KR101875415B1 - 용량성 측정 시스템을 위한 능동 실드 - Google Patents

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Abstract

타겟에 대한 측정된 위치 또는 거리를 나타내는 측정 신호를 생성하기 위한 용량성 측정 시스템이 개시된다. 상기 시스템은 제 1 회로를 포함하고, 제 1 회로는, 측정된 위치 또는 거리에 의존하여 센서 커패시턴스를 제공하도록 배열된 박막 용량성 센서(1a); 센서 와이어(31a) 및 동축 실드 도전체(32a)를 포함하는 케이블(30a) ― 케이블은 원격 단부 및 로컬 단부를 갖고, 센서 와이어는 케이블의 로컬 단부에서 용량성 센서에 전기적으로 접속됨 ― ; 케이블의 원격 단부에서 센서 와이어에 접속된 출력 단자를 갖고, 용량성 센서에 에너지를 공급하고, 센서 와이어와 근본적으로 동일한 전압으로 실드 도전체에 에너지를 공급하는 전압 소스(24a); 및 제 1 입력 단자 및 제 2 입력 단자 및 출력 단자를 갖는 전류 측정 회로(21a) ― 전류 측정 회로는 전압 소스의 출력 단자에 접속된 제 1 입력 단자 및 케이블의 원격 단부에서 센서 와이어에 접속된 제 2 입력 단자와 직렬로 접속되고, 전류 측정 회로는 센서 와이어에서 흐르는 전류를 측정하고 측정 신호를 출력 단자에서 생성하도록 배열됨 ― 를 갖는다.

Description

용량성 측정 시스템을 위한 능동 실드{ACTIVE SHIELD FOR CAPACITIVE MEASUREMENT SYSTEM}
본 발명은 거리를 측정하기 위한 용량성 센서에 관한 것이며, 특히, 리소그래피 장치에서 타겟까지의 거리를 측정하기 위한 용량성 센서에 관한 것이다.
많은 애플리케이션들에서, 전류를 매우 정확하게 측정하는 것은 중요하다. 예를 들면, 하전된 입자 및 광학 리소그래피 머신들 및 조사 머신들은, 예를 들면, 통상적으로 상기 머신의 마지막 렌즈 엘리먼트로부터 노출 또는 조사될 웨이퍼 또는 다른 타겟의 표면까지의 거리의 매우 정확한 측정을 요구한다. 가동 부분들을 갖는 이러한 머신들 및 다른 것들은 가동 부분으로부터 기준점까지의 거리를 측정함으로써 달성될 수 있는 다양한 부분들의 정밀한 정렬을 종종 요구한다. 용량성 센서들은 미세한 위치 또는 거리 측정을 요구하는 그러한 애플리케이션들에서 사용될 수 있다. 용량성 센서에 에너지가 공급될 때, 전류는 센서를 통해 흐르고, 이것은 센서 엘리먼트와 반대 표면 사이의 거리에 의존하여 변동한다. 이러한 전류의 정밀한 측정은 측정되는 거리를 정확히 결정하는데 사용될 수 있다.
전류를 측정하기 위해, 입력으로 측정될 전류를 갖고, 종종 추가로 프로세싱되고 디지털 신호로 변환될 수 있는 전압 형태의 출력으로서 측정 신호를 제공하는 측정 회로가 사용될 수 있다. 그러한 측정 회로들에서 에러들에 기여하는 몇몇의 요인들이 존재한다. 이들은 측정 회로의 입력 회로 내의 부유(stray) 임피던스, 입력 회로의 제한된 CMRR(common mode rejection ratio), 및 공통 모드와는 관계없이 측정 회로의 전달 함수에 대한 부정확성을 포함한다. 그러한 부유 임피던스의 값은, 예를 들면, 온도와 같은 요인들에 의존하여 변동할 수 있고, 입력 상의 외란들(disturbances)은 또한 시간에 따라 변할 수 있다. 이것은 이러한 효과들을 보상하는 것을 어렵게 만든다.
용량성 센서들을 구동시키고, 센서들이 위치되는 부적당한 환경 또는 전자 측정 회로들을 센서들에 가깝게 위치시키기에 적절한 장소의 부족으로 인해 센서들로부터 멀리 떨어져 바람직한 측정 신호들을 생성하기 위해 사용되는 전자 측정 회로들을 위치시키는 것이 종종 필요하다. EUV 및 하전된 입자 시스템들과 같은 현대의 리소그래피 애플리케이션들에서, 센서들은 통상적으로 오염물들 및 외부의 외란들에 매우 민감한 진공 환경에 위치되고, 이것은 센서들이 진공 환경에 위치되는 경우에 전자 회로들로부터의 열 제거에 따른 문제점들을 생성하고, 그러한 회로들에 대한 유지 보수를 위한 접근을 방해한다.
센서들과 원격으로 위치된 구동 및 측정 회로들 사이의 와이어링 접속들은 기생 커패시턴스를 그 시스템에 도입하고, 이것은 센서의 판독에 영향을 준다. 측정 회로들이 센서 프로브에 위치될 수 있는 경우에, 센서 전류는 직접적으로 및 정확하게 측정될 수 있다. 케이블링 시스템의 의해 도입된 이러한 병렬 기생 커패시턴스들로 인해, 센서 내의 전류 흐름의 측정은 원격으로 위치된 측정 회로들을 갖는 시스템들에서 종종 회피된다. 종래의 해결책들은, 일반적으로 결합된 센서 및 와이어링 시설을 교정함으로써 고려될 필요가 있는 측정 에러들을 도입한다. 와이어링 접속이 더 길어질수록, 이러한 문제점들이 더 심각해진다.
센서 와이어링과 결합한 센서들을 교정하기 위한 요건은 센서 시스템들을 설계 및 구축하는데 있어서 유연성을 감소시키고 그들의 비용을 증가시키고, 이것은 센서 또는 센서의 와이어링이 교체될 때마다 재교정을 위한 요건을 부가하여, 그러한 대체가 복잡하고, 시간을 소비하고 비용이 많이 들게 만든다.
본 발명은 타겟에 대한 측정된 위치 또는 거리를 나타내는 측정 신호를 생성하기 위한 개선된 용량성 측정 시스템을 제공하기 위해 위의 단점들을 해결 또는 감소시키려고 한다. 상기 시스템은 제 1 회로를 포함하고, 제 1 회로는, 측정된 위치 또는 거리에 의존하여 센서 커패시턴스를 제공하도록 배열된 박막 용량성 센서; 센서 와이어 및 동축 실드 도전체를 포함하는 케이블 ― 케이블은 원격 단부 및 로컬 단부를 갖고, 센서 와이어는 케이블의 로컬 단부에서 용량성 센서에 전기적으로 접속됨 ― ; 케이블의 원격 단부에서 센서 와이어에 접속된 출력 단자를 갖고, 용량성 센서에 에너지를 공급하고, 센서 와이어와 근본적으로 동일한 전압으로 실드 도전체에 에너지를 공급하는 전압 소스; 및 제 1 입력 단자 및 제 2 입력 단자 및 출력 단자를 갖는 전류 측정 회로 ― 전류 측정 회로는 전압 소스의 출력 단자에 접속된 제 1 입력 단자 및 케이블의 원격 단부에서 센서 와이어에 접속된 제 2 입력 단자와 직렬로 접속되고, 전류 측정 회로는 센서 와이어에서 흐르는 전류를 측정하고 측정 신호를 출력 단자에서 생성하도록 배열됨 ― 를 포함한다.
상기 시스템의 구성은 거리들 및 위치들의 매우 정밀한 측정치를 생성할 수 있는 저가의 시스템을 제공한다. 센서에 대한 박막 구성의 사용은 저가 제조 기술들의 사용을 가능하게 하고, 종래의 용량성 센서들의 고가의 정밀 제조를 회피한다. 더 복잡한 전류 소스 대신에 용량성 센서에 에너지를 공급하기 위한 전압 소스의 사용은 측정의 정확성을 희생하지 않고 비용 및 회로의 복잡성을 감소시킨다. 능동 실드를 갖는 접속 케이블을 사용하는 구성은 전자 회로들(예를 들면, 전압 소스 및 전류 측정 회로)이 센서로부터 원격으로 위치되는 것을 가능하게 한다. 센서 위치에서 공간의 부족으로 인해 또는 다른 제한적인 상황들로 인해 그러한 전자 회로들을 센서들에 가깝게 놓는 것이 종종 어렵기 때문에, 이것은 중요하다. 전압 소스 및 전류 측정 회로의 배열, 및 케이블 및 센서에 대한 그들의 접속들은, 종래의 해결책들에서 발견된 측정 에러의 소스들을 감소시키거나 제거하는 간단한 배열로, 센서 및 측정 회로를 접속하는 케이블 시스템에 의해 유입되는 기생 커패시턴스들의 효과들을 무효화하기 위한 수단을 제공한다. 이러한 요인들은 리소그래피 또는 다른 형태의 복잡한 시스템 내의 많은 가동 엘리먼트들의 위치의 저가이지만 정밀한 측정 및 제어를 산출하기 위해 많은 상황들에 적용될 수 있는 위치/거리 측정 시스템을 발생시킨다.
