[发明专利]用于感测喷嘴与物体间的距离的空气压力计及感测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测很小的距离的设备和方法，尤其涉及接近感 测（proximity sensing）。

背景技术

许多自动制造过程需要对制造工具和产品或被加工的材料表面之间 的距离进行感测。在一些情况下，例如半导体光刻，所述距离必须以接近 几纳米的精度被测量。

与形成这种精度的接近传感器相关联的挑战是很大的，尤其在光刻系 统的情况下。在这种情况下，除去非插入式和具有精确地检测很小的距离 的能力之外，所述接近传感器还需要不会引起污染，不会引起微小的温度 变化，或不会与工作表面（通常为半导体晶片）接触。任一种情况的出现 都可能显著地降低或毁损半导体的质量。

不同类型的接近传感器能够测量很小的距离。接近传感器的示例包括 电容和光学量计。这些接近传感器在用于光刻系统时具有严重的缺陷，这 是因为沉积在晶片上的材料的物理属性可能影响这些装置的精度。例如， 依赖于电荷密度的电容量计，能够在一种类型的材料（例如金属）密集的 位置上产生虚假的接近读出。当外来晶片由不导电的和/或光学敏感的材料 （例如砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP））的淀积物制成，或包含所述淀积 物时，出现另一类问题。在这些情况下，电容和光学量计可能提供虚假的 结果。

空气压力计传感器通常发射经过脱水的、过滤的空气流到表面（例如， 硅晶片）上，然后测量其背压以确定在测量喷嘴和所述表面之间的距离。 更敏感的空气压力计传感器采用参考喷嘴和测量喷嘴，所述参考喷嘴和测 量喷嘴将空气流发射到参考表面和测量表面上，以确定表面距离。空气压 力计传感器对于电荷密度或晶片表面的电属性、光属性和其他物理属性是 不敏感的。然而，电流半导体制造技术需要以纳米级的高精度对接近进行 量测。不幸的是，更早版本的空气压力计传感器经常不能满足今天的光刻 的精度需要。如今对于纳米级可重复性和对准精度的要求比当前工业中可 普遍获得的可重复性和对准精度更为苛刻。附加地，更早的装置不能满足 今天对于在整个具体的温度范围内的尺寸稳定性的需要。

需要的是用于提供由气体压力计接近传感器所测量的精确的、纳米级 的测量的系统和方法，所述气体压力计接近传感器也显示出尺寸稳定性。

发明内容

传统的空气压力计以根据层流机制的流率进行工作。根据本发明的实 施例的气体压力计以对应于在层流和湍流之间的过渡区域中的流体的流 率进行工作。所述过渡区域包括具有在大约2100和5100之间的雷诺 （Reynold）数的流体。

在过渡机制中，在喷嘴面的表面上的压降增加，这是由于所述表面的 摩擦系数随着雷诺数的增加而增加。表面摩擦系数值基于两个表面，即喷 嘴面和测量表面。尽管硅晶片测量表面不能被干涉，但是喷嘴面的表面可 以被粗糙化以有效地增加喷嘴表面上的摩擦系数。所述表面被粗糙化，例 如但不限于，通过对所述喷嘴面进行喷砂，以形成各种“砂粒粗糙性”； 通过火焰喷涂，在喷嘴面上形成粗糙的氧化物涂层；将圆形的同心环加工 成喷嘴面或从所述喷嘴面突出；在喷嘴面中或喷嘴面外加工多个交错布置 的小的半球形凹陷；和/或将多个交错的销引入所述喷嘴面。所述喷嘴面的 表面积及其粗糙度对于处理过渡流机制内的空气压力计的压降是重要的。

由增加的流率所产生的噪声可以通过采用至少一个亥姆赫兹 （Helmholtz）衰减器进行衰减。

在本发明的一个实施例所述的空气压力计，其中所述气体供给被设置 成以一定的流率供给气体，所述流率对应于在输出面和所述物体之间的超 过2000的局部雷诺数。

本发明的进一步的实施例、特征和优势，以及与本发明相关的各种实 施例的结构和操作参照附图进行详细地描述。

附图说明

本发明参照附图进行描述。在附图中，相同的附图标记表示相同或功 能上相似的元件。

图1是气体压力计接近传感器的功能图；

图2是在气体接近传感器中的喷嘴的剖视图；

图3是雷诺数与摩擦系数的关系图，所述图表示了四种流机制，即层 流、临界、过渡和湍流，以及对于每种机制的表面“相对粗糙度”的效果；

图4示出对于各种气体流率的喷嘴面上的雷诺数的径向变化；

图5示出根据本发明的实施例的气体压力计喷嘴可获得的增益（每间 隙高度变化的相对压降）的理论量；