TWI642919B - 用以決定壓力分佈之量測裝置及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種用於藉由如下來決定在將壓力施加至一第一壓力體(5)與一第二壓力體(6)之間之至少一量測層(3)期間之一壓力分佈的量測裝置：至少一發射器(7)，其位於該量測層(3)之一周邊邊緣(3u)上，以沿貫穿該量測層(3)之一第一信號路由及貫穿該量測層(3)之至少一其他信號路由來發射電磁波形式之信號，至少一接收器(8)，其位於該周邊邊緣(3u)上，以接收該(該等)第一信號路由及其他信號路由之信號(9)，該等信號穿過該量測層(3)由該發射器發送，且可在施加壓力時改變。
此外，本發明係關於一種相應的方法。

Description

用以決定壓力分佈之量測裝置及方法
本發明係關於一種量測裝置及使用該量測裝置之方法，特別是一種用於決定壓力分佈之量測裝置及使用該量測裝置之方法。
在半導體工業中，一般而言，不同大小、形狀及材料之基板彼此接合。該接合方法稱為晶圓結合。晶圓結合粗略地分成永久性結合及暫時性結合。在永久性結合中，在基板之間形成一不再可拆卸連接。例如，此永久性連接(例如)藉由金屬之內擴散，藉由陽極結合中之陰離子-陽離子傳輸或藉由在熔融結合中於氧化物及/或半導體材料之間形成共價鍵，及在聚合物與有機接合劑結合之交叉中而發生。
在暫時性結合中，主要使用所謂的結合黏結劑。該等結合黏結劑為藉由一塗覆方法施加至一或兩個基板之表面以充當該基板之間的黏結劑之黏結劑。
在所有結合方法中，結合器用於將一覆蓋壓力儘可能均勻地施加至待彼此結合之基板。此處，使沿該等基板之表面之壓力分佈最佳化係非常重要的。否則，可能會因空氣夾雜物、因擠壓、因缺少晶粒生長及因非均勻層厚度而發生孔隙。
壓力不均勻性可主要歸因於粗製濫造之壓力盤、晶圓卡盤或其等之磨損。此外，在基板上產生壓縮負載之組件之不同彈性性質負責 諸多壓力不均勻性。此主要為當結合器之組件之彈性模數小於待結合之基板或位於該等基板之間的層之彈性模數時的情況。由特殊材料(諸如石墨)生產之壓力盤、晶圓卡盤或補償盤用於獲得最佳結合器組態以獲得結合器之一對應彈性。在非常多的情況中，例如，對應大小之石墨補償盤固定於壓力盤與活塞之間。使用此等補償盤取決於各自組態及結合類型。石墨補償盤因其等非常良好的變形而迄今為止最常使用，在完全壓縮負載之條件下溫度穩定且具有一對應的彈性模數。一般使用此等補償盤來改良壓力均勻性。
因此，已知用於獲得關於沿壓力表面之壓力分佈之定量資訊的方法。
最常用的方法為評估藉由以高壓爆破色彩球而進行不同程度的著色之紙上的色彩資訊。儘管當前實踐此方法，然而其具有若干缺點。切除薄膜，將該等薄膜安裝於壓力體之間且移除其等為相應耗時的。此外，由於高溫敏感性，該材料無法在熱負載下使用；此亦引起該等結果之再生問題。另一問題為數字評估壓力資料，該評估不可靠或可再生。
一第二已知方法揭示於WO2012/167814A1中。此方法基於因壓縮負載引起之流體粒子之變形之評估。此方法不容許壓力體之間的壓力分佈之現場即時量測。
一第三已知方法使用必須在一對應基板上生產之具數百個局部分佈壓力感測器之一量測裝置，該方法係複雜的且特別昂貴。使用微系統技術發生生產。微感測器為可控制一電流之MEMS及/或半導體元件，其取決於各自壓縮負載。
因此，本發明之目的在於設定用於決定一壓力分佈之一量測裝置及一方法，藉由該量測裝置及該方法至少在很大程度上評估上述缺 點。
此目的藉由技術方案1及8之特徵達成。本發明之有利發展給定於附屬技術方案中。說明書、技術方案及/或圖式中所給定之特徵之至少兩者之所有組合亦落於本發明之範疇內。在所給定之值範圍中，所指示之限制內之值亦被視為揭示為邊界值且將主張於任何組合中。
本發明之基本想法為量測至少一電磁波或若干個電磁波在通過一量測層之後的至少一物理參數(尤其現場即時)，且自該量測資料計算該量測層中的一壓力(較佳為一壓力分佈)。較佳地，所有波之所有物理參數(待被量測之參數)在進入該量測層之前及之後而量測。如本發明所主張，該量測包括電磁波之複數個信號路由，因此，量測距離及不同的局部壓力值(尤其為量測層中的交叉信號路由)可自量測結果判定且以此方式可準備一壓力分佈(尤其為現場即時)。此可電子顯示(尤其為現場即時)，此係因為有一函數關係且因此可啟用電子處理。較佳地，在壓縮負載之前及/或期間及/或之後採用一量測。相應地，在該壓縮負載之前及/或期間及/或之後決定一完整的壓力分佈。在壓縮負載之前壓力分佈的決定可較佳地用於校正。壓縮負載期間的壓力分佈之決定較佳用於判定一現場即時狀態。壓縮負載之後的壓力分佈之決定較佳用於判定後狀態。較佳地，亦可在彼此之間比較該等壓力分佈。
所使用之電磁波之物理有用波長範圍自微波範圍延伸至x射線範圍。較佳地，使用可見光範圍中的電磁波。所使用之電磁光束尤其具有介於10-12m與1m之間的一波長，較佳介於10-9m與10-3m之間，最佳介於10-7m與10-5m之間。
本發明係基於使用量測層之一量測材料之壓力相關光學性質之進一步想法(在下文亦稱為「光學材料」)以判定一壓力分佈之進一步想法。
