CN102753931A

CN102753931A - 电容式感测系统

Info

Publication number: CN102753931A
Application number: CN2010800634346A
Authority: CN
Inventors: G.德波尔; J.J.J.范巴尔; K.P.帕德耶; R.莫赛尔; N.弗吉尔; S.W.H.K.斯坦布林克
Original assignee: Mapper Lithopraphy IP BV
Current assignee: ASML Netherlands BV
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2030-12-29
Also published as: CN105716630B; JP5781541B2; JP5559359B2; JP2015079979A; US20110254565A1; EP2519859A1; TW201142242A; CN102782585A; TWI453549B; CN108151773A; US8570055B2; EP2519800A1; JP2013516601A; RU2012132634A; CN105716630A; WO2011080310A1; JP2013516752A; KR101676831B1; KR20120102802A; US8638109B2

Abstract

一种电容式感测系统，包括具有薄膜结构的传感器(30)，薄膜结构包括传感器，其具有第一绝缘层(34)，和包括在该第一绝缘层(34)的第一表面上形成的感测电极(31)的第一导电膜，以及包括背护电极(35)的第二导电膜。该背护电极可在单个平面上形成并包括在该同一平面上的周边部分，并且被部署在该第一绝缘层(34)的第二表面和第二绝缘层(43)或保护层(38)的第一表面上。该背护电极的周边部分可延伸超过该感测电极(31)，以形成侧护电极，该侧护电极大致上或完全地包围该感测电极。

Description

电容式感测系统

技术领域

本发明涉及一种用于测量距离的电容式传感器(capacitive sensor)，尤其涉及用于在光刻设备(lithography apparatus)中测量距目标(target)的距离的电容式传感器。

背景技术

带电微粒以及光学光刻机器和检查机器被用于将图案曝光到晶圆和其它目标上，这基本上是半导体装置制造处理的一部分。在光刻系统中，通常藉由光刻机器所发出的光学或微粒曝光射束对晶圆的多个位置处进行曝光。晶圆通常被置于晶圆固定台之上，且通常藉由控制该晶圆固定台相对于固定电子/光学腔体的位移而实现上述多个曝光。这些曝光通常是在晶圆的表面连续执行的。

将要进行曝光的晶圆表面几乎不可能完全平整。典型的晶圆在未箝紧至晶圆固定台的情形下可以在其中具有高达50微米的弓形弯曲。除了上述的晶圆弓形弯曲之外，晶圆在其表面上可能具有其它的不均匀性。这些晶圆弓形弯曲和其它不均匀性在晶圆表面造成高度上的变形。为了达到最新光刻机器所需的极高精确度，其必须校正这种高度上的变形，以将被曝光的晶圆表面维持在被用于将该光学或微粒曝光射束聚焦到晶圆上的投影透镜(projection lens)的焦点平面(focal plane)上。

支承晶圆的晶圆固定台可以被调整，以补偿晶圆表面在高度上的变形。可以改变晶圆固定台的高度，以将要曝光的晶圆表面调整到投影透镜的焦点平面上。对晶圆固定台高度的控制可以利用从测量晶圆表面高度(例如，介于投影透镜及晶圆表面间的距离)的传感器发射出信号来完成。这需要高度灵敏的传感器以确保能以最新的光刻机器所要求的极高精确性对晶圆位置进行正确控制。此类应用已经采用了许多不同种类的传感器，包括电容式探针。然而，现有的电容式探针以及相关的测量和控制系统均受到一些缺陷的限制。

现有的电容式传感器在高度及传感器面积上通常很大。图1A和图1B显示了现有技术中的电容式传感器的结构。图1A显示了传感器探针的横截面视图，而图1B则显示了端部视图。导电感测电极2被导电防护电极3包围。绝缘层4将这两个电极分隔开，而另一个绝缘层5可被用于将防护电极3与外壳6分隔开。电缆7和连接器8将传感器连接至信号处理系统，以得到所期望的最终测量信号。该传感器的操作范围取决于感测电极2下的感测面积。防护电极3被设置成与感测电极电位相同，以将电场限制在感测面积之内，而在感测电极2和目标9之间生成相对均匀的电场。这种构造导致了高度相对较高的传感器(通常高度大约为20毫米)和相对较大的感测电极。

传感器相对较大的高度和宽度使得这些传感器需要被定位在距离投影透镜相对较远的位置处，这将由于制造公差和热膨胀引起传感器与投影透镜间的相对位置变化而产生误差。现有电容式探针的相对较大尺寸同时要求在多个传感器配置中的个别传感器彼此相对远离，这降低了感测系统的空间分辨率，致使晶圆表面上发生在小区域中的不均匀度难以被检测出来。该相对较宽的间隔也造成了较为缓慢的测量处理，从而降低了使用这些系统的光刻机器的生产量。

第2,131,176号英国专利描述了一种电容式距离测量探针，其藉由将两片热塑性聚合物薄膜黏接在一起，并在一侧沉积有铜涂层而制成，使得一个薄片的铜涂覆面接合至另一个薄片的未涂覆面上。在一个薄片上被暴露出的铜涂层被划分为构成感测电极的第一区域和至少部分地包围该感测电极的第二区域，该第二区域与另一个薄片上的铜涂层电互连，以界定出该感测电极的防护电极。由于提供了包围感测电极的防护电极，此构造与图1所示的构造相仿，包围感测电极的防护电极均形成于此分层装置的同一表面上并位于同一层处。这导致需要在不同导电层之间建立电连接的结构，并因而需要较为复杂且成本较高的处理。

此外，对这些传感器的导线连接很难实现，而且，接线引入了电容，其影响对传感器的读取而需要被考虑在内，通常要对传感器及导线安装的组合进行校准。对现有传感器进行校准的需求，再加上在更换传感器时需要在此校准传感器接线的需求，使得这种更换变得复杂、耗时、而且昂贵。

第4,538,069号美国专利描述了一种校准用于曝光十字标线(reticle)的单电子射束光刻机器的电容测高计(capacitance height gage)的方法。该测高计首先利用激光干涉仪(laser interferometer)在一校准设备中进行校准，然后机器被重新定位到光刻站，以曝光十字标线，并使用电容测量计测量距该十字标线的距离。该电容测量计是在基板上形成的，该基板被安装在电子射束光学模块外壳的底部。将该十字标线目标接地，而电容测量计由相位相差180°的信号驱动，并且来自每一个测量计的输出信号被分开处理，以生成四个高度测量信号。

发明内容

本发明寻求解决或减少上述缺陷，而提供一种改进的电容式感测系统，其包括具有薄膜结构的传感器，该薄膜结构包括传感器，其具有第一绝缘层，和包括在该第一绝缘层的第一表面上形成的感测电极的第一导电膜，以及包括背护电极(back guard electrode)的第二导电膜。该背护电极在单个平面上形成，并包括在同一平面内的周边部分，并且被部署在该第一绝缘层的第二表面和第二绝缘层或保护层的第一表面上。该背护电极的周边部分延伸超过感测电极以形成侧护电极(side guard electrode)，该侧护电极大致上或完全地包围该感测电极。

这种传感器结构省略了在与感测电极同一层级上形成的分离的侧护电极，并省略了介于分离的侧护电极与背护电极之间的电连接，同时仍达成高度精确的传感器设计。在如同本发明所设想的小尺寸薄膜传感器之中，这种电连接使得制造过程更加复杂且成本更高，其需要测量诸如穿过绝缘层的穿孔或者额外的外部导线连接。本发明利用可由背护电极周边部分形成侧护电极的现象，使侧护电极与背护电极为在同一平面上形成的单个薄膜，例如，在同一绝缘层表面上形成。这种设计避免了需要对分离的侧护电极进行电连接的难度。在背护电极的场线延伸越过背护电极的平面，且介于感测电极和背护电极之间的绝缘层的层厚度具有很浅的高度，使得防护电极在不需要与感测电极处于正好相同高度(即，在同一平面上)的基础上，可省略位于与感测电极同一平面内而包围感测电极的分离侧护电极。这种传感器设计与先前的管状设计以及具有在与感测电极同一平面上形成的侧护电极的设计的薄膜等效形式均有所差异，这导致了简单且生产费用低廉但却精确的传感器，其可能更普遍且更易于应用。

该电容式感测系统可以进一步包括长形连接构件，该构件包括可挠性膜片(flexible membrane)，在其上印刷或黏附有导电轨道，这些导电轨道一端电连接至传感器的感测电极和背护电极，而另一端电连接至连接器。绝缘层可包括在其上形成感测电极的第一区域以及在其上形成导电轨道的第二长形区域。

该薄膜结构可进一步包括第三导电薄膜，其包括屏蔽电极(shieldelectrode)，其被配置在该第二绝缘层的第二表面之上。该薄膜结构可进一步包括长形连接构件，该构件包括可挠性膜片，在其上印刷或黏附有导电轨道，这些导电轨道在一端电连接至少感测电极，以及感测电极的背护电极、背护电极、和屏蔽电极(44)，而在另一端被电连接至连接器。该传感器可被连接至三轴电缆，且屏蔽电极可被电连接至其外部接地的电导体上。

该电容式感测系统可还包括用于向电容式传感器供电的AC电源、用于处理来自该传感器的信号的信号处理电路，以及用于将该电容式传感器连接至该AC电源及该信号处理电路的三轴电缆，其中，该电缆具有中心导体、外部导体，以及屏蔽导体，该中心导体用于将该AC电源电连接至该传感器的感测电极，该外环导体用于电连接至该传感器的背护电极，并且该屏蔽导体用于在该电缆远离传感器的一端将该传感器的屏蔽电极电连接至该信号处理电路的接地端。

另一方面，本发明涉及一种电容式感测系统，其包括具有薄膜结构的传感器，该薄膜结构包括传感器，其具有第一绝缘层、包括在该第一绝缘层的第一表面上形成感测电极的第一导电膜、包括被配置在该第一绝缘层的第二表面和第二绝缘层的第一表面上的背护电极的第二导电膜，以及包括被配置在该第二绝缘层的第二表面上的屏蔽电极的第三导电膜。该传感器被固定在一个结构上，并电连接至三轴电缆，该传感器的屏蔽电极被电连接至三轴电缆外部导体，用于该电缆远离传感器的一端形成通往接地电位的连接，而该传感器的屏蔽电极并未电连接至在该传感器处的该结构上。

传感器的电极可以经由薄膜连接元件连接至三轴电缆中的对应导体。传感器的电极可经由薄膜连接器上的导电轨道连接至电缆中的导体，这些导电轨道在一端电连接至至少传感器的感测电极和背护电极，并在另一端电连接至连接器。被电连接至背护电极的一个或多个导电轨道可以被布置成，位于连接至感测电极的导电轨道的上方，被电连接至背护电极的导电轨道较宽，使得周边部分从被连接至感测电极的导电轨道边缘向外延伸。该系统可以进一步包括在一端被连接至该传感器的屏蔽电极的一个或多个导电轨道，并在另一端被电连接至该电缆的外部接地电位电导体。电连接至屏蔽电极的一个或多个导电轨道可以被布置成位于被连接至背护电极的导电轨道以及连接至感测电极的导电轨道的上方。

该电容式感测系统的绝缘层可以被额外的电容式传感器共享，且该薄膜结构可以是可挠性的。这些绝缘层可以包含Kapton膜(Kapton sheet；即聚亚酰胺膜)、或派莱克斯基板(pyrex substrate，硼硅酸玻璃基板)、或具有绝缘涂层的硅基板(silicon substrate)。

另一方面，本发明还涉及一种用于曝光目标的光刻系统，该系统包括用于将曝光射束聚焦到该目标上的投影透镜系统、用于承载该目标的可移动平台、用于对在该投影透镜系统和该目标间的距离进行测量的(依据上述变形中的任一项的)电容式感测系统，以及用于至少部分地基于来自该电容式感测系统的信号控制该可移动平台的移动以调整该目标的位置的控制单元。

