統合されたセンサシステム
１本以上の露光ビームをターゲット上に集束させるための投影レンズシステム(１３２)と、ターゲット（９）を支える可動テーブル(１３４)と、投影レンズシステムの最後の集束要素(１０４)とターゲット（９）の表面との間の距離に関連する測定を行なう静電容量感知システム(３００)と、静電容量感知システムからの信号に少なくとも部分的に基づいて、ターゲット（９）の位置を調整するために、可動テーブル（１３４）の動きを制御する制御ユニット（４００）と、を具備する、リソグラフィマシンのための統合されたセンサシステム。静電容量感知システム(３００)は、複数の静電容量センサ(３０)を具備しており、各静電容量センサ(３０)は、薄膜構造を備えている。静電容量センサと投影レンズシステムの最後の集束要素は、共通のベース（１１２）に直接にマウントされ、静電容量センサは、投影レンズシステムの最後の集束要素の縁部のすぐ近くに配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離を測定するための静電容量センサ、特に、リソグラフィ装置においてターゲットまでの距離を測定するための静電容量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体デバイスの製造工程の一部として、ウェーハ及び他のターゲット上にパターンを露光するために、荷電粒子及び光のリソグラフィマシン及び検査マシンが使用されている。リソグラフィシステムでは、通常、リソグラフィマシンによって生成された光又は粒子の露光ビームによって、複数の位置でウェーハに露光する。通常、ウェーハは、ウェーハテーブル上に置かれる。一般に、静止している電子／光学コラムに対するウェーハテーブルの制御された変位によって、複数の露光が達成される。一般に、露光はウェーハの表面上に連続的に行なわれる。
【０００３】
露光されるウェーハの表面が完全に平らであることは、ほとんどない。一般的なウェーハは、ウェーハテーブルにクランプで留めないならば、５０μｍまでの湾曲（bow）をそこに有し得る。ウェーハの湾曲とは別に、ウェーハの表面は、その表面の全体にわたって他の非一様性を有し得る。ウェーハの湾曲と他の非一様性は、ウェーハの表面における高さの変化をもたらす。最新のリソグラフィマシンに要求される極めて高い精度を達成するために、この高さの変化を修正して、ウェーハの表面を維持し、光又は粒子の露光ビームをウェーハ上に集束させるために使用される投影レンズの焦点面において、ウェーハの表面に露光することが必要である。
【０００４】
ウェーハの表面の高さにおけるこれらの変化を補正するために、ウェーハを支えるウェーハテーブルを調整してもよい。露光されるウェーハの表面を投影レンズの焦点面に持ってくるために、ウェーハテーブルの高さを調整してもよい。センサが、ウェーハの表面の高さを測定し、例えば、投影レンズとウェーハの表面との間の距離を測定し、センサから送信される信号を使用して、ウェーハテーブルの高さの制御を達成してもよい。最新のリソグラフィマシンに要求される極めて高い精度で確実にウェーハの位置を正確に制御するために、高感度のセンサが必要である。このタイプの応用には、様々なタイプのセンサ、例えば静電容量プローブが、使用される。しかしながら、既存の静電容量プローブと、関連する測定及び制御システムは、幾つかの欠点を有する。
【０００５】
既存の静電容量センサは、一般に、高さとセンサエリアとの両者が大きい。図１Ａと１Ｂは、先行技術の静電容量センサの構造を示している。図１Ａはセンサプローブの断面図を示しており、図１Ｂは端面図を示している。導電性感知電極２は、導電性ガード電極３によって囲まれている。絶縁層４は、２つの電極を切り離している。ハウジング６からガード電極３を切り離すために、別の絶縁層５を使用してもよい。電気ケーブル７とコネクタ８は、要求される最終的な測定信号を導き出すために、信号処理システムにセンサを接続する。センサの動作範囲は、感知電極２の下の感知エリアによって決まる。ガード電極３は、感知電極と同じ電位に設定され、電界を感知エリア内に制限して、感知電極２とターゲット９との間に比較的に一様な電界を生成する。このタイプの構成は、全体的に約２０ｍｍの高さの比較的に丈が高いセンサと、比較的に大きな感知電極とをもたらす。
【０００６】
センサの幅と高さが比較的に大きいと、投影レンズから比較的遠くにセンサを配置しなければならず、製造公差と熱膨張とによるセンサと投影レンズとの相対的な位置の変化が原因で、誤差が取り込まれる。更に、既存の静電容量プローブの比較的に大きなサイズのために、マルチセンサ構成の中の個々のセンサ間に比較的に大きな間隔を置く必要があり、感知システムの空間解像度が下がり、その結果、ウェーハの表面の小さなエリアの全体にわたって存在するウェーハの表面の非一様性が検出されなくなり得る。更に、比較的広い間隔のために、測定工程がより遅くなり、これらのシステムを使用するリソグラフィマシンのスループットを下げる。
【０００７】
英国特許第２，１３１，１７６号は、銅のコーティングが片側に付着されている２枚の熱可塑性高分子膜を粘着剤で一緒に接合して、一方のシートの銅被覆面を他方のシートの非被覆面に接合することによって製造される、静電容量距離測定プローブについて記載している。一方のシート上の露出した銅のコーティングは、感知電極を構成する第１のエリアと、感知電極を少なくとも部分的に囲んでいる第２のエリアとに分割され、他方のシート上の銅のコーティングと電気的に相互接続され、感知電極に対するガード電極を定める。この構成は、感知電極を囲んでいるガード電極を備えることにより、図１に示されている構成に似ている。感知電極と、囲んでいるガード電極との両者は、層状デバイスの同じレベルにおいて、同じ表面上に形成されている。この結果、異なる導電層を電気的に接続しなければならず、従って、より複雑でコストのかかる製造工程が必要な構造になる。
【０００８】
更に、これらのセンサへの配線接続を行なうのは困難である。配線は静電容量を取り込む。この静電容量は、センサの読み出しに影響を及ぼし、考慮に入れる必要があり、通常は、組み合わされたセンサと配線の取り付けを較正する必要がある。センサの配線と一緒に既存のセンサを較正しなければならないということは、センサを交換する度に再較正しなければならず、交換を複雑にし、時間と費用がかかる。
【０００９】
米国特許第４，５３８，０６９号は、レチクルを露光する単一電子ビームリソグラフィマシンのための静電容量の高さのゲージを較正する方法について記載している。最初に、レーザ干渉計を使用して、高さのゲージを較正器具において較正する。次に、リソグラフィステーションに対する単一電子ビームリソグラフィマシンの位置を再び定めて、レクチルを露光し、静電容量のゲージで、レクチルまでの距離を測定する。静電容量のゲージは、電子ビーム光学ハウジングの底部に固定された基板上に形成される。レクチルのターゲットは接地される。静電容量のゲージは、位相が１８０°ずれた信号によって駆動される。各ゲージからの出力信号を別々に処理して、４つの高さ測定信号を生成する。
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、上述の欠点を解決又は軽減し、１本以上の露光ビームをターゲット上に集束させる投影レンズシステムと、ターゲットを支える可動テーブルと、投影レンズシステムの最後の集束要素とターゲットの表面との間の距離に関連する測定を行なう静電容量感知システムと、静電容量感知システムからの信号に少なくとも部分的に基づいて、ターゲットの位置を調整するために、可動テーブルの動きを制御する制御ユニットと、を具備している、リソグラフィマシンのための改善された統合されたセンサシステムを提供することを目的とする。静電容量感知システムは、複数の静電容量センサを具備しており、各静電容量センサは、薄膜構造を備えている。複数の静電容量センサと投影レンズシステムの最後の集束要素は、共通のベースに直接にマウントされ、複数の静電容量センサは、投影レンズシステムの最後の集束要素の縁部の直ぐ近くに配置される。
【００１１】
ターゲットの表面に対して直角に交わるｚ軸方向において、ターゲットに面している静電容量センサの感知電極の底表面が、投影レンズシステムの最後の集束要素の底表面と実質的に同じ高さであるように、複数の静電容量センサのうちの少なくとも幾つかの位置が定められ得る。複数の静電容量センサのうちの少なくとも幾つかは、静電容量センサの感知電極の底表面がターゲットに面するようにさせており、ターゲットは、ターゲットの表面に対して直角に交わるｚ軸方向において、投影レンズシステムの最後の集束要素の底表面から５０ミクロン以内に位置を定められるように構成され得る。複数の静電容量センサのうちの少なくとも幾つかは、静電容量センサの背表面から、ターゲットに面している静電容量センサの感知電極の前表面までにおいて、５０乃至１５０ミクロン、好ましくは約１００ミクロンの厚さを有し得る。投影レンズシステムの最後の集束要素は、１００乃至１５０ミクロンの厚さであり得る。
【００１２】
複数の静電容量センサは、最後の集束要素の縁部に対するリソグラフィマシンの視野のサイズの幅又は長さの範囲内に配置され得る。最後の集束要素は、投影レンズシステムの底部の要素であり得る。複数の静電容量センサと、投影レンズシステムの最後の集束要素は、一緒に直接に接続される。
【００１３】
複数の静電容量センサは各々、薄膜構造を備え得る。薄膜構造は、第１の絶縁層と、第１の絶縁層の第１の表面上に形成された感知電極を備える第１の導電膜と、第１の絶縁層の第２の表面と第２の絶縁層の第１の表面との上に配置された背部ガード電極を備える第２の導電膜と、を具備しており、背部ガード電極の外周部分は、感知電極を越えて延在し、感知電極を囲み、背部ガード電極と一体をなす側部ガード電極を形成している。複数の静電容量センサの薄膜構造は、第２の絶縁層の第２の表面上に配置されたシールド電極を備える第３の導電膜を更に具備し得る。薄膜構造は、フレキシブルであり得る。
【００１４】
静電容量感知システムは、感知電極から離れて配置されている能動電子素子を具備し得る。能動電子素子は、複数の静電容量センサと共に配置されていない。各静電容量センサは、フレキシブルなメンブレンを備えた細長い接続部材を更に具備し得る。フレキシブルなメンブレン上に、導電性トラックがプリント又は付けられている。導電性トラックは、一方の端部において、静電容量センサの感知電極と背部ガード電極とに電気的に接続され、他方の端部において、コネクタに電気的に接続されている。導電性トラックは、第１の絶縁層上に形成され得る。第１の絶縁層は、感知電極と背部ガード電極とが配置されている第１のエリアと、導電性トラックが形成されている第２の細長いエリアと、を具備し得る。
【００１５】
複数の静電容量センサは、薄膜の絶縁性のベース層上に形成されている複数の静電容量センサの複数のペアを具備し得る。薄膜の絶縁性のベース層は、共通のベースに直接にマウントされている。統合されたセンサシステムは、複数の静電容量センサの１つのペアのうちの第１のセンサに、複数の静電容量センサの１つのペアのうちの第２のセンサの電流又は電圧に対して位相が１８０度ずれている交流電流又は電圧で、エネルギを与える構成されている、１つ以上のＡＣ電力源、を更に具備し得る。
【００１６】
図面に示されている実施形態を参照して、本発明の様々な態様について更に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】静電容量センサの断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの静電容量センサの端面図である。
【図２】平行プレート電極構成の単純化した概略図である。
【図３】静電容量センサプローブと、接地された導電性ターゲットとの図である。
【図４】差動測定構成の２つの静電容量センサプローブと、接地された導電性ターゲットとの図である。
【図５】薄膜構造を備えた静電容量センサの断面図である。
【図６Ａ】薄膜センサの実施形態の断面図である。
【図６Ｂ】薄膜センサの実施形態の断面図である。
【図６Ｃ】薄膜センサの実施形態の断面図である。
【図６Ｄ】薄膜センサの実施形態の断面図である。
【図６Ｅ】図６Ａと図６Ｂのセンサの上面図である。
【図６Ｆ】図６Ｄのセンサの上面図である。
【図７Ａ】正方形の感知電極を備えた薄膜センサの上面図である。
【図７Ｂ】図７Ａのセンサの断面図である。
【図８Ａ】円形の感知電極を備えた薄膜センサの上面図である。
【図８Ｂ】図８Ａのセンサの断面図である。
【図９Ａ】統合された差動薄膜センサの実施形態の断面図である。
【図９Ｂ】統合された差動薄膜センサの実施形態の断面図である。
【図９Ｃ】統合された差動薄膜センサの実施形態の断面図である。
【図９Ｄ】統合された差動薄膜センサの上面図である。
【図１０Ａ】薄膜静電容量センサの断面図である。
【図１０Ｂ】薄膜静電容量センサの断面図である。
【図１０Ｃ】薄膜静電容量センサの断面図である。
【図１０Ｄ】薄膜静電容量センサの断面図である。
【図１１】接続線と接触パッドとを備えたセンサの上面図である。
【図１２Ａ】接触パッド構造の断面図である。
【図１２Ｂ】接触パッド構造の断面図である。
【図１３Ａ】共通の基板上に形成されている、センサと、接続線と、接触パッドとの図である。
【図１３Ｂ】共通の基板上に形成されている、センサと、接続線と、接触パッドとの図である。
【図１３Ｃ】共通の基板上に形成されている、センサと、接続線と、接触パッドとの図である。
【図１３Ｄ】共通の基板上に形成されている、センサと、接続線と、接触パッドとの図である。
【図１４】リソグラフィマシンにマウントされたセンサの側面図である。
【図１５Ａ】フレックスプリントコネクタの図である。
【図１５Ｂ】フレックスプリントコネクタの図である。
【図１６Ａ】荷電粒子リソグラフィマシンの投影レンズのスタックの断面図である。
【図１６Ｂ】荷電粒子リソグラフィマシンの投影レンズのスタックの断面図である。
【図１７Ａ】統合されたフレックスプリントコネクタと、複数のセンサとを有するフレキシブルプリント回路構造の図である。
【図１７Ｂ】統合されたフレックスプリントコネクタと、複数のセンサとを有するフレキシブルプリント回路構造の図である。
【図１７Ｃ】統合されたフレックスプリントコネクタと、複数のセンサとを有するフレキシブルプリント回路構造の図である。
【図１７Ｄ】統合されたフレックスプリントコネクタと、複数のセンサとを有するフレキシブルプリント回路構造の図である。
【図１８】リソグラフィマシン上のセンサの別の接続構成である。
【図１９Ａ】統合されたフレキシブルプリント回路構造をリソグラフィマシン上にマウントする構成の図である。
【図１９Ｂ】統合されたフレキシブルプリント回路構造をリソグラフィマシン上にマウントする構成の図である。
【図２０Ａ】マウントプレート上の静電容量センサの構成の図である。
【図２０Ｂ】マウントプレート上の静電容量センサの構成の図である。
【図２０Ｃ】対角線上に配置された静電容量センサの図である。
【図２０Ｄ】対角線上に配置された静電容量センサの図である。
【図２１Ａ】複数の静電容量センサが上部に形成されている、薄膜構造の図である。
【図２１Ｂ】複数の静電容量センサが上部に形成されている、薄膜構造の図である。
【図２１Ｃ】統合されたフレックスプリントコネクタと、複数のセンサとを備えたフレキシブルプリント回路構造の図である。
【図２１Ｄ】統合されたフレックスプリントコネクタの断面図である。
【図２２】センサシステムと信号処理システムとの概略図である。
【図２３Ａ】電流源を備えた高インピーダンス増幅器回路の単純化した回路図である。
【図２３Ｂ】電流源を備えた差動センサ構成の単純化した回路図である。
【図２４Ａ】電圧源を備えたホイートストンブリッジ構成の単純化した回路図である。
【図２４Ｂ】電圧源を備えた差動センサ構成の単純化した回路図である。
【図２５】差動センサ回路構成の単純化した回路図である。
【図２６】同期検波器回路の単純化した回路図である。
【図２７】センサシステムにおける静電容量を示す概略図である。
【図２８Ａ】センサを信号処理回路に接続するケーブルを備えた構成の単純化した回路図である。
【図２８Ｂ】センサを信号処理回路に接続するケーブルを備えた構成の単純化した回路図である。
【図２９】同期回路の別の実施形態の単純化した回路図である。
【図３０】差動ペアのセンサからの信号を処理する構成の単純化した回路図である。
【図３１】リソグラフィマシンに対するウェーハの位置を定める制御システムの概略図である。
【図３２Ａ】図３１の制御システムに使用するセンサ構成の図である。
【図３２Ｂ】図３１の制御システムに使用するセンサ構成の図である。
【図３２Ｃ】
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下は、図面を参照して例示的に与えられた本発明の様々な実施形態の説明である。
【００１９】
静電容量センサの理論
静電容量センサは、２枚の導電性表面間に作られた均一の電界を使用する。短い距離では、印加された電圧は、表面間の距離に比例する。単一プレートのセンサ（single-plate sensor）は、１つのセンサプレートと導電性ターゲットの表面との間の距離を測定する。
【００２０】
図２は、平行プレートの電極構成(parallel plate electrode arrangement)を示している。方程式（１）に表わされているように、２つの電極１１、１２間の電位差が原因で電極のうちの一方に誘導された電荷を、電位差によって除算することによって、２つの電極１１、１２間の静電容量が与えられる。
【数１】
【００２１】
２つの平行する電極は、距離ｄによって離されている。２つの電極間の静電容量は、方程式（２）によって与えられる。誘電体の非均一性と電界の曲げ（field bending）の作用を無視している。
【数２】
【００２２】
ここで、Ｃは、２つの電極間の静電容量（Ｆ）であり、Ａは、２つの電極の重なったエリア（ｍ２）であり、ε０は、自由空間の誘電率（８．８５×１０−１２Ｆ／ｍ）であり、εｒは、電極間の媒体の比誘電率であり、ｄは、電極間の距離（ｍ）である。
【００２３】
交流電流源１３を使用して、平行プレートのコンデンサに充電するときに、電極のインピーダンスに応じて、電極間に電圧電位が生じる。平行プレートの静電容量のインピーダンスは、方程式（３）によって与えられる。
【数３】
【００２４】
ここで、Ｚは、インピーダンス（Ω）であり、ｆは、周波数（Ｈｚ）であり、Ｃは、静電容量(Ｆ)である。
【００２５】
方程式（３）から、静電容量のインピーダンスは、コンデンサに与えられる信号の周波数と静電容量の値に反比例することが分かる。静電容量センサの場合に、電気のパラメータ(電圧又は電流)の変化を測定する。これは、センサのインピーダンスの変化に対応する。センサに与えられる信号の周波数を一定に保つと、インピーダンスを静電容量の変化に反比例させることができる。方程式（２）は、静電容量が、センサの電極の重なったエリアに正比例し、電極間の距離の変化に反比例することを示している。方程式（２）と（３）とを組み合わせると、次の方程式が得られる。
【数４】
【００２６】
ここで、ｉ＝電流である。
【００２７】
センサに与えられる電気信号（電流）の周波数と電極の重なったエリアとを一定に保つことによって、電極間の距離の変化が、静電容量センサのインピーダンスの変化をもたらす。センサにかかる電圧は、インピーダンスに比例し、且つセンサ電極間の距離（ｄ）に比例し、距離の正確な測定を可能にする。後述するように、様々な測定の概念が使用され得る。
【００２８】
静電容量センサの測定原理
図３は、接地された導電性のターゲット９までの分離距離を測定する１つの静電容量センサプローブ１を示している。ＡＣ電流を供給されると、経路１５に沿って、センサからセンサ−ターゲットの静電容量（sensor-target capacitance）１６を通ってターゲットへ、更に、ターゲットからターゲット−接地のインピーダンス（target-ground impedance）１７を通って接地へ、電流が流れる。距離の測定に影響を及ぼす変化又は外的影響からの妨害（disturbance）は、電圧１９として、図に示されている。センサがセンサ−ターゲットの静電容量１６をどれくらい正確に測定できるかによって、センサからターゲットまでの距離の測定の正確さが決まる。ターゲット−接地のインピーダンス１７の静電容量は、センサ−ターゲットの静電容量１６を大幅に超えることが多く、ターゲットが適切に接地されていない場合は、１００倍を超えることがある。この大きな静電容量は小さなインピーダンス１７をもたらすので、センサへの作用は小さい。しかしながら、インピーダンス１７の変化は、距離の測定に影響を及ぼし、この作用をできるだけ小さくするのが望ましい。
【００２９】
図４は、ターゲット９までの分離距離を差動測定する２つの静電容量センサプローブ１ａ、１ｂの構成を示している。１８０度オフセットしたＡＣ電流がセンサに供給されるので、電流は、経路１８に沿って、一方のセンサからセンサ−ターゲットの静電容量１６ａを通ってターゲットへ、更に、ターゲットから他方のセンサ−ターゲットの静電容量１６ｂを通って他方のセンサへ流れる。位相のずれた信号を使って２つのセンサを駆動するこの構成は、電流がターゲットを通って接地に流れるのを回避するのに効果的であり、ターゲット対接地のインピーダンス１７の作用を最小化する。更に、これは、接地された復路を必要とすることなく、一方のセンサから他方のセンサに電流が流れるのを可能にするので、接地されていないターゲットにとって有益である。位相のずれた信号を使ってセンサを励起するこの構成は、従来の測定システムで使用され得る。従来の測定システムは、センサのペアのうちの各センサから、別々の独立した静電容量(及び距離)の測定値を導き出している。各センサは、ターゲットまでの距離を個別に測定する。図４において、妨害１９は、２つの妨害電圧１９ａと１９ｂによって示されている。各センサに等しく影響を及ぼす共通モードの妨害の場合に、各妨害電圧１９ａと１９ｂは、電圧１９の値の半分を有する。
【００３０】
センサに供給される位相のずれた信号と共に、差動測定構成（differential measurement arrangement）を更に使用することができる。この構成では、センサ１ａのセンサ−ターゲットの静電容量１６ａが、正の半サイクル中にセンサ１ａの駆動電圧によって充電され、更に、正の半サイクル中にセンサ１ｂの駆動電圧によって充電され、一方で、センサ１ｂのセンサ−ターゲットの静電容量１６ｂが、負の半サイクル中にセンサ１ｂの駆動電圧によって充電され、更に、負の半サイクル中にセンサ１ａの駆動電圧によって充電されるようなやり方で、２つのセンサからの出力が結合される。従って、各センサからの出力信号は、２つのセンサとターゲットとの間の平均距離に相当する。
【００３１】
一定のスロープと振幅とを有する三角形の電圧波形でセンサにエネルギを与えると、センサの静電容量への、ほぼ方形波の電流の流れ、即ち、一方の半サイクル中における、ほぼ一定の正の電流の流れと、他方の半サイクル中における、ほぼ一定の負の電流の流れをもたらす。実際には、電流は、各半サイクル中に実質的に定常状態まで上昇するので、各半サイクルの後半部分中に、定常状態の電流の流れに達したときに、測定することが好ましい。
【００３２】
センサ及び関連するセンサの静電容量を通った電流を測定し、更なる処理のために電圧に変換することができる。差動ペア（differential pair）のうちの各センサに対する結果として得られた値を組み合わせて、共通モードの妨害を減らす又は無くすことができる。例えば、正の電流の流れのサイクル中にセンサ１ａを通った定常状態の電流を、正の電流の流れのサイクル中にセンサ１ｂを通った定常状態の電流に加えて、合計することができる。同様に、負の電流の流れのサイクル中にセンサ１ａを通った定常状態の電流を、負の電流の流れのサイクル中にセンサ１ｂを通った定常状態の電流に加えて、合計することができる。合計の正のサイクル値から、合計の負のサイクル値を減算して、差動センサ信号を得る。即ち、Ｖｄｉｆｆ＝(Ｖ１ｐｏｓ＋Ｖ２ｐｏｓ)−（Ｖ１ｎｅｇ＋Ｖ２ｎｅｇ)である。
【００３３】
ペアのセンサを近付けて位相をずらして駆動することにより、センサの電流が、センサペアの下にあるセンサ対ターゲットの静電容量１６ａと１６ｂの両者を充電及び放電し、その結果、各測定値は、各センサからターゲットまでの距離の平均になる。これは、２つのセンサの中間にあるターゲット上の点と、センサペアとの間の距離として見なすことができる。各測定値は、何らかの妨害、例えば、図４に示されている妨害１９ａと１９ｂとによって影響を及ぼされる。これらの妨害は、正のサイクル値と負のサイクル値との両者に存在するが、差動センサ信号を与えるために正と負の値を減算することによって、測定値から本質的に取り除かれる。この構成の利点は、個々のセンサに対する共通モードの妨害が測定中に打ち消されることである。測定中に一定であり続ける２つのセンサにおける差が打ち消され、正確な測定値をもたらす。差動測定構成は、ターゲット−接地の静電容量の影響を大幅に軽減し、感知システムの感度を高める。
【００３４】
センサの構造
図５は、薄膜構造を備えた静電容量センサの断面図を示している。導電性感知電極３１と、導電性側部ガード電極３２が、絶縁膜３４上に形成される又は取り付けられている。導電性背部ガード電極３５が、絶縁膜３４の背側に配置されている。感知電極とガード電極との間のギャップ３９は、狭く、一般に１０分の数マイクロメータであり、エアギャップであるか、又は絶縁材料で埋められ得る。
【００３５】
感知電極とターゲットとの間に生成される電界は、感知電極の縁部の近くで曲がる。感知電極の縁部の近くに導体があると、電界、従って、センサの測定値に対して、大きな予測不能な影響を及ぼす場合がある。この状況を回避する(従って、電界を分析的に計算できるように、センサの測定値をより予測可能にして、モデル化し易くする）ために、感知電極をガード電極によって囲み、感知電極と同じ電位によってガード電極にエネルギを与える。ガード電極は、外部の干渉に対するシールドとして機能し、更に、感知電極の下の感知エリアから、電界の曲げ作用を無くして、寄生静電容量を減らす。感知電極とターゲットとの間の電界の各側部に対して、ターゲットとガード電極との間に電界が生成される。感知電極とガード電極は同じ電位であるので、感知電極とガード電極との間に電界は生成されない。この結果、感知電極の下のエリアの電界は実質的に均一になり、一方で、ガード電極の外側縁部において電界が曲がる。
【００３６】
ターゲットから感知電極を離している距離と比較して、感知電極３１の面積を大きくすべきである。更に、感知電極とターゲットとの間の距離と比較して、感知電極３１と側部ガード電極３２との間のギャップ３９を小さくすべきである。感知電極とターゲットとの間の距離と比較して、側部ガード電極３２の幅を大きくすべきである。１つの実施形態では、感知電極の幅は、センサ電極とターゲットとの間の距離の少なくとも５倍である。感知電極とガード電極との間のギャップは、センサ電極とターゲットとの間の距離の５分の１以下である。ガード電極の幅は、感知電極とターゲットとの間の距離の少なくとも５倍である。これらの相対的な設計ルールに従って、非常に予測可能な静電容量、例えば１ｐｐｍの静電容量の予測可能性を有する、静電容量センサの設計ルールの実施形態を提供する。ここでは、予測可能性（predictability）は、無限の電極寸法の代わりに、有限の電極寸法に対する静電容量を計算するために、上述の方程式（２）の理想的なプレート−距離の静電容量の式を使用する場合に生じる相対誤差として定義される。
【００３７】
感知電極と測定されるターゲットとの間のセンサの静電容量Ｃ１に加えて、センサは、構造中の異なる各要素間に固有の寄生静電容量Ｃ２とＣ３を有する。測定される静電容量Ｃ１と比較して、寄生静電容量Ｃ２とＣ３は小さい。図５の実施形態では、寄生静電容量は、感知電極と側部ガード電極との間の静電容量Ｃ２と、感知電極と背部ガード電極との間の静電容量Ｃ３とを含む。
【００３８】
センサの１つの実施形態では、感知電極とターゲットとの間の静電容量Ｃ１は、０．１ｐＦ乃至１ｐＦであり、一方で、感知電極と側部ガード電極との間の寄生静電容量Ｃ２は、１００乃至１０００分の１であり、一般的に０．００１ｐＦ（即ち、１０−１５Ｆ）のオーダである。感知電極と背部電極との間の寄生静電容量Ｃ３は、一般的により大きく、一般的に、約１ｐＦ乃至１０００ｐＦ（即ち、１０−１２Ｆ乃至１０−９Ｆ）を占める。感知電極と同じ電位を有するガード電極にエネルギを与えることによって、これらの寄生静電容量の影響は弱められる。これは、側部電極と感知電極とを電気的に接続することによって、又はアクティブなガードを使用することによって達成でき、後述でより詳しく説明する。アクティブなガードは、背部ガード電極にも使用され得る。
【００３９】
真空チャンバ中のクリーンな環境で動作するリソグラフィマシンを使った応用の場合に、センサは、真空環境中にあるときに非常に低レベルの汚染物質を発するように構成されるのが好ましい。特に、真空環境を汚染し得る物質が使用されている場合は、このタイプの応用で使用されるセンサの導体の上に、保護層、例えば、カプトンポリイミド膜（Kapton polyimide film)又は同様の保護膜が形成され得る。図６Ａ−６Ｄは、保護層３７と３８を含む薄膜センサの様々な実施形態の断面図を示している。図６Ｅは、図６Ａと６Ｂのセンサの上面図を示している。図６Ｆは、図６Ｄのセンサの上面図を示している。
【００４０】
図６Ａは、１つの実施形態の断面図を示しており、絶縁膜３４の一方の表面上に形成された又は取り付けられた感知電極３１及び側部ガード電極３２と、絶縁膜３４の他方の表面上の背部ガード電極３５とを有している。センサは、プレート４０に取り付けられている。一般に、プレート４０は、距離の測定に必要な機器の構造の一部分であるか、又は、構造の一部分に取り付けられ得る。例えば、センサが、投影レンズとレンズの下のウェーハとの間の距離を測定する場合に、プレート４０は、リソグラフィマシンの投影レンズの周りのスペーサプレート又はマウントプレートである。プレート４０は、導電性であってもよく、従って、センサに対するシールド電極の役割を果たすこともできる。
【００４１】
