高解析度氣量計式接近傳感器的製作方法

2023-11-06 00:29:27

專利名稱：高解析度氣量計式接近傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用來檢測非常小距離的裝置及方法，尤其涉及以氣流進行的接近感知。
現有技術許多自動化的製造過程需要感知製造工具和被加工的產品或材料表面之間的距離。在某些情況中，諸如半導體光刻，距離必須以接近一納米的準確度而予以測量。
與產生此種準確度的接近傳感器相關聯的挑戰是重要的，尤其在影印成像系統的背景中。在影印成像的背景中，附加系非侵入性且具有精確檢測非常小距離的能力，接近傳感器亦不能引起汙染物或與加工表面接觸，典型地為一半導體晶片。任一情況的發生可能顯著地降低或破壞半導體品質。
不同類型的接近傳感器可取得來測量非常小距離。接近傳感器的實例包括電容及光學量計。當使用於影印成像系統時，接近傳感器具有嚴重的缺點，因為沉積在晶片上之材料的物理特性可影響這些裝置的精確度。例如，依賴電荷濃度的電容量計在集中的一種類型的材料(例如，金屬)的位置可產生謬誤的接近讀數。當使用以諸如砷化鎵[Gallium Arsenide(GaAs)]及磷化銦[Indium Phosphide(InP)]的非導電和/或光敏材料製成的不穩定晶片，另一類的問題發生。在這些例子中，電容及光學量計可能提供謬誤的結果。
美國專利第4,953,388及4,550,592號公開了關於使用一氣量計式傳感器的接近感知的替代方法。空氣量計式傳感器對於電荷的集中或晶片表面的電氣、光學及其它物理特性系不易受傷的。然而，目前的半導體製造要求接近在納米級別上以高精確度予以量計。所需要的是比上述美國專利案更精確的氣量計式接近傳感器。
發明概述本發明提供一種高解析度氣量計式接近傳感器及方法，其顯著地改善先前類型的接近傳感器的精確度。氣量計式接近傳感器通過檢測測量及參考間隙間的差而決定接近。間隙是指接近傳感器的噴嘴及噴嘴下方的表面間之距離或間隙。
為了確定間隙差，具有一恆定質量流動率之氣流系以一質量流量控制器而予以量計，且被迫穿過測量通道及參考通道的兩通道。根據本發明，多孔限制器使用於參考通道及測量通道。多孔限制器不會引起紊流，且減少氣動噪音，同時實施傳感器的適當操作所需之阻抗功能。在本發明的替代實施例中，一多孔緩衝器系置於接著質量流量控制器的接近傳感器內，且，接近傳感器分成參考及測量通道。多孔緩衝器使氣體紊流安靜，減少經由通道傳播的可能噪音，並加強接近傳感器的精確度。
每一通道具有一探頭在遠程上，此探頭定位在一表面上方。一氣體被迫穿過通道，並對著各別的測量及參考表面經由噴嘴射出。參考及測量通道間的橋接通道感知兩個通道間的質量流量，此質量流量系由參考及測量通道中的氣壓差而引起的。感知的質量流動率表示參考及測量間隙間的差。換言之，跨過橋接之感知的質量流量表示一參考探頭及參考通道中的參考表面的參考間隙與一測量探頭及測量通道中的測量表面的測量間隙間的任何差。氣量計式接近傳感器可提供一指示，且基於感知的質量流動率請求一控制作用。
根據本發明的另一方面，不同噴嘴類型可被使用作為測量及參考探頭。這些噴嘴致使此傳感器隨時適用於不同類型的加工表面。
根據本發明的另一方面，一氣量計式接近傳感器可包含連接至一開關裝置的測量通道，此開關裝置連接至多測量分支。每一測量分支具有相同如未包含測量分支的裝置中的一測量通道的特性之特性。多測量分支加強一接近傳感器的能力，以測量在一測量表面的較大區上的間隙。
根據本發明的另一實施例，一種方法被提供給具有單一測量通道的氣量計式接近傳感器，此方法包括將氣流分布進入測量及參考通道及限制氣流均勻跨過每一通道的橫截面區域的步驟。
根據本發明的另一實施例，一種方法系提供於具有測量分支的氣量計式接近傳感器。此方法包括將氣流分成一測量分支及一參考通道，限制氣流均勻地跨過參考通道的橫截面區或一測量分支與切換在測量分支間的步驟。另一方法說明具有多測量分支的氣量計式接近傳感器的使用，以繪製一測量表面的地勢圖。
經由多孔限制器、質量流量控制器和/或緩衝器的使用，本發明的實施例以納米的準確度在一高解析度基於氣流而致使距離的測量。本發明尤其有利於影印成像系統及工具。在影印成像系統中，逐漸增加地需要以高分辨來決定光刻產生工具的適當幾何參考點及半導體晶片間的距離。使用高分辨氣流接近感知技術於高分辨性能的半導體製造中，進一步提供晶片接近測量相對於晶片材料及沉積在晶片上的材料的物理參數的獨立性。
本發明的其它實施例、特性及優點，以及本發明的各種實施例的結構與操作，系參考以下的附圖詳細的說明。
對附圖的簡要說明現結合


本發明。在圖式中，相同附圖標記標示相同或功能上相似的組件。
圖1A是根據本發明的實施例的氣量計式接近傳感器的示意圖。
圖1B是根據本發明的實施例的具有多測量分支的氣量計式接近傳感器的示意圖。
圖2是提供根據本發明的實施例的限制器的橫截面圖的示意圖。
圖3A是顯示噴嘴的基本特徵的示意圖。
圖3B是顯示根據本發明的實施例可使用於一參考探頭或測量探頭的噴嘴的立體圖的示意圖。
圖3C是顯示根據本發明的實施例的圖3B中所示的噴嘴的橫截面圖的示意圖。
圖3D是顯示根據本發明的實施例可使用於一參考探頭或測量探頭的噴灑頭式的立體圖的示意圖。
圖3E是顯示根據本發明的實施例的圖3D中所示的噴嘴的橫截面圖的示意圖。
圖4是顯示根據本發明的實施例的使用氣量計式接近傳感器來檢測非常小距離並實施一控制作用的方法的流程圖。
圖5是示出了根據本發明的實施例的具有不同尺寸的噴嘴的測試結果的靈敏度曲線圖。
圖6是根據本發明的實施例的具有橋接架構的氣量計式接近傳感器的示意圖。
圖7是示出了如質量流動率及測量噴嘴間隙的函數的仿真結果的靈敏度曲線圖。
圖8是示出了如噴嘴內徑(ID)及多孔限制器的長度的函數的仿真結果的靈敏度曲線圖。
