JP5033780B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサ、近接センサおよびリソグラフィトポグラフィマッピング装置に関する。

慣例の低圧空気圧力計は、比較的長い応答時間を有するか、典型的には数十Ｈｚの範囲の比較的低い帯域幅を有するマスフローセンサを使用する。比較的低い帯域幅は、例えばリソグラフィスキャンの用途のような高速の動作には適していない。

したがって本発明の課題は、現在使用されているものよりも高い帯域幅を有する、感度の高い圧力センサ、ならびに近接センサおよびリソグラフィトポグラフィマッピング装置を提供することである。

本発明に係る課題は、ダイアフラムを包含し、ダイアフラムは剛性の外側部分と、ダイアフラムの第１の側と第２の側との間の圧力差に応じて変位する変位可能な内側部分とを有し、ダイアフラムに近接して配置されており、ダイアフラムの内側部分の変位をセンシングするセンサを包含し、センサと接続されており、ダイアフラムの変位から圧力差を求める監視制御システムを包含する圧力センサによって解決される。

また本発明に係る課題は、測定プローブと接続されている測定脚と、基準プローブと接続されている基準脚と、測定脚と基準脚との間に接続されているブリッジ部分と、ブリッジ部分内に配置されている圧力センサとを包含する近接センサによって解決される。

また本発明に係る課題は、測定プローブと接続されている測定脚を包含し、基準圧力を包含し、測定脚と基準圧力との間に接続されているブリッジ部分を包含し、ブリッジ部分内に配置されているダイアフラムを包含し、ダイアフラムは剛性の外側部分と、測定脚と基準圧力との間の圧力差に応じて変位する変位可能な内側部分とを有し、ダイアフラムに近接して配置されており、ダイアフラムの内側部分の変位をセンシングするセンサを包含し、センサと接続されており、ダイアフラムの変位を求め、変位から圧力差を求める監視制御システムを包含する近接センサによって解決される。

また本発明に係る課題は、測定プローブと接続されている測定脚を包含し、基準圧力を包含し、測定脚と基準圧力との間に接続されているブリッジ部分を包含し、ブリッジ部分内に配置されているダイアフラムを包含し、ダイアフラムは剛性の外側部分と、測定脚と基準圧力との間の圧力差に応じて変位する変位可能な内側部分とを有し、ダイアフラムに近接して配置されており、ダイアフラムの内側部分の変位をセンシングするセンサを包含し、センサと接続されており、ダイアフラムの変位を求め、変位から圧力差を求める監視制御システムを包含するリソグラフィトポグラフィマッピング装置によって解決される。

本発明による圧力計は、実質的に剛性の外側部と、変位する内側部とを備えたダイアフラムを包含し、この内側部はダイアフラムの第１の側と第２の側との間の圧力差に応じて変位する。圧力計はさらに、ダイアフラムに近接して配置されており、ダイアフラムの内側部の変位をセンシングするセンサを包含する。圧力計はさらにセンサと（有線または無線で）接続されており、ダイアフラムの変位から圧力差を求める監視制御システムを包含する。

本発明は、光学的なセンシングデザインおよび容量的なセンシングデザインを含むがこれらに制限されるものではない種々の選択的なセンシングデザインを提供する。

リソグラフィの用途に使用されるナノメータ近接センサのような低圧の用途に関しては、センサの動作圧力範囲はおよそ２５．４〜１２７Ｐａ（０．１〜０．５水柱インチ）である。圧力センサの解像度は有利にはおよそ〜０．００１Ｐａである。このことは数ナノメータを解像するゲージを許容する。１インチＨ^２Ｏ＝２５４パスカルである。

ダイアフラムおよびセンサは比較的高い帯域幅を有し、したがってこのダイアフラムおよびセンサを比較的速い速度の用途において実施することができる。本発明を例えばリソグラフィ近接センシング装置およびリソグラフィトポグラフィマッピング装置において実施することができる。

本発明のさらなる特徴および利点は以下の説明に示されている。さらに別の特徴および利点は本明細書に示された説明に基づき当業者には明らかになるか、本発明の実践によって習得ことができる。本発明の利点は、ことに以下の明細書および請求項ならびに添付の図面に記載されている構造によって実現および達成される。

