(57)【要約】【課題】精度の高いガスゲージ近接センサを提供する。【解決手段】ガスゲージ近接センサ１００に送入されたガスを基準チャネル１１８と測定チャネル１１６とに分割する接合部１１４が設けられており、基準チャネルに沿って、基準チャネル１１８を通るガス流を均一に制限する第１の多孔質流れ制限器１２２が配置されており、測定チャネルに沿って、測定チャネル１１６を通るガス流を均一に制限する第２の多孔質流れ制限器１２０が配置されており、基準チャネルの端部に基準プローブ１３０が、測定チャネルの端部に測定プローブ１２８が設けられており、基準チャネルと測定チャネルとの間のガス質量流量を検出するために基準チャネルと測定チャネルとの間に質量流量センサ１３８が接続されており、基準面１３４と測定面１３２との間のスタンドオフ１４２，１４０の差が高い感度で検出される。【選択図】図１Ａ
2004198429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準面スタンドオフと測定面スタンドオフとの差を検出するためのガスゲージ近接センサにおいて、
ガスゲージ近接センサに送入されたガスを基準チャネルと測定チャネルとに分割する接合部が設けられており、
基準チャネルに沿って配置された第１の多孔質流れ制限器が設けられており、該第１の多孔質流れ制限器が、基準チャネルを通るガス流を均一に制限するようになっており、
測定チャネルに沿って配置された第２の多孔質流れ制限器が設けられており、該第２の多孔質流れ制限器が、測定チャネルを通るガス流を均一に制限するようになっており、
基準チャネルの端部に基準プローブが設けられており、ガスが、基準プローブを通って基準チャネルから流出し、基準スタンドオフを横切り、基準面に衝突し、
測定チャネルの端部に測定プローブが設けられており、ガスが、測定プローブを通って測定チャネルから流出し、測定スタンドオフを横切り、測定面に衝突し、
基準チャネルと測定チャネルとの間のガス質量流量を検出するために基準チャネルと測定チャネルとの間に接続された質量流量センサが設けられており、基準面と測定面との間のスタンドオフの差が高い感度で検出されることができることを特徴とする、基準面スタンドオフと測定面スタンドオフとの差を検出するためのガスゲージ近接センサ。
【請求項２】
ガスの一定の質量流量を排出するために前記接合部の前に配置された質量流量制御装置が設けられている、請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
ガス乱流を低減するために前記質量流量制御装置の後に配置されたスナッバが設けられている、請求項２記載のセンサ。
【請求項４】
前記接合部の前に配置されたスナッバが設けられている、請求項１記載のセンサ。
【請求項５】
前記第１及び第２の多孔質流れ制限器が、それぞれ第１及び第２の多孔質材料から形成されており、該第１及び第２の多孔質材料が、実質的に同じ透過性特性を有している、請求項１記載のセンサ。
【請求項６】
前記第１の多孔質材料と前記第２の多孔質材料とが同じでありかつポリエチレンを含む、請求項５記載のセンサ。
【請求項７】
前記第１の多孔質材料と前記第２の多孔質材料とが同じでありかつ焼結ステンレス鋼を含む、請求項５記載のセンサ。
【請求項８】
前記第１及び第２の多孔質流れ制限器がそれぞれ、約２〜１５ｍｍの長さを有している、請求項１記載のセンサ。
【請求項９】
前記基準プローブと前記測定プローブとがそれぞれ１つ又は２つ以上のガスボアを含む、請求項１記載のセンサ。
【請求項１０】
前記基準プローブと前記測定プローブとそれぞれのガスボアとが、基準面及び測定面に対して垂直な方向に延びている、請求項９記載のセンサ。
【請求項１１】
前記基準プローブと前記測定プローブとがそれぞれ、約０．５ｍｍ〜２．５ｍｍの内径を有する１つのガスボアを含む、請求項１記載のセンサ。
【請求項１２】
前記基準プローブ及び前記測定プローブがそれぞれノズルを含む、請求項１記載のセンサ。
【請求項１３】
前記基準プローブと前記測定プローブとがそれぞれシャワーヘッド形ノズルを含む、請求項１記載のセンサ。
【請求項１４】
前記質量流量センサによって検出されたガス質量流が、測定スタンドオフと基準スタンドオフとの差をナノメートル範囲で示している、請求項１記載のセンサ。
【請求項１５】
基準面スタンドオフと測定面スタンドオフとの差を検出するためのガスゲージ近接センサにおいて、
ガスゲージ近接センサに送入されたガスを基準チャネルと測定チャネルとに分岐する接合部が設けられており、
測定チャネルと複数の測定ブランチとに接続された第１のスイッチング装置が設けられており、該第１のスイッチング装置が、一度にガスを１つの測定ブランチへ通流させ、ガスの流れを１つの測定ブランチから別の測定ブランチへ切り替えるために使用されることができ、
基準チャネルに沿って配置された第１の多孔質流れ制限器が設けられており、該第１の多孔質流れ制限器が、基準チャネルを通るガス流を均一に制限するようになっており、
前記複数の測定ブランチに沿って配置された複数の測定ブランチ多孔質流れ制限器が設けられており、各測定ブランチ多孔質流れ制限器が、個々の測定ブランチを通るガス流を均一に制限するようになっており、
基準チャネルの端部に基準プローブが設けられており、ガスが、基準プローブを通って基準チャネルから流出し、基準スタンドオフを横切り、基準面に衝突し、
複数の測定プローブが設けられており、それぞれの測定ブランチの端部に１つの測定プローブが配置されており、ガスが、測定プローブを通って測定ブランチから流出し、測定スタンドオフを横切り、測定面に衝突し、
ブリッジチャネルと複数の測定ブランチとに接続された第２のスイッチング装置が設けられており、該第２のスイッチング装置が、一度にガスを１つの測定ブランチへ通流させ、ガスの流れを１つの測定ブランチから別の測定ブランチへ切り替えるために使用されることができ、
基準チャネルと前記第２のスイッチング装置との間のガス質量流量を検出するために、基準チャネルと前記第２のスイッチング装置との間に接続された質量流量センサが設けられており、基準面と測定面との間のスタンドオフの差が高い感度で検出されることができることを特徴とする、基準面スタンドオフと測定面スタンドオフとの差を検出するためのガスゲージ近接センサ。
【請求項１６】
ガスの一定の質量流量を排出するために前記接合部の前に配置された質量流量制御装置が設けられている、請求項１５記載のセンサ。
【請求項１７】
ガス乱流を低減するために前記質量流量制御装置の後に配置されたスナッバが設けられている、請求項１６記載のセンサ。
【請求項１８】
前記接合部の前に配置されたスナッバが設けられている、請求項１５記載のセンサ。
【請求項１９】
前記第１の多孔質流れ制限器と、前記測定ブランチ多孔質流れ制限器のそれぞれが、多孔質材料から形成されており、該多孔質材料が実質的に同じ透過性特性を有している、請求項１５記載のセンサ。
【請求項２０】
前記第１の多孔質流れ制限器と、前記それぞれの測定ブランチ流れ制限器とのための前記多孔質材料が、同じでありかつポリエチレンを含む、請求項１９記載のセンサ。
【請求項２１】
前記第１の多孔質流れ制限器と、前記それぞれの測定ブランチ多孔質流れ制限器のための前記多孔質材料が、同じでありかつ焼結ステンレス鋼を含む、請求項１９記載のセンサ。
【請求項２２】
前記基準プローブと、前記複数の測定プローブのそれぞれが、ノズルを含む、請求項１５記載のセンサ。
【請求項２３】
前記基準プローブと、前記複数の測定プローブのそれぞれとが、シャワーヘッド形ノズルを含む、請求項１５記載のセンサ。
【請求項２４】
前記質量流量センサによって検出されるガス質量流量が、測定スタンドオフと基準スタンドオフとの差をナノメートル範囲で示している、請求項１５記載のセンサ。
【請求項２５】
ガスゲージ近接センサにおいて使用するためのブリッジにおいて、
ガス流を受け取りかつ該ガス流を基準チャネルと測定チャネルとに分割する接合部が設けられており、
基準チャネルに沿って配置された第１の多孔質流れ制限器が設けられており、該第１の多孔質流れ制限器が、基準チャネルを通るガス流を均一に制限するようになっており、
測定チャネルに沿って配置された第２の多孔質流れ制限器が設けられており、該第２の多孔質流れ制限器が、測定チャネルを通るガス流を均一に制限するようになっていることを特徴とする、ガスゲージ近接センサにおいて使用するためのブリッジ。
【請求項２６】
基準スタンドオフと測定スタンドオフとの差を検出するための方法において、
（ａ）ガスの流れを測定チャネルと基準チャネルとに分配し、
（ｂ）測定チャネル及び基準チャネルの横断面に亘って実質的に均一にガスの流れを制限し、
