CN101334273B - 用于感测喷嘴与物体间的距离的空气压力计及感测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于感测到物体的距离的气体压力计及其感测方法。所述气体压力计包括气体供给系统和喷嘴，所述喷嘴将气体从所述气体供给系统供给到在所述喷嘴和所述物体之间的空隙。例如，所述气体供给系统以一定的流率供给气体，所述流量对应于在层流和湍流之间的过渡区域中的流体。所述喷嘴的表面可以被粗糙化，以便增加在所述表面上的摩擦系数，这增加了气体的压降和喷嘴的增益。由增加的流率所生成的噪声可以采用至少一个位于关键位置的亥姆赫兹衰减器和/或缓冲器被衰减。

Description

用于感测喷嘴与物体间的距离的空气压力计及感测方法

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；

图6是根据本发明的实施例的具有锯齿刃的喷嘴的剖视图；

图7A是根据本发明的实施例的具有半球状突起的喷嘴的剖视图；

图7B是根据本发明的实施例的具有半球状凹陷的喷嘴的表面图；

图8示出根据本发明的实施例的具有Helmholtz衰减器的喷嘴；

图9是根据本发明的实施例的感测到物体的距离的方法的流程图。

具体实施方式

尽管本发明在此参照对于特定的应用所示的实施例进行描述，但是应当理解，本发明并不受限于此。能够领会在本文中所提供的教导的本领域技术人员将想到在本发明范围内以及本发明将对之产生显著作用的其他领域内的附加改变、应用和实施例。

图1提供气体压力计接近传感器100的图。气体压力计接近传感器100是一种类型的接近传感器，所述接近传感器可以通过本发明的至少一个实施例的使用而被改进，但并不试图限制本发明的保护范围。气体压力计接近传感器100包括气压调节器105、质量流量控制器106、中央通道112、测量通道116、参考通道118、缓冲器120、缓冲器122、测量探针128、参考探针130、桥通道136和质量流量传感器138。气体供给系统102以所需压力将气体喷射到气体压力计接近传感器100中。

中央通道112将气体供给系统102连接到气压调节器105和质量流量控制器106，然后在接点114处终止。气压调节器105和质量流量控制器106在气体压力计接近传感器100内维持恒定的流率。

气体由附加于通道112上的积蓄器108从质量流量控制器106强制排出，进入通道112。在一些情况下，缓冲器可以被置于质量流量控制器106和接点114之间。传感器100具有两个缓冲器120和122，所述缓冲器120和122被分别置于在接点114处分开的每个腿上。缓冲器减小了气体湍流以及由气体供给系统102所引起的后续噪声，并还用作阻力元件。在其他实施例中，可以采用其他类型的阻力元件（例如节流孔），尽管节流孔不能减小湍流。

当存在质量流量控制器106时，气体通过中央通道112移动到接点114。中央通道112在接点114终止，并分成测量通道116和参考通道118。质量流量控制器106以足够低的流率喷射气体，以提供层流和在整个系统中的不可压缩的流体流动，所述系统将所不需要的气动噪声的产生最小化。同样，所述系统的几何尺寸可以被合适地设定，以维持由质量流量控制器106所建立的层流特性。

桥通道136被连接在测量通道116和参考通道118之间。桥通道136在接点124处连接到测量通道116。桥通道136在接点126处连接到参考通道118。在一个示例中，接点114和接点124之间的距离以及接点114和接点126之间的距离相等，这帮助实现流体对称性和气体压力计性能。

在气体压力计接近传感器100内的所有通道允许气体流过。通道112、116、118和136可以由导管（管、管道等）或任何其他类型的可以容纳气体并引导气体流经传感器100的结构构成。期望地，所述通道不具有急弯、不规则性或不需要的阻塞，所述急弯、不规则性或不需要的阻塞可能例如通过引起局部湍流或流体的不稳定而造成气动噪声。测量通道116和参考通道118的总体长度可以相等或在其他一些例子中是不等的。然而，对称性的缺乏可能降低传感器100的性能，并需要附加的流动修正因素。