換言之，本發明描述判定曝露於兩個壓力體之張力或壓力(現場即時及/或局部解析，尤其完全地及/或取決於溫度)之一量測層中的壓力分佈之一量測裝置及一對應方法。此外，本發明係基於在改變壓力施加期間局部解析判定位於壓力體之間的量測層之光學性質之變化之想法。該等光學性質及其等在曝露於壓力時的變化與該壓力相關或被變換成一壓力分佈。
本發明係基於局部解析量測兩個壓力體之間的具有至少一發射器及至少一偵測器/接收器之量測層之一或多個光學性質的壓力相關性，或特別判定壓力相關性，特別經由數學分析(諸如尤其雷冬變換(Radon transform))自一累積量測信號計算相關於各自壓力值之位置之壓力相關性，使得自其發生一壓力分佈之進一步想法。
如本發明所主張之方法為用於重建一卷視訊信號之方法，尤其為雷冬變換。此為用於(例如)醫學技術中之層析成像重建之所有方法中最熟知的方法。該原理為因沿一路徑之個別事件之總和而發生及經由沿若干個空間方向之量測而發生之反積分。
在低同調層析成像方法中，亦尤其可組合如本發明中所主張之方法與一傳輸時間分析，在此，局部重建僅沿一橢圓(焦點處之偵測器及發射器)精細化。
所累積之量測信號歸因於經由上述數學及物理模型之局部離散量測信號。因此，本文揭示使用其可在局部壓縮負載與輸出信號之間實施的轉換之任何數學演算法適於執行如本發明所主張之實施例。
可在理論上及/或從實驗建立(局部)光學性質與普遍的(局部)壓力條件之間的相關性。存在使用其可描述材料性質及/或光學及/或機器性質之間的關係之非常精確的物理模型。但如本發明所主張，從實驗決定及主要校準為較佳。在一第一實施例中，發生實驗校準主要在於覆蓋壓力施加至量測裝置藉由一定義力在某一溫度時而發生。在理想 情況中，光學性質之經判定之改變及因此壓力施加應獨立於位點且因此遞送一均勻壓力分佈。基於並非引起待施加之壓力之所有組件可較佳生產之事實，對於一對應校準程序，判定構成稍偏離理想狀態之壓力分佈或光學性質之變化之分佈(在下文簡稱為分佈)。將想到專業再加工所使用之組件(因此匹配於該機械或該等組件)或使用剛判定之分佈作為一「零分佈」。尤其自稍後已在實際結合程序中判定之分佈向量減去經判定之零分佈。
在另一特殊實施例中，如下校準量測裝置。該量測裝置藉由一對應壓力體按步驟尤其以點負載。該壓力體具有一極薄的尖端。經由該壓力體上的一測力計監測及/或設定及/或量測如本發明所主張之藉由該壓力體施加至量測裝置的力。同時，對於各點負載，記錄如本發明所主張之一信號，其明確地歸因於對應電負載。如本發明所主張之實施例之預定點負載不僅致能量測裝置之校準，亦設定零點使得可預先排除如本發明所主張之量測裝置中所存在的且可使局部壓力評估中斷的任何非均勻性。
本發明因此包括下列方法/有點：-實現沿基板之壓力表面之壓力分佈之一現場即時量測，使得可在結合程序之前及/或較佳在結合程序期間評估尤其在結合腔室內的壓力分佈，-尤其在一臨時結合層(例如一接合劑)內及/或在未將一量測裝置放置於壓力體之間的一結合程序期間可直接判定一結合介面或任何基板堆疊層中的壓力分佈，-亦可以高精確度及在具高局部解析度之一大溫度範圍內判定在相對較大的壓力表面上的壓力分佈之局部、尤其絕對的壓力值，-基本上未消耗材料。
本發明容許兩個壓力體之間的壓力分佈之現場即時量測。相應 設計之感測器可再使用，具靈活性，可快速安裝於任何類型之結合器中，且從長遠來看比根據先前技術之壓力膜(非常昂貴)更經濟，更少的勞動強度且因此容許提示及針對性程序最佳化。如本發明所主張之另一優點在於能夠判定甚至在任何溫度負載下的壓力分佈。一材料之光學性質一般取決於溫度。在此情況中，該光學性質之變化與該溫度之間的關係可為已知的且接著可用於實施量測裝置針對不同溫度之對應擴展校準。該擴展校準接著對應於不同溫度時的若干個別校準。
為判定所發生之兩個壓力體之壓力分佈，將量測裝置作為一感測器置於下部第二壓力體上。該等壓力體移動以與該感測器接觸。在該等壓力體之間發生之壓力分佈會負載量測層之光學材料且因此改變取決於壓力之該量測層之材料之一光學性質。對於該壓力分佈之局部相依判定作為壓力分佈，將一光學信號注入於量測層之邊緣上，因此藉由至少一發射器發送至該量測層中。該信號沿一量測距離或一表面區段穿透該量測層且藉由在背向(較佳為完全相對)該發射器之一側上製造為一偵測器之至少一接收器而捕獲及量測。穿過該量測層以此方式發送之信號在施加壓力時已經歷其之光學性質之至少一者沿信號路由或若干信號路由之至少一(累積獲取)變化。
由如本發明所主張，可尤其藉由記錄若干個交叉信號路由而決定一壓力分佈。
例如，如本發明所主張，下列個別或組合可想像為由接收器獲取之性質：-強度(之改變)，-偏振(之改變)，-波長或頻率(之改變)，-折射率(之改變)，-模式(之改變)
由於藉由該(等)接收器捕獲之信號為沿各自信號路由之所有信號改變之累積結果，所以如本發明所主張，一數學變換用於獲得量測層中的光學材料之光學性質隨著位點之變化。出於此原因，如本發明所主張，在沿量測層及/或量測裝置之周邊邊緣之不同發射器及/或接收器位置中獲得若干量測，特別為與至少一其他信號路由交叉之任何信號路由。