附图说明

参照在附图中示出的实施例将进一步阐明本发明的不同方面，其中：

图1A是电容式传感器的横截面视图；

图1B是图1A中的电容式传感器的端面视图；

图2是平行极板电极布置的简化示意图；

图3是电容式传感器探针及接地导电目标的示意图；

图4是以差分式测量方式布置的两个电容式传感器探针及接地导电目标的示意图；

图5是包括薄膜结构的电容式传感器的横截面视图；

图6A、6B、6C及6D是薄膜传感器的不同实施例的横截面视图；

图6E是图6A及图6B中的传感器的俯视图；

图6F是图6D中的传感器的俯视图；

图7A是具有方形感测电极的薄膜传感器的俯视图；

图7B是图8A中的传感器的横面视图；

图8A是具有圆形感测电极的薄膜传感器的俯视图；

图8B是图8A中的传感器的横截面视图；

图9A、图9B及图9C是整合型差分式薄膜传感器的不同实施例的横截面视图；

图9D是整合型差分式薄膜传感器的俯视图；

图10A至图10D是薄膜电容式传感器的横截面视图；

图11是具有连接线及接触垫的传感器的俯视图；

图12A及图12B是接触垫结构的横截面视图；

图13A至图13D是在公共基板上形成的传感器、连接线以及接触垫的示意图；

图14是被固定在光刻机器上的传感器的侧视图；

图15A及图15B是挠性印刷连接器的示意图；

图16A及图16B是带电粒子光刻机器的投影透镜堆(stack)的横截面视图；

图17A至图17D是具有多个传感器及整合型挠性印刷连接器的可挠性印刷电路结构的示意图；

图18是在光刻机器上传感器的另一种连接布置；

图19A及图19B是将整合型可挠性印刷电路结构固定在光刻机器上的布置的示意图；

图20A及图20B是在固定的板上电容式传感器配置的示意图；

图20C及图20D是被布置成对角线配置的电容式传感器的示意图；

图21A及图21B是薄膜结构的示意图，在其上形成有多个电容式传感器；

图21C是具有多个传感器及整合型挠性印刷连接器的可挠性印刷电路结构的示意图；

图21D是整合型挠性印刷连接器的横截面视图；

图22是传感器系统及信号处理系统的示意图；

图23A是具有电流源的高阻抗放大器电路的简化电路图；

图23B是具有电流源的差分式传感器布置的简化电路图；

图24A是具有电压源的惠斯登电桥(whetstone bridge)布置的简化电路图；

图24B是具有电压源的差分式传感器布置的简化电路图；

图25是差分式传感器电路布置的简化电路图；

图26是同步检测电路的简化电路图；

图27是示出在传感器系统中的电容的示意图；

图28A及图28B是具有将传感器连接至信号处理电路的电缆的配置的简化电路图；

图29是同步电路的另一个实施例的简化电路图；

图30是用于处理来自传感器差分对的信号的布置的简化电路图；

图31是用于定位光刻机器的晶圆的控制系统的示意图；以及

图32A及图32B是图31的控制系统使用的传感器布置的示意图。

具体实施方式

以下是通过仅作为示例的并且参照图示给出的本发明的不同实施例的说明。

电容式传感器理论

电容式传感器利用了在两个导电表面之间建立的均匀电场。在较短距离之间，所施加的电压与这些表面之间的距离成正比。单板式传感器测量在单个传感器板与导电目标表面之间的距离。

图2示出了平行极板电极的布置。在两个电极11、12之间的电容等于在这两个电极间的电位差在其中的一个电极上感应到的电荷除以该电位差，如等式(1)所示，

C = \frac{Q}{ΔV} . - - - (1)

这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，在该二电极间的电容由等式(2)给定，

C = \frac{ϵ_{0} ϵ_{r} A}{d} - - - (2)

其中C是在这两个电极间的电容(F)，A是这两个电极的叠加面积(m²)，ε₀是自由空间的介电系数(permittivity；或称电容率)(8.85x 10^-12F/m)，ε_r是在电极间介质的相对介电系数，而d是在电极间的距离(m)。

当使用交流电流源13对平行板电容器充电时，在电极之间产生的电压电位取决于这些电极的阻抗。平行板电容的阻抗如等式(3)所示，

Z = \frac{1}{2 πfC} - - - (3)

其中的Z是阻抗(Ω)，f是频率(Hz)，而C是电容(F)。

由等式(3)可以看出，电容式阻抗与电容的值以及施加到电容器的信号的频率成反比。在具有电容式传感器的情况中，对电参数(电压或电流)的变化进行测量，其对应于传感器的阻抗的变化。当被施加到传感器的信号的频率保持不变时，可以使得阻抗与电容的变化成反比。等式(2)示出电容是与传感器电极的叠加面积直接成正比的，并与电极间距离的变化成反比。将等式(2)和等式(3)合并产生以下等式：

v = \frac{d}{2 π {fϵ}_{0} ϵ_{r} A} \cdot i - - - (4)

其中i＝电流。

藉由使电极叠加面积和施加到传感器的电信号(电流)的频率保持不变，电极间距离的改变导致了电容式传感器的阻抗改变。传感器两端电压将与阻抗成正比，并且与传感器电极之间的距离(d)成正比，这使其能够对距离进行精确测量。如下面所描述的，可使用不同的测量概念。

电容式传感器的测量原理

图3示出了单电容式传感器探针1，其测量距接地导电目标9的分隔距离。当提供AC电流时，电流将沿着路径15从传感器经由传感器-目标电容16流至目标，并经由目标-接地阻抗17从目标流至接地端。在图中电压19表示影响距离测量的来自外界作用或变化的干扰。从传感器到目标的距离测量精确度取决于传感器测量传感器-目标电容16可达到的精确度。当目标接地的状况不佳时，目标-接地阻抗17的电容通常将大幅超过传感器-目标电容16，且可能超过100倍之多。这种高电容导致了较低的阻抗17，因此其对传感器的影响较小。然而，阻抗17的变化将影响距离测量，并且可期望将这种影响最小化。

图4示出了一种具有两个电容式传感器探针1a及1b的布置，以对目标9的分隔距离进行差分式测量(diffrential measurement)。向该传感器供给偏移180度的AC电流，使得电流沿着路径18从传感器经由传感器-目标电容16a流至目标，并从目标经由另一个传感器-目标电容16b流至另一个传感器。这种以不同相位的信号驱动两个传感器的布置方式有效避免了电流经由目标流至接地端，而能将目标至接地端阻抗17的影响最小化。未接地的目标也是起作用的，因为其使得电流可以从传感器流至另一个传感器，而不需要接地的返回路径。在由传感器对中的每一传感器获得的分隔开并且独立的电容(及距离)测量的常规测量系统中可使用这种以相位不同的信号激发传感器的布置方式。每一个传感器分别测量距目标的距离。干扰19在图4中被表示成两个干扰电压19a及19b，电压19每一半的值，相当于对每一个传感器影响程度相等的共模干扰(common mode disturbance)。

差分式测量布置也可以结合供给传感器的不同相位的信号来使用。在这种布置方式中，来自这两个传感器的输出以这样的方式耦接，即，藉由在其正半周期期间的传感器1a的驱动电压，以及在其正半周期期间的传感器1b的驱动电压，对传感器1a的传感器-目标电容16a进行充电，反之，则藉由在其负半周期期间的传感器1b的驱动电压，以及在其负半周期期间的传感器1a的驱动电压对传感器1b的传感器-目标电容16b进行充电。因此，来自每一个传感器的输出信号均对应于在这两个传感器和目标之间的平均距离。

将具有固定斜率及振幅的三角形电压波形供给传感器，这导致了近似方波的电流流入传感器电容，即，在一个半周期内为大致不变的正电流，而在另一个半周期内为大致不变的负电流。在实现中，电流将在每一个半周期期间上升至基本上成稳定状态，因此优选地在每一个半周期的后半部分，当电流到达该稳定状态的期间进行测量。

可测量流过传感器的电流和相关联的传感器电容，并转换成用于进一步处理的电压。差分对(differential pair)中的每一个传感器的结果值可被结合，以降低或排除共模干扰。例如，在正电流周期期间流过传感器1a的稳态电流与正电流周期期间流过传感器1b的稳态电流可以相加，同样地，在负电流周期期间流过传感器1a的稳态电流与负电流周期期间流过传感器1b的稳态电流可以相加。相加的正周期数值与相加的负周期数值两值相减得到差分传感器信号，即，Vdiff＝(V1pos+V2pos)-(V1neg+V2neg)。

由于对该传感器对较为接近而相位不同的驱动方式，传感器电流针对该传感器对下的传感器-目标电容16a及16b二者均进行充电及放电，使得每一个测量值均为每一个传感器距目标的距离的平均值。其可被视为在该传感器对与这两个传感器中间目标上的一点处之间的距离。每一个测量值均无法免受任何干扰的影响，例如，图4中所示出的干扰19a和19b。这些干扰在正周期值和负周期值中均出现，但藉由正负值相减已从测量中基本消除，以求出差分传感器信号。这种布置方式的优点在于，在测量期间抵销了个别传感器上的共模干扰。在测量期间两个传感器中保持不变的任何差异均将抵销，以得到精确的测量结果。该差分式测量布置方式大幅地降低了目标-接地电容的影响，并增加了该感测系统的灵敏性。

传感器结构

图5示出了包含薄膜结构的电容式传感器的横截面视图。在绝缘膜34上形成或附加有导电感测电极31和导电侧护电极32。在绝缘膜34的背侧上部署有导电背护电极35。在感测电极与防护电极之间的间隙39较狭窄，通常为几十微米，而且其可以是空气间隙，或填充绝缘材料。

在感测电极和目标之间产生的电场在靠近感测电极的边缘处弯曲。在靠近感测电极的边缘处存在一导体，其对于电场并由此对于传感器的测量具有巨大且不可预测的影响。为了避免这种情况(并且让传感器测量更为可预测并更易于模式化，而使得电场可以解析方式计算出来)，感测电极被防护电极包围，该防护电极被提供以与感测电极相同的电位。该防护电极起到抵抗外部干扰的屏蔽作用，并同时将电场弯曲效应移出感测电极下的感测区域，降低了寄生电容。在感测电极和目标之间的电场的每一侧，在防护电极和目标之间生成电场。而在感测电极和防护电极之间并未产生电场，这是因为它们处于同一电位上。这在感测电极下的区域中导致了基本均匀的电场，同时在防护电极的外侧边缘处发生场弯曲。

与将感测电极与目标分开的距离相比，感测电极31的面积应该要大。同样地，与感测电极和目标之间的距离相比，感测电极31和侧护电极32之间的间隙39应该要小，而与感测电极和目标之间的距离相比，侧护电极32的宽度应该要大。在一个实施例中，感测电极的宽度至少是感测电极和目标之间距离的五倍，感测电极和防护电极之间的间隙小于或等于感测电极和目标之间距离的五分之一，而防护电极的宽度至少是感测电极和目标之间距离的五倍。遵循这些比较性设计规则提供了具有可高度预测电容(例如，1ppm的电容可预测性)的电容式传感器设计规则的实施例。在此可预测性被定义为，在使用上述等式(2)的理想板-距离电容公式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。

除了在感测电极和被测量目标之间的传感器电容C₁之外，传感器在该结构中的每一个分隔开的元件之间均具有固有的寄生电容C₂及C₃。与被测量的电容C₁相比，寄生电容C₂和C₃较小。在图5的实施例中，寄生电容包括在感测电极和侧护电极之间的电容C₂，以及在感测电极和背护电极之间的电容C₃。

在一个传感器实施例中，在感测电极和目标之间的电容C₁为0.1pF至1pF，而在感测和侧护电极之间的寄生电容C₂则是小100到1000倍的因数，基本上处于0.001pF(即，10^-15F)的数量级。在感测电极和背侧电极之间的寄生电容C₃通常较大，并且是主要的，通常为大约1pF到1000pF(即，10^-12F到10^-9F)。通过向防护电极提供与感测电极相同的电位，这些寄生电容的效应降低。这可以通过在下面更为详细地描述的将侧护电极和感测电极进行电连接，或是藉由使用主动式防护完成。主动式防护也可以使用于背护电极。