図６Ｂは、代わりの実施形態を示しており、第２の絶縁膜４３上に形成された又は取り付けられた導電性のシールド電極４４を、センサの構造の一部分として有している。この構成は、センサを非導電性表面にマウントすることを可能にする。導電性表面にマウントされても、これは、その範囲における一貫性と、シールド電極の機能とを保証する。シールド電極４４をセンサの構造の一部分として含むと、支持表面から得られたであろう独立した接地電位を更に与える。例えば、電子ビームリソグラフィシステム上でセンサが使用される場合に、マシンからの接地電位は、投影レンズからの電気雑音によって影響を及ぼされ得る。更に、これは、センサのシールド電極が測定回路と同じ接地を有することと、ケーブルでセンサを回路に接続することとを可能にする。
【００４２】
これは、センサのシールド電極をシールド導体に接続ケーブルで接続し、次に、接続ケーブルを、測定回路によって使用される接地点に接続することによって達成できる。これにより、センサと測定電子機器とに対して別々の接地を有することが回避される。３つの導体のケーブル、例えば三軸ケーブルに接続されると、この構成は、センサの３つの導電層の各々と、三軸ケーブルの対応する導体との接続のために配置された接続点が、回路からセンサに独立した接地電位を与えることを可能にする。これはシールド電極を含み、シールド電極を三軸ケーブルのシールド導体に接続することを含む。
【００４３】
図６Ｃは、別の実施形態を示しており、シールド電極４４に電気的に接続された外側ガード電極３３を含んでいる。この接続は、絶縁層３４と４３とに、例えばレーザによってホール又はバイアを形成して、各レベルの導電層の一部分の電気的接続を可能にすることによってなされ得る。
【００４４】
図６Ｄは、別の実施形態を示しており、感知電極と同じレベル又は表面上に、側部ガード電極がない。既に記載したように、感知電極によって生成された電界を感知エリア内に制限して、感知電極とターゲットとの間に比較的に一様な電界を生成して、センサの近くに位置を定められた導体がセンサに対して及ぼす影響を弱めるために、従来の設計では、側部カード電極は必ず必要であると考えられていた。例えば図１Ａに示されているように、比較的に丈が高くて大きい従来の構成では、センサ電極を囲むために、センサ電極と同じ平面まで下方に延在するガード電極が必要であった。同様に、センサ電極と同じレベルにガード電極を置く薄膜設計において、側部ガード電極は不可欠であると考えられていた。側部ガード電極は背部ガード電極に電気的に接続されることが好ましいが、この配置では、これらの２つの電極を電気接続しなければならず、これは困難である。図６Ａ−６Ｃに示されている設計では、絶縁層３４を通してこの接続を行なっている。センサのサイズが小さく、絶縁層３４が薄いので、的確なサイズと位置の穴を絶縁層３４に正確に作るのは困難である。この目的のためにレーザを使用してもよいが、製造工程は、より複雑で、よりコストがかかる。
【００４５】
しかしながら、薄膜センサの膜が十分に薄い場合は、感知電極と同じレベルに側部ガード電極がなくてもよいことが分かった。背部ガード電極の外周部分が、感知電極を越えて横方向に延在して、感知電極を囲むように、背部ガード電極３５よりも小さい感知電極３１を有するセンサを設計することによって、同じ効果を得ることができる。従って、背部ガード電極のこの外周部分は、側部ガード電極のように機能する。背部ガード電極３５の外周部分から出る電界が、絶縁層３４に広がって、感知電極によって生成された電界を感知エリア内に制限するように働き、感知電極とターゲットとの間に比較的に一様な電界を生成する。センサの近くに置かれた導体によって引き起こされる電界の曲げは、感知電極ではなく、背部ガード電極の外周部分の外側縁部に現れる。その結果、より簡単な設計になり、これは、製造の複雑さを軽減し、生産費用をより安くするが、センサの近くに位置を定められた導体によって引き起こされる妨害に対して影響され難い感知電極の下のエリアにおいて、実質的に均一の電界を生成できる。
【００４６】
図６Ａと６Ｂの実施形態の上面図は、図６Ｅに示されている。図６Ｅでは、感知電極３１は円形に作られていて、「Ｃ」型の側部ガード電極３２が感知電極をほぼ完全に囲んでいて、この２つの電極間の狭いギャップを感知電極３１の周囲に置いている。この実施形態では、側部ガード電極３２と背部電極３５が、絶縁膜３４の開口部３６によってオプションで電気的に接続され、ガード電極と背部電極が電気的に接触することを可能にしている。この実施形態では、１つの「Ｃ」型の開口部が使用されているが、他の形状を使用すること、及び／又は、複数の開口部を使用することができる。ガード電極と背部電極とを接続して、両者の電極を同じ電位にして、それらの間の何等かの静電容量の影響を無くして、アクティブなガードを使用することによって、ガード電極及び背部電極と感知電極との間の何らかの静電容量の影響も無くすことができる。
【００４７】
図６Ｅの実施形態では、内部の感知電極３１は、感知電極から外部の信号処理回路に電気的に接続するための接続線４１を形成している１つ以上の延在部を有する。同様に、側部ガード電極３２は、電気的に接続するための接続線４２を形成している１つ以上の延在部を有する。感知電極３１と、側部ガード電極３２と、接続線４１、４２は、薄膜から形成されている。示されている実施形態では、電極３１、３２と、接続線４１、４２は全て、同じ平面にあり、レーザを使用して、エッチング或いは他の適切な除去技術により、部分を取り除いた膜を配置又は形成することによって、同じ薄膜から形成され得る。側部ガード電極３２は、感知電極と信号処理回路とを電気的に接続するために、感知電極から外方向に延在する接続線４１のための小さなギャップを残して、感知電極３１を実質的に囲んでいる。更に、接続線は、寄生静電容量を加える。寄生静電容量は、センサの設計において考慮に入れられるべきである。
【００４８】
図６Ｄの実施形態の上面図は、図６Ｆに示されている（背部ガード電極３５が見えるように、絶縁層３４は示されていない)。側部ガード電極が感知電極と同じレベルにないことを除いて、図６Ｆは図６Ｅの実施形態に似ている。この図では、背部ガード電極３５の外周領域３５aが、側部ガード電極として機能している。センサは、上述の図６Ｅの実施形態と同じやり方で構成され得る。接続線４１と４２は、上述のように電気的に接続するために、感知電極及び背部ガード電極から外方向に延在している。
【００４９】
これらの実施形態では、電極３２、４４が含まれている場合には電極３２、４４と、電極３１、３５は、約１８ミクロンの厚さの導電層から形成され得る。絶縁膜３４と４３は約２５ミクロンの厚さであり得る。保護層３７、３８は約５０ミクロンの厚さであり得る。薄膜センサは、合計約１００−２００ミクロンの厚さで構成され得る。センサ構造の背表面と、感知電極の前表面（即ち、距離の測定が行なわれる方向に面している表面）との間の厚さは、５０−１５０ミクロン、好ましくは約１００ミクロンである。利用可能な空間がほとんどなく(特に、利用可能な高さが制限されている)、センサ間の間隔又はセンサと他の機器との間の間隔が狭いことが要求される応用では、薄膜構造で、小さな面積で、高さ(厚さ)の非常に小さいセンサが、センサに利用できる。
【００５０】
図６Ａ−Ｆに示されている(更に、後述の他の実施形態に示されている)小さなサイズの薄膜センサは、多くの利点を備える。薄膜構造の結果、最小の高さになる。センサの幅又は面積も非常に小さいかもしれない。これは、距離を測定したい場所の直ぐ近くに、センサをマウントすることを可能にする。センサは、投影レンズと露光されるターゲットとの間の距離を測定するために、リソグラフィマシンと共に使用されるときに、投影レンズの直ぐそばであって、同じマウント構造上にマウントされ、その結果、センサと投影レンズとの両者が、同じ基準点に固定される。これは、センサと投影レンズとの間の相対的な動きによる誤差を大幅に減らし、センサをマウントすることに因る変化を修正する必要を無くし、較正の必要性を減らす。更に、センサのサイズが小さいと、センサ自体が平らである必要を減らす。
【００５１】
図７と８は、薄膜センサの更なる実施形態を示しており、感知電極３１と背部電極３５との間にのみ、絶縁層３４が形成されていて、側部ガード電極３２と背部電極３５は、相互に直接に接続することができる。
【００５２】
図７Ａは、上面図を示している。図７Ｂは、正方形の感知電極を備えたセンサの断面図を示している。１つの実施形態では、正方形のセンサは、センサとターゲットとの間の１００ミクロンの公称の距離において、１ｐＦの公称のセンサの静電容量(感知電極とターゲットとの間の静電容量Ｃ１)を有して設計されている。感知電極は、３．５ｍｍ(＋／−０．０１ｍｍ)の幅と、１２.２５ｍｍ２の面積を有している。ガード電極は、１．５ｍｍ(＋／−０．０１ｍｍ)の幅を有している。感知電極とガード電極との間のギャップは、０．０１５ｍｍ(＋／−０．００１ｍｍ)である。別の実施形態では、センサは、センサとターゲットの間の１００ミクロンの公称の距離において、１０ｐＦの公称のセンサの静電容量を有して設計されている。感知電極は、１１ｍｍ(＋／−０．０１ｍｍ)の幅と、１２１ｍｍ２の面積を有している。ガード電極の幅とギャップは、それぞれ、１．５ｍｍ(＋／−０．０１ｍｍ)と０．０１５ｍｍ(＋／−０．００１ｍｍ)で変わらない。
【００５３】
図８Ａは、上面図を示している。図８Ｂは、円形の感知電極を備えたセンサの断面図を示している。１つの実施形態では、円形のセンサは、センサとターゲットの間の１００ミクロンの公称の距離において、１ｐＦの公称のセンサの静電容量を有して設計されている。感知電極は、４ｍｍ(＋／−０．００１ｍｍ)の直径と、１２.２５ｍｍ２の面積を有している。ガード電極は、４．０１５ｍｍ(＋／−０．００１ｍｍ)の内径と、８ｍｍ(＋／−０．００１ｍｍ)の外径とを有している。別の実施形態では、センサは、センサとターゲットの間の１００ミクロンの公称の距離において、１０ｐＦの公称のセンサの静電容量を有して設計されている。感知電極は、６．２ｍｍ(＋／−０．００１ｍｍ)の直径と、１２１ｍｍ２の面積を有している。ガード電極は、６．２１５ｍｍ(＋／−０．００１ｍｍ)の内径と、１２．４ｍｍ(＋／−０．００１ｍｍ)の外径とを有している。
【００５４】
図５−８の実施形態は、センサとターゲットとの間に８０−１８０ミクロンの(感知電極の表面に対して直角に交わるｚ軸における)測定範囲を有するように構成され得る。当業者に分かるように、異なる測定範囲に適応させるために、センサの寸法を変更してもよい。
【００５５】
更に、図５−８の実施形態は、リソグラフィ技術を使用して、より一層薄い層の材料を実現するように作られ得る。より一層薄い層の材料は、例えば、１００ｎｍ(＋／−１０ｎｍ)の厚さを有する感知電極３１と、１５０ｎｍ(＋／−１０ｎｍ)の厚さの背部電極３５及び(含まれているならば)側部ガード電極３２と、５０ｎｍ(＋／−１０ｎｍ)の厚さの絶縁層３４である。これらの実施形態における感知電極は、正方形又は円形であり、大きな感知エリアを備えて、センサの感度を最大化し、一方で、センサの全体的な寸法を最小化している。しかしながら、センサは、これらの形状から逸脱して、感知エリアを最大化するために、長方形、楕円形、又は他の形状を有する感知電極(及び、同様に、ガード電極)を備えていてもよい。
【００５６】
図５−８の実施形態は、電極３１、３２の導電層を、絶縁層３５上に配置して、或いは粘着又は接合層を使って絶縁層に付けて構成され得る。感知電極とガード電極との両者に対して１つの導電層を形成し、レーザ又はエッチングを使用して材料を取り除いてギャップを作ることによって、感知電極とガード電極との間にギャップ３９を形成してもよい。非常に小さなギャップの幅を作るために、レーザが好ましい。レーザを使用すると、２５ミクロンの幅のギャップを、僅かなずれで作ることができる。一方で、エッチングは、一般に精度がより低い。
【００５７】
様々な技術を使用して、例えば、リソグラフィ技術、微小電子機械システム(Micro Electro Mechanical System, MEMS)技術、又はフレキシブルプリント回路技術（flexible printed circuit technology）を使用して、センサを製造することができる。フレキシブルプリント回路技術を使用すると、絶縁層３４は、適切な材料のフレキシブルなシート又はテープとして提供され得る。適切な材料は、例えば、カプトンポリイミドフィルム又は同様のフレキシブルな絶縁膜である。導電性電極３１と、３２と、３５は、銅又は他の適切な導電性材料の薄い層から作られて、粘着剤を使用して絶縁層３４に固定されるか、粘着剤のない積層（adhesiveless laminate）、例えばダイレクトメタライゼーションプロセス（direct metallization process）を使用するものとして形成されるか、或いは導電性インク又は他の適切なプリント技術を使用して絶縁層上にプリントされ得る。保護絶縁膜３７と３８は、層３４と同じタイプの材料から作られ得る。
【００５８】
フレキシブルプリント薄膜センサは、製造するに容易であり、素早く作ることができ、その結果、製造のためのリードタイムが短くなる。センサは、センサから信号処理回路へのロバストな接続を備えて作られ得る。サイズが小さいと、距離を測定する場所に又は場所の非常に近くに配置するために、より大きなフレキシビリティを与える。センサを個々のセンサ要素として適切な位置に接着して、感知システムを素早く簡単にアセンブルすることができる。測定手順において個々のセンサを適切な位置に接着して較正した後で、個々のセンサの平坦度（flatness）と傾斜(tilt)とがチェックされ得る。フレキシブルなシートの材料を絶縁層に使用した場合に、センサ全体をフレキシブルに構成することができる。
【００５９】
上述の実施形態のうちの幾つかでは、感知電極と側部ガード電極との間のギャップの幅は、例えば、感知電極とガード電極との間のギャップが感知電極とターゲットとの間の距離の５分の１よりも大きいという、上述の相対的な設計ルールを満たしていない。しかしながら、薄膜構造の利点は、センサの多くの応用に関して、これよりも優るであるだろう。
【００６０】
図９Ａ乃至９Ｃは、１つの統合されたユニットとして構成されているセンサペア（sensor pair）の様々な実施形態を示している。これらの実施形態では、統合されたユニットは、２つのセンサ３０ａ、３０ｂを含み、各センサ３０ａ、３０ｂは、自身の感知電極３１ａ、３１ｂと背部ガード電極３５ａ、３５ｂとを有する。図９Ａのセンサは、導電性プレート４０をシールド電極として使用する。図９Ｂと９Ｃのセンサは、センサペアと統合された１つのシールド電極４４を共有している。図９Ｃの実施形態では、シールド電極４４とプレート４０との間の接着スポット又はライン５６を使用して、センサをプレート４０に固定している。プレート４０が導電性である場合は、導電性の接着剤を使用して、プレート４０とシールド電極４４とを電気的に接続して、シールド電極をより効果的に接地してもよい。２つのセンサ３０ａ、３０ｂは、上述のように差動ペアとして動作することが好ましい。各センサは、ペアのうちの他方のセンサから位相がずれた、好ましくは位相が１８０度ずれた電圧又は電流によって駆動される。共通モードの誤差を打ち消すために、差動測定が行われる。
【００６１】
図９Ｄは、差動センサペアの上面図を示している。背部ガード電極と感知電極は、例えば図２０Ｃと２０Ｄとに示されているエリア１１５内に合うように設計された、丸みを帯びた四辺形に形成されている。この形状は、エリア１１５の境界内の感知電極に対して最大のエリアをもたらし、最高解像度の測定値を生成する。電極を、同じくエリア１１５内に密接に嵌る円形にして、最大エリアの感知電極を生成してもよい。
【００６２】
図１０Ａ乃至１０Ｄは、異なる材料をセンサ基板に使用した薄膜静電容量センサに対する様々な構成を示している。これらの実施形態は、リソグラフィ技術を使用する構成に適している。リソグラフィ技術は、非常に小さなギャップのサイズを有する非常に精密に形成された電極の製造を可能にする。これは、上述の相対的な設計ルールを満たし、非常に小さな特徴と非常に小さな距離とを測定するための非常に高い解像度を有するセンサを構成することを可能にする。更に、リソグラフィ工程は、非常に小さなトラックの幅と精密な寸法とを有する接続線と導体／接合パッドとを作ることを可能にする。更に、リソグラフィ工程は、当業者に周知であり、工程の流れが展開されると、より高い解像度を有するセンサの製造に容易に適用できる。しかしながら、工程の最初の展開は、より長い製造のリードタイムをもたらし、異なる工程段階を確認するために、短いループの実験が必要である。図１０Ａ−１０Ｄは、単に層の構成を示しており、側部ガード電極を示していないが、側部ガード電極が含まれている場合は、側部ガード電極は、感知電極と同じ層上に形成され、側部ガード電極と背部ガード電極とのオプションの接続を示していない。
【００６３】
リソグラフィマシンのようなマシン上に１つ以上のセンサがマウントされる応用の場合に、これらの実施形態の基板は２つ以上のセンサに共通であってもよく、センサのセットが１つのユニットで構成される。このタイプの構成の一例は、図１３Ａ−１３Ｄに示されており、後述で説明する。従って、基板をマウントプレートに接続してもよく、又はセンサをマシンにマウントするマウントプレートとして、基板を使用することができる。
【００６４】
図１０Ａの実施形態は、両側に絶縁層４７ａ、４７ｂが形成されているシリコンの基板４５を有する。感知電極３１は、絶縁層の一方の表面上に形成され、背部ガード電極３５は、他方の絶縁層の表面上に形成されている。この実施形態は、効果的に機能するように、ガード電極のアクティブなバイアスをかけることが必要であり得る。これは、センサが固定されるプレートのパタニングを必要とし得る。更に、投影レンズとセンサとの容量結合は、問題であり得る。
【００６５】
図１０Ｂの実施形態は、片側に複数の層が形成されているシリコンの基板４５を有する。複数の層は、第１の絶縁層４７ａと、第１の絶縁層上に形成されている感知電極３１と、第２の絶縁層４７ｂと、第２の絶縁層上に形成されている背部ガード電極３５とを含む。この実施形態は、センサが固定されるマウントプレートをパタニングする必要を回避し、更に、投影レンズとセンサとの容量結合を回避する。しかしながら、図１０Ａの実施形態と比較して、追加の絶縁層が必要である。
【００６６】
シリコンの基板は良い絶縁体ではないので、これらの実施形態には、絶縁層が含まれている。シリコンの基板の更なる欠点は、シリコン中の不純物のために、シリコンに寄生電流が発生し、これらの電流がセンサの静電容量の測定を妨害し得るということである。
【００６７】
図１０Ｃの実施形態は、一方の表面上に感知電極３１が形成され、他方の表面上に背部電極３５が形成されている、パイレックス（登録商標）の基板４６を有する。更に、この実施形態は、ガード電極のアクティブなバイアスをかけることを実施した場合に、センサが固定されるプレートのパタニングを必要とするが、感度の低下と、センサの非線形性の僅かな増加とを伴う、アクティブなガードを省いてもよい。１００μｍの基板の厚さと、感知電極と側部ガード電極との間の１６μｍのギャップとを有する、この基板を使った実施形態は、１５０ｋＨｚで５０μＡの電流のエネルギを与えられたときに、センサとターゲットとの間の０．８μｍの距離において約１１．５Ｖの有効出力電圧を生成し、センサとターゲットとの間の１．８μｍの距離において約１３．５Ｖの有効出力電圧を生成し得る。
【００６８】
図１０Ｄの実施形態は、片側に複数の層が形成されているパイレックスの基板４６を有する。複数の層は、ガード電極３５と、ガード電極上に形成されている絶縁層４７と、絶縁層上に形成されている感知電極３１とを含む。この構成の場合に、センサが固定されるプレートのパタニングは必要ない。１００μｍのパイレックスの層のために、投影レンズとセンサとの容量結合は低減される。パイレックスは良い絶縁体である。パイレックスの基板を使用する実施形態の場合は、シリコンの実施形態に使用される絶縁層を省くことができる。
【００６９】
センサ電極(感知電極と、側部ガード電極と、背部ガード電極)と信号処理システムとを電気的に接続するには、小さなセンサ要素にロバストな低インピーダンスの接続をする必要がある。この接続は、予想される機械的応力に耐えることができ、一方で、センサ構成に更なる寄生静電容量を取り込むのを回避できるはずである。更に、リソグラフィマシンを使ったセンサの応用の場合に、汚染物質を真空環境に放出する物質を接続に使用するのを回避すべきである。
【００７０】
図１１は、センサから信号処理回路への外部接続をするために、接続線４１、４２の端部に形成されている接触パッド（contact pad）５０ａ、５０ｂを有するセンサを示している。図１２Ａと１２Ｂは、センサ電極に電気的に接触するための接触パッドの構造の断面図を示している。これらは、シリコンと、パイレックスと、同様の材料の基板を使用する実施形態に特に適している。これらの実施形態は、基板の前側のセンサ電極に電気的に接続するために、基板の背側に接触パッドを備えている。図１２Ａは、基板５５を通り抜けるバイヤホールを有する実施形態を示している。導電性の接触パッド５０は、シリコンの基板の背側に形成されている。基板の前側の導電層５２と接続するために、バイヤホールを通じて導電性接続５１が形成される。図１２Ｂは、基板５５の縁部にわたって電気接続をする実施形態を示している。導電性の接触パッド５０は、基板の背側に形成され、導電性接続５１は、基板の縁部に形成され、基板の前側の導電層５２と接続している。
【００７１】
シリコン又は他の非誘電性基板を使用する実施形態の場合は、絶縁層５３が、基板から導電層５２を離し、小さな絶縁層５４が、基板から接触パッド５０を離している。更に、図１２Ａでは、バイヤホールが絶縁層で被覆され、図１２Ｂでは、導電性接続５１の下の基板の縁部が絶縁層で被覆されている。接触パッドに必要とされる追加の絶縁層は、追加の小さな寄生静電容量を生じる。パイレックスのような誘電性基板を使用する実施形態の場合は、追加の絶縁層は、オプションであり、追加の寄生静電容量が減る。
【００７２】
図１３Ａ乃至１３Ｄは、リソグラフィマシンの投影レンズ１０４を囲んでいる１つの基板１０２上に構成された複数のセンサを有する感知システムの実施形態を示している。図１３Ａは、基板の前側、即ち、露光されるウェーハに向かって下方に面している側部を示している。(４個のセンサペアから成る)８個のセンサが、ペアになって、投影レンズの周りにおいて、間隔を置いて基板上に形成されている。この実施形態では、各センサについて、導電性の感知電極３１が基板の前側に形成されている。側部ガード電極３２は、各感知電極を囲んでいて、側部ガード電極３２と各感知電極との間に小さなギャップが形成されている。接続線１０５は、各感知及びガード電極と基板の縁部とを電気的に接続する。この実施形態では、パイレックス又はカプトンのような誘電材料から基板が作られており、電極と基板との間に、追加の絶縁層は使用されていない。更に、薄い保護絶縁層が、基板の前側のセンサ電極の上に形成され得る。
【００７３】
図１３Ｂは、基板の背側、即ち、露光されるウェーハから遠い上方に面している側部を示している。各センサについて、導電性の背部ガード電極３５が基板の背側に形成されている。各センサについて、背部電極は、基板の前側の感知及び側部ガード電極と整列している。円形の電極を有するこの実施形態では、各センサについて、全ての電極の中心は整列している。背部電極３５は、感知電極３１よりも大きな直径を有しており、前側の側部ガード電極３２の直径以上であり得る。接続線１０６は、背部ガード電極と基板の縁部とを電気的に接続する。
【００７４】
例えば、図１１、１２Ａ、又は１２Ｂに示されている構成を使用して、基板の前側の接続線１０５と、背側の接続線１０６とを配置して、基板の背側の縁部に接触パッド５０ａ、５０ｂを形成してもよい。接触パッド５０ａは、感知電極３１に電気的に接続され、接触パッド５０ｂは、側部ガード電極３２と背部ガード電極３５とに接続される。この実施形態では、接触パッドのエリアは、交互になっていて、両側で、感知電極からの各接触パッド５０ａは、対応する側部ガード電極及び背部ガード電極からの接触パッド５０ｂを有する。シールド電極に接続するために、追加の接触パッド５０ｃが基板の縁部に更に形成される。これは、センサを測定システムに接続するケーブルのシールドに接続され得る。基板上のセンサペアの配置に対応して、別々のエリアに配置されている接触パッドのエリアが一緒になって接触パッド５０を形成する。
【００７５】
図１３Ｃは、基板の背側を示している。基板の縁部の周りにギャップを残して、絶縁層１１０が基板上に形成されており、接続するために接触パッド５０が露出されている。図１３Ｄは、スペーサ／マウントプレート１１２上にマウントされた基板１０２を示している。マウントプレート１１２は、導電性であってもよく、シールド電極として機能することができ、接地され得る。又はその代わりに、シールド電極として機能する導電性のシールドプレートを、別個のコンポーネントとして備えてもよい。接触パッド５０ｃは、例えばセンサのシールドに接続するために、シールド電極に電気的に接続する接続エリアとして機能する。絶縁層１１０は、マウントプレート／シールド電極からガード電極を電気的に切り離す。この実施形態では、マウントプレートは、マウントプレートの縁部の周りにカットアウトを有し、電気的に接続するために接触パッド５０を露出させている。
【００７６】
１つの実施形態では、図１３Ａ-１３Ｄの構成は、投影レンズを収容するために、例えば１９×１９ｍｍ又は２６×２６ｍｍの正方形の穴を備えた、５０ｍｍの直径のパイレックスの基板を備え得る。感知電極は、３．８ｍｍの直径と、感知電極とガード電極との間の１６μｍのギャップとを有する。ガード電極は、１ｍｍの幅を有し、背部電極は、６ｍｍの直径を有する。接続線１０５は、０．０５ｍｍの幅と、１６μｍの間隔とを有する。接続線１０６は、０．５ｍｍの幅と、０．５ｍｍの間隔とを有する。接触パッドは、０．５ｍｍの幅と、１．４ｍｍの長さとを有する。パッドは、０．５ｍｍのギャップによって相互に離されている。２００ｋＨｚで１０μＡの電流で、センサに動力が与えられ得る。
【００７７】
図１３Ａ-１３Ｄに示されている実施形態における又はここに記載されている他のセンサ構成のうちの何れかにおけるセンサは、例えば、図６Ａ−Ｆ、７Ａ−Ｂ、８Ａ−Ｂ、９Ａ-Ｃ、１０Ａ−Ｄ、１１、又は１２Ａ−Ｂに記載されている実施形態のうちの何れかに従って構成され、差動ペアで配置され得る。ペアのうちの各センサは、ペアのうちの他方のセンサから位相がずれている電圧又は電流によって駆動される。例えば、ペアのうちの第１のセンサは、ペアのうちの他のセンサから位相が１８０度ずれている電流によって駆動され得る。センサのペア間の結合を弱めて、センサの複数の差動ペアを一緒に使用できるようにするために、各センサペアは、隣り合うセンサペアから位相がオフセットした電流又は電圧によって駆動され得る。例えば、隣り合うセンサペアは、互いから位相が９０度ずれている電流によって駆動され得る。例えば、図１３Ａの上側のセンサのペアは、０及び１８０度の位相の電流によってエネルギを与えられ、一方で、右側のセンサのペアと左側のセンサのペアは、各々、９０及び２７０度の位相でエネルギを与えられ、下側のセンサのペアは、０及び１８０度の位相でエネルギを与えられる。このように、隣り合うセンサペアの直交バイアスで位相分割技術を使用して、ペアを切り離して、ペア間の干渉を下げる。その代わりに又は更に、周波数分割又は時分割のような他の技術を使用して、センサペア間の干渉を下げてもよい。
【００７８】
センサから電気信号を転送し、生のセンサ信号を使用可能なフォーマットに変換するために電気信号を送信するのに、センサプローブから信号処理システムへの電気的接続が必要である。図１４は、リソグラフィマシンの投影レンズ１０４の周りの基板１０２の前側にマウントされたセンサ３０を備えたセンサ構成の側面図を示している。基板１０２は、センサを機器にマウントするためのマウントプレート１１２としても機能し得る。機器、例えばリソグラフィマシンの投影レンズから距離が測定される。接触パッド５０は、基板の背側に形成される。金属の接触ばねの形態の接続ワイヤ６０は、信号処理システムに接続するために、パッドと電気的に接触する。
【００７９】
図１５Ａと１５Ｂは、フレキシブルプリント回路の接続部材１１０を使用する代わりの接続構成を示している。フレキシブルプリント回路の接続部材１１０は、フレキシブルなメンブレン１１１を備えており、フレキシブルなメンブレン１１１上に、導電性トラック１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃがプリント又は付けられている。導電性トラックの上に保護絶縁層を形成してもよい。フレックスプリントコネクタ１１０の一方の端部は、センサ電極の接続エリア又は接触パッド５０に接合され、その結果、導電性トラックはセンサ電極に電気的に接続する。示されている実施形態では、導電性トラック１１４ａは、感知電極のための接触パッドに接続し、導電性トラック１１４ｂと１１４ｃは、側部ガード電極及び／又は背部電極のための接触パッドに接続する。シールド電極がセンサ構造に含まれている場合は、追加の導電性トラックをフレックスプリントコネクタ上に形成して、センサとセンサ支援構造とから離れた接地電位に、シールド電極を接続してもよい。フレックスプリントコネクタ１１０の他方の端部には、センサ信号を信号処理システムに転送するワイヤ又は接続ピン１２０と電気的に接触させる接触端子１１７と共に、コネクタプラグ又はソケット１１６が付けられている。図１５Ａは、導電性トラック１１４ａ−１１４ｃが見えるフレックスプリントコネクタ１１０の実施形態の下側を、導電性トラックが接続している１組の接触パッド５０の上面図と共に示している。図１５Ｂは、接触パッドに接続されたときの、フレックスプリントコネクタ１１０の側面図を示している。フレックスプリントコネクタは、フレキシブルであり、ここに記載されているセンサの実施形態の何れにも使用され得る。特に、導電性トラックの幅が非常に小さい場合に、フレックスプリントコネクタの最大曲げ半径を考慮すべきであり、組み立て中に、フレックスプリントコネクタとセンサの接触パッドとを整列させることが重要である。
【００８０】