該等累積輸出信號各依據發射器及/或偵測器之角度位置的改變而被記錄。如本發明所主張之用於將累積信號轉換成依據量測層內的位置之光學信號之改變以用於製備一壓力分佈之一數學變換便是(例如)雷冬變換。藉由使用雷冬變換，可依據壓力改變而在光學材料之所獲取信號路由之一者之任何位點處(尤其在交叉信號路由之交叉點處)獲得光學性質之變化。由於光學材料之該(等)光學性質之變化可能與壓力相關聯，因此存在記錄壓力體之間的壓力分佈之可能性。
此外，本發明描述如本發明所主張之實施例，藉由該等實施例，可如本發明所主張而判定壓力分佈。
在如本發明所主張之一第一實施例中，光學材料以一覆蓋方式分佈於整個量測層上。對於如本發明所主張之所有下列實施例，藉由量測層之周邊邊緣上之至少一位點處之一發射器注入電磁信號，其等沿一信號路由運行或因此較佳在表面上連同若干信號路由一起運行。沿該等信號路由，其等物理性質變化之至少一者基於所判定之壓力分佈。
在來自量測層之信號之出口處(因此在各信號路由之末端處)的偵測器(接收器)因此獲取沿量測距離至少連續求和(累積)或改變之一量測信號。從數學角度看，如本發明所主張，因此，關於記錄性質的累積改變係藉由一量測信號中之一成像標準沿各信號路由而成像或獲取為一值。
為判定如本發明所主張之壓力分佈，沿量測層之周邊邊緣的外輪廓移動發射器及/或偵測器/接收器，及判定若干信號路由之若干量測信號，且藉由一數學變換將該等量測信號轉換成局部量測信號。該等局部量測信號接著明確取決於局部壓縮負載。用於轉換之較佳變換為雷冬變換。尤其可從實驗判定物理及/或光學性質之經判定量測值與壓力之間的數學關係。
在本發明之一較佳實施例中，在量測層之一或若干個壓力表面上一次可有一個反射層，以藉由基板或壓力體儘可能少地影響該量測層之光學性質或量測值，且傳遞一可再生結果。
在如本發明所主張之一第一實施例中，量測層係作為一量測裝置之一獨立感測器的部分。在各實施例中，該感測器係由一下部基板、一量測層及一上部基板組成。該等基板宜具有壓力感測器之形狀或(一般而言)由量測範圍指示之一形狀。該等基板可製成為矩形、圓形或任何其他形狀。該等基板宜具有一圓形形狀。圓形基板之直徑大於10-3m、其中以大於10-2m較佳、以大於10-1m更佳、以大於1m最佳。若該感測器用於半導體工業中的壓力分佈量測，則該等基板之直徑宜為1英吋、2英吋、3英吋、4英吋、5英吋、6英吋、8英吋、12英吋、18英吋或大於18英吋。
該等基板之厚度取決於應用。在大多數情況中，該厚度大於10微米、其中以大於100微米較佳、以大於1000微米更佳、以大於2000微米最佳，以大於5000微米又更佳。一般而言，兩個基板之厚度可係不同。感測器之基板的厚度宜應對應於實際上稍後待結合之基板的厚度。感測器之基板的厚度與實際上稍後待結合之基板的厚度之間的絕對量應小於1毫米、其中以小於0.1毫米較佳、其中以小於0.01毫米較佳、以小於1微米更佳、以小於0.1微米最佳、以小於0.01微米又更佳。
為確保壓力體與量測層之間的最佳、完全及大體上均勻的壓力轉移，如本發明所主張，各基板具有儘可能均勻的一厚度。一基板之總厚度變動(TTV)小於100微米、較佳小於10微米、更佳小於1微米、最小小於100奈米、最最佳小於10奈米。平均粗糙度小於1000奈米、較佳小於100奈米、更佳小於10奈米、最佳小於1奈米、最最佳小於0.1奈米。較佳地，感測器之組件(主要為所使用之基板)應具有儘可能類似於實際上稍後待結合之基板之彈性性質。感測器之基板之彈性模數與實際上稍後待結合之基板之彈性模之間的差異之絕對量應小於1000Mpa、較佳小於100Mpa、更佳小於10Mpa、最佳小於1MPa。
該等基板較佳為機械各向同性以能夠將壓力分佈自壓力體均勻地轉移至量測層。因此，該等基板較佳具有一非晶形微結構。
當該等基板之微結構為多晶時，該等基板較佳由其之微晶具有晶體各向同性機械性質之一材料生產。此主要為具有立方結晶結構之材料之情況。因此，立方材料較佳具有小於9、較佳小於7、更佳小於5、更佳小於3、最佳小於2、最最佳小於1之一齊納各向異性因數(ZA)。僅已知的具有大致為1之ZA之金屬為鎢。鎢因此被解釋為較佳如本發明所主張用於一均勻壓力轉移之金屬。
用於如本發明所主張之實施例之一同樣較佳材料為碳，尤其為石墨形式，更佳為一鑽石形式。
在一單一結晶基板之情況中，該基板較佳切除使得在一切除平面內，其為機械各向同性(共面各向同性)。在具有一立方晶格之一單一結晶基板之情況中，該基板因此較佳切除使得其之表面為一結晶(111)面，及晶向<111>垂直於該基板表面。在具有一六角形晶格之一單一結晶基板之情況中，該基板較佳切除使得其之表面平行於結晶(0001)面。
光學材料分佈於下部基板與上部基板之間的整個表面之上。該 光學材料可藉由所有已知程序施加至下部及/或上部基板，較佳藉由PVD、CVD、PECVD、原子層沈積(ALD)、分子層沈積(MLD)、電化學沈積、電鍍、層積、旋塗、噴射釉藥。此外，例如，亦可藉由搭接、拋光及碾磨由一均勻材料區塊生產光學層。
下部基板、量測層及上部基板較佳形成無法分離之一較佳永久連接之感測器。其中下部基板、量測層及上部基板固持在一起的類型及方式係任選的。如本發明所主張，可想到使用同時充當一接合劑且藉由一結合程序將下部基板永久地接合至上部基板之一光學材料。如本發明所主張之另一可能性為經由一金屬結合或熔融結合之形式將量測層焊接至下部及上部基板。