（ｃ）基準面及び測定面にそれぞれ衝突するように、ガスを基準チャネル及び測定チャネルからノズルを介して排出し、
（ｄ）基準チャネルと測定チャネルとを接続したブリッジチャネルにおいて質量流量を検出するステップを含んでおり、該質量流量が、測定スタンドオフと基準スタンドオフとの差の大きさを表していることを特徴とする、基準スタンドオフと測定スタンドオフとの差を検出するための方法。
【請求項２７】
前記ステップ（ｄ）が、基準チャネルと測定チャネルとを接続したブリッジチャネルにおける質量流量を監視するステップを含んでおり、該質量流量が、測定スタンドオフと基準スタンドオフとの差の大きさを表している、請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
前記ステップ（ｄ）が、基準チャネルと測定チャネルとのガス圧力差を監視するステップを含んでおり、該ガス圧力差が、測定スタンドオフと基準スタンドオフとの差の大きさを表している、請求項２６記載の方法。
【請求項２９】
さらに前記検出ステップに応答して制御動作を行うことを含む、請求項２６記載の方法。
【請求項３０】
さらに前記検出ステップに応答して制御動作を行うことを含む、請求項２７記載の方法。
【請求項３１】
さらに前記検出ステップに応答して制御動作を行うことを含む、請求項２８記載の方法。
【請求項３２】
基準スタンドオフと測定スタンドオフとの差を検出する方法において、
（ａ）測定チャネルと基準チャネルとにガスの流れを分配し、
（ｂ）ガスの流れを複数の測定ブランチの間で切り替え、ガスの流れが一度に１つの測定ブランチを流過し、
（ｃ）測定ブランチ及び基準チャネルの横断面に亘って実質的に均一にガスの流れを制限し、
（ｄ）基準面と測定面とにそれぞれ衝突するように、ガスを基準チャネル及び測定チャネルからノズルを介して排出し、
（ｅ）基準チャネルと測定チャネルとを接続したブリッジチャネルにおける質量流量を検出するステップを含んでおり、該質量流量が、測定スタンドオフと基準スタンドオフとの差の大きさを表していることを特徴とする、基準スタンドオフと測定スタンドオフとの差を検出する方法。
【請求項３３】
前記ステップ（ｅ）が、基準チャネルと測定ブランチとを接続したブリッジチャネルにおける質量流量を監視するステップを含んでおり、該質量流量が、測定スタンドオフと基準スタンドオフとの差の大きさを表している、請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
前記ステップ（ｅ）が、基準チャネルと測定ブランチとにおけるガス圧力差を監視するステップを含んでおり、該ガス圧力差が、測定スタンドオフと基準スタンドオフとの差の大きさを表している、請求項３２記載の方法。
【請求項３５】
さらに前記検出ステップに応答して制御動作を行うことを含む、請求項３２記載の方法。
【請求項３６】
さらに前記検出ステップに応答して制御動作を行うことを含む、請求項３３記載の方法。
【請求項３７】
さらに前記検出ステップに応答して制御動作を行うことを含む、請求項３４記載の方法。
【請求項３８】
測定面の微細構成をマッピングする方法において、
（ａ）ガスの流れを、多数の測定ブランチを有するガスゲージ近接センサ内に送入し、
（ｂ）測定ブランチを使用して測定面の領域の微細構成をマッピングし、
（ｃ）測定面の一領域の前記マッピングが完了した場合、ガスの流れを前記測定ブランチから別の測定ブランチへ切り替え、
（ｄ）微細構成マッピングが望まれる測定面の全ての領域がマッピングされるまでステップ（ａ）からステップ（ｃ）までを繰り返すことを特徴とする、測定面の微細構成をマッピングする方法。
【請求項３９】
前記測定面が半導体ウェハである、請求項３８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極めて小さな距離を検出するための装置及び方法、特にガス流を用いた近接検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの自動化された製造プロセスは、製造工具と、加工されている製品又は材料面との間の距離を検出することを必要とする。半導体リソグラフィ等の幾つかの状況において、距離は、ナノメートルに接近する精度で測定されなければならない。
【０００３】
このような精度の近接センサを形成することに関する挑戦は、特にフォトリソグラフィシステムにおいて重要である。フォトリソグラフィにおいて、非侵入式であること及び微小な距離を正確に検出する能力を有することに加え、近接センサは、汚染物を導入することができないか又は、工作物面、通常半導体ウェハ、と接触することはできない。いずれかの状況の発生は、半導体品質を著しく低下させるか又は損なう。
【０００４】
微小な距離を測定するために種々異なる形式の近接センサが使用される。近接センサの例として、キャパシタンス及び光学ゲージがある。これらの近接センサは、フォトリソグラフィシステムにおいて使用される場合に深刻な欠点を有する。なぜならば、ウェハ上に堆積された材料の物理的特性がこれらの装置の精度に影響するからである。例えば、電荷の密度に依存するキャパシタンスゲージは、１つのタイプの材料（例えば金属）が集中させられている箇所において、偽の近接読取りを生じるおそれがある。砒化ガリウム（ＧａＡｓ）及びリン化インジウム（ＩｎＰ）等の非導電性及び／又は感光性材料から形成された外来ウェハが使用される場合、別のクラスの問題が生じる。これらの場合、キャパシタンス及び光学ゲージは、偽の結果を提供する。
【０００５】
米国特許第４９５３３８８号明細書及び米国特許第４５５０５９２号明細書は、空気マイクロメータセンサを使用する、近接検出への択一的なアプローチを開示している。空気マイクロメータセンサは、ウェハ表面の電荷の密度、又は電気的、光学的及びその他の物理的特性に影響されにくい。しかしながら、現在の半導体製造は、近接はナノメートルのオーダで極めて正確に計測されることを必要とする。必要とされているものは、上記米国特許に記載されたものよりも正確なガスゲージ近接センサである。
【特許文献１】米国特許第４９５３３８８号明細書
【特許文献２】米国特許第４５５０５９２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の課題は、精度の高いガスゲージ近接センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前の形式の近接センサの精度を著しく改良する高分解能ガスゲージ近接センサ及び方法を提供する。ガスゲージ近接センサは、測定スタンドオフと基準フタンドオフとの差を検出することによって近接を決定する。スタンドオフは、近接センサのノズルと、ノズルの下方の面との間の距離若しくはギャップである。
【０００８】
スタンドオフ差を決定するために、一定の質量流量を備えたガス流が、質量流量制御装置を用いて計量供給され、２つのチャネル、すなわち測定チャネル及び基準チャネルに通過させられる。本発明によれば、基準チャネル及び測定チャネルにおいて多孔質制限器が使用される。多孔質制限器は、乱流を導入せずかつ空気ノイズを低減しながら、センサの適切な作動のために必要な抵抗機能を行う。本発明の択一的な実施形態では、近接センサ内に、質量流量制御装置に続いて、近接センサが基準チャネル及び測定チャネルに分岐する前に多孔質スナッバが配置されている。多孔質スナッバはガス乱流を静め、チャネルを通じて伝播する起こりうる音響ノイズを低減し、近接センサの精度を向上させる。
【０００９】
各チャネルは、面の上方に位置決めされた遠位端部にプローブを有している。ガスはチャネル内を通過させられ、個々の測定面及び基準面に向かってノズルを介して放出される。基準チャネルと測定チャネルとの間のブリッジチャネルは、２つのチャネルの間の質量流量を検出し、この質量流量は、基準チャネルと測定チャネルとにおけるガス圧力の差によって誘発される。検出された質量流量は、基準スタンドオフと測定スタンドオフとの差を表している。換言すれば、ブリッジにおいて検出された質量流量は、基準チャネル内の基準プローブと基準面との基準スタンドオフと、測定チャネルにおける測定プローブと測定面との測定スタンドオフとのあらゆる差を表している。ガスゲージ近接センサは、検出された質量流量に基づき表示を提供しかつ制御動作を惹起することができる。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、別のノズル形式を測定及び基準プローブとして使用することができる。これらのノズルにより、センサが種々異なるタイプの加工面に容易に適応されることができる。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、ガスゲージ近接センサは、スイッチング装置に接続された測定チャネルを含むことができ、このスイッチング装置は複数の測定ブランチに接続されている。各測定ブランチは、測定ブランチを含まない装置における測定チャネルの特性と同じ特性を有している。複数の測定ブランチは、測定面のより大きな領域に亘ってスタンドオフを測定するための近接センサの能力を向上させる。