针对在真空处理室(vacuum chamber)的清洁环境中工作的光刻机器的应用，传感器被优选地构建成在该真空环境中释放出极低水平的污染物。其可以在这类应用所使用的传感器的导体上形成保护层，诸如，Kapton聚亚酰胺膜或类似的保护膜，尤其是在所用材料可能污染该真空环境的情况下。图6A至图6D示出了包含保护层37及38的薄膜传感器的各种实施例的横截面视图，图6E示出了图6A及图6B中的传感器的俯视图，而图6F示出了图6D的传感器的俯视图。

图6A示出了一个实施例的横截面视图，其具有形成于或附加至绝缘膜34表面上的感测电极31和侧护电极32，以及形成于绝缘膜34的另一个表面上的背护电极35。该传感器被附加到板40上，该板40通常为需要进行距离测量的设备结构的一部分，或者，可被附加到该结构的一部分上，例如，光刻机器投影透镜周围的安装板或隔离板，在这种情况下，传感器测量介于该投影透镜与该透镜下的晶圆之间的距离。板40可以是具导电性的，并因此可同时起到该传感器的屏蔽电极的作用。

图6B示出了一个备选实施例，具有导电屏蔽电极44，其形成于或附加至第二绝缘膜43上，成为该传感器结构的一部分。这种构造使得传感器能够被安装在非导电性表面上。即使是被安装到导电表面上，也确保了在范围上的一致性，并起到了屏蔽电极的功能。将屏蔽电极44包括在内成为传感器结构的一部分的同时还提供了独立的接地电位，该独立接地电位否则可从支承表面获得。例如，当在电子射束光刻系统上使用该传感器时，来自该机器的接地电位可能受到来自投影透镜的电噪声影响。其还使得传感器屏蔽电极能够与测量电路以及连接传感器至该电路的电缆具有同一接地。

这可以藉由将传感器屏蔽电极连接至连接电缆中的屏蔽导体来实现，其然后被连接至由测量电路使用的接地点。这使得传感器和测量电子避免具有不同的接地。当被连接至三导体电缆(例如三轴电缆)时，这种构造同时还能够使用于在该传感器的三个导电层中的每一个与三轴线缆的相应导体之间进行连接所布置连接点提供从该电路到该传感器的独立接地电位，该连接包括屏蔽电极、包括该屏蔽电极到该三轴线缆的屏蔽导体之间的连接。

图6C说明了另一个实施例，其包括被电连接至屏蔽电极44的外部侧护电极33。该连接可以藉由例如通过激光在绝缘层34和43中形成孔(hole)或通孔(via)来获得，以使得每一个层级上的导电层的各部分之间能够电连接。

图6D描绘了另一个实施例，其在感测电极的同一层级或同一表面上不具有侧护电极。如上所述，在现有设计中一直认为侧护电极必须存在，以限制在感测区域内由感测电极产生的电场，以便在感测电极和目标之间生成相对均匀的电场，并降低被定位在接近传感器的导体对传感器的影响。例如，如图1A所示，在相对高大的现有构造之中，需要使防护电极向下延伸到与传感器电极相同的平面，以包围传感器电极。在薄膜设计中同样认为侧护电极是不可或缺的，以将防护电极放置在传感器电极的同一层级处。优选地将侧护电极电连接至背护电极上，但这种布置方式需要在这两个电极之间造成电连接，这是较为困难的。在图6A至图6C所示的设计之中，穿过绝缘层34形成了这种连接。由于传感器的较小尺寸以及绝缘层34的薄度，在隔离层上精确地制造出合适大小和定位的孔是有难度的。为达到这样的目的可以使用激光，但制造过程将变得更加复杂并且费用更高。

然而，如果薄膜传感器的膜层足够薄，则发现，侧护电极不需要与感测电极位于同一层级。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包围感测电极，可获得同样的效果。因此，该背护电极的周边部分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，实现限制感测电极在感测区域内生成的电场，使得在感测电极及目标之间生成相对均匀的电场。由位于接近传感器处的导体引起的电场弯曲在背护电极周边部分的外部边缘处出现，而非感测电极处。这导致了较为简单的设计，其制造较为简单，且生产费用更低廉，但却可以在感测电极下方的区域中产生基本均匀的电场，而且对于被定位在接近传感器处的导体所造成的干扰的敏感度较低。

在图6E中示出了图6A及图6B的实施例的俯视图，其中感测电极31形成圆形，具有几乎完全包围感测电极的″C″形侧护电极32，并在感测电极31周边包围的两个电极之间留下狭窄的间隙。在此实施例之中，侧护电极32和背侧电极35选择性地彼此电连接，藉由绝缘膜34中的开口37使得防护和背侧电极能够电接触。在此的实施例中使用了单个的″C″形开口，但是也可以使用其它形状和/或多个开口。将防护和背侧电极连接使两个电极均置于同一电位，以消除介于它们之间的任何电容效应，并藉由使用主动式防护，还可消除在防护和背侧电极以及感测电极之间的任何电容效应。

在图6E的实施例之中，内部感测电极31具有一个或多个延伸，其构成了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，而且侧护电极32同样具有一个或多个延伸，其构成了形成电连接的连接线42。感测电极31、侧护电极32，以及连接线41和42是由薄膜形成的。在所示出的实施例中，电极31和32以及连接线41和42均位于同一平面中，并且，可通过利用激光，采用蚀刻或其它适宜的移除技术，移除一些部分以沉积或形成膜层，而由同一薄膜形成。侧护电极32大致包围感测电极31，留下的较小间隙用于使连接线41自感测电极向外延伸，以提供介于感测电极和信号处理电路之间的电连接。这些连接线同时还加入寄生电容，这在传感器的设计中应该被考虑在内。

在图6F中示出了图6D的实施例的俯视图(绝缘层34未示出，以便可以看到背护电极35)。除了侧护电极与感测电极并不处于同一层级以外，其与图6E中的实施例近似。在该视图中，背护电极35的周边区域35a起到侧护电极的作用。传感器可以与如以上描述的图6E的实施例相同的方式构建，并且连接线41及42自感测和背护电极向外延伸，以提供如上所述的电连接。

在这些实施例中，电极31和35，以及包括这两个电极的电极32及44，可由大约18微米厚的导电层形成，绝缘膜34和43可为大约25微米厚，而保护层37、38可为大约50微米厚。该薄膜传感器可被构建成具有大约100至200微米的总厚度，并且在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)之间具有50至150微米的厚度，优选地为大约100微米。该传感器的薄膜结构、较小面积、和极小的高度(厚度)使得其有可能将该传感器施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，以及传感器之间或传感器与其它设备之间间隔较近的情况中。

在图6A至图6F(以及以下所述的其它实施例)中示出的薄膜传感器的较小尺寸提供了许多优点。该薄膜结构导致了极小的高度，而且传感器的宽度或面积也可以非常小。这使得传感器能够被固定在极为接近所期望的距离测量点处。当被用于测量在投影透镜与将要曝光的目标之间距离的光刻机器时，传感器可被安装成，紧邻该投影透镜，并且处于相同的安装结构上，使得传感器及投影透镜均被固定至同一参考点。这大幅地降低了源于传感器和投影透镜间相对移动的误差，消除了校正传感器安装变形的需要，并降低了校准的要求。较小尺寸的传感器同时还降低了传感器本身的平整度需求。

图7和图8示出了薄膜传感器的进一步的实施例，其中绝缘层34仅在感测电极31和背侧电极35之间形成，使得侧护电极32及背侧电极35可直接彼此相连。

图7A和图7B分别示出了具有方形感测电极的传感器的俯视图和横截面视图。在一个实施例中，该方形传感器被设计成，在传感器与目标之间相距为100微米的标称距离时，具有1pF的标称传感器电容(在感测电极与目标之间的电容C1)。该感测电极具有3.5毫米(+/-0.01毫米)的宽度以及12.25平方毫米的面积。防护电极具有1.5毫米(+/-0.01毫米)的宽度，而在感测和防护电极之间的间隙为0.015毫米(+/-0.001毫米)。在另一个实施例之中，传感器被设计成，在传感器和目标之间相距100微米的标称距离时，具有10pF的标称传感器电容。该感测电极具有11毫米(+/-0.01毫米)的宽度以及121平方毫米的面积。防护电极宽度和间隙均未改变，分别是1.5毫米(+/-0.01毫米)以及0.015毫米(+/-0.001毫米)。

图8A和图8B分别示出了具有圆形感测电极的传感器的俯视图和横截面视图。在一个实施例中，该圆形传感器被设计成，在传感器和目标之间相距100微米的标称距离时，具有1pF的标称传感器电容。感测电极具有4毫米(+/-0.001毫米)的直径以及12.25平方毫米的面积。防护电极具有4.015毫米(+/-0.001毫米)的内直径以及8毫米(+/-0.001毫米)的外直径。在另一个实施例中，传感器被设计成，在传感器和目标之间相距100微米的标称距离时，具有10pF的标称传感器电容。感测电极具有6.2毫米(+/-0.001毫米)的直径以及121平方毫米的面积。防护电极具有6.215毫米(+/-0.001毫米)的内直径以及12.4毫米(+/-0.001毫米)的外直径。

图5至图8的实施例可以被构建成，在传感器和目标之间具有80微米至180微米的测量范围(在垂直于感测电极表面的z轴上)。其可以改变传感器的尺寸以适应于不同的测量范围，正如本领域技术人员将体会到的。

图5至图8的实施例也可利用光刻技术进行，以获得甚至更薄的材料层，例如，厚度为100纳米(+/-10纳米)的感测电极31、厚度为150纳米(+/-10纳米)的侧护电极32(如果包括)及背侧电极35，以及厚度为50纳米(+/-10纳米)的绝缘层34。这些实施例中的感测电极为方形或圆形，其提供了较大的感测面积，以使传感器的灵敏度最大化，同时使传感器的整体尺寸最小化。然而，传感器可以不具有这些形状，而具有长方形、卵形或其它形状的感测电极(以及具有类似形状的防护电极)以使感测区域最大化。

图5至图8的实施例可以被构建成，具有导电层，用于被沉积在绝缘层35上，或是使用黏着剂或接合层黏附至该绝缘层的电极31、32。在感测和防护电极之间的间隙39可藉由形成用于感测和防护电极二者的单导电层并使用激光或蚀刻移除材料以建成间隙来形成。激光被优选地用于制造极小的间隙宽度，并其可被用于制造具有极小偏离的25微米宽的间隙，但是蚀刻则通常精准度较差。

传感器可以利用各种不同的技术制造，例如，利用光刻技术、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems；微机电系统)技术，或可挠性印刷电路技术。利用可挠性印刷电路技术，绝缘层34可被提供成具有由可适用的材料制成的可挠性薄片或卷带的形式，诸如，Kapton聚亚酰胺膜或类似的可挠性绝缘膜。导电电极31、32和35可形成为，具有由铜或其它适当的导电材料构成的薄层、利用黏着剂被固定至绝缘层34、形成无胶压制层(adhesiveless laminate)，例如，那些使用直接金属化处理过程(directmetallization process)、或者是利用导电油墨或其它适当的印刷技术印制到绝缘层之上。保护绝缘膜37及38可以是由与层34种类相同的材料形成的。

可挠性印刷薄膜传感器易于制造，并且可快速地产出，导致极短的生产前置时间。其可以将该传感器在从传感器到信号处理电路之间可造成稳健的连接。较小尺寸提供了更佳的可挠性，用于将其置放在要被测量的距离处的点上或极接近处。传感器可以作为个别的传感器元件被黏附于适当处，以快速并简易地组装感测系统。个别传感器的平整度及倾斜度可以在其被黏附到位之后进行检查并在测量过程中进行校准。在使用可挠性薄片材料作为绝缘层的情况下，可以将整个传感器构建成具有可挠性。

