一种用于光刻机器的集成传感器系统的电容式感测系统的制作方法
【专利说明】-种用于光刻机器的集成传感器系统的电容式感测系统
[0001 ] 本申请是申请日为2010年12月29日、申请号为201080065060.1、发明名称为"集成 传感器系统"的专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明设及一种用于测量距离的电容式传感器(capacitive sensor)，特别是用 于在光刻设备（1 ithography appara1:us)中测量距祀材（target)的距离的电容式传感器。
【背景技术】
[0003] 带电微粒W及光学光刻机器和检查机器（inspection machine)用于将图案曝显 于晶圆和其他祀材之上，运典型地是半导体装置制造流程的一部分。在光刻系统之中，通常 藉由光刻机器所发出的光学或微粒曝光射束针对晶圆的多个位置进行曝光。晶圆通常置放 在晶圆固定台上，且典型地藉由控制该晶圆固定台相对于固定的电子/光学柱体的平移而 实现上述的多重曝光。运些曝光通常在晶圆的表面连续执行。
[0004] 待进行曝光的晶圆表面几乎绝不会是完全平整的。典型的晶圆在未巧制到晶圆固 定台的情形下可W在其中具有高达50微米的弯曲。除了上述的晶圆弯曲之外，晶圆表面可 能具有其他不均匀性在其表面上。运些晶圆弯曲和其他不均匀性在晶圆表面造成高度上的 变化。为了达到最新光刻机器所需的极高精确度，必须矫正运种高度上的变化W将被曝光 的晶圆表面维持于用于将上述光学或微粒曝光射束聚焦至晶圆上的投射透镜(projection lens)的焦面(focal plane)之中。
[0005] 支承晶圆的晶圆固定台可W被调整，W补偿晶圆表面的高度上的变化。可W改变 晶圆固定台的高度，W将待曝光的晶圆表面调整至投射透镜的焦面上。晶圆固定台高度的 控制可W利用从测量晶圆表面高度(例如，投射透镜与晶圆表面间的距离）的传感器发送的 信号来实现。需要高度灵敏的传感器，W确保能W最新光刻机器所要求的极度精确性进行 晶圆位置的正确控制。已有许多不同种类的传感器被使用于此类应用，包括电容式探针。然 而，现有的电容式探针W及相关的测量及控制系统均受制于一些缺点。
[0006] 现有的电容式传感器其高度及传感器面积通常很大。图IA及图IB显示现有技术电 容式传感器的结构。图IA显示截面图，而图IB则显示该传感器探针的端视图。导电感测电极 2被导电防护电极3环绕。绝缘层4分隔运两个电极，另一绝缘层5可用于将防护电极3与外壳 6隔离。电缆线7和连接器8将该传感器连接至信号处理系统，W得到所需的最终测量信号。 该传感器的工作范围取决于感测电极2之下的感测面积。防护电极3被设成与感测电极同一 电位，W将电场限制在感测面积之内，而在感测电极2和祀材9之间产生相当均匀的电场。此 种结构导致传感器相当高，通常为大约20毫米的高度，还导致感测电极相当大。
[0007] 相当大的传感器高度及宽度使得该传感器的位置需要相当程度地远离投射透镜， 因此将由于制造公差和热膨胀导致的传感器与投射透镜间的相对位置的变化而产生误差。 现有电容式探针的相当大的尺寸同时还使得多传感器配置中的各个传感器彼此分隔遥远， 因而降低感测系统的空间分辨率，致使晶圆表面上发生于小区域上的不均匀性难W被侦测 出来。此过宽的间隔还造成较为缓慢的测量处理，从而降低使用此类系统的光刻机器的生 产量。
