CN101410690B - 半导体加工工具中的电容性距离感测 - Google Patents

半导体加工工具中的电容性距离感测 Download PDF

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Abstract

一种无线传感器(10，100，200)，包括至少一个电容性平板(10，12；102，104)，用于在半导体加工环境内感测与感兴趣对象(14)的距离。所述传感器(10，100，200)包括内部电源(28，342)和无线通信装置(362)，使得能够将使用电容性平板(10，12；102，104)得到的距离和/或平行性测量无线地提供给外部装置。

Description

半导体加工工具中的电容性距离感测
背景技术
在半导体晶片和/或诸如用在平板电视装置之类的LCD面板制造期间，衬底暴露在其中形成有电产生的等离子的气体中。气体从位于衬底上的“喷头”状夹具进入，所述夹具也作为一个电极以形成等离子。为最大化产量，从喷头到衬底的距离对于整个衬底表面来说一致是重要的。换言之，衬底表面的平面与喷头的平面平行是重要的。因此，在设置进行加工的半导体加工工具中，将喷头和衬底或支撑衬底的“台板(platen)”的相对位置调节为平行是非常重要的。这需要测量喷头和衬底的相对位置的能力，特别地，测量各个点处的喷头和衬底之间的距离，从而得到两个位置的平行性测量。
现有执行这种距离/平行性测量的一种方式是，使用放置在喷头下的台板上的测量装置。典型地，这种测量装置包括可压缩的内部弹簧。测量装置位于台板上，并且接触喷头，而且当降低喷头时被压缩。在喷头的降低状态中，任何点处测量装置的厚度为台板和喷头之间的距离。测量装置内部的测量设备将测量装置的厚度，由此测量从台板到喷头的距离。由此，台板和喷头之间的多个点处的测量能提供台板与喷头的平行性的全部测量。然而，这种装置，在其未压缩状态，通常比台板和喷头之间的额定距离大。因此，在将装置放置在台板上之前，必须压缩测量装置，或者必须首先移除喷头。此外，通常使用从半导体加工间门口伸向显示装置的电缆向这些测量装置提供与平行性有关的信息。该电缆为平坦的，并且即使当门关闭时，也能够穿过门，因为当加工间关闭时，需要进行测量和执行调节。电缆通常易于出现故障，因为它穿过门并并挤压在门缝中。
因此，需要不使用电缆来进行测量和数据显示。最近，已经开发出使用无线通信来感测衬底加工系统内的状况的技术。美国专利6,468,816公开了一种用于感测衬底加工系统内的状况的方法。该参考文献公开了感测加工系统内多种状况的能力。该参考文献也提供了一种距离探针，所述距离探针能够确保晶片表面与对象或加工间的喷头平行并具有适当距离。公开的距离探针包括布置在探针平台的表面上的多个位置处的接触传感器或光电传感器，以确定探针和对象或喷头之间的距离和倾斜度。尽管这些进展已经辅助半导体加工工具的设置和工作，但仍缺少极低剖面(low-profile)距离传感器。
与台板相对于半导体加工工具的喷头平行性的调节相关的另一问题是，当调节台板相对于喷头或对象的方向和高度时，需要技术人员监控从三个到八个的单独的距离测量。通常，提供极平坦的台板或喷头或对象是不实际的，因此通常不可能调节台板使得所有距离测量相同。因此，依赖于技术人员的判断来决定何时调节为“足够好”。
因此，一直需要半导体加工工具内的极低剖面距离/平行性感测，以及用于自动测量和调节半导体加工工具的台板和喷头之间的距离的更好方法。
发明内容
一种无线传感器，包括至少一个电容性平板，用于感测与半导体加工环境内的感兴趣对象的距离。该传感器包括内部电源和无线通信装置，使得使用电容性平板取得的距离和/或平行性测量能够无线地提供给外部装置。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例使用电容值来感测到感兴趣对象的距离的示意图。
图2是根据本发明的一个实施例使用电容值来感测到感兴趣对象的距离的示意图。
图3是根据本发明的一个实施例使用电容值来感测到感兴趣对象的距离的传感器方案的示意图。
图4是根据本发明的一个实施例被布置在台板上并使用电容值来感测到喷头的距离的传感器的示意图。
图5是根据本发明的一个实施例通过测量电容值来感测第一表面和第二表面之间的距离的传感器的示意图。
图6是根据本发明的一个实施例用于提供与半导体加工系统中的感兴趣对象有关的基于电容性的距离测量的电路的方框图。
图7是根据本发明的一个实施例显示从电容性距离传感器获得的倾斜信息的示意性用户界面。