参考通道118在参考喷嘴130中终止。同样，测量通道116在测量喷嘴128中终止。参考喷嘴130被定位在参考表面134上方。测量喷嘴128被定位在测量表面132的上方。在光刻的情况中，测量表面132经常是衬底、半导体晶片、用于支撑晶片的台、平板显示器、玻璃衬底、打印头、微米或纳米流体装置等。参考表面134可能是平坦的金属板，但不限于该示例。由气体供给系统102喷射的气体从喷嘴128、130中的每个发出，并冲击到测量表面132和参考表面134上。如上所述，在喷嘴和对应的测量或参考表面之间的距离被称为相隔距离（standoff）。

在一个实施例中，参考喷嘴130位于固定的参考表面134上方，并与所述参考表面134相距已知的参考相隔距离142。测量喷嘴128位于测量平面132上方，并与所述测量平面132相距未知的测量相隔距离140。已知的参考相隔距离142被设定为表示优化的相隔距离的理想恒定值。在这种布置的情况下，测量喷嘴128的上游的背压是未知的测量相隔距离140的函数；且参考喷嘴130的上游的背压是已知的参考相隔距离142的函数。如果相隔距离140和142相等，则所述结构是对称的，且桥平衡。结果，没有气流通过桥通道136。另一方面，当测量相隔距离140和参考相隔距离142不同时，在测量通道116和参考通道118之间形成的压力差导致气流通过质量流量传感器138。

质量流量传感器138位于沿着桥通道136的位置，例如在中心位置上。质量流量传感器136感测由在测量通道116和参考通道118之间的压力差所引起的气流。这些压力差由于测量表面132的垂直定位的变化而出现。对于对称的桥，当测量相隔距离140和参考相隔距离142相等时，所述相隔距离对于喷嘴128、130与表面132、134相比是相同的。由于在测量通道和参考通道之间没有压力差，所以质量流量传感器138将检测不到质量流量。在测量相隔距离140和参考相隔距离142之间的差值将导致测量通道116和参考通道118中的不同的压力。对于不对称布置的情况，可以引入适当的偏置。

质量流量传感器138感测由压力差或不平衡导致的气流。压力差造成气流，所述气流的流率是测量相隔距离140的单值函数。换句话说，假定进入气体压力计100的气流流率恒定，则在测量通道116和参考通道18中的气压之间的差值是相隔距离140和142的幅度之间的差值的函数。如果参考相隔距离142被设定为已知的相隔距离，则在测量通道116和参考通道118中的气压之间的差值是测量相隔距离140的大小的函数（即，在测量表面132和测量喷嘴128之间的未知的相隔距离）。

质量流量传感器138检测在通过桥通道136的任一方向上的气流。因为桥结构，所以仅仅当通道116、118之间出现压力差时才会出现通过桥通道136的气流。当存在压力不平衡时，质量流量传感器138检测形成的气流，并可能初始化合适的控制函数。质量流量传感器138可以提供通过可视化显示、音频指示、计算机受控系统或其他信号装置的被感测的流量指示。替代地，差分压力传感器可以被用于代替质量流量传感器。所述差分压力传感器测量在两个通道之间的压力差，所述压力差是在测量相隔距离和参考相隔距离之间的差值的函数。

接近传感器100被设置为具有喷嘴的装置的一个示例，其中所述喷嘴可以从本发明的至少一个实施例中获益。本发明的这些典型的实施例不是被限制仅与接近传感器100一起使用。而是可以采用本发明的典型的实施例，以改进其他类型的接近传感器。

图2是提供典型的测量喷嘴202的更多细节的图。喷嘴202可能类似于例如图1的测量喷嘴128。在图2中，喷嘴202接近物体或测量表面204。喷嘴202具有与表面204大致平行的喷嘴面206。喷嘴面206与表面204间隔距离208。通常，气体沿z方向通过节流孔210流出喷嘴，然后沿径向向外在喷嘴面206和表面204之间流动。在喷嘴面206上的气体压降表示距离208的高度。

流率对于性能的影响

如上所述，在测量喷嘴和测量表面之间的距离（例如在图2中的喷嘴面206和表面204之间的距离）可以通过以稳定的流率输出气流和测量在喷嘴面206上的气流的压降（也称为背压）来确定。为了提高性能，在局部压降和间隙高度之间的相关性被增强。对于给定的气流率和间隙高度，压降可以与喷嘴面的摩擦系数乘以喷嘴面的径向长度建立关系。