前述の概要および以下の詳細な説明のいずれも例示的且つ説明的なものであり、また請求項記載の本発明のさらなる説明をなすことを意図したものと解するべきである。

本発明を添付の図面を参照して説明する。ここで同じ参照番号は同一または機能的に類似する素子を表す。また参照番号の左側の文字は関連する素子が最初に登場した図面を示唆する。

Ｉ．序論
本発明は現在使用可能な帯域幅よりも高い帯域幅を有する低圧空気圧力計に関する。本発明を例えばリソグラフィ近接センシングおよびリソグラフィトポグラフィマッピングに使用することができるが、本発明はこれらの用途に制限されるものではない。

ＩＩ．高い帯域幅、低い圧力差センシング
図１は可撓性のプレートまたはダイアフラム１０２と、このダイアフラム１０２に近接して配置されているダイアフラム変位センサ１０４（以下では「センサ」１０４）と、このセンサ１０４と電気的に（有線または無線で）接続されている監視制御システム１０６とを包含する圧力センサ１００の側面図である。センサ１０４はダイアフラムに近接しているが、ダイアフラムと物理的に接触している必要はない。

ダイアフラム１０２およびセンサ１０４はボディ１０８内の第１の領域１１０と第２の領域１１２との間に位置決めされている。圧力センサ１００は第１の領域１１０と第２の領域１１２との間の圧力差を求める。

図２Ａはダイアフラム１０２の正面図である。ダイアフラム１０２はこのダイアフラム１０２をボディ１０８の内壁１１４（図１）に接続させるための実質的に剛性の外側部分２０２を包含する。図２Ｂは実質的に剛性の外側部分２０２の側面図を示す。実質的に剛性の外側部２０２は例えば金属、プラスチックまたは他の適切な実質的に剛性の材料またはこれらの組合せから成る。

図２Ａを再び参照すると、ダイアフラム１０２はさらに変位可能な内側部分２０４を包含し、この内側部分２０４は第１の領域１１０と第２の領域１１２（図１）との間の圧力差に応じて変位する。

内側部分２０４は半弾性（semi-elastic）の材料から構成されている可撓性のプレート、膜ベースの部分であり、この半弾性の材料は例えばマイラー^（Ｒ）、カプトン^（Ｒ）、ラバーおよび／またはこれらの組合せであるが、これらの材料に制限されるものではない。内側部分２０４は圧力の低い方に膨張する。内側部分２０４は例えば約２５．４〜１２７Ｐａ（０．１〜０．５水柱インチ）の範囲にある超低圧力差に応答するよう設計されているが、この範囲に制限されるものではない。択一的に内側部分２０４は別の圧力差範囲に応答するよう設計されている。

内側部分２０４は、グルー、一体成型、ヒートシール、化学結合などを含むが、これらに制限されるものではない種々のやり方のうちの１つまたは複数でもって、実質的に剛性の外側部分２０２と付着されている。

内側部分２０４は選択的に近接表面２０６を包含する。センサ１０４（図１）は近接表面２０６の運動を感知する。近接表面２０６は内側部分２０４またはコーティングまたはその含浸物でよい。コーティングおよび含浸物の例は以下の１つまたは複数の節に記載されている。

図２Ｃは、圧力差が存在する状態のように膨張して示されている内側部分２０４および近接表面２０６と実質的に剛性の部分２０２を包含するダイアフラムの側面図である。

図１および図２Ａの例においては、ボディ１０８は円柱状の形状を有し、したがって外側部分２０２は完全に円形の形状を有する。しかしながら本発明は図面に示した例示的な円形の形状に制限されるものではない。当業者であれば、卵形、楕円形および多角形を含むが、これらに制限されるものではない別の形状も使用できることが分かるであろう。

センサ１０４および近接表面２０６を１つまたは複数の種々のテクノロジを用いて実施することができる。センサ１０４および近接表面２０６の例は以下記載されている。しかしながら本発明はこれらの例示的な実施形態に制限されるものではない。この明細書における教示に基づき、当業者であればセンサ１０４および近接表面２０６を本発明の範囲内の別のテクノロジを用いても実施できることが分かるであろう。