對本發明的詳細說明雖然本發明在本文中系參考特定用途的示出了實施例而予以說明，應了解到，本發明未受其限制。接近本文中所提供的教導的本領域的技術人員將認知到其範圍內的附加修改、應用及實施例，以及，本發明具有重要實用性的附加領域。
內容的目錄A.氣量計式接近傳感器1.流量限制器2.緩衝器3.噴嘴B.方法C.模式及仿真結果1.仿真參數的選擇2.結果D.結論A.氣量計式接近傳感器圖1A示出了根據本發明的實施例之氣量計式接近傳感器100。氣量計式接近傳感器100包括質量流量控制器106、中央通道112、測量通道116、參考通道118、測量通道限制器120、參考通道限制器122、測量探頭128、參考探頭130、橋接通道136及質量流量傳感器138。氣體供應源102在一想要壓力下將氣體噴入氣量計式接近傳感器100。
中央通道112連接氣體供應源102至質量流量控制器106，然後終止在交匯處114。質量流量控制器106保持一恆定流動率於氣量計式接近傳感器100內。氣體經由多孔緩衝器110自質量流量控制器106被迫而出，其中蓄壓器108附接至中央112。緩衝器110降低由氣體供應源102引入的氣體紊流，且其使用選擇性的。在離開緩衝器110之後，氣體經由中央通道112行進至交匯處114。中央通道112終止在交匯處114，並分成測量通道116及參考通道118。質量流量控制器106注入氣體在一足夠低的流動率以提供層流狀且不可壓縮的流體流在整個系統中，因此最小化不想要的氣動噪音的產生。
橋接通道136系連接於測量通道116及參考通道118之間。橋接通道136連接至測量通道116在交匯處124。橋接通道136連接至參考通道118在交匯處126。於一實例中，交匯處114及交匯處124間的距離以及交匯處114及交匯處126間的距離系相等的。
氣量計式接近傳感器100的所有通道允許氣體流過它們。通道112、116、118及136可以導管(管狀筒、管子等)製成，或任何其它類型的可容納並導引氣體流過傳感器100的結構。此通道不具有銳彎，不規則性或不必要的阻礙，其可能例如，因為製造出局部紊流或流動不穩定性而產生氣動噪音。測量通道116及參考通道118的整個長度可以是相等，或可不相等於其它實例中。
參考通道118終止參考探頭130。同樣地，測量通道116終止於測量探頭128。參考探頭130系定位在參考表面134上方。測量探頭128系定位在測量表面132上方。於影印成像術的背景中，測量表面132通常是一半導體晶片或支撐一晶片的平臺。參考表面134可以是一扁平金屬板，然而未受限此實例。由氣體供應源102注入的氣體系發射自探頭128、130的每一者，並衝擊在測量表面132及參考表面134上。噴嘴系設於測量探頭128及參考探頭130。以下進一步參考圖3A-3E說明噴嘴的實例。如上述，噴嘴與對應測量或參考表面間的距離稱為間隙。
在一個實施例中，參考探頭130系定位在具有一已知參考間隙142的固定參考表面134上方。測量探頭128定位在具有一未知測量間隙140的測量表面132上方。已知參考間隙142系設定在代表一理想間隙的想要恆定值。以此種配置，測量探頭128的回壓逆流系未知測量間隙140的函數；及，參考探頭130的回壓逆流系已知參考間隙142的函數。如果間隙140及142系相等的，架構系對稱的，且，橋接系平衡的。因此，沒有氣體流過橋接通道136。另一方面，當測量間隙140及參考間隙142系不同，測量通道116及參考通道118間之合成壓力差引起一氣體流穿過質量流量傳感器138。
質量流量傳感器138系沿著橋接通道136而配置，較佳地在中心點。橋接通道136感測由測量通道116及參考通道118間的壓力差引起之氣流。這些壓力差由於測量表面132的垂直位置之變化而發生。用於一對稱橋接，當測量間隙140及參考間隙142系相等時，探頭128、130的兩者相對於表面132、134之間隙系相同的。質量流量傳感器138將檢測不到質量流動率，因為將沒有壓力差在測量及參考通道之間。測量間隙140及參考間隙142間的差將導致不同壓力於測量通道116及參考通道118。適當的偏移可被導入用於非對稱配置。
質量流量傳感器1 38感測由一壓力差或不平衡所引起的氣流。壓力差造成一氣流，此氣流的速度系測量間隙140的特有函數。換言之，假設氣量計100中的恆定流動率，測量通道116與參考通道118中的氣體壓力間的差系間隙140及142的大小間的差的函數。如果參考間隙142系設為一已知間隙，測量通道116與參考通道118的氣體壓力間的差系測量間隙140(亦即，測量表面132與測量探頭128間的z方向的未知間隙)的尺寸的函數。
質量流量傳感器138檢測穿過橋接通道136之任一方向的氣流。因為橋接架構，僅當通道116、118間的壓力差發生時，氣流發生穿過橋接通道136。當一壓力不平衡存在時，質量流量傳感器138檢測一合成氣流，且可起動一適當控制函數。質量流量傳感器138可經由一視頻顯示器或聲頻指示來提供被感測流的指示。替代地，取代質量流量傳感器，差動壓力傳感器可被使用。差動壓力傳感器測量兩個通道間的壓力差，此壓力差系此測量與參考間隙間的差的函數。
此控制函數可用來計算精確的間隙差。於另一實施例中，此控制函數可用來增加或減小測量間隙140的尺寸。此系通過相對於測量探頭128移動測量表面132直到壓力差足夠地接近零而予以完成，當不再有距測量表面132與參考表面134的間隙間的差時，此壓力差發生。
圖1A示出了本發明的至少三個組件，這些組件減小氣體紊流及其它氣動噪音，以使本發明達到納米準確度。這些組件，質量流量控制器106、緩衝器110及限制器120、122，都可使用於本發明的實施例內，或根據想要的靈敏度之任何組合。例如，如果一應用需要非常精確的靈敏度，所有組件可被使用。替代地，如果一應用需要較小的靈敏度，或許僅使用緩衝器110需要，其中多孔限制器120及122由孔口所取代。結果，本發明提供一彈性的方法，成本利益上符合一特別應用的必備條件。