之前的压力计已经在“层流”区域中以一定的气体流率进行操作。这种流率已经足以达到这些系统所需要的测量水平。然而，这些层流气体压力计的灵敏度不足以精确地测量纳米范围内的距离。为了提高所述压力计的性能，以使得其具有纳米水平的测量灵敏度，必须增加所述压力计的增益。为了增加增益，就必须提高对于从测量表面的喷嘴高度的每单位变化的喷嘴压降。

增加在喷嘴面上的摩擦系数能够增加在测量表面上的压降。然而，这种压降方案的物理过程仅仅对于局部雷诺数在“过渡流”区域而不是层流区域的喷嘴表面有效。雷诺数（Re）计算如下：

$[\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρVD}}{\mathrm{\μ}}],$ （式1）

其中ρ是气体密度，V是气体在喷嘴面上的径向速度，D是流体的局部特征尺寸（在气体压力计喷嘴中D是由式2的复杂的几何关系定义的喷嘴直径），且μ是所述气体的粘度。

图3是示出在水平轴上的雷诺数和垂直轴上的摩擦系数的对数图。图3通常称为“穆迪图（Moody plot）”。对于穆迪图的进一步描述可以在例如L.F.Moody,"Friction Factors for Pipe Flow，"ASME Trans.,vol.66,pp.671-684,1944中找到，所述文献以引用的方式整体合并入本文中。

之前的气体压力计以雷诺数为大约200-300的流率操作。如图3所示，这种流率在层流区域中。所述层流区域由曲线302所限定。在雷诺数为近似2100的情况下，气体流率开始从层流区域变为过渡流区域。过渡流区域由曲线304所限定。随着雷诺数的增加，所述流率开始转变为由曲线306所限定的完全的湍流区域。当在层流机制下工作时，通常避免增加雷诺数，这是由于雷诺数的增加减小喷嘴的摩擦系数，并由此减小从所述气压计可获得的增益。然而，当雷诺数增加使得从层流机制过渡到过渡流机制时，摩擦系数开始随着雷诺数的增加而增加。

在过渡区域中工作的喷嘴的流场在摩擦性能上与在层流区域中工作的传统的喷嘴相反，在传统的喷嘴的流场中，摩擦系数随着雷诺数的增加而缓慢地下降。通过图3的曲线302和304之间的斜率之差来测量这种摩擦系数下降的灵敏度。曲线302遵循摩擦流体的哈根-普瓦泽伊尔（Hagen-Puiseuille）法则，并且具有大约m₁=-1.0的斜率，而曲线304具有大约m₂=+1.39的斜率。尽管曲线304的斜率符号表示相反的摩擦效果，但是重要的是曲线304显示出大约39%的急速上升斜率。从层流区域到过渡流区域的变化在物理上意味着通道流体经历速度分布的改变。所述速度分布从抛物线的速度分布改变为经过改进的、截断的双曲线速度分布。在过渡流区域内的摩擦影响喷嘴的流体压降，这是由于摩擦系数在该区域中变化最剧烈，如曲线304的斜率的正向陡度所示。因此，雷诺数的增加导致压降对于喷嘴到板的距离的敏感度增加，在间隙高度测量的情况下产生更敏感的相对增益。

如式1所示，雷诺数依赖于所使用的气体的密度、在喷嘴面上的气体的径向速度、喷嘴的复杂特征直径和所使用的气体的粘度。如果在过渡流喷嘴中所使用的气体（例如空气等）与在层流喷嘴中所使用的气体相同，则所述气体的密度和粘度不能被改变。用于增加雷诺数的仅有的途径是增加气体通过喷嘴的速度或者增加喷嘴的特征直径。

如果给出增加喷嘴直径中所存在的固有困难，则在本发明的实施例中通过增加气体经过喷嘴的速度（也称为流率）来增加雷诺数。传统的层流量计通常显示出大约1000sccm（每分钟标准立方厘米）的体积气体流率。在仅仅变化流率的同时将雷诺数增加到具有大约2100的雷诺数的过渡流机制导致大约6800sccm的流率。