具体实施方式
根据本发明的各个方面，感测电容以作为两个对象之间的距离的指示。更具体地，根据本发明的实施例的装置通常包括至少一个电容性平板，该平板与另一导电对象形成电容器，其电容值根据平板和对象之间的距离而变化。基于电容值的感测是用于确定从传感器到对象表面的距离的现有技术。通常，对象的表面为导电的，并且低阻抗信号路径存在于对象和感测表面的“接地”之间。因此，完整的电路包括感测装置、对象和感测装置之间的低阻抗信号路径、对象、以及在对象和感测装置之间形成的电容器。电容值是对象和传感器之间的间隔的函数，并且该事实允许根据测量的电容值来确定间隔。在许多情况下，感测装置和对象之间的低阻抗信号路径可包括对象与周围环境之间以及感测装置与周围环境之间存在的电容。当该电容值足够大时，或者当存在直接导电连接时，阻抗对测量的电容值具有最小的影响。在接地路径的阻抗相对大的情况下，该方法无效，这是因为接地路径的阻抗与要测量的电容值的阻抗相加，使得不可能准确地测量电容值。
根据本发明的一个实施例，不考虑对象和传感器的接地之间的信号路径的阻抗，测量传感器的电容性平板和感兴趣对象之间的电容值。
图1为包括面向对象14的表面(未示出)上的两个平板10、12的基于电容值的距离传感器的示意图。典型地，位于面向平板10和12的表面16上的对象14是平坦的。电容器C1和C2分别存在于平板10、12与对象14的表面16之间。如果对象14的表面16导电，电容器C1和C2电串联。电容器C1和C2被测量电容值的感测电路18看作一个等效电容器。测量的电容值是具有电容性平板10和12的传感器与对象14的表面16之间的间隔的函数。当考虑到所有其它因素时，测量的电容值可以转换为间隔的测量。
为进行测量，将电压差施加到传感器的平板10、12，并测量由于该电压而在平板10、12之间传导的电荷的数量。达到该目的的一种方式为使用特别改进的sigma-delta调制器电路(一种已知类型的模数转换器)，一个示例为来自Aalog Devices Inc.的商号为AD7745的电路。该类型的电路通过向平板10、12施加差电压工作。该电压导致电流流动以给电容器(或等效电容器)充电，电荷积累并且通过装置中的电路来测量。然而，对象14表示电荷可以在其中流动的第三路径，即，还有流向和流自等效电容器的平板10、12的电流。因此，电流还可以通过传感器的主体或外壳(在图1中未示出)，并通过电路的地从对象14流向电路18。这个导电路径在图2中示为电流I3。电流I1和I2是由对电容器或等效电容器充电引起的电流，在没有第三电流路径I3的情况下，I1等于I2。电流I3是在对象和电路的地之间流动的电流。由于该路径的阻抗未知，所以电流I3也未知，取决于第三路径的阻抗，这降低了I1和/或I2的测量的有效性，或者将使测量成为不可能。
为了提供电容值的准确的测量，本发明的一个实施例有效地消除了第三路径中的电荷流动。这是通过选择施加到平板10和12的电压实现的。施加来自sigma-delta调制器电路的差电压，使得相对于传感器的主体来说，一个平板上为正电压而另一个平板上为负电压。这两个电压的幅度的比值与两个电容器的阻抗的比值相等，或者是这两个电容器的电容之比的倒数。这是可能的，因为即使电容器随着间隔变化，电容器的比值仍保持相等。这个比值由平板10，12的表面积决定。电压比与阻抗比成比例的结果是，相等数量的电荷在每个电容器中移动，因此，没有电荷在第三路径中流动。这意味着，第三路径(即对象和传感器之间的任何连接或电容耦合)对测量没有影响，并且可以不考虑对象14和传感器18之间是否存在连接而进行测量。
图3是根据本发明的实施例的基于电容值的距离传感器的示意图。传感器20包括包含有测量电路18的外箱或外壳22。测量电路18耦合到每个电容性平板10和12。更具体地，电路18优选地是来自AnalogDevice Inc.的以商号AD7745销售的sigma-delta调制器电路。如图3中所示，电路18包括电耦合到电容性平板10的CIN+线。而且，电路18包括电耦合到电容性平板12的EXCA线。重要的是，应注意到图3示出了在电容性平板10和12之间延伸的线24。线24仅仅用来指示外箱的延长，并不是电容性平板10和12之间的电连接。电路18在线EXCA上提供了激励电压，该激励电压具有随时间以方波形式变化的幅度。电容性平板10耦合到感测输入CIN+。平板10上的电压相对于电路地26保持为零伏。激励电压由以电容器的阻抗的比例设定的分压器而分压，并被缓冲，驱动围绕除了电容性平板10、12之外的整个电路的外箱22。装置20的电路由例如示意性示出作为源28的电池内部地供电。结果是，从传感器20的外部观察，外箱22是明显的用于参考电压的电路地，并且一个平板相对于箱22为正，而另一平板为负。在这种状况下，传感器20和对象之间间隔的准确测量成为可能。尽管参照图1-3表示的本发明的实施例示出了一对电容性平板，然而可以使用任何数量的两个或更多个平板。