在如本發明所主張之覆蓋版本之一進一步實施例中，量測層並非為一特別生產之感測器之部分，但為待結合之晶圓堆疊之部分。
如本發明所主張相關之部分為發射器、量測層及偵測器/接收器。使用待結合之一層晶圓堆疊之光學性質容許在實際結合程序期間一次性及全新量測壓力分佈。如本發明所主張之量測原理因此可應用於該層作為一量測層，其為實際上待結合之一基板堆疊之部分。因此，該量測層不一定為一單獨感測器之量測層。關於此處所呈現之揭示方法，亦可在一結合器中現場即時量測一層中的壓力分佈。如本發明所主張之量測層必須具有如本發明所主張為必需之至少一壓力相關光學性質。
如本發明所主張如下評估具有光學材料之一覆蓋量測層之量測信號：在如本發明所主張之一第一實施例中，雙折射之光學性質用於獲得如本發明所主張之量測層中的壓力分佈。雙折射被界定為將一入射光線分成一普通光線及一異常光線(其等之電場或磁場彼此線性偏振)之程序。基本上，僅光學各向異性材料展示雙折射。一般而言， 光學各向同性材料在壓縮負載條件下亦變為光學各向異性。因此，如本發明所主張之光學材料需要具有取決於壓力以引起雙折射之所要效應之至少光學各向異性。
如本發明所主張之方法之一實施例在於經由一偏振器將一發射器之一電磁、單色信號注入至量測層中。該偏振器僅提供行進至量測層中的某一振動平面之電磁波。由於雙折射之光學性質，所注入之光學一般被分成一普通光線及一非尋常光線。藉由一局部壓縮負載轉動該普通光線及非尋常光線之電場之振動平面，使得附接至量測層之輸出之一接收器可偵測該普通及/或非尋常光束之新的振動平面。較佳地，該兩個光束之一者在沿信號路由之穿過量測層之路徑上被完全吸收，或較佳離開量測層。量測層中保留之光線較佳使用全反射之物理現象以沿信號路由進行工作直至量測層之末端。引入於偵測器上的信號因此為振動平面之一旋轉，該旋轉已沿信號路由改變，尤其沿量測距離藉由壓力分佈至少主要地、較佳排外地改變。該振動平面之局部變化藉由記錄移動發射器及/或偵測器的若干量測距離及使用一對應數學變換(較佳雷冬變換)而再次判定。
在如本發明所主張之另一實施例中，折射率之光學性質用於判定如本發明所主張之量測層中的壓力分佈。卸載狀態下的量測層之光學材料之折射率大於1、較佳大於1.5、更佳大於2.0、最佳大於2.5、最佳大於3.0、最最佳大於3.5。卸載狀態下的接近量測層的材料(此外稱為邊界材料或基板材料)之折射率尤其大於該量測層之折射率，較佳小於3.5、更佳小於3.0、最佳小於2.5、最佳小於2.0、最最佳小於1.5。較佳地，在壓縮負載條件下的邊界材料之折射率不改變或僅有非常小的改變。較佳地，藉由很大程度上因量測層之光學材料與邊界材料之間的不同折射率引起的量測層中的全反射而固持所注入的信號。
如本發明所主張之一想法在於，藉由一局部壓力改變而壓縮光學材料且因此引起該光學材料之折射率之一局部變化。因此，電磁輻射自量測層至邊界材料或基板之附近，因此至邊界材料或基板中的溢出行為發生改變。此主要界定為強度之一局部變化。電磁輻射之溢出行為較佳藉由菲涅耳(Fresnel)方程而描述。引入於偵測器上的信號因此為電磁輻射之一強度，該強度已沿信號路由改變，尤其沿該信號路由藉由壓力分佈至少主要地、較佳排外地改變。局部強度及因此局部折射率以及局部壓力的判定如本發明所主張藉由記錄沿周邊邊緣移動發射器及/或偵測器的若干量測距離及使用雷冬變換而發生。
在如本發明所主張的一第三實施例中，橫向電磁波(TEM波)用作為光學性質。一TEM波被界定為其之電場分量及磁場分量在傳播方向上消失之一電磁波。TEM波僅在如本發明所主張的邊界條件下形成。一邊界條件被界定為指示檢查函數在電場及/或磁場的特殊情況中具有何者函數值之一限制幾何條件。尤其，常駐橫向電磁波係藉由如本發明所主張之邊界條件而形成。電磁場密度在空間中的分佈較佳為嚴格對稱。不同形式的常駐波稱為模式。TEM波之模式係相當於聲學之常駐波或形成於夾持電纜中的常駐波。
如本發明所主張之另一想法在於，以某一入射角將一單色電磁波注入至量測層中。可能模式之一者藉由幾何邊界條件形成。因此，在量測層中發生常駐橫向電磁波。若分析量測層之一交叉區段中的沿橫截面的強度，則可獲得一對稱的強度分佈。該對稱強度分佈可藉由用於簡單的幾何邊界條件(諸如延長的薄量測層之幾何邊界條件)之一數學函數而表示。此數學函數包含使用關於獲得如本發明所主張之峰值數之結論之所謂的有序參數。
如本發明所主張之此實施例之發明想法因此在於將強度分佈記錄於接收器側上。藉由沿量測距離之一壓縮負載改變幾何形狀使得量 測層變得特別薄。此改變用於TEM波之邊界條件。邊界條件之局部變化因此對量測距離之末端處之量測強度信號有影響。為獲得沿整個量測表面之壓力分佈，在不同的發射器位置處記錄來自若干個不同偵測器位置的信號。在特殊情況中，該等信號並非為積分信號，但為表面信號。因此，記錄沿大約與一表面偵測器之法線呈一立體角之強度分佈。量測層中的以此方式判定之局部強度分佈可再次與該壓力有關且因此容許判定整個壓力分佈。