图4示出在从节流孔210在图2中的喷嘴面206上向外沿径向延伸的多个位置上的雷诺数对于不同的气体流率的典型变化。毫米级测量的径向位置在水平轴上示出，同时对于在喷嘴面和测量表面之间的间隙中的气流的雷诺数在垂直轴上示出。雷诺数随着径向位置的增加而出现的改变表示两个事件：1）由于随局部雷诺数而改变的局部摩擦系数所导致的喷嘴表面上的气体的压降的变化；以及2）随着流体沿径向向外移动，所述流体的局部特征尺寸（D）恒定变化。D作为随着流体沿径向流出而引起的喷嘴面的局部液力直径（D_h）的变化的函数而变化，D定义如下：

$D=D_h=\frac{2\mathrm{\π}{D}_{x}H}{\mathrm{\π}{D}_x+H}$ （式2）

其中D_x是沿径向流出的流体的局部直径，而H是所测量的喷嘴的间隙高度。

曲线402示出传统的层流喷嘴的压降（例如大约1000sccm的流率）。曲线402的雷诺数在大约230和大约625之间。曲线404示出在低流率下（例如大约6800sccm的流率）的过渡流喷嘴的压降。曲线404的平均雷诺数大约为2900。曲线406示出在高流率下（例如大约9000sccm的流率）过渡流喷嘴的压降。曲线406的平均雷诺数大约为3900。如图所示，曲线406的在喷嘴面上的压降最大。因为所述压降较大，所以在较高的流率下工作的过渡流喷嘴对于压力的微小改变比在较低的流率下工作的过渡流喷嘴更敏感，其对于压力改变仍比层流喷嘴更敏感。

图5示出根据喷嘴操作的过渡流摩擦系数机制与层流摩擦系数机制内可获得的增益的理论量。如在此所使用的，通过找到在135微米处计算得到的压降与间隙高度的给定关系曲线的局部斜率来确定增益。微米级的喷嘴帽高度被表示在水平轴上，同时在喷嘴面上的千帕级的总压降被表示在垂直轴上。曲线502示出在大约1000sccm的流率下工作的层流喷嘴的理论增益。曲线502的增益大约为0.024千帕/微米。曲线504示出在大约4900sccm的较低流率下工作的具有大约10^-6的相对粗糙度（例如光滑表面）的过渡流喷嘴的理论增益。曲线504的增益近似为0.512千帕/微米。曲线506示出在大约6800sccm的较高流率下工作的具有大约10^-6的相对粗糙度的过渡流喷嘴的理论增益。曲线506的增益近似为0.983千帕/微米。曲线508示出在大约9000sccm的较高流率下工作的具有大约0.05的相对粗糙度的过渡流喷嘴的理论增益。曲线508的增益近似为1.759千帕/微米。

如图5所示，从大约0.024到大约0.512千帕/微米的增益的理论提高（增益提高大约21倍）可以通过从层流流率（例如曲线502）过渡到低的过渡流流率系统（例如曲线504）来实现。进而，从大约0.512到大约0.983千帕/微米的喷嘴增益的理论提高（总体增益提高大约41倍）甚至到大约1.759千帕/微米（总体增益提高大约73倍）可以通过从层流流率（例如曲线502）过渡到高的过渡流流率系统（例如分别为曲线506和曲线508）来实现。

尽管图5示出从绝对增益角度的增益，但是也可以通过将其当成总是层流而在理论上处理流体来确定相对增益。为了确定这种相对增益，严格地采用层流相关性评估增加喷嘴流率和对应的压降的隔离情况，而不考虑过渡区域存在的实际物理作用。这种结果表示根据以大约6800sccm（与大约1000scm相比）的流率、并采用图3中的曲线302的原始的层流摩擦系数所得到的严格相对增益外推到大约2900的雷诺数。这产生大约0.82千帕/微米的相对增益（增益提高大约39倍）。当这种相对增益的结果与如图5所示的大约0.983的绝对增益结果相比时，显然，大约20%的增益的增加可以通过移动到图3的曲线304的过渡流机制中来获得。这种流场过渡在被相对粗糙度大于近似10^-6（其为光滑表面的相对粗糙度）的喷嘴面所触发时在流体中自然形成。

就绝对增益而言，流动被增加大约7倍（从1000到6800sccm）导致喷嘴增益提高大约41倍，且雷诺数值增加到大约5000以上。增加流率能够启动在过渡区域中工作，在所述过渡区域中，喷嘴的压降从大约5千帕增加到大约225千帕以上。除了增加压降之外，这种损失也降低了对于高的仪器灵敏度的需要，这是因为越高的增益允许灵敏度越低的压力传感器被用于测量形成的间隙高度。