【００１２】
本発明の別の実施形態によれば、１つの測定チャネルを備えたガスゲージ近接センサのための方法が提供される。この方法は、ガス流を測定チャネル及び基準チャネル内に分配し、ガス流を各チャネルの横断面に亘って均一に制限するステップを含んでいる。
【００１３】
本発明の別の実施形態によれば、複数の測定ブランチを備えたガスゲージ近接センサのための方法が提供される。この方法は、ガス流を測定ブランチ及び基準チャネル内に分配し、ガス流を基準チャネル又は測定ブランチの横断面に亘って均一に制限し、測定ブランチを切り替えるステップを含む。付加的な方法では、測定面の微細構造をマッピングするために、複数の測定ブランチを備えたガスゲージ近接センサが使用される。
【発明の効果】
【００１４】
多孔質制限器、質量流量制御装置、及び／又はスナッバを使用することによって、本発明の実施形態では、ナノメートルの精度で高分解能でガス流量に基づき距離を測定することができる。本発明は、フォトリソグラフィシステム及びツールにおいて特に有利である。フォトリソグラフィシステムにおいて、リソグラフィ製造ツールの適切な幾何学的基準と半導体ウェハとの間の距離を高分解能で決定することが益々望まれている。高分解能ガス流近接検出技術を使用することにより、さらに、高分解能性能での半導体製造中にウェハに堆積されるウェハ材料及び材料の物理的パラメータから、ウェハ近接測定が独立させられる。
【００１５】
本発明のその他の実施形態、特徴及び利点と、本発明の様々な実施形態の構造及び動作とを、添付の図面を参照にして以下に詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は添付の図面に関して説明される。図面において、同一の参照符号は同一の又は機能的に類似のエレメントを表している。
【００１７】
ここでは本発明は特定の用途のための例としての実施形態に関して説明されているが、本発明はこの実施形態に限定されないと理解されるべきである。ここに提供された説明へのアクセスを有する当業者は、本発明の範囲内での付加的な変更、用途、及び実施形態、並びに本発明が著しく有益である付加的な分野を認識するであろう。
【００１８】
目次
Ａ．ガスゲージ近接センサ
１．流量制限器
２．スナッバ
３．ノズル
Ｂ．方法
Ｃ．モデル及びシミュレーション結果
１．シミュレーションパラメータの選択
２．結果
Ｄ．結論
Ａ．ガスゲージ近接センサ
図１Ａは、本発明の実施形態によるガスゲージ近接センサ１００を示している。ガスゲージ近接センサ１００は、質量流量制御装置１０６と、中央チャネル１１２と、測定チャネル１１６と、基準チャネル１１８と、測定チャネル制限器１２０と、基準チャネル制限器１２２と、測定プローブ１２８と、基準プローブ１３０と、ブリッジチャネル１３６と、質量流量センサ１３８とを有している。ガス供給部１０２はガスを所望の圧力でガスゲージ近接センサ１００内へ噴射する。
【００１９】
中央チャネル１１２はガス供給部１０２を質量流量制御装置１０６へ接続しており、次いで接合点１１４において終わっている。質量流量制御装置１０６は、ガスゲージ近接センサ１００内に一定の流量を維持する。ガスは質量流量制御装置１０６から多孔質スナッバ１１０を通って排出され、チャネル１１２に取り付けられたアキュムレータ１０８を備えている。スナッバ１１０は、ガス供給部１０２によって導入されるガス乱流を低減し、その使用は選択的である。スナッバ１１０を出ると、ガスは中央チャネル１１２内を接合点１１４まで進む。中央チャネル１１２は、接合点１１４において終わっており、測定チャネル１１６と基準チャネル１１８とに分岐している。質量流量制御装置１０６は、ガスを十分に低い流量で噴射し、これにより、システムを通じて層状でかつ圧縮不能な流体流れを提供し、望ましくない空気ノイズの発生を最小限に抑制する。
【００２０】
測定チャネル１１６と基準チャネル１１８との間にブリッジチャネル１３６が接続されている。ブリッジチャネル１３６は接合部１２４において測定チャネル１１６に接続されている。ブリッジチャネル１３６は接合部１２６において基準チャネル１１８に接続されている。１つの例では、接合部１１４と接合部１２４との間の距離と、接合部１１４と接合部１２６との間の距離とは等しい。
【００２１】
ガスゲージ近接センサ１００内の全てのチャネルは、これらのチャネル内にガスを流過させる。チャネル１１２，１１６，１１８及び１３６は、導管（チューブ、パイプ等）又は、ガス流を含みかつこのガス流をセンサ１００内で案内することができるあらゆるその他の形式の構造物から形成されていることができる。チャネルは、鋭い屈曲部、凹凸又は不要な障害物を有しておらず、これらは、例えば局所的な乱流又は流れの不安定を生ぜしめることによって空気ノイズを導入する。測定チャネル１１６及び基準チャネル１１８の全長は、等しくてよく、他の実施例では等しくなくてよい。
【００２２】
基準チャネル１１８は基準プローブ１３０内で終わっている。同様に、測定チャネル１１６は測定プローブ１２８内で終わっている。基準プローブ１３０は基準面１３４の上方に位置決めされている。測定プローブ１２８は測定面１３２の上方に位置決めされている。フォトリソグラフィの場合、測定面１３２はしばしば半導体ウェハ、又はウェハを支持したステージである。基準面１３４は平らな金属板であることができるが、この例に限定されない。ガス供給部１０２から噴射されたガスは、各プローブ１２８，１３０から放出され、測定面１３２及び基準面１３４に衝突する。ノズルが測定プローブ１２８及び基準プローブ１３０に設けられている。例としてノズルは、図３Ａ〜図３Ｅに関連して以下にさらに説明されている。上述のように、ノズルと、対応する測定面又は基準面との間の距離は、スタンドオフと呼ばれる。
【００２３】
１つの実施形態において、基準プローブ１３０は、既知の基準スタンドオフ１４２だけ離れて、定置の基準面１３４の上方に位置決めされている。測定プローブ１２８は、未知の測定スタンドオフ１４０だけ離れて、測定面１３２の上方に位置決めされている。既知の基準スタンドオフ１４２は、最適なスタンドオフを表す所望の一定の値に設定されている。このような装置を用いて、測定プローブ１２８の上流の背圧は、未知の測定スタンドオフ１４０の関数であり；基準プローブ１３０の上流の背圧は、既知の基準スタンドオフ１４２の関数である。スタンドオフ１４０及び１４２が等しいならば、構成は対称的であり、ブリッジが平衡させられる。その結果、ブリッジングチャネル１３６にはガス流が生じない。これに対して、測定スタンドオフ１４０と基準スタンドオフ１４２とが異なる場合、測定チャネル１１６と基準チャネル１１８との間の結果的な圧力差が、質量流量センサ１３８内にガス流を生ぜしめる。
【００２４】
質量流センサ１３８はブリッジチャネル１３６に沿って、有利には中心点に配置されている。質量流センサ１３６は、測定チャネル１１６と基準チャネル１１８との間の圧力差によって惹起されるガス流を検出する。これらの圧力差は、測定面１３２の垂直方向の位置の変化によって生じる。対称的なブリッジの場合、測定スタンドオフ１４０と基準スタンドオフ１４２とが等しい場合、スタンドオフは、面１３２，１３４と比較してプローブ１２８，１３０の両者に対して同じである。測定チャネルと基準チャネルとの間には圧力差が生じないので、質量流量センサ１３８は質量流量を検出しない。測定スタンドオフ１４０と基準スタンドオフ１４２との差は、測定チャネル１１６と基準チャネル１１８とにおける圧力差を生じる。非対称的な配列のために、適切なオフセットを導入することができる。
【００２５】
質量流量センサ１３８は、圧力の差又は不均衡によって惹起されるガス流を検出する。圧力差はガス流を生じ、ガス流の流量は、測定スタンドオフ１４０の独特の関数である。換言すれば、ガスゲージ１００内への一定の流量を仮定すれば、測定チャネル１１６と基準チャネル１１８とにおけるガス圧力の差は、スタンドオフ１４０と１４２との大きさの差の関数である。基準スタンドオフ１４２が既知のスタンドオフに設定されていれば、測定チャネル１１６と基準チャネル１１８とにおけるガス圧力の差は、測定スタンドオフ１４０（すなわち測定面１３２と測定プローブ１２８との間のｚ方向での未知のスタンドオフ）のサイズの関数である。