[000引英国专利2,131，176描述一种电容距离测量探针，藉由将两片在一侧上沉积有铜 质涂层的热塑性聚合物薄膜黏接在一起而制成，使得一片的铜涂覆面接合至另一片的未涂 覆面。一片上的暴露铜涂层被分成第一区域和第二区域，其中第一区域构成感测电极，第二 区域至少部分地环绕该感测电极，并与另一片上的铜质涂层电气互连W定义出感测电极的 防护电极。此架构与图1所示的架构相仿，提供环绕感测电极的防护电极，环绕感测电极的 防护电极均形成于同一表面之上且位于分层装置的同一层处。运产生需要在不同导电层间 建立电气连接的结构，因而需要较为复杂且成本较高的生产过程。
[0009]此外，通往运些传感器的接线连接难W制造，且接线引入影响传感器读数的电容 而需列入考虑，通常是对传感器及布线工程的组合进行校准。现有传感器需要校准，加上当 置换传感器之时传感器接线需要再次校准，使得此种置换变得复杂、耗时且昂贵。
[0010]第4,538,069号的美国专利描述一种校准用于曝显标线(reticle)的单一电子射 束光刻机器的电容高度微测计(capacitance hei曲t gage)的方法。该高度微测计先利用 激光干设仪(laser interferometer)在校准设备中进行校准，接着机器被重新定位至光刻 台W曝显一标线，而距该十字标线的距离用该电容微测计加 W测量。该电容微测计形成于 基板上，该基板被固定于电子射束光学模块外壳的底部。标线祀材被接地，而电容微测计被 相位相差180°的信号驱动，且来自每一微测计的输出信号被分开处理W产生四个高度测量 信号。
【发明内容】
[0011] 本发明寻求解决或减少上述缺点，而提出一种用于光刻机器的改进集成传感器系 统，该系统包括用于将一个或多个曝光射束聚焦至祀材上的投射透镜系统、用于承载祀材 的可移动平台、用于进行有关投射透镜系统的最后聚焦组件与祀材的表面之间的距离的测 量的电容式感测系统、W及控制单元，控制单元用于至少部分地依据来自电容式感测系统 的信号控制可移动平台的移动而调整祀材的位置。该电容式感测系统包括多个电容式传感 器，该多个电容式传感器各自包括薄膜结构。电容式传感器和投射透镜系统的最后聚焦组 件直接安装至共同基座，且传感器被置于极为接近投射透镜系统的最后聚焦组件的边缘 处。
[0012] 至少一些传感器的置放，使得面朝祀材的传感器的感测电极的底部表面在垂直于 祀材的表面的Z轴方向上，与投射透镜系统的最后聚焦组件的底部表面大致位于同一高度。 至少一些传感器可W被配置成具有面朝祀材的传感器的感测电极的底部表面，该祀材被置 放成在垂直于祀材表面的Z轴方向上与投射透镜系统的最后聚焦组件的底部表面相距50微 米的范围之内。至少一些传感器的从该传感器的背侧表面到面朝祀材的传感器的感测电极 的前侧表面的厚度，可W为50至150微米，优选为大约100微米。该投射透镜系统的该最后聚 焦组件可W是100至150微米厚。
[0013] 传感器被置放于接近最后聚焦组件处，且可W被置放在与最后聚焦组件的边缘相 距光刻机器的场域尺寸的宽度或长度的范围之内。该最后聚焦组件可W是投射透镜系统的 底部组件。该电容式传感器和投射透镜系统的最后聚焦组件直接连接在一起。
[0014] 电容式传感器可W各自包括薄膜结构，该薄膜结构包括第一绝缘层W及包括形成 于第一绝缘层的第一表面上的感测电极的第一导电膜，包括背护电极（back guard electrode)的第二导电膜，该背护电极放置在第一绝缘层的第二表面及第二绝缘层的第一 表面上，其中背护电极的周边部分延伸超过并环绕感测电极，W形成集成到背护电极的侧 护电极(side guard electrode)。运些电容式传感器的薄膜结构可进一步包括第S导电薄 膜，其包括置放在第二绝缘层的第二表面上的屏蔽电极(shield electrode)。该薄膜结构 可W是可晓性的(flexible)。