喷嘴面粗糙化

前述气体压力计在具有大约200-300的雷诺数的层流流率下工作。在这种雷诺数且达到大约2100的雷诺数下，喷嘴面的表面相对粗糙度（RR）实质上对与压降没有影响。相对粗糙度被定义为可重复的表面不规则形貌的高度与如式2所示的喷嘴几何形状和间隙高度组合的液力直径之比。然而，在雷诺数处于过渡流机制（2100<Re<5100）的情况下，喷嘴的摩擦系数与所述气体压力计的增益相关联，是依赖于喷嘴面表面的粗糙度的变量。如图3中的曲线308所示，喷嘴面的粗糙度的增加帮助将最大可获得的摩擦系数增加到大约0.1的值。在过渡流区域中，实验显示可获得的摩擦系数依赖于气流经过的喷嘴面的粗糙度。对于光滑的喷嘴面，大约0.045的最大摩擦系数在大约3000的雷诺数下可获得。对于具有很粗糙的表面（RR>0.05）的喷嘴，大约0.08到大约0.10的最大摩擦系数(f_TRANSITIONAL）在大约4200到大约5100的雷诺数下可获得。结果，对于在喷嘴面表面

上的给定的间隙高度（H）的压降（ΔP）也随着雷诺数的增加而成正比增加，关系如下：

$[\mathrm{\&Delta;P}=f_{\mathrm{TRANSITION}}{\left(\frac{L}{D}\right)}_{\mathrm{BAR}}\left(\frac{\mathrm{\&rho;}{V}^2}{2}\right)=(7x{10}^7*{\mathrm{Re}}^{1.39})(\frac{\mathrm{Do}+\mathrm{Di}}{8H}+\frac{1}{4\mathrm{\&pi;}})\left(\frac{\mathrm{\&rho;}{V}^2}{2}\right)],$ 式3

其中Do是喷嘴面表面的外径，且Di是喷嘴面表面的内径。

如上所述，图5示出在过渡流机制下可获得的喷嘴的理论增益。而曲线506示出在较高的流率下的过渡流喷嘴的增益，所述增益基于具有相对光滑的表面的喷嘴。曲线508示出当过渡流喷嘴在较高的流率下工作时，其表面已经被粗糙化的所述过渡流喷嘴的理论增益。

然后，与传统的层流喷嘴相比，通过对喷嘴面的表面进行粗糙化和使压力计工作在过渡流区域中，可以获得所述气体压力计的性能的提高。

喷嘴面可以通过将特定的表面不规则形貌增加到其上而被粗糙化。对于纳米范围内的高度测量，所述表面不规则形貌可以例如是纳米或微米不规则形貌。存在多种方式用于将喷嘴表面粗糙化。

在一个示例中，喷嘴面可以被喷砂为多种等价的“砂粒粗糙性”到达由流体阻力的穆迪图（例如图3）所限定的水平。在另一个示例中，粗糙的氧化物涂层可以通过火焰喷涂的方式在喷嘴面上形成。

在另一个示例中，喷嘴面可以被加工成多种结构。在一个实施例中，圆形的同心环被加工在喷嘴面中或从喷嘴面突出。图6是典型的喷嘴面602的剖视图。如图6所示，环604可以是例如锯齿刃。由于在过渡流区域中摩擦系数和流率增加，所以在喷嘴面602上的气流606被抑制。图7A示出另一个实施例，在所述实施例中，多个小的半球形凹陷704被加工在喷嘴面702中或从喷嘴面702突出。为了防止流体通道在喷嘴面702上暴露，凹陷704在喷嘴面702上的布置可能是交错的。

在另一个示例中，例如通过采用硅蚀刻技术在硅片上形成销的阵列而将几十个交错的销引入到喷嘴面中，所述硅片被用环氧树脂粘合到喷嘴面上。所述销可能具有例如大约10微米的直径以及例如大约10微米的高度。

增加喷嘴表面的粗糙度也增加了喷嘴接收来自与被粗糙化的表面相互作用的空气的错误反馈或回推的可能性。可以通过例如以在喷嘴面内部的高粗糙度开始，并随着到喷嘴的径向距离的增加逐渐改变粗糙度水平来最小化这种错误的反馈。在另一个示例中，参考喷嘴也可能被粗糙化，以便抵消来自被粗糙化的测量喷嘴表面的错误反馈的效果。