【００２６】
質量流量センサ１３８はブリッジチャネルを通るいずれか方向でのガス流を検出する。ブリッジの構成により、チャネル１１６，１１８の圧力差が生じた場合にのみブリッジチャネル１３６を通るガス流が生じる。圧力不均衡が存在する場合、質量流量センサ１３８は結果的なガス流を検出し、適切な制御機能を開始することができる。質量流量センサ１３８は、検出された流れを視覚ディスプレイ又は聴覚表示によって表示することができる。択一的に、質量流量センサの代わりに、圧力差センサを使用してよい。圧力差センサは、２つのチャネルの圧力差を測定し、この圧力差は、測定スタンドオフと基準スタンドオフとの差の関数である。
【００２７】
制御機能は、正確なギャップ差を計算するためのものであってよい。別の実施形態においては、制御機能は測定ギャップ１４０の寸法を増減させることであってよい。これは、圧力差が十分にゼロに近くなるまで測定面１３２を測定プローブ１２８に対して移動させることによって行われ、圧力差は、測定面１３２及び基準面１３４からのスタンドオフの差がもはや存在しない場合にゼロに近くなる。
【００２８】
図１Ａは、ガス乱流及びその他の空気ノイズを低減し、これにより、本発明がナノメートル精度を達成することを可能にする本発明の少なくとも３つのエレメントを示している。これらのエレメント、すなわち質量流量制御装置１０６と、スナッバ１１０と、制限器１２０，１２２とは全て、本発明の実施形態において、又は望まれる感度に応じたあらゆる組み合わせで使用されてよい。例えば、用途が極めて正確な感度を要求する場合、全てのエレメントが使用されてよい。択一的に、用途が必要とする感度がより低い場合、おそらくスナッバ１１０のみが必要とされ、多孔質制限器１２０及び１２２はオリフィスと置換される。その結果、本発明は、特定の用途の要求を費用対効果高く満たすための柔軟なアプローチを提供する。
【００２９】
本発明の別の実施形態によれば、質量流量制御装置１０６及び／又はスナッバ１１０の付加は、システムの感度を著しく向上させるために、米国特許第４９５３３８８号明細書及び米国特許第４５５０５９２号明細書に開示されたシステム内で使用されてよい。
【００３０】
図１Ｂは、本発明の実施形態によるガスゲージ近接センサ１５０を示している。ガスゲージ近接センサ１５０は、同様の作動原理を備えた、ガスゲージ近接センサ１００と同じ構成部材の多くを有している。２つのセンサの相違は、ガスゲージ近接センサ１５０が３つの測定ブランチを有していることであり、これらの測定ブランチは、ガスゲージ近接センサ１００に設けられた１つの測定チャネルに該当する。３つの測定ブランチは、説明しやすくするために示されているが、本発明は３つの測定ブランチに限定されない。２つ以上のあらゆる数の測定ブランチを使用してよい。
【００３１】
ガスゲージ近接センサ１５０は、質量流量制御装置１５３と、中央チャネル１５６と、基準チャネル１５８と、基準チャネル制限器１６６と、基準プローブ１７４と、ブリッジチャネル１９０と、質量流量センサ１９２とを有している。さらに、ガスゲージ近接センサ１５０は測定チャネル１５９を有している。測定チャネル１５９は、３つの測定ブランチ１６３，１６４及び１６５に分岐している。測定ブランチ１６３は測定ブランチ制限器１６７及び測定プローブ１７５を有している。測定ブランチ１６４は測定ブランチ制限器１６８及び測定プローブ１７６を有している。測定ブランチ１６５は測定ブランチ制限器１６９及び測定プローブ１７７を有している。最後に、ガスゲージ近接センサ１５０は、測定チャネルスイッチング装置１６０と、ブリッジチャネルスイッチング装置１６１と、スイッチング装置レバー１６２とを有している。
【００３２】
ガス供給部１５１はガスを所望の圧力でガスゲージ近接センサ１５０内へ噴射する。中央チャネル１５６はガス供給部１５１を質量流量制御装置１５３へ接続しており、次いで接合部１５７において終わっている。質量流量制御装置１５３は、ガスゲージ近接センサ１５０内に一定の流量を維持する。質量流量制御装置１５３はガスを十分に低い流量で噴射し、これにより、システムを通る層状でかつ圧縮不能な流体流れを提供し、望ましくない空気ノイズの発生を最小限に抑制する。ガスは、質量流量制御装置１５３から多孔質スナッバ１５５を通って排出され、アキュムレータ１５４がチャネル１５６に取り付けられている。スナッバ１５５が、ガス供給部１５１によって導入されるガス乱流を低減し、その使用は選択的である。スナッバ１５５を出ると、ガスは中央チャネル１５６を通って接合部１５７へ進む。中央チャネル１５６は、接合部１５７において終わっており、測定チャネル１５９と基準チャネル１５８とに分岐している。
【００３３】
測定チャネル１５９は測定チャネルスイッチング装置１６０内へ終わっている。測定チャネルスイッチング装置１６０は、測定チャネルスイッチング装置１６０にも接続された複数の測定ブランチの内の１つに測定チャネルを切り替えるために働く、スキャニング弁又はその他の形式のスイッチング装置であることができる。測定ブランチの物理的特性は、測定チャネルの物理的特性と同じである。測定チャネルスイッチング装置１６０はスイッチング装置レバー１６２によって操作される。スイッチング装置レバー１６２は、何れの測定ブランチ１６３，１６４又は１６５が測定チャネルスイッチング装置１６０を介して測定チャネル１５９に接続されるかを制御する。
【００３４】
ブリッジチャネル１９０は、基準チャネル１５８と、３つの測定ブランチ１６３，１６４又は１６５のうちの１つとの間にブリッジチャネルスイッチング装置１６１を介して接続されている。ブリッジチャネル１９０は接合部１７０において基準チャネル１５８に接続されている。ブリッジチャネル１９０はブリッジチャネルスイッチング装置１６１において終わっている。ブリッジチャネルスイッチング装置１６１は、ブリッジチャネルを測定ブランチの内の１つへ切り替えるために働く、スキャニング弁又はその他の形式のスイッチング装置であることができる。図１Ｂに示された１つの実施例において、３つのブランチ１６３，１６４及び１６５はそれぞれ接合部１７１，１７２及び１７３においてブリッジチャネルスイッチング装置１６１に接続されている。スイッチング装置レバー１６２は、いずれの測定ブランチ１６３，１６４又は１６５がブリッジチャネルスイッチング装置１６１を介してブリッジチャネルに接続されるかを制御する。スイッチングレバー１６２は、同じ測定ブランチが測定チャネル１５９及びブリッジチャネル１９０に接続されるように、測定チャネルスイッチング装置１６０及びブリッジチャネルスイッチング装置１６１を制御する。択一的に、２つの独立したスイッチングレバーを使用することができる。
【００３５】
１つの実施例において、接合部１５７と接合部１７０との間の距離、及び接合部１５７と接合部１７１，１７２又は１７３との間の距離は等しい。
【００３６】
ガスゲージ近接センサ１５０内の全てのチャネル及びブランチにはガスが流過させられる。チャネル１５６，１５８，１５９及び１９０、及びブランチ１６３，１６４及び１６５は、導管（チューブ、パイプ等）又は、センサ１５０を通ってガス流を含みかつ案内することができるあらゆるその他の形式の構造物から形成されることができる。チャネル及びブランチは、例えば局所的な乱流又は流れ不安定を生じることによって空気ノイズを導入する鋭い屈曲、凹凸又は不要な障害物を有していない。基準チャネル１５８の全長と、測定チャネル１５９と測定ブランチ１６３，１６４又は１６５のうちの１つとを合わせた全長とは、等しくてよいか、他の実施例では異なっていてよい。
【００３７】
基準チャネル１５８は基準プローブ１７４内で終わっている。同様に、測定ブランチ１６３，１６４及び１６５はそれぞれ測定プローブ１７５，１７６及び１７７内で終わっている。基準プローブ１７４は基準面１７８の上方に位置決めされている。測定プローブ１７５，１７６及び１７７は測定面１７９の上方に位置決めされている。フォトリソグラフィにおいては、測定面１７９はしばしば半導体ウェハ、又はウェハを支持するステージである。基準面１７８は平らな金属板であってよいが、この例に限定されない。ガス供給部１５１によって噴射されたガスは、基準プローブ１７４から放出され、基準面１７８に衝突する。同様に、ガス供給部１５１によって噴射されたガスは、３つの測定プローブ１７５，１７６又は１７７のうちの１つから放出され、測定面１７９に衝突する。スイッチング装置レバー１６２の位置が、いずれの測定プローブからガスが放出されるかを決定する。プローブ１７４，１７５，１７６及び１７７にはノズルが設けられている。例としてのノズルは、図３Ａ〜図３Ｅを参照にして以下に説明される。上述のように、ノズルと、対応する測定面又は基準面との間の距離はスタンドオフと呼ばれる。
