专利名称：电容式感测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量距离的电容式传感器(capacitive sensor),尤其涉及用于在光刻设备(lithography apparatus)中测量距目标(target)的距离的电容式传感器。
背景技术：
带电微粒以及光学光刻机器和检查机器被用于将图案曝光到晶圆和其它目标上，这基本上是半导体装置制造处理的一部分。在光刻系统中，通常藉由光刻机器所发出的光学或微粒曝光射束对晶圆的多个位置处进行曝光。晶圆通常被置于晶圆固定台之上，且通常藉由控制该晶圆固定台相对于固定电子/光学腔体的位移而实现上述多个曝光。这些曝光通常是在晶圆的表面连续执行的。将要进行曝光的晶圆表面几乎不可能完全平整。典型的晶圆在未箝紧至晶圆固定台的情形下可以在其中具有高达50微米的弓形弯曲。除了上述的晶圆弓形弯曲之外，晶圆在其表面上可能具有其它的不均匀性。这些晶圆弓形弯曲和其它不均匀性在晶圆表面造成高度上的变形。为了达到最新光刻机器所需的极高精确度，其必须校正这种高度上的变形，以将被曝光的晶圆表面维持在被用于将该光学或微粒曝光射束聚焦到晶圆上的投影透镜(projection lens)的焦点平面(focal plane)上。支承晶圆的晶圆固定台可以被调整，以补偿晶圆表面在高度上的变形。可以改变晶圆固定台的高度，以将要曝光的晶圆表面调整到投影透镜的焦点平面上。对晶圆固定台高度的控制可以利用从测量晶圆表面高度(例如，介于投影透镜及晶圆表面间的距离)的传感器发射出信号来完成。这需要高度灵敏的传感器以确保能以最新的光刻机器所要求的极高精确性对晶圆位置进行正确控制。此类应用已经采用了许多不同种类的传感器，包括电容式探针。然而，现有的电容式探针以及相关的测量和控制系统均受到一些缺陷的限制。现有的电容式传感器在高度及传感器面积上通常很大。图IA和图IB显示了现有技术中的电容式传感器的结构。图IA显示了传感器探针的横截面视图，而图IB则显示了端部视图。导电感测电极2被导电防护电极3包围。绝缘层4将这两个电极分隔开，而另一个绝缘层5可被用于将防护电极3与外壳6分隔开。电缆7和连接器8将传感器连接至信号处理系统，以得到所期望的最终测量信号。该传感器的操作范围取决于感测电极2下的感测面积。防护电极3被设置成与感测电极电位相同，以将电场限制在感测面积之内，而在感测电极2和目标9之间生成相对均匀的电场。这种构造导致了高度相对较高的传感器(通常高度大约为20毫米)和相对较大的感测电极。传感器相对较大的高度和宽度使得这些传感器需要被定位在距离投影透镜相对较远的位置处，这将由于制造公差和热膨胀引起传感器与投影透镜间的相对位置变化而产生误差。现有电容式探针的相对较大尺寸同时要求在多个传感器配置中的个别传感器彼此相对远离，这降低了感测系统的空间分辨率，致使晶圆表面上发生在小区域中的不均匀度难以被检测出来。该相对较宽的间隔也造成了较为缓慢的测量处理，从而降低了使用这些系统的光刻机器的生产量。第2，131，176号英国专利描述了一种电容式距离测量探针，其藉由将两片热塑性聚合物薄膜黏接在一起，并在一侧沉积有铜涂层而制成，使得一个薄片的铜涂覆面接合至另一个薄片的未涂覆面上。在一个薄片上被暴露出的铜涂层被划分为构成感测电极的第一区域和至少部分地包围该感测电极的第二区域，该第二区域与另一个薄片上的铜涂层电互连，以界定出该感测电极的 防护电极。由于提供了包围感测电极的防护电极，此构造与图I所示的构造相仿，包围感测电极的防护电极均形成于此分层装置的同一表面上并位于同一层处。这导致需要在不同导电层之间建立电连接的结构，并因而需要较为复杂且成本较高的处理。此外，对这些传感器的导线连接很难实现，而且，接线引入了电容，其影响对传感器的读取而需要被考虑在内，通常要对传感器及导线安装的组合进行校准。对现有传感器进行校准的需求，再加上在更换传感器时需要在此校准传感器接线的需求，使得这种更换变得复杂、耗时、而且昂贵。第4，538，069号美国专利描述了一种校准用于曝光十字标线(reticle)的单电子射束光刻机器的电容测高计(capacitance height gage)的方法。该测高计首先利用激光干涉仪(laser interferometer)在一校准设备中进行校准,然后机器被重新定位到光刻站，以曝光十字标线，并使用电容测量计测量距该十字标线的距离。该电容测量计是在基板上形成的，该基板被安装在电子射束光学模块外壳的底部。将该十字标线目标接地，而电容测量计由相位相差180°的信号驱动，并且来自每一个测量计的输出信号被分开处理，以生成四个高度测量信号。