在一些上述的实施例之中，感测和侧护电极之间的间隙宽度并未满足前述的比较性设计规则，例如，感测和防护电极之间的间隙宽度大于感测电极和目标之间距离的五分之一。然而，在传感器的许多应用上薄膜结构的优点均比上述特点更加重要。

图9A至图9C示出了被构建为单个整合式单元的传感器对的各种实施例。在这些实施例中，整合式单元包括两个传感器30a及30b，分别均具有其自身的感测电极31a、31b以及背护电极35a、35b。图9A中的传感器使用导电板40作为屏蔽电极，而图9B和图9C中的传感器则分享与传感器对整合的单个屏蔽电极44。在图9C的实施例中，其利用介于屏蔽电极44和板40之间的胶点或胶线(glue spots or lines)56将传感器固定到板40上。在板40导电的情况下，可以使用导电胶将板40和屏蔽电极44电连接，以更有效地使该屏蔽电极接地。这两个传感器30a、30b优选地像如上所述的差分对那样工作，其中每一个传感器由与该对中另一个相位不同(优选地相位相差180度)的传感器的电压或电流驱动，并且进行差分式测量，以抵销共模误差。

图9D示出了一种差分式传感器对的俯视图。背护与感测电极在圆角四边形中形成，被涉及成适合在这种形状(例如在图20D及图21B中所示出的区域115)之内。该形状导致了在区域115限制范围内用于感测电极的最大面积，以产生最高分辨率的测量。这些电极也可以形成为圆形的形状，同时紧密地适合区域115之内，以产生最大面积的感测电极。

图10A至图10D示出了使用不同传感器基板材料的薄膜电容式传感器的各种配置。这些实施例可适合于使用光刻技术来构造，使其可以制造具有极小间隙尺寸的形状以及精确的电极。这使得传感器能够被构建成能够满足上述的比较设计规则，并且具有极高的分辨率，用以测量极小的特征和极小的距离。光刻处理过程还使得连接线和接触/接合垫能够被制作成具有极小的轨道宽度和精确的尺寸。此外，光刻处理过程对于那些本领域技术人员是熟知的，并且一旦开发出制造流程，其可以随即被应用于具有更高分辨率的传感器的制造中。然而，处理过程的最初开发造成了较长的生产前置时间，并且将需要短程循环试验，以验证不同的处理步骤。图10A至图10D仅示出了层的布置，并未示出侧护电极，但若其包含于其中，则与感测电极在同一层中形成，而且其并未示出侧护电极和背护电极的选择性连接。

对于一个或多个传感器被安装在诸如光刻机器的机器上的应用，这些实施例中的基板可以被多于一个的传感器所共享，使得一组传感器被构建在一个单元中。图13A至图13D中示出了这类布置的示例并在下面有所描述。基板可以从而被连接至安装板上，或者可以将基板当成用以将传感器安装到机器的安装板。

图10A中的实施例具有硅基板45，其两侧上形成有绝缘层47a、47b。感测电极31形成于其中一个绝缘层的表面上，而背护电极35形成于另一绝缘层的表面上。该实施例可能需要防护电极的主动偏压(active biasing)以正常起作用，其可能需要针对在其上固定有传感器的板进行图案化。此外，在投影透镜和传感器之间的电容性耦合可能产生问题。

图10B中的实施例具有在一侧形成的多个层的硅基板45，其包括第一绝缘层47a、在第一绝缘层上形成的感测电极31、第二绝缘层47b，以及在第二绝缘层上形成的背护电极35。该实施例避免了对图案化其上固定有传感器的安装板的需要，且同时还避免了在投影透镜和传感器之间的电容性耦合。然而，与图10A的实施例相比，其需要额外的绝缘层。

硅基板并不是优良的绝缘体，因此在这些实施例中包括有绝缘层。硅基板的其它缺点在于，由于在硅中存在杂质，在硅中可能生成寄生电流，而这些电流可能扰乱传感器的电容测量。

在图10C的实施例中具有硼硅酸玻璃基板46，其具有形成于一个表面上的感测电极31，而以及形成于另一个表面之上的背侧电极35。虽然通过在传感器中降低灵敏度并加入少量的非线性，可以省略主动式防护，但是在对防护电极实施主动偏压的情况下，该实施例还需要使在其上固定有传感器的板图案化。具有这种结构的实施例中，当在150kHz下施加的50μA(微安培)的电流时，具有厚度为100微米的基板，并且在感测电极和侧护电极之间具有16微米的间隙，在传感器和目标相距0.8微米的距离的情况下可以产生大约11.5V的有效输出电压，并且在传感器和目标相距1.8微米的距离的情况下可以产生大约13.5V的有效输出电压。

图10D的实施例中具有硼硅酸玻璃基板46，其具有形成于一侧的多个层，包括防护电极49、形成于该防护电极上的绝缘层47、形成于该绝缘层上的感测电极48。该布置方式不需要针对在其上固定有传感器的板进行图案化，并且由于具有100微米的硼硅酸玻璃层，在投影透镜和传感器之间的电容性耦合被降低。硼硅酸玻璃是一种优良的绝缘体，因而对于使用硼硅酸玻璃基板的实施例，硅实施例中所用的绝缘层可以被省略。

造成传感器电极(感测、侧护及背护电极)与信号处理系统之间的电连接需要建立到小型传感器元件的稳健低阻抗连接。该连接应该能够承受预期的机械应力，同时在传感器布置中要避免引入额外的寄生电容。对于使用光刻机器的传感器应用，该连接还应该要避免使用会对真空环境产生污染的材料。

图11示出了在连接线41及42的端点处形成的具有接触垫50a、50b的传感器，用以造成从传感器到信号处理电路的外部连接。图12A及图12B示出了用于与传感器电极电接触的接触垫结构的横截面视图。其特别适用于使用由硅、硼硅酸玻璃和类似材料构成的基板的实施例。这些实施例在基板的背侧提供了接触垫，以与在基板前侧上的传感器电极电连接。图12A示出了一个实施例，其具有穿过基板55的通孔。导电接触垫50在硅基板的背测上形成，并且穿过通孔形成有导电连接51，以与在该基板前侧上的导电层52连接。图12B示出了一个实施例，其具有在基板55的边缘上造成的电连接。导电接触垫50在基板的背侧上形成，并且在该基板的边缘处形成导电连接51，以与在基板前侧上的导电层52连接。

对于使用硅或其它非电介质基板的实施例，绝缘层53将导电层52与基板分隔开，并且较小绝缘层54将接触垫50与基板分隔开。在图12A中通孔也涂覆有绝缘层，并且在图12B中位于导电连接51下的基板边缘也涂覆有绝缘层。接触垫所需的额外绝缘层产生了额外的小寄生电容。对于使用诸如硼硅酸玻璃的电介质基板的实施例，额外的绝缘层是可选的，并且额外的寄生电容被降低。

图13A至图13D示出了感测系统的实施例，其具有构建在包围光刻机器的投影透镜104的单个基板102上的多个传感器。图13A示出了基板的前侧，即，向下面对将要曝光的晶圆的一侧。在基板上形成有八个传感器(包括四个传感器对)，在投影透镜周围被分隔成对。在该实施例中，在每一个传感器的基板的前侧上形成导电感测电极31。侧护电极32包围每一个感测电极，在其间形成较小间隙。连接线105在每一个感测及防护电极与基板边缘之间造成电连接。在该实施例之中，基板是由诸如硼硅酸玻璃或Kapton的电介质材料制成的，并且在电极和基板之间并未使用额外的绝缘层。其也可以在基板前侧上的传感器电极上形成较薄保护绝缘层。

图13B示出了基板的背侧，即，向上面对远离将要曝光晶圆的一侧。导电背护电极35在每一个传感器的基板的背侧上形成。对于每一个传感器，背侧电极与位于基板前侧的感测及侧护电极对齐。在该实施例中具有圆形电极，对于每一个传感器，所有电极的中心均是对齐的。与感测电极31相比，背侧电极35具有较大的直径，并可等于或大于前侧上侧护电极32的直径。连接线106造成在背护电极与基板边缘间具有电连接。

基板前侧上的连接线105与背侧上的连接线106可以利用诸如在图11、图12A或图12B中示出的构造被布置成在基板背侧上的边缘处形成接触垫50a及50b，其中接触垫50a与感测电极31电连接，而接触垫50b与侧护电极32及背护电极35连接。在该实施例中，接触垫区域交替形成，使得来自感测电极的每一个接触垫50a在其两侧均具有来自对应的侧护及背护电极的接触垫50b。在基板的边缘处还形成了额外的接触垫50c，以与屏蔽电极连接，其可被连接至用于将传感器连接至测量系统的电缆的屏蔽护套。接触垫区域共同形成接触垫50，其被布置成在对应于基板上的传感器对布置的分离的区域中。

图13C示出了基板的背侧，在基板上形成有绝缘层110，并在环绕基板的边缘留有间隙，使得接触垫50被暴露出来用于连接。图13D示出了被固定在隔离/安装板112上的基板102。安装板112可以是导电性的，并且可以起到屏蔽电极的作用，并可以接地，或者备选地，起到屏蔽电极作用的导电屏蔽板可作为分开的组件被提供。接触垫50c起到连接区域的作用，用于造成与屏蔽电极的电连接，例如，连接至传感器屏蔽护套。绝缘层110将防护电极与安装板/屏蔽电极电隔离。在此实施例中，安装板具有环绕其边缘处的切除区，以使得接触垫50暴露出来而造成电连接。

在一个实施例中，图13A至图13D的布置可包括50毫米直径的硼硅酸玻璃基板，其具有例如19x19毫米或26x26毫米的方形孔，以容纳投影透镜。感测电极具有3.8毫米的直径以及在感测及防护电极之间的16微米的间隙，防护电极具有1毫米的宽度，并且背侧电极具有6毫米的直径。连接线105具有0.05毫米的宽度以及16微米的间隔，而连接线106具有0.5毫米的宽度以及0.5毫米的间隔，接触垫可为0.5毫米宽且1.4毫米长，并且垫片彼此被分隔开0.5毫米的间隙。传感器以被频率200kHz被供给10μA的电流。

在图13A至图13D中示出的实施例中的传感器，或在此所述的任一种其它传感器布置方式，均可以依据例如图6A至图6F、图7A至图7B、图8A至图8B、图9A至图9C、图10A至图10D、图11或图12A至图12B中所述的任一个实施例构建而成，且可被布置成差分对的形式，其中差分对中的每一个传感器均被与差分对中的另一个传感器相位不同的电压或电流驱动。例如，差分对中的第一传感器可以由与该对中的另一个传感器相位相差180度的电流驱动。为了降低在传感器对之间的耦合，使得多个传感器差分对可以一起使用，每一个传感器对均可由与相邻传感器对的相位有所偏移的电压或电流驱动。例如，相邻的传感器对可由彼此相位相差90度的电流驱动。例如，图13A上部的传感器对可以被施加以相位为0及180度的电流，同时位于右侧及左侧的传感器对可以分别被施加以相位为90度及270度的电流，而底部的传感器对可以被施加以相位为0及180度的电流。通过这种方式，运用相位划分技术对相邻传感器对进行正交偏压，以分隔开差分对，并降低在它们间的干扰。其也可以替代性地或进一步地采用诸如频分或时分的其它技术以降低传感器对之间的干扰。

将电信号传离传感器并发送，以将原始传感器信号转换成可用格式，需要从传感器探针到信号处理系统的电连接。图14示出了传感器布置的侧视图，该传感器具有被安装在光刻机器投影透镜104周围的基板102前侧上的传感器30。基板102也可以起到安装板112的作用，以用于将传感器安装到进行距离测量的设备(例如，光刻机器的投影透镜)上。接触垫50在基板的背侧上形成，而具有金属接触弹簧形式的连接导线60与垫片电接触，以连接信号处理系统。