根據本發明的其它實施例，質量流量控制器106及/或緩衝器110的加入可被使用於美國專利第4953388及4550592號中所揭示的系統，明顯地增強其靈敏性。
圖1B示出了根據本發明的實施例的氣量計式接近傳感器150。氣量計式接近傳感器150包括其具有相似的操作原理如氣量計式接近傳感器100的許多相同組件。兩個傳感器間的差別在於，氣量計式接近傳感器150具有三個測量分支，其比得上包含於氣量計式接近傳感器100內的一個測量通道。此三個測量分支為了方便示出而顯示，且，本發明未受限於測量分支。二或更多的任何數量的測量分支可被使用。
氣量計式接近傳感器150包括質量流量控制器153、中央通道156、參考通道158、參考通道限制器166、參考探頭174、橋接通道190及質量流量傳感器192。再者，氣量計式接近傳感器150包括測量通道159。測量通道159分成三個測量分支163、164及165。測量分支163包括測量分支限制器167及測量探頭175。測量分支164包括測量分支限制器168及測量探頭176。測量分支165包括測量分支限制器169及測量探頭177。最後，氣量計式接近傳感器150包括測量通道切換裝置160、橋接通道切換裝置161及開關裝置杆162。
氣體供應源151在一想要的壓力下將氣體注入氣量計式接近傳感器150。中央通道156連接氣體供應151至質量流量控制器153，然後終止在交匯處157。質量流量控制器153保持一恆定流動率於氣量計式接近傳感器150內。質量流量控制器153在一足夠低的流動率而將氣體注入，以提供層流狀、及不可壓縮流體流在整個系統，因此最小化不想要的氣動噪音的產生。氣體系經由多孔緩衝器155自質量流量控制器153被迫而出，其中蓄壓器154附接至通道156。緩衝器155降低由氣體供應源151引入的氣體紊流，且其使用系選擇性的。在離開緩衝器155之後，氣體行進穿過中央通道156至交匯處157。中央通道156終止在交匯處157，並分成測量通道159及參考通道158。
測量通道159終止於測量通道切換裝置160。測量通道切換裝置160可以是一掃瞄閥或其它類型的切換裝置，其用來切換一測量通道至數個測量分支的一者，此測量分支亦連接至測量通道切換裝置160。測量分支的物理特性是相同於測量通道的物理特性。測量通道切換裝置160是通過開關裝置杆162而操作的。開關裝置杆162控制測量分支163、164及165的其中之一經由測量通道切換裝置160而連接至測量通道159。
橋接通道190經由橋接通道切換裝置161連接於參考通道158與測量分支163、164及165的一者間。橋接通道190在交匯處170連接至參考通道158。橋接通道190終止於橋接通道切換裝置161。橋接通道切換裝置161可以是一掃瞄閥或其它類型的切換裝置，其用來切換一橋接通道至測量分支的其中之一。在圖1B所示的一個實例中，三個測量分支163、164及165系分別地在交匯處171、172及173而連接至橋接通道切換裝置161。開關裝置杆162控制測量分支163、164及165的一者系經由橋接通道切換裝置161而連接至橋接通道。開關裝置杆162控制測量通道切換裝置160及橋接通道切換裝置161兩者，以使相同的測量分支將連接至測量通道159及橋接通道190兩者。替代的，兩個獨立的開關杆可被使用。
在一個實例中，交匯處157及交匯處170間的距離及交匯處157及交匯處171、172及173間的距離是相等的。
氣量計式接近傳感器150內的所有通道及分支允許氣體流過它們。通道156、158、159及190與分支163、164及165可以導管(管狀筒、管子等)製成，或任何其它類型，其可容納並導引氣流穿過傳感器150。此通道及分支不具有銳彎，不規則性或不必要的阻礙，其可能例如，因為製造出局部紊流或流動不穩定性而產生氣動噪音。測量通道158及測量通道159的整個長度加上測量分支163、164及165的一者可以是相等，或可以是不相等於其它實例中。
參考通道158終止於參考探頭174。同樣地，測量分支163、164及165分別終止於測量探頭175、176、177。參考探頭174系定位在參考表面178上方。測量探頭175、176及177定位在測量表面179上方。在影印成像術的背景中，測量表面179通常是一半導體晶片或支撐一晶片的平臺。參考表面178可以是一扁平金屬板，然而未受限此實例。由氣體供應源151注入的氣體系發射自參考探頭174，並衝擊在參考表面178上。同樣的，由氣體供應151注入的氣體系發射自測量探頭175、176或177的一者，並衝擊在測量表面179上。開關裝置杆162的位置決定發射的哪一測量探頭氣體。噴嘴系設於探頭174、175、176及177。以下進一步參考圖3A-3E說明噴嘴的實例。如上述，噴嘴與對應測量或參考表面間的距離稱為間隙。
在一個實施例中，參考探頭174系定位在具有一已知參考間隙180的固定參考表面178上方。測量探頭175、176及177定位在具有一未知測量間隙181、182及183的測量表面179上方。未知測量間隙181、182及183可以是相等的，或可不相等的，其中一測量表面的地勢在每一區有所不同。已知參考間隙180系設定在代表一理想間隙的想要恆定值。以此種配置，來自使用中的測量探頭175、176或177之回壓逆流分別系未知測量間隙181、182或183的函數；及，參考探頭174的回壓逆流系已知參考間隙180的函數。如果使用中的參考間隙180及測量間隙181、182或183系相等的，架構系對稱的，且，橋接系平衡的。因此，沒有氣流穿過橋接通道174。另一方面，當參考間隙180及對應使用中的測量分支之測量間隙181、182或183系不同，參考通道158及使用中的測量分支163、164或165間之合成壓力差包括穿過橋接通道190的氣流。