측정 시스템의 센서 와이어 및 실드 도전체는 동축 케이블의 엘리먼트들일 수 있고, 센서 와이어는 동축 케이블의 코어 도전체를 포함하고, 실드 도전체는 동축 케이블의 외부 도전체를 포함한다. 동축 케이블은, 실드 도전체와 동축이고 실드 도전체 주변에, 접지된 외부 실드 도전체를 더 포함하는 삼축 케이블일 수 있다.
측정 시스템은 제 2 용량성 센서, 제 2 센서 와이어 및 제 2 실드 도전체를 포함하는 제 2 케이블, 제 2 전압 소스 및 제 2 전류 측정 회로를 포함하는 제 2 회로를 더 포함할 수 있고, 제 2 회로는 제 1 회로와 동일한 방식으로 배열되고, 전압 소스 및 제 2 전압 소스는, 용량성 센서 및 제 2 용량성 센서에 차동 쌍 배열로 에너지를 공급하기 위해 서로에 대해 180 도 위상이 다른 전압들을 생성한다.
측정 시스템의 전압 소스는 삼각형 AC 전압 파형을 생성하도록 구성될 수 있고, 전압 소스는 일정한 주파수, 일정한 진폭 및 일정한 기울기의 교번하는 포지티브 및 네가티브 슬로프를 갖는 파형을 생성하도록 추가로 구성될 수 있다.
측정 시스템은 전압 소스에 의해 센서 와이어 및 실드 도전체에 공급되는 전압들은 근본적으로 동일하도록 구성될 수 있다. 실드 도전체는 전압 소스의 출력에 직접적으로 접속될 수 있다. 측정 시스템은 실드 도전체를 구동시키고 실드 도전체를 센서에 연결하도록 구성될 수 있어서, 센서 와이어 상의 전압이 실드 도전체 상의 전압에 따르게 한다. 이것은, 센서 와이어가 구동되고 센서 와이어 상의 전압이 실드 도전체로 복제되는 종래의 배열의 반전이다.
측정 시스템은 전압 소스와 전류 측정 회로 사이에 직렬로 접속된 실드 구동기를 더 포함할 수 있다. 실드 구동기의 출력은 센서 와이어 및 실드 구동기를 근본적으로 동일한 전압으로 구동시키기 위해 실드 도전체에 직접적으로 접속될 수 있다.
본 발명은 또한 용량성 측정 시스템을 제공하고, 상기 시스템은 용량성 센서로의 접속을 위한 센서 와이어를 포함하는 케이블 ― 케이블은 또한 실드 도전체를 가짐 ― ; 센서 와이어 및 실드 도전체에 에너지를 공급하기 위한 전압을 공급하기 위한 전압 소스; 센서 와이어에서 흐르는 전류를 측정하기 위해 전압 소스와 센서 와이어 사이에 직렬로 접속된 전류 측정 회로; 및 전압 소스와 전류 측정 회로 사이에 직렬로 접속되고, 그 출력이 직접 실드 도전체에 접속된 실드 구동기를 포함하고, 여기서 상기 시스템은 실드 구동기가 실드 도전체를 직접적으로 구동시키고, 전류 측정 회로를 통해 센서 와이어를 구동시키도록 구성된다.
또 다른 양상에서, 본 발명은 위의 시스템에서 사용하기 위한 커패시턴스 측정 배열을 포함하고, 상기 배열은 전압 소스; 전압 소스의 출력에 접속된 제 1 단자를 갖는 전류 측정 회로; 센서 케이블의 센서 와이어를 상기 전류 측정 회로의 제 2 단자에 직접적으로 접속하기 위한 접속점; 및 센서 케이블의 실드 도전체를 전압 소스의 출력에 직접적으로 접속하기 위한 접속점을 포함한다.
또 다른 양상에서, 본 발명은 커패시턴스를 측정하기 위한 방법을 포함하고, 상기 방법은 용량성 센서를 센서 와이어의 제 1 단부에 접속하는 단계; 전기 외란들로부터 센서 와이어를 차폐시키기 위해 적응된 실드 도전체(32a)를 제공하는 단계; 센서 와이어의 제 2 단부 및 실드 도전체에 교류 전압을 공급하는 단계; 및 센서 와이어에 흐르는 전류를 측정하는 단계를 포함한다.
또 다른 양상에서, 본 발명은 제 1 신호 및 제 2 반전 신호를 포함하는 차동 측정 신호를 프로세싱하기 위한 측정 회로를 제공하고, 상기 회로는 복수의 위상 오프셋 기준 신호들을 생성하기 위한 제 1 회로; 및 제 1 샘플 출력을 생성하기 위해, 제 1 포지티브 사이클 동안에 제 1 신호를 샘플링하고 제 2 포지티브 사이클 동안에 제 2 반전 신호를 샘플링하기 위한 제 1 샘플링 회로를 포함한다. 차동 측정 신호의 피크 진폭을 나타내는 제 1 측정 신호를 생성하기 위해 제 1 샘플 출력을 필터링하기 위한 제 1 저대역 통과 필터가 제공될 수 있다. 측정 회로는 제 2 샘플 출력을 생성하기 위해, 제 1 네가티브 사이클 동안에 제 2 반전 신호를 샘플링하고 제 2 네가티브 사이클 동안에 제 1 신호를 샘플링하기 위한 제 2 샘플링 회로를 부가적으로 포함할 수 있다. 차동 측정 신호의 피크 진폭을 나타내는 제 2 측정 신호를 생성하기 위해 제 2 샘플 출력을 필터링하기 위한 제 2 저대역 통과 필터가 제공될 수 있다.
측정 회로는 제 1 측정 신호 및 제 2 측정 신호를 감산하기 위한 회로를 포함할 수 있다. 제 1 샘플링 회로는 상기 차동 측정 신호의 사이클 중 종료 부분 동안에 차동 측정 신호를 샘플링하도록 구성될 수 있다.
본 발명은 또한 웨이퍼를 운반하기 위한 스테이지, 투사 렌즈 엘리먼트, 및 웨이퍼와 투사 렌즈 엘리먼트 사이의 거리를 측정하도록 구성된 용량성 센서를 포함하는 리소그래피 머신을 제공하고, 상기 머신은 상술된 바와 같은 용량성 감지 시스템을 더 포함한다. 리소그래피 머신은 또한 상술된 바와 같은 측정 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 양상들은 도면들에 도시된 실시예들을 참조하여 추가로 설명될 것이다.
도 1은 용량성 센서 프로브 및 접지된 도전성 타겟의 도면이다.
도 2는 비-접지된 타겟과의 차동 측정 배열 내의 2 개의 용량성 센서 프로브들의 도면이다.
도 3은 전압 소스 및 전류 측정 회로와 결합한 능동 가딩 회로 및 동축 케이블의 도면이다.
도 4는 차동 센서 쌍 배열 내의 센서 와이어 및 실드 도전체 모두를 구동시키는 실드 구동기 및 전압 소스를 갖는 측정 회로의 블록이다.
도 5는 전압 소스들에 통합된 실드 구동기들을 갖는 도 4의 측정 회로의 변형예의 도면이다.
도 6은 도 4 또는 도 5의 측정 회로에 대해 사용되는 삼축 케이블의 도면이다.
도 7a는 용량성 센서를 구동시키기 위한 삼각형 AC 전압 파형의 도면이다.
도 7b는 도 7a의 삼각형 잔압 파형으로부터 발생하는 이상적인 AC 전류 파형의 도면이다.
도 7c는 도 7a의 삼각형 전압 파형으로부터 실제로 발생하는 AC 전류 파형의 도면이다.
도 8은 삼축 센서 케이블에 접속된 박막 용량성 센서의 단면도이다.
도 9a는 박막 용량성 센서 쌍의 단면도이다.
도 9b는 도 9a의 박막 용량성 센서 쌍의 상면도이다.
도 10은 하전된 입자 리소그래피 머신에서 거리 측정을 위해 구현되는 용량성 센서들 및 측정 회로의 간략한 도면이다.
도 11은 가동 부분들의 위치 측정을 위한 다수의 세트들의 박막 용량성 센서들을 갖는 모듈형 리소그래피 시스템의 간략도이다.
도 12는 입력 전압 외란이 전력 공급기에 공급되는 전류 측정 회로의 간략한 기능도이다.
도 13은 전압 소스에 의해 구동되는 로드를 갖는 도 12의 전류 측정 회로의 간략도이다.
도 14는 연산 증폭기로 구현되는 전류 측정 회로의 간략도이다.
도 15는 용량성 센서로부터 전류를 측정하기 위한 도 14의 전류 측정 회로의 간략도이다.
도 16a 내지 도 16c는 도 13 내지 도 15의 전류 측정 회로에 대한 신호들의 파형도들이다.
도 17은 전류 측정 시스템의 일 실시예의 간략한 회로도이다.
도 18의 a 내지 k는 도 17의 회로에서 생성되는 파형들의 예들이다.
도 19는 전류 측정 회로에 대한 전자 회로들의 레이아웃의 간략한 블록도이다.
다음은 단지 예로서 제공되고 도면들을 참조한 본 발명의 다양한 실시예들의 설명이다.
용량성 센서는 2 개의 도전성 표면들 사이의 설정된 균질한 전기장을 사용한다. 단거리들에 걸쳐, 인가된 전압은 표면들 사이의 거리에 비례한다. 단일-플레이트 센서들은 단일 센서 플레이트와 전기적으로 도전성 타겟 표면 사이의 거리를 측정한다.