为了减小在喷嘴上的温度效应，所述喷嘴可以由抗热膨胀的材料制成。材料的例子是铁镍合金，例如不胀钢。

图9是根据本发明的实施例的用于感测从喷嘴到物体的距离的方法900。例如，方法900可以被与气体压力计一起使用。在步骤902中，所述物体被设置在喷嘴的测量范围内。所述物体可以例如但不限于是衬底或半导体晶片表面。面对所述物体的喷嘴的表面可以如上所述进行粗糙化。

在步骤904中，气体被供给到喷嘴和所述物体之间的空隙中。所述气体可以例如但不限于是空气。所述气体被供给到具有与在层流和湍流之间的过渡区域中的雷诺数流体相对应的流率的空隙中。

在可选的步骤906中，由气体供给所产生的噪声被衰减。所述噪声可以例如如下所示被衰减。

在步骤908中，在喷嘴面上的压降被感测。所述压降表示到衬底表面的距离。

噪声衰减

在已有的系统中，在名义喷嘴间隙高度为大约135微米的情况下，所使用的喷嘴间隙的雷诺数大约为200-300。这种系统需要大约1000sccm的气流。在大约2100的雷诺数之上工作需要至少大约3400sccm的流率。尽管当喷嘴在这种高流率下工作时，增益在理论上增加，但是由这种高流率产生的噪声可能干扰所述喷嘴的灵敏度，除非所述噪声被减弱。

所述噪声可以通过抑制喷嘴面的表面不规则形貌的效果而被衰减。喷嘴的压降随着对于给定的过渡流场增加喷嘴面的粗糙度而增加，这是因为局部边界层的建立形成局部再循环区域，所述区域用于衰减从所述喷嘴口发出的声音噪声。从所述喷嘴发出的声音噪声因此随着流率的增加而减缓。在图3中的曲线304的摩擦系数相关度的正斜率表示从喷嘴的径向流动的压力能量被以m₂=1.39的指数比例加上与增加的粗糙度相关的因子而被正向衰减。这与存在对于所有层流摩擦系数的负斜率关系直接对比，其中表面粗糙度对于压力损失和后续的噪声衰减并不重要。

考虑负摩擦系数斜率（如在层流中）使得压力能量随着雷诺数的增加而降低，与在过渡流流率下工作的喷嘴相比，在层流流率下工作的喷嘴表现出差的噪声减弱性能。因此，尽管之前当流率增加时层流喷嘴表现出差的噪声减弱性能，但是过渡流喷嘴通过引入被粗糙化的流体表面，处理相对的和被严重减弱的噪声。

缓冲器已经被成功地用于衰减噪声。这些系统强迫流体通过不规则的通道的曲径，所述不规则的通道使得湍流及其对应的噪声减弱。例如在图1中所示的缓冲器120和121，所示的缓冲器已经被用于空气压力计。当压力计的流率超过1000sccm时，缓冲器作为噪声衰减器很有用。在喷嘴在流量增加的工作过程中，可以在关键的流体转向处和分流处增加使用缓冲器，以实现具有增强性能增益的过渡流机制。

附加地或替代地，亥姆赫兹效应也可以被用于作为消声器，以衰减来自声压脉冲的噪声。位于关键位置上的亥姆赫兹声音吸收腔（也称为亥姆赫兹衰减器）可以被用于衰减不希望的喷嘴噪声。图8是具有亥姆赫兹衰减器802和804的气体压力计喷嘴800的剖视图。

如图8所示，亥姆赫兹衰减器可以是平行于气流设置并特别地设计用于吸收不希望的声音频率的局部腔。亥姆赫兹衰减器，例如衰减器802或804，主要是被包含多个孔的伪工作壁所覆盖的腔，所述孔允许压力的振动（即噪声）沿着垂直于流动方向扩展。所述压力的振动然后在所述腔中被捕获，所述腔吸收所述振动。