圧力センサ１００は比較的高い帯域幅を有する装置である。使用される材料および回路に依存して、圧力センサは数千Ｈｚの帯域幅を有することができる。したがって本発明は、例えばリソグラフィ近接センシングのような比較的低速の用途にも、例えばリソグラフィトポグラフィマッピングのような比較的高速の用途にも有用である。

ＩＩＩ．近接センシングに基づく干渉計
図３は、センサ１０４および監視制御システム１０６は干渉計で実施されている圧力センサ１００の側面図である。干渉計は近接表面２０６を反射ターゲットとして使用する。近接表面２０６の撓みにおける変化はセンサ１０４によって受信される反射光パターンにおける変化に対応する。監視制御システム１０６におけるデコーダは近接表面２０６の相対的な撓みを求める。監視制御システム１０６は近接表面２０６の撓み寸法を第１の領域１１０と第２の領域１１２との間の圧力差に変換する。

干渉計は白色光干渉計を含むがこれに制限されるものではない、既製の干渉計でもって実施することができる。

ＩＶ．光学視射角近接センシング
図４は、センサ１０４および監視制御システム１０６が例えば全体を参照することにより本願明細書に取り入れられるT. Qui,「Fiber Optics Focus Sensors: Theoretical Model」MIT Report, 2000に教示されているような光学視射角センサで実施されている圧力センサ１００の側面図を示す。

動作時には第１の光路４０２および第２の光路４０４がそれぞれ送信ファイバ４０６と受信ファイバ４０８との間に形成される。第１の光路４０２は送信ファイバ４０６と受信ファイバ４０８との間にある。第２の光路４０４は送信ファイバ４０６から出発し、受信ファイバ４０８によって受信される前に、光学反射性コーティングを有する近接表面２０６において反射される。第１の光路４０２を介して送信ファイバ４０６から送出されて受信ファイバ４０８によって受信される第１の光ビームと、第２の光路４０４を介して送信ファイバ４０６から送出されて受信ファイバ４０８によって直接的に受信される第２の光ビームは空間回折像を形成する。パターンは近接表面２０６の相対的な位置の関数である。

近接表面２０６が図４において「ダイアフラム撓み」４１０として示されているように撓むと、受信ファイバ４０８は第２の光路４０４から強度が変調された光を受信する。監視制御システム１０６におけるデコーダは変調を復号し、近接表面２０６の相対的な撓みを求める。監視制御システム１０６は近接表面２０６の撓み寸法（すなわち「ダイアフラム撓み」４１０）を第１の領域１１０と第２の領域１１２との間の圧力差に変換する。

図４の例においては、送信ファイバ４０６は光源からの光を第１の光ビームと第２の光ビームに分割する光学系、例えば回折装置を包含する。この回折装置は送信ファイバ４０６の出力側と接続されている。択一的に、音響的に位相シフトされた波長を用いる２つの送信ファイバが使用される。すなわち、第１の送信ファイバは第１の波長で第１の光ビームを送出し、第２の送信ファイバは第２の波長で第２の光ビームを送出する。受信ファイバ４０８における合成干渉パターンは常にシフトまたは移動する。近接表面２０６が静止している場合には、干渉パターンは一定の速度で移動する。近接表面２０６が移動すると、相応にシフトされた干渉パターンの速度が変化する。監視制御システム１０６におけるカウンタは一定の速度、すなわちダイアフラムの相対的な撓みをパターン変化に基づき復号する。監視制御システム１０６は近接表面２０６の撓み尺度を第１の領域１１０と第２の領域１１２との間の圧力差に変換する。

