DE69004277T2

DE69004277T2 - Pneumatischer Sensor.

Info

Publication number: DE69004277T2
Application number: DE90100945T
Authority: DE
Inventors: Andrew H Barada
Original assignee: SVG Lithography Systems Inc
Current assignee: SVG Lithography Systems Inc
Priority date: 1989-01-25
Filing date: 1990-01-17
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2010-01-18
Also published as: EP0380967B1; EP0380967A3; US4953388A; CA2006962C; DE69004277D1; JPH02232507A; CA2006962A1; EP0380967A2; JP2923567B2

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zum Erfassen des Abstandes von einer Oberfläche und insbesondere eine abgeglichene, pneumatische Brücke geringer Strömung zum Erfassen kleiner Abstände mit minimalem Einfluß auf Teilchenverunreinigungen auf der Oberfläche aufgrund niederer, volumetrischer Luftmengenströmung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bei vielen automatisierten, mechanischen Vorgängen ist es häufig erforderlich, den Abstand zu einer Oberfläche zu erfassen oder einen festen Abstand zwischen zwei Oberflächen aufrechtzuerhalten. Bei einigen Anwendungen ist dieser Abstand oder dieser Zwischenraum, der erfaßt oder aufrechterhalten werden soll, sehr klein, in der Größenordnung von Mikron oder Millionstel eines Meters. Eine Anwendung, bei der diese Abstände zu erfassen oder aufrechtzuerhalten sind, ist in lithographischen Systemen, wie in jenen, die bei der Halbleiterherstellung verwendet werden.
Typischerweise sind Luftmeßinstrumente verwendet worden, bei denen der Grundgedanke eines Druckunterschiedes zwischen zwei abgeglichenen Seiten oder Armen eingesetzt wird. Die Auslenkung einer flexiblen Membrane zwischen zwei Armen wird verwendet, um einen Zwischenraum oder einen Abstand zwischen zwei Oberflächen zu messen oder aufrechtzuerhalten. Eine Oberfläche ist eine Sonde, die Luft ausgibt, und die andere Oberfläche ist die Oberfläche, von der der Abstand gemessen werden soll.
Während diese Luftmeßinstrumente für die meisten Anwendungen annehmbar sind, ist ihre Leistung für einige Anwendungen nicht angemessen. Weil beispielsweise die Luftmeßinstrumente mit einem Druckunterschied arbeiten, muß die Druckänderung über das Volumen der Luftleitungen integriert werden, was zu einer langen Ansprechzeit führt. Diese Ansprechzeit oder Ansprechgeschwindigkeit ist in der Größenordnung von 200 - 300 msec. Ferner arbeiten diese Luftmeßinstrumente bei relativ hohen Drücken, was eine große Luftströmung ergibt, die die Wahrscheinlichkeit einer Verunreinigung erhöht. Mit Fortschritt der Technologie und insbesondere dem Gebiet der Lithographie, wie es bei der Halbleiterherstellung angewendet wird, begrenzen diese Ansprechzeiten die Leistungen des Systems. Deshalb besteht ein Bedürfnis, die Ansprechzeit von Luftmeßinstrumenten zu verbessern und insbesondere, wenn sie bei litographischen Systemen angewendet werden, die bei der Herstellung von Halbleitern verwendet werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist auf eine pneumatische Brückeneinrichtung zum schnellen und genauen Erfassen eines kleinen Spaltes gerichtet. Eine Luftquelle unter konstantem Druck wird auf zwei Kanäle aufgeteilt, einen Meßkanal und einen Bezugskanal. Beide Kanäle weisen eine Drossel auf, die in ihnen angeordnet ist, um die Luftmengenströmung durch die Kanäle genau zu steuern. In jedem Kanal wird wieder die Luftströmung zwischen einer Sonde und einem Luftmengenströmungssensor unterteilt. An dem fernliegenden Ende des Meßkanals ist eine Meßsonde befestigt, die ermöglicht, daß Luft zwischen der Meßsonde und einer zu erfassenden Oberfläche austritt. In ähnlicher Weise ist eine Bezugssonde an dem fernliegenden Ende des Bezugskanals befestigt, die erlaubt, daß Luft zwischen der Bezugssonde und einer Bezugsoberfläche austreten kann. Der Luftmengenströmungssensor ist zwischen dem Meßkanal und dem Bezugskanal verbunden.
Wenn der Spalt zwischen der Meßsonde und der zu erfassenden Oberfläche und der Spalt zwischen der Bezugssonde und der Bezugsoberfläche gleich ist, wird die pneumatische Brücke abgeglichen sein und keine Luftmengenströmung wird zwischen den Kanälen von dem Luftmengenströmungssensor erfaßt. Wenn sich der Spalt zwischen der Meßsonde und der zu erfassenden Oberfläche ändert, wird die pneumatische Brücke fehlabgeglichen und eine Luftströmung fließt zwischen den zwei Kanälen und wird von dem Luftmengenströmungssensor erfaßt.
Dem gemäß ist es eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, schnell die Bewegung einer Oberfläche mit Submikron- Genauigkeit zu erfassen.
Es ist eine weitere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, einen Luftmeßinstrumentsensor zu schaffen, der die Verunreinigung einer Oberfläche oder eines Wafers minimiert.
Es ist eine weitere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, einen Luftmeßinstrumentsensor bereitzustellen, der eine solche Konstruktion aufweist, daß sie einfach hergestellt werden kann.
Es ist eine noch andere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, einen Luftmeßinstrumentsensor bereitzustellen, der zwischen Systemen mit geringer Neueichung austauschbar ist.
Es ist eine wiederum weitere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, einen Luftmeßinstrumentsensor bereitzustellen, der stabil ist.
Es ist eine noch weitere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, einen Luftmeßinstrumentsensor bereitzustellen, der auf Umgebungsdruckänderungen unempfindlich ist.
Die vorstehenden Zielsetzungen werden gemäß der Erfindung durch Vorrichtungen in Übereinstimmung mit den Ansprüchen 1 und 8 gelöst.
Diese und andere Zielsetzungen werden ohne weiteres im Hinblick auf die folgende, näher ins einzelne gehende Beschreibung offensichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine mechanische Schemadarstellung, die die Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine elektrische Schemadarstellung, die eine Schaltungsanordnung zum Erfassen der Luftmengenströmung zeigt;

