进行差动式测量（differentialmeasurement)。该传感器被供应W偏移180度的AC电 流，使得电流将沿着路径18自一个传感器经由传感器-祀材电容16a流至祀材，并从祀材经 由另一传感器-祀材电容16b流至另一传感器。运种W不同相位的信号驱动两个传感器的装 置有效防止电流经由祀材流至接地端，而能将祀材对接地端阻抗17的影响最小化。未接地 的祀材亦有所用处，因为其使得电流可W从一个传感器流至另一传感器而不需要接地的返 回路径。在从成对传感器中的每一传感器取得分离且独立的电容(及距离)测量的传统测量 系统之中，可W使用此种W不同相位的信号激励传感器的装置。每一传感器分别测量距祀 材的距离。干扰19在图4中被表示成两个干扰电压19a及19b，各自等于电压19的数值的一 半，相当于一个对每一传感器影响程度相等的共模干扰(common mode dis化rbance)。
[0079] 差动式测量配置方式还可W配合供应给传感器的不同相位的信号使用。在此配置 方式之中，该二传感器的输出禪接的方式使得传感器Ia的传感器-祀材电容16a是藉由传感 器Ia的驱动电压在其正相半周期期间W及传感器Ib的驱动电压在其正相半周期期间进行 充电，而传感器Ib的传感器-祀材电容16b则是藉由传感器Ib的驱动电压在其负相半周期期 间W及传感器Ia的驱动电压在其负相半周期期间进行充电。因此，每一传感器的输出信号 均对应于介于该二传感器和祀材之间的平均距离，即，V〇ut = Vi[(Ci+C2)/2]+V2[(Ci+C2)/2]， 其中Vl = V2。共模干扰可W自测量中去除。
[0080] 传感器被给予一具有恒定斜率及振幅的=角形电压波形，导致近似方波的电流流 入传感器的电容，即，在某一半周期近似恒定的正电流而在另一半周期近似恒定的负电流。 实际上，电流将在每一半周期期间上升至大致的稳态，故测量优选为在每一半周期的后半 部当电流到达该稳态期间进行。
[0081] 可W测量流过传感器的电流和相关的传感器电容，并转换成待进一步处理的电 压。差动对(differential pair)中的每一传感器的结果数值可W被结合W降低或排除共 模干扰。举例而言，在正电流周期期间流过传感器Ia的稳态电流与正电流周期期间流过传 感器Ib的稳态电流可W相加，同样地，在负电流周期期间流过传感器Ia的稳态电流与负电 流周期期间流过传感器Ib的稳态电流可W相加。相加的正周期数值与相加的负周期数值二 值相减得到一差动传感器信号，即，Vdiff = (Vlpos+V化os)-(Vlneg+V化eg)。
[0082] 由于该对传感器极为接近W及其不同相位的驱动方式，传感器电流针对该传感器 对(sensor pair)下的传感器-革时才电容16a及16b二者进行充电及放电，使得每一测量数值 均是每一传感器与祀材的距离的平均值。运可W被视为该传感器对与在该祀材上该二传感 器中间的一点之间的距离。每一测量数值各自均无法免于任何干扰的影响，例如，图4中所 示的干扰19a和19b。运些干扰在正周期数值和负周期数值中均出现，但基本上通过正负数 值相减W求出差动传感器信号的运算而从测量中去除。此种配置方式的优点在于各个传感 器上的共模干扰在测量期间被抵消。测量期间二传感器中维持固定的任何差异均将抵消， 而得到精确的测量。此差动式测量配置大幅地降低祀材-接地电容的影响，并增加该感测系 统的灵敏性。
[0083] 传感器的结构
[0084] 图5显示包含薄膜结构的电容式传感器的剖面视图。导电感测电极31和导电侧护 电极32形成于或附加至绝缘膜34上。导电背护电极35布置在绝缘膜34的背侧上。感测电极 与防护电极之间的间隙39是狭窄的，通常是十分之几微米，且可W是空气间隙或是填充W 绝缘材料。