質量流量傳感器192沿著橋接通道190而配置，優選地在中心點。質量流量傳感器192感測由參考通道158與使用中的測量分支163或165間的壓力差所引起之氣流。這些壓力差由於測量表面179的垂直位置之變化而發生。用於一對稱橋接，當已知參考間隙180及對應使用中的測量分支的未知測量間隙181、182或183相等時，質量流量傳感器192將檢測不到質量氣流，因為在使用中的測量分支與參考通道間沒有壓力差。已知參考間隙180及對應使用中的測量分支的未知測量間隙181、182或183間的差將導致參考通道158及使用中的測量分支163、164或165的不同壓力。適當偏移可被引用於不對稱配置。
質量流量傳感器192感測由一壓力差或不平衡所引起的氣流。壓力差造成一氣流，此氣流的流動率系未知測量間隙181、182或183的唯一函數。換言之，假設氣量計式150中的恆定流動率，測量分支163、164或165與參考通道158中的氣體壓力間的不同系已知參考間隙180與對應使用中的測量分支的未知測量間隙181、182或183間的不同的函數。如果已知參考間隙180系設定在一已知間隙，使用中的測量分支163、164或165與參考通道158中的氣體壓力間的差系一測量間隙(亦即，測量表面179與測量探頭175、176或177間的z方向的未知間隙)的大小的函數。
質量流量傳感器192檢測穿過橋接通道190的任一方向之氣流。因為橋接架構，僅當壓力差發生在參考通道158與使用中的測量分支163、164或165之間時，氣流發生穿過橋接通道190。當壓力不平衡存在時，質量流量傳感器192檢測一合成氣流，且可開始一適當的控制功能。質量流量傳感器192可提供一感測流穿過視頻顯示器的指示或聲頻指示。替代地，取代質量流量傳感器，一差動壓力傳感器可被使用。差動壓力傳感器測量參考通道與一測量分支間的壓力差，此壓力差是一測量間隙及參考間隙之間的差的函數。
此控制函數可用來計算精確的間隙差。在另一實施例中，控制函數可用來增加或減小未知測量間隙181、182或183的尺寸。這是通過相對於一測量探頭移動測量表面直到壓力差足夠接近零而完成的，當距一測量表面與參考表面178的間隙間不再有差別時，此狀況發生。
圖1B示出了本發明的至少三個組件，此組件降低氣體紊流及其它氣動噪音，以致使本發明達到納米準確性。這些組件，質量流量控制器153、緩衝器155及限制器166、1678、168及169，都可使用在本發明的實施例，或根據想要的靈敏度以任何組合方式。例如，如果一應用需要非常精確靈敏度，所有組件可被使用。替代地，如果一應用需要較少靈敏度，大概僅針對緩衝器155，其中多孔限制器166、167、168及169由於孔口而取代。結果，本發明提供一彈性的方法，成本利益上符合一特別應用的必備條件。
1.流量限制器根據本發明的一個實施例並參照氣量計式接近傳感器100，測量通道116及參考通道118包含限制器120、122。每一限制器120、122限制氣流行進穿過各別的測量通道116及參考通道118。測量通道限制器120系位於交匯處114及交匯處124間的測量通道116內。同樣的，參考通道限制器122系位於交匯處114及交匯處126間的參考通道118內。於一個實例中， 自交匯處114至測量通道限制器120之距離及自交匯處114至參考通道限制器122之距離系不相等的。於其它實例中，距離是不相等的。這是沒有硬性規定傳感器必須是對稱的，然而，如果幾何上系對稱的，傳感器較容易使用。
根據本發明的另一特性，每一限制器120、122包含一多孔材料，諸如聚乙烯或燒結的不鏽鋼。圖2提供具有多孔材料210之限制器120的橫截面圖，氣流200通過此多孔材料210。測量通道限制器120及參考通道限制器122具有實質地相同的尺寸及滲透特性。限制器的長度一般在2至15mm的範圍，然而未受限於這些長度。測量通道限制器120及參考通道限制器122限制氣流平順地跨過通道116、118的橫截區域。本發明人發現到，比較由使用自一固體非多孔材料鑽孔的單一孔口的限制器所引起之紊流及噪音的量，多孔材料限制器提供一明顯的降低於氣流中之紊流及相關的氣動噪音。於氣量計式接近傳感器150內，具有上述特性的多孔限制器166、167、168及169亦被使用來達到這些優點。
此限制器提供兩個主要功能。首先，它們緩和存在於氣量計式接近傳感器100的壓力及氣流擾動，由緩衝器110產生的最顯著擾動，或聽覺拾取的來源。次者，它們用作為橋接內的必要阻抗組件。
氣量計式接近傳感器的示範性已被提出。本發明未受限此實例。此實例在本文中提出用於說明的目的，而不是限制。基於包含於本文中的教導，對於本領域的技術人員而言，其它的選擇(包括本文中所述的等效物、擴充、變化、誤差等)將顯而易見。此種選擇屬於本發明的範圍及精神。
2.緩衝器根據本發明的一個實施例並參照氣量計式接近傳感器100，通道112容納緩衝器110。相似於限制器的操作，緩衝器110減小由氣體供應源102所引起的氣體紊流，並隔絕質量流量傳感器免於氣量計式傳感器的上遊部中的聽覺拾取。緩衝器110系位於蓄壓器108及交匯處114間的通道112中。根據本發明的另一特性，緩衝器110包括一多孔材料，諸如聚乙烯或燒結的不鏽鋼。本發明人發現，多孔材料提供顯著減小於紊流及氣流中相關的氣動噪音。使用於氣量計式接近傳感器150的緩衝器155具有如緩衝器110的相同特性，且使用來達到相同利益。
3.噴嘴在氣量計式接近傳感器100中，根據特別應用而定，不同類型的噴嘴可被使用作為參考探頭130及測量探頭128。相同的，不同類型的噴嘴可使用於參考探頭174及未知測量間隙181、182及183用的氣量計式接近傳感器150。在其它用途方面，噴嘴類型的選擇根據所需的腳印(測量區)。