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM IN EINZELNEN

Fig. 1 ist eine Schemadarstellung, die die vorliegende Erfindung darstellt. Eine Luftversorgung 10 liefert Druckluft an eine Reguliereinrichtung 20. Das Filter 30 filtert irgendwelche Verunreinigungen aus der Luft heraus, bevor sie in die Luftleitung 32 eintreten darf. Die gefilterte und regulierte Luft teilt sich nach dem Eintreten in die Luftleitung 32 in einen ersten oder Meßkanal 40 und in einen zweiten oder Bezugskanal 42 auf. Der Meßkanal und der Bezugskanal 40 bzw. 42 besitzen eine erste bzw. zweite Präzisionsöffnung oder Drossel 44 bzw. 46 darin. Die zwei Öffnungen oder Drosseln 44 und 46 steuern die Luftmengenströmung durch die Kanäle 40 und 42. Die Drosseln 44 und 46 begrenzen vorzugsweise die Luftmengenströmung gleich. Dies kann durch eine Präzisionsöffnung gleicher Größe erreicht werden, die in jedem Kanal angeordnet wird. Die Luftströmung in den Strömungskanal 40 wird weiter bei dem ersten Luftmengenströmungskanal 48 unterteilt. Die verbleibende Luftströmung geht durch den Meßsondenkanal 44 und durch die Meßsonde 58 hinaus. An dieser Stelle ist Luft zur Außenumgebung frei und füllt den gemessenen Spalt 62 zwischen der Meßsonde 58 und der Oberfläche 66. In analoger Weise wird die Luftströmung in dem Bezugskanal 42 zwischen dem Bezugsluftmengenströmungskanal 52 und dem Bezugssondenkanal 56 aufgeteilt. Die Luftströmung gelangt durch den Bezugssondenkanal 56 weiter zu der Bezugssonde 60. Bei der Bezugssonde 60 ist die Luftströmung zu der Außenumgebung frei. Die Luftströmung füllt den Bezugsspalt 64 zwischen der Bezugssonde 60 und der Bezugsoberfläche 68.
Ein Luftmengenströmungssensor 50 ist zwischen dem Meßarm 51 und dem Bezugsarm 53 angeordnet. Luft kann frei durch den Luftmengenströmungssensor hindurchfließen. Der Luftmengenströmungssensor 50 erfaßt und mißt die Übertragung von Luftmasse zwischen dem Meßarm 51 und dem Bezugsarm 53. Eine Technik zum Messen der Luftströmung ist mit einem heißen Draht, der in dem Weg der Luftströmung angeordnet ist. Dieses Verfahren verwendet das physikalische Prinzip, daß die Menge an Wärmeübertragung von einem erhitzten Draht auf das ihn umgebende Fluid proportional der Mengenströmung des Fluids über den Draht ist. Wenn der Draht seine Temperatur wegen der Wärmeübertragung ändert, ändert sich auch der Widerstand des Drahtes und die sich ergebene Änderung des elektrischen Stromes wird über eine elektrische Schaltung gemessen. Ein im Handel erhältlicher Luftmengenströmungssensor ist die Mikrobrücke AWM 2000, die von Microswitch, einer Abteilung der Honeywell Corp., vertrieben wird. Wenn der Meßspalt 62 gleich dem Bezugsspalt 64 ist, gibt es keine Luftmengenströmung durch den Sensor 50, vorausgesetzt, die zwei Präzisionsöffnungen der Drossel 44 und 46 besitzen denselben Widerstand gegenüber einer Luftströmung. Drosseln 44 und 46 unterschiedlicher Größe können verwendet werden, wenn die zwei Spalte 62 und 64 nicht gleich sind, um den pneumatischen Brücken-Luftmeßinstrumentsensor auszugleichen. Auf diese Weise kann die Brücke sogar abgestimmt werden, wenn die Spalte 62 und 64 nicht gleich sind.
Beim Betrieb bewegt sich, wenn der Spalt 62 größer als der Bezugsspalt 64 wird, die Luftmengenströmung von dem Bezugsluftmengenströmungskanal 52 durch den Sensor 50 hindurch in Richtung zu dem Meßluftmengenströmungskanal 48. Der Luftmengenströmungssensor 50 erfaßt diese Bewegung und liefert ein Signal, daß die Erweiterung der Spalt 62 anzeigt. In ähnlicher Weise wird, wenn die Spalt 62 abnimmt, Luftmengenströmung von dem Meßluftmengenströmungskanal 48 durch den Sensor 50 hindurch in Richtung zu den Bezugsluftmengenströmungskanal 52 gelenkt.