[0085] 产生于感测电极和祀材之间的电场在接近感测电极边缘处弯曲。在接近感测电极 边缘处存在一导体，对于电场W及传感器的测量具有巨大且无法预测的影响。为了避免此 种境况(并且让传感器测量更加可W预测并更易于模式化而使得电场可W被W解析方式计 算出来），感测电极被环绕W防护电极，其与感测电极被供应W同一电位。防护电极用作针 对外部干扰的屏蔽，同时还将电场弯曲效果移出感测电极下的感测区域，降低了寄生电容。 在感测电极和祀材之间的电场的每一侧上，在防护电极和祀材之间产生电场。感测电极和 防护电极之间未产生电场，因为它们处于同一电位。运在感测电极下的区域中产生大致均 匀的电场，同时在防护电极的外部边缘处发生场的弯曲。
[0086] 相比于感测电极与祀材分隔的距离，感测电极31的面积应该要大。并且，相比于感 测电极与祀材之间的距离，感测电极31与侧护电极32之间的间隙39应该要小，而相比于感 测电极与祀材之间的距离，侧护电极32的宽度应该要大。在一实施例中，感测电极的宽度至 少是感测电极与祀材之间的距离的五倍，感测电极与防护电极之间的间隙小于或等于感测 电极与祀材之间距离的五分之一，而防护电极的宽度至少是感测电极与祀材之间的距离的 五倍。遵循运些比较性设计规则提供了具有高度可预测的电容（例如，Ippm的电容可预测 性）的电容式传感器设计规则的实施例。此处的可预测性被定义为，当W上等式(2)的理想 极板-距离电容公式被用来计算有限电极尺寸而非无限电极尺寸的电容值时所产生的相对 误差。
[0087] 除了在感测电极与被测量祀材之间的传感器电容Cl之外，传感器在该结构的每一 分离元件之间均具有固有寄生电容C2及C3。相比于被测量的电容Cl,寄生电容C2和C3算是小 的。在图5的实施例中，寄生电容包含感测电极与侧护电极之间的电容C2 W及感测电极与背 护电极之间的电容C3。
[0088] 在传感器的一个实施例中，感测电极与祀材之间的电容Cl是0.1 pF至IpF，而感测 电极与侧护电极之间的寄生电容C2则是小于其100到1000分之一，典型地是0.0 OlpF(即，10 ^5F)的数量级。感测电极与背侧电极之间的寄生电容C3典型地较大且占支配性的主要地 位，典型地大约是1到1000 pF(即，1〇-1中到I(T 9F)D通过对防护电极和感测电极施加同一电 位，运些寄生电容的效应得W降低。运可通过电连接侧护电极和感测电极，或通过使用主动 式防护来完成，W下将详细讨论。主动式防护也可W使用于背护电极。
[0089] 针对光刻机器工作于真空处理室(va州um chamber)的清洁环境中的应用，优选地 将传感器构造成在该真空环境中发出极低程度的污染。可在此类应用所使用的传感器的导 体上形成保护层，诸如凯通化apton)聚酷亚胺膜或类似的保护膜，特别是当所用材料可能 污染该真空环境时。图6A-图6D显示包含保护层37及38的薄膜传感器的各种实施例的剖面 视图，图6E显示图6A及6B的传感器的上视图，而图6F显示图抓的传感器的上视图。
[0090] 图6A显示一实施例的剖面视图，其中感测电极31和侧护电极32形成于或附加至绝 缘膜34的一个表面上，背护电极35形成于绝缘膜34的另一表面上。传感器被附加至平板40， 其典型地是需要进行距离测量的设备的结构的一部分，或者可W被附加至该结构的部分， 例如，光刻机器的投射透镜周围的安装板或隔离板，传感器在该光刻机器中测量该投射透 镜与该透镜下方的晶圆之间的距离。板40可W是具导电性的，从而还可W用做该传感器的 屏蔽电极。
[0091] 图6B显示另一实施例，具有导电屏蔽电极44形成于或附加至第二绝缘膜43, W做 为该传感器结构的一部分。此架构使得传感器能够被安装至不导电的表面。即便是安装至 导电表面，其也在一定程度上确保一致性W及屏蔽电极的功能。将屏蔽电极44包含在内作 为传感器结构的一部分，同时也提供了独立的接地电位，否则其可能需自支承表面取得。举 例而言，当传感器被使用于电子射束光刻系统上时，来自该机器的接地电位可能被投射透 镜的电噪声影响。其同时还使得传感器屏蔽电极能够与测量电路W及连接传感器至该电路 的缆线具有相同的接地。