Ｖ．容量性近接センシング
図５は、センサ１０４が容量性センサ５０２を包含し、また近接表面２０６が接地されたプレート５０４を包含する圧力センサ１００の側面図を示す。接地されたプレート５０４は少なくとも部分的に、金属のような導電性材料から形成されている。容量性センサ５０２は接地されたプレート５０４からおよそ３００〜５００ｍｍの任意の個所に配置されている。空気のような気体は容量性センサ５０２と接地されたプレート５０４との間で誘電体のような役割を果たす。キャパシタンスは接地されたプレート５０４の容量性センサ５０２からの距離の関数である。ダイヤフラム１０２の撓みの変化によってキャパシタンスが変化する。監視制御システム１０６は例えば容量的な変化に対応する発振または変調を生じさせるタンク回路のような回路を包含する。発振または変調は接地されたプレート５０４に関する相対的な撓み寸法に変換される。監視制御システム１０６は接地されたプレート５０４の撓み寸法を第１の領域１１０と第２の領域１１２との間の圧力差に変換する。

圧力センサと共に使用されている容量性センサは本発明者には知られていないが、これらの容量性センサは公知の商用的に入手可能なものである。

ＶＩ．空気圧力計（エアゲージ）としての圧力計
圧力センサ１００は選択的に、空気流によって惹起される圧力変化を測定する空気圧力計として実施することができる。そのような空気圧力計は例えばリソグラフィのための近接センサおよびリソグラフィのためのトポグラフィマッピングにおいて有用であるが、これらに制限されるものではない。

図６は第１の脚６０２および第２の脚６０４を包含する空気系６００の正面図である。圧力センサ１００はボディ１０８内に位置決めされており、このボディ１０８は第１の脚６０２と第２の脚６０４との間のブリッジを形成する。ブリッジ１０８はＴ接続（T-Connection）によって第１の脚６０２および第２の脚６０４と接続されている。

図６の例においてＴ接続は実質的に直角のＴ接続である。しかしながら本発明は直角のＴ接続に制限されるものではない。本明細書に基づいて当業者であれば別の角度の接続を使用できることが分かるであろう。

第１の脚６０２および第２の脚６０４を通過する空気流が矢印で表されている。空気流によって領域１１０および１１２における圧力が低下する。第１の脚６０２内の空気流が第２の脚６０４内の空気流と異なる場合には、第１の領域１１０と第２の領域１１２との間に生じる圧力差によってダイアフラム１０２は圧力が低い方の領域にむかって撓む。初期較正に基づいて、監視制御システム１０６は第１の脚６０２と第２の脚６０４との間の空気流における相対的な差を求める。空気流における相対的な差を、例えば以下説明するようなリソグラフィ近接センシングに使用することができる。

ＶＩＩ．リソグラフィ近接センシング
図７は例えばリソグラフィに使用される近接センサ７００の正面図を示す。リソグラフィ近接センサは例えば全体を参照することにより本願明細書に取り入れられる、2002,12,19に出願されたU.S. 10/322,768、タイトル「High-Resolution Gas Gauge Proximity Sensor」に記載されている。また空気圧力計センサも、全体を参照することにより本願明細書に取り入れられる1990.9.4に発行されたBaradaによるU.S. 4,953,388、タイトル「Air Gauge Sensor」に記載されている。

図７において近接センサ７００は第１の脚６０２および第２の脚６０４を包含する。第１の脚６０２は測定プローブ７０２と接続されている。第２の脚６０４は基準プローブ７０８と接続されている。第１の脚６０２は測定脚であり、第２の脚６０４は基準脚である。測定プローブ７０２はウェハまたは他の作業表面７０４に隣接しており、これらの間には測定ギャップ７０６が設けられている。基準プローブ７０８は基準表面７１０に隣接しており、これらの間には基準ギャップ７１２が設けられている。

第１の脚６０２における空気流と第２の脚６０４における空気流は最初平衡が保たれており、したがって第１の領域１１０と第２の領域１１２との間に空気圧差は存在しない。測定ギャップ７０６が基準ギャップ７１２に相対的に変化すると、第１の脚６０２における空気流は第２の脚６０２における空気流に相対的に変化し、第２の領域１１２に相対的に第１の領域１１０における相応の圧力変化が生じる。圧力変化は上記の節において述べたようにして圧力センサ１００によって求められる。