根据本发明的一个实施例，在传感器中使用基于电容值的感测，以感测半导体加工间中台板和喷头之间的距离和/或平行性。图4示出了包括多个电容性平板102、104的基于电容值的感测装置100。装置100显示为位于台板106之上，并感测传感器100的上表面108和喷头112的下表面110之间的距离d。如图4中示出，每个平板102和104与喷头112的表面110形成各自的电容器。传感器100可以具有任意的合适的形式，优选地在类似系统加工的衬底的物理封装内实现。因此，对于半导体加工系统，传感器100代表半导体晶片或LCD平板。尽管传感器100使用平板102和104根据观测到的电容值来测量距离d，台板106和喷头112的表面110之间的实际距离可以容易地通过传感器100计算，即仅把传感器100的厚度与测量的距离d相加。
尽管目前列出的本发明的实施例一般直接感测到对象或喷头的距离，然而实施例也包括延伸传感器的表面以接触喷头，并采用电容值来测量延伸的距离。
图5是这种可延伸传感器的示意图。传感器200类似参考图3描述的传感器20，并且相似的组件具有相似的数字。传感器200的外壳不同于传感器20的外壳22之处在于外壳202包括可延伸部分204，所述可延伸部分204是可延伸的，以允许表面206在箭头208所示的方向移动。在传感器200内，且接近表面206处，安装电容性平板210，从而与电容性平板12形成电容器。这样形成的电容器示意性的表示为Cv。传感器200的表面206可由致动器212移动，所述致动器212如线214所示可操作地耦合到表面206。致动器212可以是能够基于激励或命令信号产生表面206的适合运动的任意适合的装置。致动器212的适合示例采用磁、电、电磁、压电、机械和/或气动技术。例如，致动器212可以仅包括在一个或另一个方向上利用机械装置驱动表面206的小型电机。备选地，致动器212可以包括电磁体、永磁体、或者任何它们的组合，以选择性地驱动表面进入或远离喷头表面。致动器212耦合到控制器(未在图5中示出)，并基于接收自控制器的命令或信号提供致动。一旦致动器212驱动表面206接触到喷头，电路18感测平板12和210之间的电容值Cv。感测的电容值是平板12和210之间的距离的指示。于是，知道了固定在传感器200内的平板12的相对位置，可以提供从表面206到外壳202的下表面216的总距离。而且，在一些实施例中，感测到的距离可以通过将计算的距离与发送到，或者提供到致动器212的命令相比较而进行验证。例如，如果致动器212是采用机械装置升高或降低表面206的步进电机，发送给步进电机的计数或脉冲的数目可以与感测的距离相比较。尽管感测的距离的精度可能远大于以其他方式从致动器212得到的距离的精度，这两个值的一致可以提供重要的验证。
备选地，致动可以下面的方式受到周围压强的影响。在这个实施例中，外壳202被严密地密封，使腔内充满低于大气压的空气或合适的气体。当将传感器放置在大气环境中时，外部气压超过内部压力，并且导致传感器被压缩。当将传感器放置在低压或真空中时，内部压强超过外部压强，导致外壳202膨胀到它的最大高度，或直到它接触到喷头。在某种意义上，致动器是密封在严密的包裹之中的气体，而导致致动的信号是降低的外部气压。
图6是根据本发明实施例的基于电容的感测系统内的电路的示意图。部分300优选地包括电路板302，其上安装有大量电子部件。具体地，电池342优选地安装在电路板302上，并且通过电源管理模块346耦合到控制器344。优选地，电源管理模块346是来自Linear TechnologyCorporation的、以商号LTC3443销售的电源管理集成电路。控制器344优选地是来自Texas Instruments的、以商号MSC1211Y5销售的微处理器。控制器344耦合到存储器模块348，所述存储器模块348可以是任何形式的存储器，包括控制器内部的存储器以及控制器外部的存储器。优选的控制器包括内部SRAM，闪速RAM，和引导(boot)ROM。存储器模块348优选地也包括具有64K×8大小的外部闪存。如果需要，闪存可用于存储诸如程序、校准数据和/或其它非改变数据之类的非易失性数据。内部随机存取存储器可用于存储与程序操作有关的易失性数据。