【００３８】
１つの実施形態では、基準プローブ１７４は基準面１７８の上方に既知の基準スタンドオフ１８０だけ離れて位置決めされている。測定プローブ１７５，１７６及び１７７は、測定面１７９の上方に未知の測定スタンドオフ１８１，１８２及び１８３だけ離れて位置決めされている。測定スタンドオフ１８１，１８２及び１８３は等しいか、測定面の微細構成が領域毎に変化する場合は等しくなくてよい。既知の基準スタンドオフ１８０は、最適なスタンドオフを表す所望の一定値に設定されている。このような配列により、使用されている測定プローブ１７５，１７６又は１７７の上流の背圧は、それぞれ未知の測定スタンドオフ１８１，１８２又は１８３との関数である；基準プローブ１７４の上流の背圧は、既知の基準スタンドオフ１８０の関数である。基準スタンドオフ１８０と、使用されている測定スタンドオフ１８１，１８２又は１８３とが等しい場合、構成は対称的であり、ブリッジは平衡されている。その結果、ブリッジチャネル１７４にはガス流が通過しない。これに対して、基準スタンドオフ１８０と、使用されている測定ブランチに対応する測定スタンドオフ１８１，１８２又は１８３が異なる場合、基準チャネル１５８と、使用されている測定ブランチ１６３，１６４又は１６５との間の結果的な圧力差が、ブリッジチャネル１９０を通るガス流を惹起する。
【００３９】
質量流量センサ１９２はブリッジチャネル１９０に沿って、有利には中心点に配置されている。質量流量センサ１９２は、基準チャネル１５８と、使用されている測定ブランチ１６３，１６４又は１６５との間の圧力差によって惹起されるガス流を検出する。これらの圧力差は、測定面１７９の垂直方向位置の変化の結果として生じる。対称的なブリッジの場合、基準スタンドオフ１８０と、使用されている測定ブランチに対応する測定スタンドオフ１８１，１８２又は１８３とが等しい場合、使用されている測定ブランチと基準チャネルとの間には圧力差が生じないので、質量流量センサ１９２は質量流量が生じていないことを検出する。基準スタンドオフ１８０と、使用されている測定ブランチに対応する測定スタンドオフ１８１，１８２又は１８３との差は、基準チャネル１５８と使用されている測定チャネル１６３，１６４又は１６５とにおける圧力差を生じる。非対称的な配列のためには適切なオフセットが導入される。
【００４０】
質量流量センサ１９２は、圧力差又は不均衡によって惹起されたガス流を検出する。圧力差はガス流を生ぜしめ、このガス流の流量は、測定スタンドオフ１８１ｍ１８２又は１８３の独特の関数である。換言すれば、ガスゲージ１５０への一定の流量を仮定すると、測定ブランチ１６３，１６４又は１６５と基準チャネル１５８とにおけるガス圧力の差は、基準スタンドオフ１８０と、使用されている測定ブランチに対応する測定スタンドオフ１８１，１８２又は１８３との差の関数である。基準スタンドオフ１８０が既知のスタンドオフに設定されている場合、使用されている測定ブランチ１６３，１６４又は１６５と基準チャネル１５８とにおけるガス圧力の差は、測定スタンドオフ（すなわち、測定面１７９と、使用されている測定プローブ１７５，１７６又は１７７との間のｚ方向での未知のスタンドオフ）の寸法の関数である。
【００４１】
質量流量センサ１９２は、ブリッジチャネル１９０を通るいずれかの方向でのガス流を検出する。ブリッジの構成により、ガス流は、基準チャネル１５８と使用されている測定ブランチ１６３，１６４又は１６５との間に圧力差が生じた場合にのみブリッジチャネル１９０を通過する。圧力不均衡が存在する場合、質量流量センサ１９２は、結果的なガス流を検出し、適切な制御機能を開始することができる。質量流量センサ１９２は、検出された流れを視覚ディスプレイ又は聴覚表示によって表示することができる。択一的に、質量流量センサの代わりに圧力差センサが使用されてよい。圧力差センサは、基準チャネルと測定ブランチとの間の圧力差を測定し、この圧力差は、測定スタンドオフと基準スタンドオフとの差の関数である。
【００４２】
制御機能は、正確なギャップ差を計算することであってよい。別の実施形態では、制御機能は、測定スタンドオフ１８１，１８２又は１８３の寸法を増減させることであってよい。このことは、圧力差が十分にゼロに近くなるまで測定面を測定プローブに対して移動させることによって遂行され、ゼロの圧力差は、もはや測定面及び基準面１７８からのスタンドオフの差が存在しない場合に生じる。
【００４３】
図１Ｂは、本発明がナノメートル精度を達成することができるようにするためにガス乱流及びその他の空気ノイズを低減する、本発明の少なくとも３つのエレメントを示している。これらのエレメント、すなわち質量流量制御装置１５３と、スナッバ１５５と、制限器１６６，１６７，１６８及び１６９とは全て本発明の実施形態において又は望まれる感度に応じてあらゆる組み合わせで使用されてよい。例えば、用途が極めて正確な感度を要求する場合、全てのエレメントが使用される。択一的に、用途が必要とする感度がより低い場合には、おそらくスナッバ１５５のみが必要とされ、多孔質制限器１６６，１６７，１６８及び１６９はオリフィスと置換される。その結果、本発明は、特定用途の要求を費用対効果高く満たすために柔軟なアプローチを提供する。
【００４４】
１．流れ制限器
本発明の１つの実施形態に従い、またガスゲージ近接センサ１００を引用し、測定チャネル１１６及び基準チャネル１１８は制限器１２０，１２２を有している。各制限器１２０，１２２は、それぞれの測定チャネル１１６及び基準チャネル１１８を進むガス流を制限する。測定チャネル制限器１２０は、接合部１１４と接合部１２４との間において測定チャネル１１６内に配置されている。同様に、基準チャネル制限器１２２は接合部１１４と接合部１２６との間において基準チャネル１１８内に配置されている。１つの例において、接合部１１４から測定チャネル制限器１２０までの距離と、接合部１１４から基準チャネル制限器１２２までの距離とは等しい。別の実施例では、この距離は等しくない。センサが対称的であるという固有の要求はないが、センサは、幾何学的に対称的であるならばより容易に使用することができる。
【００４５】
本発明の別の特徴によれば、各制限器１２０，１２２は、ポリエチレン又は焼結ステンレス鋼等の多孔質材料から成っている。図２は、多孔質材料２１を有する制限器１２０の断面図を提供しており、この多孔質材料をガス流２００が通過する。測定チャネル制限器１２０と基準チャネル制限器１２２とは実質的に同じ寸法及び透過特性を有している。制限器の長さは通常２ｍｍ〜１５ｍｍであるが、これらの長さに限定されない。測定チャネル制限器１２０及び基準チャネル制限器１２２は、チャネル１１６，１１８の断面に亘って均一にガス流を制限する。発明者は、中実の非多孔質材料に穿孔された１つのオリフィスを使用する制限器によって導入される乱流及びノイズの量と比較して、多孔質材料制限器が、ガス流における乱流及び関連した空気ノイズを著しく低減することを発見した。ガスゲージ近接センサ１５０内において、これらの利点を達成するために、前記特性を備えた多孔質制限器１６６，１６７，１６８及び１６９も使用される。
【００４６】
制限器は２つの主要な機能を果たす。第１に、制限器は、ガスゲージ近接センサ１００に存在する圧力及び流れの乱れ、最も著しくは質量流量制御装置１００又は音響ピックアップの源部によって生ぜしめられる乱れを軽減する。第２に、制限器は、ブリッジ内の所要の抵抗エレメントとして働く。
【００４７】
ガスゲージ近接センサの典型的な実施形態が示された。本発明はこの例に限定されない。この例は本明細書に限定ではなく例としてのみ示されている。（本明細書に記載された実施例の均等物、延長、変更、逸脱等を含む）択一例は、本明細書に含まれた説明に基づき当業者に明らかとなるであろう。このような択一例は本発明の範囲及び思想に含まれる。
【００４８】
２．スナッバ
本発明の１つの実施例によれば、ガスゲージ近接センサ１００を例にとって説明すると、チャネル１１２はスナッバ１１０を有している。制限器の動作と同様に、スナッバ１１０は、ガス供給部１０２によって導入されがガス乱流を低減し、質量流量センサを、ガスゲージセンサの上流部における音響ピックアップから隔離する。スナッバ１１０は、アキュムレータ１０８と接合部１１４との間においてチャネル１１２内に配置されている。本発明の別の特徴によれば、スナッバ１１０は、ポリエチレン又は焼結ステンレス鋼等の多孔質材料から成っている。発明者は、多孔質材料スナッバがガス流における乱流及び関連する空気ノイズを著しく低減することを発見した。ガスゲージ近接センサ１５０において使用されるスナッバ１５５は、スナッバ１１０と同じ特性を有しており、同じ利益を達成するために使用される。