絶縁層３４が、高分子絶縁膜又は同様のもののような適切な材料から作られている場合に、フレキシブルなメンブレン１１１を同じ材料から作って、絶縁層３４に、絶縁層３４の延在部として統合してもよい。この実施形態では、同様に、導電性トラック１１４ａ−ｃを、感知電極３１、側部ガード電極３２、及び／又は背部電極３５と同じ材料から作って、その延在部として統合してもよい。この構成では、電極と導電性トラックとの間に接触パッドは必要ないが、導電性トラックの端部に接触パッドが使用され得る。別の実施形態では、センサの電極と同じやり方で、導電性トラックを層状にしてもよく、例えば、その結果、背部ガード電極に接続された導電性トラックが、絶縁層の上に形成され、絶縁層が、感知電極に接続された導電性トラックの上に形成される。例えば、図２１Ｄに示されているように、この構造を更に拡張して、背部ガード電極に接続された導電性トラックの上に、絶縁層を形成して、絶縁層の上に、シールド電極が形成して、シールド電極に接続された導電性トラックを含むことができる。
【００８１】
図１６Ａは、荷電粒子リソグラフィマシンの投影レンズとデフレクタのスタック１３２の断面図を示している。リソグラフィマシンによって生成された荷電粒子ビームレットをウェーハの表面上に集束させて、走査パターンにおいて、それらをウェーハの表面の全体にわたって偏向させるために、スタック１３２は、一般に、垂直に積み重ねられた投影レンズ要素とビームレットデフレクタ要素とを含む。実際には、各々の垂直に積み重ねられた投影レンズ要素は、多数のビームレットをウェーハの表面上に同時に集束させるために、投影レンズのアレイを含み得る。各ビームレットは、ウェーハの異なる部分を露光する。同様に、各デフレクタ要素は、デフレクタのアレイを含み得る。
【００８２】
レンズのスタック１３２は、ハウジングフレーム部材１３０の中にマウントされている。マウントプレート１１２は、フレーム部材１３０の下に配置されて付けられている。マウントプレート１１２は、レンズのスタックの２つの静電レンズ要素間のスペーサとしても機能し得る。中央に配置された穴を通して、荷電粒子ビームが投影される。プレート／スペーサ１１２は、ガラス又は他の適切な絶縁材料から作られ、レンズのスタック１３２と、底部のレンズ１０４と、ウェーハと、センサと、近くの他のコンポーネントとに存在する高電圧間に絶縁層を提供し得る。プレート１１２は、ほぼ円筒型のフレーム部材１３０と、上部のマウントプレート１３３と共に、投影レンズとデフレクタのスタック１３２とのためのハウジング構造を形成する。
【００８３】
その代わりに、プレート１１２は、導電性であるか、又は静電容量センサのためのシールド電極として機能する導電層を含んでもよい。更に、プレート１１２は、基板１０２であってもよく、基板１０２上にセンサが形成される。示されている実施形態では、投影レンズのスタック１３２は、垂直のスタックで構成された一連の投影レンズ要素を具備する。投影レンズのスタック１３２は、ほとんどは、プレート１１２より上に配置されているが、スタックの中の最後の集束レンズ要素１０４は、プレートの下のプレートの底表面上に配置される。
【００８４】
図１６Ｂは、投影レンズのスタックの底部の投影レンズ１０４と可動ウェーハテーブル１３４上に載せたウェーハ９との間の距離に関する距離を測定するセンサの構成を示している。ウェーハとテーブルは便宜上概略的に示されており、その幅は、レンズのスタックのハウジングよりも実際ははるかに大きいことに留意すべきである。一般的に、レンズのスタックのハウジングが５０−７０ｍｍであるのに対して、ウェーハは直径２００又は３００ｍｍである。センサ３０は、底部の投影レンズ１０４と同じプレート１１２上にマウントされ、そのレンズ１０４のすぐ近くにある。センサは、リソグラフィマシンの露光域のサイズよりも小さいことが好ましく、センサのうちの幾つか又は全ては、露光域のサイズの幅又は長さに等しい距離よりも、投影レンズの縁部により接近して配置され得る。
【００８５】
この構成では、投影レンズに対して固定された関係で、センサがマウントされるので、センサとウェーハとの間の測定された距離から、底部の投影レンズ１０４とウェーハ９との間の距離を決定できる。ここに記載されているセンサの非常に小さなサイズが、投影レンズのすぐ近くにセンサをマウントすることを可能にし、投影レンズの最後の集束要素と同じ支持要素上にセンサをマウントすることを可能にするので、これらは両者共、同じ基準点に固定される。１つの構造上で、センサが底部の投影レンズと統合されるので、例えば、底部の投影レンズがマウントされている支持要素と、センサがマウントされている支持要素との間における、熱膨張と、収縮と、動きとによって生じる、センサと投影レンズとの相対的な位置の変化に起因する誤差と、センサと底部の投影レンズのベース構造がそれぞれ異なることによるマウントの不正確さに起因する誤差とが大幅に減る。この結果、ｘ軸及びｙ軸(即ち、ウェーハの表面に平行な軸)と、ｚ軸(即ち、ウェーハの表面に垂直な軸)とにおける変化に対して、センサシステムを較正する必要を無くすか、又はこのような較正の必要を少なくとも減らすことになる。従来の静電容量センサは、プレート１１２上にマウントするには丈と幅が大き過ぎて、投影レンズ１０４から更に遠くに離して、例えばフレーム部材１３１上にマウントしなければならないであろう。
【００８６】
集束効果は、主に最後(底部)の投影レンズ１０４によって決定される。上述の統合された設計の特徴では、静電容量の高さのセンサが投影レンズと統合されているので、最後の投影レンズ要素の焦点生成エリアとセンサとの間に、他の要素はない。統合されたシステムにおける唯一の重要な変化は、単一の投影レンズ要素１０４の公差である。これは、非常に薄い要素である(一般に、２００μｍ以下である)。センサと投影レンズとの関係は、最下位の要素１０４の公差によってのみ乱される。静電容量センサの絶対測定は、集束要素と、ウェーハの表面、即ちビームが集束する平面／位置との間の距離から、集束要素(投影レンズの最下位の要素)の厚さの公差を除いた距離に本質的に一致する。集束要素の厚さの不確かさは、センサの要求される測定及び動作の範囲のほんの僅かな部分である。従って、センサの残りの静電容量を決定する「無限測定（infinity measurement）」を除いて、センサを更に較正する必要がない。これは、無限に、即ち適切な場所にウェーハを置くことなく、単に測定することによって決定され得る。センサと投影レンズとを近付けて統合すると、システムの全体の公差を最小化するので、静電容量センサの読み取り値は、更に較正することなく、リソグラフィマシンで使用するのに十分に正確である。更なる長所は、最小の設計は、露光ビームの近くでターゲット(ウェーハ)までの距離を測定することを可能にし、更に、測定誤差を最小化することである。
【００８７】
センサは、投影レンズ１０４の底部に隣り合って、プレート１１２上に配置される。例えば図５−９に示されているタイプの薄膜構成に従って、別々に構成されるセンサの場合は、例えば粘着剤を使って、個々のセンサをマウントプレート１１２に直接に固定してもよい。例えば図１３Ａ−１３Ｄに示されているタイプの、共通の基板上に形成されるセンサの場合は、同じく粘着剤又は他の取り付け手段を使用して、センサ基板をマウントプレート１１２に固定してもよい。更に、共通のセンサ基板はマウントプレート１１２として機能することもできる。
【００８８】
投影レンズ１０４の底部は、センサ３０の感知電極の底表面と実質的に同じ高さであるか、又は僅かにより低くてもよい。測定したい距離が、実際に測定される距離(即ち、感知電極の底表面と、測定されるターゲットとの間の距離)とほぼ等しくなるように、システムを設計することによって、システムの感度が上がる。１つの実施形態では、リソグラフィマシンに使用される場合に、投影レンズ１０４の底部は、センサ３０の感知電極の底表面より５０μｍ下に延在する。投影の焦点面は、投影レンズの底部より５０μｍ下であって、感知電極よりも１００μｍ下にある。ウェーハテーブルは、１００ｎｍの位置決めの精度と、感知電極の底表面の下に８０−１８０μｍのｚ軸(垂直)の移動範囲を有し、この範囲の上端は、ウェーハを感知電極の８０μｍ以内に持ってくる。この範囲の下端は、感知電極の１８０μｍ下にウェーハを動かす。
【００８９】
図１７Ａ乃至１７Ｄは、複数のセンサ３０と、統合されたフレックスプリントコネクタ１１０とを有するフレキシブルプリント回路構造１２０を示している。構造１２０は、カプトンポリイミドフィルム又は同様のフレキシブルな絶縁膜のような絶縁材料のフレキシブルなベースを具備する。接続線を作る導電性トラックと、センサのための導電性電極は、銅又は他の適切な導電性材料の薄い層から形成されるか、粘着剤を使用して絶縁性のベース層に固定されるか、例えばダイレクトメタライゼーションプロセスを使用して、粘着剤のない積層として形成されるか、或いは、導電性インク又は他の適切なプリント技術を使用して、絶縁層上にプリントされる。次に、保護絶縁膜が導電層の上に形成され得る。
【００９０】
図１７Ｂに示されている実施形態では、底部の投影レンズ１０４を収容する正方形のカットアウト１２1の周りに、８ペアのセンサを正方形の配列で配置している。更に、センサペアの代わりに、単一のセンサを使用してもよい。更に、センサ又はセンサペアの様々な空間的配置が使用され得る。フレキシブルなベース層は、延在部を含んでいる。延在部は、センサと信号処理システムとを電気的に接続するために、上述のように構成されたフレックスプリントコネクタ１１０として機能する。フレックスプリントコネクタ１１０は、コネクタ１１６に接続する。コネクタ１１６は、応力を除去し、遠隔信号処理システムに接続するための三軸ケーブル２１０に対するインターフェイスを提供する。
【００９１】
センサから、センサと離れた位置へ、信号を転送するのに必要な接続及び配線と、センサとを統合すると、より大きく且つよりロバストな接続を作ることができ、幾つかの問題を解決することができる。センサのサイズが極めて小さいと、配線とコネクタのハードウェアのサイズが制限されるので、電気的に接続するのが困難になる。配線によって取り込まれる静電容量がセンサシステムを支配しないように、それらを制御しなければならない。配線の何らかの小さな動き又は振動は、損傷をもたらすか、或いはセンサの再較正の必要をもたらし得る。センサとセンサの配線との両者を、１つのフレックスプリントのフレキシブルなベース層上に統合すると、非常に小さな寸法を有するセンサにおける接続を可能にし、配線によって取り込まれる静電容量を、システムの設計中に制御することができる。１つのベース層上に統合すると、構造上ロバストな設計を生成し、配線の動きに関する問題を大幅に減らす。
【００９２】
関連する配線を備えた複数のセンサを１つのベース層上に統合すると、更なる長所が得られる。１つのベース層上にセンサのアレイを形成することによって、製造された時に、センサの空間的配置が固定され、より大きな統合された構造は、機器、例えばリソグラフィマシンへの取り付けと取り扱いをより容易にする。
【００９３】
フレキシブルなベース層上に回路をプリント又はさもなければ形成することによって、信号前処理回路２００がフレックスプリントコネクタ上に統合され得る。信号前処理回路２００は、（後述するように）センサのガード電極のアクティブなバイアスをかけることのために使用される緩衝器／増幅器を含んでもよく、追加の回路を含んでもよく、又は信号前処理回路２００を省いて、投影レンズに対してローカルな唯一の接続ハードウェアと、全ての能動素子とが離れて配置されるようにしてもよい。リソグラフィマシンは、真空環境の中で動作するので、センサの近くであって、真空の中に能動素子を配置すると、真空中では熱伝達しないので、能動素子からの放熱の問題が生じ得る。しかしながら、アクティブなガードに必要なコンポーネントをガード電極の近くに配置すると、システムの性能が上がる。示されている実施形態では、信号前処理回路２００はコネクタ１１６の隣に配置されているので、回路が発生した熱は、コネクタ１１６を通じてケーブル２１０に、より効果的に伝わり、センサ構成から離れ得る。
【００９４】
図１８は、別の接続構成を示している。フレックスプリントコネクタ１１０は、一方の端部において、マウントプレート１１２上のセンサ３０に接続し、他方の端部において、接続配線又はピン２０１を介して、信号前処理回路２００に接続する。信号前処理ユニット２００は、フレーム部材１３１上に、好ましくは凹部又は仕切りの中にマウントされ得る。信号前処理回路２００の出力は、ワイヤ又はピン２０２と、コネクタ２０４と、三軸ケーブル２１０とを介して、制御システムに送信される。
【００９５】
図１９Ａと１９Ｂは、リソグラフィマシンにおいて(図１７Ａ乃至１７Ｄに示されている)統合されたフレキシブルプリント回路構造１２０をマウントする構成を示している。図１９Ａは、構成を上から示しており、見易さを改善するために投影レンズのスタックが取り除かれていて、フレキシブルプリント回路構造１２０は、フレーム部材１３１の窪みに配置されている。コネクタ１１６は、三軸ケーブル２１０を介して、ケーブリングバンドル（cabling bundle）２１２に接続する。次に、ケーブリングバンドル２１２は、遠隔信号処理システムに接続するためにケーブル２１４に接続する。図１９Ｂは、ウェーハに面するセンサ３０とフレキシブルプリント回路構造１２０とを示す下面図を表わしている。
【００９６】
粘着剤又は他の適切な取り付け方法を使用して、フレキシブルプリント回路構造１２０を、マウントプレート、例えば図１６Ａと１６Ｂとに示されているマウントプレート１１２の底表面に固定してもよい。この結果、関連する配線を備えたセンサアレイと、底部の投影レンズ１０４及びマウントプレート１１２とが全て、単一の構造で統合される。これによって、投影レンズのすぐ近くであって、且つ投影レンズに対して固定された関係で、センサがマウントされ、図１６Ａと１６Ｂの実施形態の上述の恩恵がもたらされる。
【００９７】
図２０Ａと、２０Ｂと、２０Ｄは、リソグラフィマシンの投影レンズ１０４を囲んでいるマウントプレート１１２上の静電容量センサの様々な構成を示している。図２０Ａでは、マウントプレート１１２の４つの四分円に、４つのセンサペアを分散させている。センサは、差動感知のためにペアで配置されている。マウントプレートの底側において、各センサは、感知電極３１を具備し、側部ガード電極３２を更に含み得る。この配置は、特に、ウェーハの高さと傾斜とを測定するのに特に適している。図２０Ｂは、正方行列（square matrix）で配置されたペアの１６個のセンサの配置を示している。正方形の真ん中は、センサを有しておらず、投影レンズ１０４が配置されている。上述の構成の全てについて、センサ基板の背側に、背部ガード電極が含まれていることが好ましく、更に、既に記載したようにシールド電極が含まれていてもよい。図２０Ｃは、マウントプレート１１２及びセンサに関連する様々な位置のウェーハ９ａ、ｂ、ｃ、ｄを示しており、４つのウェーハの位置の重なったエリアは、投影レンズ１０４の四隅から延在しているマウントプレート１１２上の４つのエリア１１５を示している。図２０Ｄは、これらの４つのエリア１１５に配置された４つのセンサ(差動)ペアを示している。
【００９８】
エリア１１５のこの配置は、センサを分散させて、少なくとも１つのセンサ又はセンサペアを使って、ウェーハの表面までの距離を測定する可能性を最大化する。１つのみのセンサ／ペアがウェーハの上に配置されるように、ウェーハの位置を定めると、ウェーハの表面までの距離の測定は、このセンサ／ペアのみに基づく。別のセンサ／ペアがウェーハの上に位置を定められると直ぐに、このセンサ／ペアから更に測定して、ウェーハの上の２つのセンサ／ペアから、平均距離値を計算できる。同様に、第３と第４のセンサ／ペアがウェーハの上に位置を定められると、これらを考慮に入れる。最後の測定距離値における突然のステップを回避するために、更なるセンサ／ペアの寄与をフェードインさせることによって、例えば段階的に含めることによって、追加のセンサ／ペアを平均距離の計算に含めることが好ましい。
【００９９】
マウントプレート１１２のサイズは、最小の、一般に約６０ｍｍの、ターゲットのサイズを決定する。３００ｍｍのウェーハに対して、ウェーハの位置９ａ−９ｄの４つの重なったエリア１１５は、センサの適切な配置エリアを示すが、リソグラフィマシンの光又は電子ビームの実際の投影エリアにできるだけ近付くように、センサをマウントすることが好ましい。より大きなウェーハのサイズ、例えば４５０ｍｍは、エリア１１５を大きくする傾向がある。その理由は、エリア１１５を定める円形断面が、直線になる傾向があるからである。
【０１００】
図２１Ａと２１Ｂは、４つの差動センサペア３０ａ、３０ｂを有するフレキシブルプリント回路構造１２０の実施形態を示している。構造１２０は、図１７Ａ−１７Ｄの実施形態と同様に、カプトンポリイミドフィルム又は同様のフレキシブルな絶縁膜のような絶縁材料のフレキシブルなベースから作られ、更に、１つ以上の統合されたフレックスプリントコネクタ１１０を含み得る。感知電極に面して(感知電極が見えるように、センサの上の絶縁性の保護層を省いて)下から見て示されている実施形態では、底部の投影レンズ１０４の周りの、図２０Ｄのエリア１１５の中に位置を定めるように、４つのセンサペアが配置されている。更に、センサペアの代わりに、単一のセンサを使用してもよい。センサと配線接続とを統合すると、非常に小さなセンサに対する単純でロバストな接続と、配線によって取り込まれる静電容量の制御とを可能にする。図２１Ａは、円形のセンサを使った実施形態を示している。図２１Ｂは、エリア１１５の使用量を最大化するために、四辺形のセンサを使った実施形態を示している。(単純化のために尖った角を有するセンサが示されているが、例えば図９Ｄに示されているように、丸みを帯びた角が好ましい)。
【０１０１】
図２１Ｃは、フレキシブルプリント回路構造１２０をセンサの裏からある角度で示している。４つの統合されたフレックスコネクタ１１０が、折り曲げられて、ベース層１２０から上方に延在している。導電性トラックは、遠隔回路に接続するためのケーブルに接続するために、各センサのセンサ電極から、フレックスコネクタ１１０に沿って、次に、フレキシブルなメンブレン１２２と１２３の周りに延在している。ベース層を上から見て、センサの背部ガード電極３５ａ、３５ｂが示されている(背部ガード電極が見えるように、絶縁層とシールド電極は省かれている)。導電性トラック１１４ｂは、フレックスコネクタ１１０の内側１１０ｂ上に形成されている。導電性トラックは、フレックスコネクタ１１０の外側１１０ａに更に形成され得る。導電性トラックは、銅又は他の適切な導電性材料の薄い層から形成されるか、粘着剤を使用して絶縁層に固定されるか、粘着剤のない積層として形成されるか、或いは図１７Ａ−１７Ｄの実施形態のように絶縁層上にプリントされ得る。
【０１０２】
図２１Ｄは、センサ３０と、関連するフレックスコネクタ１１０との断面図である。センサを遠隔回路に接続するために、導電性トラック１１４ａ−ｅが、センサ電極から、フレックスコネクタ１１０に沿って延在している。この実施形態では、導電性トラック１１４ａ−ｅは、同じ材料から作られ、電極の延在部としてセンサ電極に統合されている。導電性トラックは、センサの電極と同じやり方で、層状に配置されている。絶縁層３４は、フレックスコネクタ１１０のための延在部分を含んでいる。導電性トラック１１４ａは、感知電極３１から延在しており、両者は、絶縁層３４上に形成されている。導電性トラック１１４ｂは背部ガード電極３５から延びており、両者は、絶縁層３４と４３との間に形成されている。導電性トラック１１４ｂは、導電性トラック１１４ａよりも幅が広い。導電性トラック１１４ｂは外周部分を有し、外周部分は導電性トラック１１４ａに対する側部ガード電極として機能する。導電性トラック１１４ａは、感知電極から信号を伝送し、周囲環境中の導体に対してある特定の静電容量を有する。導電性トラック１１４ａの近くの導体は、センサの感知電極に影響を及ぼすのと同じやり方で、この静電容量に影響を及ぼす。従って、近くの導体による妨害を減らすために、導電性トラック１１４ｂが、側部ガード電極の役割をするように設計されている。
【０１０３】
センサがシールド電極を含んでいる場合に、シールド電極４４から導電性トラック１１４ｄが延在しており、両者は、絶縁層４３と３８との間に形成されている。この配置は、感知電極から測定信号を伝送する導電性トラック１１４ａの長さの全体に、シールド電極の効果を拡張し、距離の測定に対する妨害と外部の影響とを減らす。
【０１０４】
図２１Ｃの実施形態では、導電性トラック１１４ｂ、１１４ｄと、これらの間の絶縁層は、フレックスコネクタの内側表面１１０ｂ上において、内側に延在している。フレックスコネクタの外側表面１１０ａ上に、同様の配置が再現され得る。フレックスコネクタ１１０に沿って導電性トラック１１４ａの上に絶縁保護材３７を形成して延在させてもよい。導電性トラック１１４ｃは、フレックスコネクタに沿って導電性トラック１１４ａより上に延在している。導電性トラック１１４ａの両側には、外周部分が延在している。導電性トラック１１４ｃを、背部ガード電極に接続された導電性トラック１１４ｂに電気的に接続すると、導電性トラック１１４ｃを背部ガード電極と同じ電位にすることができる。導電性トラック１１４ｃを、背部ガード電極に直接に接続するか、又は他の何らかの手段によって電気的に接続することもできる。
【０１０５】
同様に、フレックスコネクタに沿って導電性トラック１１４ｃの上に延在している別の絶縁層４３ａを形成してもよい。別の導電性トラック１１４ｅは、フレックスコネクタに沿って導電性トラック１１４ｃより上に延在している。接地電位、好ましくは、導電性トラック１１４ｅは、センサから離れた接地に接続するためにケーブル導体に又は導電性トラック１１４ｄに電気的に接続され得る。最後に、保護層３８ａが最上部の上に形成され得る。
【０１０６】
この二面構成（two-sided arrangement）を使って、感知電極から信号を伝送する導電性トラック１１４ａは、背部ガード電極の延在部間に効果的に挟まれ、この組み合わせ構造は、シールド電極の延在部間に挟まれるので、距離の測定に対する妨害と外部の影響とを大幅に減らす。
【０１０７】
導電性トラック１１４ａ−ｅは、センサから離れた端部において、センサ信号を遠隔回路に送るケーブルに接続され得る。三軸ケーブルを使用してもよく、中心のケーブル導体は導電性トラック１１４ａに接続され、真ん中のケーブル導体は導電性トラック１１４ｂと１１４ｃに接続され、外側のケーブル導体は導電性トラック１１４ｄと１１４ｅとに接続される。上から覆い被せた絶縁層の穴を通して、各導電性トラックの金属の接触パッドを露出することによって、これらの接続を行なうことができる。
【０１０８】
図２１Ｃに示されているセンサとコネクタの構造は、静電容量センサのアレイをマウントして、リソグラフィマシンの投影レンズに接続するのに適している。この構成は、幾つかの目的を達成し、非常に小さな薄膜静電容量センサを、最下位の投影レンズ要素がマウントされているのと同じマウントプレートに直接に、且つ投影レンズの焦点のすぐ近くにマウントするためのフレキシブルなベース層を提供する。このマウント方法は、感知要素と投影レンズとの高さの違いのためにセンサシステムを較正する必要を排除する。センサ電極から延在している一体化したコネクタは、センサへのロバストな電気接続を生成し、これは、システムの静電容量の変化を最小にし、センサに接続したときの変化による較正の必要を排除する。
【０１０９】
これは、もとの位置に（in situ）較正することを必要としない非常に簡単なシステムをもたらす。センサの残りの静電容量を決定して(これは、単に、無限に、即ちセンサの前にウェーハが無くても、測定することによって行われ得る)、その後に、相殺することができる。センサの残りの静電容量は、本質的に固定されるので、センサの更なる較正は必要ない。固定接続構造と三軸ケーブルとによって、接続の振動又は動きは大部分が取り除かれるので、(例えば、配線の小さな動きによる)寄生静電容量は、容易に低く維持される。結果として得られる構造は、リソグラフィマシン内に容易に取り付けられ、時間のかかる再較正をすることなく、センサ、又は組み合わされた投影レンズとセンサの構造を、取り除いて交換することを容易にする。
【０１１０】
電子回路
図２２は、センサシステム３００を示している。センサシステム３００は、１つ以上のセンサプローブ３０と、信号処理システム３０１と、センサプローブから信号処理システムに信号を伝達する接続システム３０２とを具備している。信号処理システム３０1は、センサプローブを駆動する電流又は電圧源回路と、生のセンサ信号を増幅する増幅器／緩衝器回路と、センサガード電極にバイアスをかけてケーブル導体を接続する回路と、プローブから受信した信号を処理して、処理された信号を測定データとして出力する信号処理回路と、システムを較正する回路とを含み得る。接続システム３０２は、センサを信号処理システムに接続するケーブルを含み得る。
【０１１１】
システムの各部分は、様々なタイプの測定誤差と、感度を下げる要素とに対する源であり得る。プローブの制限された形状と、センサ電極及び他のコンポーネントの形状を不揃いで不正確にする製造工程の限界とが原因で、センサプローブによって誤差が取り込まれる。センサプローブの構造と、プローブの近くの他のコンポーネントの干渉とが原因の、固有（intrinsic）／寄生（parasitic）の静電容量は、センサの感度を下げ得る。
【０１１２】
プローブをマウントすることによって、マウント表面又はプローブが傾斜する又は平らでなくなることと、マウントに関係する位置及び他の要素の公差との結果として、誤差が取り込まれ得る。信号処理のエラーと、コンポーネントの公差と、外部又は内部の干渉と、他の要素とが原因で、信号処理システムによって誤差が取り込まれ得る。接続システムによって、誤差が更に取り込まれ得る。誤差は、例えば、接続線と、接触パッドと、接続ワイヤと、ケーブリングとのような接続コンポーネントによって取り込まれる追加の静電容量である。
【０１１３】
センサとターゲットとの間の距離を表わす、センサの静電容量の変化を検出するために、様々な増幅器構成を使用することができる。図２３Ａは、基本的な高インピーダンス増幅器回路の単純化した回路図である。高入力インピーダンス増幅器は、増幅器３０５の単位利得非反転構成（unity gain non-inverting configuration）を使用する。ＡＣ電流源３０６は、センサプローブ３０と並列し、増幅器への入力として接続される。回路は、静電容量の変化に比例する線形出力３０９を生成する。静電容量は、センサプローブ３０とターゲット９との間の距離に応じて変わる。
【０１１４】
センサ３０は、増幅器の入力と、接地又は仮想接地との間に接続されている。即ち、測定される静電容量の一方の電極は、接地に接続されている。しかしながら、ウェーハまでの距離を測定するために、センサの感知電極は、測定される静電容量の一方の電極を形成し、一方で、ウェーハの導電層は、他方の電極を形成する。一般に、ウェーハ９の導電層は、ウェーハテーブル１３４とリソグラフィマシンの他のコンポーネントとを介して、接地に容量的に接続される。ウェーハと接地との間の静電容量は、一般に６ｐＦと７０ｎＦとの間で変化する。センサの静電容量の公称値は、一般に約０．１ｐＦ乃至１ｐＦである。センサ３０とウェーハ９との間の距離の小さな変化を正確に測定するために、センサの公称静電容量よりも少なくとも１０００倍大きなウェーハ対接地の静電容量を有することが必要である。ウェーハ対接地の静電容量の変化の範囲は、非常に大きいので、この静電容量の小さな変化が、距離の測定に影響を及ぼす場合がある。ウェーハ対接地の静電容量が、センサの公称静電容量よりも、少なくとも１０００倍大きくない場合は、ウェーハ対接地の静電容量の小さな変化が、測定される静電容量の変化と、距離の測定値の望ましくない変化とを引き起こす。
【０１１５】
図２３Ｂに示されているように、差動測定原理において、差動ペアの２つのセンサ３０ａ、３０ｂは、電流源３０６ａ、３０６ｂによって駆動され、電流源３０６ａ、３０６ｂは、位相が１８０度ずれている。一方のプローブを通る電流は、ターゲットにおける導電層を通る経路を見付ける。仮想接地、即ち、電流経路における最低電位又は定電位は、電流経路の中心に生成される。高インピーダンス増幅器３０５ａ、３０５ｂを使用して、ターゲットの導電層とセンサとの間の距離の変化に対応する電圧信号を測定する。差動測定原理は、ウェーハ対接地のインピーダンスの変化から、距離の測定を独立させる。
【０１１６】
図２４Ａは、電圧源を使ってセンサ３０にバイアスをかける代わりの回路を示している。２つの固定インピーダンス７１、７２と、可変静電容量７３と、センサ３０(可変静電容量として示されている)が、電圧源３０６によってエネルギを与えられるホイートストンブリッジ構成（whetstone bridge arrangement）で配置されている。ブリッジは、並列回路に配置されている２本の脚を有している。インピーダンス７１と可変静電容量７３は、第１のノードで一緒に接続され、一方の脚を形成している。インピーダンス７２とセンサ３０は、第２のノードで接続され、他方の脚を形成している。固定インピーダンス７１、７２は、同じインピーダンス値を有し、可変静電容量７３は、センサ３０の公称静電容量と一致するように調整される。ブリッジの各脚の中間点における２つのノードは、差動増幅器７５の２つの入力に接続されている。差動増幅器７５は、ノードにかかる、即ち、可変静電容量７３とセンサ３０とにかかる電圧の差を測定する。可変静電容量を調節して、差動増幅器のヌル値を調整する。自動較正アルゴリズムによって、可変静電容量を調整してもよい。
【０１１７】
ブリッジコンポーネントと差動増幅器とを、センサに配置してもよい。図１７Ａ−１７Ｄに示されているフレックスプリント構成と併せて使用される場合に、センサと同じフレキシブルなベース層上に、固定インピーダンス７１、７２を形成してもよい。可変静電容量７３は、可変静電容量のダイオード(バリキャップ)又は他の適切なコンポーネントを使用して形成され得る。更に、可変静電容量７３は、ベース層上にマウント又は形成されるコンポーネントとして、フレキシブルなベース層上で統合されるか、或いは、銅と絶縁層とを使用して、フレキシブルな構造自体に統合され得る。差動増幅器をベース層上に形成してもよいが、上述の真空環境中の能動素子に関する考慮すべき事項が当てはまる。差動増幅器を遠く離して配置して、同じケーブル長を、センサ及び可変静電容量への接続に使用すると、事実上のケーブルの静電容量を取り除くことができ、共通モードの妨害が打ち消され得る。
【０１１８】