도 1은 접지된 도전성 타겟(2)의 위치 또는 도전성 타겟(2)까지의 분리 거리를 측정하는 단일 용량성 센서 프로브(1)를 도시한다. AC 전류가 인가될 때, 전류는 센서-타겟 커패시턴스(4)를 통해 센서로부터 타겟으로, 및 타겟-접지 임피던스(5)를 통해 타겟으로부터 접지로 경로(3)를 따라 흐를 것이다. 센서에 걸친 전압은 센서 프로브 및 타겟의 표면을 분리하는 거리에 의존하여 변동할 것이고, 이러한 전압을 측정하는 것은 타겟 위치 또는 센서 프로브로부터 타겟까지의 거리의 측정을 제공할 것이다. 측정의 정확성은 센서가 센서-타겟 커패시턴스(4)를 얼마나 정확하게 측정할 수 있는지에 의존한다.
도 2는 타겟(2)의 위치 또는 타겟(2)까지의 분리 거리의 차동 측정에 대한 2 개의 용량성 센서 프로브들(1a 및 1b)의 배열을 도시한다. 센서들에는 180 도의 위상 오프셋을 갖는 AC 전류가 공급되어, 전류가 센서-타겟 커패시턴스(4a)를 통해 하나의 센서로부터 타겟으로, 및 다른 센서-타겟 커패시턴스(4b)를 통해 타겟으로부터 다른 센서로 경로(6)를 따라 흐를 것이다. 위상이 다른(out-of-phase) 신호들로 2 개의 센서들을 구동시키기 위한 이러한 배열은 타겟을 통해 접지로의 전류의 흐름을 회피하기에 효과적이고, 접지 임피던스에 대한 타겟의 효과를 최소화한다. 이것은 접지된 복귀 경로를 필요로 하지 않고 전류가 하나의 센서로부터 다른 것으로 흐르도록 허용하기 때문에, 접지되지 않은 타겟에 대해 또한 유용하다.
용량성 센서에는 AC 전압 소스 또는 AC 전류 소스에 의해 에너지가 공급될 수 있고, 센서에 걸친 결과적인 전압 또는 센서를 통한 전류가 측정된다. 생성된 측정 신호는 센서의 센서-투-타겟 커패시턴스에 의존한다. 시스템은 측정 커패시터로 교정되고 전류/전압을 측정하도록 교정될 수 있다.
용량성 센서들이 통상적으로 산업 애플리케이션들에서 적용되는 환경은 종종 용량성 센서들을 구동시키기 위해 전류 또는 전압 소스 및 센서들로부터의 신호들을 프로세싱하기 위한 측정 회로들에 대해 부적절한 위치에 있다. 결과적으로, 구동 소스 및 측정 회로들은 통상적으로 센서들로부터 원격으로 위치되어, 센서로의 케이블 접속을 요구한다. 센서들과 원격 회로들 사이의 케이블 접속은, 케이블이 짧을 때조차도 시스템에서 부가적인 바람직하지 않은 커패시턴스들을 유발할 수 있다.
도 3은 그러한 케이블 접속 및 케이블에 의해 센서 시스템에 도입된 커패시턴스들을 도시한 도면이다. 센서-투-타겟 커패시턴스(4)는 측정될 커패시턴스(또한, 센서 커패시턴스로서 지칭됨)이고, 이것은 센서와 타겟 사이의 거리에 의존한다. 케이블(30)은 중심 도전체(31) 및 동축 실드 도전체(32)를 포함하고, 케이블은 센서 와이어(31)와 실드(32) 사이에 케이블 커패시턴스로서 지칭되는 부유 커패시턴스(36), 및 실드(32)와 접지 사이에 부유 접지 커패시턴스(37)를 도입한다.
전압 소스(20)는 전류 측정 회로(21)를 통해 센서 와이어(31)의 하나의 단부에 접속되고, 용량성 센서의 측정 전극은 센서 와이어의 다른 단부에 접속된다. 전압 소스(20)는 용량성 센서(1)에 에너지를 공급하기 위해 AC 전압을 공급하고, 전류 측정 회로(21)는 용량성 센서(1)를 통해 센서 와이어(31)에서 흐르는 전류를 측정한다. 센서 와이어(31)를 통해 흐르는 전류는 센서 커패시턴스(4)에 의존하여 변동하고, 센서 커패시턴스는 센서에 의해 측정되는 거리에 의존하여 변동한다.
센서 와이어(31)에서 흐르는 전류는 센서 커패시턴스(4)를 통해 흐르는 전류로 인한 컴포넌트 및 또한 케이블 커패시턴스(36)를 통해 흐르는 전류로 인한 컴포넌트를 포함할 것이다. 케이블 커패시턴스(36)는 센서 커패시턴스(4)와 비교하여 작어야 하는데, 왜냐하면 큰 부유 커패시턴스들은 측정되도록 요구되는 센서 커패시턴스를 통해 흐르는 전류와 비교하여 부유 커패시턴스들을 통해 흐르는 전류의 비율을 증가시키고, 측정의 민감도를 감소시키기 때문이다. 그러나, 케이블 커패시턴스는 통상적으로 크고, 센서 시스템 민감도에 대해 불리한 효과를 갖는다.
케이블 커패시턴스의 효과를 최소화하기 위해 능동 가딩(active guarding)이 사용될 수 있다. 도 3은 센서 와이어(31)의 단부에 접속된 입력 및 실드(32)에 접속된 출력을 갖는 단위 이득 증폭기/버퍼를 포함하는 실드 구동기(24)를 갖는 종래의 배열을 도시한다. 실드 구동기(24)는 센서 와이어(31) 상에 존재하는 것과 (근본적으로) 동일한 전압으로 실드(32)에 에너지를 공급한다. 센서 와이어(31) 및 실드 도전체(32)가 그들에 대해 거의 동일한 전압을 갖기 때문에, 그들 사이에 단지 작은 전압 차이가 존재하고, 작은 전류만이 케이블 커패시턴스(36)를 통해 흐르고, 도전체들 사이의 케이블 커패시턴스(36)의 효과가 감소된다. 실제로, 실드 구동기의 이득만이 1.0의 이득에 접근하고, 이득에서 약간의 편차가 예상되어야 한다. 이득에서 임의의 그러한 편차는 실드(32)와 센서 와이어(31) 사이에서 작은 전압 차이를 발생시켜서, 케이블 커패시턴스(36)에 걸쳐 전압이 존재한다. 이것은 커패시턴스(36)를 통한 전류 흐름을 발생시키고, 센서 시스템의 민감도를 감소시킨다. 긴 케이블(더 높은 케이블 커패시턴스들을 가짐) 및 더 높은 측정 주파수들에 대해, 이러한 배열은 훨씬 덜 효과적이게 된다.
부유 케이블-투-접지 커패시턴스(37)를 통한 전류 흐름은 실드 구동기(24)에 의해 공급된다. 실드 구동기(24)로의 입력 전류는 전류 측정 회로(21)에 의해 측정되는 전류에 기여하여, 에러를 발생시킬 것이지만, 실드 구동기는 높은 입력 임피던스를 갖고, 실드 구동기의 입력 전류는 비교적 작아서, 결과적인 에러가 작다. 그러나, 긴 케이블들 및 더 높은 측정 주파수들에 대해, 이러한 배열은 실현하기 어렵다. 실드 구동기는 또한 약간의 입력 커패시턴스를 갖고, 이것은 부가적인 전류를 인출할 것이다. 측정되는 커패시턴스는 센서 커패시턴스(4) 및 이러한 부가적인 에러 커패시턴스들의 합산, 실드 드라이버(24)의 입력 커패시턴스, 및 부유 커패시턴스(36)에 의해 곱셈된 실드 구동기(24)의 단위 이득으로부터의 편차이다.
측정 에러는 도 4에 도시된 바와 같은 회로를 재배열함으로써 감소될 수 있다. 이러한 배열은 차동 쌍 배열에서 2 개의 용량성 센서들을 구동시키기 위한 것이다. 타겟(또는 타겟의 부분)이 도전체가 아니거나 그렇지 않다면 접지로부터 분리되는 위치 측정 시스템들에서, 제 2 센서 및 반전된 구동기를 갖는 제 2 측정 회로는 도 4에 도시된 바와 같은 차동 쌍 배열에서 사용될 수 있다.
전압 소스(20a)의 출력은 실드 구동기(24a)의 입력에 접속되고, 실드 구동기(24a)의 출력은 전류 측정 회로(21a)의 하나의 단자에 접속되고, 측정 회로(21a)의 다른 단자는 센서 와이어(31a)에 접속된다. 전압 소스(20b), 실드 구동기(24b), 전류 측정 회로(21b) 및 센서 와이어(31b)에 대해 동일한 배열이 사용된다. 전압 소스들(20a, 20b)은 서로에 대해 180 도만큼 위상 오프셋된 AC 전압 파형들을 생성한다. 타겟은 2 개의 센서 커패시턴스들(4a 및 4b)을 통해 2 개의 센서들(1a 및 1b) 사이에서 교류를 도통시킨다. 타겟은 2 개의 측정 시스템들에 대한 가상 접지와 같이 작동하고, 센서 커패시턴스들(4a 및 4b)이 동일한 경우, 이것이 최적이다. 타겟의 전위는, 2 개의 전류 측정들(22a 및 22b) 사이의 차이가 계산될 때 공통 모드 외란으로서 제거될 것이다.