图15A及图15B示出了另一种使用可挠性印刷电路连接构件110的备选连接布置方式，包含可挠性膜片111，在可挠性膜片111上印刷或黏附有导电轨道114a、114b、114c。保护绝缘层可以在这些导电轨道上形成。该挠性印刷连接器110的一端接合接触垫50或传感器电极连接区域，使得导电轨道形成与传感器电极的电连接。在所示的实施例中，导电轨道114a连接感测电极的接触垫，而导电轨道114b及114c连接侧护电极及/或背侧电极的接触垫。在传感器结构中包括屏蔽电极的情况下，可在挠性印刷连接器上形成额外的导电轨道，以将屏蔽电极连接至远离传感器的接地电位，并结构支承该传感器。连接器插头或插槽116通过接头117接附至挠性印刷连接器110的另一端，用于造成与导线或连接管脚120的电接触，以将传感器信号传输至信号处理系统。图15A示出了挠性印刷连接器110的实施例的下侧，其示出了导电轨道114a至114c，在旁侧为这些导电轨道所连接的一组接触垫50的俯视图。图15B示出了该挠性印刷连接器110连接至这些接触垫的侧视图。该挠性印刷连接器是可挠性的，且可以被在此所述的任一个传感器实施例使用。该挠性印刷连接器的最大弯曲半径(maximum bending radius)应被考虑在内，特别是对于极小的导电轨道宽度，并且在组装期间在挠性印刷连接器与传感器接触垫之间的对齐是很重要的。

当绝缘层34是由诸如聚合物绝缘膜或类似的适用材料制成时，可挠性膜片111可以是由相同的材料构成的，并且整合至绝缘层34形成其延伸。在该实施例中，导电轨道114a至114c可以类似地由相同的材料构成，并且整合至感测电极31和侧护电极32和/或背侧电极35而形成这些电极的延伸。在这种配置中，在电极和导电轨道之间的接触垫将不再是必需的，但可在导电轨道的端部使用接触垫。在另一个实施例中，导电轨道可以与传感器电极相同的方式形成层，例如，使得被连接至背护电极的导电轨道形成于绝缘层上，该绝缘层形成于连接至感测电极的导电轨道上。也可以使该结构延伸，以包含被连接至在绝缘层上的屏蔽电极的导电轨道，该绝缘层是在被连接至背护电极的导电轨道上形成的，例如图21D所示。

图16A示出了带电微粒光刻机器的投影透镜和偏转器堆(deflectorstack)132的横截面视图。堆132基本上包含垂直叠置的投影透镜元件以及小射束偏转器元件，用以将光刻机器产生的带电微粒小射束聚焦到晶圆的表面，并以扫描模式越过晶圆表面对其进行偏转。每一个垂直叠置的投影透镜元件实际上均可以包括投影透镜阵列，以同时将大量小射束聚焦到晶圆表面上，每一个小射束用以曝光晶圆的不同部分，并且每一个偏转器元件均可以类似地包括偏转器阵列。

透镜堆132被安装在一外壳框架构件130之中。安装板112，其还可以起到在透镜堆的两个静电透镜元件之间的隔离件的作用，被置放于下方并接附至框架构件130，框架构件130具有位于中央的孔，带电微粒射束通过该孔被投影。板/隔离件112可以由玻璃或其它适当的绝缘材料制成，以在存在于透镜堆132和底部透镜104、晶圆、传感器、及附近其它组件中的高电压之间提供绝缘层。板112，与通常为圆柱形的框架构件130和上方安装板133，共同构成了投影透镜及偏转器堆132的外壳结构。

板112可以备选地为导电性的或包含导电层，其起到用于电容式传感器的屏蔽电极的作用。板112也可以是基板102，在其上可以形成传感器。在所示出的实施例中，投影透镜堆132包括一连串被布置成垂直的堆的形式的投影透镜元件，其大部分位于板112上方，但该堆最后的透镜元件104位于该板的下方，在板112的底部表面之上。

图16B示出了用于测量距离的传感器布置，该距离与在投影透镜堆的底部投影透镜104与静置于可移动式晶圆固定台134上的晶圆9之间的距离相关。应注意晶圆及固定台均是为了方便的目的而被示意性地示出的，其宽度实际上远大于透镜堆外壳的尺寸。通常晶圆具有200或300毫米的直径，而透镜堆外壳直径为50至70毫米。传感器30被安装在置放底部投影透镜104的同一个板112上，并且极为接近透镜104。传感器优选地为小于光刻机器的曝光场的尺寸，并且一些或所有传感器可以位于比等于该曝光场尺寸的宽度或长度的距离更接近投影透镜的边缘。

在这种布置中，传感器被安装成与投影透镜具有固定关系，使得底部投影透镜104和晶圆9之间的距离可以由在传感器和晶圆之间的测量距离确定。在此所述的传感器非常小的尺寸使其有可能将传感器安置于极为接近投影透镜处，并容许其与投影透镜最后的聚焦元件被安装在同一支承元件上，使得其二者均被固定至同一参考点。由于传感器与底部投影透镜被整合在一单个的结构上，这大幅地降低了源于传感器和投影透镜相对位置改变(例如，因为热胀冷缩以及在底部投影透镜被安装在其上的支承元件与传感器被安装在其上的支承元件之间的移动，以及分别因为传感器与底部投影透镜不同基础构造的安装不精确所造成)的误差。这致使针对传感器系统在x轴和y轴上(即，平行晶圆表面)和在z轴上(即，垂直晶圆表面)的变异进行校准的需要得以排除，或至少降低了对这些校准的要求。常规的电容式传感器的高度和宽度过大，以至于无法被安装在板112上，而是必须被安装在远离投影透镜104处，例如在框架构件131上。

聚焦效果原则上决定于最后(底部)的投影透镜104。在上述的整合式设计特征之中，电容式高度传感器与投影透镜彼此整合，使得在传感器和该最后投影透镜元件的聚焦生成区域之间并无其它元件存在。在该整合系统中唯一必需注意的变化是该单个投影透镜电极104的公差，其是一种很薄的元件(通常是200微米或更小)。传感器和投影透镜之间的关系仅会受到该最后元件104的公差的干扰。若排除聚焦组件(投影透镜的最后的元件)的厚度公差之影响，电容式传感器的确切测量基本上将与从聚焦组件到晶圆表面(即，射束聚焦的平面/位置)的距离匹配。这种聚焦元件的厚度的不确定性仅是所需的测量及传感器工作范围的一小部分，因此除确定传感器静止电容(restcapacitance)的′无限远测量′以外，并不需要对传感器进行额外的校准。此可以藉由直接测量无限远，即，未置放晶圆的情况，而决定。将传感器和投影透镜紧密整合将使系统的整体公差最小化，使得电容式传感器的读取结果的精确度足以被光刻机器使用，而不需要额外的校准。一个附加的优点是，该微小设计使得其能够测量到接近于曝光射束的目标(晶圆)的距离，更进一步最小化测量误差。

传感器被部署在与投影透镜104的底部相邻的板112上。对于以分开构建的传感器，例如，依据图5至图9示出的薄膜构造，个别的传感器可以例如透过黏着剂被直接固定在安装板112上。对于在共同的基板上形成的传感器，例如，图13A至13D中所示出的，传感器基板也可以利用黏着剂或其它接附方式被固定至安装板112上。使共同的传感器基板也起到安装板112的作用也是可能的。

投影透镜104的底部可以与传感器30的感测电极的底部表面大致处于同一高度，或者可以略微较低。通过对该系统进行设计，使得所期望将要测量的距离几乎等于实际上量得的距离(即，感测电极的底部表面与将要测量的目标之间的距离)，于是提升了系统的灵敏度。在一个实施例中，当用于光刻机器时，投影透镜104的底部延伸超过传感器30的感测电极底部表面下方50微米。投影的焦点平面位于投影透镜底部下方50微米并且在感测电极下方100微米。晶圆固定台在感测电极的底部表面下方80微米至180微米的z轴(垂直)方向移动范围，并具有100纳米的定位精确度，此范围的顶端使晶圆落入感测电极的80微米内，而此范围的底部将晶圆移动至感测电极下方180微米处。

图17A至图17D示出了具有多个传感器30，以及整合型挠性印刷连接器110，的可挠性印刷电路结构120。结构120包含由诸如Kapton聚亚酰胺膜或类似的可挠性绝缘膜的绝缘材料构成的挠性基座。传感器的导电电极和制成连接线的导电轨道可由铜或其它适当导电材料的薄层构成，其利用黏着剂被固定至绝缘基座层，形成无胶压制层，例如，其使用直接金属化处理过程，或者利用导电油墨或其它适当的印刷技术，被印刷到绝缘层上。因此，保护绝缘膜可以形成于该导电层上。

在图17B示出的实施例中，八对传感器被布置成环绕用于容纳底部投影透镜104的方形缺口121的方形阵列中。其也可以使用单个传感器来取代传感器对，而且也可以采用传感器或传感器对的不同空间布置。该可挠性基座层包括起到挠性印刷连接器110作用的延伸部，其以如上所述的方式构建，用以制成在传感器和信号处理系统之间的电连接。挠性印刷连接器110连接连接器116，其提供应力以释放并连接三轴电缆210，该三轴电缆210用以连接至远程信号处理系统。

将传感器与将信号从该传感器传输到可造成更大更稳固的连接的远离该传感器处所需的连接及接线进行整合解决了许多问题。由于接线及连接器硬件的尺寸限制，传感器的超小尺寸使其难以构造出电连接。由接线导入的电容必须加以控制，使其不至于主导传感器系统。接线的任何小的移动或振动均可能造成损害，或者需要重新校准传感器。将传感器及传感器接线二者整合到单个挠性印刷可挠性基座层上，能够使传感器的连接具有很小的尺寸，由这些接线引入的电容可以在系统设计期间加以控制，而整合到单个基座层产生了在机械上较稳健的设计，大大降低了接线移动所造成的问题。

将多个传感器与其相关联的连接线整合到单个基座层上提供了进一步的优点。藉由在单个基座上形成传感器阵列，传感器的空间布置在制造时已经是固定的，并且较大的整合结构更易于进行处理和被接附到例如光刻机器的设备上。

信号预处理电路200可以藉由印刷被整合到挠性印刷连接器上，或者使该电路形成于可挠性基座层上。信号预处理电路200可包括：用于传感器防护电极的主动偏压(描述于下)的缓冲器/放大器(buffer/amplifier)、可包括额外的电路，或可被省略而因此仅连接位于投影透镜附近的硬件，而所有主动式组件均被远程放置。当光刻机器在真空环境下工作时，将主动式组件置于接近传感器处，并且在真空中，可能由于真空中的热传输不足而造成这些主动式组件的散热问题。然而，将主动式防护所需的组件置于接近防护电极处提高了系统性能。在所示出的实施例之中，信号预处理电路200被放置成紧邻连接器116之处，使得电路生成的热可以通过连接器116更有效地被传导至电缆210，并离开传感器布置。

图18示出了备选的连接布置。挠性印刷连接器110在一端连接至安装板112上的传感器30，而在另一端经由连接导线或管脚201连接至信号预处理电路200。信号预处理电路200可被安装在框架构件131上，优选地位于凹进处或隔间之中。信号预处理电路200的输出经由导线或管脚202、连接器204，以及三轴电缆210被传送至控制系统。

图19A及图19B示出了将经整合的可挠性印刷电路结构120(在图17A至图17D中示出)安装到光刻机器中的布置。图19A从上方示出了该配置，投影透镜堆被移除，以改善可见度，而可挠性印刷电路结构120位于框架构件136中的凹井(well)之中。连接器116经由三轴电缆210被连接至电缆束212，其又依次连接至电缆214，从而连接至远程信号处理系统。图19B示出了底部视图，其示出了可挠性印刷电路结构120以及面向晶圆的传感器30。

可挠性印刷电路结构120可利用黏着剂或其它适当的接附方法，被固定至安装板的底部表面上，例如在图16A及图16B中示出的安装板112。这导致了具有相关接线的传感器阵列与安装板112和底部投影透镜104的整合，它们全部位于单个结构中。传感器因此被安装在极为接近投影透镜处，并与投影透镜成固定关系，这导致了上述图16A及图16B的实施例中所述的优点。