[0015] 该电容式感测系统可W包括在感测电极的远程的主动式电子组件，而在传感器处 并无主动式电子组件。每一传感器可W进一步包括长形连接构件，该构件包括导电轨道印 刷或附着其上的可晓性膜片(flexible membrane),该导电轨道在一端电连接至传感器的 感测电极和背护电极，而在另一端电连接至连接器。导电轨道可W形成于第一绝缘层上，且 第一绝缘层可W包括感测电极和背护电极位于其中的第一区域W及导电轨道形成于其上 的第二长形区域。
[0016] 电容式传感器可W包括多对电容式传感器，其形成于薄膜绝缘基座层上，该薄膜 绝缘基座层直接安装至共同基座。该系统可W进一步包括一个或多个AC电源，该一个或多 个AC电源配置成W交流电流或电压供电给一对传感器中的第一传感器，该交流电流或电压 与供给该对传感器中的第二传感器的电流或电压相位相差180度。
【附图说明】
[0017] 参照显示于附图中的实施例解释本发明的各个方面，其中：
[001引图IA是电容式传感器的剖面视图；
[0019] 图IB是图IA的电容式传感器的端视图；
[0020] 图2是平行极板电极布置的简化示意图；
[0021 ]图3是电容式传感器探针和接地导电祀材的示意图；
[0022] 图4是W差动式测量方式布置的两个电容式传感器探针和接地导电祀材的示意 图；
[0023] 图5是包含薄膜结构的电容式传感器的剖面视图；
[0024] 图6A、图6B、图6C及图抓是薄膜传感器的各种实施例的剖面视图；
[0025] 图6E是图6A及图6B的传感器的上视图；
[00%]图6F是图抓的传感器的上视图；
[0027]图7A是具有方形感测电极的薄膜传感器的上视图；
[00%]图7B是图8A的传感器的剖面视图；
[0029] 图8A是具有圆形感测电极的薄膜传感器的上视图；
[0030] 图8B是图8A的传感器的剖面视图；
[0031] 图9A、图9B及图9C是集成差动式薄膜传感器的各种实施例的剖面视图；
[0032] 图9D是集成差动式薄膜传感器的上视图；
[0033] 图IOA至图IOD是薄膜电容式传感器的剖面视图；
[0034] 图11是具有连接线及接触垫的传感器的上视图；
[0035] 图12A及图12B是接触垫结构的剖面视图；
[0036] 图13A至图13D是形成于共同基板上的传感器、连接线W及接触垫的示意图；
[0037] 图14是安装在光刻机器上的传感器的侧视图；
[0038] 图15A及图15B是晓性印刷连接器的示意图；
[0039] 图16A及图16B是带电微粒光刻机器的投射透镜堆找的剖面视图；
[0040] 图17A至图17D是具有多个传感器及集成晓性印刷连接器的可晓性印刷电路结构 的示意图；
[0041] 图18是光刻机器上的传感器的另一种连接布置；
[0042] 图19A及图19B是用于将集成可晓性印刷电路结构安装于光刻机器上的布置方式 的示意图；
[0043] 图20A及图20B是安装板上的电容式传感器的布置方式的示意图；
[0044] 图20C及图20D是布置为对角布置方式的电容式传感器的示意图；
[0045] 图21A及图21B是具有多个电容式传感器形成于其上的薄膜结构的示意图；
[0046] 图21C是具有多个传感器及集成晓性印刷连接器的可晓性印刷电路结构的示意 图；
[0047] 图21D是集成晓性印刷连接器的剖面视图；
[0048] 图22是传感器系统及信号处理系统的示意图；
[0049] 图23A是具有电流源的高阻抗放大器电路的简化电路图；
[0050] 图23B是具有电流源的差动式传感器布置方式的简化电路图；
[0051 ]图24A是具有电压源的惠斯登电桥布置方式的简化电路图；
[0052] 图24B是具有电压源的差动式传感器布置方式的简化电路图；