실드 구동기의 입력을 전류 측정 "전의(before)" 포인트로 이동시키는 것은 커패시턴스 측정으로부터 실드 구동기의 입력 커패시턴스를 생략하고, 따라서 측정으로부터 에러의 이러한 컴포넌트를 제거한다. 이것은 또한 실드 도전체로의 실드 구동기 출력의 피드 포워드로서 보일 수 있다. 전압 소스 출력은 여전히 센서 와이어로 전송되고, 또한 실드 도전체를 로딩하기 위해 센서 와이어 전압을 버퍼링하는 대신에 실드 도전체를 구동시키기 위해 직접적으로 접속된다. 전압 소스와 측정 회로 사이에서 실드 구동기를 직렬로 접속하는 것은 실드 구동기의 단위 이득으로부터의 편차에 의해 발생되는 에러를 제거하는 부가적인 이점을 갖는데, 왜냐하면 실드 구동기 출력은 센서 와이어(측정 회로를 통해) 및 실드 도전체 모두에 접속된다.
도 5는 도 4에서와 동일한 구성을 갖지만 별개의 실드 구동기(24a/24b)가 생략되고, 이러한 기능이 시스템 내의 모든 커패시턴스들을 구동시키기 위해 전압 소스(20a/20b)와 통합된 추가적인 개선예를 도시한다. 이러한 배열은 센서 와이어 및 실드 도전체 모두에 대해 동일한 구동기를 사용하고, 센서 와이어에서 흐르는 전류를 측정한다. 결과적인 시스템은 종래의 배열들에서 존재하는 측정 에러의 소스들을 제거하면서 간단함으로 달성한다.
도 4 및 도 5의 배열은 센서 와이어(31)와 실드 도전체(32) 사이의 임의의 전압 차이를 효과적으로 제거하여, 케이블 커패시턴스(36)에 걸쳐 무시할 만한 전압이 존재한다. 이것은 케이블 커패시턴스(36)를 통한 전류를 효과적으로 제거하고, 회로(21)에 의해 측정되는 전류는 실질적으로 단지 센서 커패시턴스(1)를 통한 전류이다. 전류 측정 회로의 입력 임피던스는, 센서 와이어 및 실드 도전체에 공급되는 전압들이 거의 동일하도록 충분히 낮게 형성된다.
실드(32)와 접지 사이의 커패시턴스(37)를 통한 전류는 전압 소스(20) 또는 별개의 실드 구동기(24)로부터 공급되고, 이러한 전류는 측정되는 전류의 부분을 형성하지 않고, 전압 소스의 출력에서 전압에 대해 2차 효과만을 갖는다. 실드 구동기의 단위 이득으로부터의 임의의 편차 및 실드 구동기의 입력 커패시턴스의 효과 모두가 이러한 배열에서 제거된다.
사실상, 도 4 및 도 5의 배열은 실드 도전체(32)를 구동시키고 실드를 센서 와이어(31)에 연결하게 하여, 센서 와이어 상의 전압이 실드 상의 전압을 따른다. 이것은, 센서 와이어가 구동되고 센서 와이어 상의 전압이 실드 도전체로 복제되는 종래의 배열의 반대이다. 이러한 설계에서, 초점은 기생 커패시턴스들로 인한 전류 누설을 고려하면서 센서를 통한 전류를 측정하는 것(및 이로써 센서 커패시턴스 및 거리 값을 측정하는 것)에 주로 관련된 것으로부터, 실드 도전체 전압을 스티어링함으로써 정확한 센서 전류 측정을 위한 적절한 환경을 제공하는 것에 주로 집중하는 것으로 변경되고, 이것이 주요 문제점이라는 것을 인식하고 센서 전류가 덜 문제가 되도록 측정한다.
접지된 외부 실드 도전체는 또한 잡음의 임의의 인근의 소스들로부터의 간섭을 감소시키기 위해 도 4 및 도 5의 구성들에 부가될 수 있다. 도 6은 (내부) 실드 도전체(32a) 주변에 배치된 접지된 외부 실드 도전체(33a)를 갖는 케이블(30a)을 도시한다. 이러한 실시예에서, 케이블은 삼축 케이블이고, 접지된 실드(33a)는 최외주부 도전체를 형성한다. 접지된 실드는 케이블의 원격 단부에서, 예를 들면, 측정 회로(21a) 근처에서 별개의 접지에 접속되는 것이 바람직하다. 이러한 접지는 실드 접지이고, 센서에서의 임의의 접지에 접속되지 않는 것이 바람직하다. 다른 인근의 시스템들과의 간섭은 위에서 설명된 바와 같이 각각의 케이블 둘레의 접지된 실드를 사용하여, 또는 케이블들(30a 및 30b) 양자의 둘레에 단일 접지된 실드를 배치함으로써 감소될 수 있다.
종래의 용량성 감지 시스템들은 종종 전류 소스를 사용하여 센서들을 구동시키고, 센서 커패시턴스에 걸친 결과적인 전압을 측정한다. 본 발명은, 예를 들면, 도 4 내지 도 6에 도시된 구성에서, 전압 소스 및 전류 측정을 사용한다. 전압 소스는, 도 7a에 도시된 바와 같이, 일정한 피크 진폭, 일정한 주파수, 및 일정한 기울기의 교번하는 포지티브 및 네가티브 슬로프를 갖는 AC 삼각형 전압 파형을 생성하는 것이 바람직하지만, 다른 파형들이 또한 사용될 수 있다. 5 V 피크-투-피크의 진폭 및 500 kHz의 주파수가 통상적인 값들이다. 전압 소스는 바람직하게는 가변 로드 조건들 하에서 일정한 진폭 출력을 달성하기 위해 낮은 출력 임피던스를 갖고, 예를 들면, 높은 전류 연산 증폭기(op-amp)를 사용하여 구현될 수 있다.
실드 구동기는 바람직하게는 낮은 출력 임피던스를 갖는 연산 증폭기로서 구현될 수 있다. 실드 구동기는 위에 설명된 바와 같이 센서 와이어 및 실드 도전체 모두를 구동시키기 위해 전압 소스에 통합될 수 있다.
삼각형 전압 소스 파형의 예가 도 7a에 도시되고, 이것은 이상적으로 도 7b에 도시된 바와 같은 구형파 전류 파형을 생성하고, 여기서 전류 파형의 진폭은 측정된 커패시턴스에 의존하여 변동한다. 실제로, 삼각형 전압 파형은 도 7c에 도시된 파형에 가까운 불완전한 전류 파형을 발생시킨다. 전류 측정 회로(21)는, 전류 파형에서 그러한 가변 불완전성들의 효과를 감소시키기 위해, 진폭이 안정화되는 파형의 일부에서 각각의 절반-사이클의 단부 근처에서 전류 파형의 진폭을 측정하도록 구성된다. 전류 측정 회로(21)는 바람직하게는 낮은 입력 임피던스, 높은 정확성 및 낮은 왜곡을 갖는 전류-전압 변환기일 수 있다.
용량성 센서는 미국 특허 출원 일련 번호 제 12/977,240 호에 기재된 바와 같은 종래의 용량성 센서 또는 박막 구조일 수 있고, 상기 출원은 그로 인해 그 전체 내용이 인용에 의해 포함된다. 도 8은 용량성 센서, 이러한 예에서, 개재된 박막 절연층들(45)을 갖는 박막 도전층들로부터 형성된 전극들(41, 42, 43)을 포함하는 박막 센서(40)로의 삼축 케이블(30)의 접속들을 예시한다. 센서 와이어(31)는 센서의 감지 전극(41)에 접속되고, 실드 도전체(32)는 후방 가드 전극(42)에 접속되고, 접지된 외부 실드 도전체는 실드 전극(43)에 접속된다. 유사한 접속 방식이 동축 케이블 및 다른 형태들의 센서들에서 사용될 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 차동 센서로서 사용될 수 있는 단일 통합 유닛으로서 구성된 센서 쌍의 예시적인 실시예를 도시한다. 이러한 실시예들에서, 통합 유닛은 2 개의 센서들(40a 및 40b)을 포함하고, 이들 각각은 별개의 감지 전극(41a, 41b) 및 별개의 후방 가드 전극(42a, 42b)을 갖는다. 센서 쌍의 2 개의 센서들은 센서 쌍과 통합된 단일 실드 전극(43)을 공유하거나, 또는 대안적으로 센서 쌍이 고정되는 도전성 플레이트(46)는 실드 전극으로서 역할을 할 수 있다. 2 개의 센서들(40a, 40b)은 본원에 기재된 바와 같이 차동 쌍으로서 동작되는 것이 바람직하고, 여기서 각각의 센서는 센서 쌍의 다른 센서로부터 위상이 다른, 바람직하게는 180 도 위상이 다른 전압 또는 전류에 의해 구동되고, 공통 모드 에러들을 소거하기 위해 차동 측정이 이루어진다.