发明内容
本发明寻求解决或减少上述缺陷，而提供一种改进的电容式感测系统，其包括具有薄膜结构的传感器，该薄膜结构包括传感器，其具有第一绝缘层，和包括在该第一绝缘层的第一表面上形成的感测电极的第一导电膜，以及包括背护电极(back guard electrode)的第二导电膜。该背护电极在单个平面上形成，并包括在同一平面内的周边部分，并且被部署在该第一绝缘层的第二表面和第二绝缘层或保护层的第一表面上。该背护电极的周边部分延伸超过感测电极以形成侧护电极(side guard electrode),该侧护电极大致上或完全地包围该感测电极。这种传感器结构省略了在与感测电极同一层级上形成的分离的侧护电极，并省略了介于分离的侧护电极与背护电极之间的电连接，同时仍达成高度精确的传感器设计。在如同本发明所设想的小尺寸薄膜传感器之中，这种电连接使得制造过程更加复杂且成本更高，其需要测量诸如穿过绝缘层的穿孔或者额外的外部导线连接。本发明利用可由背护电极周边部分形成侧护电极的现象，使侧护电极与背护电极为在同一平面上形成的单个薄膜，例如，在同一绝缘层表面上形成。这种设计避免了需要对分离的侧护电极进行电连接的难度。在背护电极的场线延伸越过背护电极的平面，且介于感测电极和背护电极之间的绝缘层的层厚度具有很浅的高度，使得防护电极在不需要与感测电极处于正好相同高度(即，在同一平面上)的基础上，可省略位于与感测电极同一平面内而包围感测电极的分离侧护电极。这种传感器设计与先前的管状设计以及具有在与感测电极同一平面上形成的侧护电极的设计的薄膜等效形式均有所差异，这导致了简单且生产费用低廉但却精确的传感器，其可能更普遍且更易于应用。该电容式感测系统可以进一步包括长形连接构件，该构件包括可挠性膜片(flexible membrane)，在其上印刷或黏附有导电轨道，这些导电轨道一端电连接至传感器的感测电极和背护电极，而另一端电连接至连接器。绝缘层可包括在其上形成感测电极的第一区域以及在其上形成导电轨 道的第二长形区域。该薄膜结构可进一步包括第三导电薄膜,其包括屏蔽电极(shield electrode),其被配置在该第二绝缘层的第二表面之上。该薄膜结构可进一步包括长形连接构件，该构件包括可挠性膜片，在其上印刷或黏附有导电轨道，这些导电轨道在一端电连接至少感测电极，以及感测电极的背护电极、背护电极、和屏蔽电极(44)，而在另一端被电连接至连接器。该传感器可被连接至三轴电缆，且屏蔽电极可被电连接至其外部接地的电导体上。该电容式感测系统可还包括用于向电容式传感器供电的AC电源、用于处理来自该传感器的信号的信号处理电路，以及用于将该电容式传感器连接至该AC电源及该信号处理电路的三轴电缆，其中，该电缆具有中心导体、外部导体，以及屏蔽导体，该中心导体用于将该AC电源电连接至该传感器的感测电极，该外环导体用于电连接至该传感器的背护电极，并且该屏蔽导体用于在该电缆远离传感器的一端将该传感器的屏蔽电极电连接至该信号处理电路的接地端。另一方面，本发明涉及一种电容式感测系统，其包括具有薄膜结构的传感器，该薄膜结构包括传感器，其具有第一绝缘层、包括在该第一绝缘层的第一表面上形成感测电极的第一导电膜、包括被配置在该第一绝缘层的第二表面和第二绝缘层的第一表面上的背护电极的第二导电膜，以及包括被配置在该第二绝缘层的第二表面上的屏蔽电极的第三导电膜。该传感器被固定在一个结构上，并电连接至三轴电缆，该传感器的屏蔽电极被电连接至三轴电缆外部导体，用于该电缆远离传感器的一端形成通往接地电位的连接，而该传感器的屏蔽电极并未电连接至在该传感器处的该结构上。