氣量計式噴嘴300的基板架構的特徵在於，一扁平端表面平行於測量表面的表面，如圖3A所示。一噴嘴的幾何系由量計間隙h及內徑d予以決定。通常，噴嘴壓降在噴嘴外徑D上的相關性系微小，如果D系足夠大的話。剩下的物理參數為Qm-氣體的質量流動率，及Δp-橫過噴嘴的壓降。氣體系以密度p及動態粘度η為其特徵。
非尺寸參數間尋求的關係為p12u2,]]>雷諾數Re、及 其中徑向速度u系在噴嘴面及晶片間的圓柱形區的入口處取得。雷諾數系界定為Re=udv,]]>其中ν為運動粘度係數。
一連串之變化的測量間隙測試系使用具有不同內徑d的噴嘴及使用不同質量流動率予以實施。圖5繪出這些測試的數據點。對於獲得自這些測試的數據點(如圖5所示)之適當吻合而產生以下的關係式pu22udv=78.493(hd)-1.3114---(1)]]>因為空氣通過噴嘴的質量流動率可寫成Qm＝puπdh (2)以質量流動率Qm及噴嘴內徑d來表示速度u而產生p78.4932Qmvh-2.3114d-0.6886.---(3)]]>噴嘴的性能然後系以五個物理變量ν、Δp、Qm、d及h的字眼予以表示。Eq(3)提供兩個主要變量Δp及h間的關係，因為剩下的變量用於實際系統通常將是常數。此關係致使用於需要不同靈敏度的不同應用的噴嘴類型的發展。
圖3B及3C示出了根據本發明的實施例的噴嘴310，其可使用作為參考探頭或測量探頭。噴嘴310包括前表面312、氣體內徑前開口314及氣體內徑後開口315。
噴嘴310附接至測量通道116及參考通道118兩者。在一個實施例中，兩個相同的噴嘴310作為測量探頭128及參考探頭130。原則上，噴嘴不需是相同的。噴嘴310附接至測量通道116。前表面312應平行至測量表面132。行進穿過測量通道116的氣體經由氣體內徑後開口315而進入噴嘴310，並經由氣體內徑前開口314而離開。相同地，噴嘴310系附接至參考通道118。前表面312系平行至氣體內徑前開口314。行進穿過參考通道118的氣體經由氣體內徑後開口315而進入噴嘴310中，並經由氣體內徑前開口314離開。氣體內徑前開口314的直徑可依一特定用途而變化。在一個實例中，氣體內徑前開口314的內徑在約0.5及2.5毫米(mm)之間。以下參考圖6-8進一步說明具有多孔流限制器及單一氣體內徑噴嘴在探頭的氣量計式接近傳感器模式的實例靈敏度分析結果。
圖3D及3E示出了根據本發明的實施例之噴灑頭式噴嘴350，其可使用作為參考及測量探頭。噴灑頭式噴嘴350包括前表面355、數個氣體內徑前開口360及氣體內徑後開口365。多氣體內徑前開口分布壓力在測量表面132比噴嘴310更寬的區域。一噴灑頭式噴嘴主要的是使用來降低空間解析度，以平坦地整合接近測量在一更寬的空間區域。替代的方式應使用含有孔過濾器的噴嘴。
噴灑頭式噴嘴350附接至測量通道116及參考通道118兩者。在一個實施例中，兩個相同的噴灑頭式噴嘴350作為測量探頭128及參考探頭130。原則上，噴嘴不需是相同的。噴灑頭式噴嘴350附接至測量通道116。前表面355系平行至測量表面132。行進穿過測量通道116的氣體經由氣體內徑後開口365而進入噴灑頭式噴嘴350，並經由數個氣體內徑前開口360而離開。相同地，噴灑頭式噴嘴350系附接至參考通道118。前表面355系平行至參考表面134。行進穿過參考通道限制器122的氣體經由氣體內徑後開口365而進入噴灑頭式噴嘴350，並經由數個氣體內徑前開口360離開。為了方便示出了，噴嘴的使用已參考氣量計式接近傳感器100而予以說明。噴嘴類型的每一者亦可使用有氣量計式接近傳感器150，其中噴嘴附接至測量分支探頭及參考通道探頭的每一者。
不同類型的噴嘴的示範性實施例已被提出。本發明未受限此實例。此實例在本文中提出用於說明的目的，而不是限制。基於包含於本文中的教導，對於本領域的技術人員而言，其它的選擇(包括本文中所述的等效物、擴充、變化、誤差等)將顯而易見。此種選擇屬於本發明的範圍及精神。
B.方法圖4所述的過程提出使用氣流的方法400，以檢測非常小距離並實施一控制作用(步驟410-470)。為了方便起見，參考氣量計式接近傳感器100說明的方法400。然而，方法400不必要由傳感器100的結構而予以限制，且可以氣量計式接近傳感器150或具有不同結構的傳感器而予以實施。
此過程起始於步驟410。在步驟410中，一操作者或機械裝置放置一參考探頭在一參考表面上方。例如，一操作者或機械裝置以已知參考間隙142定位參考探頭130在參考表面134上方。替代地，參考間隙可配置於傳感器組合內，亦即，傳感器組合的內部。參考間隙系預先鄰接至一特定值，此值通常將保持恆定。在步驟420中，一操作者或機械裝置放置一測量探頭在一測量表面上方。例如，一操作者或機械裝置定位測量探頭128在測量表面132上方以形成測量間隙140。
在步驟430中，氣體被注入一傳感器中。例如，一測量氣體系以一恆定質量流動率而注入氣量計式接近傳感器100。在步驟440中，進入一恆定的氣體流動率被保持。例如，質量流量控制器106保持一恆定氣體流動率。在步驟450中，氣流系分布於測量及參考通道之間。例如，氣量計式接近傳感器100致使測量氣體的流動均勻地分布在測量通道116及參考通道118之間。
在步驟460中，測量通道及參考通道中的氣流被限制均勻地分布在通道的橫截面區域。測量通道限制器120及參考通道限制器122限制氣體的流動，並作為氣量計式接近傳感器100中的阻抗組件。
在步驟470中，氣體被迫離開參考及測量探頭。例如，氣量計式接近傳感器100迫使氣體離開測量探頭128及參考探頭130。在步驟480中，氣體的流動系經由連接參考通道及測量通道之橋接通道而予以監視。在步驟490中，一控制作用基於參考及測量通道間的壓力差而予以實施。例如，質量流量傳感器138監視測量通道116及參考通道118間的質量流動率。基於此質量流動率，質量流量傳感器138起動一控制作用。此種控制作用可包括提供被感知的質量流量的指示，感知指示一被感知的質量流量的訊息，或起動一伺服控制作用來重新定位測量表面相對於參考表面的位置，直到沒有質量流量或一固定參考值的質量流量被感知到。