如本發明所主張之發射器數目大於或等於1、較佳大於3、更佳大於5、最佳大於8。如本發明所主張之偵測器數目大於或等於1、較佳大於3、最佳大於5、更佳大於8。特定言之，可製造整數個發射器及接收器/偵測器，或發射器及/或接收器尤其均勻地及/或對稱地配置於待量測之量測層之周邊邊緣上或以一恆定半徑圍繞量測層旋轉移動。發射器可被製造為點偵測器、線偵測器或較佳表面偵測器。此量測程序亦可稱為層析成像。
在如本發明所主張之另一實施例中，在量測層內有若干個反射器。該等反射器為實物，較佳為球或圓柱，其之軸平行於量測層之法線或平行於壓力施加方向，且該等反射器在所注入之量測信號之波長處具有高反射率。發射器以一給定頻率將電磁輻射注入至量測層中。在一給定時間之後，偵測器量測注入信號之一回波。發射器及偵測器可位於量測層之周邊之不同位置處。發射器及偵測器較佳為同步使得一旦偵測器開始量測時間，則發射器將信號注入至量測層中。在某一時間後，偵測器量測一反射器之回波信號。電磁信號在其橫穿一量測層時經歷強度改變。該強度損失為針對沿信號路由之一吸收量測。
一反射器之位置處之壓力資訊藉由量測輸出信號自輸入信號之改變而發生。強度之減少較佳用作為經量測的量。
在如本發明所主張之量測裝置之另一實施例中，作為一單獨感 測器，光學材料為分佈於整個量測層之上或使其自周邊邊緣上之一入口位點上穿透至周邊邊緣上之一出口位點之一或多個光纖之部分。該等光纖較佳嵌入於一機械各向異性材料(下文稱為一基質)中。在特殊實施例中，該等光纖被一流體(尤其為一液體)環繞，在一相當特殊之實施例中，該等光纖被一氣體氣氛環繞。
在此連接中，一氣氛亦被界定為一真空。
感測器由一下部基板、製成為一基質之一量測層、嵌入於量測層中的至少一光纖及一上部基板組成。對應發射器及接收器以及其他光學裝置附接於光纖之外部且如本發明所主張而使用。如本發明所主張，可想到使用光纖嵌入於其中之一聚矽氧基質。接著，該感測器將不具有一對應的上部及/或下部基板，但將被製成為一底板。
在如本發明所主張之光纖版本之一實施例中，光纖被捲成一螺旋(較佳為一阿基米得螺旋)且嵌入於基質中。在經界定之位置處有若干參考點，在該等參考點處判定壓縮應力。對光學性質之影響未記錄在光纖之末端處，但記錄在光纖之輸入處。藉由一傳輸時間量測或參考點之特殊編碼判定參考點距離輸入之距離。
在一較佳實施例中，在量測層之法線方向上有觸碰光纖之一壓力體。該壓力體宜具有一高彈性模數，使得在一壓縮應力下，儘可能不改變該壓力體之形狀。該彈性模數大於10Mpa、其中以大於100Mpa較佳、以大於1Gpa更佳、以大於10Gpa最佳、以大於100Gpa又更佳，而大於1000GPa則更是理想。藉由光纖上之壓縮應力擠壓於極硬且因此不可壓縮的壓力體上，使得局部改變其光學性質。光學性質改變的變化可繼而為雙折射的變化、折射率的變化及光纖中之光學材料之密度的變化。發射器宜為一多色源，最好為一多色、波長選擇源，因此可選擇使用一或多個經界定之波長或波長範圍之一源，且可將其注入之光纖中。藉由一干涉量測及/或一傳輸時間量測，完成如 本發明所主張之一壓力體所位於之各參考點的位置。如本發明所主張，特定言之，可想到注入一單色波。單色波進入至光纖中產生時間零點。單色波通過光纖。若單色波入射於如本發明所主張之一第一壓力體，則該波之部分被反射。藉由一偵測器，在輸入處量測單色波之反射信號。因此，第一壓力體之信號函數及傳輸時間為已知。亦可想到使用用於傳輸時間差異量測之一干涉儀。單色波之部分行進超過第一壓力體且入射於第二壓力體，繼而導致一對應的部分反射。相應地，將類似考量應用於沿光纖之所有進一步壓力體。在一特殊實施例中，可想到將一多色波注入至光纖中，該多色波之光譜宜為至少部分已知。對應干涉儀使關於壓力體之位置及其信號形狀之一結論成為可能。亦可想到使用宜僅反射電磁注入信號之某一部分且因此可相應容易毀壞之不同的、波長敏感壓力體。
在如本發明所主張之光纖版本之一第二實施例中，有若干光纖。該等光纖係位於一光柵中的量測層外。該光柵宜經矩形設定，使得若干光纖以一直角彼此相交。該等光纖之各者在參考點處充當使光纖交叉之一壓力體。在各光纖之輸入及輸出處分別有一發射器(輸入)及一偵測器(輸出)。如本發明所主張，量測在壓縮應力條件下相交點/參考點處的信號變化。在相交點處，兩個光纖彼此橫向一起置於一點處，且同時置於彼此之頂部上。此點處之壓縮應力壓縮如本發明所主張之光纖中的光學材料；此導致雙折射之變化、折射率之變化及光纖中之光學材料之密度變化及TEM波之模式變化。評估所有量測信號容許判定各自光學性質之變化起因，及因此轉換成各自局部壓力值。
以大於1N、較佳大於10kN、更佳大於50kN、最佳大於100kN之一晶粒壓力來量測壓力體之間的壓力分佈。
壓力體之間之壓力量測之壓力值的精確度優於20%、其中以優於15%較佳、以優於10%更佳、以優於5%最佳、以優於1%又更佳。
可以高溫進行量測。以大於0℃之溫度，較佳以大於200℃之溫度，更佳以大於400℃之溫度，最佳以大於600℃之溫度，最最佳以大於800℃之溫度進行量測。該溫度具有優於10%、較佳優於5%、更佳優於1%、最佳優於0.5%、最最佳優於0.1%之一再現性。
