CN202150010U

CN202150010U - 一种基于pvdf的浸没式光刻机流场压力传感器

Info

Publication number: CN202150010U
Application number: CN201120212036U
Authority: CN
Inventors: 陈文昱; 郭伟龙; 付新
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2021-06-22

Abstract

本实用新型公开了一种基于PVDF的浸没式光刻机流场压力传感器。包括含屏蔽膜的PVDF压力传感元件，以及由电压放大电路、电荷放大电路和滤波电路组成的信号处理装置。含屏蔽膜的PVDF压力传感元件产生的电荷信号，通过电荷放大器输出端接电压放大器输入端，电压放大器输出端接滤波电路输入端，电荷放大电路输入端带有配套BNC接口与含屏蔽膜的PVDF压力传感元件的BNC接口连接。本实用新型含屏蔽膜的PVDF压力传感元件具有灵敏度高、阻抗低和柔韧性好等特点，安装方便简单，对流场干扰很小。信号处理装置将PVDF压力传感元件输出的电荷信号调理为能够被采集的-5~5V电压信号，并有效地抑制了零漂及噪声干扰。

Description

一种基于PVDF的浸没式光刻机流场压力传感器

技术领域

本实用新型是涉及一种浸没式光刻(Immersion Lithography)系统中的流场压力传感器，特别是涉及一种基于PVDF（偏聚氟乙烯）的浸没式光刻机流场压力传感器。

背景技术

现代干式光刻机利用光学系统，把掩模板上的图案精确地投影、曝光在涂有光刻胶的硅片上，而浸没式光刻则通过在干式光刻系统上透镜组与硅片之间的空隙中填充一层符合光学特性要求的浸没液体，提高这层空间中的光波折射率，来增大投影物镜的数值孔径和系统焦深，从而达到获得更小线宽的目的。

浸没式光刻技术提高了曝光系统的分辨率和焦深，使刻蚀出 65 至 22nm 特征尺寸的线条成为可能，但是由于注液速度的波动、硅片步进扫描运动对液体的牵拉作用、硅片垂直位置调整造成的流场高度变化以及浸没流场中气泡的产生与溃灭等因素的影响，投影物镜下表面会受到应力的作用，发生位置偏移与形变，甚至上下振动，严重影响了系统的曝光精度。因此，研究浸没流场的动态压力对优化浸没系统结构与工作参数具有重要意义。

目前常用的微小缝隙流场常用的压力检测方法是采用小孔引压法或微型扩散硅压阻传感器。小孔引压法是指在测量区域处开一个小孔，并且通过一段导管与压力传感器连接，导管的作用是传送压力，其长度视安装需要而定，常用于曲面压力或狭小区域内压力分布的测量。扩散硅压阻式压力传感器采用集成电路的扩散工艺，把硼杂质掺入硅片形成压敏桥制成的，它的测量原理是基于半导体应变片的压阻效应。

这些压力测量方法各自存在着不足。

1）对于小孔引压法：

a）引压管内气泡很难排尽，当气泡受到压缩时，测量值会远大于实际值；

b）浸没流场的压力波动较小，引压管阻尼作用造成的误差不能忽略；

c）由于放置普通压力传感器仍需要占用较大的空间，因此测量点的密度会受到限制。

2）对于扩散硅压阻传感器

a）扩散硅压阻传感器的制作工艺复杂，价格昂贵（1万RMB/只），当测量点较多时，传感器的成本较高。

b）扩散硅压阻传感器虽然易于实现微型化，但传感器体积和灵敏度这两个指标仍然相互制约：当灵敏度高，量程小时，传感器体积仍然较大，难以满足安装要求；而当传感器体积较小时，其量程远大于浸没流场的压力波动范围。所以，很难找到体积和量程都满足要求的扩散硅压阻传感器。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于PVDF的浸没式光刻机流场压力传感器，用于检测浸没式光刻机流场的动态压力分布。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术如下：