以上方法可適於使用具有多測量分支的傳感器，諸如氣量計式接近傳感器150。當氣量計式接近傳感器150被使用時，一附加步驟可被結合，其包括自一個測量分支的使用而切換至另一測量分支。
氣量計式接近傳感器150的使用亦可更有利於一測量表面的地勢圖的繪製。繪製可經由以上方法所述的原理而予以完成，其中地勢圖測量系實施在使用測量分支的一者之工作表面的特定區域。如果一地勢圖繪製被要求一不同區，氣體的流動可切換至一不同測量分支，以繪製一不同區的地勢圖。因為可能存在於移動一測量表面的能力中之限制，具有多分支的接近傳感器可使用於某些例子中，比起具有僅一測量通道的接近傳感器，更隨時地繪製一測量表面的地勢圖。
例如，在一個實施例中，用來繪製地勢圖的方法包括將氣體注入諸如氣量計式接近傳感器150的接近傳感器，以及，通過使用測量分支的一者來實施一系列的測量。在完成可通過一特定測量分支予以繪製的區的繪製之後，接近傳感器將切換至一不同測量分支，以重新因此測量分支達到的區之繪製過程。此過程將被重複，直到一地勢圖繪製的表面要求被完成為止。測量表面可以是一半導體晶片，或一地勢圖繪製要求的其它測量表面。
對於本領域的技術人員所知之附加步驟或對以上步驟的加強形成本文中的教導，亦由本發明所包含。
本發明已參考一氣體並參照圖1-4而說明。在一個實施例中，此氣體為空氣。本發明未受限於空氣。其它氣體或氣體的組合可被使用。例如，依被測量的表面而定，具有一降低溼氣含量的氣體或一惰性氣體可被使用。比起空氣，低溼氣含量氣體或惰性氣體較不可能與被測量的表面反應。
C.模型及仿真結果以根據本發明的實施例建立一原型之橋接架構，本發明人開發了一維(1-D)模型來仿真一氣量計式接近傳感器(氣量計)的操作。圖6是氣量計式接近傳感器600(亦稱為「橋接」600)的示意圖，其操作系相對於此一維模型而說明。如圖6所示，氣量計600包括五條引線l1-l5、兩個多孔流量限制器630、635、測量噴嘴640、參考噴嘴645及質量流量傳感器665。引線l1自交匯處114延伸至交匯處124。引線l2自交匯處114延伸至交匯處126。引線l3延伸在交匯處124及126之間。引線l4自交匯處124延伸至測量噴嘴640。引線l5自交匯處126延伸至參考噴嘴645。多孔流量限制器630系沿著引線l1而配置。多孔流量限制器635沿著引線l2而配置。測量噴嘴640設在引線l4的端部。參考噴嘴645設在引線l5的端部。質量流量傳感器665系沿著引線l3而設置。
氣量計的1-D模型輔助氣量計的發展過程。此模型允許氣量計物理參數的選擇，且在穩定狀態操作下，產生氣量計性能的快速評估。
假設，橋接600的所有氣體通路具有相同直徑的圓形橫截面。對於橋接的引線中的壓降之最顯著貢獻系來自限制器630、635及噴嘴640、645，然而，來自引線l1-l5的管中的粘滯損失之分布貢獻被考慮。在彎管及交匯處114、124、126的局部損失被忽略，因為它們相對小。
以這些假設，氣體穿過橋接600的穩定不可壓縮流，如圖6所示，系由以下的一組代數式來決定Q＝Q1+Q2， (4)Q4＝Q1+Q3，(5)Q5＝Q2-Q3，(6)Δp1＝Δp2+Δp3， (7)Δp5＝Δp4+Δp3， (8)Δpi＝fi(Qi)，i＝1，...，5 (9)平衡橋接的交匯處中之流動率Qi導出公式(4-6)，同時，平衡跨接橋接的迴路中的引線之壓降Δpi的值產生公式(7)及(8)。公式(9)界定流動率Q及跨接引線(i＝1..5)的每一者的壓降Δp間的關係。
上引線l1及l2的壓降是管狀筒中的粘滯損失及多孔限制器中粘滯損失的總和pi=ilidiwi22+KlRiwi--i=1,2,---(10)]]>其中li及di是管狀筒長度及直徑，然而wi是引線i中的(橫截面平均)速度。用於層狀管流，壓力損失係數僅是雷諾數(Reynoldsnumber)的函數=64Re.---(11)]]>多孔限制器的壓力損失是在達西(Darcy’s)定律之後模型化。見A.Bejan Convective Heat Transfer，Chapter 10 John WileySons，1984。限制器630、635具有長度lR，且具有如引線l1及l2的管狀筒之相同直徑，此直徑導致相同的平均速度wi。常數μ及K分別地系流體(空氣)的動態粘度及多孔材料的滲透度。壓降可以質量率Qi的字眼而表示。代入速度wi，wi=4Qidi2---(12)]]>產生pi=(Alidi4+ClRidi2)Qi--i=1,2,---(13)]]>
以及常數A及C ν及ρ分別是氣體(空氣)的運動粘度及密度，以及，Θ是多孔材料的傳導率。
橋接引線l3中的壓降系簡單地模型化為Δp3＝aQ3，(15)因為質量流量傳感器的實際性能在概算的充份位準下系線性的。係數α系實驗決定，其顯示與質量流量計的技術規格之良好一致性。
引線l4及l5的壓降系模型化為管中的粘度損失(相似如引線l1及l2)及噴嘴中的損失的總和pi=ilidiwi22+ui2278.493uiDv(hiD)-1.3114--i=4,5,---(16)]]>公式(16)中的總和的第二分量代表跨接一噴嘴的壓降之半實驗性以相似性為基礎的模型。變量μi表示徑向粘度的區域平均值在一晶片的表面及空氣量計噴嘴的面間的環形區。此速度可被計算為ui=QiDhi--i=4,5,---(17)]]>其中，D是噴嘴的內徑ID(噴嘴640、645兩者系相同)，及hi是測量間隙。適當的取代而產生pi=(Alidl4+78.493v2h-2.3114D-0.6886)Qi--i=4,5,---(18)]]>十個方程(4-8、13、15、18)的系統相對於流動率Qi是線性的。層流狀假設的有效性是通過計算進入系統的各別段的雷諾數而予以確定。用於一指定組的輸入參數，Matlab程序可使用來以數字的方式解答以上公式。