就尤其可現場即時使用一晶圓處理裝置中的量測裝置而言，可判定以圖形顯示之可再生壓力分佈。此外，如本發明所主張，可相應地基於壓力分佈而使壓力體之壓力表面變形以使壓力施加的壓力分佈最佳化。如本發明所主張，一進一步應用為準備及主要最佳化使用經判定之壓力分佈之補償盤。尤其較佳判定壓力分佈以再次最佳化在儘可能真實的條件下之補償盤，因此欲被結合之一基板堆疊亦事實上相應。大體上，結合器、研磨器、拋光裝置及度量裝置被視為一晶圓處理裝置。
在本發明之一有利實施例中，該(等)發射器及/或該(等)接收器可沿周邊邊緣移動。有利地是，該移動受控於控制設備而發生，尤其經由受控於控制設備之步進馬達。較佳地，該移動沿在形狀上與周邊邊緣一致之一路徑而發生，尤其在環形路徑中，較佳為一尤其周邊封閉之圓環形路徑。
有利地是，如本發明所主張而提供，量測裝置具有分佈於周邊邊緣上之若干個發射器及/或分佈於周邊邊緣上且一次被指派給尤其為相對發射器之一發射器之若干個接收器，尤其每個發射器被指派至少兩個接收器。
藉由如本發明所主張之量測，各發射器尤其同時發射若干個信號路由及/或各接收器一次指派給一單一信號路由，若干個接收器可作為發射器配置於周邊邊緣上使得偵測可更有效率地發生。
如本發明所主張，若量測裝置具有用於尤其藉由一變換(較佳為一雷冬變換)判定沿信號路由之壓力分佈之局部壓力值之一評估單元 (其具有由至少一接收器所接收之信號)，則係進一步有利的。
根據本發明之其他有利版本，至少一接收器可獲取提供關於光學行為之資訊之信號。該等信號之改變與光學性質之變化有關且因此與壓力變化有關。特定言之，下列光學性質係重要的：-雙折射-折射率-塑形為橫向電磁波之信號模式-傳輸時間-光譜編碼。
如本發明所主張之用於判定以其最一般形式壓力施加至一第一壓力體與一第二壓力體之間的一量測層之一壓力分佈之一方法包括下列步驟，尤其下列次序：-將如上述技術方案之一者之一量測裝置配置於該第一壓力體(5)與該第二壓力體之間，-藉由位於該周邊邊緣上之該發射器或若干個發射器沿貫穿該量測層之一第一信號路由及貫穿該量測層之至少一其他信號路由發射電磁波形式之信號，-藉由位於該周邊邊緣上之用於接收該第一信號路由及其他信號路由之該等信號之該接收器或若干個接收器接收該等信號，該等信號藉由該(該等)發射器穿過該量測層而發送且可在施加壓力時改變。
對於如本發明所主張之一裝置及如本發明所主張之方法，針對量測裝置所描述之上述特徵亦相應地適用且反之亦然。
本發明之其他優點、特徵及細節將自較佳例示性實施例之下列描述且使用圖式而變得顯而易見。
1‧‧‧量測裝置
2‧‧‧第二基板
3‧‧‧量測層
3u‧‧‧周邊邊緣
4‧‧‧第二基板
5‧‧‧第一壓力體
6‧‧‧第二壓力體
7‧‧‧傳輸器
8,8'‧‧‧接收器
9‧‧‧信號
12‧‧‧光纖
13‧‧‧基質
14‧‧‧壓力元件
15‧‧‧反射器
D‧‧‧直徑
L‧‧‧量測系統之部分區段
t,t'‧‧‧量測層之厚度
圖1展示具有如本發明所主張之一量測裝置之如本發明所主張之 一量測配置之一橫截面圖；圖2展示如本發明所主張之一量測裝置之一第一實施例之一示意性平面圖；圖3展示如本發明所主張之一量測裝置之一第二實施例之一示意性平面圖；圖4展示如本發明所主張之一量測裝置之一第三實施例之一示意性平面圖；圖5展示沿一信號路由L之一局部壓力分佈之一圖式，圖6展示如本發明所主張之量測層之一實施例之一光學性質之一量測之一示意圖，圖7展示如本發明所主張之量測層之一實施例之一光學性質之一量測之一示意圖，圖8展示如本發明所主張之量測層之一實施例之一光學性質之一量測之一示意圖，圖9展示如本發明所主張之量測裝置之一第四實施例之一示意性平面圖，圖10展示如本發明所主張之量測裝置之一第五實施例之一示意性平面圖，圖11展示如本發明所主張之一量測裝置之一第六實施例之一示意性平面圖，及圖12展示如本發明所主張之一量測裝置之一第七實施例之一示意性平面圖。
在該等圖式中，具有相同作用之相同組件或相同若干組件以相同參考數字識別。
圖1示意性展示一結合裝置，僅展示以一結合力F結合之一第一 上部壓力體5及一第二下部壓力體6，該結合力橫向引導至該等壓力體5、6之壓力表面。
在壓力體5與壓力體6之間有一第一基板2及一第二基板4，其等藉由用結合力F施加一力而連接至製成為一量測層3之一連接層。
在施加壓力期間的結合力F在構成接觸之前立即自零升高至高達幾kN之一結合力，因該結合力而引起關於壓力表面之一壓力，且該壓力表面可(例如)針對具有一300毫米之一直徑之一圓形基板而計算。
量測層3為用於量測被發送透過該量測層3之信號之光學性質之一量測裝置之部分，及量測裝置1可為單獨置於結合腔室中作為一量測裝置之一感測器或永久安裝於結合腔室中之一量測裝置1。
為量測及傳輸電磁波，根據一第一實施例，在圖2中，量測層3之一周邊邊緣3u上有透過該量測層3沿一信號路由發送一信號9之一發射器7。
為偵測如本發明所主張之整個量測層3，可沿周邊邊緣3u，尤其沿由箭頭展示之一環形(較佳一圓環形)軌道移動(尤其同步)發射器7及/或偵測器8。該軌道尤其間接鄰接於該量測層3。
存在用於控制如本發明所主張之組件及方法步驟之一控制設備(未展示)。
如本發明所主張，可想到將若干個發射器7及/或若干個接收器8分佈於周邊邊緣3u上，其等接著藉由移動或藉由覆蓋一較大組件區段而一次覆蓋該周邊邊緣3u之一區段。