【００４９】
３．ノズル
ガスゲージ近接センサ１００では、特定の用途に応じて基準プローブ１３０及び測定プローブ１２８として種々異なるタイプのノズルが使用されてよい。同様に、基準プローブ１７４及び測定プローブ１８１，１８２及び１８３のためにガスゲージ近接センサ１５０において、種々異なるタイプのノズルが使用されてよい。ノズルタイプの選択は特に、必要とされる設置面積（測定面積）に依存する。
【００５０】
ガスゲージノズル３００の基本的構成は、図３Ａに示したように、測定面の表面に対して平行な平らな端面を特徴とする。ノズルのジオメトリは、ゲージスタンドオフｈと、内径ｄとによって決定される。概して、ノズル外径Ｄへのノズル圧力降下の依存は、Ｄが十分に大きいならば弱い。その他の物理的パラメータは：Ｑｍ−ガスの質量流量と、Δｐ−ノズルにおける圧力降下とである。ガスは、密度ρと、粘度ηを特徴とする。
【００５１】
【数１】
2004198429.tif 000003
【００５２】
測定スタンドオフが変化させられた一連の試験は、異なるｄを備えたノズルを使用し、かつ異なる質量流量を使用して行われた。図５は、これらの試験のためのデータ箇所をプロットしている。図５に示された一連の測定から得られたデータ箇所への適切なフィットから：
【００５３】
【数２】
2004198429.tif 000004
が得られる。ノズルを通る空気の質量流量は、
Ｑｍ＝ｐｕπｄｈ                                        （２）
として書くことができ、速度υを質量流量及びノズル内径ｄに関して表すと、
【００５４】
【数３】
2004198429.tif 000005
となる。
【００５５】
したがって、ノズルの動作は、５つの物理的変数、ν、Δｐ、Ｑｍ、ｄ及びｈに関して表される。方程式（３）は、２つの主要な変数Δｐ及びｈの関係を提供し、残りの変数は通常実際のシステムにおいては一定である。この関係は、種々異なる感度を必要とする種々異なる用途のためのノズルタイプの発展を容易にする。
【００５６】
図３Ｂ及び３Ｃは、本発明の実施形態による、基準プローブ又は測定プローブとして使用されるノズル３１０を示している。ノズル３１０は、前面３１２と、ガスボア前側開口３１４と、ガスボア後側開口３１５とを有している。
【００５７】
ノズル３１０は、測定チャネル１１６及び基準チャネル１１８に取り付けられている。１つの実施形態では、測定プローブ１２８及び基準プローブ１３０として２つの同じノズル３１０が働く。原理的には、ノズルは同じである必要はない。ノズル３１０は測定チャネル１１６に取り付けられている。前面３１２は測定面１３２に対して平行であることが望ましい。測定チャネル１１６を通るガスは、ガスボア後側開口３１５を通ってノズル３１０に進入し、ガスボア前側開口３１４を通って流出する。同様に、ノズル３１０は基準チャネル１１８に取り付けられている。前面３１２は基準面１３４に対して平行である。基準チャネル１１８を通るガスは、ガスボア後側開口３１５を通ってノズル３１０に進入し、ガスボア前側開口３１４を通って流出する。ガスボア前側開口３１４の直径は、特定の用途に応じて異なっていてよい。１つの実施例では、ガスボア前側開口３１４の内径は、約０．５〜２．５ｍｍである。多孔質流れ制限器と、プローブにおける単一のガスボアノズルとを有するガスゲージ近接センサモデルの例としての感度分析結果は、図６〜図８に関して以下にさらに説明される。
【００５８】
図３Ｄ及び３Ｅは、本発明の実施形態による、基準プローブ及び測定プローブとして使用されるシャワーヘッド形ノズル３５０を示している。シャワーヘッド形ノズル３５０は、前面３５５と、複数のガスボア前側開口３６０と、ガスボア後側開口３６５とを有している。複数のガスボア前側開口は、圧力を、ノズル３１０よりも測定面１３２のより広い領域に亘って分配する。シャワーヘッド形ノズルは、主に、近接測定をより広い空間領域に亘って均一に組み込むために空間的分解能を低下させるために使用される。択一的なアプローチは、多孔質フィルタを含むノズルを使用することである。
【００５９】
シャワーヘッド形ノズル３５０は、測定チャネル１１６及び基準チャネル１１８に取り付けられている。１つの実施形態において、２つの同じシャワーヘッド形ノズル３５０が、測定プローブ１２８及び基準プローブ１３０として働く。原理的に、ノズルは同じである必要はない。シャワーヘッド形ノズル３５０は測定チャネル１１６に取り付けられている。前面３５５は測定面１３２に対して平行である。測定チャネル１１６を通るガスは、ガスボア後側開口３６５を通ってシャワーヘッド形ノズル３５０に進入し、複数のガスボア前側開口３６０を通って流出する。同様に、シャワーヘッド形ノズル３５０は基準チャネル１１８に取り付けられている。前面３５５は基準面１３４に対して平行である。基準チャネル１２２を通るガスは、ガスボア後側開口３６５を通ってシャワーヘッド形ノズル３５０に進入し、複数のガスボア前側開口３６０を通って流出する。ノズルの使用は、説明しやすくするために、ガスゲージ近接センサ１００に関して説明されている。各ノズルタイプは、ガスゲージ近接センサ１５０と共に使用されてもよく、その場合ノズルは、各測定ブランチプローブ及び基準チャネルプローブに取り付けられる。
【００６０】
種々異なる形式のノズルの典型的な実施形態が説明された。本発明はこれらの実施例に限定されない。実施例は本明細書に限定ではなく例として示されている。択一例（本明細書に記載された実施例の均等物、延長、変更、逸脱等を含む）は、本明細書に含まれた説明に基づき当業者に明らかとなるであろう。このような択一例は本発明の範囲及び思想に含まれる。
【００６１】
Ｂ．方法
図４に示されたプロセスは、微小な距離を検出しかつ制御動作を行うためにガス流を使用するための方法４００を示している（ステップ４１０〜４７０）。便宜上、この方法４００はガスゲージ近接センサ１００に関して説明される。しかしながら、方法４００は、必ずしもセンサ１００の構造によって限定されることはなく、ガスゲージ近接センサ１５０又は、異なる構造を備えたセンサを用いて実施されることができる。
【００６２】
プロセスはステップ４１０において開始する。ステップ４１０において、オペレータ又は機械的装置が基準プローブを基準面の上方に配置する。例えば、オペレータ又は機械的な装置は、既知の基準スタンドオフ１４２を置いて基準プローブ１３０を基準面１３４の上方に配置する。択一的に、基準スタンドオフはセンサアセンブリ内に、すなわちセンサアセンブリの内部に配置されることができる。基準スタンドオフは特定の値に予め調節されており、この値は、一定に維持される。ステップ４２０において、オペレータ又は機械的装置は測定プローブを測定面の上方に配置する。例えば、オペレータ又は機械的装置は、測定ギャップ１４０を形成するように測定プローブ１２８を測定面１３２の上方に配置する。
【００６３】
ステップ４３０において、ガスがセンサ内へ噴射される。例えば、測定ガスは、一定の質量流量でガスゲージ近接センサ１００内へ噴射される。ステップ４４０において、センサ内への一定のガス流量が維持される。例えば、質量流量制御装置１０６が一定のガス流量を維持する。ステップ４５０において、ガス流が測定チャネルと基準チャネルとの間で分配される。例えば、ガスゲージ近接センサ１００は、測定ガスの流れを測定チャネル１１６と基準チャネル１１８との間で均一に分配させる。
【００６４】
ステップ４６０において、測定チャネル及び基準チャネル内のガス流は、チャネルの断面積に亘って均一に制限される。測定チャネル制限器１２０及び基準チャネル制限器１２２は、ガスの流れを制限し、空気ノイズを低減し、ガスゲージ近接センサ１００における抵抗エレメントとして働く。
【００６５】
ステップ４７０において、ガスは基準プローブ及び測定プローブから放出される。例えば、ガスゲージ近接センサ１００は、ガスを測定プローブ１２８及び基準プローブ１３０から流出させる。ステップ４８０において、ガスの流れは、基準チャネルと測定チャネルとを接続したブリッジチャネルを介して監視される。ステップ４９０において、基準チャネルと測定チャネルとの圧力差に基づき制御動作が行われる。例えば、質量流量センサ１３８は、測定チャネル１１６と基準チャネル１１８との質量流量を監視する。質量流量に基づき、質量流量センサ１３８は制御動作を開始する。このような制御動作は、検出された質量流量の表示を提供するか、検出された質量流量を示すメッセージを送信するか、又は質量流量が生じていないこと又は質量流量の一定の基準値が検出されるまで基準面に対する測定面の位置を再配置するためのサーボ制御動作を開始することを含む。