1.仿真參數的選擇仿真用的主參數被選擇來符合以空氣作為氣體之量計100、600的工作原型。主參數概述如下。
空氣的特性密度 ρ＝1.200kg/m3動態粘度 μ＝1.8189E-0kg/(ms)運動粘度 ν＝1.5157E-0m2/s多孔材料的特性多孔傳導性 ＝4327 E-0kg/(sm3)流量計反應(線性)校準常數 a＝1144 E-01/(ms)空氣量計幾何參數
2.結果仿真的結果系以靈敏度曲線而予以顯示，如質量流動率及測量噴嘴間隙的函數(圖7)，以及如噴嘴ID及多孔限制器的長度的函數(圖8)。
特定地，圖7示出了如質量流動率及測量噴嘴間隙的函數之靈敏度曲線圖，用於具有1.14mm內徑(ID)的噴嘴之量計及7mm長度的限制器。為了產生此曲線，40至140mm範圍的量計間隙被使用，及流動率在100至500sccm的範圍。曲線顯示，隨時量計間隙變更小，量計檢測參考間隙及測量間隙間的差別變化增加。此曲線顯示，隨著量計間隙變小，靈敏度增加率在更高的流動率表示更多。同樣地，用於一恆定量計間隙，如氣體穿過量計的流動率增大，靈敏度亦增大。
圖8示出了當測量間隙系100mm且流動率系200sccm時，如噴嘴ID及限制器長度的函數之靈敏度曲線圖。為產生此曲線圖，0.5至2.5mm範圍的ID之噴嘴被使用，且，5至15mm範圍的長度之限制器被使用。此曲線顯示，噴嘴ID變更小，量計檢測參考間隙及測量間隙間的差別變化增加。此曲線另顯示，如噴嘴ID變得更小，靈敏度增加率在不同限制器長度上保持相對地一致。最後，此曲線示出了量計靈敏度在兩個限制器的長度上的相對小的相關性。
如圖7及8所示，依附在流動率及間隙上的靈敏性系相對重要的。在比線性率更快下，靈敏性隨著流動率(線性)增加，而間隙減小。依附在其它兩參數(噴嘴ID及限制器長度)於這些參數的可變性的實際範圍內系更相當弱的。靈敏度隨著噴嘴的ID減小，而，隨著限制器長度增加。此資料顯示，增加流動率可使用來改善量計靈敏度，只要這將不會造成氣動噪音的增加。對紊流的轉移將確實為可被使用的最大流動率上的實際限制。
D.結論雖然本發明的各種實施例已被說明，應了解到，它們已經由實例而予以提出，而不是限制。對於本領域的技術人員而言，將系顯而易見，形式及細節上的各種改變可被製作於其中，而不超過本發明的範圍及精神。
以上，本發明已經由方法步驟的輔助而予以說明，其示出了特定函數的功能及其關係。為了說明的方便性，這些方法步驟的邊界在此已隨意地予以界定。選擇性邊界可被界定，只要此特定功能及其關係系適當地實施。任何此種替代邊界因此屬於所申請發明的範圍及精神內。因此，本發明的範圍及領域應不受限於上述示範性實施例的任何者，然而應僅根據以下申請專利及其等效物而予以界定。
權利要求
1.一種氣量計式接近傳感器，用來感知一參考表面間隙與一測量表面間隙之間的差，其包含一交匯處，其將輸入該氣量計式接近傳感器的氣體劃分至一參考通道及一測量通道；一第一多孔流量限制器，其沿著參考通道配置，其中，該第一多孔流量限制器均勻地限制穿過參考通道的氣流；一第二多孔流量限制器，其沿著測量通道配置，其中，該第二多孔流量限制器均勻地限制穿過測量通道的氣流；一參考探頭，其位於參考通道的一端，因此，氣體經由參考探頭而離開參考通道，並行進跨過一參考間隙，以衝擊在一參考表面上；一測量探頭，其位於測量通道的端，因此，氣體經由測量探頭而離開測量通道，並行進跨過一測量間隙，以衝擊在一測量表面上；及一質量流量傳感器，其連接於參考及測量通道之間，用來感知其間的氣流的量，因此，參考與測量表面之間的間隙差可在一高靈敏度下被感知。
2.如權利要求1所述的傳感器，還包含一質量流量控制器，其位於該交匯處之前，以輸出一恆定的氣體質量流動率。
3.如權利要求2所述的傳感器，還包含一緩衝器，其位於該質量流量控制器之後，以減小氣體紊流。
4.如權利要求1所述的傳感器，還包含一緩衝器，其位於該交匯處之前。5.如權利要求1所述的傳感器，其中，該第一及第二多孔流量限制器分別由第一及第二多孔材料製成，該第一及第二多孔材料具有實質上相同滲透的特性。6.如權利要求5所述的傳感器，其中，該第一多孔材料及第二多孔材料是相同的，並包括聚乙烯。
7.如權利要求5所述的傳感器，其中，該第一多孔材料及第二多孔材料是相同的，並包括燒結的不鏽鋼。
8.如權利要求1所述的傳感器，其中，該第一及第二多孔流量限制器各具有約2至15mm之間的一長度。
9.如權利要求1所述的傳感器，其中，該參考探頭及該測量探頭各包含一個或多個氣孔。
10.如權利要求9所述的傳感器，其中，該參考探頭及該測量探頭以及每一氣孔沿著垂直於參考表面及測量表面的方向而延伸。
11.如權利要求1所述的傳感器，其中，該參考探頭及該測量探頭各包含具有約0.5至2.5mm之間的內徑的單一氣孔。
12.如權利要求1所述的傳感器，其中，該參考探頭及該測量探頭各包含一噴嘴。
13.如權利要求1所述的傳感器，其中，該參考探頭及該測量探頭各包含一噴灑頭式噴嘴。
14.如權利要求1所述的傳感器，其中，由該質量流量傳感器所感知的氣流的量以一納米範圍表示測量間隙及參考間隙之間的差。