控制器344优选地也包括多个合适的输入输出/端口358、360。这些端口优选地是串行端口，便于控制器344和另外的装置之间的通信。具体的，串行端口358耦合到射频模块362，使得控制器344通过射频模块362与外部装置可通信地耦合。在一个优选实施例中，射频模块362根据公知的蓝牙标准工作，该蓝牙标准是蓝牙核心规范版本1.1(2001年2月22日)，可从蓝牙SIG(www.bluetooth.com)得到。模块362的一个例子可以从Mitsumi以商号为WMLC40而得到。另外，可以使用附加在或代替模块362的其它形式的无线通信。这种无线通信的合适的例子包括任何形式的射频通信、声学通信、红外通信或甚至采用磁感应的通信。图6示意性地在块364处示出了一个或多个电容性平板，其耦合到根据本发明实施例的测量电路18。优选地，在根据本发明的实施例的半导体加工系统中，可操作地布置一个或更多个电容性平板，以感测一个或更多个相对于感兴趣对象的距离。另外，本发明的实施例能根据需要采用其它合适的传感器。其它传感器的例子包括温度计、加速计、倾斜计、罗盘(磁场方向检测器)、光检测器、压力检测器、电场强度检测器、磁场强度检测器、声学检测器、湿度检测器，化学成分活性检测器(chemical moiety activity detectors)，或者任何合适的其它类型检测器。
在操作中，控制器344与测量电路18相互作用，以确定一个或更多个电容值，其中所述测量电路18优选地包括已知的sigma-delta模数转换器。如上所述的电容值指示半导体加工工具内的传感器到感兴趣对象之间的距离。额外地，或可替代地，感测的电容值可以指示传感器与感兴趣对象接触所需要的延伸的距离。根据本发明的实施例，可以同时或连续使用多个这种电容性平板和/或延伸传感器，得到或以其他方式测量传感器与感兴趣对象之间在感兴趣对象上的各个位置处的距离。在这方面，可以使用距离测量以提供平行性的指示。因此，当传感器位于台板上时，多个距离测量提供了台板自身相对于喷头的平行性的指示。如果平行性本身是唯一感兴趣的量，则可以把各个电容测量值相互比较，以直接提供平行性的指示。然而，如果还需要获知从台板到喷头的距离，在控制器344使用存储在存储器348内的先验信息来计算距离。例如，在电容性平板布置在传感器上表面上的实施例中，控制器344把从传感器到喷头的距离加上传感器本身的厚度，以提供从台板到喷头的总距离。
可将距离和平行性的信息电传达到远离传感器的装置，使得可以将该信息有效地提供给技术人员或其他感兴趣方。将距离和/或平行性信息提供给用户的方式可以广泛地变化。然而，图7示出了根据本发明实施例的图示地描述相对倾斜度的图形用户界面400的优选实施例。界面400可以图示地、数字地、或两者同时具备地显示表面的相对位置或平行性或相对角度。平行性的程度可以数字地指示，或者通过使用气泡等级来象征，如图7中所示，其中示出了小圆402位于较大圆404中。圆404内的圆402的位置在两个维度上表示出了传感器所暴露的表面的相对倾斜度。当表面在两个维度上都平行时，圆402位于圆404的中心。否则，圆402表现出在中心的一边，指示表面最为远离的一边，小圆402到大圆404中心的距离指示表面的相对倾斜度。在这种情况下，可以存在相对倾斜度的可选择的缩放。例如，窗口408内的方框406示出了用于缩放的窗口410的相对大小。因此，当倾斜越来越严重时，圆402到圆404中心的距离是窗口408可能变得很大，但是圆412和414的相对大小将与相应变化的方框406的大小保持相同。
显示相对倾斜度的备选方法提供具有跨过圆的颜色梯度的圆。梯度的方向指示最大倾斜度的方向，它也可以由层叠线来指示，梯度的程度指示相对倾斜度。例如，在严重倾斜的情况下，颜色可以从黄色变到蓝色(取决于选择的颜色谱)，而小的倾斜可表示为从橙色到红色的梯度。当表面平行时，颜色是均匀的，没有梯度。同样，可以选择缩放。
界面400的用户或技术人员可以在半导体加工工具的设置期间，利用其中提供的信息做出关于机器调节的有效判断。例如，技术人员可以调节台板上的各种机械设置，以升高或降低某些部分，从而正确地设定从台板到喷头的距离以及台板和喷头之间的平行性。额外地，或可替代地，可将由传感器确定的倾斜度信息直接提供给半导体加工工具内的控制系统或其它合适的机器，以自动地利用台板的机械特征，由此升高或降低某些部分，从而自动地设置距离和/或平行性。以这种方式，可以基于从电容性距离传感器传送的无线信息自动地执行至少一些半导体加工调节。