図２４Ｂは、差動センサペアに対して実施される図２４Ａの回路を示している。ペアのうちの各センサ３０ａ、３０ｂは、固定インピーダンス７１、７２に接続され、電圧源３０６ａ、３０６ｂによってバイアスをかけられる。ここでは、ホイートストンブリッジ構成は、固定静電容量７１、７２と、センサペア３０ａ、３０ｂとによって形成される。これらは、ターゲット上の導電性ウェーハレジストを介して接続される。
【０１１９】
図２５は、高インピーダンス増幅器回路を用いた差動測定を使用する実施形態を示している。２つのセンサ３０ａ、３０ｂは、差動ペアで構成されている。センサ３０ａの感知電極３１ａは、ＡＣ電流源３０６ａによって駆動され、センサ３０ｂの感知電極３１ｂは、ＡＣ電流源３０６ｂによって駆動される。２つの電流源３０６ａ、３０６ｂは、互いに位相が１８０度ずれている。半サイクル中に、電流３０７は、センサ３０ａ及びセンサ対ターゲットの静電容量１６ａを通り、ターゲット９の導電層を通り、センサ対ターゲットの静電容量１６ｂを通り、センサ３０ｂを通り、一方向に流れる。次の半サイクル中に、電流は逆方向に流れる。
【０１２０】
増幅器／緩衝器３０５ａは、センサ３０ａの生の出力電圧を増幅し、更なる処理のために出力信号３０９ａを発生する。更に、出力３０９ａは、センサ３０ａの側部ガード電極３２ａ及び／又は背部ガード電極３５ａにフィードバックされ得る。これは、感知電極に存在する電圧と同じ電圧でガード電極にエネルギを与えることによってアクティブなガードを実施する。従って、感知電極とガード電極との間に電界は形成されない。従って、感知電極とターゲットとの間の電界はできるだけ一様になる。同様に、増幅器／緩衝器３０５ｂは、センサ３０ｂの生の出力電圧を増幅し、出力信号３０９ｂを生成し、センサ３０ｂのガード電極に対するアクティブなバイアスをかける信号を供給する。出力信号３０９ａ、３０９ｂは、同期検波器回路３３０ａ、３３０ｂにそれぞれ入力され得る。
【０１２１】
センサから、信号処理を行う離れた位置へ、ケーブル接続することによって取り込まれる追加の静電容量により生じる誤差が取り込まれるのを防ぐために、特に、ガード電極のアクティブなバイアスをかけることを実施するときに、増幅器３０５ａ、３０５ｂをセンサ３０ａ、３０ｂの近くに配置することが好ましい。真空中で動作するリソグラフィマシンの静電容量センサの応用の場合に、センサの近くに能動素子を置くには、一般に、これらの能動素子を真空チャンバの中に置く必要がある。(真空中における伝導による伝熱（heat transfer）は依然として行われるが)真空中における放射による伝熱は不十分であるので、能動素子を真空チャンバ中に置くことは、放熱（heat dissipation）の問題をもたらし得る。このために、電流源３０６ａ、３０６ｂと、更なる信号処理回路、例えば同期検波器３３０ａ、３３０ｂは、センサから遠く離して、真空チャンバの外部に配置され得る。しかしながら、能動素子から離して熱伝導を可能にする構成で、より低い測定誤差を達成するために、増幅器３０５ａ、３０５ｂを、真空チャンバの中の、センサの近くに配置するのが好ましい。
【０１２２】
図２６は、同期検波器回路３３０の１つの実施形態を示している。基準発振器３３１は、基準周波数ｆ１を発生する。基準周波数ｆ１は、センサを駆動する交流電流３３２を発生するために電流源３０６によって使用され、(同じく、周波数ｆ１の)基準信号３３４を発生するために位相シフタ３３３によって使用される。基準信号３３４は、基準周波数に対して位相シフトされている。センサからの信号３０９と基準周波数との間における位相シフトに等しくなるように、基準信号３３４の位相シフトを調節して、感知構成内のセンサと同期検波器回路３３０とのケーブル接続の際に生じる位相シフトを補う。
【０１２３】
センサからの周波数ｆ２における出力３０９は、入力緩衝器３３５への入力である。乗算器３３７は、周波数ｆ２の緩衝又は増幅された入力信号３３６と、周波数ｆ１の基準信号３３４とを受信する。乗算器３３７からの出力は、２つの入力周波数の和(ｆ１+ｆ２)の成分と、２つの入力周波数間の差(ｆ１−ｆ２)の成分とを含む。乗算器３３７からの出力は、低域フィルタ３３８に通され、より高い周波数をフィルタにかけて取り除き、２つの入力周波数間の差(ｆ１−ｆ２)を表わす低周波成分を残す。この信号を増幅器３３９によって増幅し、測定信号３４０を発生する。この測定信号３４０は、センサによって測定されるインピーダンスの変化を表わし、これは、センサとターゲットとの間の距離の変化によって決まる。
【０１２４】
既に記載したように、センサと信号処理回路とを駆動する電流源回路は、センサから遠く離して配置され得る。しかしながら、センサを遠隔回路に接続するために使用されるケーブル接続は、システムにおける追加の望ましくない静電容量を取り込む。図２７は、センサシステムにおける静電容量を示す図である。静電容量Ｃｉｎは、ケーブルの静電容量と、電流源３０６の出力の静電容量とを加えたもの表わす。静電容量Ｃｓは、測定されるセンサ対ターゲットの静電容量と、センサとセンサの接続線との固有(寄生)静電容量とを加えたものを表わす。静電容量Ｃｏｕｔは、ケーブルの静電容量と、緩衝器３０５の入力の静電容量とを加えたものを表わす。浮遊静電容量Ｃｉｎ、Ｃｏｕｔは、測定されるセンサ対ターゲットの静電容量Ｃｓと比較して小さくすべきである。その理由は、大きな浮遊静電容量は、センサの感度を下げるからである。
【０１２５】
センサを信号処理回路に接続するケーブルの静電容量は、大きく、センサの感度に悪影響を及ぼし得る。この問題を軽減又は解消するために、アクティブなガードがケーブル導体に使用され得る。図２８Ａは、センサ３０を信号処理回路３３０に接続するケーブル３５０を備えた構成を示している。示されている構成では、増幅器／緩衝器３０５は、センサ３０の近くに(垂直方向の点線の左側に)に配置され、電流源３０６は、センサから遠く離れて(垂直方向の点線の右側に)に配置される。電流源３０６は、ケーブルの中心の導体３５１を介して、センサ３０に電流を送る。緩衝器３０５は、センサの感知電極にある電圧と同じ電圧で、同軸の導体３５２にエネルギを与える。中心の導体３５１と同軸の導体３５２は、同じ電圧がかけられるので、これらの導体間の浮遊静電容量の影響は事実上ゼロになる。
【０１２６】
図２８Ｂは、ケーブル３５０の導体と、センサ３０の導電性電極との接続を示している。中心の導体３５１は感知電極３１に接続され、内側の同軸の導体３５２は背部ガード電極３５に接続され、外側の同軸の導体３５３はシールド電極４４に接続される。
【０１２７】
この実施形態におけるケーブルは、第３の同軸の導体３５３を備えた三軸ケーブルである。第３の同軸の導体３５３は、シールドとして機能し、接地される。シールドは、ケーブルの遠端、例えば回路３３０で、別の接地に接続されるのが好ましい。この接地は、単なるシールディングの接地であり、センサにおいて接地に接続されないことが好ましい。
【０１２８】
この構成に対する多くの代替案が可能である。例えば、非同軸ケーブルも使用できる。緩衝器３０５を、センサから遠く離して配置して、信号処理回路３３０の近くのケーブル３５０の遠端から導体３５２にエネルギを与えてもよい。
【０１２９】
従来の設計では、センサと信号処理回路との物理的分離は避けられていた。従来の設計では、センサと回路は、１つの製造業者によって一緒に供給され、工場で１つのセットとして一緒に較正され、電子回路をセンサに整合させ、非線形性を回避していた。ここに記載されているシステムでは、ウェーハテーブル制御システムと共に、自動スクリプトを使用し、例えば、ウェーハテーブルを既知の位置に動かして、センサから測定することによって、感知システムを素早く較正し得る。これは、センサと信号処理回路とをマッチしたペアとして扱う必要をなくし、信号処理回路を交換せずにセンサを交換できるようにし、メンテナンスを大幅に単純化し、リソグラフィマシンの非生産時間を減らし、従って、スループットを上げる。
【０１３０】
図２９は、同期回路３６０の別の実施形態を示している。ディジタル基準発振器３７６は、基準周波数ｆ１を発生する。基準周波数ｆ１は、ミキサ３７２への基準信号入力となり、更に、ディジタル移相器３７７にも供給されて位相遅延を取り込む。位相遅延した基準周波数は、ディジタル／アナログ変換器３７８によってアナログ信号に変換される。アナログ位相遅延信号は、電流源３０６を駆動する。電流源３０６は、センサ３０にエネルギを与える。感知システム及びケーブル３５０で生じる位相シフトと等しくなるように、即ち、同期検波器回路への入力におけるセンサシステム出力信号３６１と、基準周波数ｆ１との位相差に等しくなるように、位相遅延を同調させる。ミキサ３７２から最大出力が得られるまで、移相器３７７を調整することによって、位相遅延を定めてもよい。なお、センサの静電容量が変わる場合でさえ、感知システム及びケーブルにおける位相シフトは一定を維持するべきである。
【０１３１】
入力緩衝器３６２は、センサ信号３６１を受信する。緩衝された信号から雑音と干渉とをフィルタにかけて取り除くために、緩衝された信号は帯域フィルタ３６３に入力される。フィルタにかけられた信号は、アナログ対ディジタル変換器３６４によってディジタル信号に変換される。次に、ディジタル処理を使用する。従って、回路３６０は、信号のアナログとディジタルの処理とを組み合わせて、両者の最良の特徴を使用する。次に、ディジタルフィルタにかけられたセンサ信号は、２つの差動出力を備えた、単一入力差動出力、差動増幅器（single-input differential-output, differential amplifier）(又は、分相器)３７１に入力される。一方の出力は、入力信号と同相であり、他方の出力は、入力信号と位相が１８０度ずれている。ミキサ３７２は、(周波数ｆ２の)差動出力と、(周波数ｆ１の)基準信号とを受信する。入力周波数ｆ１(基準周波数)とｆ２(センサ信号３６１の周波数)は、ミキサ３７２で消される。ミキサの出力は、入力周波数の和と差の周波数(即ち、ｆ１+ｆ２とｆ１−ｆ２)を有する成分を含んでいる。低域フィルタ３７３は、周波数の和にフィルタをかけて取り除いて、低周波成分を残す。低周波成分は、基準周波数とセンサ信号周波数との差（ｆ１−ｆ２)を表わす。周波数ｆ１とｆ２が、等しくて同相である場合に、ミキサは、センサ信号３６１の振幅に比例するＤＣ値を出力する。これは、センサの静電容量に比例し、センサとターゲットとの間の距離に比例する。低域フィルタからの出力を、増幅器３７４が増幅し、次に、それは制御システムへ入力され得る。
【０１３２】
較正アルゴリズムを使用して、センサシステムに対する同期検波器回路を自動的に較正してもよい。アルゴリズムは、位相遅延をインクリメント又はディクリメントする段階でディジタル移相器３７７を調整し、ミキサ３７２の出力をモニタする。ミキサ３７２の出力において最大値が達成され、基準信号とセンサ信号が同相であることを示すまで、移相器は調整される。
【０１３３】
フィールドプログラマブルゲートアレイ(field programmable gate array, FPGA)を使用して、同期検波回路のディジタル処理を実施してもよい。更に、ＦＰＧＡ、及び／又はＦＰＧＡと共に働くソフトウェアにおいて、較正アルゴリズムを実施することができる。
【０１３４】
自動較正を備えたこの設計では、１又は複数のセンサからの測定信号を処理する信号処理回路を交換又は再較正する必要なしに、センサ又はセンサのアレイを交換することができる。従来のセンサシステムの設計は、マッチしたセットとして工場で一緒に較正されたセンサ及び信号処理回路を含むので、センサを交換するのに、信号処理回路を交換することも必要であった。自動較正アルゴリズムは、信号処理回路から独立してセンサを交換することと、既存の信号処理回路に対して新しいセンサを素早く較正することとを可能にし、メンテナンスを非常に簡単にし、リソグラフィマシンの非生産時間を減らす。これは、リソグラフィマシンの中断時間をより少なくし、リソグラフィマシンのスループットをより高めることを可能にする。
【０１３５】
図３０は、センサ３０ａ、３０ｂの差動ペアのための処理回路の単純化したダイアグラムである。位相が１８０度ずれて動作する電流(又は電圧)源３０６ａ、３０６ｂによって、センサにバイアスをかける。各センサ３０ａ、３０ｂの出力は、同期検波器回路３６０ａ、３６０ｂにそれぞれ供給される。同期検波器回路の出力は、減算関数を実施する回路３８０に入力される。同期検波器回路出力の出力は、位相が１８０度ずれているので、減算は、センサ信号を維持する一方で、２つの同期検波器回路の出力から、共通モードの干渉を取り除くように作用する。
【０１３６】
静電容量センサは、リソグラフィマシンのウェーハの位置決めの制御に使用され得る。図３１は、このような制御システムの概略図である。センサ３０は、リソグラフィマシンの投影レンズ１０４と、可動ウェーハテーブル１３４に載っているウェーハ９との間の距離に関連する距離を測定する。この構成では、投影レンズに対して固定された関係で、センサをマウントしているので、センサとウェーハとの間の測定される距離から、投影レンズとウェーハとの間の距離を決定できる。センサの信号は信号処理ユニット３０1に送信され、信号処理ユニットによって出力された測定データは、制御ユニット４００に送信される。制御ユニット４００を使用して、ウェーハテーブルのＺ軸(垂直)の動きを制御して、リソグラフィマシンの投影レンズの焦点面においてウェーハを維持するので、ウェーハがｘ及びｙ軸において動くときに、マシンによって発生された荷電粒子ビームレットは、ウェーハの表面で集束する。
【０１３７】
制御システムと共にセンサシステムを使用して、ウェーハが動かされたときの様々な場所におけるウェーハと投影レンズとの間の距離を正確に決定してもよい。これによって、システムは、ウェーハの表面のトポロジ（topology）を決定し、ウェーハの傾斜又は湾曲と、ウェーハの表面における他の不規則性（irregularity）とを検出することができる。ウェーハの表面が完全に平らであることはほとんどない。一般的なウェーハは、クランプで留めないならば、５０μｍまでの湾曲をその中に有し得る。ウェーハの湾曲とは別に、ウェーハの表面は、他の非一様性をその表面の全体にわたって有し得る。ウェーハの湾曲及び他の非一様性は、ウェーハの表面の高さの変化をもたらし、その結果、ウェーハの表面が投影レンズの焦点面に存在しなくなる。制御システムを使用して、この高さの変化を修正し、光又は粒子露光ビームをウェーハ上に集束させるために使用される投影レンズの焦点面において、ウェーハの表面を維持することができる。センサから送信された信号を使用して、ウェーハの表面の高さにおけるこれらの変化を補償するために、ウェーハテーブルの垂直位置を調整してもよい。
【０１３８】
このシステムは、前もって測定するのではなく、ウェーハを処理(例えば、露光)する一方で、ウェーハの表面のトポロジを測定するように設計されている。これは、全体的なウェーハの処理時間を減らして、スループットを上げる。
【０１３９】
１つの実施形態では、図３２Ａに示されているように、投影レンズの周りに正方行列で８個のセンサを配置したものを使用している。この配置は、ウェーハの傾斜と、ウェーハの湾曲と、他の不規則性とを測定すること、及び１回のウェーハの走査でウェーハの露光を終了することを可能にする。一般的な配置では、機械の走査方向にウェーハを動かして、一方で、リソグラフィマシンの光又は荷電粒子ビームでウェーハの表面全体にわたって走査し、露光パターンに従ってウェーハを露光する。
【０１４０】
図３２Ａの実施形態では、ウェーハが機械の走査方向４０５に動かされるときに、第１の列のセンサＡ−Ｃは、センサＡと、Ｂと、Ｃとに対応する、ウェーハの表面上の１本のラインの中の３つの点において、ウェーハの表面までの距離を測定する。センサＢからの測定値とセンサＡ及びＣからの測定値とを比較することによって、ウェーハの位置の傾斜、ウェーハの湾曲、又は他の表面の不規則性の、存在と大きさとを計算することができる。ラインに沿ったウェーハの傾斜、湾曲、又は不規則性の計算値は、制御システムのメモリに記憶される。ウェーハが方向４０５に進むときに、センサＡ−Ｃによって既に測定されたラインが、投影レンズ１０４の下に入ると、露光される準備が整う。投影レンズの両側のセンサＤ及びＥは、センサＡ及びＣによって既に測定されたライン上の点までの距離を測定する。記憶された値と、センサＤ及びＥからの現在の測定値とに基づいて、投影レンズの下の点におけるウェーハの高さを計算することができる。制御システムは、投影レンズの下の点におけるウェーハの高さのこの計算結果を使用して、ウェーハテーブルの高さを調整して、ウェーハの表面が投影レンズの焦点面に確実に留まるようにすることができる。これは、ウェーハの１回の走査で、ウェーハの表面の傾斜、湾曲、又は他の不規則性に対する補償を測定して修正することを可能にする。
【０１４１】
機械の両方の走査方向において、即ち、ウェーハが方向４０５に動いている場合と反対方向に動いている場合とにおいて、上述と同じ工程を使用できるようにするために、第３の列のセンサＦ−Ｈが設けられている。図３２Ａは、８つのセンサからなる行列を示しているが、異なる数のセンサを使って、上述の方法を実施してもよい。更に、図３２Ａに示されている各センサは、各点Ａ−Ｈにおいて異なる測定を行なう、差動ペアのセンサであってもよい。
【０１４２】
別の実施形態が、図３２Ｂに示されている。図３２Ｂは、８個のセンサを差動ペアで投影レンズ１０４の四隅に配置したものを有している。この配置は、例えば、ウェーハの湾曲を許容値に下げるために、露光中、ウェーハを十分によくクランプで留めるリソグラフィシステムに適している。しかしながら、非常に平らなウェーハテーブルと、ウェーハをそのウェーハテーブルに押し付けて平らに保つ良いクランプとを使っても、ウェーハの変化とその表面上のレジスト層とのために、ウェーハの表面に依然として変化があるであろう。この実施形態では、ウェーハを機械の走査方向４０５に動かすと、センサペアＡ、Ｂとを含む第１の列は、位置ＡとＢとに対応するウェーハの表面上のラインの中の２つの点において、ウェーハの表面までの距離を測定する。更に、センサペアＣ、Ｄによって、位置ＣとＤとにおいて測定することができる。
【０１４３】
点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおけるウェーハまでの距離と、ウェーハまでの平均距離と、ウェーハにおける傾斜(例えば、走査方向及び他の方向におけるウェーハの傾斜)の存在と大きさとを計算して、制御システムのメモリに記憶することができる。これらの測定値から、投影レンズ１０４の中心とウェーハの表面との間の距離を計算することができる。
【０１４４】
図３２Ｃは、投影レンズとウェーハの表面との間の距離と、ウェーハの表面にわたる傾斜値とを決定する測定方法を示している。幾つかの所定の位置において、例えば、図３２Ｃに示されているように、ウェーハの外周の近くの４つの等間隔の位置と、中心とにおいて、ウェーハの局部的な勾配を、露光する前に測定する。ｘ方向におけるウェーハテーブルの傾斜Ｒｘと、ｙ方向におけるウェーハテーブルの傾斜Ｒｙとを調整するために、ウェーハテーブルを制御することができる。測定中、ウェーハテーブルの傾斜ＲｘとＲｙは、一定の値に維持される。
【０１４５】
測定結果を使用して、処理ユニットよって露光されるウェーハの全エリアについて、高さマップ（height map）を計算する。露光中にウェーハテーブルを動かして、ウェーハテーブルを傾斜させて、ウェーハの表面にわたる高さの変化を修正するために、高さマップから、傾斜修正値Ｒｘ（ｘ，ｙ）とＲｙ（ｘ，ｙ）とを計算する。ｘ方向とｙ方向とに対する全体的な露光のために、一定の傾斜修正値が計算され得る。即ち、Ｒｘ（ｘ，ｙ）は、露光についての一定の値であり、Ｒｙ（ｘ，ｙ）は、（恐らく異なる）一定の値である。更に、ウェーハの異なる領域に対して、複数の傾斜修正値ＲｘとＲｙを計算して、各領域が露光されたときに、それに応じてウェーハテーブルを調整する場合に、より複雑な計算を行なってもよい。
【０１４６】
露光中に、ｘ方向とｙ方向とにおけるウェーハテーブルの傾斜は、計算された傾斜修正値ＲｘとＲｙとに従って制御される。これは、例えば、ウェーハテーブルの位置と傾斜とのフィードバックに対する干渉計信号を使用して達成することができる。次に、このレベルセンサを使用して、ｚ方向のデータのみ、即ち、投影レンズとウェーハの表面との間の距離を生成してもよい。
【０１４７】
この手順は、上述のインラインで測定する方法（in-line measuring method）と異なる。先にウェーハをマッピングする方法（advance wafer mapping method）では、ウェーハまでのｚ方向の距離を様々な位置で測定し、それからｘ方向とｙ方向とにおけるウェーハの表面の全体的な傾斜を計算する。次に、露光する前に、ウェーハテーブルを調整して、このような傾斜を最適に修正し、ウェーハの走査中に、リソグラフィのカラムの光軸と交差する投影器のヘッドに対して公称上平行するウェーハの表面を提供する。走査中に、ウェーハの表面の計算された高さマップを使用し、ｚ方向における変化、即ち、投影レンズとウェーハの表面との間の距離の変化に適応させてもよい。測定値間の補間を使用することによって、又は前もって決定された高さマップから、ｚ方向の値を直接に見付けてもよい。
【０１４８】
本発明は、上述のある特定の実施形態を参照することによって記載されている。様々な構成と代替例が記載されており、当業者に分かるように、ここに記載されている実施形態の何れかと共に、これらの構成と代替例とを使用してもよいことに留意すべきである。更に、これらの実施形態は、本発明の意図及び範囲から逸脱することなく、当業者に周知の様々な変更及び代わりの形態が可能であることが分かるであろう。従って、特定の実施形態が記載されているが、これらは単に例であって、本発明の範囲を制限していない。本発明の範囲は、請求項において定められている。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離を測定するための静電容量センサ、特に、リソグラフィ装置においてターゲットまでの距離を測定するための静電容量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体デバイスの製造工程の一部として、ウェーハ及び他のターゲット上にパターンを露光するために、荷電粒子及び光のリソグラフィマシン及び検査マシンが使用されている。リソグラフィシステムでは、通常、リソグラフィマシンによって生成された光又は粒子の露光ビームによって、複数の位置でウェーハに露光する。通常、ウェーハは、ウェーハテーブル上に置かれる。一般に、静止している電子／光学コラムに対するウェーハテーブルの制御された変位によって、複数の露光が達成される。一般に、露光はウェーハの表面上に連続的に行なわれる。
【０００３】
露光されるウェーハの表面が完全に平らであることは、ほとんどない。一般的なウェーハは、ウェーハテーブルにクランプで留めないならば、５０μｍまでの湾曲（bow）をそこに有し得る。ウェーハの湾曲とは別に、ウェーハの表面は、その表面の全体にわたって他の非一様性を有し得る。ウェーハの湾曲と他の非一様性は、ウェーハの表面における高さの変化をもたらす。最新のリソグラフィマシンに要求される極めて高い精度を達成するために、この高さの変化を修正して、ウェーハの表面を維持し、光又は粒子の露光ビームをウェーハ上に集束させるために使用される投影レンズの焦点面において、ウェーハの表面に露光することが必要である。
【０００４】
ウェーハの表面の高さにおけるこれらの変化を補正するために、ウェーハを支えるウェーハテーブルを調整してもよい。露光されるウェーハの表面を投影レンズの焦点面に持ってくるために、ウェーハテーブルの高さを調整してもよい。センサが、ウェーハの表面の高さを測定し、例えば、投影レンズとウェーハの表面との間の距離を測定し、センサから送信される信号を使用して、ウェーハテーブルの高さの制御を達成してもよい。最新のリソグラフィマシンに要求される極めて高い精度で確実にウェーハの位置を正確に制御するために、高感度のセンサが必要である。このタイプの応用には、様々なタイプのセンサ、例えば静電容量プローブが、使用される。しかしながら、既存の静電容量プローブと、関連する測定及び制御システムは、幾つかの欠点を有する。
【０００５】
既存の静電容量センサは、一般に、高さとセンサエリアとの両者が大きい。図１Ａと１Ｂは、先行技術の静電容量センサの構造を示している。図１Ａはセンサプローブの断面図を示しており、図１Ｂは端面図を示している。導電性感知電極２は、導電性ガード電極３によって囲まれている。絶縁層４は、２つの電極を切り離している。ハウジング６からガード電極３を切り離すために、別の絶縁層５を使用してもよい。電気ケーブル７とコネクタ８は、要求される最終的な測定信号を導き出すために、信号処理システムにセンサを接続する。センサの動作範囲は、感知電極２の下の感知エリアによって決まる。ガード電極３は、感知電極と同じ電位に設定され、電界を感知エリア内に制限して、感知電極２とターゲット９との間に比較的に一様な電界を生成する。このタイプの構成は、全体的に約２０ｍｍの高さの比較的に丈が高いセンサと、比較的に大きな感知電極とをもたらす。
【０００６】
センサの幅と高さが比較的に大きいと、投影レンズから比較的遠くにセンサを配置しなければならず、製造公差と熱膨張とによるセンサと投影レンズとの相対的な位置の変化が原因で、誤差が取り込まれる。更に、既存の静電容量プローブの比較的に大きなサイズのために、マルチセンサ構成の中の個々のセンサ間に比較的に大きな間隔を置く必要があり、感知システムの空間解像度が下がり、その結果、ウェーハの表面の小さなエリアの全体にわたって存在するウェーハの表面の非一様性が検出されなくなり得る。更に、比較的広い間隔のために、測定工程がより遅くなり、これらのシステムを使用するリソグラフィマシンのスループットを下げる。
【０００７】
英国特許第２，１３１，１７６号は、銅のコーティングが片側に付着されている２枚の熱可塑性高分子膜を粘着剤で一緒に接合して、一方のシートの銅被覆面を他方のシートの非被覆面に接合することによって製造される、静電容量距離測定プローブについて記載している。一方のシート上の露出した銅のコーティングは、感知電極を構成する第１のエリアと、感知電極を少なくとも部分的に囲んでいる第２のエリアとに分割され、他方のシート上の銅のコーティングと電気的に相互接続され、感知電極に対するガード電極を定める。この構成は、感知電極を囲んでいるガード電極を備えることにより、図１に示されている構成に似ている。感知電極と、囲んでいるガード電極との両者は、層状デバイスの同じレベルにおいて、同じ表面上に形成されている。この結果、異なる導電層を電気的に接続しなければならず、従って、より複雑でコストのかかる製造工程が必要な構造になる。
【０００８】
更に、これらのセンサへの配線接続を行なうのは困難である。配線は静電容量を取り込む。この静電容量は、センサの読み出しに影響を及ぼし、考慮に入れる必要があり、通常は、組み合わされたセンサと配線の取り付けを較正する必要がある。センサの配線と一緒に既存のセンサを較正しなければならないということは、センサを交換する度に再較正しなければならず、交換を複雑にし、時間と費用がかかる。
【０００９】
米国特許第４，５３８，０６９号は、レチクルを露光する単一電子ビームリソグラフィマシンのための静電容量の高さのゲージを較正する方法について記載している。最初に、レーザ干渉計を使用して、高さのゲージを較正器具において較正する。次に、リソグラフィステーションに対する単一電子ビームリソグラフィマシンの位置を再び定めて、レクチルを露光し、静電容量のゲージで、レクチルまでの距離を測定する。静電容量のゲージは、電子ビーム光学ハウジングの底部に固定された基板上に形成される。レクチルのターゲットは接地される。静電容量のゲージは、位相が１８０°ずれた信号によって駆動される。各ゲージからの出力信号を別々に処理して、４つの高さ測定信号を生成する。
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、上述の欠点を解決又は軽減し、１本以上の露光ビームをターゲット上に集束させる投影レンズシステムと、ターゲットを支える可動テーブルと、投影レンズシステムの最後の集束要素とターゲットの表面との間の距離に関連する測定を行なう静電容量感知システムと、静電容量感知システムからの信号に少なくとも部分的に基づいて、ターゲットの位置を調整するために、可動テーブルの動きを制御する制御ユニットと、を具備している、リソグラフィマシンのための改善された統合されたセンサシステムを提供することを目的とする。静電容量感知システムは、複数の静電容量センサを具備しており、各静電容量センサは、薄膜構造を備えている。複数の静電容量センサと投影レンズシステムの最後の集束要素は、共通のベースに直接にマウントされ、複数の静電容量センサは、投影レンズシステムの最後の集束要素の縁部の直ぐ近くに配置される。
【００１１】
ターゲットの表面に対して直角に交わるｚ軸方向において、ターゲットに面している静電容量センサの感知電極の底表面が、投影レンズシステムの最後の集束要素の底表面と実質的に同じ高さであるように、複数の静電容量センサのうちの少なくとも幾つかの位置が定められ得る。複数の静電容量センサのうちの少なくとも幾つかは、静電容量センサの感知電極の底表面がターゲットに面するようにさせており、ターゲットは、ターゲットの表面に対して直角に交わるｚ軸方向において、投影レンズシステムの最後の集束要素の底表面から５０ミクロン以内に位置を定められるように構成され得る。複数の静電容量センサのうちの少なくとも幾つかは、静電容量センサの背表面から、ターゲットに面している静電容量センサの感知電極の前表面までにおいて、５０乃至１５０ミクロン、好ましくは約１００ミクロンの厚さを有し得る。投影レンズシステムの最後の集束要素は、１００乃至１５０ミクロンの厚さであり得る。
【００１２】
複数の静電容量センサは、最後の集束要素の縁部に対するリソグラフィマシンの視野のサイズの幅又は長さの範囲内に配置され得る。最後の集束要素は、投影レンズシステムの底部の要素であり得る。複数の静電容量センサと、投影レンズシステムの最後の集束要素は、一緒に直接に接続される。
【００１３】