因此，在圖3中所展示之第二實施例中，若干個接收器8相對地指派給一單一發射器7。相較於如圖2中所展示之第一實施例之發射器7發射獲取量測層3之一較大區段之一信號束且具有各通向該等接收器8之一者且藉由該接收器記錄之複數個信號路由。因此，此實施例之 優點在於，可沿量測層3之一較大角度區段同時偵測若干個信號。所獲取之量測時間因接收器8之數目之因數而減少。
藉由沿周邊邊緣3移動發射器7及指派給該發射器7之接收器8，可獲取整個量測層3。替代地，可有分佈於周邊上之若干個發射器7及分別指派之接收器8，使得可在不移動發射器及接收器8之情況下獲取整個量測層3。
圖4展示用於獲取量測層3之一第三實施例，該量測層3有一發射器7及一接收器8'，該接收器8'被裝配為一線偵測器或表面偵測器，尤其裝配為一CCD偵測器。該線偵測器或表面偵測器能夠記錄沿一線或表面之信號或進一步直接處理該等信號。取決於該接收器8'之局部解析度，其被製成以獲取信號9之複數個信號路由。類似於圖3中所展示之版本，發射器7及接收器8'兩者亦可沿周邊邊緣3u移動或複數個(尤其三個)發射器7分佈於該周邊上，其中接收器8'分別相對。
本質上可藉由發射器7及接收器8,8'之對應的小移動步驟獲取貫穿量測層3之任何複數個信號路由之上述實施例係常見的。該移動尤其可藉由受控於控制設備之步進馬達而發生。
藉由在圖5中以直徑D之一片段L之一圖式所展示之一評估單元(未展示)評估所獲取之資料。在該圖式中，繪製藉由評估單元評估之局部壓力分佈p對一路由X之圖，且可認知該壓力p依據一位置而改變。如圖5中所展示之圖式用作為藉由圖6至圖8所展示且同樣相關於片段L之實施例中的壓力分佈之一參考。
圖6展示量測層3之光學材料之雙折射性質如何依據一壓力而改變電場之偏振角度。如本發明所主張，在信號9通過量測層3之後，將偏振狀態記錄於各自信號路由之末端上的接收器8之至少一者上。接著，局部偏振狀態藉由一數學變換關閉且自此計算壓力。此發生在評估單元中。此情況中的信號傳播被展示為一直線，此係因為偏振之物 理參數係藉由圖6下面的對應箭頭而展示。該等箭頭對應於經分別展示之點中的信號之電場之偏振狀態。局部位置狀態之變換及判定僅可沿彼此相交的不同信號路由而記錄。
圖7展示量測層3之光學材料之另一光學性質(具體言之，折射率)之判定。在根據圖5之圖式中可認知，壓力依據位點而在距離L內自左至右升高。隨著壓力升高，量測層3之光學材料變得更密集，及隨著密度升高，光學材料之折射率亦升高。藉由改變折射率，信號9之反射性質及因此其之強度發生改變。根據幾何光學之規則，信號9之傳播藉由信號9之電磁波之傳播方向而表示。箭頭之不同厚度示意性地表示在信號9進入至量測層3中為高之強度。藉由改變一推進路徑之折射率，通過改變量測層3之折射性質而產生越來越多的電磁波之光子；此藉由變得越來越細的箭頭而展示。離開量測層3之光子之箭頭隨著增大的壓力而變得越粗。此光學性質亦藉由通過一數學變換(尤其一雷冬變換)獲取沿量測層3之若干個尤其交叉信號路由而偵測。
圖8係因一壓力改變而引起一TEM波改變之一示意圖，該壓力改變係由沿路徑L之一壓力均勻性而引起。壓縮使沿路徑L之量測層3之厚度自t改變至t'，因此，常駐電磁波亦在量測層3內改變。電磁波之此變化引起電磁波之模式變化且亦引起強度分佈之變化。自模式及/或強度分佈之變化，壓力之一位點參考判定係可能的，根據本發明，評估複數個信號路由。藉由量測沿周邊邊緣3u之模式之強度分佈，可經由變換(較佳為一雷冬變換)推斷在量測層3之某一位置處之模式之強度分佈。局部壓力可自該模式強度分佈而判定。
圖9展示本發明之由一發射器7及一接收器8組成之一發射器-接收器單元之另一實施例。該發射器-接收器單元在量測層3之周邊邊緣3u之相同位置處發送及接收。該發射器-接收器單元之發射器7將一電磁波(具體言之，一發散信號9)注入至量測層3中。量測信號9具有藉由 其覆蓋量測層3之一表面區段之一發散性。電磁波之信號9在反射器15上被反射至發射器-接收器單元之接收器8。脈衝操作及傳輸時間量測可推斷出關於被記錄信號橫穿之信號路徑之結論。量測該量測層之上文所揭示之光學性質(例如，強度、偏振角、TEM波之模式)之一者之變化。上文所描述之反射方法可消除使發射器7精確對準於接收器8之必要性，此係因為其等機械連接且反射器15之位置為已知。
在如圖10中所展示之另一實施例中，發射器7與接收器8局部分離，但電子耦合至該接收器8使得可完成該發射器7與接收器8之校準。另外，圖10之實施例對應於根據圖9之一反射方法之上文所描述之實施例。
在圖11中所展示之實施例中，量測層3之光學材料裝配有分佈於量測層3中的一光纖12。較佳地，將光纖嵌入至一機械各向同性材料(一基質)中。該所繪示之實施例因此被製成為一感測器形式之一單獨量測裝置，其較佳由一第一基板2及一第二基板4以及置於光纖12與量測層之間的基質組成。發射器7及偵測器8各附接至光纖12之末端且另外如上文所描述而使用，該發射器7及該接收器8被容納於一發射器-接收器單元中。相應地，其亦為一反射方法。該等發射器-接收器單元各附接至光纖之末端。
如本發明所主張，亦可想到使用光纖12嵌入於其中之一聚矽氧基質中。在此情況中，可省略基板2,4且可將感測器製成為不具有一上部基板及一下部基板之一底板。