【００６６】
前記方法は、ガスゲージ近接センサ１５０等の、多数の測定ブランチを有するセンサと共に使用するのに適している。ガスゲージ近接センサ１５０が使用される場合、１つの測定ブランチの使用から別の測定ブランチへ切り替えることを含む付加的なステップが組み込まれる。
【００６７】
ガスゲージ近接センサ１５０の使用は、測定面の微細構成のマッピングをさらに容易にすることもできる。このマッピングは、上記方法において説明された原理によって遂行され、この場合、微細構成の測定は測定ブランチの内の１つを使用して工作物面の特定の領域において行われる。微細構成マッピングが異なる領域において望まれるならば、異なる領域の微細構成をマッピングするためにガスの流れは異なる測定ブランチへ切り替えられる。測定面を移動させる能力に存在する制限により、多数のブランチを備えた近接センサは、幾つかの例においては、１つの測定チャネルのみを備えた近接センサよりも容易に測定面の微細構成をマッピングするために使用することができる。
【００６８】
例えば、１つの実施形態において、微細構成をマッピングするための方法は、ガスゲージ近接センサ１５０等の近接センサ内にガスを噴射し、測定ブランチの内の１つを使用して一連の測定を行うことによって測定面の一領域の微細構成を測定することを含む。特定の測定ブランチによってマッピングされることができる領域のマッピングが完了すると、近接センサは異なる測定ブランチに切り替えられ、その測定ブランチによって達せられる領域のためのマッピングプロセスを繰り返す。微細構成マッピングが望まれている面が完了するまでプロセスは繰り返される。測定面は、微細構成マッピングが望まれている半導体ウェハ又はその他の測定面であってよい。
【００６９】
本明細書における説明から当業者に知られる上記ステップへの付加的なステップ又は改良も本発明に含まれる。
【００７０】
本発明は、図１〜図４に関してガスに関して説明された。１つの実施形態ではガスは空である。本発明は空気に限定されない。その他のガス又はガスの組み合わせを使用することができる。例えば、測定される面に応じて、より小さな含水率を有するガス又は不活性ガスが使用されてよい。低含水率のガス又は不活性ガスは、空気よりも、測定されている面と反応しにくい。
【００７１】
Ｃ．モデル化及びシミュレーション結果
発明者は、本発明の実施形態によるブリッジ構成におけるガスゲージ近接センサ（“ガスゲージ”）の動作をシミュレーションするために一次元（１−Ｄ）モデルを発展させ、そのために原型が構築された。図６は、ガスゲージ近接センサ６００（“ブリッジ”６００とも呼ばれる）の概略図であり、このガスゲージ近接センサの動作は一次元モデルに関して説明される。図６に示したように、ガスゲージ６００は、５つの脚ｌ１〜ｌ５と、２つの多孔質流れ制限器６３０，６３５と、測定ノズル６４０と、基準ノズル６４５と、質量流量センサ６６５とを有している。脚ｌ１は接合部１１４から接合部１２４まで延びている。脚ｌ２は接合部１１４から接合部１２６まで延びている。脚ｌ３は接合部１２４と１２６との間に延びている。脚ｌ４は接合部１２４から測定ノズル６４０まで延びている。脚ｂｌ５は接合部１２６から基準ノズル６４５まで延びている。多孔質流れ制限器６３０が脚ｌ１に沿って設けられている。多孔質流れ制限器６３５は脚ｌ２に沿って設けられている。測定ノズル６４０が脚ｌ４の端部に設けられている。基準ノズル６４５が脚ｌ５の端部に設けられている。質量流量センサ６６５が脚ｌ３に沿って設けられている。
【００７２】
ガスゲージの１−Ｄモデルは、ガスゲージの発展プロセスを助ける。モデルは、ガスゲージ物理的パラメータの選択を許容し、定常状態動作下でのガスゲージ性能の迅速評価を行う。
【００７３】
ブリッジ６００の全てのガス通路は同じ直径の円形断面を有すると仮定する。ブリッジの脚における圧力降下への最も著しい寄与は、流れ制限器６３０，６３５及びノズル６４０，６４５からのものであるが、脚ｌ１〜ｌ５のチューブにおける粘性損失からの分配された寄与も考えられる。エルボ及び接合部１１４，１２４，１２６における局所的損失は、比較的小さいので無視される。
【００７４】
これらの仮定を用いて、ブリッジ６００を通るガスの定常非圧縮性流れは、図６に示したように、以下の代数方程式のセットによって支配される：
【００７５】
【数４】
2004198429.tif 000006
【００７６】
ブリッジの接合部における流量Ｑｉを釣り合わせることにより方程式（４〜６）が得られ、ブリッジのループにおける脚における圧力降下Δｐｉの値を釣り合わせることにより方程式（７）及び（８）が得られる。方程式（９）は、それぞれの脚における流量Ｑと圧力降下Δｐとの関係を規定している（ｉ＝１．．．５）。
【００７７】
上部の脚ｌ１及びｌ２のための圧力降下は、チューブ内の粘性損失と多孔質制限器における（やはり粘性の）損失との合計である：
【００７８】
【数５】
2004198429.tif 000007
【００７９】
この場合、ｌｉ及びｄｉはチューブの長さ及び直径であり、ｗｉは脚ｉにおける（横断面で平均された）速度である。層状の管流れの場合、圧力損失係数はレイノルズ数のみの関数である：
【００８０】
【数６】
2004198429.tif 000008
【００８１】
多孔質制限器における圧力損失はダーシーの法則に基づきモデル化される。これについては、Ａ．ベジャン、「コンベクティブ・ヒート・トランスファ（Convective Heat Transfer）」、第１０章、John Wiley & Sons、１９８４年を参照されたい。制限器６３０，６３５は、長さｌＲのものであり、脚ｌ１及びｌ２におけるチューブと同じ直径を有しており、このことは同じ平均速度ｗｉを生ぜしめる。定数μ及びＫはそれぞれ、流体（空気）の粘度と、多孔質材料の透過率とである。圧力降下は質量流量Ｑｉに関して表すことができる。速度ｗｉに代入して、
【００８２】
【数７】
2004198429.tif 000009
となる。
【００８３】
ν及びρはそれぞれガス（空気）の動粘度と密度とであり、Θは多孔質材料の伝導率である。
【００８４】
ブリッジング脚ｌ３における圧力降下は単純に
Δｐ３＝ａＱ３，                                  （１５）
としてモデル化される。なぜならば、質量流量センサの実際の動作は十分な近似レベルにおいて線形だからである。係数ａは実験的に決定され、質量流量計の技術的仕様と良好に一致する。
【００８５】
脚ｌ４及びｌ５のための圧力降下は、（ｌ１及びｌ２の場合と同様に）チューブにおける粘性損失と、ノズルにおける損失との合計としてモデル化される：
【００８６】
【数８】
2004198429.tif 000010
【００８７】
方程式（１６）における合計の第２の成分は、ノズルにおける圧力降下のための半経験的な、相似性に基づくモデルを表している。変数ｕｉは、ウェハの表面と空気ゲージノズルの面との間の環状領域への進入時における半径方向速度の面積平均値を表している。この速度は、
【００８８】
【数９】
2004198429.tif 000011
として計算されることができ、この場合、Ｄはノズル（両ノズル６４０，６４５は同じものである）の内径（ＩＤ）であり、ｈｉはガスゲージスタンドオフである。適切な代入をすることにより、
【００８９】
【数１０】
2004198429.tif 000012
が得られる。
【００９０】
１０個の方程式（４〜８，１３，１５，１８）のシステムは、流量Ｑｉに関して線形である。層流仮定の有効性は、全システムの個々の区分のためのレイノルズ数を計算することによって確認される。与えられた入力パラメータのセットについて上記方程式を数値的に解くために、MATLABプログラムを使用することができる。
【００９１】
１．シミュレーションパラメータの選択
シミュレーションのための主要パラメータは、ガスとして空気を用いるガスゲージ１００，６００の動作原型（working prototype）に適合するように選択された。主要パラメータを以下に要約する。
空気の特性：
密度      ρ＝1.2003［Kg/m３］
粘度      μ＝1.8189E-05［Kg/(ms)］
動粘度      ν＝1.5157E-05［m２/s］
多孔質材料の特性：
多孔質伝導率    Θ＝4327E-02［kg/(sm)３］
流量計の応答（線形）：
較正定数      ａ＝1144E04［l/(ms)］
【００９２】
【表１】
2004198429.tif 000013
【００９３】
２．結果