複数の静電容量センサは各々、薄膜構造を備え得る。薄膜構造は、第１の絶縁層と、第１の絶縁層の第１の表面上に形成された感知電極を備える第１の導電膜と、第１の絶縁層の第２の表面と第２の絶縁層の第１の表面との上に配置された背部ガード電極を備える第２の導電膜と、を具備しており、背部ガード電極の外周部分は、感知電極を越えて延在し、感知電極を囲み、背部ガード電極と一体をなす側部ガード電極を形成している。複数の静電容量センサの薄膜構造は、第２の絶縁層の第２の表面上に配置されたシールド電極を備える第３の導電膜を更に具備し得る。薄膜構造は、フレキシブルであり得る。
【００１４】
静電容量感知システムは、感知電極から離れて配置されている能動電子素子を具備し得る。能動電子素子は、複数の静電容量センサと共に配置されていない。各静電容量センサは、フレキシブルなメンブレンを備えた細長い接続部材を更に具備し得る。フレキシブルなメンブレン上に、導電性トラックがプリント又は付けられている。導電性トラックは、一方の端部において、静電容量センサの感知電極と背部ガード電極とに電気的に接続され、他方の端部において、コネクタに電気的に接続されている。導電性トラックは、第１の絶縁層上に形成され得る。第１の絶縁層は、感知電極と背部ガード電極とが配置されている第１のエリアと、導電性トラックが形成されている第２の細長いエリアと、を具備し得る。
【００１５】
複数の静電容量センサは、薄膜の絶縁性のベース層上に形成されている複数の静電容量センサの複数のペアを具備し得る。薄膜の絶縁性のベース層は、共通のベースに直接にマウントされている。統合されたセンサシステムは、複数の静電容量センサの１つのペアのうちの第１のセンサに、複数の静電容量センサの１つのペアのうちの第２のセンサの電流又は電圧に対して位相が１８０度ずれている交流電流又は電圧で、エネルギを与える構成されている、１つ以上のＡＣ電力源、を更に具備し得る。
【００１６】
図面に示されている実施形態を参照して、本発明の様々な態様について更に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】静電容量センサの断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの静電容量センサの端面図である。
【図２】平行プレート電極構成の単純化した概略図である。
【図３】静電容量センサプローブと、接地された導電性ターゲットとの図である。
【図４】差動測定構成の２つの静電容量センサプローブと、接地された導電性ターゲットとの図である。
【図５】薄膜構造を備えた静電容量センサの断面図である。
【図６Ａ】薄膜センサの実施形態の断面図である。
【図６Ｂ】薄膜センサの実施形態の断面図である。
【図６Ｃ】薄膜センサの実施形態の断面図である。
【図６Ｄ】薄膜センサの実施形態の断面図である。
【図６Ｅ】図６Ａと図６Ｂのセンサの上面図である。
【図６Ｆ】図６Ｄのセンサの上面図である。
【図７Ａ】正方形の感知電極を備えた薄膜センサの上面図である。
【図７Ｂ】図７Ａのセンサの断面図である。
【図８Ａ】円形の感知電極を備えた薄膜センサの上面図である。
【図８Ｂ】図８Ａのセンサの断面図である。
【図９Ａ】統合された差動薄膜センサの実施形態の断面図である。
【図９Ｂ】統合された差動薄膜センサの実施形態の断面図である。
【図９Ｃ】統合された差動薄膜センサの実施形態の断面図である。
【図９Ｄ】統合された差動薄膜センサの上面図である。
【図１０Ａ】薄膜静電容量センサの断面図である。
【図１０Ｂ】薄膜静電容量センサの断面図である。
【図１０Ｃ】薄膜静電容量センサの断面図である。
【図１０Ｄ】薄膜静電容量センサの断面図である。
【図１１】接続線と接触パッドとを備えたセンサの上面図である。
【図１２Ａ】接触パッド構造の断面図である。
【図１２Ｂ】接触パッド構造の断面図である。
【図１３Ａ】共通の基板上に形成されている、センサと、接続線と、接触パッドとの図である。
【図１３Ｂ】共通の基板上に形成されている、センサと、接続線と、接触パッドとの図である。
【図１３Ｃ】共通の基板上に形成されている、センサと、接続線と、接触パッドとの図である。
【図１３Ｄ】共通の基板上に形成されている、センサと、接続線と、接触パッドとの図である。
【図１４】リソグラフィマシンにマウントされたセンサの側面図である。
【図１５Ａ】フレックスプリントコネクタの図である。
【図１５Ｂ】フレックスプリントコネクタの図である。
【図１６Ａ】荷電粒子リソグラフィマシンの投影レンズのスタックの断面図である。
【図１６Ｂ】荷電粒子リソグラフィマシンの投影レンズのスタックの断面図である。
【図１７Ａ】統合されたフレックスプリントコネクタと、複数のセンサとを有するフレキシブルプリント回路構造の図である。
【図１７Ｂ】統合されたフレックスプリントコネクタと、複数のセンサとを有するフレキシブルプリント回路構造の図である。
【図１７Ｃ】統合されたフレックスプリントコネクタと、複数のセンサとを有するフレキシブルプリント回路構造の図である。
【図１７Ｄ】統合されたフレックスプリントコネクタと、複数のセンサとを有するフレキシブルプリント回路構造の図である。
【図１８】リソグラフィマシン上のセンサの別の接続構成である。
【図１９Ａ】統合されたフレキシブルプリント回路構造をリソグラフィマシン上にマウントする構成の図である。
【図１９Ｂ】統合されたフレキシブルプリント回路構造をリソグラフィマシン上にマウントする構成の図である。
【図２０Ａ】マウントプレート上の静電容量センサの構成の図である。
【図２０Ｂ】マウントプレート上の静電容量センサの構成の図である。
【図２０Ｃ】対角線上に配置された静電容量センサの図である。
【図２０Ｄ】対角線上に配置された静電容量センサの図である。
【図２１Ａ】複数の静電容量センサが上部に形成されている、薄膜構造の図である。
【図２１Ｂ】複数の静電容量センサが上部に形成されている、薄膜構造の図である。
【図２１Ｃ】統合されたフレックスプリントコネクタと、複数のセンサとを備えたフレキシブルプリント回路構造の図である。
【図２１Ｄ】統合されたフレックスプリントコネクタの断面図である。
【図２２】センサシステムと信号処理システムとの概略図である。
【図２３Ａ】電流源を備えた高インピーダンス増幅器回路の単純化した回路図である。
【図２３Ｂ】電流源を備えた差動センサ構成の単純化した回路図である。
【図２４Ａ】電圧源を備えたホイートストンブリッジ構成の単純化した回路図である。
【図２４Ｂ】電圧源を備えた差動センサ構成の単純化した回路図である。
【図２５】差動センサ回路構成の単純化した回路図である。
【図２６】同期検波器回路の単純化した回路図である。
【図２７】センサシステムにおける静電容量を示す概略図である。
【図２８Ａ】センサを信号処理回路に接続するケーブルを備えた構成の単純化した回路図である。
【図２８Ｂ】センサを信号処理回路に接続するケーブルを備えた構成の単純化した回路図である。
【図２９】同期回路の別の実施形態の単純化した回路図である。
【図３０】差動ペアのセンサからの信号を処理する構成の単純化した回路図である。
【図３１】リソグラフィマシンに対するウェーハの位置を定める制御システムの概略図である。
【図３２Ａ】図３１の制御システムに使用するセンサ構成の図である。
【図３２Ｂ】図３１の制御システムに使用するセンサ構成の図である。
【図３２Ｃ】
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下は、図面を参照して例示的に与えられた本発明の様々な実施形態の説明である。
【００１９】
静電容量センサの理論
静電容量センサは、２枚の導電性表面間に作られた均一の電界を使用する。短い距離では、印加された電圧は、表面間の距離に比例する。単一プレートのセンサ（single-plate sensor）は、１つのセンサプレートと導電性ターゲットの表面との間の距離を測定する。
【００２０】
図２は、平行プレートの電極構成(parallel plate electrode arrangement)を示している。方程式（１）に表わされているように、２つの電極１１、１２間の電位差が原因で電極のうちの一方に誘導された電荷を、電位差によって除算することによって、２つの電極１１、１２間の静電容量が与えられる。
【数１】
【００２１】
２つの平行する電極は、距離ｄによって離されている。２つの電極間の静電容量は、方程式（２）によって与えられる。誘電体の非均一性と電界の曲げ（field bending）の作用を無視している。
【数２】
【００２２】
ここで、Ｃは、２つの電極間の静電容量（Ｆ）であり、Ａは、２つの電極の重なったエリア（ｍ２）であり、ε０は、自由空間の誘電率（８．８５×１０−１２Ｆ／ｍ）であり、εｒは、電極間の媒体の比誘電率であり、ｄは、電極間の距離（ｍ）である。
【００２３】
交流電流源１３を使用して、平行プレートのコンデンサに充電するときに、電極のインピーダンスに応じて、電極間に電圧電位が生じる。平行プレートの静電容量のインピーダンスは、方程式（３）によって与えられる。
【数３】
【００２４】
ここで、Ｚは、インピーダンス（Ω）であり、ｆは、周波数（Ｈｚ）であり、Ｃは、静電容量(Ｆ)である。
【００２５】
方程式（３）から、静電容量のインピーダンスは、コンデンサに与えられる信号の周波数と静電容量の値に反比例することが分かる。静電容量センサの場合に、電気のパラメータ(電圧又は電流)の変化を測定する。これは、センサのインピーダンスの変化に対応する。センサに与えられる信号の周波数を一定に保つと、インピーダンスを静電容量の変化に反比例させることができる。方程式（２）は、静電容量が、センサの電極の重なったエリアに正比例し、電極間の距離の変化に反比例することを示している。方程式（２）と（３）とを組み合わせると、次の方程式が得られる。
【数４】
【００２６】
ここで、ｉ＝電流である。
【００２７】
センサに与えられる電気信号（電流）の周波数と電極の重なったエリアとを一定に保つことによって、電極間の距離の変化が、静電容量センサのインピーダンスの変化をもたらす。センサにかかる電圧は、インピーダンスに比例し、且つセンサ電極間の距離（ｄ）に比例し、距離の正確な測定を可能にする。後述するように、様々な測定の概念が使用され得る。
【００２８】
静電容量センサの測定原理
図３は、接地された導電性のターゲット９までの分離距離を測定する１つの静電容量センサプローブ１を示している。ＡＣ電流を供給されると、経路１５に沿って、センサからセンサ−ターゲットの静電容量（sensor-target capacitance）１６を通ってターゲットへ、更に、ターゲットからターゲット−接地のインピーダンス（target-ground impedance）１７を通って接地へ、電流が流れる。距離の測定に影響を及ぼす変化又は外的影響からの妨害（disturbance）は、電圧１９として、図に示されている。センサがセンサ−ターゲットの静電容量１６をどれくらい正確に測定できるかによって、センサからターゲットまでの距離の測定の正確さが決まる。ターゲット−接地のインピーダンス１７の静電容量は、センサ−ターゲットの静電容量１６を大幅に超えることが多く、ターゲットが適切に接地されていない場合は、１００倍を超えることがある。この大きな静電容量は小さなインピーダンス１７をもたらすので、センサへの作用は小さい。しかしながら、インピーダンス１７の変化は、距離の測定に影響を及ぼし、この作用をできるだけ小さくするのが望ましい。
【００２９】
図４は、ターゲット９までの分離距離を差動測定する２つの静電容量センサプローブ１ａ、１ｂの構成を示している。１８０度オフセットしたＡＣ電流がセンサに供給されるので、電流は、経路１８に沿って、一方のセンサからセンサ−ターゲットの静電容量１６ａを通ってターゲットへ、更に、ターゲットから他方のセンサ−ターゲットの静電容量１６ｂを通って他方のセンサへ流れる。位相のずれた信号を使って２つのセンサを駆動するこの構成は、電流がターゲットを通って接地に流れるのを回避するのに効果的であり、ターゲット対接地のインピーダンス１７の作用を最小化する。更に、これは、接地された復路を必要とすることなく、一方のセンサから他方のセンサに電流が流れるのを可能にするので、接地されていないターゲットにとって有益である。位相のずれた信号を使ってセンサを励起するこの構成は、従来の測定システムで使用され得る。従来の測定システムは、センサのペアのうちの各センサから、別々の独立した静電容量(及び距離)の測定値を導き出している。各センサは、ターゲットまでの距離を個別に測定する。図４において、妨害１９は、２つの妨害電圧１９ａと１９ｂによって示されている。各センサに等しく影響を及ぼす共通モードの妨害の場合に、各妨害電圧１９ａと１９ｂは、電圧１９の値の半分を有する。
【００３０】
センサに供給される位相のずれた信号と共に、差動測定構成（differential measurement arrangement）を更に使用することができる。この構成では、センサ１ａのセンサ−ターゲットの静電容量１６ａが、正の半サイクル中にセンサ１ａの駆動電圧によって充電され、更に、正の半サイクル中にセンサ１ｂの駆動電圧によって充電され、一方で、センサ１ｂのセンサ−ターゲットの静電容量１６ｂが、負の半サイクル中にセンサ１ｂの駆動電圧によって充電され、更に、負の半サイクル中にセンサ１ａの駆動電圧によって充電されるようなやり方で、２つのセンサからの出力が結合される。従って、各センサからの出力信号は、２つのセンサとターゲットとの間の平均距離に相当する。
【００３１】
一定のスロープと振幅とを有する三角形の電圧波形でセンサにエネルギを与えると、センサの静電容量への、ほぼ方形波の電流の流れ、即ち、一方の半サイクル中における、ほぼ一定の正の電流の流れと、他方の半サイクル中における、ほぼ一定の負の電流の流れをもたらす。実際には、電流は、各半サイクル中に実質的に定常状態まで上昇するので、各半サイクルの後半部分中に、定常状態の電流の流れに達したときに、測定することが好ましい。
【００３２】
センサ及び関連するセンサの静電容量を通った電流を測定し、更なる処理のために電圧に変換することができる。差動ペア（differential pair）のうちの各センサに対する結果として得られた値を組み合わせて、共通モードの妨害を減らす又は無くすことができる。例えば、正の電流の流れのサイクル中にセンサ１ａを通った定常状態の電流を、正の電流の流れのサイクル中にセンサ１ｂを通った定常状態の電流に加えて、合計することができる。同様に、負の電流の流れのサイクル中にセンサ１ａを通った定常状態の電流を、負の電流の流れのサイクル中にセンサ１ｂを通った定常状態の電流に加えて、合計することができる。合計の正のサイクル値から、合計の負のサイクル値を減算して、差動センサ信号を得る。即ち、Ｖｄｉｆｆ＝(Ｖ１ｐｏｓ＋Ｖ２ｐｏｓ)−（Ｖ１ｎｅｇ＋Ｖ２ｎｅｇ)である。
【００３３】
ペアのセンサを近付けて位相をずらして駆動することにより、センサの電流が、センサペアの下にあるセンサ対ターゲットの静電容量１６ａと１６ｂの両者を充電及び放電し、その結果、各測定値は、各センサからターゲットまでの距離の平均になる。これは、２つのセンサの中間にあるターゲット上の点と、センサペアとの間の距離として見なすことができる。各測定値は、何らかの妨害、例えば、図４に示されている妨害１９ａと１９ｂとによって影響を及ぼされる。これらの妨害は、正のサイクル値と負のサイクル値との両者に存在するが、差動センサ信号を与えるために正と負の値を減算することによって、測定値から本質的に取り除かれる。この構成の利点は、個々のセンサに対する共通モードの妨害が測定中に打ち消されることである。測定中に一定であり続ける２つのセンサにおける差が打ち消され、正確な測定値をもたらす。差動測定構成は、ターゲット−接地の静電容量の影響を大幅に軽減し、感知システムの感度を高める。
【００３４】
センサの構造
図５は、薄膜構造を備えた静電容量センサの断面図を示している。導電性感知電極３１と、導電性側部ガード電極３２が、絶縁膜３４上に形成される又は取り付けられている。導電性背部ガード電極３５が、絶縁膜３４の背側に配置されている。感知電極とガード電極との間のギャップ３９は、狭く、一般に１０分の数マイクロメータであり、エアギャップであるか、又は絶縁材料で埋められ得る。
【００３５】
感知電極とターゲットとの間に生成される電界は、感知電極の縁部の近くで曲がる。感知電極の縁部の近くに導体があると、電界、従って、センサの測定値に対して、大きな予測不能な影響を及ぼす場合がある。この状況を回避する(従って、電界を分析的に計算できるように、センサの測定値をより予測可能にして、モデル化し易くする）ために、感知電極をガード電極によって囲み、感知電極と同じ電位によってガード電極にエネルギを与える。ガード電極は、外部の干渉に対するシールドとして機能し、更に、感知電極の下の感知エリアから、電界の曲げ作用を無くして、寄生静電容量を減らす。感知電極とターゲットとの間の電界の各側部に対して、ターゲットとガード電極との間に電界が生成される。感知電極とガード電極は同じ電位であるので、感知電極とガード電極との間に電界は生成されない。この結果、感知電極の下のエリアの電界は実質的に均一になり、一方で、ガード電極の外側縁部において電界が曲がる。
【００３６】
ターゲットから感知電極を離している距離と比較して、感知電極３１の面積を大きくすべきである。更に、感知電極とターゲットとの間の距離と比較して、感知電極３１と側部ガード電極３２との間のギャップ３９を小さくすべきである。感知電極とターゲットとの間の距離と比較して、側部ガード電極３２の幅を大きくすべきである。１つの実施形態では、感知電極の幅は、センサ電極とターゲットとの間の距離の少なくとも５倍である。感知電極とガード電極との間のギャップは、センサ電極とターゲットとの間の距離の５分の１以下である。ガード電極の幅は、感知電極とターゲットとの間の距離の少なくとも５倍である。これらの相対的な設計ルールに従って、非常に予測可能な静電容量、例えば１ｐｐｍの静電容量の予測可能性を有する、静電容量センサの設計ルールの実施形態を提供する。ここでは、予測可能性（predictability）は、無限の電極寸法の代わりに、有限の電極寸法に対する静電容量を計算するために、上述の方程式（２）の理想的なプレート−距離の静電容量の式を使用する場合に生じる相対誤差として定義される。
【００３７】
感知電極と測定されるターゲットとの間のセンサの静電容量Ｃ１に加えて、センサは、構造中の異なる各要素間に固有の寄生静電容量Ｃ２とＣ３を有する。測定される静電容量Ｃ１と比較して、寄生静電容量Ｃ２とＣ３は小さい。図５の実施形態では、寄生静電容量は、感知電極と側部ガード電極との間の静電容量Ｃ２と、感知電極と背部ガード電極との間の静電容量Ｃ３とを含む。
【００３８】
センサの１つの実施形態では、感知電極とターゲットとの間の静電容量Ｃ１は、０．１ｐＦ乃至１ｐＦであり、一方で、感知電極と側部ガード電極との間の寄生静電容量Ｃ２は、１００乃至１０００分の１であり、一般的に０．００１ｐＦ（即ち、１０−１５Ｆ）のオーダである。感知電極と背部電極との間の寄生静電容量Ｃ３は、一般的により大きく、一般的に、約１ｐＦ乃至１０００ｐＦ（即ち、１０−１２Ｆ乃至１０−９Ｆ）を占める。感知電極と同じ電位を有するガード電極にエネルギを与えることによって、これらの寄生静電容量の影響は弱められる。これは、側部電極と感知電極とを電気的に接続することによって、又はアクティブなガードを使用することによって達成でき、後述でより詳しく説明する。アクティブなガードは、背部ガード電極にも使用され得る。
【００３９】
真空チャンバ中のクリーンな環境で動作するリソグラフィマシンを使った応用の場合に、センサは、真空環境中にあるときに非常に低レベルの汚染物質を発するように構成されるのが好ましい。特に、真空環境を汚染し得る物質が使用されている場合は、このタイプの応用で使用されるセンサの導体の上に、保護層、例えば、カプトンポリイミド膜（Kapton polyimide film)又は同様の保護膜が形成され得る。図６Ａ−６Ｄは、保護層３７と３８を含む薄膜センサの様々な実施形態の断面図を示している。図６Ｅは、図６Ａと６Ｂのセンサの上面図を示している。図６Ｆは、図６Ｄのセンサの上面図を示している。
【００４０】
図６Ａは、１つの実施形態の断面図を示しており、絶縁膜３４の一方の表面上に形成された又は取り付けられた感知電極３１及び側部ガード電極３２と、絶縁膜３４の他方の表面上の背部ガード電極３５とを有している。センサは、プレート４０に取り付けられている。一般に、プレート４０は、距離の測定に必要な機器の構造の一部分であるか、又は、構造の一部分に取り付けられ得る。例えば、センサが、投影レンズとレンズの下のウェーハとの間の距離を測定する場合に、プレート４０は、リソグラフィマシンの投影レンズの周りのスペーサプレート又はマウントプレートである。プレート４０は、導電性であってもよく、従って、センサに対するシールド電極の役割を果たすこともできる。
【００４１】
図６Ｂは、代わりの実施形態を示しており、第２の絶縁膜４３上に形成された又は取り付けられた導電性のシールド電極４４を、センサの構造の一部分として有している。この構成は、センサを非導電性表面にマウントすることを可能にする。導電性表面にマウントされても、これは、その範囲における一貫性と、シールド電極の機能とを保証する。シールド電極４４をセンサの構造の一部分として含むと、支持表面から得られたであろう独立した接地電位を更に与える。例えば、電子ビームリソグラフィシステム上でセンサが使用される場合に、マシンからの接地電位は、投影レンズからの電気雑音によって影響を及ぼされ得る。更に、これは、センサのシールド電極が測定回路と同じ接地を有することと、ケーブルでセンサを回路に接続することとを可能にする。
【００４２】
これは、センサのシールド電極をシールド導体に接続ケーブルで接続し、次に、接続ケーブルを、測定回路によって使用される接地点に接続することによって達成できる。これにより、センサと測定電子機器とに対して別々の接地を有することが回避される。３つの導体のケーブル、例えば三軸ケーブルに接続されると、この構成は、センサの３つの導電層の各々と、三軸ケーブルの対応する導体との接続のために配置された接続点が、回路からセンサに独立した接地電位を与えることを可能にする。これはシールド電極を含み、シールド電極を三軸ケーブルのシールド導体に接続することを含む。
【００４３】
図６Ｃは、別の実施形態を示しており、シールド電極４４に電気的に接続された外側ガード電極３３を含んでいる。この接続は、絶縁層３４と４３とに、例えばレーザによってホール又はバイアを形成して、各レベルの導電層の一部分の電気的接続を可能にすることによってなされ得る。
【００４４】
図６Ｄは、別の実施形態を示しており、感知電極と同じレベル又は表面上に、側部ガード電極がない。既に記載したように、感知電極によって生成された電界を感知エリア内に制限して、感知電極とターゲットとの間に比較的に一様な電界を生成して、センサの近くに位置を定められた導体がセンサに対して及ぼす影響を弱めるために、従来の設計では、側部カード電極は必ず必要であると考えられていた。例えば図１Ａに示されているように、比較的に丈が高くて大きい従来の構成では、センサ電極を囲むために、センサ電極と同じ平面まで下方に延在するガード電極が必要であった。同様に、センサ電極と同じレベルにガード電極を置く薄膜設計において、側部ガード電極は不可欠であると考えられていた。側部ガード電極は背部ガード電極に電気的に接続されることが好ましいが、この配置では、これらの２つの電極を電気接続しなければならず、これは困難である。図６Ａ−６Ｃに示されている設計では、絶縁層３４を通してこの接続を行なっている。センサのサイズが小さく、絶縁層３４が薄いので、的確なサイズと位置の穴を絶縁層３４に正確に作るのは困難である。この目的のためにレーザを使用してもよいが、製造工程は、より複雑で、よりコストがかかる。
【００４５】
しかしながら、薄膜センサの膜が十分に薄い場合は、感知電極と同じレベルに側部ガード電極がなくてもよいことが分かった。背部ガード電極の外周部分が、感知電極を越えて横方向に延在して、感知電極を囲むように、背部ガード電極３５よりも小さい感知電極３１を有するセンサを設計することによって、同じ効果を得ることができる。従って、背部ガード電極のこの外周部分は、側部ガード電極のように機能する。背部ガード電極３５の外周部分から出る電界が、絶縁層３４に広がって、感知電極によって生成された電界を感知エリア内に制限するように働き、感知電極とターゲットとの間に比較的に一様な電界を生成する。センサの近くに置かれた導体によって引き起こされる電界の曲げは、感知電極ではなく、背部ガード電極の外周部分の外側縁部に現れる。その結果、より簡単な設計になり、これは、製造の複雑さを軽減し、生産費用をより安くするが、センサの近くに位置を定められた導体によって引き起こされる妨害に対して影響され難い感知電極の下のエリアにおいて、実質的に均一の電界を生成できる。
【００４６】
図６Ａと６Ｂの実施形態の上面図は、図６Ｅに示されている。図６Ｅでは、感知電極３１は円形に作られていて、「Ｃ」型の側部ガード電極３２が感知電極をほぼ完全に囲んでいて、この２つの電極間の狭いギャップを感知電極３１の周囲に置いている。この実施形態では、側部ガード電極３２と背部電極３５が、絶縁膜３４の開口部３６によってオプションで電気的に接続され、ガード電極と背部電極が電気的に接触することを可能にしている。この実施形態では、１つの「Ｃ」型の開口部が使用されているが、他の形状を使用すること、及び／又は、複数の開口部を使用することができる。ガード電極と背部電極とを接続して、両者の電極を同じ電位にして、それらの間の何等かの静電容量の影響を無くして、アクティブなガードを使用することによって、ガード電極及び背部電極と感知電極との間の何らかの静電容量の影響も無くすことができる。
【００４７】
図６Ｅの実施形態では、内部の感知電極３１は、感知電極から外部の信号処理回路に電気的に接続するための接続線４１を形成している１つ以上の延在部を有する。同様に、側部ガード電極３２は、電気的に接続するための接続線４２を形成している１つ以上の延在部を有する。感知電極３１と、側部ガード電極３２と、接続線４１、４２は、薄膜から形成されている。示されている実施形態では、電極３１、３２と、接続線４１、４２は全て、同じ平面にあり、レーザを使用して、エッチング或いは他の適切な除去技術により、部分を取り除いた膜を配置又は形成することによって、同じ薄膜から形成され得る。側部ガード電極３２は、感知電極と信号処理回路とを電気的に接続するために、感知電極から外方向に延在する接続線４１のための小さなギャップを残して、感知電極３１を実質的に囲んでいる。更に、接続線は、寄生静電容量を加える。寄生静電容量は、センサの設計において考慮に入れられるべきである。
【００４８】
図６Ｄの実施形態の上面図は、図６Ｆに示されている（背部ガード電極３５が見えるように、絶縁層３４は示されていない)。側部ガード電極が感知電極と同じレベルにないことを除いて、図６Ｆは図６Ｅの実施形態に似ている。この図では、背部ガード電極３５の外周領域３５aが、側部ガード電極として機能している。センサは、上述の図６Ｅの実施形態と同じやり方で構成され得る。接続線４１と４２は、上述のように電気的に接続するために、感知電極及び背部ガード電極から外方向に延在している。
【００４９】
これらの実施形態では、電極３２、４４が含まれている場合には電極３２、４４と、電極３１、３５は、約１８ミクロンの厚さの導電層から形成され得る。絶縁膜３４と４３は約２５ミクロンの厚さであり得る。保護層３７、３８は約５０ミクロンの厚さであり得る。薄膜センサは、合計約１００−２００ミクロンの厚さで構成され得る。センサ構造の背表面と、感知電極の前表面（即ち、距離の測定が行なわれる方向に面している表面）との間の厚さは、５０−１５０ミクロン、好ましくは約１００ミクロンである。利用可能な空間がほとんどなく(特に、利用可能な高さが制限されている)、センサ間の間隔又はセンサと他の機器との間の間隔が狭いことが要求される応用では、薄膜構造で、小さな面積で、高さ(厚さ)の非常に小さいセンサが、センサに利用できる。
【００５０】
図６Ａ−Ｆに示されている(更に、後述の他の実施形態に示されている)小さなサイズの薄膜センサは、多くの利点を備える。薄膜構造の結果、最小の高さになる。センサの幅又は面積も非常に小さいかもしれない。これは、距離を測定したい場所の直ぐ近くに、センサをマウントすることを可能にする。センサは、投影レンズと露光されるターゲットとの間の距離を測定するために、リソグラフィマシンと共に使用されるときに、投影レンズの直ぐそばであって、同じマウント構造上にマウントされ、その結果、センサと投影レンズとの両者が、同じ基準点に固定される。これは、センサと投影レンズとの間の相対的な動きによる誤差を大幅に減らし、センサをマウントすることに因る変化を修正する必要を無くし、較正の必要性を減らす。更に、センサのサイズが小さいと、センサ自体が平らである必要を減らす。
【００５１】
図７と８は、薄膜センサの更なる実施形態を示しており、感知電極３１と背部電極３５との間にのみ、絶縁層３４が形成されていて、側部ガード電極３２と背部電極３５は、相互に直接に接続することができる。
【００５２】
図７Ａは、上面図を示している。図７Ｂは、正方形の感知電極を備えたセンサの断面図を示している。１つの実施形態では、正方形のセンサは、センサとターゲットとの間の１００ミクロンの公称の距離において、１ｐＦの公称のセンサの静電容量(感知電極とターゲットとの間の静電容量Ｃ１)を有して設計されている。感知電極は、３．５ｍｍ(＋／−０．０１ｍｍ)の幅と、１２.２５ｍｍ２の面積を有している。ガード電極は、１．５ｍｍ(＋／−０．０１ｍｍ)の幅を有している。感知電極とガード電極との間のギャップは、０．０１５ｍｍ(＋／−０．００１ｍｍ)である。別の実施形態では、センサは、センサとターゲットの間の１００ミクロンの公称の距離において、１０ｐＦの公称のセンサの静電容量を有して設計されている。感知電極は、１１ｍｍ(＋／−０．０１ｍｍ)の幅と、１２１ｍｍ２の面積を有している。ガード電極の幅とギャップは、それぞれ、１．５ｍｍ(＋／−０．０１ｍｍ)と０．０１５ｍｍ(＋／−０．００１ｍｍ)で変わらない。
【００５３】