本实用新型它是贴附在投影透镜模型下表面且浸没在液膜里的流场压力传感器；所述的流场压力传感器包括含屏蔽膜的PVDF压力传感元件和信号处理装置；其中：

1）含屏蔽膜的PVDF压力传感元件：

PVDF压力传感元件的PVDF薄膜一端的两面均有对称分布的压力测量区，两个压力测量区分别带有一条同向布置的铝电极，两条铝电极沿各自的压力测量区中心线方向相反、对称分布；其中一面的铝电极与低噪声屏蔽线的导线芯的一端接触并用第一铆钉固定连接，然后用绝缘层包覆整个PVDF压力传感元件，另一面的铝电极刮掉部分绝缘层，与低噪声屏蔽线的屏蔽层的一端接触并用第二铆钉固定连接，用铝制屏蔽膜将整个PVDF压力传感元件、绝缘层、第一铆钉和第二铆钉完全包覆并与低噪声屏蔽线的屏蔽层用第三铆钉固定连接；导线芯和屏蔽层组成的另一端连接BNC接口；

2）信号处理装置：包括电压放大电路、电荷放大电路和滤波电路；电压放大电路为低功耗、高精度仪用的放大器AD627搭建而成；电荷放大电路包括低噪声高速场效应管输入型放大器AD745和高速BiFET运算放大器AD711搭建的直流反馈网络；滤波电路为八阶椭圆滤波器MAX293搭建而成路；电荷信号通过电荷放大器输出端接电压放大器输入端，电压放大器输出端接滤波电路输入端，电荷放大电路输入端带有配套BNC接口与含屏蔽膜的PVDF压力传感元件的BNC接口连接，9V蓄电池电压通过微功率低压差稳压器LT1121和反向电荷泵MAX1697转化为+5V和-5V直流电压，对以上电路提供电源。

本实用新型具有的有益效果是；

1）PVDF薄膜具有低密度、高灵敏度的特性（比压电陶瓷高10倍以上），并且阻抗低，作为一种传感器，能更有效地将微小信号传递到信号检测装置中去。和压电陶瓷相比，PVDF薄膜还具有很高的弹性柔度，能直接粘贴在物体表面而不影响其机械运动。本实用新型所采用的PVDF压力传感元件厚度仅为200μm左右，可以用普通黏胶剂粘贴在投影透镜模型的下表面，安装方便简单，占用空间小，对流场干扰很小。

2）选用了低噪声高速场效应管输入型放大电路AD745搭建电荷放大电路，其高输入阻抗能有效提高PVDF压力传感元件的信噪比，输出电压与输入电荷的关系是，

Figure 2011202120368100002DEST_PATH_IMAGE002

　　　　　　　　(a)

为电路输出端电压，

为PVDF压力传感元件产生的电荷，

为跨接在放大器输入端与输入端之间的反馈电容。以高速BiFET运算放大器AD711为核心的直流反馈电路能有效地降低零漂和噪声干扰，电荷放大电路输出零漂信号为

，经放大电路后输出的零漂信号为

，满足精度要求，引入直流反馈网络后，信号处理电路的零漂会在大概30s内归零，归零后信号稳定，不再发生漂移。将系统简化及等效处理后可知，传感器的低频的幅值误差和截止频率只取决于反馈电路的

和等效的

。其中，

还决定了前置放大器输出电压的大小。

3）选择低功耗、高精度仪用放大器AD627搭建了电压放大电路，放大倍数由 PVDF压力传感器的测量点面积、实际检测的压力范围和信号采集系统的电压范围来确定。若放大倍数太小，会导致测量精度下降；若放大倍数太大，噪声和零漂也会随之放大。满足以下关系式，

　　　　　　　　(b)

取放大倍数为105时，传感器输出灵敏度为1.32mv/Pa，若采用MSP430进行数据采集，采集电压范围为0～2.5V，传感器的量程约为-1KPa～1KPa，与实际压力波动范围符合较好。

4）有效地进行了信号屏蔽处理，最大限度保证采集与输出信号不失真。首先，PVDF压力传感器的屏蔽膜是从源头上隔离电磁干扰的方法；其次，由于实际测量的压力信号属于低频信号，在每级放大器前接一个简单的RC低通滤波器，有效衰减已经进入传感器的高频干扰；最后，将信号处理电路最后一级设计为衰减特性陡峭的低通滤波器，以最大程度地减小输出信号中的干扰。

