44)，而在另一端被電連接至連接器(116)。
6.如權利要求4或5所述的電容式感測系統(tǒng)，其中，所述傳感器被連接至三軸電纜(350)，并且其中，所述屏蔽電極(44)被電連接至其外接地電位電導體(353)。
7.如權利要求4至6中的任ー項所述的電容式感測系統(tǒng)，還包含用于向所述電容式傳感器供電的AC電源(306)、用于處理來自所述傳感器的信號的信號處理電路(301)，以及用于將所述電容式傳感器連接至該AC電源及該信號處理電路的三軸電纜(350)，其中，所述電纜具有中心導體(351)、外部導體(352)，以及屏蔽導體(353)，所述中心導體用于將所述AC電源電連接至所述傳感器的所述感測電極(31)，所述外部導體用于電連接至所述傳感器的所述背護電極(35)，并且所述屏蔽導體用于將所述傳感器的所述屏蔽電極(44)于該電纜遠離所述傳感器的一端電連接至所述信號處理電路的接地端。
8.ー種電容式感測系統(tǒng)，包括具有薄膜結構的傳感器，所述薄膜結構包括傳感器(30)，其具有第一絕緣層(34)、包括在該第一絕緣層的第一表面上形成的感測電極(31)的第一導電膜、包括被部署在所述第一絕緣層(34)的第二表面和第二絕緣層(43)的第一表面上的背護電極(35)的第二導電膜，以及包括被部署在所述第二絕緣層(43)的第二表面上的屏蔽電極(44)的第三導電膜， 其中，所述傳感器被安裝成一種結構并被電連接至三軸電纜(350)，所述傳感器的所述屏蔽電極被電連接至所述三軸電纜的外部導體(353)，用于在該電纜遠離所述傳感器的一端形成與接地電位的連接，并且其中，所述傳感器的所述屏蔽電極并未被電連接至所述傳感器處的所述結構。
9.如前述權利要求中的任ー項所述的電容式感測系統(tǒng)，其中，所述傳感器(30)的電極經(jīng)由薄膜連接器元件(Iio)被連接至所述三軸電纜(35)中的對應的導體。
10.如權利要求9所述的電容式感測系統(tǒng)，其中，所述傳感器(30)的電極經(jīng)由在所述薄膜連接器(110)上的導電軌道(114a至114e)被連接至所述電纜(350)的所述導體，所述導電軌道在一端被電連接至至少所述傳感器的所述感測電極(31)和所述背護電極(35)，而在另一端被電連接至連接器(116)。
11.如權利要求10所述的電容式感測系統(tǒng)，其中，被電連接至所述背護電極(35)的導電軌道中的一個或多個位于被連接至所述感測電極的導電軌道的上方，被電連接至所述背護電極的導電軌道較寬，使得周邊部分從被連接至所述感測電極的所述導電軌道的邊緣延伸出。
12.如權利要求10或11所述的電容式感測系統(tǒng)，還包括ー個或多個導電軌道，其在一端被連接至所述傳感器的屏蔽電極(44)，并在另一端被電連接至所述電纜的外接地電位的電導體(353)。
13.如權利要求12所述的電容式感測系統(tǒng)，其中，被電連接至所述屏蔽電極(44)的所述導電軌道中的一個或多個位于被連接至所述背護電極的所述導電軌道以及被連接至所述感測電極的所述導電軌道的上方。
14.如前述權利要求中的任ー項所述的電容式感測系統(tǒng)，其中，所述絕緣層(34、43)由額外的電容式傳感器(30)共享。
15.如前述權利要求中的任一項所述的電容式感測系統(tǒng)，其中，所述薄膜結構是可撓性的。
16.如前述權利要求中的任ー項所述的電容式感測系統(tǒng)，其中，所述絕緣層(34、43)包括聚亞酰胺膜。
17.如權利要求I所述的電容式感測系統(tǒng)，其中，所述絕緣層(34)包括硼硅酸玻璃基板。
18.如權利要求I所述的電容式感測系統(tǒng)，其中，所述絕緣層(34)包括具有絕緣涂層的娃基板。
19.一種用于曝光目標的光刻系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括 投影透鏡系統(tǒng)，用于將曝光射束聚焦至所述目標上； 可移動平臺，用于承載所述目標； 如權利要求I至13中的任ー項所述的電容式感測系統(tǒng)，用于進行關于在所述投影透鏡系統(tǒng)和所述目標之間的距離的測量；以及 控制單元，用于至少部分地基于來自所述電容式感測系統(tǒng)的信號控制所述可移動平臺的移動，以調整所述目標的位置。
全文摘要
一種電容式感測系統(tǒng)，包括具有薄膜結構的傳感器(30)，薄膜結構包括傳感器，其具有第一絕緣層(34)，和包括在該第一絕緣層(34)的第一表面上形成的感測電極(31)的第一導電膜，以及包括背護電極(35)的第二導電膜。該背護電極可在單個平面上形成并包括在該同一平面上的周邊部分，并且被部署在該第一絕緣層(34)的第二表面和第二絕緣層(43)或保護層(38)的第一表面上。該背護電極的周邊部分可延伸超過該感測電極(31)，以形成側護電極，該側護電極大致上或完全地包圍該感測電極。
文檔編號G01B7/02GK102753931SQ201080063434
公開日2012年10月24日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權日2009年12月31日
發(fā)明者G.德波爾, J.J.J.范巴爾, K.P.帕德耶, N.弗吉爾, R.莫賽爾, S.W.H.K.斯坦布林克 申請人:邁普爾平版印刷Ip有限公司