도 9b는 센서 쌍의 상면도를 도시한다. 후방 가드 및 감지 전극들은, 예를 들면, 리소그래피 머신의 마지막 렌즈 엘리먼트 둘레의 코너 위치들에 맞추도록 설계된 라운딩된 사변형 형상으로 형성된다. 전극들은 또한 대형 영역 감지 전극들을 생성하기 위해 원형 형상들로 형성될 수 있다.
위의 배열들에 대한 많은 대안들이 가능하다. 예를 들면, 동축, 삼축 또는 4 개 이상의 도전체들을 갖는 케이블이 사용될 수 있다. 예를 들면, 중앙 센서 와이어가 어느 한 측면 상에 실드 도전체들을 갖는 평평한 구성으로 도전체들이 배열되는 경우에, 비-동축 배열의 하나 이상의 실드 도전체들을 갖는 케이블이 또한 사용될 수 있다. 실드 구동기는 전압 소스로부터 분리되거나 전압 소스에 통합될 수 있다. 단일 전압 소스가 다수의 센서들을 구동시키는데 사용될 수 있다. 이것은 실드 구동기가 전압 소스에 통합되는 구성들에서 특히 유리하며, 센서 시스템에서 사용되는 별개의 컴포넌트들의 수를 크게 감소시킨다.
본 발명의 성능에서의 개선을 예시하기 위해 일부 예시적인 계산들이 사용될 수 있다. 4 mm 감지 표면 지름을 갖는 센서에 대해, 0.1 mm의 공칭 측정 거리는 대략 1 pF의 공칭 센서 커패시턴스를 발생시킨다. 타입 RG178 및 길이 5 미터의 케이블은 코어와 실드 도전체들 사이에서 대략 500 pF의 케이블 커패시턴스를 발생시킨다. 100 MHz의 이득 대역폭 인수 및 1 MHz의 측정 주파수를 갖는 실드 구동기 증폭기는 0.99의 이득, 즉, 단위 이득으로부터 0.01의 편차를 갖는 이득을 발생시킨다. 이러한 예시적인 값들을 사용하여, 상술된 구성들의 정상-상태 성능이 추정될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같은 종래의 능동 실드 구성은 커패시턴스 측정치: 1 pF + (1-0.99) x 500 pF = 6 pF를 발생시킨다. 이러한 큰 에러는 일반적으로 센서 및 케이블의 결합 시스템의 교정에 의해 보상된다. 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같은 센서 와이어 및 실드 도전체 모두에 대한 결합 구동기를 갖는 구성은 커패시턴스 측정치: 1 pF + (1-1) x 500 pF = 1 pF를 발생시킨다. 이러한 예에서, 500 %의 측정 에러들은, 결합 센서/케이블 시스템이 교정되는 것을 요구하지 않고 제거된다.
상술된 구성들의 성능은 또한, 외부 외란이 실드 도전체 내의 전류의 변화를 발생시킬 때 추정될 수 있다. 예를 들면, 실드 도전체 내의 전류의 변화가 실드 구동기에서 부가적인 1 % 이득 에러를 발생시킨다고 가정하면, 도 3에 도시된 종래의 능동 실드 구성은 커패시턴스 측정치: 1 pF + (1-0.98) x 500 pF = 11 pF를 발생시킨다. 실드/와이어 구동기에서 동일한 1 % 이득 에러를 가정하면, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같은 결합 구동기를 갖는 구성은 커패시턴스 측정치: 0.99 x (1 pF + (1-1) x 500 pF) = 0.99 pF를 발생시킨다. 이것은 0.01 pF의 에러 편차를 나타내고, 이것은 단지 1 %이다. 케이블 길이/로드에 대한 민감도는 약 1 %로 감소된다.
도 10은 하전된 입자 리소그래피 머신에서 거리 측정을 위해 구현되는 용량성 센서들(1) 및 측정 회로(103)의 간략도를 도시한다. 리소그래피 머신은 수평 및 수직 방향들로 이동 가능한 스테이지(100) 상에 장착된, 실리콘 웨이퍼와 같은 타겟(2)을 노출시키기 위한 하전된 입자 빔들을 생성한다. 용량성 센서들은, 투사 렌즈 엘리먼트로부터 노출될 웨이퍼의 표면까지의 거리를 측정하도록 배열된, 리소그래피 머신의 투사 렌즈(102)의 마지막 엘리먼트에 가까운 플레이트 상에 장착된다. 센서들은, 본원에 기재된 구성들 중 어느 하나의 구성으로 전압 소스(20) 및 전류 측정 회로(21)를 포함할 수 있는 측정 시스템(103)에 케이블(30)을 통해 접속된다. 측정 시스템(103)은 제어 시스템(104)으로 통신되는 전류 측정 신호를 생성하고, 제어 시스템(104)은, 측정 신호에 기초하여, 타겟(2)을 리소그래피 머신의 투사 렌즈로부터 원하는 거리로 이동시키기 위해 스테이지(100)의 움직임을 제어한다.
도 11은 모듈형 리소그래피 장치(500)의 주요 엘리먼트들을 예시한 간략한 블록도를 도시한다. 리소그래피 장치(500)는 유지 보수의 용이성을 허용하도록 모듈형 방식으로 설계되는 것이 바람직하다. 주요 서브시스템들은 바람직하게는 자립형 및 제거 가능한 모듈들로 구성되어, 주요 서브시스템들이 가능한 한 다른 서브시스템들에 대해 덜 방해하면서 리소그래피 장치로부터 제거될 수 있다. 이것은 진공 챔버에 밀봉되는 리소그래피 머신에 대해 특히 유리하고, 여기서 리소그래피 머신에 대한 액세스가 제한된다. 따라서, 결함이 있는 서브시스템은 불필요하게 다른 시스템들을 접속 해제하거나 방해하지 않고 빠르게 제거 및 대체될 수 있다.
도 11에 도시된 실시예에서, 이러한 모듈형 서브시스템은 하전된 입자 빔 소스(301) 및 빔 시준 시스템(302)을 포함하는 조명 광학 모듈(501), 개구 어레이(303) 및 집광 렌즈 어레이(304)를 포함하는 개구 어레이 및 집광 렌즈 모듈(502), 다중-개구 어레이(305) 및 빔릿 블랭커(beamlet blanker) 어레이(306)를 포함하는 빔 스위칭 모듈(503), 빔 정지 어레이(308), 빔 편향기 어레이(309) 및 투사 렌즈 어레이(310)를 포함하는 투사 광학 모듈(504)을 포함한다. 상기 모듈들은 정렬 프레임으로부터 안팎으로 슬라이딩하도록 설계된다. 도 11에 도시된 실시예에서, 정렬 프레임은 정렬 외부 서브프레임(506)으로부터 진동 댐핑 마운트들(530)을 통해 매달려진 정렬 내부 서브프레임(505)을 포함한다. 프레임(508)은 진동 댐핑 마운트들(507)을 통해 정렬 서브프레임(506)을 지지한다. 타겟 또는 웨이퍼(330)는 기판 지지 구조(509) 상에 얹혀 있고, 이것은 차례로 척(510) 상에 배치된다. 척(510)은 스테이지를 다양한 수평 및 수직 방향들로 이동시키도록 배열된 스테이지 쇼트 스트로크(stroke)(511) 및 롱 스트로크(512) 위에 있다. 리소그래피 머신은 뮤-메탈(mu metal) 실드 층 또는 층들(515)을 포함할 수 있는 진공 챔버(335) 내에 밀봉되고, 프레임 멤버들(521)에 의해 지지되는 베이스 플레이트(520) 상에 있다.
도 11에 도시된 실시예에서, 5 개의 세트들의 용량성 센서들은 리소그래피 머신 내의 다양한 엘리먼트들의 위치 또는 거리를 측정하는데 사용된다. 센서 세트(401)는, 예를 들면, 도 10에 도시된 바와 같이, 마지막 렌즈 엘리먼트와 타겟(330) 사이의 거리를 측정하도록 배열된다. 센서 세트(402)는, 타겟 및 스테이지의 정렬을 위한 정렬 센서 빔의 포커싱을 용이하게 하기 위해 마지막 렌즈 엘리먼트 근처에 장착된 광학 정렬 센서와 타겟(330) 또는 척(510) 사이의 거리를 측정하도록 배열된다. 센서 세트(403)는 롱 스트로크 스테이지(512)에 관련하여 거리들을 측정함으로써 수평(X, Y-축) 및 수직(Z-축) 위치들에서 쇼트 스트로크 스테이지(511)의 위치를 측정하도록 배열된다. 센서 세트(404)는 서브프레임(505)에 관련된 측정에 의해 수평 및 수직 위치들에서 정렬 서브프레임(506)에 관련하여 매달린 서브프레임(505)의 위치를 측정하도록 배열된다. 센서 세트(405)는 서브프레임(505)에 관련된 측정에 의해 수평 및 수직 위치들에서 조명 광학 모듈(501)의 위치를 측정하도록 배열된다.