Irgendwelche pneumatische Störung in dem System kann verringert werden, indem ein anfänglicher Luftströmungsdruck bereitgestellt wird, der ausreicht, eine laminare und inkompressible Fluidströmung zu schaffen. Ferner helfen Kanäle, die keine Unregelmäßigkeiten oder enge Krümmungen oder andere Hindernisse aufweisen, eine glatte oder laminare Luftströmung bereitzustellen, wodurch ferner die Möglichkeit irgendeiner pneumatischen Störung verringert wird. Die Meßsonde und die Bezugssonde strömen in denselben Druck aus, in den meisten Fällen die Atmosphäre, was eine vernachlässigbare Wirkung auf Druckänderungen der Umgebung zum Ergebnis hat. In ähnlicher Weise heben sich akustische Tondruckpegel erster Ordnung in der gleichen Weise auf, vorausgesetzt, daß die Phasenunterschiede zwischen der Meßsonde und der Bezugssonde nicht zu groß sind. Untergrundstörungen höherer Ordnung können durch einen üblichen Störungsverringerungsmodus verringert werden. Dies wird durchgeführt, indem ein getrennter Kanal vorgesehen wird, der verwendet wird, den Störuntergrund abzutasten. Die Störung wird dann von der gemischten Störung und Signal subtrahiert, was zum Ergebnis hat, daß nur das erwünschte Signal übrig bleibt.
Da sich die vorliegende Erfindung vielmehr auf die Luftmengenströmung statt auf eine Druckmessung verläßt, ändert sich die Luftmenge, die durch den Luftspalt strömt, proportional zu der Abweichung des angehobenen Spaltes mit der dritten Ordnung. Die Strömungsänderung wird auch durch die Schallgeschwindigkeit gesteuert, die Geschwindigkeit, mit der sich die Änderung des Strömungswiderstandes durch die Sonde hindurch stromaufwärts zu dem Rest der pneumatischen Brücke fortpflanzen kann. Dies ist eine schnellere Ansprechzeit als bei Luftmeßinstrumenten, die den Druckunterschied messen, weil in Luftdruckdifferenzsystemen der Druck selbst über das tote Luftvolumen des Systems zwischen den Sonden und dem Drucksensor integriert werden muß. Ansprechzeiten bei der vorliegenden Erfindung sind in der Größenordnung von 10 - 15 msec, wohingegen für ein ähnliches Luftmeßinstrument, das ein Druckunterschiedssystem verwendet, die Ansprechzeit in der Geößenordnung von 200 - 300 msec ist.
Fig. 2 stellt eine Schaltung dar, die verwendet werden kann, um eine für den Spalt 62 zwischen der Meßsonde 58 und der Oberfläche 68 repräsentative Ausgangsspannung zu liefern, die in Fig. 1 gezeigt sind. Der Luftmengenströmungssensor 50 umfaßt einen Abschnitt einer Art Wheatstone-Brücke. Die Brücke wird von Widerständen 72, 74, 82 und 84 gebildet. Die Widerstände 82 und 84 sind Thermistoren. Ein Widerstand, der aus einem Material hergestellt ist, das die Eigenschaft der Änderung des elektrischen Widerstandes als eine Funktion der Temperatur besitzt, ist ein Thermistor. Wenn die Luftmengenströmung, die durch die Pfeile 80 angegeben ist, über die Thermistoren 82 und 84 fließt, ändern die zwei Thermistoren 82 und 84 den Widerstand aufgrund der Wärmeübertragung an die Luftmengenströmung. Die Spannung zwischen einem ersten Knoten 76 und einem zweiten Knoten 78 ändert sich als ein Ergebnis der Widerstandsänderung der Thermistoren 82 und 84. Die Ausgangsspannung der Brücke zwischen dem ersten und dem zweiten Knoten 76 und 78 kann etwas durch den veränderbaren Widerstand 70 versetzt werden.
Das Signal von dem ersten und zweiten Knoten 76 und 78 wird durch den Verstärker 88 verstärkt. Die Verstärkung des Verstärkers 88 kann durch den veränderbaren Widerstand 86 eingestellt werden. Der Ausgang des Verstärkers 88 kann wahlweise durch ein elektrisches Filter verarbeitet werden. Der Ausgang kann dann verwendet werden, andere Einrichtungen zu steuern, um irgendeine erwünschte Wirkung als Ergebnis der Änderung der Spaltweite 62 zwischen der Meßsonde 58 und der Oberfläche 66 vorzunehmen, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.
Die Beschreibung von Luft, als ein verwendetes Fluid bei der vorliegenden Erfindung, ist nur das bevorzugte Fluid. Es sollte verstanden werden, daß irgendein Material bei der Erfindung verwendet werden kann, das die Eigenschaften eines Fluids besitzt.