15.一種氣量計式接近傳感器，用來感知一參考表面間隙與一測量表面間隙之間的差，其包含一交匯處，其將輸入該氣量計式接近傳感器的氣體劃分至一參考通道及一測量通道；一第一開關裝置，其連接至測量通道及數個測量分支，其中，該第一開關裝置允許氣體每次流動於一測量分支，且可用於將該氣體流從一測量分支切換至另一測量分支；一第一多孔流量限制器，其沿著參考通道配置，其中，該第一多孔流量限制器均勻地限制穿過參考通道的氣流；數個測量分支多孔流量限制器，其沿著該數個測量分支配置，其中，每一測量分支多孔流量限制器均勻地限制穿過相應測量分支的氣流；一參考探頭，其位於參考通道的端，因此，氣體經由參考探頭而離開參考通道，並行進跨過一參考間隙，以衝擊在一參考表面上；數個測量探頭，其中，一測量探頭位於各測量分支的一端，因此，氣體經由一測量探頭而離開一測量分支，並行進跨過一測量間隙，以衝擊在一測量表面上；及一第二開關裝置，其連接至橋接通道及數個測量分支，其中，該第二開關裝置允許氣體每次流動於一測量分支，且可用於來將該氣體流從一測量分支切換至另一測量分支；一質量流量傳感器，其連接於參考通道及該第二開關裝置之間，用來感知其間的氣流的量，因此，參考與測量表面之間的間隙差可在一高靈敏度下被感知。
16.如權利要求15所述的傳感器，還包含一質量流量控制器，其位於該交匯處之前，以輸出一恆定的氣體質量流動率。
17.如權利要求16所述的傳感器，還包含一緩衝器，其位於該質量流量控制器之後，以減小氣體紊流。
18.如權利要求15所述的傳感器，還包含一緩衝器，其位於該交匯處之前。
19.如權利要求15所述的傳感器，其中，該第一及各所述測量分支多孔流量限制器都由多孔材料製成，該多孔材料具有實質上相同滲透的特性。
20.如權利要求19所述的傳感器，其中，該第一多孔流量限制器及各所述測量分支流量限制器的多孔材料是相同的，並包括聚乙烯。
21.如權利要求19所述的傳感器，其中，該第一多孔流量限制器及各所述測量分支多孔流量限制器的多孔材料是相同的，並包括燒結的不鏽鋼。
22.如權利要求15所述的傳感器，其中，該參考探頭及該數個測量探頭的每一個都包含一噴嘴。
23.如權利要求15所述的傳感器，其中，該參考探頭及該數個測量探頭的每一個都包含一噴灑頭式噴嘴。
24.如權利要求15所述的傳感器，其中，由該質量流量傳感器所感知的氣流的量以一納米的範圍表示測量間隙及參考間隙之間的差。
25.一種用於氣量計式接近傳感器的橋接，其包含一交匯處，其接收一氣流，並將該氣流劃分至一參考通道及一測量通道；一第一多孔流量限制器，其沿著參考通道配置，其中，該第一多孔流量限制器均勻地限制穿過參考通道的氣流；一第二多孔流量限制器，其沿著測量通道配置，其中，該第二多孔流量限制器均勻地限制穿過測量通道的氣流。
26.一種感知一參考間隙與一測量間隙之間的差的方法，其包含以下步驟(a)在一測量通道及一參考通道之間分布氣流；(b)限制實質均勻地跨過測量及參考通道兩者的橫截面區的氣流；(c)經由噴嘴從參考及測量通道輸出氣體，以分別地衝擊在一參考表面及一測量表面上；及(d)感知跨過連接參考及測量通道的橋接通道的質量流動率，該質量流動率表示一測量間隙及參考間隙之間的差的大小。
27.如權利要求26所述的方法，其中，步驟(d)包含監視跨過連接參考及測量通道的橋接通道的質量流動率的步驟，該質量流動率代表測量間隙及參考間隙之間的差的大小。
28.如權利要求26所述的方法，其中，步驟(d)包含監視參考及測量通道中的氣壓差的步驟，該氣壓差代表測量間隙及參考間隙之間的差的大小。
29.如權利要求26所述的方法，還包含根據該感知步驟進行的控制操作。
30.如權利要求27所述的方法，還包含根據該感知步驟進行的控制操作。
31.如權利要求28所述的方法，還包含根據該感知步驟進行的控制操作。
32.一種感知一參考間隙與一測量間隙之間的差的方法，其包含以下步驟(a)在測量通道及參考通道之間分布氣流；(b)在數個測量分支之間切換該氣流，其中，該氣流每次流過一測量分支；(c)限制實質均勻地跨過測量及參考通道兩者的橫截面區的氣流；(d)從參考及測量通道經由噴嘴而輸出氣體，以分別地衝擊在一參考表面及一測量表面上；及(e)感知跨過連接參考及測量通道的橋接通道的質量流動率，該質量流動率表示一測量間隙及參考間隙之間的差的大小。
33.如權利要求32所述的方法，其中，步驟(e)包含監視跨過連接該參考通道及一測量分支的橋接通道的質量流動率的步驟，該質量流動率代表測量間隙及參考間隙之間的差的大小。
34.如權利要求32所述的方法，其中，步驟(e)包含監視該參考通道及一測量分支中的氣壓差的步驟，該氣壓差代表測量間隙及參考間隙之間的差的大小。
35.如權利要求32所述的方法，還包含根據該感知步驟進行的控制操作。
36.如權利要求33所述的方法，還包含根據該感知步驟進行的控制操作。
37.如權利要求34所述的方法，還包含根據該感知步驟進行的控制操作。
38.一種用來繪製一測量表面的地勢圖的方法，其包含(a)將一氣流注入具有多個測量分支的氣量計式接近傳感器；(b)使用一測量分支來繪製測量表面的一區域的地勢圖；(c)當測量表面的一區域的該繪製被完成時，將該氣流從一測量分支切換至另一測量分支；及(d)重複步驟(a)至(c)，直到要求地勢圖繪製的測量表面的所有區域都已完成繪製為止。
39.如權利要求38所述的方法，其中，該測量表面是一半導體晶片。
全文摘要
一種用來精確檢測一測量探頭及一表面之間的非常小距離的位置及方法，尤其是一種接近傳感器，其使用一恆定氣流且感知一氣動橋接內的質量流動率，以檢測非常小的距離。在此裝置內，以多孔材料製成的流量限制器及/或緩衝器及/或質量流動率控制器的使用致使非常小距離的檢測在納米至次納米範圍內。另一實施例，其中一接近傳感器的測量通道系連接至多測量分支。
文檔編號G01F1/00GK1510394SQ20031012320
公開日2004年7月7日 申請日期2003年12月19日 優先權日2002年12月19日
發明者博古斯瓦夫·F·蓋德克科, 肯尼思·M·博古斯基, 丹尼爾·N·加爾博特, 威利·M·桑德, 凱文·J·韋奧萊特, M 博古斯基, N 加爾博特, J 韋奧萊特, M 桑德, 博古斯瓦夫 F 蓋德克科 申請人:Asml控股股份有限公司