图20A、图20B及图20D示出了在包围光刻机器投影透镜104的安装板112上的电容式传感器的不同配置。在图20A中，四个传感器对被分布于安装板112的四个象限中，传感器被布置成对，用以进行差分感测。在安装板的底侧，每一个传感器包括一感测电极31，并且可还包括一侧护电极32。这种配置尤其适合于测量晶圆的高度及倾斜度。图20B示出了被以成对的方式布置成方形阵列的十六个传感器的布置方式，投影透镜104所置放的方形中间并无任何传感器。上述所有配置中，在传感器基板的背侧上优选地包括背护电极，并且也可如上所述地包括屏蔽电极。图20C示出了相对于安装板112及传感器被定位在不同位置上的晶圆9a、9b、9c、9d，该四个晶圆位置重叠的区域代表在板112上从投影透镜104的四个角落延伸的四个区域115。图20D示出了被布置在这四个区域115中的四个(差分式)传感器对。

区域115的这种布置方式将传感器分布成，使得以至少一个传感器或传感器对测量距晶圆表面的距离的可能性最大。如果晶圆被放置成使得仅有一个传感器/传感器对位于该晶圆上方，则到该晶圆表面距离的测量基于该传感器/传感器对。只要另一个传感器/传感器对变成位于该晶圆上方，则同样将由该传感器/传感器对进行测量，并且可以由位于晶圆上方的这两个传感器/传感器对来计算平均距离值。类似地，如果第三和第四传感器/传感器对变成位于该晶圆上方，它们也将被考虑在内。在平均距离的计算中优选地以渐进(fading in)的方式将包括更多传感器/传感器对加入，例如，藉由逐渐纳入其它传感器/传感器对所起的作用，以避免在最终测量的距离值中产生突然的骤变。

安装板112的尺寸确定出最小目标尺寸，通常为大约60毫米。对于300毫米的晶圆，在晶圆位置9a至9d之间的四个重叠区域115指示出传感器的适当的设置区域。然而，传感器优选地被安装成尽可能接近光刻机器的光或电子射束的实际投影区域。较大晶圆尺寸(诸如450毫米)则倾向于扩大区域115，因为界定区域115的圆形区面趋向于直线。

图21A和图21B示出了具有四个差分式传感器对30a、30b的可挠性印刷电路结构120的实施例。结构120可由具有绝缘材料(诸如Kapton聚亚酰胺膜或类似图17A至图17D实施例的类似的挠性绝缘膜)的可挠性基座构成，并且也可以包括一个或多个整合式挠性印刷连接器110。在所示出的实施例中，从面对感测电极的下方看(并省略传感器上的所有绝缘保护层，使得感测电极可以被看见)，这四个传感器对被布置在包围底部投影透镜104的图20D的区域115中。其也可以使用单个传感器来取代上述传感器对。传感器与导线连接的整合使其可以对极小型传感器造成简单而稳固的连接，并控制由接线所引入的电容。图21A说明了具有圆形传感器的实施例。图21B说明了具有四边形传感器以使所使用的区域115最大化的实施例(为了简洁，传感器被示出为具有尖锐的转角，但是例如图9D所示的圆角形式是优选的)。

图21C以与传感器后方成某一角度的方式示出了可挠性印刷电路结构120。四个整合的挠性连接器110被折迭并从基座层120向上延伸。导电轨道从每一个传感器的传感器电极沿着挠性连接器110延伸，并然后包围可挠性膜片122及123以连接至用于连接远程电路的电缆。从上方看基座层，并且传感器的背护电极35a、35b被示出为(绝缘层及所有屏蔽电极均被省略，以使得背护电极可被看到)具有在挠性连接器110的内侧110b上形成的导电轨道114b。导电轨道也可以是在挠性连接器110的外侧110a上形成的。这些导电轨道可由铜或其它适当导电材料的薄层构成，其利用黏着剂被固定至绝缘层上，形成无胶压制层，或者如图17A至图17D的实施例那样被印刷到绝缘层上。

图21D是传感器30及相关联的挠性连接器110的横截面视图。导电轨道114a至114e从传感器电极沿着用于将传感器连接至远程电路的挠性连接器110延伸。在该实施例中，导电轨道114a至114e由相同的材料构成，并且被整合到感测电极上，成为这些电极的延伸。导电轨道以与传感器电极相同的方式被布置在层中。绝缘层34包括挠性连接器110的延伸部。导电轨道114a从感测电极31延伸，此二者均在绝缘层34上形成。导电轨道114b从背护电极35延伸，此二者均在绝缘层34及43之间形成，其中导电轨道114b比导电轨道114a更宽，使得导电轨道114b具有起到导电轨道114a侧护电极作用的周边部分。导电轨道114a承载来自感测电极的信号，并且相对于周围环境中的导体将具有一特定电容。导电轨道114a附近的导体将以其影响传感器的感测电极相同的方式影响此电容。导电轨道114b因此被设计成充当一侧护电极，以降低源于邻近导体的干扰。

在传感器包括屏蔽电极的情况下，导电轨道114d从屏蔽电极44延伸，此二者均形成于绝缘层43及38之间。这种布置扩大了屏蔽电极对于承载来自感测电极的测量信号的导电轨道114a长度的影响，以降低对距离测量的干扰和外界影响。

在图21C的实施例之中，导电轨道114b及114d以及居间绝缘层在挠性连接器的内侧表面110b上向内延伸。在挠性连接器的外侧表面110a上可仿制出类似的布置方式。绝缘保护层37可以在导电轨道114a上沿着挠性连接器110形成并延伸，而导电轨道114c在导电轨道114a上方沿挠性连接器延伸，导电轨道114a的周边部分在其任一侧上延伸。导电轨道114c则可被电连接至导电轨道114b上，导电轨道114b被连接至背护电极上，然后使导电轨道114c处于与背护电极相同的电位。导电轨道114c也可以被直接连接至背护电极或者藉由一些其它方式进行电连接。

同样地，可形成另一个绝缘层43a，其可沿挠性连接器在导电轨道114c上延伸，而另一个导电轨道114e在导电轨道114c上方沿着挠性连接器延伸。导电轨道114e可被电连接至导电轨道114d或者被电连接至用于连接接地电位的电缆导体，优选地接地端远离该传感器。最后，在顶端上可以形成保护层38a。

利用这种双侧式布置，承载来自感测电极的信号的导电轨道114a被有效地夹置于背护电极的延伸部之间，而且这种组合结构被夹置于屏蔽电极的延伸部之间，因而大幅地降低了对距离测量的干扰以及外界影响。

导电轨道114a至114e可以在远离传感器的端部被连接至用与将传送传感器信号发送到远程电路的电缆。可使用三轴电缆，中心电缆导体连接至导电轨道114a，中间电缆导体连接至导电轨道114b和114c，而外部电缆导体连接至导电轨道114d及114e。这些连接可由通过覆盖的绝缘层上的孔暴露出的每一个导电轨道中的金属的接触垫实现。

在图21C中示出的传感器及连接器结构适合于被用以将电容式传感器阵列安装及连接至光刻机器的投影透镜。这种布置实现了许多目标，其提供了可挠性基座层，用以将极小型薄膜电容式传感器直接安装到在其上安装有最后投影透镜元件的同一个安装板上，并且极为接近投影透镜的聚焦点。这种安装方法消除了因感测元件与投影透镜之间的高度变化而对校准传感器系统的需要。从该传感器电极延伸的整合式连接器建立了通往传感器的稳健电连接，在系统电容中仅引入了极小的变化，并消除了因与传感器的连接变化而所需要的校准。

这导致了一种极为简单的系统，其不需要进行现场校准。传感器的静止电容得以确定(其可以直接藉由测量到无限远而得出，即，在传感器前方不放置晶圆)并于随后加以补偿。其不需要进一步校准传感器，这是因为传感器的静止电容基本上是固定的。寄生电容(例如源于接线的小移动)容易保持于低点，这是因为藉由固定的连接结构和三轴电缆，连接的移动和振动大部分已被消除。由此产生的结构容易与被接附在光刻机器之内，并且有利于吃出和更换传感器或投影透镜加上传感器结构的组合，而免于冗长的重新校准。

电子电路

图22示出了传感器系统300，其包括一个或多个传感器探针30、信号处理系统301，以及用以将信号自传感器探针送至信号处理系统的连接系统302。信号处理系统301可以包括用于驱动该传感器探针的电流或电压源电路、用于放大原始传感器信号的放大器/缓冲器电路、用于对传感器防护电极施加偏压以及连接电缆导体的电路、用于处理从探针接收的信号及将经过处理的信号作为测量数据输出的信号处理电路，以及用于校准系统的电路。连接系统302可包括将传感器连接至信号处理系统的电缆。

系统的每一个部分均可能是各种测量误差以及灵敏度降低因素的来源。由于这些探针有限的几何结构，以及在传感器电极及其它组件的几何构造上的不规则性和不精确性导致的制造处理过程的限制，传感器探针引入了误差。源于传感器探针结构的固有/寄生电容，以及与靠近探针的其它组件的相互作用均可能降低传感器的灵敏度。

误差可能是由探针的安装而引起的，这归因于安装表面或探针的倾斜度或不平整度，以及位置的容差和安装相关的其它因素。误差可以由信号处理系统引起，这归因于信号处理误差、组件容差、外部或内部干扰、以及其它因素。误差还可以由连接系统引起，诸如由连接线、接触垫、连接导线及电缆等连接组件所引入的额外电容。

为检测传感器电容的改变，这种改变体现了传感器和目标之间的距离，可以运用各种放大器配置。图23A是基本高阻抗放大器电路的简化电路图。该高输入阻抗放大器采用了放大器305的单位增益非反相配置(unity gainnon-inverting configuration)。其连接AC电流源306作为该放大器的输入，与传感器探针30并联。该电路产生与电容变化成正比的线性输出309，其随着传感器探针30和目标9之间的距离改变。

传感器30被连接在放大器输入与接地端或虚拟接地端(即，被测量电容的一个电极被连接至接地端)之间。然而，针对晶圆的距离测量，传感器的感测电极形成测量电容的一个电极，而晶圆中的导电层形成另一个电极。晶圆9的导电层基本上经由晶圆固定台134以及其它光刻机器组件被电容性地耦接至接地端。晶圆和接地端之间的电容基本上在6pF到70nF之间变化，且传感器电容的标称数值基本上为大约0.1pF到1pF。为精确地测量在传感器30和晶圆9之间距离微小变化，其必须使得晶圆对接地端电容比传感器电容标称数值大至少1000倍。由于晶圆对接地端电容的变化范围相当大，该电容上的小变化即可影响距离测量。如果晶圆对接地端电容并未比传感器电容标称数值大至少1000倍，则晶圆对接地端电容的小变化将造成测量电容上的变化以及距离测量中非预期的改变。

基于差分式测量原理，差分对中的两个传感器30a、30b被相位相差180度的电流源306a、306b所驱动，如图23B所示。通过一个探针的电流经由目标中的导电层找到一路径。在该电流路径的中央处产生该电流路径的虚拟接地，即，最低电位或一固定不变的电位。高阻抗放大器305a、305b被用以测量对应于传感器与目标中的导电层之间距离变化的电压信号。差分式测量原理使得距离测量与晶圆对接地端阻抗的变化无关。

图24A示出了使用电压源对传感器30施加偏压的备选电路。两个固定阻抗71和72、可变电容73，以及传感器30(显示为一可变电容)被布置在一惠斯登电桥布置之中，并由电压源306供电。该电桥具有两个被布置在一并联电路中的桥柱，阻抗71及可变电容73在第一节点处被连接在一起并形成一个桥柱，而阻抗72和传感器30在第二节点处被连接起来并形成另一个桥柱。固定阻抗71及72具有完全相同的阻抗值，并且可变电容73被调整成与传感器30的标称电容匹配。该电桥的每一桥柱的中点处的两个节点被连接至一差分放大器75的两个输入端，该差分放大器75测量节点两端，即跨越可变电容73和传感器30，的电压差异。其改变该可变电容以调整该差分放大器的空值(null value)，且可藉由自动校准算法进行调整。