[0053] 图25是差动式传感器电路布置方式的简化电路图；
[0054] 图26是同步侦测器电路的简化电路图；
[0055] 图27是显示在传感器系统中的电容的示意图；
[0056] 图28A及图28B是具有将传感器连接至信号处理电路的缆线的装置的简化电路图；
[0057] 图29是同步电路的另一实施例的简化电路图；
[0058] 图30是用于处理来自传感器差动对的信号的装置的简化电路图；
[0059] 图31是用于定位用于光刻机器的晶圆的控制系统的示意图；W及
[0060] 图32A及图32B、32C是与图31的控制系统一起使用的传感器装置的示意图。
【具体实施方式】
[0061] W下是本发明各种实施例的说明，其仅用于示范且是参照附图进行的。
[0062] 电容式传感器的理论
[0063] 电容式传感器利用在二导电表面之间所建立的均匀电场。在短距离下，施加的电 压与运些表面之间的距离成正比。单板式传感器测量单一传感器板与导电祀材表面之间的 距离。
[0064] 图2显示了平行极板电极装置。二电极11、12之间的电容等于该二电极间的电位差 在其中一个电极上感应出的电荷除W该电位差，如等式(1)所示，
[0065]
撒
[0066] 运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，运两个电极间的电容由等式(2)给定，
[0067]
儒
[0068] 其中C是运两个电极间的电容(F)，A是该二电极的交迭面积(m2)，e〇是自由空间的 介电常数(permittivity)(8.85x l(Ti2F/m)，Er是电极间的介质的相对介电常数，而d是电 极间的距离(m)。
[0069] 当利用交流电流源13对平行极板电容器充电时，在电极之间产生的电压位准取决 于电极的阻抗。平行极板电容的阻抗如等式(3)所示，
[0070]
鱗
[0071] 其中的Z是阻抗（Q)，f是频率化Z)，而C是电容(F)。
[0072] 由等式(3)可W看出，电容式阻抗与电容的数值W及施加至电容器的信号的频率 成反比。在电容式传感器的情形中，测量电参数(电压或电流)的变化，运对应于该传感器的 阻抗的变化。当施加至传感器的信号的频率维持固定时，可W使得阻抗与电容的变化成反 比。等式（2)显示电容是直接正比于传感器电极的交迭面积，并反比于电极间距离的变化。 结合等式(2)巧(3)产牛Pi下等式：
[007；3]
鷄
[0074] 其中i =电流。
[0075] 藉由将电极交迭面积和施加至传感器的电信号（电流)的频率维持固定，电极间距 离的改变导致电容式传感器的阻抗的改变。跨传感器的电压将与阻抗成正比，且与传感器 电极之间的距离(d)成正比，致使得W进行距离的精确测量。W下描述各种可W使用的测量 概念。
[0076] 电容式传感器的测量原理
[0077] 图3显示单一电容式传感器探针1，其测量距接地导电祀材9的分隔距离。当供WAC 电流之时，电流将沿着路径15自传感器经由传感器-祀材电容16流至祀材，并经由祀材-接 地阻抗17从祀材流至接地端。影响此距离测量的来自外界作用或变化的干扰在图中被表示 为电压19。对从传感器到祀材的距离的测量精确度取决于传感器可W如何精确地测量传感 器-祀材电容16。当祀材接地的状况不佳时，祀材-接地阻抗17的电容通常将大幅超过传感 器-祀材电容16,且可能超过100倍之多。此高电容造成低阻抗17,故其对传感器的影响不 大。然而，阻抗17的变化将影响距离测量，且最理想的是将此影响最小化。
[0078] 图4显示一种由两个电容式传感器探针Ia及Ib构成的装置，用于对距祀材9的分隔 距离