도 10 및 도 11에 도시된 애플리케이션들 중 어느 하나에서 사용되는 용량성 센서들은 바람직하게는 박막 센서들이고, 또한 차동 동작을 위해 쌍들로 배열될 수 있다. 센서들은, 바람직하게는, 도 8에 도시된 배열을 사용하여 케이블(30)에 접속된, 도 8에 도시된 형태일 수 있다. 센서들은 도 9a, 도 9b에 도시된 센서 쌍과 같이 신호 기판 상의 다수의 감지 전극들로 또한 구성될 수 있다. 박막 구조의 사용은 센서들이 저가로 구성되게 하고, 센서들이 좁은 공간들 내에 및 더 큰 치수를 갖는 종래의 센서들에 대해 부적합한 리소그래피 머신의 부분들 상에 배치되게 한다. 차동 모드에서 센서들을 동작시키는 것은 접지되지 않은 반대 표면까지의 거리의 측정을 위한 센서들의 사용을 가능하게 하고, 반대 표면으로부터 측정 시스템으로의 복귀 전기 접속을 요구하지 않는다. 후자의 요인은, 센서가 가동 부분까지의 거리를 측정하도록 배열되는 애플리케이션들에서 유리하고, 여기서 감지 시스템에 대해 가동 부분으로의 전기 접속을 만드는 것이 어렵거나 불리하다.
이러한 세트들의 센서들은 3 개의 축들, 즉, 수평 X, Y-축들 및 수직 Z-축 방향들의 측정을 위해 3 개의 차동 센서 쌍들을 형성하도록 6 개의 센서들의 세트들로 배열될 수 있다. 이것은 각각의 방향으로 적절한 반대 표면까지의 거리를 측정하도록 배향된 차동 센서 쌍들을 장착함으로써 달성될 수 있다. 센서들로부터의 측정 신호들은 시스템 내의 가동 부분의 적절한 정렬을 획득하기 위해, 예를 들면, 작은 움직임들을 만드는 피에조모터(piezomotor)를 사용하여 리소그래피 머신의 가동 부분들의 위치를 조절하도록 요구될 수 있다.
각각의 세트의 센서들은 케이블(30)을 통해 진공 챔버 외부의 캐비넷 내에 및 리소그래피 머신으로부터 원격으로 배치되는 대응하는 전류 측정 회로에 접속된다. 도 19는 회로 기판들(601)을 하우징하는 캐비넷(600)의 실시예를 도시한다. 각각의 회로 기판(601)은 용량성 센서(40)에 대한 전류 측정 회로들, 차동 센서 쌍을 위한 전류 측정 회로들을 제공하는 한 쌍의 회로 기판들(602)을 제공한다. 신호 생성기(605)는 용량성 센서들에 에너지를 공급하기 위한 AC 전압 신호, 예를 들면, 본원에 기재된 바와 같이, 전압 소스(20)로부터의 삼각형 전압 파형을 제공한다. 각각의 회로 기판은 접속기(612) 및 케이블(30)을 통해 박막 용량성 센서(40)에 접속된다. 전류 측정 출력 신호들은, 리소그래피 머신을 제어하는데 사용하기 위한 디지털 신호들로의 변환을 위해 또 다른 접속기를 통해 아날로그-디지털 변환기(613)로 출력된다. 전력 공급기(610)는 전력 공급 접속기(611)를 통해 회로 기판들에 전력을 제공한다.
전류 측정 회로들(21, 21a, 21b)은, 예를 들면, 전류-전압 변환기 또는 전류-전류 변환기로서 구현될 수 있다. 그러한 측정 회로들에서 에러들에 기여하는 몇몇의 요인들이 존재한다. 이들은 측정 회로의 입력 회로 내의 부유 임피던스, 입력 회로의 제한된 CMRR(common mode rejection ratio), 및 공통 모드와 독립적인 측정 회로의 전달 함수 상의 부정확성을 포함한다.
도 12는 전류 측정 회로(70)의 기능적인 간략도이다. AC 또는 DC 전류 소스(CS)로부터 입력 단자(72)에서의 입력 전류(ICS)는 전류 측정 회로에 의해 측정된다. 전류(ICS)의 일부분은 측정 회로의 입력 회로에서 우회되고, 이러한 부분은 전류(ICM)로 표현된다. 회로의 전력 공급 전압들에 대해 입력 단자(72) 상의 전압 외란들은 내부 임피던스(ZCM)를 통해 흐르는 전류(ICM)에서 변동을 발생시킨다. 결과적으로, 회로에 의해 실제로 측정되는 전류(Imeas)는 측정되도록 요구된 입력 전류(ICS)보다 약간 더 작아서, 측정에서 작은 에러를 유도한다. 전류(ICM)는 입력 회로 내의 부유 임피던스들 및 입력 신호 내이 공통 모드 외란들로부터 기인한다. 정상-상태 에러는 정정될 수 있지만, 전류 흐름(ICM)을 보상하는 것은 매우 어려운데, 왜냐하면 부유 임피던스의 값이 온도와 같은 요인들에 따라 가변하고, 입력 상의 공통 모드 외란들이 또한 시간에 따라 변동하기 때문이다.
이러한 측정 에러들은 측정 회로의 입력 단자에 존재하는 동일한 전압으로 공급 전압들을 구동시킴으로써 감소될 수 있다. 이러한 방식으로, 입력 상의 외란들은 공급 전압들로 전달되어, 입력 신호와 측정 회로 내의 내부 회로들 사이의 전압 차이들을 변경함으로써 발생되는 측정 회로 내에 흐르는 전류들을 감소 또는 제거한다.
전류 측정 회로의 전압 공급 단자들(75 및 76)은 전압 소스들(77a, 77b)을 포함하는 전력 공급기에 접속된다. 전압 소스(VD)는 입력 단자에서의 전압 외란을 전력 공급기로 피딩하도록 제공되어, 입력 신호와 측정 회로 공급 전압들 사이의 전압 차이들이 일정하게 유지된다. 전압 소스(VD)가 측정 회로 전력 공급기에 접속되어, 전력 공급 전압들이 또한 측정 회로의 입력 단자에 존재하는 임의의 전압들에 의해 구동된다. 전압 소스(VD)는 회로에서 적절한 피드백 또는 피드 포워드에 의해 제공될 수 있다.
도 13은, 전압 소스(VD)가 로드(71)에 에너지를 공급하는데 사용되는 도 12의 전류 측정 회로를 도시하는 기능적 간략도이다. 전압 소스(VD)를 통해 로드(71)를 구동시키는 것은, 회로의 입력 단자(72)에서 측정되는 전류인 전류(ICS)를 발생시킨다. 따라서, 전력 측정 회로의 전력 공급기에 연결된 외란 전압(VD)은 측정될 전류(ICS)를 생성하기 위해 로드(71)를 구동시키는 전압이다. 외란 전압을 전류 측정 회로의 전력 공급기에 피딩하는 것은 외란 전압에 의해 발생된 전류 측정 회로 내의 다양한 전압 차이들을 제거하게 한다. 이것은 전류 측정에서 에러의 소스를 제거한다.
도 13에 도시된 실시예에서, 외란 전압(VD)은 또한 감산 회로(79)에 의해 전류 측정 회로(70)의 출력으로부터 감산된다. 전류 측정 회로(70)의 출력 단자(74)에서의 출력 신호는 입력 전류(ICS)를 측정하는 것으로부터 기인한 신호 상에서 중첩된 외란 전압(VD)을 가질 것이다. 따라서, 외란 전압(VD)을 감산하는 것은 입력 전류 측정을 나타내는 출력 신호의 부분을 분리시키는데 사용될 수 있다.
도 13의 실시예는, 통상적으로 포지티브 및 네가티브 DC 전압을 포지티브 및 네가티브 전력 공급 단자들에 제공하는 2 개의 전압 소스들(77a, 77b)에 의해 전력 공급되는 2 개의 전력 공급 단자들을 도시한다. 단일 전력 공급 단자 및/또는 단일 전력 공급 전압 소스가 대신 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 외란 전압은 커패시터들(78a, 78b)을 통해 전력 공급 단자들에 피딩되어, 외란 전압의 AC 컴포넌트가 전력 공급 단자들에 피딩되고, 반면에 전력 공급 전압들의 DC 컴포넌트가 입력 단자(72) 및 전압 소스(VD)로부터 분리된다. 인덕터들은 또한, 도 15의 실시예에 도시된 인덕터들(95, 96)과 같이, 전력 공급 전압들로부터 외란 전압의 AC 컴포넌트를 분리하기 위해 사용될 수 있다.
도 14는 연산 증폭기(80)(opamp로서 지칭됨)로 구현되는 전류 측정 회로의 실시예를 도시한다. 전류 소스(CS)는 opamp(80)의 네가티브 단자(82)에 접속되고, opamp의 포지티브 입력 단자(83)는 공통 모드에 접속된다. opamp(80)는 2 개의 전력 단자들(85 및 86)을 갖고, 이들을 통해 연산 증폭기(80)에는 2 개의 전압 소스들(91 및 92)에 의해 에너지가 공급된다.
전류 소스(CS)는 측정될 전류(ICS)를 생성한다. 입력 단자(82)와 출력 단자(84) 사이에 접속된 임피던스(87)는 네가티브 피드백을 제공하고, opamp(80)는 2 개의 입력 단자들(82 및 83) 사이의 전압 차이를 거의 제로로 유지하도록 동작한다. opamp(80)는 매우 높은 입력 임피던스를 가져서, 매우 적은 전류(ICS)가 opamp로 흐르지만, 대신에 임피던스(87)를 통해 흐른다. 그러나, opamp(80)의 입력 회로 내의 부유 임피던스들 및 opamp의 제한된 CMRR로 인해, opamp(80)는 입력들 상의 공통 모드 전압들의 영향들을 완전히 제거하지 않을 수 있다.