シミュレーションの結果は、感度プロットに関して、質量流量とガスゲージノズルスタンドオフとの関数として（図７）及びノズルＩＤと多孔質制限器の長さとの関数として（図８）示されている。
【００９４】
特に、図７は、１．１４ｍｍの内径（ＩＤ）を有するノズルと７ｍｍの長さの制限器とを備えたガスゲージのための質量流量とガスゲージノズルスタンドオフとに関して感度プロットを示している。プロットを形成するために、４０ｍｍ〜１４０ｍｍのガスゲージスタンドオフが使用され、流量は１００ｓｃｃｍ〜５００ｓｃｃｍであった。プロットは、ガスゲージスタンドオフが小さくなると、基準スタンドオフと測定スタンドオフとの差の変化を検出するためのガスゲージの感度が高まることを示している。プロットは、ガスゲージスタンドオフがより小さくなると感度が高まるということが、大きな流量においてより顕著であることを示している。同様に、ガスゲージスタンドオフが一定である場合には、ガスゲージを通るガスの流量が増大すると感度も増大する。
【００９５】
図８は、測定スタンドオフが１００ｍｍで流量が２００ｓｃｃｍである場合のノズルＩＤ及び制限器長さに関する感度プロットを示している。プロットを形成するために、０．５ｍｍ〜２．５ｍｍのＩＤを備えたノズルが使用され、５ｍｍ〜１５ｍｍの長さを備えた制限器が使用された。プロットは、ノズルＩＤが小さくなると、基準スタンドオフと測定スタンドオフとの差の変化を検出するためのガスゲージの感度が向上することを示している。プロットはさらに、ノズルＩＤが小さくなると感度が向上するということが、種々異なる制限器長さにおいて比較的一定であることを示している。最後に、プロットは、両制限器の長さへのガスゲージ感度の依存が比較的小さいことを示している。
【００９６】
図７及び図８から分かるように、流量及びスタンドオフへの感度の依存は比較的大きい。感度は、流量に伴って（線形に）増大し、スタンドオフに伴って線形よりも速く減少する。２つの他のパラメータ（ノズルＩＤ及び制限器長さ）への感度の依存は、これらのパラメータの可変性の実用的な範囲内では著しく小さい。感度は、ノズルのＩＤに伴って低下し、制限器長さに伴って上昇する。データは、空力的ノイズを増大させない限り、流量を増大させることが、ガスゲージ感度を改良するために使用されることができることを示している。乱流への移行が、もちろん、使用することができる最大流量における実用的な限界である。
【００９７】
Ｃ．結論
以上のように本発明の様々な実施形態を説明したが、これらの実施形態は、限定としてではなく例として示されたことを理解すべきである。本発明の思想及び範囲から逸脱することなく形式及び詳細における様々な変更を行うことができることは、当業者に明らかとなるであろう。
【００９８】
本発明は、発明の規定の機能及び関係の性能を示す方法ステップの助けにより上に説明された。これらの方法ステップの境界は、説明の便宜のために本明細書において任意に規定された。発明の規定の機能及び関係が適切に実施される限り、択一的な境界を規定することができる。あらゆるこのような択一的な境界は、従って、請求項に記載された発明の範囲及び思想に含まれる。つまり、本発明の広さ及び範囲は、前記の典型的な実施形態のいずれによっても限定されるべきではなく、添付の請求項及びその均等物のみに基づき定義されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１Ａ】本発明の実施形態によるガスゲージ近接センサの図である。
【０１００】
【図１Ｂ】本発明の実施形態による、複数の測定ブランチを備えたガスゲージ近接センサの図である。
【０１０１】
【図２】本発明の実施形態による、制限器の断面図を提供する図である。
【０１０２】
【図３Ａ】ノズルの基本特性を示す図である。
【０１０３】
【図３Ｂ】本発明の実施形態による、基準プローブ又は測定プローブにおいて使用されるノズルの斜視図を示す図である。
【０１０４】
【図３Ｃ】本発明の実施形態による、図３Ｂに示されたノズルの断面図を示す図である。
【０１０５】
【図３Ｄ】本発明の実施形態による、基準プローブ又は測定プローブにおいて使用されるシャワーヘッド形ノズルの斜視図を示す図である。
【０１０６】
【図３Ｅ】本発明の実施形態による、図３Ｄに示されたノズルの断面図を示す図である。
【０１０７】
【図４】本発明の実施形態による、極めて小さな距離を検出しかつ制御動作を行うための、ガスゲージ近接センサを使用するための方法を示すフローチャートである。
【０１０８】
【図５】本発明の実施形態による、種々異なる寸法を備えたノズルの試験結果を示す感度プロットである。
【０１０９】
【図６】本発明の実施形態による、ブリッジ構成におけるガスゲージ近接センサの概略図であり、ガスゲージ近接センサの動作は一次元モデルによってシミュレーションされている。
【０１１０】
【図７】空気質量流量及びゲージのズルスタンドオフに関するシミュレーション結果を示す感度プロットである。
【０１１１】
【図８】ノズル内径（ＩＤ）及び多孔質制限器の長さに関するシミュレーション結果を示す感度プロットである。
【符号の説明】
【０１１２】
１００  ガスゲージ近接センサ、  １０２  ガス供給部、  １０６  質量流量制御装置、  １１０  多孔質スナッバ、  １１２  中央チャネル、  １１４  接合点、  １１６  測定チャネル、  １１８  基準チャネル、  １２０  測定チャネル制限器、  １２２  基準チャネル制限器、  １２８  測定プローブ、  １３０  基準プローブ、  １３２  測定面、  １３４  基準面、  １３６  ブリッジチャネル、  １３８  質量流量センサ、  １４０  測定スタンドオフ、  １４２  基準スタンドオフ、  １５０  ガスゲージ近接センサ、  １５１  ガス供給部、  １５３  質量流量制御装置、  １５４  アキュムレータ、  １５５  多孔質スナッバ、  １５６  中央チャネル、  １５７  接合部、  １５８  基準チャネル、  １５９  測定チャネル、  １６０  測定チャネルスイッチング装置、  １６１  ブリッジチャネルスイッチング装置、  １６２  スイッチング装置レバー、  １６３，１６４，１６５  測定ブランチ、  １６６  基準チャネル制限器、  １６７，１６８，１６９  測定ブランチ制御器、  １７１，１７２，１７３  接合部、  １７４  基準プローブ、  １７５，１７６，１７７  測定プローブ、  １７８  基準面、  １７９  測定面、  １８０  基準スタンドオフ、  １８１，１８２，１８３  測定スタンドオフ、  １９０  ブリッジチャネル、  １９２  質量流量センサ、  ３５０  シャワーヘッド形ノズル、  ３５５  前面、  ３６０  ガスボア前側開口、  ３６５  ガスボア後側開口
【図１Ａ】
2004198429.tif 000014
【図１Ｂ】
2004198429.tif 000015
【図２】
2004198429.tif 000016
【図３Ａ】
2004198429.tif 000017
【図３Ｂ】
2004198429.tif 000018
【図３Ｃ】
2004198429.tif 000019
【図３Ｄ】
2004198429.tif 000020
【図３Ｅ】
2004198429.tif 000021
【図４】
2004198429.tif 000022
【図５】
2004198429.tif 000023
【図６】
2004198429.tif 000024
【図７】
2004198429.tif 000025
【図８】
2004198429.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成16年4月1日(2004.4.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
2004198429.tif 000027
【図１Ｂ】
2004198429.tif 000028
【図２】
2004198429.tif 000029
【図３Ａ】
2004198429.tif 000030
【図３Ｂ】
2004198429.tif 000031
【図３Ｃ】
2004198429.tif 000032
【図３Ｄ】
2004198429.tif 000033
【図３Ｅ】
2004198429.tif 000034
【図４】
2004198429.tif 000035
【図５】
2004198429.tif 000036
【図６】
2004198429.tif 000037
【図７】
2004198429.tif 000038
【図８】
2004198429.tif 000039