択一的に基準脚６０４および基準プローブ７０８は基準圧力に置換される。例えば図８は基準脚６０４が基準圧力８０２に置換されている近接センサ８００を示す。基準圧力８０２は周囲圧力または制御された圧力でよい。

ＶＩＩＩ．結論
本発明を特定の機能およびこれらの性能の関係を表す機能的な構成要素を用いて説明した。これらの機能的な構成要素の範囲は本明細書では便宜性のために任意に規定されている。特定の機能およびこの関係が適切に実行されるのであれば、代替的な範囲を規定することができる。したがってそのようなあらゆる代替的な範囲は請求項に記載されている本発明の範囲および精神内にある。当業者であればこれらの機能的な構成要素が離散的なコンポーネント、アプリケーション固有の集積回路、プロセスの実行に適しているソフトウェアなど、またこれらの組合せによって実施できることを認識するであろう。

本発明の種々の実施形態を上記において説明したが、それらの実施形態は単に例示的に表されたものであり、本発明を制限するものではないと理解すべきである。したがって本発明の幅および範囲は上述のいずれの例示的な実施形態によっても制限されるべきではなく、請求項およびこれと等価のものとの関連においてのみ定義されるべきである。

ダイアフラム１０２およびセンサ１０４を包含する圧力センサ１００の側面図。 ダイアフラム１０２の正面図。 ダイアフラム１０２の実質的に剛性の外側部分２０２。 圧力差が存在する状態のように膨張して示されている内側部分２０４および近接表面２０６と実質的に剛性の外側部２０２を包含するダイアフラム１０２の側面図。 センサ１０４および監視制御システム１０６が白色光干渉計で実施されている圧力センサ１００の側面図。 センサ１０４および監視制御システム１０６が光学視射角センサで実施されている圧力センサの側面図。 センサ１０４は容量性センサ５０２を包含し、近接表面２０２は接地されたプレート５０４を包含する圧力センサ１００の側面図。 第１の脚６０２および第２の脚６０４を包含し、圧力センサ１００はこれらの脚間のブリッジに位置決めされているエアシステム６００の側面図。 例えばリソグラフィに使用される近接センサ７００として実施されている圧力センサ１００の側面図。 近接センサ８００として実施されている圧力センサ１００の側面図。

Claims (5)

1. 圧力センサにおいて、
   ダイアフラムであって、剛性の外側部分と、前記ダイアフラムの第１の側と第２の側との間の圧力差に応じて変位する変位可能な内側部分とを有するダイアフラムと、
   前記ダイアフラムに近接して配置されており、前記ダイアフラムの内側部分の前記変位をセンシングするセンサと、
   前記センサと接続されており、前記ダイアフラムの変位から前記圧力差を求める監視制御システムと、を備え、
   前記センサは、
   光送信モジュールと、
   前記光送信モジュールから送出された第１の光ビームを直接的に受信し、且つ前記光送信モジュールから送出され、前記ダイアフラムにおいて反射された第２の光ビームを受信する光センシングモジュールと、を備え、
   前記光送信モジュールは第１の送信ファイバおよび第２の送信ファイバを備え、前記第１の送信ファイバは第１の波長で前記第１の光ビームを出力し、前記第２の送信ファイバは第２の波長で前記第２の光ビームを出力し、前記第２の波長は前記第１の波長と異なっており、
   前記ダイアフラムの変位は、前記第１の光ビームおよび前記第２の光ビームから形成された干渉パターンの速度を変化させ、
   前記監視制御システムは、前記ダイアフラムの変位を前記干渉パターンの速度の変化から復号するカウンタを備える、
   圧力センサ。
2. 前記ダイアフラムは２５．４〜１２７Ｐａの範囲の圧力変化を感知する、
   請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記ダイアフラムの内側部分の第１の側に光学反射性コーティングを備え、前記センサは前記光学反射性コーティングによって光学的に調整された光学的な送信器および光学的な受信器を有する、
   請求項１又は２に記載の圧力センサ。
4. 前記センサは干渉計を備える、
   請求項３に記載の圧力センサ。
5. 前記センサは白色光干渉計を備える、
   請求項３に記載の圧力センサ。

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