도시된 실시예에서, AC 전압 공급기(VG)는 입력 단자(83)를 구동시키는데 사용된다. opamp(80)가 2 개의 입력 단자들(82 및 83)을 거의 동일한 전압으로 유지하도록 구성되기 때문에, 전압(VD)은 입력 단자들 상의 공통 모드 외란을 효과적으로 나타낸다. 입력 단자(83)에 접속된, 전압 소스(VD)의 출력은 또한 공통 모드 외란 전압들을 opamp(80)의 전력 공급 전압들로 피드포워딩하기 위해 opamp 전력 공급 회로에 접속된다. 이러한 실시예에서, 전압 소스(VD)의 출력은 입력 단자(83)에서의 전압을 전력 공급기에 연결하기 위해 커패시터들(93, 94)을 통해 전력 공급 단자들(85, 86)에 접속된다. 이러한 방식으로, DC 전압 소스들(91, 92)은 DC 전압을 전력 공급 단자들(85, 86)에 공급하고, 반면에 입력 단자(83)에 존재하는 AC 전압들은 또한 전력 공급 단자들(85, 86)에 공급된다. 인덕터들(95, 96)은 또한 피드포워드 입력 단자 전압의 AC 컴포넌트들과 DC 전압 소스들(77, 78) 사이에 일부 분리를 제공하기 위해 도 15의 실시예에서 도시된 바와 같이 전력 공급기에 포함될 수 있다.
도 15는 도 3 내지 도 6 중 어느 하나에 도시된 것과 같은 용량성 센서 시스템에서 전류를 측정하기 위해 사용되는 도 14의 실시예의 예를 도시한다. 전류 측정 회로(21)가 통상적으로 용량성 센서로부터 원격에 위치되기 때문에, 측정될 전류는 케이블(30)을 통해 전류 측정 회로(21)로 전송된다. 용량성 센서는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같은 박막 용량성 센서일 수 있다. 케이블(30)은 센서 와이어(31) 및 실드 도전체(32)를 포함하고, 원격 단부 및 로컬 단부를 갖는다. 센서 와이어(31)는 케이블(30)의 로컬 단부에서 용량성 센서 전극(41)에 전기적으로 접속되고, 실드 도전체(32)는 케이블(30)의 로컬 단부에서 용량성 센서 가드 전극(42)에 전기적으로 접속된다.
전압 소스(20)는 가드 전극(42)에 에너지를 공급하기 위해 케이블(30)의 원격 단부에서 실드 도전체(32)에 에너지를 공급한다. 전압 소스(20)는 또한 용량성 센서의 감지 전극(41)에 에너지를 공급하기 위해 opamp(80)를 통해 센서 와이어(31)에 에너지를 공급한다. opamp가 자신의 입력 단자들(82, 83)에서의 전압들을 근본적으로 동일한 전압으로 유지하기 때문에, 센서 와이어(31) 및 실드 도전체(32)는 또한 근본적으로 동일한 전압으로 에너지가 공급되어, 사실상 그들 사이의 용량성 누설 전류를 제거한다.
전압 소스(20)의 출력 단자는 입력 단자(83), 실드 도전체(32)에 접속되고, 이전에 기재된 바와 같이 opamp(80)용 전력 공급기에 또한 접속되고, 그리고 opamp(80)의 출력 신호로부터 전압 소스(20)로부터의 신호를 감산하기 위해 감산 회로(88)에 접속된다.
전압 소스는 이전에 기재된 바와 같이 용량성 센서를 구동시키기 위해 삼각형 전압 신호를 제공하는 것이 바람직하다. 이것은 (이상적으로) 이전에 기재된 바와 같이 도 16a에 도시된 구형파 전류 신호를 발생시킨다. 전압 소스(20)에 의해 출력된 삼각형 전압은 도 16b에 도시된 바와 같이, opamp(80)의 입력 단자들(83 및 82) 상에 존재한다. opamp(80)의 출력 단자(84)에서의 출력 전압(Vout)은, 도 16c에 도시된 바와 같이, 피드백 임피던스(87)를 통해 흐르는 구형파 전류로 인해 중첩되는 구형파와 함께 입력 단자들에서 존재하는 삼각형 전압을 포함할 것이다. 용량성 센서에서 생성되는 전류과 동일한 구형파 파형을 갖는 측정 신호를 획득하기 위해, 전압 소스(20)로부터의 삼각형 전압 파형은 감산 회로(88)에 의해 출력 단자(84)에서의 신호로부터 감산된다.
도 17은 본원에 기재된 바와 같은 차동 쌍 감지 시스템에 대한 전압 소스 및 전류 측정 회로의 실시예를 도시한다. 이러한 회로는 또한 차동 쌍으로서 동작하지 않는 단일 센서들에 대해 사용될 수 있다. 회로는 아날로그 신호 프로세싱 부분(50), 및 예를 들면, 필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이로 구현될 수 있는 디지털 신호 프로세싱 부분(63)으로 분할된다.
주파수 기준(FSYNC)이 (예를 들면, 2 MHz에서) 생성되고, 분할기 회로(51)에서 분할되어, 특정한 미리 결정된 위상 오프셋들을 갖는 더 낮은 주파수의 다수의 별개의 구형파 신호들을 생성한다. 이러한 실시예에서, 4 개의 별개의 500 kHz 구형파 신호들이 90 도의 위상 오프셋들을 갖고 생성된다. 도 18의 a는 구형파 주파수 기준 신호의 예를 도시하고, 도 18의 b 내지 e는 0, 90, 180 및 270 도의 위상 시프트들을 갖는 더 낮은 주파수 신호들의 예시적인 파형들을 도시한다.
적분기 회로(52)는 구형파 신호들 중 하나로부터 삼각형 전압 파형을 생성하고, 이로부터 증폭기 회로들(53a 및 53b)은 180도로 위상이 다른 2 개의 삼각형 전압 파형들을 생성한다. 예를 들면, 이러한 2 개의 위상이 다른 삼각형 전압 파형들은 단일 용량성 센서들 또는 로드 또는 차동 쌍에서 동작되는 2 개의 센서들/로드들을 구동시키기 위해 도 3 내지 도 6, 도 13, 도 14 또는 도 16 중 어느 하나에 도시된 전압 소스들(예를 들면, 20, 20a, 20b, VD)의 출력들에 대응할 수 있다. 도 18의 f 및 도 18의 g는 증폭기 회로들(53a 및 53b)로부터의 삼각형 파형 출력들의 예를 도시한다. 삼각형 전압 신호들은 실드 도전체들(32, 32a, 32b)에 에너지를 공급하도록 접속되고, 또한, 도 3 내지 도 6, 도 13, 도 14 또는 도 16에 도시된 바와 같이 용량성 센서들 또는 로드들(40, 40a, 40b, 71)에 에너지를 공급하기 위해 전류-전압 변환기들(54a 및 54b)을 통해 센서 와이어들(31, 31a, 31b)에 접속될 수 있다.
전류-전압 변환기들(54a 및 54b)은 자신의 입력들(즉, 도 3 내지 도 6, 도 13, 도 14 또는 도 16의 출력 신호들(22, 22a, 22b, 74, 84))에서의 전류 신호들의 측정을 나타내는 자신들의 출력들에서 전압 신호들을 생성한다. 증폭기 회로들(53a, 53b)로부터의 삼각형 전압 파형들은, 전류-전압 변환기 출력 신호들로부터 삼각형 전압 신호를 제거하고, 측정된 입력 전류 신호를 분리시키기 위해 감산 회로들(55a, 55b)에 의해 전류-전압 변환기들(54a, 54b)의 출력들에서 측정된 전류 신호들로부터 감산된다. 도 18의 h 및 도 18의 i는 감산 회로들(55a, 55b)의 출력에서 결과적인 측정된 전류 신호 파형들의 예들을 도시한다.
선택기들(56a, 56b)은 도 18의 h 및 도 18의 i에 도시된 측정된 전류 신호들의 각각의 사이클의 일부분을 샘플링하기 위해 분할기 회로(51)에 의해 생성된 위상 시프팅된 기준 신호들, 예를 들면, 도 18의 d 및 도 18의 e에 도시된 180 및 270도 시프팅된 기준 신호들 중 하나 이상을 사용한다. 측정된 전류 신호들의 각각의 사이클의 제 2 절반은, 그것이 일반적으로 최대 진폭 값에서 정상-상태일 때 상기 사이클의 일부분에 대한 진폭을 획득하도록 샘플링된다.
회로가 차동 모드에서 동작되는 센서 쌍을 사용하여 사용될 때, 2 개의 측정된 전류 신호들 사이에서 스위칭하고, 하나의 신호(도 18의 j)에서 포지티브 진폭들 및 다른 신호(도 18의 k)에서 네가티브 진폭들을 축적하기 위해 샘플링이 수행될 수 있다. 저대역 통과 필터들(57a, 57b)은 측정된 전류 신호 파형의 샘플링된 부분의 진폭에 의해 결정된 기울기로 커패시터 충전 회로의 등가물을 구현하기 위해 샘플링된 측정된 전류 신호들을 필터링한다.