附图说明

图1是本实用新型与投影透镜模型装配示意图。

图2是本实用新型的PVDF压力传感元件俯视图。

图3是本实用新型的PVDF压力传感元件正视图。

图4是本实用新型的PVDF压力传感元件俯视图的剖视图P-P。

图5是本实用新型的含屏蔽膜的PVDF压力传感元件示意图。

图6是本实用新型的电压放大电路图。

图7是本实用新型的电荷放大电路图。

图8是本实用新型的滤波电路图。

图中：1、投影透镜模型，2、流场压力检测传感器，3、液膜，A、含屏蔽膜的PVDF压力传感元件，B、信号处理装置，A01、PVDF薄膜，A02、铝电极，A03、铝电极，A0、PVDF压力传感元件，A1、导线芯，A2、绝缘层，A3、屏蔽层，A4、屏蔽膜，A5、第一铆钉，A6、第二铆钉，A7，第三铆钉。

具体实施方式

下面结合附图及实例详细说明本实用新型的具体实施过程。

如图1所示，本实用新型是贴附在投影透镜模型1下表面且浸没在液膜3里的流场压力传感器2；所述的流场压力传感器2包括含屏蔽膜的PVDF压力传感元件A和信号处理装置B；本实用新型可以在分步重复或者步进扫描式等光刻设备中应用，使用时，投影透镜模型1不运动，含屏蔽膜的PVDF压力传感元件A接受液膜3的压力波动激励产生压力信号，输出到信号处理装置B，最后输出到示波器等监测装置。

如图2、图3、图4、图5所示，表示了本实用新型实施方案的含屏蔽膜的PVDF压力传感元件A，利用光刻电极法在一片PVDF薄膜上制作出所需要的电极图案； PVDF薄膜A01一端的两面均有对称分布的压力测量区，两个压力测量区分别带有一条同向布置的铝电极A02、A03，两条铝电极A02、A03沿各自的压力测量区中心线方向相反、对称分布；其中一面的铝电极A02与低噪声屏蔽线的导线芯A1的一端接触并用第一铆钉A5固定连接，然后用绝缘层A2包覆整个PVDF压力传感元件A0，另一面的铝电极A03刮掉部分绝缘层，与低噪声屏蔽线的屏蔽层A3的一端接触并用第二铆钉A6固定连接，用铝制屏蔽膜A4将整个PVDF压力传感元件A0、绝缘层A2、第一铆钉A5和第二铆钉A6完全包覆并与低噪声屏蔽线的屏蔽层A3用第三铆钉A7固定连接；导线芯A1和屏蔽层A3组成的另一端连接BNC接口。

如图6、图7、图8所示，表示了本实用新型实施方案的信号处理装置B 包括电压放大电路、电荷放大电路和滤波电路；电压放大电路为低功耗、高精度仪用的放大器AD627搭建而成；电荷放大电路包括低噪声高速场效应管输入型放大器AD745和高速BiFET运算放大器AD711搭建的直流反馈网络；滤波电路为八阶椭圆滤波器MAX293搭建而成路；电荷信号通过电荷放大器输出端接电压放大器输入端，电压放大器输出端接滤波电路输入端，电荷放大电路输入端带有配套BNC接口与含屏蔽膜的PVDF压力传感元件A的BNC接口连接，9V蓄电池电压通过微功率低压差稳压器LT1121和反向电荷泵MAX1697转化为+5V和-5V直流电压，对以上电路提供电源。

选用AD745搭建电荷放大电路，选用AD711搭建直流反馈网络，连接放大电路的输入端与输出端，输出电压与输入电荷信号成线性比例关系。

选用AD627搭建了电压放大电路，增益调节范围在5～1000倍，放大倍数过大则噪声与零漂加剧，过小则严重影响灵敏度，经试验选定放大倍数为105倍。

选用MAX293搭建了低通滤波电路，滤除高频段噪声信号。

9V蓄电池电压通过微功率低压差稳压器LT1121和反向电荷泵MAX1697转化为+5V和-5V直流电压，提供给各个电路。

将含屏蔽膜的PVDF压力传感元件A引出的低噪声屏蔽线接在信号处理装置B的输入接口，将示波器等检测装置的低噪声屏蔽线接在信号处理装置B的输出口，开关控制信号处理装置电源通断，装置由9V蓄电池供电（正常情况下可不间断使用4天）。