图8示出喷嘴800的两个区域，其中，亥姆赫兹衰减器的引入可以显著地衰减压力振动噪声。衰减器802位于所述喷嘴管的内部，其中上游产生的噪声在所述噪声逃离喷嘴口区域之前就被吸收或减弱了。衰减器804位于所述喷嘴面内，以减少来自通过间隙806和出口喷嘴800的气体的噪声。所述衰减器802和804位于喷嘴中的位置上，所述喷嘴不影响摩擦系数，使得衰减器802和804不与气体压力计的压力测量相干涉。进而，衰减器804的表面（即，在衰减器804中的孔之间的区）可以根据其它喷嘴面而被粗糙化。箭头808和810示出气体沿着向外的方向离开喷嘴的路径。

如本领域的技术人员所知，可以通过选择亥姆赫兹衰减器的特定的几何孔尺寸、几何孔间距和腔尺寸，将亥姆赫兹衰减器调整到特定的声音频率。亥姆赫兹共振器的属性（例如，孔尺寸、孔间距、腔宽度等）通过被减弱的噪声的频率确定。

一些噪声可用于在反馈环内的逻辑修正，例如由温度波动造成的噪声或由系统的电子元件所造成的噪声，并不应当从所述系统中去除。其它的噪声，例如由气流增加所引起的噪声，需要被去除。一旦待去除的噪声的频带被确定，则在亥姆赫兹衰减器的板中的孔的直径、所述孔的间距和腔深被设计以便在该频带上去除噪声。如果多个频带被减弱，则多个亥姆赫兹衰减器可以被使用。替代地，可以采用具有多个室的单个亥姆赫兹共振器，其中，每个室对于给定的频带进行优化。

结论

尽管本发明的多个实施例已经在上文中进行了描述，但是应当理解，其仅仅是通过例子进行说明，而不是限制。本领域的技术人员应当理解，在不偏离本发明的精神和保护范围的情况下，可以对其中的形式和细节进行各种改变。

本发明的示例性的实施例已经给出。本发明并不限于这些示例。这些示例在此仅仅是出于说明的目的，而不是进行限制。替代物（包括在此所述的实施例的等价物、扩展、变体、衍生物等等）对于相关领域的技术人员基于本文所包含的教导是显见的。这种替代物落在本发明的保护范围和精神内。于是，本发明应当不被任何上述典型的实施例所限制，而是应当仅仅根据所附的权利要求及其等价物所限定。

另外，摘要的目的是使专利局和广大公众，尤其是科学家、工程师和对于专利或法律术语或用语不熟悉的本领域的从业者，能够通过粗略地阅读而很快地确定本申请所公开的技术内容的种类和实质内容。摘要不能以任何方式作为本发明的保护范围的限制。

Claims (33)

1.一种空气压力计，所述空气压力计用于感测到物体的距离，所述空气压力计包括：

气体供给系统，所述气体供给系统配置用于供给气体；以及

喷嘴，所述喷嘴连接到所述气体供给系统，并设置用于将气体从所述气体供给系统供给到限定在所述喷嘴和所述物体之间的空隙；

其中，所述气体供给系统设置用于以一定的流率供给气体，所述流率对应于在所述喷嘴和所述物体之间的空隙内的层流和湍流之间的过渡区域中的流动，其中所述喷嘴包括输出面，所述输出面设置有节流孔，所述节流孔用于将所述气体供给到在所述喷嘴和所述物体之间的空隙。

2.根据权利要求1所述的空气压力计，其中所述输出面包括表面不规则形貌，所述不规则形貌配置用于增加所述输出面的、沿着从所述节流孔向外到所述输出面的边缘的方向的摩擦系数。

3.根据权利要求2所述的空气压力计，其中所述喷嘴的输出面上的表面不规则形貌包括在输出面中形成的同心环。

4.根据权利要求2所述的空气压力计，其中所述喷嘴的输出面上的表面不规则形貌包括从输出面突出的同心环。

5.根据权利要求2所述的空气压力计，其中所述喷嘴的输出面上的表面不规则形貌包括在输出面上的多个半球形凹陷或多个半球形突起中的至少一个。

6.根据权利要求1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。

7.根据权利要求1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2100的局部雷诺数。

8.根据权利要求1、6或7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低于4200的局部雷诺数。

9.根据权利要求1、6或7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低于5100的局部雷诺数。

10.根据权利要求1、6或7所述的空气压力计，其中所述气体供给系统在输出面上以一定的流率供给气体，所述流率在每分钟3400标准立方厘米到每分钟9000标准立方厘米的范围内。