传感器的电极可以经由薄膜连接元件连接至三轴电缆中的对应导体。传感器的电极可经由薄膜连接器上的导电轨道连接至电缆中的导体，这些导电轨道在一端电连接至至少传感器的感测电极和背护电极，并在另一端电连接至连接器。被电连接至背护电极的一个或多个导电轨道可以被布置成，位于连接至感测电极的导电轨道的上方，被电连接至背护电极的导电轨道较宽，使得周边部分从被连接至感测电极的导电轨道边缘向外延伸。该系统可以进一步包括在一端被连接至该传感器的屏蔽电极的一个或多个导电轨道，并在另一端被电连接至该电缆的外部接地电位电导体。电连接至屏蔽电极的一个或多个导电轨道可以被布置成位于被连接至背护电极的导电轨道以及连接至感测电极的导电轨道的上方。该电容式感测系统的绝缘层可以被额外的电容式传感器共享，且该薄膜结构可以是可挠性的。这些绝缘层可以包含Kapton膜(Kapton sheet ;即聚亚酰胺膜)、或派莱克斯基板(pyrex substrate,硼娃酸玻璃基板)、或具有绝缘涂层的娃基板(siliconsubstrate)。另一方面，本发明还涉及一种用于曝光目标的光刻系统，该系统包括用于将曝光射束聚焦到该目标上的投影透镜系统、用于承载该目标的可移动平台、用于对在该投影透镜系统和该目标间的距离进行测量的(依据上述变形中的任一项的)电容式感测系统，以及用于至少部分地基于来自该电容式感测系统的信号控制该可移动平台的移动以调整该目标的位置的控制单元。
参照在附图中示出的实施例将进一步阐明本发明的不同方面，其中图IA是电容式传感器的横截面视图；
图IB是图IA中的电容式传感器的端面视图；图2是平行极板电极布置的简化示意图；图3是电容式传感器探针及接地导电目标的示意图；图4是以差分式测量方式布置的两个电容式传感器探针及接地导电目标的示意图；图5是包括薄膜结构的电容式传感器的横截面视图；图6A、6B、6C及6D是薄膜传感器的不同实施例的横截面视图；图6E是图6A及图6B中的传感器的俯视图；图6F是图6D中的传感器的俯视图；图7A是具有方形感测电极的薄膜传感器的俯视图；图7B是图8A中的传感器的横面视图；图8A是具有圆形感测电极的薄膜传感器的俯视图；图8B是图8A中的传感器的横截面视图；图9A、图9B及图9C是整合型差分式薄膜传感器的不同实施例的横截面视图；图9D是整合型差分式薄膜传感器的俯视图；图IOA至图IOD是薄膜电容式传感器的横截面视图；图11是具有连接线及接触垫的传感器的俯视图；图12A及图12B是接触垫结构的横截面视图；图13A至图13D是在公共基板上形成的传感器、连接线以及接触垫的示意图；图14是被固定在光刻机器上的传感器的侧视图；图15A及图15B是挠性印刷连接器的示意图；图16A及图16B是带电粒子光刻机器的投影透镜堆(stack)的横截面视图；图17A至图17D是具有多个传感器及整合型挠性印刷连接器的可挠性印刷电路结构的示意图；图18是在光刻机器上传感器的另一种连接布置；图19A及图19B是将整合型可挠性印刷电路结构固定在光刻机器上的布置的示意图；图20A及图20B是在固定的板上电容式传感器配置的示意图；图20C及图20D是被布置成对角线配置的电容式传感器的示意图；图21A及图21B是薄膜结构的示意图，在其上形成有多个电容式传感器；图21C是具有多个传感器及整合型挠性印刷连接器的可挠性印刷电路结构的示意图；图21D是整合型挠性印刷连接器的横截面视图22是传感器系统及信号处理系统的示意图；图23A是具有电流源的高阻抗放大器电路的简化电路图；图23B是具有电流源的差分式传感器布置的简化电路图；图24A是具有电压源的惠斯登电桥(whetstone bridge)布置的简化电路图；图24B是具有电压源的 差分式传感器布置的简化电路图；图25是差分式传感器电路布置的简化电路图；图26是同步检测电路的简化电路图；图27是示出在传感器系统中的电容的示意图；图28A及图28B是具有将传感器连接至信号处理电路的电缆的配置的简化电路图；图29是同步电路的另一个实施例的简化电路图；图30是用于处理来自传感器差分对的信号的布置的简化电路图；图31是用于定位光刻机器的晶圆的控制系统的示意图；以及图32A及图32B是图31的控制系统使用的传感器布置的示意图。