如圖11中所展示之光纖12被捲成一螺旋(較佳為一阿基米得螺旋)且被嵌入於一基質13中。在光纖12之經界定之位置處有可在其處判定壓縮應力之若干個參考點。該等參考點可尤其藉由球形壓力元件15而形成。對於後者，可對光纖12之光學性質造成影響，其取決於壓力，該影響可經由參考點之一傳輸時間量測及/或光譜編碼而指派。市場 上有發射一信號且可依據時間及/或波長來再次偵測其之反射之對應發射器及/或接收器單元；其等為熟習此項技術者所已知。
藉由光纖12之壓縮應力而在參考點處局部改變該光纖12之光學性質。可記錄該光學性質之變化，特定言之，雙折射之變化、折射率之變化及光學材料之密度變化。該等變化藉由發射器-接收器單元而記錄及評估。
在此情況中，發射器7較佳為一多色源，最佳為可藉由其偵測一經界定之波長且可注入至光纖12中之一多色、波長選擇源。一壓力元件14所位於之各參考點之位置係藉由干涉量測或一傳輸時間量測而判定。
壓力元件14較佳具有一高彈性模數使得此負壓應力不經歷形狀之任何改變或僅經歷最小可能的形狀改變。特定言之，該彈性模數可大於10Mpa、較佳大於100Mpa、更佳大於1Gpa、最佳大於10Gpa、最最佳大於100Gpa、甚至更佳大於1000Gpa。
在圖12中所展示之本發明之進一步實施例中，在光柵形式之量測層3中有若干個光纖12。該光柵較佳經矩形設定，該等各自光纖以一直角相交。
因此，參考點(交叉點)處之光纖12相互形成用於當時交叉之光纖12之壓力體。在此情況中，有在起始處之一發射器7及在末端處之一接收器8或一側上有一發射器-接收器單元。
如本發明所主張，在參考點(交叉點)處發生信號變化或壓縮應力條件下的信號之光學性質之變化之量測。在該等參考點處，有彼此橫向及在彼此之頂部上之兩個光纖12，及該兩個光纖12尤其直接彼此接觸。如本發明所主張，交叉點處之壓縮應力壓縮光纖12之光學材料。可相應地判定雙折射之變化、折射率之變化、光學材料之密度變化或TEM波之模式變化。
藉由評估單元記錄及評估沿光纖12之矩形光柵之寬度及長度之所有信號，因此各自光學性質之變化起因之判定及因此轉換成各自局部壓力值係可能的。

Claims (8)

  1. 一種用於藉由如下來決定在將壓力施加至位於一第一壓力體(5)與一第二壓力體(6)之間之至少一量測層(3)期間之一壓力分佈的量測裝置：至少一發射器(7)，其位於該量測層(3)之一周邊邊緣(3u)上，以沿貫穿該量測層(3)之一第一信號路由及貫穿該量測層(3)之至少一其他信號路由，發射電磁波形式之信號(9)，至少一接收器(8,8')，其位於該周邊邊緣(3u)上，以接收該(該等)第一信號路由及其他信號路由之信號(9)，該等信號穿過該量測層(3)，藉由該發射器(7)發送且可在施加壓力時改變，一評估單元，其基於用於決定該壓力分佈之局部壓力值重建影像信號，其中該壓力分佈之該局部壓力值係基於藉由該至少一接收器接收之該信號沿著該信號路由(signal route)所決定。
  2. 如請求項1之量測裝置，其可用於一晶圓處理裝置中，尤其係現場即時。
  3. 如前述請求項1或2之量測裝置，其中該發射器(7)及/或該接收器(8,8')可沿該周邊邊緣(3u)移動。
  4. 如前述請求項1或2之量測裝置，其具有分佈在該周邊邊緣(3u)上之若干個發射器(7)，及/或分佈在該周邊邊緣(3u)上且一次被指派給尤其為相對發射器(7)之一發射器(7)的若干個接收器(8,8')，尤其每個發射器(7)被指派至少兩個接收器(8,8')。
  5. 如前述請求項1或2之量測裝置，其中各發射器(7)發射若干個信號路由，尤其同時發射，及/或各接收器(8,8')一次被指派給一個單一信號路由。
  6. 如前述請求項1或2之量測裝置，其中該評估單元用於決定沿該 等信號路由之該壓力分佈之該局部壓力值，尤其通過由該至少一接收器(8,8')接收之該等信號(9)之一變換，其中該變換以雷冬變換較佳。
  7. 如前述請求項1或2之量測裝置，其中製造該至少一接收器(8,8')以獲取該信號(9)之光學性質，尤其為下列光學性質中之一或多者：雙折射折射率塑形為橫向電磁波之信號模式傳輸時間光譜編碼。
  8. 一種用於藉由下列步驟且尤其依下列次序來決定施加至位於一第一壓力體(5)與一第二壓力體(6)之間之一量測層(3)之壓力之一壓力分佈的方法：在該第一壓力體(5)與該第二壓力體(6)之間配置如前述請求項中之一項之一量測裝置，藉由位於該周邊邊緣(3u)上之該(該等)發射器(7)，沿貫穿該量測層(3)之一第一信號路由及貫穿該量測層(3)之至少一其他信號路由，發射電磁波形式之信號(9)，藉由位於該周邊邊緣(3u)上以接收該(該等)第一信號路由及其他信號路由之該等信號(9)之該(該等)接收器(8,8')來接收該等信號(9)，該等信號穿過該量測層(3)係由該(該等)發射器(7)發送且可在施加壓力時改變，及藉由基於用於決定該壓力分佈之局部壓力值之一評估單元重建影像信號，其中該壓力分佈之該局部壓力值係基於藉由至少一接收器接收之該信號沿著該信號路由所決定。
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