図８Ａは、上面図を示している。図８Ｂは、円形の感知電極を備えたセンサの断面図を示している。１つの実施形態では、円形のセンサは、センサとターゲットの間の１００ミクロンの公称の距離において、１ｐＦの公称のセンサの静電容量を有して設計されている。感知電極は、４ｍｍ(＋／−０．００１ｍｍ)の直径と、１２.２５ｍｍ２の面積を有している。ガード電極は、４．０１５ｍｍ(＋／−０．００１ｍｍ)の内径と、８ｍｍ(＋／−０．００１ｍｍ)の外径とを有している。別の実施形態では、センサは、センサとターゲットの間の１００ミクロンの公称の距離において、１０ｐＦの公称のセンサの静電容量を有して設計されている。感知電極は、６．２ｍｍ(＋／−０．００１ｍｍ)の直径と、１２１ｍｍ２の面積を有している。ガード電極は、６．２１５ｍｍ(＋／−０．００１ｍｍ)の内径と、１２．４ｍｍ(＋／−０．００１ｍｍ)の外径とを有している。
【００５４】
図５−８の実施形態は、センサとターゲットとの間に８０−１８０ミクロンの(感知電極の表面に対して直角に交わるｚ軸における)測定範囲を有するように構成され得る。当業者に分かるように、異なる測定範囲に適応させるために、センサの寸法を変更してもよい。
【００５５】
更に、図５−８の実施形態は、リソグラフィ技術を使用して、より一層薄い層の材料を実現するように作られ得る。より一層薄い層の材料は、例えば、１００ｎｍ(＋／−１０ｎｍ)の厚さを有する感知電極３１と、１５０ｎｍ(＋／−１０ｎｍ)の厚さの背部電極３５及び(含まれているならば)側部ガード電極３２と、５０ｎｍ(＋／−１０ｎｍ)の厚さの絶縁層３４である。これらの実施形態における感知電極は、正方形又は円形であり、大きな感知エリアを備えて、センサの感度を最大化し、一方で、センサの全体的な寸法を最小化している。しかしながら、センサは、これらの形状から逸脱して、感知エリアを最大化するために、長方形、楕円形、又は他の形状を有する感知電極(及び、同様に、ガード電極)を備えていてもよい。
【００５６】
図５−８の実施形態は、電極３１、３２の導電層を、絶縁層３５上に配置して、或いは粘着又は接合層を使って絶縁層に付けて構成され得る。感知電極とガード電極との両者に対して１つの導電層を形成し、レーザ又はエッチングを使用して材料を取り除いてギャップを作ることによって、感知電極とガード電極との間にギャップ３９を形成してもよい。非常に小さなギャップの幅を作るために、レーザが好ましい。レーザを使用すると、２５ミクロンの幅のギャップを、僅かなずれで作ることができる。一方で、エッチングは、一般に精度がより低い。
【００５７】
様々な技術を使用して、例えば、リソグラフィ技術、微小電子機械システム(Micro Electro Mechanical System, MEMS)技術、又はフレキシブルプリント回路技術（flexible printed circuit technology）を使用して、センサを製造することができる。フレキシブルプリント回路技術を使用すると、絶縁層３４は、適切な材料のフレキシブルなシート又はテープとして提供され得る。適切な材料は、例えば、カプトンポリイミドフィルム又は同様のフレキシブルな絶縁膜である。導電性電極３１と、３２と、３５は、銅又は他の適切な導電性材料の薄い層から作られて、粘着剤を使用して絶縁層３４に固定されるか、粘着剤のない積層（adhesiveless laminate）、例えばダイレクトメタライゼーションプロセス（direct metallization process）を使用するものとして形成されるか、或いは導電性インク又は他の適切なプリント技術を使用して絶縁層上にプリントされ得る。保護絶縁膜３７と３８は、層３４と同じタイプの材料から作られ得る。
【００５８】
フレキシブルプリント薄膜センサは、製造するに容易であり、素早く作ることができ、その結果、製造のためのリードタイムが短くなる。センサは、センサから信号処理回路へのロバストな接続を備えて作られ得る。サイズが小さいと、距離を測定する場所に又は場所の非常に近くに配置するために、より大きなフレキシビリティを与える。センサを個々のセンサ要素として適切な位置に接着して、感知システムを素早く簡単にアセンブルすることができる。測定手順において個々のセンサを適切な位置に接着して較正した後で、個々のセンサの平坦度（flatness）と傾斜(tilt)とがチェックされ得る。フレキシブルなシートの材料を絶縁層に使用した場合に、センサ全体をフレキシブルに構成することができる。
【００５９】
上述の実施形態のうちの幾つかでは、感知電極と側部ガード電極との間のギャップの幅は、例えば、感知電極とガード電極との間のギャップが感知電極とターゲットとの間の距離の５分の１よりも大きいという、上述の相対的な設計ルールを満たしていない。しかしながら、薄膜構造の利点は、センサの多くの応用に関して、これよりも優るであるだろう。
【００６０】
図９Ａ乃至９Ｃは、１つの統合されたユニットとして構成されているセンサペア（sensor pair）の様々な実施形態を示している。これらの実施形態では、統合されたユニットは、２つのセンサ３０ａ、３０ｂを含み、各センサ３０ａ、３０ｂは、自身の感知電極３１ａ、３１ｂと背部ガード電極３５ａ、３５ｂとを有する。図９Ａのセンサは、導電性プレート４０をシールド電極として使用する。図９Ｂと９Ｃのセンサは、センサペアと統合された１つのシールド電極４４を共有している。図９Ｃの実施形態では、シールド電極４４とプレート４０との間の接着スポット又はライン５６を使用して、センサをプレート４０に固定している。プレート４０が導電性である場合は、導電性の接着剤を使用して、プレート４０とシールド電極４４とを電気的に接続して、シールド電極をより効果的に接地してもよい。２つのセンサ３０ａ、３０ｂは、上述のように差動ペアとして動作することが好ましい。各センサは、ペアのうちの他方のセンサから位相がずれた、好ましくは位相が１８０度ずれた電圧又は電流によって駆動される。共通モードの誤差を打ち消すために、差動測定が行われる。
【００６１】
図９Ｄは、差動センサペアの上面図を示している。背部ガード電極と感知電極は、例えば図２０Ｃと２０Ｄとに示されているエリア１１５内に合うように設計された、丸みを帯びた四辺形に形成されている。この形状は、エリア１１５の境界内の感知電極に対して最大のエリアをもたらし、最高解像度の測定値を生成する。電極を、同じくエリア１１５内に密接に嵌る円形にして、最大エリアの感知電極を生成してもよい。
【００６２】
図１０Ａ乃至１０Ｄは、異なる材料をセンサ基板に使用した薄膜静電容量センサに対する様々な構成を示している。これらの実施形態は、リソグラフィ技術を使用する構成に適している。リソグラフィ技術は、非常に小さなギャップのサイズを有する非常に精密に形成された電極の製造を可能にする。これは、上述の相対的な設計ルールを満たし、非常に小さな特徴と非常に小さな距離とを測定するための非常に高い解像度を有するセンサを構成することを可能にする。更に、リソグラフィ工程は、非常に小さなトラックの幅と精密な寸法とを有する接続線と導体／接合パッドとを作ることを可能にする。更に、リソグラフィ工程は、当業者に周知であり、工程の流れが展開されると、より高い解像度を有するセンサの製造に容易に適用できる。しかしながら、工程の最初の展開は、より長い製造のリードタイムをもたらし、異なる工程段階を確認するために、短いループの実験が必要である。図１０Ａ−１０Ｄは、単に層の構成を示しており、側部ガード電極を示していないが、側部ガード電極が含まれている場合は、側部ガード電極は、感知電極と同じ層上に形成され、側部ガード電極と背部ガード電極とのオプションの接続を示していない。
【００６３】
リソグラフィマシンのようなマシン上に１つ以上のセンサがマウントされる応用の場合に、これらの実施形態の基板は２つ以上のセンサに共通であってもよく、センサのセットが１つのユニットで構成される。このタイプの構成の一例は、図１３Ａ−１３Ｄに示されており、後述で説明する。従って、基板をマウントプレートに接続してもよく、又はセンサをマシンにマウントするマウントプレートとして、基板を使用することができる。
【００６４】
図１０Ａの実施形態は、両側に絶縁層４７ａ、４７ｂが形成されているシリコンの基板４５を有する。感知電極３１は、絶縁層の一方の表面上に形成され、背部ガード電極３５は、他方の絶縁層の表面上に形成されている。この実施形態は、効果的に機能するように、ガード電極のアクティブなバイアスをかけることが必要であり得る。これは、センサが固定されるプレートのパタニングを必要とし得る。更に、投影レンズとセンサとの容量結合は、問題であり得る。
【００６５】
図１０Ｂの実施形態は、片側に複数の層が形成されているシリコンの基板４５を有する。複数の層は、第１の絶縁層４７ａと、第１の絶縁層上に形成されている感知電極３１と、第２の絶縁層４７ｂと、第２の絶縁層上に形成されている背部ガード電極３５とを含む。この実施形態は、センサが固定されるマウントプレートをパタニングする必要を回避し、更に、投影レンズとセンサとの容量結合を回避する。しかしながら、図１０Ａの実施形態と比較して、追加の絶縁層が必要である。
【００６６】
シリコンの基板は良い絶縁体ではないので、これらの実施形態には、絶縁層が含まれている。シリコンの基板の更なる欠点は、シリコン中の不純物のために、シリコンに寄生電流が発生し、これらの電流がセンサの静電容量の測定を妨害し得るということである。
【００６７】
図１０Ｃの実施形態は、一方の表面上に感知電極３１が形成され、他方の表面上に背部電極３５が形成されている、パイレックス（登録商標）の基板４６を有する。更に、この実施形態は、ガード電極のアクティブなバイアスをかけることを実施した場合に、センサが固定されるプレートのパタニングを必要とするが、感度の低下と、センサの非線形性の僅かな増加とを伴う、アクティブなガードを省いてもよい。１００μｍの基板の厚さと、感知電極と側部ガード電極との間の１６μｍのギャップとを有する、この基板を使った実施形態は、１５０ｋＨｚで５０μＡの電流のエネルギを与えられたときに、センサとターゲットとの間の０．８μｍの距離において約１１．５Ｖの有効出力電圧を生成し、センサとターゲットとの間の１．８μｍの距離において約１３．５Ｖの有効出力電圧を生成し得る。
【００６８】
図１０Ｄの実施形態は、片側に複数の層が形成されているパイレックスの基板４６を有する。複数の層は、ガード電極３５と、ガード電極上に形成されている絶縁層４７と、絶縁層上に形成されている感知電極３１とを含む。この構成の場合に、センサが固定されるプレートのパタニングは必要ない。１００μｍのパイレックスの層のために、投影レンズとセンサとの容量結合は低減される。パイレックスは良い絶縁体である。パイレックスの基板を使用する実施形態の場合は、シリコンの実施形態に使用される絶縁層を省くことができる。
【００６９】
センサ電極(感知電極と、側部ガード電極と、背部ガード電極)と信号処理システムとを電気的に接続するには、小さなセンサ要素にロバストな低インピーダンスの接続をする必要がある。この接続は、予想される機械的応力に耐えることができ、一方で、センサ構成に更なる寄生静電容量を取り込むのを回避できるはずである。更に、リソグラフィマシンを使ったセンサの応用の場合に、汚染物質を真空環境に放出する物質を接続に使用するのを回避すべきである。
【００７０】
図１１は、センサから信号処理回路への外部接続をするために、接続線４１、４２の端部に形成されている接触パッド（contact pad）５０ａ、５０ｂを有するセンサを示している。図１２Ａと１２Ｂは、センサ電極に電気的に接触するための接触パッドの構造の断面図を示している。これらは、シリコンと、パイレックスと、同様の材料の基板を使用する実施形態に特に適している。これらの実施形態は、基板の前側のセンサ電極に電気的に接続するために、基板の背側に接触パッドを備えている。図１２Ａは、基板５５を通り抜けるバイヤホールを有する実施形態を示している。導電性の接触パッド５０は、シリコンの基板の背側に形成されている。基板の前側の導電層５２と接続するために、バイヤホールを通じて導電性接続５１が形成される。図１２Ｂは、基板５５の縁部にわたって電気接続をする実施形態を示している。導電性の接触パッド５０は、基板の背側に形成され、導電性接続５１は、基板の縁部に形成され、基板の前側の導電層５２と接続している。
【００７１】
シリコン又は他の非誘電性基板を使用する実施形態の場合は、絶縁層５３が、基板から導電層５２を離し、小さな絶縁層５４が、基板から接触パッド５０を離している。更に、図１２Ａでは、バイヤホールが絶縁層で被覆され、図１２Ｂでは、導電性接続５１の下の基板の縁部が絶縁層で被覆されている。接触パッドに必要とされる追加の絶縁層は、追加の小さな寄生静電容量を生じる。パイレックスのような誘電性基板を使用する実施形態の場合は、追加の絶縁層は、オプションであり、追加の寄生静電容量が減る。
【００７２】
図１３Ａ乃至１３Ｄは、リソグラフィマシンの投影レンズ１０４を囲んでいる１つの基板１０２上に構成された複数のセンサを有する感知システムの実施形態を示している。図１３Ａは、基板の前側、即ち、露光されるウェーハに向かって下方に面している側部を示している。(４個のセンサペアから成る)８個のセンサが、ペアになって、投影レンズの周りにおいて、間隔を置いて基板上に形成されている。この実施形態では、各センサについて、導電性の感知電極３１が基板の前側に形成されている。側部ガード電極３２は、各感知電極を囲んでいて、側部ガード電極３２と各感知電極との間に小さなギャップが形成されている。接続線１０５は、各感知及びガード電極と基板の縁部とを電気的に接続する。この実施形態では、パイレックス又はカプトンのような誘電材料から基板が作られており、電極と基板との間に、追加の絶縁層は使用されていない。更に、薄い保護絶縁層が、基板の前側のセンサ電極の上に形成され得る。
【００７３】
図１３Ｂは、基板の背側、即ち、露光されるウェーハから遠い上方に面している側部を示している。各センサについて、導電性の背部ガード電極３５が基板の背側に形成されている。各センサについて、背部電極は、基板の前側の感知及び側部ガード電極と整列している。円形の電極を有するこの実施形態では、各センサについて、全ての電極の中心は整列している。背部電極３５は、感知電極３１よりも大きな直径を有しており、前側の側部ガード電極３２の直径以上であり得る。接続線１０６は、背部ガード電極と基板の縁部とを電気的に接続する。
【００７４】
例えば、図１１、１２Ａ、又は１２Ｂに示されている構成を使用して、基板の前側の接続線１０５と、背側の接続線１０６とを配置して、基板の背側の縁部に接触パッド５０ａ、５０ｂを形成してもよい。接触パッド５０ａは、感知電極３１に電気的に接続され、接触パッド５０ｂは、側部ガード電極３２と背部ガード電極３５とに接続される。この実施形態では、接触パッドのエリアは、交互になっていて、両側で、感知電極からの各接触パッド５０ａは、対応する側部ガード電極及び背部ガード電極からの接触パッド５０ｂを有する。シールド電極に接続するために、追加の接触パッド５０ｃが基板の縁部に更に形成される。これは、センサを測定システムに接続するケーブルのシールドに接続され得る。基板上のセンサペアの配置に対応して、別々のエリアに配置されている接触パッドのエリアが一緒になって接触パッド５０を形成する。
【００７５】
図１３Ｃは、基板の背側を示している。基板の縁部の周りにギャップを残して、絶縁層１１０が基板上に形成されており、接続するために接触パッド５０が露出されている。図１３Ｄは、スペーサ／マウントプレート１１２上にマウントされた基板１０２を示している。マウントプレート１１２は、導電性であってもよく、シールド電極として機能することができ、接地され得る。又はその代わりに、シールド電極として機能する導電性のシールドプレートを、別個のコンポーネントとして備えてもよい。接触パッド５０ｃは、例えばセンサのシールドに接続するために、シールド電極に電気的に接続する接続エリアとして機能する。絶縁層１１０は、マウントプレート／シールド電極からガード電極を電気的に切り離す。この実施形態では、マウントプレートは、マウントプレートの縁部の周りにカットアウトを有し、電気的に接続するために接触パッド５０を露出させている。
【００７６】
１つの実施形態では、図１３Ａ-１３Ｄの構成は、投影レンズを収容するために、例えば１９×１９ｍｍ又は２６×２６ｍｍの正方形の穴を備えた、５０ｍｍの直径のパイレックスの基板を備え得る。感知電極は、３．８ｍｍの直径と、感知電極とガード電極との間の１６μｍのギャップとを有する。ガード電極は、１ｍｍの幅を有し、背部電極は、６ｍｍの直径を有する。接続線１０５は、０．０５ｍｍの幅と、１６μｍの間隔とを有する。接続線１０６は、０．５ｍｍの幅と、０．５ｍｍの間隔とを有する。接触パッドは、０．５ｍｍの幅と、１．４ｍｍの長さとを有する。パッドは、０．５ｍｍのギャップによって相互に離されている。２００ｋＨｚで１０μＡの電流で、センサに動力が与えられ得る。
【００７７】
図１３Ａ-１３Ｄに示されている実施形態における又はここに記載されている他のセンサ構成のうちの何れかにおけるセンサは、例えば、図６Ａ−Ｆ、７Ａ−Ｂ、８Ａ−Ｂ、９Ａ-Ｃ、１０Ａ−Ｄ、１１、又は１２Ａ−Ｂに記載されている実施形態のうちの何れかに従って構成され、差動ペアで配置され得る。ペアのうちの各センサは、ペアのうちの他方のセンサから位相がずれている電圧又は電流によって駆動される。例えば、ペアのうちの第１のセンサは、ペアのうちの他のセンサから位相が１８０度ずれている電流によって駆動され得る。センサのペア間の結合を弱めて、センサの複数の差動ペアを一緒に使用できるようにするために、各センサペアは、隣り合うセンサペアから位相がオフセットした電流又は電圧によって駆動され得る。例えば、隣り合うセンサペアは、互いから位相が９０度ずれている電流によって駆動され得る。例えば、図１３Ａの上側のセンサのペアは、０及び１８０度の位相の電流によってエネルギを与えられ、一方で、右側のセンサのペアと左側のセンサのペアは、各々、９０及び２７０度の位相でエネルギを与えられ、下側のセンサのペアは、０及び１８０度の位相でエネルギを与えられる。このように、隣り合うセンサペアの直交バイアスで位相分割技術を使用して、ペアを切り離して、ペア間の干渉を下げる。その代わりに又は更に、周波数分割又は時分割のような他の技術を使用して、センサペア間の干渉を下げてもよい。
【００７８】
センサから電気信号を転送し、生のセンサ信号を使用可能なフォーマットに変換するために電気信号を送信するのに、センサプローブから信号処理システムへの電気的接続が必要である。図１４は、リソグラフィマシンの投影レンズ１０４の周りの基板１０２の前側にマウントされたセンサ３０を備えたセンサ構成の側面図を示している。基板１０２は、センサを機器にマウントするためのマウントプレート１１２としても機能し得る。機器、例えばリソグラフィマシンの投影レンズから距離が測定される。接触パッド５０は、基板の背側に形成される。金属の接触ばねの形態の接続ワイヤ６０は、信号処理システムに接続するために、パッドと電気的に接触する。
【００７９】
図１５Ａと１５Ｂは、フレキシブルプリント回路の接続部材１１０を使用する代わりの接続構成を示している。フレキシブルプリント回路の接続部材１１０は、フレキシブルなメンブレン１１１を備えており、フレキシブルなメンブレン１１１上に、導電性トラック１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃがプリント又は付けられている。導電性トラックの上に保護絶縁層を形成してもよい。フレックスプリントコネクタ１１０の一方の端部は、センサ電極の接続エリア又は接触パッド５０に接合され、その結果、導電性トラックはセンサ電極に電気的に接続する。示されている実施形態では、導電性トラック１１４ａは、感知電極のための接触パッドに接続し、導電性トラック１１４ｂと１１４ｃは、側部ガード電極及び／又は背部電極のための接触パッドに接続する。シールド電極がセンサ構造に含まれている場合は、追加の導電性トラックをフレックスプリントコネクタ上に形成して、センサとセンサ支援構造とから離れた接地電位に、シールド電極を接続してもよい。フレックスプリントコネクタ１１０の他方の端部には、センサ信号を信号処理システムに転送するワイヤ又は接続ピン１２０と電気的に接触させる接触端子１１７と共に、コネクタプラグ又はソケット１１６が付けられている。図１５Ａは、導電性トラック１１４ａ−１１４ｃが見えるフレックスプリントコネクタ１１０の実施形態の下側を、導電性トラックが接続している１組の接触パッド５０の上面図と共に示している。図１５Ｂは、接触パッドに接続されたときの、フレックスプリントコネクタ１１０の側面図を示している。フレックスプリントコネクタは、フレキシブルであり、ここに記載されているセンサの実施形態の何れにも使用され得る。特に、導電性トラックの幅が非常に小さい場合に、フレックスプリントコネクタの最大曲げ半径を考慮すべきであり、組み立て中に、フレックスプリントコネクタとセンサの接触パッドとを整列させることが重要である。
【００８０】
絶縁層３４が、高分子絶縁膜又は同様のもののような適切な材料から作られている場合に、フレキシブルなメンブレン１１１を同じ材料から作って、絶縁層３４に、絶縁層３４の延在部として統合してもよい。この実施形態では、同様に、導電性トラック１１４ａ−ｃを、感知電極３１、側部ガード電極３２、及び／又は背部電極３５と同じ材料から作って、その延在部として統合してもよい。この構成では、電極と導電性トラックとの間に接触パッドは必要ないが、導電性トラックの端部に接触パッドが使用され得る。別の実施形態では、センサの電極と同じやり方で、導電性トラックを層状にしてもよく、例えば、その結果、背部ガード電極に接続された導電性トラックが、絶縁層の上に形成され、絶縁層が、感知電極に接続された導電性トラックの上に形成される。例えば、図２１Ｄに示されているように、この構造を更に拡張して、背部ガード電極に接続された導電性トラックの上に、絶縁層を形成して、絶縁層の上に、シールド電極が形成して、シールド電極に接続された導電性トラックを含むことができる。
【００８１】
図１６Ａは、荷電粒子リソグラフィマシンの投影レンズとデフレクタのスタック１３２の断面図を示している。リソグラフィマシンによって生成された荷電粒子ビームレットをウェーハの表面上に集束させて、走査パターンにおいて、それらをウェーハの表面の全体にわたって偏向させるために、スタック１３２は、一般に、垂直に積み重ねられた投影レンズ要素とビームレットデフレクタ要素とを含む。実際には、各々の垂直に積み重ねられた投影レンズ要素は、多数のビームレットをウェーハの表面上に同時に集束させるために、投影レンズのアレイを含み得る。各ビームレットは、ウェーハの異なる部分を露光する。同様に、各デフレクタ要素は、デフレクタのアレイを含み得る。
【００８２】
レンズのスタック１３２は、ハウジングフレーム部材１３０の中にマウントされている。マウントプレート１１２は、フレーム部材１３０の下に配置されて付けられている。マウントプレート１１２は、レンズのスタックの２つの静電レンズ要素間のスペーサとしても機能し得る。中央に配置された穴を通して、荷電粒子ビームが投影される。プレート／スペーサ１１２は、ガラス又は他の適切な絶縁材料から作られ、レンズのスタック１３２と、底部のレンズ１０４と、ウェーハと、センサと、近くの他のコンポーネントとに存在する高電圧間に絶縁層を提供し得る。プレート１１２は、ほぼ円筒型のフレーム部材１３０と、上部のマウントプレート１３３と共に、投影レンズとデフレクタのスタック１３２とのためのハウジング構造を形成する。
【００８３】
その代わりに、プレート１１２は、導電性であるか、又は静電容量センサのためのシールド電極として機能する導電層を含んでもよい。更に、プレート１１２は、基板１０２であってもよく、基板１０２上にセンサが形成される。示されている実施形態では、投影レンズのスタック１３２は、垂直のスタックで構成された一連の投影レンズ要素を具備する。投影レンズのスタック１３２は、ほとんどは、プレート１１２より上に配置されているが、スタックの中の最後の集束レンズ要素１０４は、プレートの下のプレートの底表面上に配置される。
【００８４】
図１６Ｂは、投影レンズのスタックの底部の投影レンズ１０４と可動ウェーハテーブル１３４上に載せたウェーハ９との間の距離に関する距離を測定するセンサの構成を示している。ウェーハとテーブルは便宜上概略的に示されており、その幅は、レンズのスタックのハウジングよりも実際ははるかに大きいことに留意すべきである。一般的に、レンズのスタックのハウジングが５０−７０ｍｍであるのに対して、ウェーハは直径２００又は３００ｍｍである。センサ３０は、底部の投影レンズ１０４と同じプレート１１２上にマウントされ、そのレンズ１０４のすぐ近くにある。センサは、リソグラフィマシンの露光域のサイズよりも小さいことが好ましく、センサのうちの幾つか又は全ては、露光域のサイズの幅又は長さに等しい距離よりも、投影レンズの縁部により接近して配置され得る。
【００８５】
この構成では、投影レンズに対して固定された関係で、センサがマウントされるので、センサとウェーハとの間の測定された距離から、底部の投影レンズ１０４とウェーハ９との間の距離を決定できる。ここに記載されているセンサの非常に小さなサイズが、投影レンズのすぐ近くにセンサをマウントすることを可能にし、投影レンズの最後の集束要素と同じ支持要素上にセンサをマウントすることを可能にするので、これらは両者共、同じ基準点に固定される。１つの構造上で、センサが底部の投影レンズと統合されるので、例えば、底部の投影レンズがマウントされている支持要素と、センサがマウントされている支持要素との間における、熱膨張と、収縮と、動きとによって生じる、センサと投影レンズとの相対的な位置の変化に起因する誤差と、センサと底部の投影レンズのベース構造がそれぞれ異なることによるマウントの不正確さに起因する誤差とが大幅に減る。この結果、ｘ軸及びｙ軸(即ち、ウェーハの表面に平行な軸)と、ｚ軸(即ち、ウェーハの表面に垂直な軸)とにおける変化に対して、センサシステムを較正する必要を無くすか、又はこのような較正の必要を少なくとも減らすことになる。従来の静電容量センサは、プレート１１２上にマウントするには丈と幅が大き過ぎて、投影レンズ１０４から更に遠くに離して、例えばフレーム部材１３１上にマウントしなければならないであろう。
【００８６】
集束効果は、主に最後(底部)の投影レンズ１０４によって決定される。上述の統合された設計の特徴では、静電容量の高さのセンサが投影レンズと統合されているので、最後の投影レンズ要素の焦点生成エリアとセンサとの間に、他の要素はない。統合されたシステムにおける唯一の重要な変化は、単一の投影レンズ要素１０４の公差である。これは、非常に薄い要素である(一般に、２００μｍ以下である)。センサと投影レンズとの関係は、最下位の要素１０４の公差によってのみ乱される。静電容量センサの絶対測定は、集束要素と、ウェーハの表面、即ちビームが集束する平面／位置との間の距離から、集束要素(投影レンズの最下位の要素)の厚さの公差を除いた距離に本質的に一致する。集束要素の厚さの不確かさは、センサの要求される測定及び動作の範囲のほんの僅かな部分である。従って、センサの残りの静電容量を決定する「無限測定（infinity measurement）」を除いて、センサを更に較正する必要がない。これは、無限に、即ち適切な場所にウェーハを置くことなく、単に測定することによって決定され得る。センサと投影レンズとを近付けて統合すると、システムの全体の公差を最小化するので、静電容量センサの読み取り値は、更に較正することなく、リソグラフィマシンで使用するのに十分に正確である。更なる長所は、最小の設計は、露光ビームの近くでターゲット(ウェーハ)までの距離を測定することを可能にし、更に、測定誤差を最小化することである。
【００８７】
センサは、投影レンズ１０４の底部に隣り合って、プレート１１２上に配置される。例えば図５−９に示されているタイプの薄膜構成に従って、別々に構成されるセンサの場合は、例えば粘着剤を使って、個々のセンサをマウントプレート１１２に直接に固定してもよい。例えば図１３Ａ−１３Ｄに示されているタイプの、共通の基板上に形成されるセンサの場合は、同じく粘着剤又は他の取り付け手段を使用して、センサ基板をマウントプレート１１２に固定してもよい。更に、共通のセンサ基板はマウントプレート１１２として機能することもできる。
【００８８】
投影レンズ１０４の底部は、センサ３０の感知電極の底表面と実質的に同じ高さであるか、又は僅かにより低くてもよい。測定したい距離が、実際に測定される距離(即ち、感知電極の底表面と、測定されるターゲットとの間の距離)とほぼ等しくなるように、システムを設計することによって、システムの感度が上がる。１つの実施形態では、リソグラフィマシンに使用される場合に、投影レンズ１０４の底部は、センサ３０の感知電極の底表面より５０μｍ下に延在する。投影の焦点面は、投影レンズの底部より５０μｍ下であって、感知電極よりも１００μｍ下にある。ウェーハテーブルは、１００ｎｍの位置決めの精度と、感知電極の底表面の下に８０−１８０μｍのｚ軸(垂直)の移動範囲を有し、この範囲の上端は、ウェーハを感知電極の８０μｍ以内に持ってくる。この範囲の下端は、感知電極の１８０μｍ下にウェーハを動かす。
【００８９】
図１７Ａ乃至１７Ｄは、複数のセンサ３０と、統合されたフレックスプリントコネクタ１１０とを有するフレキシブルプリント回路構造１２０を示している。構造１２０は、カプトンポリイミドフィルム又は同様のフレキシブルな絶縁膜のような絶縁材料のフレキシブルなベースを具備する。接続線を作る導電性トラックと、センサのための導電性電極は、銅又は他の適切な導電性材料の薄い層から形成されるか、粘着剤を使用して絶縁性のベース層に固定されるか、例えばダイレクトメタライゼーションプロセスを使用して、粘着剤のない積層として形成されるか、或いは、導電性インク又は他の適切なプリント技術を使用して、絶縁層上にプリントされる。次に、保護絶縁膜が導電層の上に形成され得る。
【００９０】
図１７Ｂに示されている実施形態では、底部の投影レンズ１０４を収容する正方形のカットアウト１２1の周りに、８ペアのセンサを正方形の配列で配置している。更に、センサペアの代わりに、単一のセンサを使用してもよい。更に、センサ又はセンサペアの様々な空間的配置が使用され得る。フレキシブルなベース層は、延在部を含んでいる。延在部は、センサと信号処理システムとを電気的に接続するために、上述のように構成されたフレックスプリントコネクタ１１０として機能する。フレックスプリントコネクタ１１０は、コネクタ１１６に接続する。コネクタ１１６は、応力を除去し、遠隔信号処理システムに接続するための三軸ケーブル２１０に対するインターフェイスを提供する。
【００９１】