含屏蔽膜的PVDF压力传感元件A的屏蔽膜A03与信号处理装置B的铝盒、检测仪器共地。

（1）PVDF压力传感元件A0是利用光刻电极法将所需的电极图案刻蚀出来，光刻技术是采用照相复印的方法，将掩模版上的图形精确地复印在涂有光刻胶的金属蒸镀层上，然后利用光刻胶的保护作用，对金属层进行选择性化学腐蚀，在金属层上得到与掩模板相对应的图形。在本实用新型中，经过清洗—固定—甩膜—前烘—曝光—显影—后烘—腐蚀—去光刻胶这些步骤后，便能得到所需的单点或多点的PVDF压力传感元件A0。

（2）信号处理装置B的核心部件包含电荷放大电路、电压放大电路以及滤波电路，其组成关系是，将9V蓄电池电压通过微功率低压差稳压器和反向电荷泵转化为+5V和-5V直流电压，提供给各个电路，含屏蔽膜的PVDF压力传感元件A受动态压力激励产生电荷信号后输入到电荷放大电路，输出的交变的电压信号通过电压放大器放大后，进一步输入到滤波电路中进行滤波，最后由滤波电路输出一个幅值在-3～+3V的电压信号。将含屏蔽膜的PVDF压力传感元件A上的信号引入到信号处理装置B上的输入BNC接口，此接口连接到电荷放大电路的输入端；将滤波电路最后输出的电压信号通过信号处理装置B上的输出BNC接口输出到各个监测仪器上，通断开关控制信号处理装置B的工作。

Claims

1.一种基于PVDF的浸没式光刻机流场压力传感器，其特征在于：它是贴附在投影透镜模型（1）下表面且浸没在液膜（3）里的流场压力传感器（2）；所述的流场压力传感器（2）包括含屏蔽膜的PVDF压力传感元件（A）和信号处理装置（B）；其中：

1）含屏蔽膜的PVDF压力传感元件（A）：

PVDF压力传感元件（A0）的PVDF薄膜（A01）一端的两面均有对称分布的压力测量区，两个压力测量区分别带有一条同向布置的铝电极（A02、A03），两条铝电极（A02、A03）沿各自的压力测量区中心线方向相反、对称分布；其中一面的铝电极（A02）与低噪声屏蔽线的导线芯（A1）的一端接触并用第一铆钉（A5）固定连接，然后用绝缘层（A2）包覆整个PVDF压力传感元件（A0），另一面的铝电极（A03）刮掉部分绝缘层，与低噪声屏蔽线的屏蔽层（A3）的一端接触并用第二铆钉（A6）固定连接，用铝制屏蔽膜（A4）将整个PVDF压力传感元件（A0）、绝缘层（A2）、第一铆钉（A5）和第二铆钉（A6）完全包覆并与低噪声屏蔽线的屏蔽层（A3）用第三铆钉（A7）固定连接；导线芯（A1）和屏蔽层（A3）组成的另一端连接BNC接口；

2）信号处理装置（B）：包括电压放大电路、电荷放大电路和滤波电路；电压放大电路为低功耗、高精度仪用的放大器AD627搭建而成；电荷放大电路包括低噪声高速场效应管输入型放大器AD745和高速BiFET运算放大器AD711搭建的直流反馈网络；滤波电路为八阶椭圆滤波器MAX293搭建而成路；电荷信号通过电荷放大器输出端接电压放大器输入端，电压放大器输出端接滤波电路输入端，电荷放大电路输入端带有配套BNC接口与含屏蔽膜的PVDF压力传感元件（A）的BNC接口连接，9V蓄电池电压通过微功率低压差稳压器LT1121和反向电荷泵MAX1697转化为+5V和-5V直流电压，对以上电路提供电源。