具体实施例方式以下是通过仅作为示例的并且参照图示给出的本发明的不同实施例的说明。电容式传感器理论电容式传感器利用了在两个导电表面之间建立的均匀电场。在较短距离之间，所施加的电压与这些表面之间的距离成正比。单板式传感器测量在单个传感器板与导电目标表面之间的距离。图2示出了平行极板电极的布置。在两个电极11、12之间的电容等于在这两个电极间的电位差在其中的一个电极上感应到的电荷除以该电位差，如等式(I)所示，C =盖.(0这两个平行电极彼此分隔开距离d。忽略场弯曲(field bending)效应和电介质的非均匀性，在该二电极间的电容由等式⑵给定，C = ￡么1(2)
d其中C是在这两个电极间的电容(F)，A是这两个电极的叠加面积(m2)，e C1是自由空间的介电系数(permittivity ;或称电容率)(8. 85x l(T12F/m), S1 是在电极间介质的相对介电系数，而d是在电极间的距离(m)。当使用交流电流源13对平行板电容器充电时，在电极之间产生的电压电位取决于这些电极的阻抗。平行板电容的阻抗如等式(3)所示，Z =(3)其中的Z是阻抗(Q )，f是频率(Hz)，而C是电容(F)。由等式(3)可以看出，电容式阻抗与电容的值以及施加到电容器的信号的频率成反比。在具有电容式传感器的情况中，对电参数(电压或电流)的变化进行测量，其对应于传感器的阻抗的变化。当被施加到传感器的信号的频率保持不变时，可以使得阻抗与电容的变化成反比。等式(2)示出电容是与传感器电极的叠加面积直接成正比的，并与电极间距离的变化成反比。将等式(2)和等式(3)合并产生以下等式
权利要求
1.ー种电容式感测系统，包括具有薄膜结构的传感器，所述薄膜结构包括传感器(30)，其具有第一绝缘层(34)和包括在该第一绝缘层的第一表面上形成的感测电极(31)的第一导电膜，以及包括背护电极(35)的第二导电膜，该背护电极形成于单个平面之中并在该同一平面中包含周边部分，所述背护电极被部署在所述第一绝缘层(34)的第二表面和第二绝缘层(43)或保护层(38)的第一表面上，其中，所述背护电极的所述周边部分延伸超过所述感测电极以形成大致或完全地包围所述感测电极的侧护电扱。
2.如权利要求I所述的电容式感测系统，其中，所述薄膜结构还包括长形连接构件(110)，其包括可挠性膜片，导电轨道(114a至114c)被印刷或黏附在所述可挠性膜片上，所述导电轨道在一端被电连接至所述传感器的所述感测电极(31)和所述背护电极(35)，而在另一端被电连接至连接器(116)。
3.如权利要求I或2所述的电容式感测系统，其中，所述绝缘层(34)包括所述感测电极(31)形成于其中的第一区域，以及所述导电轨道(114a至114c)形成于其上的第二长形区域。
4.如前述权利要求中的任一项所述的电容式感测系统，其中，所述薄膜结构还包括第三导电薄膜，该第三导电薄膜包括被部署在所述第二绝缘层(43)的第二表面上的屏蔽电极(44)。
5.如权利要求4所述的电容式感测系统，其中，所述薄膜结构还包含长形连接构件(110)，其包括可挠性膜片，导电轨道(114a至114e)被印刷或黏附在所述可挠性膜片上，所述导电轨道在一端被电连接至至少所述感测电极(31)和所述感测电极(31)的所述背护电极(35)、所述背护电极(35)，和所述传感器的所述屏蔽电极(44)，而在另一端被电连接至连接器(116)。
6.如权利要求4或5所述的电容式感测系统，其中，所述传感器被连接至三轴电缆(350)，并且其中，所述屏蔽电极(44)被电连接至其外接地电位电导体(353)。
7.如权利要求4至6中的任ー项所述的电容式感测系统，还包含用于向所述电容式传感器供电的AC电源(306)、用于处理来自所述传感器的信号的信号处理电路(301)，以及用于将所述电容式传感器连接至该AC电源及该信号处理电路的三轴电缆(350)，其中，所述电缆具有中心导体(351)、外部导体(352)，以及屏蔽导体(353)，所述中心导体用于将所述AC电源电连接至所述传感器的所述感测电极(31)，所述外部导体用于电连接至所述传感器的所述背护电极(35)，并且所述屏蔽导体用于将所述传感器的所述屏蔽电极(44)于该电缆远离所述传感器的一端电连接至所述信号处理电路的接地端。