センサから、センサと離れた位置へ、信号を転送するのに必要な接続及び配線と、センサとを統合すると、より大きく且つよりロバストな接続を作ることができ、幾つかの問題を解決することができる。センサのサイズが極めて小さいと、配線とコネクタのハードウェアのサイズが制限されるので、電気的に接続するのが困難になる。配線によって取り込まれる静電容量がセンサシステムを支配しないように、それらを制御しなければならない。配線の何らかの小さな動き又は振動は、損傷をもたらすか、或いはセンサの再較正の必要をもたらし得る。センサとセンサの配線との両者を、１つのフレックスプリントのフレキシブルなベース層上に統合すると、非常に小さな寸法を有するセンサにおける接続を可能にし、配線によって取り込まれる静電容量を、システムの設計中に制御することができる。１つのベース層上に統合すると、構造上ロバストな設計を生成し、配線の動きに関する問題を大幅に減らす。
【００９２】
関連する配線を備えた複数のセンサを１つのベース層上に統合すると、更なる長所が得られる。１つのベース層上にセンサのアレイを形成することによって、製造された時に、センサの空間的配置が固定され、より大きな統合された構造は、機器、例えばリソグラフィマシンへの取り付けと取り扱いをより容易にする。
【００９３】
フレキシブルなベース層上に回路をプリント又はさもなければ形成することによって、信号前処理回路２００がフレックスプリントコネクタ上に統合され得る。信号前処理回路２００は、（後述するように）センサのガード電極のアクティブなバイアスをかけることのために使用される緩衝器／増幅器を含んでもよく、追加の回路を含んでもよく、又は信号前処理回路２００を省いて、投影レンズに対してローカルな唯一の接続ハードウェアと、全ての能動素子とが離れて配置されるようにしてもよい。リソグラフィマシンは、真空環境の中で動作するので、センサの近くであって、真空の中に能動素子を配置すると、真空中では熱伝達しないので、能動素子からの放熱の問題が生じ得る。しかしながら、アクティブなガードに必要なコンポーネントをガード電極の近くに配置すると、システムの性能が上がる。示されている実施形態では、信号前処理回路２００はコネクタ１１６の隣に配置されているので、回路が発生した熱は、コネクタ１１６を通じてケーブル２１０に、より効果的に伝わり、センサ構成から離れ得る。
【００９４】
図１８は、別の接続構成を示している。フレックスプリントコネクタ１１０は、一方の端部において、マウントプレート１１２上のセンサ３０に接続し、他方の端部において、接続配線又はピン２０１を介して、信号前処理回路２００に接続する。信号前処理ユニット２００は、フレーム部材１３１上に、好ましくは凹部又は仕切りの中にマウントされ得る。信号前処理回路２００の出力は、ワイヤ又はピン２０２と、コネクタ２０４と、三軸ケーブル２１０とを介して、制御システムに送信される。
【００９５】
図１９Ａと１９Ｂは、リソグラフィマシンにおいて(図１７Ａ乃至１７Ｄに示されている)統合されたフレキシブルプリント回路構造１２０をマウントする構成を示している。図１９Ａは、構成を上から示しており、見易さを改善するために投影レンズのスタックが取り除かれていて、フレキシブルプリント回路構造１２０は、フレーム部材１３１の窪みに配置されている。コネクタ１１６は、三軸ケーブル２１０を介して、ケーブリングバンドル（cabling bundle）２１２に接続する。次に、ケーブリングバンドル２１２は、遠隔信号処理システムに接続するためにケーブル２１４に接続する。図１９Ｂは、ウェーハに面するセンサ３０とフレキシブルプリント回路構造１２０とを示す下面図を表わしている。
【００９６】
粘着剤又は他の適切な取り付け方法を使用して、フレキシブルプリント回路構造１２０を、マウントプレート、例えば図１６Ａと１６Ｂとに示されているマウントプレート１１２の底表面に固定してもよい。この結果、関連する配線を備えたセンサアレイと、底部の投影レンズ１０４及びマウントプレート１１２とが全て、単一の構造で統合される。これによって、投影レンズのすぐ近くであって、且つ投影レンズに対して固定された関係で、センサがマウントされ、図１６Ａと１６Ｂの実施形態の上述の恩恵がもたらされる。
【００９７】
図２０Ａと、２０Ｂと、２０Ｄは、リソグラフィマシンの投影レンズ１０４を囲んでいるマウントプレート１１２上の静電容量センサの様々な構成を示している。図２０Ａでは、マウントプレート１１２の４つの四分円に、４つのセンサペアを分散させている。センサは、差動感知のためにペアで配置されている。マウントプレートの底側において、各センサは、感知電極３１を具備し、側部ガード電極３２を更に含み得る。この配置は、特に、ウェーハの高さと傾斜とを測定するのに特に適している。図２０Ｂは、正方行列（square matrix）で配置されたペアの１６個のセンサの配置を示している。正方形の真ん中は、センサを有しておらず、投影レンズ１０４が配置されている。上述の構成の全てについて、センサ基板の背側に、背部ガード電極が含まれていることが好ましく、更に、既に記載したようにシールド電極が含まれていてもよい。図２０Ｃは、マウントプレート１１２及びセンサに関連する様々な位置のウェーハ９ａ、ｂ、ｃ、ｄを示しており、４つのウェーハの位置の重なったエリアは、投影レンズ１０４の四隅から延在しているマウントプレート１１２上の４つのエリア１１５を示している。図２０Ｄは、これらの４つのエリア１１５に配置された４つのセンサ(差動)ペアを示している。
【００９８】
エリア１１５のこの配置は、センサを分散させて、少なくとも１つのセンサ又はセンサペアを使って、ウェーハの表面までの距離を測定する可能性を最大化する。１つのみのセンサ／ペアがウェーハの上に配置されるように、ウェーハの位置を定めると、ウェーハの表面までの距離の測定は、このセンサ／ペアのみに基づく。別のセンサ／ペアがウェーハの上に位置を定められると直ぐに、このセンサ／ペアから更に測定して、ウェーハの上の２つのセンサ／ペアから、平均距離値を計算できる。同様に、第３と第４のセンサ／ペアがウェーハの上に位置を定められると、これらを考慮に入れる。最後の測定距離値における突然のステップを回避するために、更なるセンサ／ペアの寄与をフェードインさせることによって、例えば段階的に含めることによって、追加のセンサ／ペアを平均距離の計算に含めることが好ましい。
【００９９】
マウントプレート１１２のサイズは、最小の、一般に約６０ｍｍの、ターゲットのサイズを決定する。３００ｍｍのウェーハに対して、ウェーハの位置９ａ−９ｄの４つの重なったエリア１１５は、センサの適切な配置エリアを示すが、リソグラフィマシンの光又は電子ビームの実際の投影エリアにできるだけ近付くように、センサをマウントすることが好ましい。より大きなウェーハのサイズ、例えば４５０ｍｍは、エリア１１５を大きくする傾向がある。その理由は、エリア１１５を定める円形断面が、直線になる傾向があるからである。
【０１００】
図２１Ａと２１Ｂは、４つの差動センサペア３０ａ、３０ｂを有するフレキシブルプリント回路構造１２０の実施形態を示している。構造１２０は、図１７Ａ−１７Ｄの実施形態と同様に、カプトンポリイミドフィルム又は同様のフレキシブルな絶縁膜のような絶縁材料のフレキシブルなベースから作られ、更に、１つ以上の統合されたフレックスプリントコネクタ１１０を含み得る。感知電極に面して(感知電極が見えるように、センサの上の絶縁性の保護層を省いて)下から見て示されている実施形態では、底部の投影レンズ１０４の周りの、図２０Ｄのエリア１１５の中に位置を定めるように、４つのセンサペアが配置されている。更に、センサペアの代わりに、単一のセンサを使用してもよい。センサと配線接続とを統合すると、非常に小さなセンサに対する単純でロバストな接続と、配線によって取り込まれる静電容量の制御とを可能にする。図２１Ａは、円形のセンサを使った実施形態を示している。図２１Ｂは、エリア１１５の使用量を最大化するために、四辺形のセンサを使った実施形態を示している。(単純化のために尖った角を有するセンサが示されているが、例えば図９Ｄに示されているように、丸みを帯びた角が好ましい)。
【０１０１】
図２１Ｃは、フレキシブルプリント回路構造１２０をセンサの裏からある角度で示している。４つの統合されたフレックスコネクタ１１０が、折り曲げられて、ベース層１２０から上方に延在している。導電性トラックは、遠隔回路に接続するためのケーブルに接続するために、各センサのセンサ電極から、フレックスコネクタ１１０に沿って、次に、フレキシブルなメンブレン１２２と１２３の周りに延在している。ベース層を上から見て、センサの背部ガード電極３５ａ、３５ｂが示されている(背部ガード電極が見えるように、絶縁層とシールド電極は省かれている)。導電性トラック１１４ｂは、フレックスコネクタ１１０の内側１１０ｂ上に形成されている。導電性トラックは、フレックスコネクタ１１０の外側１１０ａに更に形成され得る。導電性トラックは、銅又は他の適切な導電性材料の薄い層から形成されるか、粘着剤を使用して絶縁層に固定されるか、粘着剤のない積層として形成されるか、或いは図１７Ａ−１７Ｄの実施形態のように絶縁層上にプリントされ得る。
【０１０２】
図２１Ｄは、センサ３０と、関連するフレックスコネクタ１１０との断面図である。センサを遠隔回路に接続するために、導電性トラック１１４ａ−ｅが、センサ電極から、フレックスコネクタ１１０に沿って延在している。この実施形態では、導電性トラック１１４ａ−ｅは、同じ材料から作られ、電極の延在部としてセンサ電極に統合されている。導電性トラックは、センサの電極と同じやり方で、層状に配置されている。絶縁層３４は、フレックスコネクタ１１０のための延在部分を含んでいる。導電性トラック１１４ａは、感知電極３１から延在しており、両者は、絶縁層３４上に形成されている。導電性トラック１１４ｂは背部ガード電極３５から延びており、両者は、絶縁層３４と４３との間に形成されている。導電性トラック１１４ｂは、導電性トラック１１４ａよりも幅が広い。導電性トラック１１４ｂは外周部分を有し、外周部分は導電性トラック１１４ａに対する側部ガード電極として機能する。導電性トラック１１４ａは、感知電極から信号を伝送し、周囲環境中の導体に対してある特定の静電容量を有する。導電性トラック１１４ａの近くの導体は、センサの感知電極に影響を及ぼすのと同じやり方で、この静電容量に影響を及ぼす。従って、近くの導体による妨害を減らすために、導電性トラック１１４ｂが、側部ガード電極の役割をするように設計されている。
【０１０３】
センサがシールド電極を含んでいる場合に、シールド電極４４から導電性トラック１１４ｄが延在しており、両者は、絶縁層４３と３８との間に形成されている。この配置は、感知電極から測定信号を伝送する導電性トラック１１４ａの長さの全体に、シールド電極の効果を拡張し、距離の測定に対する妨害と外部の影響とを減らす。
【０１０４】
図２１Ｃの実施形態では、導電性トラック１１４ｂ、１１４ｄと、これらの間の絶縁層は、フレックスコネクタの内側表面１１０ｂ上において、内側に延在している。フレックスコネクタの外側表面１１０ａ上に、同様の配置が再現され得る。フレックスコネクタ１１０に沿って導電性トラック１１４ａの上に絶縁保護材３７を形成して延在させてもよい。導電性トラック１１４ｃは、フレックスコネクタに沿って導電性トラック１１４ａより上に延在している。導電性トラック１１４ａの両側には、外周部分が延在している。導電性トラック１１４ｃを、背部ガード電極に接続された導電性トラック１１４ｂに電気的に接続すると、導電性トラック１１４ｃを背部ガード電極と同じ電位にすることができる。導電性トラック１１４ｃを、背部ガード電極に直接に接続するか、又は他の何らかの手段によって電気的に接続することもできる。
【０１０５】
同様に、フレックスコネクタに沿って導電性トラック１１４ｃの上に延在している別の絶縁層４３ａを形成してもよい。別の導電性トラック１１４ｅは、フレックスコネクタに沿って導電性トラック１１４ｃより上に延在している。接地電位、好ましくは、導電性トラック１１４ｅは、センサから離れた接地に接続するためにケーブル導体に又は導電性トラック１１４ｄに電気的に接続され得る。最後に、保護層３８ａが最上部の上に形成され得る。
【０１０６】
この二面構成（two-sided arrangement）を使って、感知電極から信号を伝送する導電性トラック１１４ａは、背部ガード電極の延在部間に効果的に挟まれ、この組み合わせ構造は、シールド電極の延在部間に挟まれるので、距離の測定に対する妨害と外部の影響とを大幅に減らす。
【０１０７】
導電性トラック１１４ａ−ｅは、センサから離れた端部において、センサ信号を遠隔回路に送るケーブルに接続され得る。三軸ケーブルを使用してもよく、中心のケーブル導体は導電性トラック１１４ａに接続され、真ん中のケーブル導体は導電性トラック１１４ｂと１１４ｃに接続され、外側のケーブル導体は導電性トラック１１４ｄと１１４ｅとに接続される。上から覆い被せた絶縁層の穴を通して、各導電性トラックの金属の接触パッドを露出することによって、これらの接続を行なうことができる。
【０１０８】
図２１Ｃに示されているセンサとコネクタの構造は、静電容量センサのアレイをマウントして、リソグラフィマシンの投影レンズに接続するのに適している。この構成は、幾つかの目的を達成し、非常に小さな薄膜静電容量センサを、最下位の投影レンズ要素がマウントされているのと同じマウントプレートに直接に、且つ投影レンズの焦点のすぐ近くにマウントするためのフレキシブルなベース層を提供する。このマウント方法は、感知要素と投影レンズとの高さの違いのためにセンサシステムを較正する必要を排除する。センサ電極から延在している一体化したコネクタは、センサへのロバストな電気接続を生成し、これは、システムの静電容量の変化を最小にし、センサに接続したときの変化による較正の必要を排除する。
【０１０９】
これは、もとの位置に（in situ）較正することを必要としない非常に簡単なシステムをもたらす。センサの残りの静電容量を決定して(これは、単に、無限に、即ちセンサの前にウェーハが無くても、測定することによって行われ得る)、その後に、相殺することができる。センサの残りの静電容量は、本質的に固定されるので、センサの更なる較正は必要ない。固定接続構造と三軸ケーブルとによって、接続の振動又は動きは大部分が取り除かれるので、(例えば、配線の小さな動きによる)寄生静電容量は、容易に低く維持される。結果として得られる構造は、リソグラフィマシン内に容易に取り付けられ、時間のかかる再較正をすることなく、センサ、又は組み合わされた投影レンズとセンサの構造を、取り除いて交換することを容易にする。
【０１１０】
電子回路
図２２は、センサシステム３００を示している。センサシステム３００は、１つ以上のセンサプローブ３０と、信号処理システム３０１と、センサプローブから信号処理システムに信号を伝達する接続システム３０２とを具備している。信号処理システム３０1は、センサプローブを駆動する電流又は電圧源回路と、生のセンサ信号を増幅する増幅器／緩衝器回路と、センサガード電極にバイアスをかけてケーブル導体を接続する回路と、プローブから受信した信号を処理して、処理された信号を測定データとして出力する信号処理回路と、システムを較正する回路とを含み得る。接続システム３０２は、センサを信号処理システムに接続するケーブルを含み得る。
【０１１１】
システムの各部分は、様々なタイプの測定誤差と、感度を下げる要素とに対する源であり得る。プローブの制限された形状と、センサ電極及び他のコンポーネントの形状を不揃いで不正確にする製造工程の限界とが原因で、センサプローブによって誤差が取り込まれる。センサプローブの構造と、プローブの近くの他のコンポーネントの干渉とが原因の、固有（intrinsic）／寄生（parasitic）の静電容量は、センサの感度を下げ得る。
【０１１２】
プローブをマウントすることによって、マウント表面又はプローブが傾斜する又は平らでなくなることと、マウントに関係する位置及び他の要素の公差との結果として、誤差が取り込まれ得る。信号処理のエラーと、コンポーネントの公差と、外部又は内部の干渉と、他の要素とが原因で、信号処理システムによって誤差が取り込まれ得る。接続システムによって、誤差が更に取り込まれ得る。誤差は、例えば、接続線と、接触パッドと、接続ワイヤと、ケーブリングとのような接続コンポーネントによって取り込まれる追加の静電容量である。
【０１１３】
センサとターゲットとの間の距離を表わす、センサの静電容量の変化を検出するために、様々な増幅器構成を使用することができる。図２３Ａは、基本的な高インピーダンス増幅器回路の単純化した回路図である。高入力インピーダンス増幅器は、増幅器３０５の単位利得非反転構成（unity gain non-inverting configuration）を使用する。ＡＣ電流源３０６は、センサプローブ３０と並列し、増幅器への入力として接続される。回路は、静電容量の変化に比例する線形出力３０９を生成する。静電容量は、センサプローブ３０とターゲット９との間の距離に応じて変わる。
【０１１４】
センサ３０は、増幅器の入力と、接地又は仮想接地との間に接続されている。即ち、測定される静電容量の一方の電極は、接地に接続されている。しかしながら、ウェーハまでの距離を測定するために、センサの感知電極は、測定される静電容量の一方の電極を形成し、一方で、ウェーハの導電層は、他方の電極を形成する。一般に、ウェーハ９の導電層は、ウェーハテーブル１３４とリソグラフィマシンの他のコンポーネントとを介して、接地に容量的に接続される。ウェーハと接地との間の静電容量は、一般に６ｐＦと７０ｎＦとの間で変化する。センサの静電容量の公称値は、一般に約０．１ｐＦ乃至１ｐＦである。センサ３０とウェーハ９との間の距離の小さな変化を正確に測定するために、センサの公称静電容量よりも少なくとも１０００倍大きなウェーハ対接地の静電容量を有することが必要である。ウェーハ対接地の静電容量の変化の範囲は、非常に大きいので、この静電容量の小さな変化が、距離の測定に影響を及ぼす場合がある。ウェーハ対接地の静電容量が、センサの公称静電容量よりも、少なくとも１０００倍大きくない場合は、ウェーハ対接地の静電容量の小さな変化が、測定される静電容量の変化と、距離の測定値の望ましくない変化とを引き起こす。
【０１１５】
図２３Ｂに示されているように、差動測定原理において、差動ペアの２つのセンサ３０ａ、３０ｂは、電流源３０６ａ、３０６ｂによって駆動され、電流源３０６ａ、３０６ｂは、位相が１８０度ずれている。一方のプローブを通る電流は、ターゲットにおける導電層を通る経路を見付ける。仮想接地、即ち、電流経路における最低電位又は定電位は、電流経路の中心に生成される。高インピーダンス増幅器３０５ａ、３０５ｂを使用して、ターゲットの導電層とセンサとの間の距離の変化に対応する電圧信号を測定する。差動測定原理は、ウェーハ対接地のインピーダンスの変化から、距離の測定を独立させる。
【０１１６】
図２４Ａは、電圧源を使ってセンサ３０にバイアスをかける代わりの回路を示している。２つの固定インピーダンス７１、７２と、可変静電容量７３と、センサ３０(可変静電容量として示されている)が、電圧源３０６によってエネルギを与えられるホイートストンブリッジ構成（whetstone bridge arrangement）で配置されている。ブリッジは、並列回路に配置されている２本の脚を有している。インピーダンス７１と可変静電容量７３は、第１のノードで一緒に接続され、一方の脚を形成している。インピーダンス７２とセンサ３０は、第２のノードで接続され、他方の脚を形成している。固定インピーダンス７１、７２は、同じインピーダンス値を有し、可変静電容量７３は、センサ３０の公称静電容量と一致するように調整される。ブリッジの各脚の中間点における２つのノードは、差動増幅器７５の２つの入力に接続されている。差動増幅器７５は、ノードにかかる、即ち、可変静電容量７３とセンサ３０とにかかる電圧の差を測定する。可変静電容量を調節して、差動増幅器のヌル値を調整する。自動較正アルゴリズムによって、可変静電容量を調整してもよい。
【０１１７】
ブリッジコンポーネントと差動増幅器とを、センサに配置してもよい。図１７Ａ−１７Ｄに示されているフレックスプリント構成と併せて使用される場合に、センサと同じフレキシブルなベース層上に、固定インピーダンス７１、７２を形成してもよい。可変静電容量７３は、可変静電容量のダイオード(バリキャップ)又は他の適切なコンポーネントを使用して形成され得る。更に、可変静電容量７３は、ベース層上にマウント又は形成されるコンポーネントとして、フレキシブルなベース層上で統合されるか、或いは、銅と絶縁層とを使用して、フレキシブルな構造自体に統合され得る。差動増幅器をベース層上に形成してもよいが、上述の真空環境中の能動素子に関する考慮すべき事項が当てはまる。差動増幅器を遠く離して配置して、同じケーブル長を、センサ及び可変静電容量への接続に使用すると、事実上のケーブルの静電容量を取り除くことができ、共通モードの妨害が打ち消され得る。
【０１１８】
図２４Ｂは、差動センサペアに対して実施される図２４Ａの回路を示している。ペアのうちの各センサ３０ａ、３０ｂは、固定インピーダンス７１、７２に接続され、電圧源３０６ａ、３０６ｂによってバイアスをかけられる。ここでは、ホイートストンブリッジ構成は、固定静電容量７１、７２と、センサペア３０ａ、３０ｂとによって形成される。これらは、ターゲット上の導電性ウェーハレジストを介して接続される。
【０１１９】
図２５は、高インピーダンス増幅器回路を用いた差動測定を使用する実施形態を示している。２つのセンサ３０ａ、３０ｂは、差動ペアで構成されている。センサ３０ａの感知電極３１ａは、ＡＣ電流源３０６ａによって駆動され、センサ３０ｂの感知電極３１ｂは、ＡＣ電流源３０６ｂによって駆動される。２つの電流源３０６ａ、３０６ｂは、互いに位相が１８０度ずれている。半サイクル中に、電流３０７は、センサ３０ａ及びセンサ対ターゲットの静電容量１６ａを通り、ターゲット９の導電層を通り、センサ対ターゲットの静電容量１６ｂを通り、センサ３０ｂを通り、一方向に流れる。次の半サイクル中に、電流は逆方向に流れる。
【０１２０】
増幅器／緩衝器３０５ａは、センサ３０ａの生の出力電圧を増幅し、更なる処理のために出力信号３０９ａを発生する。更に、出力３０９ａは、センサ３０ａの側部ガード電極３２ａ及び／又は背部ガード電極３５ａにフィードバックされ得る。これは、感知電極に存在する電圧と同じ電圧でガード電極にエネルギを与えることによってアクティブなガードを実施する。従って、感知電極とガード電極との間に電界は形成されない。従って、感知電極とターゲットとの間の電界はできるだけ一様になる。同様に、増幅器／緩衝器３０５ｂは、センサ３０ｂの生の出力電圧を増幅し、出力信号３０９ｂを生成し、センサ３０ｂのガード電極に対するアクティブなバイアスをかける信号を供給する。出力信号３０９ａ、３０９ｂは、同期検波器回路３３０ａ、３３０ｂにそれぞれ入力され得る。
【０１２１】
センサから、信号処理を行う離れた位置へ、ケーブル接続することによって取り込まれる追加の静電容量により生じる誤差が取り込まれるのを防ぐために、特に、ガード電極のアクティブなバイアスをかけることを実施するときに、増幅器３０５ａ、３０５ｂをセンサ３０ａ、３０ｂの近くに配置することが好ましい。真空中で動作するリソグラフィマシンの静電容量センサの応用の場合に、センサの近くに能動素子を置くには、一般に、これらの能動素子を真空チャンバの中に置く必要がある。(真空中における伝導による伝熱（heat transfer）は依然として行われるが)真空中における放射による伝熱は不十分であるので、能動素子を真空チャンバ中に置くことは、放熱（heat dissipation）の問題をもたらし得る。このために、電流源３０６ａ、３０６ｂと、更なる信号処理回路、例えば同期検波器３３０ａ、３３０ｂは、センサから遠く離して、真空チャンバの外部に配置され得る。しかしながら、能動素子から離して熱伝導を可能にする構成で、より低い測定誤差を達成するために、増幅器３０５ａ、３０５ｂを、真空チャンバの中の、センサの近くに配置するのが好ましい。
【０１２２】
図２６は、同期検波器回路３３０の１つの実施形態を示している。基準発振器３３１は、基準周波数ｆ１を発生する。基準周波数ｆ１は、センサを駆動する交流電流３３２を発生するために電流源３０６によって使用され、(同じく、周波数ｆ１の)基準信号３３４を発生するために位相シフタ３３３によって使用される。基準信号３３４は、基準周波数に対して位相シフトされている。センサからの信号３０９と基準周波数との間における位相シフトに等しくなるように、基準信号３３４の位相シフトを調節して、感知構成内のセンサと同期検波器回路３３０とのケーブル接続の際に生じる位相シフトを補う。
【０１２３】
センサからの周波数ｆ２における出力３０９は、入力緩衝器３３５への入力である。乗算器３３７は、周波数ｆ２の緩衝又は増幅された入力信号３３６と、周波数ｆ１の基準信号３３４とを受信する。乗算器３３７からの出力は、２つの入力周波数の和(ｆ１+ｆ２)の成分と、２つの入力周波数間の差(ｆ１−ｆ２)の成分とを含む。乗算器３３７からの出力は、低域フィルタ３３８に通され、より高い周波数をフィルタにかけて取り除き、２つの入力周波数間の差(ｆ１−ｆ２)を表わす低周波成分を残す。この信号を増幅器３３９によって増幅し、測定信号３４０を発生する。この測定信号３４０は、センサによって測定されるインピーダンスの変化を表わし、これは、センサとターゲットとの間の距離の変化によって決まる。
【０１２４】
既に記載したように、センサと信号処理回路とを駆動する電流源回路は、センサから遠く離して配置され得る。しかしながら、センサを遠隔回路に接続するために使用されるケーブル接続は、システムにおける追加の望ましくない静電容量を取り込む。図２７は、センサシステムにおける静電容量を示す図である。静電容量Ｃｉｎは、ケーブルの静電容量と、電流源３０６の出力の静電容量とを加えたもの表わす。静電容量Ｃｓは、測定されるセンサ対ターゲットの静電容量と、センサとセンサの接続線との固有(寄生)静電容量とを加えたものを表わす。静電容量Ｃｏｕｔは、ケーブルの静電容量と、緩衝器３０５の入力の静電容量とを加えたものを表わす。浮遊静電容量Ｃｉｎ、Ｃｏｕｔは、測定されるセンサ対ターゲットの静電容量Ｃｓと比較して小さくすべきである。その理由は、大きな浮遊静電容量は、センサの感度を下げるからである。
【０１２５】
センサを信号処理回路に接続するケーブルの静電容量は、大きく、センサの感度に悪影響を及ぼし得る。この問題を軽減又は解消するために、アクティブなガードがケーブル導体に使用され得る。図２８Ａは、センサ３０を信号処理回路３３０に接続するケーブル３５０を備えた構成を示している。示されている構成では、増幅器／緩衝器３０５は、センサ３０の近くに(垂直方向の点線の左側に)に配置され、電流源３０６は、センサから遠く離れて(垂直方向の点線の右側に)に配置される。電流源３０６は、ケーブルの中心の導体３５１を介して、センサ３０に電流を送る。緩衝器３０５は、センサの感知電極にある電圧と同じ電圧で、同軸の導体３５２にエネルギを与える。中心の導体３５１と同軸の導体３５２は、同じ電圧がかけられるので、これらの導体間の浮遊静電容量の影響は事実上ゼロになる。
【０１２６】
図２８Ｂは、ケーブル３５０の導体と、センサ３０の導電性電極との接続を示している。中心の導体３５１は感知電極３１に接続され、内側の同軸の導体３５２は背部ガード電極３５に接続され、外側の同軸の導体３５３はシールド電極４４に接続される。
【０１２７】
この実施形態におけるケーブルは、第３の同軸の導体３５３を備えた三軸ケーブルである。第３の同軸の導体３５３は、シールドとして機能し、接地される。シールドは、ケーブルの遠端、例えば回路３３０で、別の接地に接続されるのが好ましい。この接地は、単なるシールディングの接地であり、センサにおいて接地に接続されないことが好ましい。
【０１２８】
この構成に対する多くの代替案が可能である。例えば、非同軸ケーブルも使用できる。緩衝器３０５を、センサから遠く離して配置して、信号処理回路３３０の近くのケーブル３５０の遠端から導体３５２にエネルギを与えてもよい。
【０１２９】
従来の設計では、センサと信号処理回路との物理的分離は避けられていた。従来の設計では、センサと回路は、１つの製造業者によって一緒に供給され、工場で１つのセットとして一緒に較正され、電子回路をセンサに整合させ、非線形性を回避していた。ここに記載されているシステムでは、ウェーハテーブル制御システムと共に、自動スクリプトを使用し、例えば、ウェーハテーブルを既知の位置に動かして、センサから測定することによって、感知システムを素早く較正し得る。これは、センサと信号処理回路とをマッチしたペアとして扱う必要をなくし、信号処理回路を交換せずにセンサを交換できるようにし、メンテナンスを大幅に単純化し、リソグラフィマシンの非生産時間を減らし、従って、スループットを上げる。
【０１３０】
図２９は、同期回路３６０の別の実施形態を示している。ディジタル基準発振器３７６は、基準周波数ｆ１を発生する。基準周波数ｆ１は、ミキサ３７２への基準信号入力となり、更に、ディジタル移相器３７７にも供給されて位相遅延を取り込む。位相遅延した基準周波数は、ディジタル／アナログ変換器３７８によってアナログ信号に変換される。アナログ位相遅延信号は、電流源３０６を駆動する。電流源３０６は、センサ３０にエネルギを与える。感知システム及びケーブル３５０で生じる位相シフトと等しくなるように、即ち、同期検波器回路への入力におけるセンサシステム出力信号３６１と、基準周波数ｆ１との位相差に等しくなるように、位相遅延を同調させる。ミキサ３７２から最大出力が得られるまで、移相器３７７を調整することによって、位相遅延を定めてもよい。なお、センサの静電容量が変わる場合でさえ、感知システム及びケーブルにおける位相シフトは一定を維持するべきである。
【０１３１】