증폭기들(58a, 58b)의 출력에서의 예시적인 파형들이 도 18의 j 및 도 18의 k에 도시된다. 파형들은 각각의 샘플링 기간 동안에 상승(또는 하강)하고, 종료 값들은 측정된 전류 신호들의 진폭에 의해 결정된다. 증폭기들(58a, 58b)로부터의 출력들은 서로로부터 감산되고, 결과적인 신호는 아날로그-디지털 변환기(59)에 의해 디지털 신호로 변환된다. 결과적인 디지털 신호는 센서 커패시턴스를 나타내는 이용 가능한 측정치를 발생시키기 위해 교정 조절 및 스케일링과 같은 추가적인 프로세싱을 위해 디지털 신호 프로세싱 회로(63)로 출력된다. 합산기(61) 및 윈도우 비교기(62)는 케이블 단락 또는 개방 결함과 같은 상황들에 대해 디지털 신호 프로세싱 회로(63)에서 사용하기 위한 에러 신호를 생성한다.
본 발명은 위에서 논의된 특정 실시예들을 참조하여 설명되었다. 당업자들에게 알려지게 될 바와 같이, 본원에 기재된 실시예들 중 어느 것에서도 사용될 수 있는 다양한 구조들 및 대안들이 설명되었다는 것이 유의되어야 한다. 특히, 도 12 내지 도 14에 관련하여 설명된 전류 측정 회로들은 전류의 정밀한 측정을 요구하는 임의의 애플리케이션에서 사용될 수 있고, 도 17에 관련하여 설명된 신호 프로세싱 회로들은 교번하는 신호에서 진폭 신호의 분리를 요구하는 임의의 애플리케이션에 대해 사용될 수 있다. 또한, 이러한 실시예들이 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 당업자들에게 잘 알려진 다양한 변형들 및 대안 형태들에 영향을 받기 쉽다는 것이 인지될 것이다. 따라서, 특정 실시예들이 기재되었지만, 이들은 단지 예들이며, 첨부된 청구항들에 정의된 본 발명의 범위로 제한되지 않는다.

Claims (25)

  1. 타겟에 대한 측정된 위치 또는 거리를 나타내는 측정 신호를 생성하기 위한 용량성 측정 시스템으로서, 상기 시스템은 제 1 회로를 포함하고, 제 1 회로는,
    측정된 위치 또는 거리에 의존하여 센서 커패시턴스를 제공하기 위해 배열된 박막 용량성 센서(1a);
    센서 와이어(31a) 및 동축 실드 도전체(32a)를 포함하는 케이블(30a) ― 상기 케이블은 원격 단부 및 로컬 단부를 갖고, 상기 센서 와이어는 상기 케이블의 상기 로컬 단부에서 상기 용량성 센서에 전기적으로 접속됨 ― ;
    상기 케이블의 상기 원격 단부에서 상기 센서 와이어 및 상기 실드 도전체에 접속된 출력 단자를 갖고, 근본적으로 동일한 전압으로 상기 용량성 센서 및 상기 실드 도전체에 에너지를 공급하도록 배열된 전압 소스(20a); 및
    제 1 입력 단자 및 제 2 입력 단자 및 출력 단자를 갖는 전류 측정 회로(21a, 54a) ― 상기 전류 측정 회로는 상기 케이블의 원격 단부에서 상기 전압 소스의 출력 단자와 상기 센서 와이어 사이에 직렬로 접속되고, 상기 제 1 입력 단자는 상기 전압 소스의 출력 단자에 접속되고, 상기 제 2 입력 단자는 상기 케이블의 원격 단부에서 상기 센서 와이어에 접속되고, 상기 전류 측정 회로는 상기 센서 와이어에서 흐르는 전류를 측정하고 측정 신호를 상기 측정 회로의 출력 단자에서 생성하도록 배열됨 ― 를 포함하고,
    상기 전압 소스(20a)에 의해 상기 센서 와이어(31a) 및 상기 실드 도전체(32a)에 공급되는 전압들은 근본적으로 동일한,
    용량성 측정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실드 도전체는 상기 전압 소스의 출력 단자에 직접적으로 접속되는,
    용량성 측정 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 소스는 자신의 출력 단자에서 AC 전압 파형을 생성하도록 구성되는,
    용량성 측정 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전압 소스는 일정한 주파수, 일정한 피크 진폭, 및 일정한 기울기의 교번하는 포지티브 및 네가티브 기울기를 갖는 파형을 생성하도록 구성되는,
    용량성 측정 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 측정 회로(21a, 54a)는 상기 센서 와이어에서 흐르는 전류를 나타내는 전압으로서 자신의 출력 단자에서 상기 측정 신호를 생성하도록 구성된 전류-전압 변환기이고,
    상기 시스템은 수정된 측정 신호를 생성하기 위해 상기 측정 신호로부터 상기 용량성 센서에 에너지를 공급하기 위한 전압 파형을 감산하기 위한 감산 회로(55a)를 더 포함하는,
    용량성 측정 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    샘플링된 측정 신호를 생성하기 위해 상기 수정된 측정 신호의 사이클의 미리 결정된 부분 동안에 상기 수정된 측정 신호를 반복적으로 샘플링하기 위한 샘플링 회로(56a)를 더 포함하는,
    용량성 측정 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 측정 신호의 피크 진폭을 나타내는 필터링된 측정 신호를 생성하기 위해 샘플링된 측정 신호를 필터링하기 위한 제 1 저대역 통과 필터(57a)를 더 포함하는,
    용량성 측정 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 제 2 용량성 센서(1b), 제 2 센서 와이어(31b)와 제 2 실드 도전체(32b), 제 2 전압 소스(20b), 및 제 2 전류 측정 회로(21b)를 포함하는 제 2 회로를 더 포함하고,
    상기 제 2 회로는 상기 제 1 회로와 유사하고, 상기 전압 소스 및 상기 제 2 전압 소스는, 상기 용량성 센서 및 상기 제 2 용량성 센서에 차동 쌍 배열로 에너지를 공급하기 위해 서로에 대해 180 도 위상이 다른 전압들을 생성하고,
    상기 제 2 회로는 제 2 측정 신호를 생성하는,
    용량성 측정 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    제 2 샘플링된 측정 신호를 생성하기 위해 제 2 수정된 측정 신호의 사이클의 미리 결정된 부분 동안에 상기 제 2 수정된 측정 신호를 반복적으로 샘플링하기 위한 제 2 샘플링 회로(56b),
    제 2 측정 신호의 피크 진폭을 나타내는 제 2 필터링된 측정 신호를 생성하기 위해 상기 제 2 샘플링된 측정 신호를 필터링하기 위한 제 2 저대역 통과 필터(57b), 및
    상기 필터링된 측정 신호 및 상기 제 2 필터링된 측정 신호 사이의 차이를 결정하기 위한 감산 회로(difference circuit)를 더 포함하는,
    용량성 측정 시스템.
  10. 삭제
  11. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압 소스(20a)와 상기 전류 측정 회로(21a) 사이에 직렬로 접속된 실드 구동기(24a)를 더 포함하는,
    용량성 측정 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 실드 구동기(24a)의 출력은 상기 센서 와이어(31a) 및 상기 실드 도전체(32a)를 근본적으로 동일한 전압으로 구동시키기 위해 상기 실드 도전체(32a)에 직접적으로 접속되는,
    용량성 측정 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동축 케이블은, 상기 실드 도전체에 대해 동축이고 그 둘레에 접지된 외부 실드 도전체(33a)를 더 포함하는 삼축(triaxial) 케이블인,
    용량성 측정 시스템.
  14. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 시스템에서 사용하기 위한 커패시턴스 측정 장치(arrangement)로서,
    전압 소스(20a),
    상기 전압 소스의 출력에 접속된 제 1 단자를 갖는 전류 측정 회로(21a),
    센서 케이블(30a)의 센서 와이어(31a)를 상기 전류 측정 회로의 제 2 단자에 직접적으로 접속하기 위한 접속점, 및
    센서 케이블(30a)의 실드 도전체(32a)를 상기 전압 소스의 출력에 접속하기 위한 접속점을 포함하는,
    커패시턴스 측정 장치.
  15. 웨이퍼(2)를 운반하기 위한 스테이지(100), 투사 렌즈 엘리먼트(102), 및 상기 웨이퍼와 상기 투사 렌즈 엘리먼트 사이의 거리를 측정하기 위해 구성된 용량성 센서(1)를 포함하는 리소그래피 머신으로서, 상기 머신은,
    제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 용량성 감지 시스템을 더 포함하는,
    리소그래피 머신.
  16. 용량성 센서를 센서 와이어의 제 1 단부에 접속하는 단계;
    전기적 교란들로부터 상기 센서 와이어를 실딩(shielding)하기 위해 구성된 실드 도전체를 제공하는 단계;
    상기 실드 도전체에, 그리고 상기 센서 와이어의 제 2 단부에 교류 전압을 공급하는 단계; 및
    상기 센서 와이어에 흐르는 전류를 측정하는 단계를 포함하고,
    상기 센서 와이어 및 상기 실드 도전체에 공급되는 상기 교류 전압들은 근본적으로 동일한,
    커패시턴스를 측정하기 위한 방법.
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