[0092] 运可W通过将传感器屏蔽电极连接至连接缆线中的屏蔽导体来实现，连接缆线接 着被连接至测量电路所使用的接地点。运使得传感器和测量电子组件免于具有分开的接 地。当连接至=导体缆线时，例如=轴缆线，此构造同时也使得连接点配置成传感器中的= 个导电层各自与=轴缆线中的对应导体的连接，包含屏蔽电极，包含屏蔽电极至=轴缆线 的屏蔽导体的连接，W提供自该电路至该传感器的独立接地电位。
[0093] 图6C示出另一实施例，包含外侧护电极33,其电连接至屏蔽电极44。该连接可W通 过例如W激光在绝缘层34和43中形成桐眼或穿孔来实现，W容许每一阶层上的导电层部分 之间的电连接。
[0094] 图6D描绘另一实施例，其在与感测电极同一阶层或同一表面上不具有侧护电极。 如上所述，侧护电极在先前设计中一直被视为必须存在的，W限制感测电极在感测区域内 所产生的电场，使得在感测电极和祀材之间产生相对均匀的电场并降低位置接近传感器的 导体对传感器的影响。如图IA所示，在既高且大的先前架构之中，需要一防护电极向下延伸 至与传感器电极相同的平面W环绕传感器电极。侧护电极同样地在薄膜设计中被视为不可 或缺，W将防护电极放置成与传感器电极处于同一阶层。优选地将侧护电极电连接至背护 电极，但运种配置方式需要在运两个电极之间制做出电连接，运有所困难。在图6A-图6C所 示的设计中，此连接是穿过绝缘层34而形成。由于传感器的小尺寸W及绝缘层34的薄的程 度，精确地做出正确尺寸的桐眼W及在绝缘层中的定位是有难度的。可W使用激光达成此 目的，但制造处理将变得更加复杂且费用更高。
[0095] 然而，若薄膜传感器的膜层够薄，则发现不再需要与感测电极位于同一阶层的侧 护电极。同样的效果可W藉由将传感器设计成具有小于背护电极35的感测电极31，使得背 护电极的周边部分侧向延伸超过并环绕感测电极来实现。此背护电极的周边部分从而起到 侧护电极的作用。从背护电极35的周边部分发出的电场延伸穿过绝缘层34,其用于限制感 测电极在感测区域内所产生的电场，使得相当均匀的电场产生于感测电极与祀材之间。位 于接近传感器处的导体所造成的电场弯曲发生于背护电极周边部分的外部边缘，而非发生 于感测电极处。结果是较简单的设计，其制造起来较不复杂且生产费用更低廉，但却可W在 感测电极下方的区域中产生大致均匀的电场，且对于位于接近传感器处的导体所造成的干 扰的敏感度较低。
[0096] 图6E中显示了图6A及图6B的实施例的上视图，其中感测电极31形成为圆形的形 状，具有几乎完全环绕感测电极的"C"形侧护电极32,并在感测电极31周边环绕的二电极之 间留下狭窄的间隙。在此实施例中，侧护电极32和背侧电极35可选地彼此电气相连，利用绝 缘膜34中的开口37使得防护和背侧电极实现电接触。在此实施例中使用单一"C"形开口，虽 然也可W使用其他形状及/或多个开口。连接防护和背侧电极将二电极置于同一电位，W消 除它们之间的任何电容效应，且通过使用主动式防护，在防护和背侧电极W及感测电极之 间的任何电容效应也可W被消除。
[0097] 在图6E的实施例中，内部感测电极31具有一个或多个延伸，构成形成从感测电极 到外部信号处理电路的电连接的连接线41，且侧护电极32同样地具有一个或多个延伸，构 成形成电连接的连接线42。感测电极31、侧护电极32、及连接线41和42是由薄膜形成的。在 所示的实施例中，电极31和32W及连接线41和42均位于同一平面之中，且可W藉由沉积或 形成膜层，利用激光，经由蚀刻，或其他适当的移除技术移除一些部分，W从同一薄膜形成。 侧护电极32大致环绕感测电极31，留下一小间隙让连接线41从感测电极向外延伸W提供在 感测电极与信号处理电路间的电连接。运些连接线也添加了寄生电容，运应在传感器的设 计中加 W考虑。