入力緩衝器３６２は、センサ信号３６１を受信する。緩衝された信号から雑音と干渉とをフィルタにかけて取り除くために、緩衝された信号は帯域フィルタ３６３に入力される。フィルタにかけられた信号は、アナログ対ディジタル変換器３６４によってディジタル信号に変換される。次に、ディジタル処理を使用する。従って、回路３６０は、信号のアナログとディジタルの処理とを組み合わせて、両者の最良の特徴を使用する。次に、ディジタルフィルタにかけられたセンサ信号は、２つの差動出力を備えた、単一入力差動出力、差動増幅器（single-input differential-output, differential amplifier）(又は、分相器)３７１に入力される。一方の出力は、入力信号と同相であり、他方の出力は、入力信号と位相が１８０度ずれている。ミキサ３７２は、(周波数ｆ２の)差動出力と、(周波数ｆ１の)基準信号とを受信する。入力周波数ｆ１(基準周波数)とｆ２(センサ信号３６１の周波数)は、ミキサ３７２で消される。ミキサの出力は、入力周波数の和と差の周波数(即ち、ｆ１+ｆ２とｆ１−ｆ２)を有する成分を含んでいる。低域フィルタ３７３は、周波数の和にフィルタをかけて取り除いて、低周波成分を残す。低周波成分は、基準周波数とセンサ信号周波数との差（ｆ１−ｆ２)を表わす。周波数ｆ１とｆ２が、等しくて同相である場合に、ミキサは、センサ信号３６１の振幅に比例するＤＣ値を出力する。これは、センサの静電容量に比例し、センサとターゲットとの間の距離に比例する。低域フィルタからの出力を、増幅器３７４が増幅し、次に、それは制御システムへ入力され得る。
【０１３２】
較正アルゴリズムを使用して、センサシステムに対する同期検波器回路を自動的に較正してもよい。アルゴリズムは、位相遅延をインクリメント又はディクリメントする段階でディジタル移相器３７７を調整し、ミキサ３７２の出力をモニタする。ミキサ３７２の出力において最大値が達成され、基準信号とセンサ信号が同相であることを示すまで、移相器は調整される。
【０１３３】
フィールドプログラマブルゲートアレイ(field programmable gate array, FPGA)を使用して、同期検波回路のディジタル処理を実施してもよい。更に、ＦＰＧＡ、及び／又はＦＰＧＡと共に働くソフトウェアにおいて、較正アルゴリズムを実施することができる。
【０１３４】
自動較正を備えたこの設計では、１又は複数のセンサからの測定信号を処理する信号処理回路を交換又は再較正する必要なしに、センサ又はセンサのアレイを交換することができる。従来のセンサシステムの設計は、マッチしたセットとして工場で一緒に較正されたセンサ及び信号処理回路を含むので、センサを交換するのに、信号処理回路を交換することも必要であった。自動較正アルゴリズムは、信号処理回路から独立してセンサを交換することと、既存の信号処理回路に対して新しいセンサを素早く較正することとを可能にし、メンテナンスを非常に簡単にし、リソグラフィマシンの非生産時間を減らす。これは、リソグラフィマシンの中断時間をより少なくし、リソグラフィマシンのスループットをより高めることを可能にする。
【０１３５】
図３０は、センサ３０ａ、３０ｂの差動ペアのための処理回路の単純化したダイアグラムである。位相が１８０度ずれて動作する電流(又は電圧)源３０６ａ、３０６ｂによって、センサにバイアスをかける。各センサ３０ａ、３０ｂの出力は、同期検波器回路３６０ａ、３６０ｂにそれぞれ供給される。同期検波器回路の出力は、減算関数を実施する回路３８０に入力される。同期検波器回路出力の出力は、位相が１８０度ずれているので、減算は、センサ信号を維持する一方で、２つの同期検波器回路の出力から、共通モードの干渉を取り除くように作用する。
【０１３６】
静電容量センサは、リソグラフィマシンのウェーハの位置決めの制御に使用され得る。図３１は、このような制御システムの概略図である。センサ３０は、リソグラフィマシンの投影レンズ１０４と、可動ウェーハテーブル１３４に載っているウェーハ９との間の距離に関連する距離を測定する。この構成では、投影レンズに対して固定された関係で、センサをマウントしているので、センサとウェーハとの間の測定される距離から、投影レンズとウェーハとの間の距離を決定できる。センサの信号は信号処理ユニット３０1に送信され、信号処理ユニットによって出力された測定データは、制御ユニット４００に送信される。制御ユニット４００を使用して、ウェーハテーブルのＺ軸(垂直)の動きを制御して、リソグラフィマシンの投影レンズの焦点面においてウェーハを維持するので、ウェーハがｘ及びｙ軸において動くときに、マシンによって発生された荷電粒子ビームレットは、ウェーハの表面で集束する。
【０１３７】
制御システムと共にセンサシステムを使用して、ウェーハが動かされたときの様々な場所におけるウェーハと投影レンズとの間の距離を正確に決定してもよい。これによって、システムは、ウェーハの表面のトポロジ（topology）を決定し、ウェーハの傾斜又は湾曲と、ウェーハの表面における他の不規則性（irregularity）とを検出することができる。ウェーハの表面が完全に平らであることはほとんどない。一般的なウェーハは、クランプで留めないならば、５０μｍまでの湾曲をその中に有し得る。ウェーハの湾曲とは別に、ウェーハの表面は、他の非一様性をその表面の全体にわたって有し得る。ウェーハの湾曲及び他の非一様性は、ウェーハの表面の高さの変化をもたらし、その結果、ウェーハの表面が投影レンズの焦点面に存在しなくなる。制御システムを使用して、この高さの変化を修正し、光又は粒子露光ビームをウェーハ上に集束させるために使用される投影レンズの焦点面において、ウェーハの表面を維持することができる。センサから送信された信号を使用して、ウェーハの表面の高さにおけるこれらの変化を補償するために、ウェーハテーブルの垂直位置を調整してもよい。
【０１３８】
このシステムは、前もって測定するのではなく、ウェーハを処理(例えば、露光)する一方で、ウェーハの表面のトポロジを測定するように設計されている。これは、全体的なウェーハの処理時間を減らして、スループットを上げる。
【０１３９】
１つの実施形態では、図３２Ａに示されているように、投影レンズの周りに正方行列で８個のセンサを配置したものを使用している。この配置は、ウェーハの傾斜と、ウェーハの湾曲と、他の不規則性とを測定すること、及び１回のウェーハの走査でウェーハの露光を終了することを可能にする。一般的な配置では、機械の走査方向にウェーハを動かして、一方で、リソグラフィマシンの光又は荷電粒子ビームでウェーハの表面全体にわたって走査し、露光パターンに従ってウェーハを露光する。
【０１４０】
図３２Ａの実施形態では、ウェーハが機械の走査方向４０５に動かされるときに、第１の列のセンサＡ−Ｃは、センサＡと、Ｂと、Ｃとに対応する、ウェーハの表面上の１本のラインの中の３つの点において、ウェーハの表面までの距離を測定する。センサＢからの測定値とセンサＡ及びＣからの測定値とを比較することによって、ウェーハの位置の傾斜、ウェーハの湾曲、又は他の表面の不規則性の、存在と大きさとを計算することができる。ラインに沿ったウェーハの傾斜、湾曲、又は不規則性の計算値は、制御システムのメモリに記憶される。ウェーハが方向４０５に進むときに、センサＡ−Ｃによって既に測定されたラインが、投影レンズ１０４の下に入ると、露光される準備が整う。投影レンズの両側のセンサＤ及びＥは、センサＡ及びＣによって既に測定されたライン上の点までの距離を測定する。記憶された値と、センサＤ及びＥからの現在の測定値とに基づいて、投影レンズの下の点におけるウェーハの高さを計算することができる。制御システムは、投影レンズの下の点におけるウェーハの高さのこの計算結果を使用して、ウェーハテーブルの高さを調整して、ウェーハの表面が投影レンズの焦点面に確実に留まるようにすることができる。これは、ウェーハの１回の走査で、ウェーハの表面の傾斜、湾曲、又は他の不規則性に対する補償を測定して修正することを可能にする。
【０１４１】
機械の両方の走査方向において、即ち、ウェーハが方向４０５に動いている場合と反対方向に動いている場合とにおいて、上述と同じ工程を使用できるようにするために、第３の列のセンサＦ−Ｈが設けられている。図３２Ａは、８つのセンサからなる行列を示しているが、異なる数のセンサを使って、上述の方法を実施してもよい。更に、図３２Ａに示されている各センサは、各点Ａ−Ｈにおいて異なる測定を行なう、差動ペアのセンサであってもよい。
【０１４２】
別の実施形態が、図３２Ｂに示されている。図３２Ｂは、８個のセンサを差動ペアで投影レンズ１０４の四隅に配置したものを有している。この配置は、例えば、ウェーハの湾曲を許容値に下げるために、露光中、ウェーハを十分によくクランプで留めるリソグラフィシステムに適している。しかしながら、非常に平らなウェーハテーブルと、ウェーハをそのウェーハテーブルに押し付けて平らに保つ良いクランプとを使っても、ウェーハの変化とその表面上のレジスト層とのために、ウェーハの表面に依然として変化があるであろう。この実施形態では、ウェーハを機械の走査方向４０５に動かすと、センサペアＡ、Ｂとを含む第１の列は、位置ＡとＢとに対応するウェーハの表面上のラインの中の２つの点において、ウェーハの表面までの距離を測定する。更に、センサペアＣ、Ｄによって、位置ＣとＤとにおいて測定することができる。
【０１４３】
点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおけるウェーハまでの距離と、ウェーハまでの平均距離と、ウェーハにおける傾斜(例えば、走査方向及び他の方向におけるウェーハの傾斜)の存在と大きさとを計算して、制御システムのメモリに記憶することができる。これらの測定値から、投影レンズ１０４の中心とウェーハの表面との間の距離を計算することができる。
【０１４４】
図３２Ｃは、投影レンズとウェーハの表面との間の距離と、ウェーハの表面にわたる傾斜値とを決定する測定方法を示している。幾つかの所定の位置において、例えば、図３２Ｃに示されているように、ウェーハの外周の近くの４つの等間隔の位置と、中心とにおいて、ウェーハの局部的な勾配を、露光する前に測定する。ｘ方向におけるウェーハテーブルの傾斜Ｒｘと、ｙ方向におけるウェーハテーブルの傾斜Ｒｙとを調整するために、ウェーハテーブルを制御することができる。測定中、ウェーハテーブルの傾斜ＲｘとＲｙは、一定の値に維持される。
【０１４５】
測定結果を使用して、処理ユニットよって露光されるウェーハの全エリアについて、高さマップ（height map）を計算する。露光中にウェーハテーブルを動かして、ウェーハテーブルを傾斜させて、ウェーハの表面にわたる高さの変化を修正するために、高さマップから、傾斜修正値Ｒｘ（ｘ，ｙ）とＲｙ（ｘ，ｙ）とを計算する。ｘ方向とｙ方向とに対する全体的な露光のために、一定の傾斜修正値が計算され得る。即ち、Ｒｘ（ｘ，ｙ）は、露光についての一定の値であり、Ｒｙ（ｘ，ｙ）は、（恐らく異なる）一定の値である。更に、ウェーハの異なる領域に対して、複数の傾斜修正値ＲｘとＲｙを計算して、各領域が露光されたときに、それに応じてウェーハテーブルを調整する場合に、より複雑な計算を行なってもよい。
【０１４６】
露光中に、ｘ方向とｙ方向とにおけるウェーハテーブルの傾斜は、計算された傾斜修正値ＲｘとＲｙとに従って制御される。これは、例えば、ウェーハテーブルの位置と傾斜とのフィードバックに対する干渉計信号を使用して達成することができる。次に、このレベルセンサを使用して、ｚ方向のデータのみ、即ち、投影レンズとウェーハの表面との間の距離を生成してもよい。
【０１４７】
この手順は、上述のインラインで測定する方法（in-line measuring method）と異なる。先にウェーハをマッピングする方法（advance wafer mapping method）では、ウェーハまでのｚ方向の距離を様々な位置で測定し、それからｘ方向とｙ方向とにおけるウェーハの表面の全体的な傾斜を計算する。次に、露光する前に、ウェーハテーブルを調整して、このような傾斜を最適に修正し、ウェーハの走査中に、リソグラフィのカラムの光軸と交差する投影器のヘッドに対して公称上平行するウェーハの表面を提供する。走査中に、ウェーハの表面の計算された高さマップを使用し、ｚ方向における変化、即ち、投影レンズとウェーハの表面との間の距離の変化に適応させてもよい。測定値間の補間を使用することによって、又は前もって決定された高さマップから、ｚ方向の値を直接に見付けてもよい。
【０１４８】
本発明は、上述のある特定の実施形態を参照することによって記載されている。様々な構成と代替例が記載されており、当業者に分かるように、ここに記載されている実施形態の何れかと共に、これらの構成と代替例とを使用してもよいことに留意すべきである。更に、これらの実施形態は、本発明の意図及び範囲から逸脱することなく、当業者に周知の様々な変更及び代わりの形態が可能であることが分かるであろう。従って、特定の実施形態が記載されているが、これらは単に例であって、本発明の範囲を制限していない。本発明の範囲は、請求項において定められている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リソグラフィマシンのための統合されたセンサシステムであって、
前記統合されたセンサシステムは、
１本以上の露光ビームをターゲット上に集束させる投影レンズシステム(１３２)と、
前記ターゲット（９）を支える可動テーブル(１３４)と、
前記投影レンズシステムの最後の集束要素(１０４)と前記ターゲット（９）の表面との間の距離に関連する測定を行なう静電容量感知システム(３００)と、
前記静電容量感知システムからの信号に少なくとも部分的に基づいて、前記ターゲット（９）の位置を調整するために、前記可動テーブル（１３４）の動きを制御する制御ユニット（４００）と、
を具備しており、
前記静電容量感知システム(３００)は、複数の静電容量センサ(３０)を具備しており、
各静電容量センサ(３０)は、薄膜構造を備えており、
前記複数の静電容量センサと前記投影レンズシステムの前記最後の集束要素(１０４)は、共通のベース(１１２)に直接にマウントされ、
前記複数の静電容量センサは、前記投影レンズシステムの前記最後の集束要素の前記縁部の直ぐ近くに配置される、統合されたセンサシステム。
【請求項２】
前記ターゲット（９）の前記表面に対して直角に交わるｚ軸方向において、前記ターゲットに面している前記静電容量センサ（３０）の感知電極（３１）の底表面が、前記投影レンズシステムの前記最後の集束要素の底表面と実質的に同じ高さであるように、前記複数の静電容量センサ（３０）のうちの少なくとも幾つかの位置が定められる、請求項１の統合されたセンサシステム。
【請求項３】
前記複数の静電容量センサ（３０）のうちの少なくとも幾つかは、前記静電容量センサの感知電極（３１）の底表面が前記ターゲットに面するようにさせており、
前記ターゲットは、前記ターゲットの前記表面に対して直角に交わるｚ軸方向において、前記投影レンズシステムの前記最後の集束要素（１０４）の底表面から５０ミクロン以内に位置を定められる、請求項１又は２の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項４】
前記複数の静電容量センサのうちの少なくとも幾つかは、前記静電容量センサの背表面から、前記ターゲットに面している前記静電容量センサの感知電極の前表面までにおいて、５０乃至１５０ミクロン、好ましくは約１００ミクロンの厚さを有する、請求項１乃至３の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項５】
前記投影レンズシステムの前記最後の集束要素(１０４)は、１００乃至１５０ミクロンの厚さである、請求項１乃至４の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項６】
前記複数の静電容量センサは、前記最後の集束要素の前記縁部に対する前記リソグラフィマシンの視野のサイズの幅又は長さの範囲内に配置される、請求項１乃至５の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項７】
前記最後の集束要素は、前記投影レンズシステムの底部の要素である、請求項１乃至６の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項８】
前記複数の静電容量センサと、前記投影レンズシステムの前記最後の集束要素(１０４)は、一緒に直接に接続される、請求項１乃至７の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項９】
前記静電容量感知システム(３００)は、複数の静電容量センサ(３０)を具備しており、
各静電容量センサ(３０)は、薄膜構造を備えており、
前記薄膜構造は、
第１の絶縁層（３４）と、
前記第１の絶縁層の第１の表面上に形成された感知電極(３１)を備える第１の導電膜と、
前記第１の絶縁層（３４）の第２の表面と第２の絶縁層（４３）の第１の表面との上に配置された背部ガード電極（３５）を備える第２の導電膜と、
を具備しており、
前記背部ガード電極の外周部分は、前記感知電極を越えて延在し、前記感知電極を囲み、前記背部ガード電極と一体をなす側部ガード電極を形成している、請求項１乃至８の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項１０】
前記複数の静電容量センサの前記薄膜構造は、
前記第２の絶縁層（４３）の第２の表面上に配置されたシールド電極(４４)を備える第３の導電膜、
を更に具備している、請求項９の統合されたセンサシステム。
【請求項１１】
前記薄膜構造は、フレキシブルである、請求項１乃至１０の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項１２】
前記静電容量感知システム(３００)は、前記感知電極から離れて配置されている能動電子素子を具備しており、
前記能動電子素子は、前記複数の静電容量センサと共に配置されていない、請求項１乃至１１の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項１３】
各静電容量センサは、フレキシブルなメンブレンを備えた細長い接続部材（１１０）を更に具備しており、
前記フレキシブルなメンブレン上に、導電性トラック（１１４ａ−ｃ）がプリントされ又は付けられていて、
前記導電性トラックは、一方の端部において、前記静電容量センサの前記感知電極（３１）と前記背部ガード電極（３５）とに電気的に接続され、他方の端部において、コネクタ（１１６）に電気的に接続されている、請求項１乃至１２の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項１４】
前記導電性トラック（１１４ａ−ｃ）は、前記第１の絶縁層（３４）上に形成されており、
前記第１の絶縁層は、
前記感知電極（３１）と前記背部ガード電極（３５）とが配置されている第１のエリアと、
前記導電性トラックが形成されている第２の細長いエリアと、
を具備する、請求項１３の統合されたセンサシステム。
【請求項１５】
前記複数の静電容量センサは、薄膜の絶縁性のベース層（３４、１０２、１２０）上に形成されている複数の静電容量センサの複数のペアを具備しており、
前記薄膜の絶縁性のベース層は、前記共通のベースに直接にマウントされている、請求項１乃至１４の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項１６】
前記複数の静電容量センサは、前記薄膜の絶縁性のベース層（３４、１０２、１２０）上に形成されている複数の静電容量センサの複数のペアを具備しており、
前記統合されたセンサシステムは、
前記前記静電容量センサの１つペアのうちの第１のセンサに、前記複数の静電容量センサの前記１つのペアのうちの第２のセンサの電流又は電圧に対して位相が１８０度ずれている交流電流又は電圧で、エネルギを与えるように構成されている、１つ以上のＡＣ電力源、
を更に具備している、請求項１乃至１５の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項１】
リソグラフィマシンのための統合されたセンサシステムであって、
前記統合されたセンサシステムは、
１本以上の露光ビームをターゲット上に集束させる投影レンズシステム(１３２)と、
前記ターゲット（９）を支える可動テーブル(１３４)と、
前記投影レンズシステムの最後の集束要素(１０４)と前記ターゲット（９）の表面との間の距離に関連する測定を行なう静電容量感知システム(３００)と、
前記静電容量感知システムからの信号に少なくとも部分的に基づいて、前記ターゲット（９）の位置を調整するために、前記可動テーブル（１３４）の動きを制御する制御ユニット（４００）と、
を具備しており、
前記静電容量感知システム(３００)は、複数の静電容量センサ(３０)を具備しており、
各静電容量センサ(３０)は、薄膜構造を備えており、
前記複数の静電容量センサと前記投影レンズシステムの前記最後の集束要素(１０４)は、共通のベース(１１２)に直接にマウントされ、
前記複数の静電容量センサは、前記投影レンズシステムの前記最後の集束要素の前記縁部の直ぐ近くに配置される、統合されたセンサシステム。
【請求項２】
前記ターゲット（９）の前記表面に対して直角に交わるｚ軸方向において、前記ターゲットに面している前記静電容量センサ（３０）の感知電極（３１）の底表面が、前記投影レンズシステムの前記最後の集束要素の底表面と実質的に同じ高さであるように、前記複数の静電容量センサ（３０）のうちの少なくとも幾つかの位置が定められる、請求項１の統合されたセンサシステム。
【請求項３】
前記複数の静電容量センサ（３０）のうちの少なくとも幾つかは、前記静電容量センサの感知電極（３１）の底表面が前記ターゲットに面するようにさせており、
前記ターゲットは、前記ターゲットの前記表面に対して直角に交わるｚ軸方向において、前記投影レンズシステムの前記最後の集束要素（１０４）の底表面から５０ミクロン以内に位置を定められる、請求項１又は２の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項４】
前記複数の静電容量センサのうちの少なくとも幾つかは、前記静電容量センサの背表面から、前記ターゲットに面している前記静電容量センサの感知電極の前表面までにおいて、５０乃至１５０ミクロン、好ましくは約１００ミクロンの厚さを有する、請求項１乃至３の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項５】
前記投影レンズシステムの前記最後の集束要素(１０４)は、１００乃至１５０ミクロンの厚さである、請求項１乃至４の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項６】
前記複数の静電容量センサは、前記最後の集束要素の前記縁部に対する前記リソグラフィマシンの視野のサイズの幅又は長さの範囲内に配置される、請求項１乃至５の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項７】
前記最後の集束要素は、前記投影レンズシステムの底部の要素である、請求項１乃至６の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項８】
前記複数の静電容量センサと、前記投影レンズシステムの前記最後の集束要素(１０４)は、一緒に直接に接続される、請求項１乃至７の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項９】
前記静電容量感知システム(３００)は、複数の静電容量センサ(３０)を具備しており、
各静電容量センサ(３０)は、薄膜構造を備えており、
前記薄膜構造は、
第１の絶縁層（３４）と、
前記第１の絶縁層の第１の表面上に形成された感知電極(３１)を備える第１の導電膜と、
前記第１の絶縁層（３４）の第２の表面と第２の絶縁層（４３）の第１の表面との上に配置された背部ガード電極（３５）を備える第２の導電膜と、
を具備しており、
前記背部ガード電極の外周部分は、前記感知電極を越えて延在し、前記感知電極を囲み、前記背部ガード電極と一体をなす側部ガード電極を形成している、請求項１乃至８の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項１０】
前記複数の静電容量センサの前記薄膜構造は、
前記第２の絶縁層（４３）の第２の表面上に配置されたシールド電極(４４)を備える第３の導電膜、
を更に具備している、請求項９の統合されたセンサシステム。
【請求項１１】
前記薄膜構造は、フレキシブルである、請求項１乃至１０の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項１２】
前記静電容量感知システム(３００)は、前記感知電極から離れて配置されている能動電子素子を具備しており、
前記能動電子素子は、前記複数の静電容量センサと共に配置されていない、請求項１乃至１１の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項１３】
各静電容量センサは、フレキシブルなメンブレンを備えた細長い接続部材（１１０）を更に具備しており、
前記フレキシブルなメンブレン上に、導電性トラック（１１４ａ−ｃ）がプリントされ又は付けられていて、
前記導電性トラックは、一方の端部において、前記静電容量センサの前記感知電極（３１）と前記背部ガード電極（３５）とに電気的に接続され、他方の端部において、コネクタ（１１６）に電気的に接続されている、請求項１乃至１２の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項１４】
前記導電性トラック（１１４ａ−ｃ）は、前記第１の絶縁層（３４）上に形成されており、
前記第１の絶縁層は、
前記感知電極（３１）と前記背部ガード電極（３５）とが配置されている第１のエリアと、
前記導電性トラックが形成されている第２の細長いエリアと、
を具備する、請求項１３の統合されたセンサシステム。
【請求項１５】
前記複数の静電容量センサは、薄膜の絶縁性のベース層（３４、１０２、１２０）上に形成されている複数の静電容量センサの複数のペアを具備しており、
前記薄膜の絶縁性のベース層は、前記共通のベースに直接にマウントされている、請求項１乃至１４の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【請求項１６】
前記複数の静電容量センサは、前記薄膜の絶縁性のベース層（３４、１０２、１２０）上に形成されている複数の静電容量センサの複数のペアを具備しており、
前記統合されたセンサシステムは、
前記前記静電容量センサの１つペアのうちの第１のセンサに、前記複数の静電容量センサの前記１つのペアのうちの第２のセンサの電流又は電圧に対して位相が１８０度ずれている交流電流又は電圧で、エネルギを与えるように構成されている、１つ以上のＡＣ電力源、
を更に具備している、請求項１乃至１５の何れか１項の統合されたセンサシステム。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図６Ｆ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１０Ｄ】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１３Ｄ】
【図１４】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１７Ａ】
【図１７Ｂ】
【図１７Ｃ】
【図１７Ｄ】
【図１８】
【図１９Ａ】
【図１９Ｂ】
【図２０Ａ】
【図２０Ｂ】
【図２０Ｃ】
【図２０Ｄ】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【図２１Ｃ】
【図２１Ｄ】
【図２２】
【図２３Ａ】
【図２３Ｂ】
【図２４Ａ】
【図２４Ｂ】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８Ａ】
【図２８Ｂ】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２Ａ】
【図３２Ｂ】
【図３２Ｃ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図６Ｆ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１０Ｄ】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１３Ｄ】
【図１４】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１７Ａ】
【図１７Ｂ】
【図１７Ｃ】
【図１７Ｄ】
【図１８】
【図１９Ａ】
【図１９Ｂ】
【図２０Ａ】
【図２０Ｂ】
【図２０Ｃ】
【図２０Ｄ】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【図２１Ｃ】
【図２１Ｄ】
【図２２】
【図２３Ａ】
【図２３Ｂ】
【図２４Ａ】
【図２４Ｂ】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８Ａ】
【図２８Ｂ】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２Ａ】
【図３２Ｂ】
【図３２Ｃ】
【公表番号】特表２０１３−５１６７５２（Ｐ２０１３−５１６７５２Ａ）
【公表日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４６４４８（Ｐ２０１２−５４６４４８）
【出願日】平成２２年１２月２９日（２０１０．１２．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０７０８９０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０８０３１０
【国際公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【出願人】（５０５１５２４７９）マッパー・リソグラフィー・アイピー・ビー．ブイ． (55)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２９日（２０１０．１２．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０７０８９０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０８０３１０
【国際公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【出願人】（５０５１５２４７９）マッパー・リソグラフィー・アイピー・ビー．ブイ． (55)
【Ｆターム（参考）】
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