该电桥组件和差分放大器可被置于传感器处。当结合如图17A至17D所示的挠性印刷结构使用之时，固定阻抗71、72可以在与传感器同一可挠性基座层上形成。其可以利用可变电容二极管(变容二极管(varicap))或其它适当的组件形成可变电容73。可变电容73也可以被整合到可挠性基座层上，成为被安装或形成于该基座层上的组件，或者利用铜和绝缘层被整合到该可挠性结构本身中。该差分放大器可以形成于该基座层上，但上述有关在一真空环境中的主动式组件的考虑也适用。当该差分放大器被远离地放置且使用同一电缆长度来连接至传感器及可变电容时，可以消除有效电缆电容且可以抵销共模干扰。

图24B示出了被实施为差分式传感器对的图24A的电路。该传感器对中的每一个传感器30a、30b均被连接至一固定阻抗71、72，并通过电压源306a、306b偏压。此时惠斯登电桥布置通过固定电容71及72以及传感器对30a及30b形成，它们经由位于目标上的导电晶圆抗蚀剂连接。

图25示出了利用高阻抗放大器电路的差分式测量的实施例。两个传感器30a、30b被布置成差分对。传感器30a的感测电极31a通过AC电流源306a驱动，而传感器30b的感测电极31b由AC电流源306b驱动。这两个电流源306a、306a彼此相位相差180度。在半周期期间，电流307沿一个方向流过，通过传感器30a和传感器-至-目标电容16a，通过目标9的导电层，并通过传感器-至-目标电容16b以及传感器30b。在下一个半周期期间，该电流以相反的方向流动。

放大器/缓冲器305a放大传感器30a的原始输出电压以生成待进一步处理的输出信号309a。输出309a也可以被馈回至传感器30a的侧护电极32a和/或背护电极35a。这藉由对防护电极施加与在感测电极处呈现的电压相同的电压实现主动式防护，使得在感测电极和防护电极之间未形成电场，使得感测电极和目标之间的电场尽可能均匀。放大器/缓冲器305b同样地放大传感器30b的原始输出电压以生成输出信号309b，并向传感器30b的防护电极提供主动偏压信号。输出信号309a、309b可以分别被输入至同步检测器(synchronous detector)电路330a、330b。

放大器305a、305b优选地被置于接近传感器30a、30b处，特别是在实施防护电极的主动偏压的时候，以防止引入误差，这些误差是因将传感器经由电缆连接至进行信号处理的远程位置所引起的附加电容造成的。针对在真空中工作的光刻机器的电容式传感器应用，将主动式组件置于接近传感器处通常需要将这些组件置放于真空处理室中，由于经由在真空中的幅射的热传输不足(虽然经由传导的热传输仍是在真空中发生的)而可能导致散热问题。基于此缘故，电流源306a、306b和诸如同步检测器330a、330b的进一步的信号处理电路可以被置于真空处理室外部远离传感器处。然而，放大器305a、305b优选地被置放于真空处理室中接近传感器处，以得到较低的测量误差，形成允许热传导离开主动式组件的配置。

图26示出了同步检测器电路330的一个实施例。参考振荡器(referenceoscillator)331生成了由电流源306使用的参考频率f1，以生成用于驱动传感器的交流电流332，且被相位偏移器(phase shifter)333使用以生成参考信号334(其频率也是f1)，其相对于该参考频率具有相位偏移。参考信号334的相位偏移被调整成等于介于参考频率与来自传感器的信号309之间的相位偏移，以补偿发生于同步检测器电路330和传感器之间的电缆连接以及该感测布置内的相位偏移。

来自传感器的频率f2的输出309就是输入缓冲器335的输入。倍频器(multiplier)337接收频率f2的经缓冲或放大的输入信号336，以及频率f1的参考信号334。倍频器337的输出将包括这两个输入频率之和(f1+f2)，以及这两个输入频率之差(f1-f2)的成分。倍频器337的输出通过低通滤波器(lowpass filter)338以滤除较高的频率而留下相当于这两个输入频率之差(f1-f2)的低频成分。该信号被放大器339放大，以生成测量信号340。该测量信号340体现了传感器所测量的阻抗的变化，其与传感器和目标间距离的变化相关。

如上所述，用以驱动传感器的电流源电路以及信号处理电路可以被放置得远离传感器。然而，用以将传感器连接至远程电路的电缆连接将在系统中引入额外的非期望电容。图27是示出了传感器系统中的电容的示意图。电容Cin代表电缆电容加上电流源306的输出电容，电容Cs代表待测量的传感器-至-目标电容加上传感器及传感器连接线的固有(寄生)电容，而电容Cout代表电缆电容加上缓冲器305的输入电容。杂散电容Cin及Cout应该比Cs和待测量的传感器-至-目标电容更小，因为大的杂散电容将降低传感器的灵敏度。

将传感器连接至信号处理电路的电缆的电容可能很大，并且对于传感器的灵敏度有负面影响。可以对电缆导体使用主动式防护，以降低或排除这种问题。图28A示出了具有将传感器30连接至信号处理电路330的电缆350的布置。在所示出的布置中，放大器/缓冲器305被放置在传感器30的附近(垂直虚线的左侧)，而电流源306被放置的远离传感器(垂直虚线之右侧)。电流源306经由电缆的中央导体351将电流传送到传感器30。缓冲器305对同轴导体352施加与传感器的感测电极上的电压相同的电压。由于中央导体351和同轴导体352上具有同一电压，因此在这些导体之间的任何杂散电容的影响实质上均被抵销。

图28B示出了在电缆350的导体和传感器30的导电电极之间的连接。中央导体351被连接至感测电极31，内部同轴导体352被连接至背护电极35，而外部同轴导体353被连接至屏蔽电极44。

在该实施例中的电缆为三轴电缆，其具有起到屏蔽作用并且接地的第三同轴导体353。该屏蔽物优选地被连接至位于电缆远端处的独立接地端，例如，位于电路330处。该接地端仅是屏蔽接地端，并且优选地不被连接至任何位于传感器处的接地端。

这种布置可能有许多备选方式。例如，其可以使用非同轴电缆，且缓冲器305可以被放置得远离传感器，以由信号处理电路330附近的电缆350的远端向导体352供电。

传感器及信号处理电路的物理分离在常规设计中已经避免，其中传感器和电路由同一制造商供给，并在工厂中作为套组一起进行校准，以使得电子电路匹配该传感器，并避免非线性。在此所述的系统中，可以使用自动脚本(script)与晶圆固定台控制系统结合，以快速地校准感测系统，例如，藉由将晶圆固定台移动到已知的位置，并由传感器进行测量。这排除了将传感器和信号处理电路处理成匹配对的需要，并且容许更换传感器，而不必同时更换信号处理电路，大大简化了光刻机器的维护，并减少了其非生产性时间，从而提高了生产量。

图29示出了同步电路360的另一个实施例。数字参考振荡器376生成参考频率f1，其形成了被输入到混合器(mixer)372的参考信号，并且还被馈入数字相位偏移器377，以引入相位延迟。经相位延迟的参考频率通过数字至模拟转换器(digital-to-analog converter)378被转换成模拟信号，而该模拟相位延迟信号驱动电流源306，向传感器30供电。相位延迟被调整成等于在感测系统及电缆350中产生的相位偏移，等于参考频率f1和位于同步侦测器电路输入处的传感器系统输出信号361之间的相位差。藉由调整相位偏移器377可对该相位延迟进行设定，直到从混合器372得到最大输出。应注意，即使在传感器的电容有所改变的时候，感测系统及电缆中的相位偏移也应该保持不变。

输入缓冲器362接收传感器信号361，并且经缓冲信号被输入带通滤波器(band pass filter)363，以从该信号中滤除噪声和干扰。经过滤波的信号通过模拟至数字转换器(analog-to-digital converter)364被转换成数字信号。然后使用数字处理，电路360因此将信号的模拟及数字处理相结合，以利用二者的最佳特征。然后经过数字滤波的传感器信号被输入单输入差分输出的差分放大器(或相位分离器(phase splitter))371，其具有两个差分式输出，其中的一个与输入信号同相，而另一个输出则与输入信号相位相差180度。混合器372接收差分式输出(频率f2)以及参考信号(频率f1)。输入频率f1(参考频率)以及f2(传感器信号361的频率)在混合器372中被消除，而混合器输出包含频率等于输入频率的和以及它们的差的成分(即，f1+f2及f1-f2)。低通滤波器373滤除了频率之和，而保留相当于参考频率及传感器信号频率之差(f1-f2)的低频成分。当频率f1及f2相等且同相时，混合器输出与传感器信号361的振幅成正比的DC值，其与传感器电容成正比，并且与传感器和目标之间的距离成正比。放大器374放大低通滤波器的输出，而后其可以被输入至一控制系统。

可以使用校准算法来自动地将同步侦测器电路与传感器系统校准。该算法逐步调整数字相位偏移器377以递增或递减相位延迟，并且监测混合器372的输出。调整相位偏移器，直到混合器372的输出达到最大值，这表示参考信号和传感器信号处于相位相同的状态。

对同步检测电路的数字处理可以利用现场可编程门阵列(fieldprogrammable gate array；FPGA)来实施，并且该校准算法也可在FPGA和/或与FPGA结合运作的软件中实现。

这种具有自动校准的设计允许更换传感器或传感器阵列，而无需同时更换或重新校准信号处理电路，该信号处理电路对来自传感器或多个传感器的测量信号进行。常规传感器系统设计包括传感器及信号处理电路，它们在工厂中作为匹配的套组而被一起校准，因此在更换传感器时也需同时更换信号处理电路。这种自动校准算法使得传感器能以与信号处理电路无关的方式独立地进行更换，并加速对新传感器与现有信号处理电路的校准，大幅地简化了对于光刻机器的维护并缩短了其非生产性的时间。因而造成光刻机器较少的停机时间以及较高的生产量。

图30是传感器差分对30a、30b的处理电路的简化示意图。这些传感器由相位相差180度的电流(或电压)源306a、306b施加偏压。每一个传感器30a、30b的输出分别被馈入同步检测器电路360a、360b，并且该同步检测器电路的输出被输入实现减法运算的电路380。该同步侦测器电路输出的这些输出彼此相位相差180度，故进行该减法运算以从同步侦测器电路的这两个输出中消除共模干扰，同时保留传感器信号。

电容式传感器可被用于控制在光刻机器上进行晶圆定位。图31是这种控制系统的示意图。传感器30测量与光刻机器的投影透镜104与静置于可移动式晶圆固定台134上的晶圆9之间距离相关的距离。在这种布置中，传感器被安装成与投影透镜成固定关系，使得投影透镜和晶圆之间的距离可以由传感器和晶圆之间的测量距离确定。传感器信号被传送至信号处理单元301，而信号处理单元输出的测量数据被传送至控制单元400。控制单元400可以被用于控制晶圆固定台z轴(垂直)方向的移动，以将晶圆维持在光刻机器投影透镜的焦点平面上，使得由该机器生成的带电粒子小射束在晶圆于x轴和y轴上移动时仍维持聚焦于晶圆的表面上。

控制系统与传感器系统相结合可在晶圆移动时被用于在许多不同的点处精确地确定投影透镜和晶圆之间的距离。这使得系统能够确定晶圆表面的拓朴结构(topology)、检测晶圆中是否存在倾斜或弓形弯曲以及晶圆表面上的其它不规则性。晶圆表面几乎不会是完全平整的。典型晶圆在未被箝紧的状态下可以在其中具有高达50微米的弓形弯曲。除了上述的晶圆弓形弯曲之外，晶圆表面可能具有其它不均匀性在其表面上。该晶圆弓形弯曲和其它的不均匀性在晶圆表面造成高度的变形，这导致晶圆表面偏离投影透镜的焦点平面。该控制系统可被用于校正这种高度上的变形，以将晶圆表面保持在投影透镜的焦点平面上，该投影透镜是用来将上述光学或粒子曝光射束聚焦到晶圆上的。可利用从传感器发送的信号调整晶圆固定台的垂直位置，以补偿晶圆表面高度上的这些变形。

