非接触式传感器的Z高度测量

白皮书

应用笔记LA03-0055

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总结

Z高度测量或任何高分辨率,高精度非接触式测量一个轴上的关键位置,是许多行业的普遍需求。许多工程师一直在努力获得高分辨率的精确测量,同时还要应对由于空间有限、温度变化、真空、目标表面干扰以及因偶然接触目标而损坏测量探头等因素引起的设计要求和实施问题。 电容式和电涡流非接触式位移传感器由于其体积小,灵活性强,易用性,高分辨率,非接触性质和坚固的设计,正成为z高度测量的标准技术。 电容式和电涡流传感器也可以轻松定制,以适合特定的z高度测量应用。

推荐的Z高度测量设备

Elite系列电容式传感器

1 nm 分辨率,要求清洁干燥的测量环境

精英系列

 

ECL202涡流传感器

100 nm 分辨率,可在潮湿环境下工作,无法检测非导体

ECL202

 

技术

许多技术已应用于这些 z高度测量 ,每种技术面临自己的一系列挑战。 接触规会损坏目标表面。 光学测量可能会受到热敏性,目标材料反射率不一致的影响,并且可能难以适应所需的空间。 如果探头的末端接到触接地表面,则某些电容产品可能会损坏内部电子设备(Lion Precision电容式位移传感器不存在此问题)。
Lion Precision电容式和电涡流传感器坚固耐用,具有热补偿功能,分辨率小于1纳米,带宽高达XNUMX kHz。 它们可以在真空中使用,其低功耗不会增加敏感环境的热量。 它们也可以定制以达到完美的配合。 电容式传感器可提供绝对最高的分辨率,但必须在清洁的环境中使用。 电涡流传感器可用于潮湿环境,同时仍提供低于XNUMX nm的分辨率。

应用与行业

Z高度测量  在需要精确定位的光学和非光学加工的行业中很常见。 这些应用中的一些应用例如:半导体晶圆处理和检查,微光刻,光学和非光学显微镜,聚焦和预聚焦,掩模定位和对准,扫描控制和平面化。 这些应用通常需要在纳米重要的关键位置进行定位。 它们还可能包括具有挑战性的环境,从化学机械平面化的浆料填充环境到要求低释气和低功耗的真空环境。

掩膜对齐Z高度

半导体加工中使用的掩模必须精确对准,以实现当今的电路密度。 可以安装四个非接触式探针,以监视z高度和掩模相对于晶圆的平行度。 保持传感器的相等输出可提供并行性,而实际输出值则表明关键的间隙尺寸。

传感器图

化学机械平面化(CMP Z高度)

半导体,磁盘驱动器和其他需要精确控制材料去除深度的行业使用了精确的研磨工艺。 化学机械平面化工艺在精密压板上使用磨料浆,该磨料浆会碰到要研磨的物体。 随着材料的去除,持有被研磨物体的载体将更靠近压盘。 涡流传感器不会检测到浆料,因此可以精确测量压板与载体的相对位置(z高度),以确定已去除了多少材料。 传感器的高分辨率可实现100 nm以内的测量。 对于半导体晶圆,涡流传感器可以“透视”晶圆和浆料,以测量到压板的距离。

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聚焦/预聚焦

光学和非光学显微镜要求精确  z高度定位  保持适当的聚焦。 虽然存在光学算法来控制焦点,但是在寻找正确的焦点时它们可能会很慢。 非接触式传感器可用于快速移动到精确焦距的位置,在此光学算法可以更快地完成定焦过程。
由于有限的空间以及在许多显微镜应用中对性能的极端需求,因此使用具有明显的优势  定制设计的探头; 该图显示了以XNUMX°配置的电容式探头。

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扫描

一些处理和检查应用程序使用扫描头来处理或检查目标对象的整个表面。 Z高度间隙和对齐方式仍然很关键,但是此应用程序不是动态控件,而是静态控件。 Lion Precision电容式和涡流传感器具有15 kHz的宽带宽,并在需要时高达80 kHz的带宽。 快速的响应时间和出色的相位响应可在动态应用中实现精确,稳定的伺服控制。

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扫描电子显微镜的Z高度测量案例研究

背面半导体晶圆检查案例研究的Z高度检测

半硅晶圆厚度案例研究