8.ー种电容式感测系统，包括具有薄膜结构的传感器，所述薄膜结构包括传感器(30)，其具有第一绝缘层(34)、包括在该第一绝缘层的第一表面上形成的感测电极(31)的第一导电膜、包括被部署在所述第一绝缘层(34)的第二表面和第二绝缘层(43)的第一表面上的背护电极(35)的第二导电膜，以及包括被部署在所述第二绝缘层(43)的第二表面上的屏蔽电极(44)的第三导电膜， 其中，所述传感器被安装成一种结构并被电连接至三轴电缆(350)，所述传感器的所述屏蔽电极被电连接至所述三轴电缆的外部导体(353)，用于在该电缆远离所述传感器的一端形成与接地电位的连接，并且其中，所述传感器的所述屏蔽电极并未被电连接至所述传感器处的所述结构。
9.如前述权利要求中的任ー项所述的电容式感测系统，其中，所述传感器(30)的电极经由薄膜连接器元件(Iio)被连接至所述三轴电缆(35)中的对应的导体。
10.如权利要求9所述的电容式感测系统，其中，所述传感器(30)的电极经由在所述薄膜连接器(110)上的导电轨道(114a至114e)被连接至所述电缆(350)的所述导体，所述导电轨道在一端被电连接至至少所述传感器的所述感测电极(31)和所述背护电极(35)，而在另一端被电连接至连接器(116)。
11.如权利要求10所述的电容式感测系统，其中，被电连接至所述背护电极(35)的导电轨道中的一个或多个位于被连接至所述感测电极的导电轨道的上方，被电连接至所述背护电极的导电轨道较宽，使得周边部分从被连接至所述感测电极的所述导电轨道的边缘延伸出。
12.如权利要求10或11所述的电容式感测系统，还包括ー个或多个导电轨道，其在一端被连接至所述传感器的屏蔽电极(44)，并在另一端被电连接至所述电缆的外接地电位的电导体(353)。
13.如权利要求12所述的电容式感测系统，其中，被电连接至所述屏蔽电极(44)的所述导电轨道中的一个或多个位于被连接至所述背护电极的所述导电轨道以及被连接至所述感测电极的所述导电轨道的上方。
14.如前述权利要求中的任ー项所述的电容式感测系统，其中，所述绝缘层(34、43)由额外的电容式传感器(30)共享。
15.如前述权利要求中的任一项所述的电容式感测系统，其中，所述薄膜结构是可挠性的。
16.如前述权利要求中的任ー项所述的电容式感测系统，其中，所述绝缘层(34、43)包括聚亚酰胺膜。
17.如权利要求I所述的电容式感测系统，其中，所述绝缘层(34)包括硼硅酸玻璃基板。
18.如权利要求I所述的电容式感测系统，其中，所述绝缘层(34)包括具有绝缘涂层的娃基板。
19.一种用于曝光目标的光刻系统,所述系统包括 投影透镜系统，用于将曝光射束聚焦至所述目标上； 可移动平台，用于承载所述目标； 如权利要求I至13中的任ー项所述的电容式感测系统，用于进行关于在所述投影透镜系统和所述目标之间的距离的测量；以及 控制单元，用于至少部分地基于来自所述电容式感测系统的信号控制所述可移动平台的移动，以调整所述目标的位置。
全文摘要
一种电容式感测系统，包括具有薄膜结构的传感器(30)，薄膜结构包括传感器，其具有第一绝缘层(34)，和包括在该第一绝缘层(34)的第一表面上形成的感测电极(31)的第一导电膜，以及包括背护电极(35)的第二导电膜。该背护电极可在单个平面上形成并包括在该同一平面上的周边部分，并且被部署在该第一绝缘层(34)的第二表面和第二绝缘层(43)或保护层(38)的第一表面上。该背护电极的周边部分可延伸超过该感测电极(31)，以形成侧护电极，该侧护电极大致上或完全地包围该感测电极。
文档编号G01B7/02GK102753931SQ201080063434
公开日2012年10月24日 申请日期2010年12月29日 优先权日2009年12月31日
发明者G.德波尔, J.J.J.范巴尔, K.P.帕德耶, N.弗吉尔, R.莫赛尔, S.W.H.K.斯坦布林克 申请人:迈普尔平版印刷Ip有限公司