尽管参照优选实施例描述了本发明，本领域的技术人员应该认识到，在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可以在形式和细节上作出改变。

Claims (20)

1.一种用于在半导体加工间内感测与感兴趣对象的距离的传感器，所述传感器包括：
外壳；
布置在所述外壳内的电源；
耦合到所述电源的无线通信电路；
耦合到所述无线通信电路和所述电源的控制器；
至少一个电容性平板，被配置为形成具有随距离变化的电容值的电容器；
测量电路，耦合到所述控制器和所述至少一个电容性平板，所述测量电路被配置为测量电容值并将该电容值的指示提供给所述控制器；以及
其中，所述控制器被配置为：至少部分地基于所测量的电容值而提供与所述对象有关的指示。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述至少一个电容性平板包括偶数个电容性平板。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中，将所述偶数个电容性平板的一半部分驱动到正激励电压，并将所述偶数个电容性平板的另一半部分驱动到负激励电压。
4.根据权利要求2所述的传感器，其中，将第一电容性平板耦合到能够延伸到感兴趣的对象的表面，并将第二电容性平板固定在所述外壳内，在第一和第二平板之间形成电容器，所述电容器具有随表面延伸程度而变化的电容值。
5.根据权利要求4所述的传感器，还包括耦合到所述表面的致动器，所述致动器耦合到所述控制器以提供可选择的延伸程度。
6.根据权利要求4所述的传感器，其中，严密地密封所述传感器，而且所述可延伸的表面根据传感器外的大气压或缺乏大气压而压缩或膨胀。
7.根据权利要求2所述的传感器，其中，所述偶数是2。
8.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述测量电路包括sigma-delta调制器。
9.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述指示是平行性。
10.根据权利要求9所述的传感器，其中，所述指示是在描绘气泡状象征物的用户界面中提供的。
11.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述指示是从台板到喷头的距离。
12.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述感兴趣对象是所述半导体加工间中的喷头。
13.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述无线通信电路是射频通信电路。
14.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述控制器被配置为：基于测量的电容值以及所述至少一个电容性平板与其上放置所述传感器的表面之间的已知固定偏移距离，计算感兴趣对象与其上放置所述传感器的表面之间的距离。
15.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器在与由所述加工间加工的衬底类似的物理封装内实现。
16.一种在半导体加工间内感测与感兴趣对象的距离的方法，所述方法包括：
使多个电容性平板接近所述感兴趣对象；
向所述多个电容性平板施加具有大致相等的幅度、但极性相反的激励电压；
感测所述多个电容性平板和所述感兴趣对象之间的有效电容值；以及
至少部分地基于测量的电容值，以提供与所述对象有关的指示，
其中，所述指示是无线地提供的。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述指示是与感兴趣对象的距离。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述指示是平行性。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述平行性以气泡状象征物来描述。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述感兴趣对象是所述半导体加工间内的喷头。
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