11.根据权利要求1所述的空气压力计，其中所述喷嘴的输出面包括：

喷嘴表面；以及

垫圈，所述垫圈形成有一组表面不规则形貌，并连接到所述喷嘴的表面。

12.根据权利要求1所述的空气压力计，还包括位于喷嘴中的噪声衰减器。

13.根据权利要求12所述的空气压力计，其中所述噪声衰减器是位于喷嘴的输出面上的亥姆赫兹共振器。

14.根据权利要求13所述的空气压力计，其中所述亥姆赫兹共振器的表面具有表面不规则形貌，所述不规则形貌增加了所述表面的摩擦系数。

15.根据权利要求12所述的空气压力计，其中所述噪声衰减器是位于喷嘴的内壁上的亥姆赫兹共振器。

16.一种用于感测从喷嘴到物体的距离的方法，所述方法包括：

将物体设置在所述喷嘴的量测范围内；以及

将气体供给到在所述喷嘴和所述物体之间的空隙中；

其中所述气体被以一定的流率供给到所述空隙中，所述流率对应于在层流和湍流之间的过渡区域中的流动。

17.根据权利要求16所述的方法，其中供给气体的步骤包括在喷嘴的输出面上供给气体，所述喷嘴的输出面设置有用于将气体供给到所述空隙中的节流孔。

18.根据权利要求17所述的方法，其中供给气体的步骤还包括将气体供给到所述喷嘴的输出面上的表面不规则形貌，其中所述表面不规则形貌增加摩擦系数，所述摩擦系数增加沿着所述输出面在从所述节流孔向外到所述输出面的边缘的方向上的压降。

19.根据权利要求17或18所述的方法，其中供给气体的步骤还包括：

将气体供给到所述喷嘴的输出面上，其中所述输出面具有在所述输出面中形成的同心环。

20.根据权利要求17或18所述的方法，其中供给气体的步骤还包括：

将气体供给到所述喷嘴的输出面上，其中所述输出面具有从所述输出面突出的同心环。

21.根据权利要求17或18所述的方法，其中供给气体的步骤还包括：

将气体供给到所述喷嘴的输出面上，其中所述输出面具有在输出面上的多个半球形凹陷或多个半球形突起中的至少一个。

22.根据权利要求16或17所述的方法，其中供给气体的步骤还包括：

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。

23.根据权利要求16或17所述的方法，其中供给气体的步骤还包括：

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2100的局部雷诺数。

24.根据权利要求16或17所述的方法，其中供给气体的步骤还包括：

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低于4200的局部雷诺数。

25.根据权利要求16或17所述的方法，其中供给气体的步骤还包括：

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低于5100的局部雷诺数。

26.根据权利要求17或18所述的方法，其中供给气体的步骤还包括：

将气体供给到垫圈上，所述垫圈形成有一组附加于所述喷嘴表面的表面不规则形貌。

27.根据权利要求16所述的方法，还包括：

衰减在喷嘴中由空气压力计所产生的噪声。

28.根据权利要求27所述的方法，其中衰减噪声的步骤包括采用位于所述喷嘴的输出面上的亥姆赫兹共振器衰减噪声。

29.根据权利要求27或28所述的方法，其中衰减噪声的步骤还包括采用至少一个缓冲器和亥姆赫兹共振器的组合使用来衰减噪声，所述至少一个缓冲器设置在关键的空气压力计的流体转向处，所述亥姆赫兹共振器位于所述喷嘴的输出面上。

30.根据权利要求27或28所述的方法，其中衰减噪声的步骤还包括采用具有表面不规则形貌的亥姆赫兹共振器来衰减噪声，所述表面不规则形貌增加亥姆赫兹共振器表面的摩擦系数。

31.根据权利要求27所述的方法，其中衰减噪声包括采用位于喷嘴内壁上的亥姆赫兹共振器来衰减噪声。

32.根据权利要求16所述的方法，其中供给气体的步骤包括以一定的流率供给气体，所述流率在每分钟3400标准立方厘米到每分钟9000标准立方厘米的范围内。

33.根据权利要求16所述的方法，其中供给气体的步骤包括供给足以在喷嘴面和所述物体之间形成局部雷诺数的气流，所述气流形成过渡流机制。

Images