Claims

1. Ein Fluidmeßinstrumentsensor umfassend:

eine Fluidleitung (32), die mit einem Vorrat eines Fluids unter konstantem Druck verbunden ist;

einen ersten Kanal (40), der mit der genannten Fluidleitung (32) in Verbindung steht;

einen zweiten Kanal (42), der mit der genannten Fluidleitung (32) in Verbindung steht;

eine erste Drosseleinrichtung (44) zur Begrenzung der Fluidströmung in dem genannten ersten Kanal;

eine zweite Drosseleinrichtung (46) zur Begrenzung der Fluidströmung in dem genannten zweiten Kanal;

eine Meßsonde (58) an dem fern liegenden Ende des genannten ersten Kanals, die einen ersten Spalt (62) zwischen der genannten Meßsonde (58) und einer Oberfläche (66) bildet;

eine Bezugssonde (60) an dem fernliegenden Ende, des genannten zweiten Kanals, die einen zweiten Spalt (64) zwischen der genannten Bezugssonde (60) und einer Bezugsoberfläche (68) bildet und

eine Fluidmengenströmungsensoreinrichtung (40), die zwischen dem genannten ersten (40) und zweiten (42) Kanal verbunden ist, um eine Fluidmengenströmung zwischen dem genannten ersten und zweiten Kanal zu erfassen.

2. Ein Fluidmeßinstrumentsensor, wie in Anspruch 1, bei dem:

die genannte erste (44) und zweite (46) Drosseleinrichtung Öffnungen derselben Größe sind.

3. Ein Fluidmeßinstrumentsensor wie in Anspruch 1, bei dem der genannte Fluidmengenströmungssensor umfaßt:

ein Paar Thermistoren (82, 84); und

einen Fluidmengentrömungskanal, wodurch eine Fluidströmung über das genannte Paar Thermistoren (82, 84) gelenkt wird.

4. Ein Fluidmeßinstrumentsensor wie Anspruch 3, bei dem:

das genannte Paar Thermistoren (82, 84) einen Abschnitt einer Wheatstone-Brücke bilden.

5. Ein Fluidmeßinstrumentsensor wie in Anspruch 4, der ferner umfaßt:

eine Reguliereinrichtung (20), die an der genannten Fluidleitung (32) angebracht ist.

6. Ein Fluidmeßinstrumentsensor wie in Anspruch 5, der ferner umfaßt:

ein Filter (30), das an der genannten Fluidleitung (32) angebracht ist.

7. Ein Fluidmeßinstrumentsensor wie in Anspruch 6, bei dem das genannte Fluid Luft ist.

8. Ein Luftmeßinstrumentsensor zum Erfassen eines Luftspaltes zwischen der Oberfläche einer Sonde und einer Meßoberfläche, umfassend:

eine Luftversorgung (10), die im wesentlichen unter einem konstanten Druck gehalten ist,

eine Reguliereinrichtung (20), die mit der genannten Luftversorgung (10) verbunden ist, um durch die genannte Luftversorgung zugeführten Luftdruck einzustellen;

ein Filter (20), durch das Luft von der genannten Luftversorgung (10) strömt;

eine Luftleitung (32);

eine Verbindung, die die genannte Leitung (32) in einen Bezugskanal (42) und einem Meßkanal (40) aufteilt;

eine Drosseleinrichtung (44, 46) die jeweils in dem genannten Bezugskanal (42) und dem Meßkanal (40) angeordnet ist, wobei die genannten Drosseleinrichtungen jeweils eine Öffnung im wesentlichen derselben Größe aufweisen;

eine Bezugssonde (60) an dem fern abliegenden Ende des genannten Bezugskanals (42), die einen vorbestimmten Bezugsspalt (64) mit einer Bezugsoberfläche (68) bildet, wodurch Luft von dem genannten Bezugskanal (42) durch den Bezugsspalt (64) hindurch freigebbar ist;

eine Meßsonde (58) an dem fern liegenden Ende des genannten Meßkanals (40), die einen Spalt (62) mit einer Oberfläche (66) bildet, wodurch Luft von dem genannten Meßkanal (40) durch den Spalt (62) hindurch freigebbar

ist; und

eine Luftmengenströmungseinrichtung (50), die zwischen dem genannten Bezugskanal (42) und Meßkanal (40) gekoppelt ist, um die Luftmengenströmung dazwischen zu messen.