[0098] 图6F中显示了图6D的实施例的上视图（绝缘层34未显示于图中，使得可W看见背 护电极35)。运类似于图6E的实施例，除了缺少与感测电极位于同一阶层的侧护电极之外。 在此视图中，背护电极35的周边区域35a起到侧护电极的作用。传感器可W是W与上述图6E 的实施例相同的方式构造的，且连接线41及42从感测及背护电极向外延伸W提供如上所述 的电连接。
[0099] 在运些实施例中，电极31和35, W及该二电极包含于其中的电极32及44,可W由大 约18微米厚的导电层形成，绝缘膜34及43可W是大约25微米厚，而保护层37、38可W是大约 50微米厚。该薄膜传感器可W构造成总厚度为大约100至200微米，并且传感器结构背侧表 面与感测电极前侧表面（即，面对进行距离测量方向的表面)之间的厚度为50至150微米，优 选地为大约100微米。该传感器的薄膜结构、小面积、和极小的高度(厚度)使得有可能将该 传感器应用于可用空间极小的应用(特别是可用高度极其有限的情况）中，W及传感器之间 或传感器与其他设备之间需要紧密间隔的情况。
[0100] 显示于图6A-图6F( W及显示于W下所述的其他实施例中）的薄膜传感器的小尺寸 提供许多优点。该薄膜结构造成极小的高度，且传感器的宽度或面积也可W非常小。运使得 传感器能够被安置于极为接近预定的距离测量点之处。当与光刻机器一起使用W用于测量 投射透镜与待曝光祀材间的距离时，可将传感器安装成紧邻投射透镜并安装在同一固定结 构上，使得传感器和投射透镜被安装至同一参考点。运大幅地降低源于传感器和投射透镜 间的相对移动的误差，排除针对传感器安装变化的修正的需要，并降低了校准的要求。传感 器的小尺寸也降低传感器本身的平整度需求。
[0101] 图7及图8显示此薄膜传感器的附加实施例，其中绝缘层34仅形成于感测电极31与 背侧电极35之间，使得侧护电极32和背侧电极35可W直接彼此相连。
[0102] 图7A和图7B分别显示具有方形感测电极的传感器的上视图和剖面视图。在一个实 施例中，该方形传感器被设计成在传感器与祀材相距100微米的标称距离时具有IpF的标称 传感器电容(感测电极与祀材之间的电容Cl)。感测电极具有3.5毫米(+/-0.01毫米)的宽度 W及12.25平方毫米的面积。防护电极具有1.5毫米(+/-0.Ol毫米)的宽度，感测电极与防护 电极之间的间隙是0.015毫米(+/-0.OOl毫米）。在另一实施例中，传感器被设计成在传感器 与祀材相距100微米的标称距离时具有IOpF的标称传感器电容。感测电极具有11毫米(+/-0.01毫米)的宽度W及121平方毫米的面积。防护电极宽度及间隙均未改变，分别是1.5毫米 (+/-〇. Ol晕米）W及0.0 l5晕米(+/-〇. OOl晕米）。
[0103] 图8A和图8B分别显示具有圆形感测电极的传感器的上视图和剖面视图。在一个实 施例中，该圆形传感器被设计成在传感器与祀材相距100微米的标称距离时具有IpF的标称 传感器电容。感测电极具有4毫米(+/-0.OOl毫米)的直径W及12.25平方毫米的面积。防护 电极具有4.015毫米(+/-0.0 Ol毫米)的内径W及8毫米(+/-0.OOl毫米)的外径。在另一个实 施例中，传感器被设计成在传感器与祀材相距100微米的标称距离时具有IOpF的标称传感 器电容。感测电极具有6.2毫米(+/-0.OOl毫米)的直径W及121平方毫米的面积。防护电极 具有6.215晕米(+/-〇. OOl晕米)的内径W及12.4晕米(+/-〇. OOl晕米)的外径。
[0104] 图5至图8的实施例可W被构建成在传感器和祀材之间具有80至180微米的测量范 围（在