本系统被设计成在处理(例如，曝光)晶圆的同时，测量晶圆表面的拓朴结构，而非事先进行测量。这降低了总体的晶圆处理时间并提高了生产量。

在一个实施例中，使用了将八个传感器置于投影透镜周围的方形矩阵中的布置方式，如图32A所示。这种配置允许对晶圆倾斜度、晶圆弓形弯曲度及其它不规则性的测量与晶圆的曝光均在晶圆的单次扫描中完成。在典型的配置中，在机械扫描方向上移动晶圆，同时光刻机器的光学或带电粒子射束扫描晶圆表面，以依据曝光图案对晶圆进行曝光。

在图32A的实施例中，当晶圆沿机械扫描方向405移动时，第一列传感器A至C在晶圆表面上的一直线中的三点处测量距晶圆表面的距离，这三个点对应于传感器A、B及C。晶圆位置中的倾斜量、晶圆弓形弯曲度、或者其它的表面不规则性均可以藉由对传感器B的测量与传感器A及C的测量进行比较而计算出来。沿着该直线计算出的晶圆倾斜量、弓形弯曲度或不规则性的值被储存在控制系统中的内存内。当晶圆在方向405上前进时，先前由传感器A至C测量的直线落到投影透镜104下方，并且可即时进行曝光。位于投影透镜另一侧的传感器D及E测量距传感器A及C先前所测量的直线上的点的距离。此时可以基于所储存的值以及传感器D及E当前的测量值计算投影透镜下方的点处的晶圆高度。控制系统可使用对此投影透镜下方的点处的晶圆高度的计算，调整晶圆固定台的高度以确保将晶圆表面维持在投影透镜的焦点平面上。这使得对晶圆表面的倾斜量、弓形弯曲度或其它不规则性的补偿均能够在晶圆的单次扫描中被测量出并加以修正。

第三列传感器F至H被提供成，使得上述的同一处理在两个机械扫描方向(即，当晶圆在方向405或相反方向上移动时)上均能够使用。图32A说明了包含八个传感器的矩阵，然而，上述方法可以利用不同数目的传感器来实施。此外，图32A中所示出的每一个传感器均可以是传感器的差分对，在A至H每一点上进行差分式测量。

图32B中示出了另一个实施例，其在投影透镜104的四个角落具有以差分对形式布置的八个传感器。这种布置适用于，例如，在曝光期间晶圆在其中被箝制妥当，以将晶圆弓形弯曲度降低至可接受值的光刻系统。然而，即使是极为平整的晶圆固定台表面，并且将晶圆妥善地箝制于晶圆固定台上而保持平整，也仍然会存在有变形，这是由于晶圆及其表面上抗蚀层的差异。在该实施例中，当晶圆在机械扫描方向405上移动时，包括传感器对A和B的第一列在晶圆表面上的直线中对应于位置A及B的两点处测量距晶圆表面的距离。该测量也可以由在位于位置C及D处的传感器对C及D进行。

可计算出从A、B、C及D处距晶圆的距离、距晶圆的平均距离、以及在晶圆中是否存在倾斜及其倾斜量(例如，扫描方向上及另一方向上的晶圆倾斜)，并储存于控制系统中的内存。根据这些测量，可以计算出投影透镜104中心与晶圆表面之间的距离。

图32C说明了一种用于确定投影透镜与晶圆表面之间的距离以及该晶圆表面上倾斜值的测量方法。曝光前，在一些预先定义的位置处测量出晶圆的局部梯度，例如，在晶圆中心以及环绕晶圆周边的四个等距位置处，如图32C所示。晶圆固定台可以被控制成，调整晶圆固定台在x方向上的倾斜度Rx以及晶圆固定台在y方向上的倾斜度Ry。测量过程中，晶圆固定台的倾斜度Rx及Ry被维持在固定值。

利用该测量结果，计算出要由处理单元曝光的晶圆的整体区域的高度地图。依据该高度地图，计算出倾斜度修正值Rx(x，y)和Ry(x，y)，用于在曝光过程中激励晶圆工作台，以使晶圆固定台倾斜而修正晶圆表面高度的变化。对于整个曝光，可计算出在x方向及y方向上的固定不变的倾斜修正值，即，对于曝光，Rx(x，y)是固定不变的值，而且Ry(x，y)是(可能不同的)固定不变的数值。也可以进行一种较为复杂的计算，在这种情况下，针对晶圆的不同区域计算出多个倾斜度修正值Rx及Ry，并在每一个区域被曝光时据此调整晶圆固定台。

曝光过程中，依据所计算出的倾斜率修正值Rx及Ry控制晶圆固定台在x及y方向上的倾斜度。这可以利用例如对晶圆固定台位置及倾斜度进行反馈的干涉仪信号完成。然后可以使用电平传感器(level sensor)以仅产生z方向的数据，即，在投影透镜和晶圆表面之间的距离。

此过程不同于前述的在线测量方法，以及先前的晶圆地图方法，其在许多不同位置处测量z方向上距晶圆的距离，并据此计算出晶圆表面在x及y方向上的总体倾斜度。然后在曝光之前调整晶圆工作台，以对任何这些倾斜度进行最佳的修正，使得其在晶圆扫描期间，对投影头呈现正常平行的晶圆表面，位于光刻腔体的光轴的横切面上。在扫描过程中，可以使用计算出的晶圆表面高度地图以适应z方向上的变形，即，投影透镜和晶圆表面之间的距离变化。其可以直接自先前确定出的高度地图或藉由使用测量数值间之内插值求出该z方向上的数值。

本发明参考上述特定实施例进行了说明。其应注意，对不同的构造及优选已经进行了描述，其可被用于本文所述的任一个实施例，正如那些本领域技术人员所熟知的。此外，应该能够认识到，这些实施例还易于存在那些本领域技术人员所熟知的各种改变及备选形式，而不脱离本发明的精神和范围。因此，虽然已经描述了特定实施例，但其仅用以示范，而非限制本发明的范围，本发明的范围由随附的权利要求书所限定。

Claims

1.一种电容式感测系统，包括具有薄膜结构的传感器，所述薄膜结构包括传感器(30)，其具有第一绝缘层(34)和包括在该第一绝缘层的第一表面上形成的感测电极(31)的第一导电膜，以及包括背护电极(35)的第二导电膜，该背护电极形成于单个平面之中并在该同一平面中包含周边部分，所述背护电极被部署在所述第一绝缘层(34)的第二表面和第二绝缘层(43)或保护层(38)的第一表面上，其中，所述背护电极的所述周边部分延伸超过所述感测电极以形成大致或完全地包围所述感测电极的侧护电极。

2.如权利要求1所述的电容式感测系统，其中，所述薄膜结构还包括长形连接构件(110)，其包括可挠性膜片，导电轨道(114a至114c)被印刷或黏附在所述可挠性膜片上，所述导电轨道在一端被电连接至所述传感器的所述感测电极(31)和所述背护电极(35)，而在另一端被电连接至连接器(116)。

3.如权利要求1或2所述的电容式感测系统，其中，所述绝缘层(34)包括所述感测电极(31)形成于其中的第一区域，以及所述导电轨道(114a至114c)形成于其上的第二长形区域。

4.如前述权利要求中的任一项所述的电容式感测系统，其中，所述薄膜结构还包括第三导电薄膜，该第三导电薄膜包括被部署在所述第二绝缘层(43)的第二表面上的屏蔽电极(44)。

5.如权利要求4所述的电容式感测系统，其中，所述薄膜结构还包含长形连接构件(110)，其包括可挠性膜片，导电轨道(114a至114e)被印刷或黏附在所述可挠性膜片上，所述导电轨道在一端被电连接至至少所述感测电极(31)和所述感测电极(31)的所述背护电极(35)、所述背护电极(35)，和所述传感器的所述屏蔽电极(44)，而在另一端被电连接至连接器(116)。

6.如权利要求4或5所述的电容式感测系统，其中，所述传感器被连接至三轴电缆(350)，并且其中，所述屏蔽电极(44)被电连接至其外接地电位电导体(353)。

7.如权利要求4至6中的任一项所述的电容式感测系统，还包含用于向所述电容式传感器供电的AC电源(306)、用于处理来自所述传感器的信号的信号处理电路(301)，以及用于将所述电容式传感器连接至该AC电源及该信号处理电路的三轴电缆(350)，其中，所述电缆具有中心导体(351)、外部导体(352)，以及屏蔽导体(353)，所述中心导体用于将所述AC电源电连接至所述传感器的所述感测电极(31)，所述外部导体用于电连接至所述传感器的所述背护电极(35)，并且所述屏蔽导体用于将所述传感器的所述屏蔽电极(44)于该电缆远离所述传感器的一端电连接至所述信号处理电路的接地端。

8.一种电容式感测系统，包括具有薄膜结构的传感器，所述薄膜结构包括传感器(30)，其具有第一绝缘层(34)、包括在该第一绝缘层的第一表面上形成的感测电极(31)的第一导电膜、包括被部署在所述第一绝缘层(34)的第二表面和第二绝缘层(43)的第一表面上的背护电极(35)的第二导电膜，以及包括被部署在所述第二绝缘层(43)的第二表面上的屏蔽电极(44)的第三导电膜，

其中，所述传感器被安装成一种结构并被电连接至三轴电缆(350)，所述传感器的所述屏蔽电极被电连接至所述三轴电缆的外部导体(353)，用于在该电缆远离所述传感器的一端形成与接地电位的连接，并且其中，所述传感器的所述屏蔽电极并未被电连接至所述传感器处的所述结构。

9.如前述权利要求中的任一项所述的电容式感测系统，其中，所述传感器(30)的电极经由薄膜连接器元件(110)被连接至所述三轴电缆(35)中的对应的导体。

10.如权利要求9所述的电容式感测系统，其中，所述传感器(30)的电极经由在所述薄膜连接器(110)上的导电轨道(114a至114e)被连接至所述电缆(350)的所述导体，所述导电轨道在一端被电连接至至少所述传感器的所述感测电极(31)和所述背护电极(35)，而在另一端被电连接至连接器(116)。

11.如权利要求10所述的电容式感测系统，其中，被电连接至所述背护电极(35)的导电轨道中的一个或多个位于被连接至所述感测电极的导电轨道的上方，被电连接至所述背护电极的导电轨道较宽，使得周边部分从被连接至所述感测电极的所述导电轨道的边缘延伸出。

12.如权利要求10或11所述的电容式感测系统，还包括一个或多个导电轨道，其在一端被连接至所述传感器的屏蔽电极(44)，并在另一端被电连接至所述电缆的外接地电位的电导体(353)。

13.如权利要求12所述的电容式感测系统，其中，被电连接至所述屏蔽电极(44)的所述导电轨道中的一个或多个位于被连接至所述背护电极的所述导电轨道以及被连接至所述感测电极的所述导电轨道的上方。

14.如前述权利要求中的任一项所述的电容式感测系统，其中，所述绝缘层(34、43)由额外的电容式传感器(30)共享。

15.如前述权利要求中的任一项所述的电容式感测系统，其中，所述薄膜结构是可挠性的。

16.如前述权利要求中的任一项所述的电容式感测系统，其中，所述绝缘层(34、43)包括聚亚酰胺膜。

17.如权利要求1所述的电容式感测系统，其中，所述绝缘层(34)包括硼硅酸玻璃基板。

18.如权利要求1所述的电容式感测系统，其中，所述绝缘层(34)包括具有绝缘涂层的硅基板。

19.一种用于曝光目标的光刻系统，所述系统包括：

投影透镜系统，用于将曝光射束聚焦至所述目标上；

可移动平台，用于承载所述目标；

如权利要求1至13中的任一项所述的电容式感测系统，用于进行关于在所述投影透镜系统和所述目标之间的距离的测量；以及

控制单元，用于至少部分地基于来自所述电容式感测系统的信号控制所述可移动平台的移动，以调整所述目标的位置。