CN102540443A - 缝隙流稳定性控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缝隙流稳定性控制装置，其特征在于，缝隙流稳定性控制装置是在透镜组和基底之间设置的装置，通过在注液腔下方设置导流槽阵列，回收腔两端和外侧设置回外收阻尼排孔，有助于维持观测区域稳定可靠的液体连续更新状态。注液腔输入的液体在导流槽阵列引导下，形成均匀指向回收腔的射流，液体流动均匀稳定。在基底运动工况下，内回收阻尼排孔起到了辅助回收的作用，而外回收阻尼排孔实时吸收可能泄漏的液滴，由此形成了多层的液体回收屏障。此外，由于本装置流场外围不需要采用密封，在简化系统的同时，避免了外加能量对流场边界的冲击，系统的稳定性和可靠性好。

Description

缝隙流稳定性控制装置

技术领域

本发明是涉及浸入式显微系统中的缝隙流稳定性控制装置，特别是涉及一种用于浸入式显微镜（Immersion Microscope）的缝隙流稳定性控制装置。

 

背景技术

在半导体等行业，对于细微电子器件的故障解析和可靠性评价是确保成品率的关键。通常采用的方式是将电子器件作为试样，在显微镜下进行观测，以确定是否存在影响器件正常工作的缺陷或杂质。然而，伴随着电子器件的特征线宽向着32纳米以下不断缩小，以及基底（如半导体硅片）尺寸的不断增大，传统观测方式的技术成本在迅速上升。

浸入式显微镜系统，通过在物镜前端和基底（如硅片或液晶基板等）之间的缝隙中填充纯水等液体，提高该区域介质的折射率，从而间接增大物镜的数值孔径（NA），获得了更高的观测分辨率（例如参见中国专利200680039343.2）。由于浸入式方式主要涉及物镜前端和基底之间的区域，对于原有光路系统影响小，因此很好的继承了已有技术，在提高观测分辨率的同时具备了良好的经济性。

目前浸入式显微镜系统主要通过间断供液的方案（如参见美国专利US2005179997A1和日本专利JP2010026218A），将液体输送到基底上方和物镜前端的局部区域内。间断供液采用一次观测对应一次供液的模式，即在开始观测前输入一定容量液体到待观测的表面，完成该次观测后则通过回收管路将液体抽离，在观测过程中液体不更新。间断供液方案具有形式简单和易于实现等优点，但存在以下一些问题，主要表现为： 

1）间断供液模式易导致污染累积，工作效率低。在微纳观测过程中，填充在物镜和基底之间的液体，实质上成为了光路的一部分，起到了物镜的作用，因此需要具备高度的洁净性。然而，由于液体不流动，伴随着观测的进行，基底表层和流场外围的污染将向观测区域不断的扩散并累积，液体质量面临恶化；尤其对于长时间观测工况而言，甚至由此滋生细菌。这将改变液体性质，并引起微纳观测的成像失真。在这种情况下，观测之后增加物镜清洗工序（如参见日本专利JP2007065257A）通常是必要的，这将有助于获得洁净的物镜表面以避免污染物镜对下次观测的影响，但却因此降低了工作效率，并间接增加了观测成本。 

2）目前所采用的供液回收结构，在液体连续更新工况下的稳定性和可靠性不足。目前浸入式显微系统主要采用矩形的注液和回收槽道（如参见日本专利 JP2007316233A），液体在一定压力下经注液槽道输入到观测区域，完成观测后经回收槽道抽离。虽然通过液体流动更新可有效带走观测区域的污染物，提高液体的洁净度；然而基于现有供液结构，直接将间断供液模式改为连续供液是不合适的。因为一定压力驱动下的连续供液模式，将在流场边界形成了持续的迫使液体向外泄漏的内驱力，目前设计通常缺乏有效对抗迫使液体向外溢出的正压力，这将导致液体泄漏。泄漏的液体在基底表面干燥后，易形成水渍甚至缺陷，严重影响基底的品质。

3）在液体外围施加密封能量有助于抑制液体的泄漏，却成为流场不稳定的主要来源。在观测液体外围施加密封气幕或密封液体（如水银和磁流体等），将促使液体形成趋向观测中心的内聚力，避免液体的向外泄漏。然而，外加能量的方式，在抑制边界液体向外泄漏的同时，也加剧了边界的不稳定性。尤其在基底从已观测区域快速运动到下一个观测区域的工况下，若缺乏有效控制，气体密封方式易导致气泡卷吸进流场，而液体密封方式则可能导致密封液体被牵拉进观测区域中并干扰观测。

 

发明内容

本发明目的是提供一种用于浸入式显微镜的缝隙流稳定性控制装置，在基底和物镜的末端元件之间实时更新液体的同时，通过供液回收优化以获得稳定可靠的流场和液体边界，并避免外加密封能量对流场的干扰。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明缝隙流稳定性控制装置，在透镜组和基底之间设置的缝隙流稳定性控制装置；其特征在于，所述的缝隙流稳定性控制装置包括中心开有柱状观测腔的主体结构和挡板；其中：

所述主体结构的一侧依次开有垂直于基底的注液腔，为弧度取30～150°的环形圆柱腔体；注液腔与观测腔之间的下方环状表面上，开有由5～30个柱状凹槽组成的导流槽阵列，两侧端点与观测腔中心形成的导流槽阵列弧度α为30～150°；

所述主体结构的另一侧依次开有垂直于基底的回收腔，为弧度取30～150°的环形圆柱腔体；回收腔的环形边界两端开有2个内回收阻尼排孔，为弧度取15～90°的环形排孔阵列，内回收阻尼排孔的内径和外径与回收腔相同；回收腔外侧开有外回收阻尼排孔，为弧度取30～210°的环形排孔阵列；

注液腔与内回收阻尼排孔和外回收阻尼排孔不连通；

导流槽阵列与内回收阻尼排孔和外回收阻尼排孔不连通；

2）挡板：

为弧度取30～160°的环形片状结构，挡板的弧度不小于导流槽阵列的弧度；

所述的主体结构与设置在导流槽阵列下方的挡板之间为平面结合。

导流槽阵列的槽口方向指向回收腔。导流槽阵列的槽口与对称面Q-Q截面距离越大，槽口延长线与回收腔的交点位置与对称面的距离越大。内回收阻尼排孔和外回收阻尼排孔的孔径为0.1～2mm。导流槽阵列的导流槽深度为0.2～3mm。     

本发明具有的有益效果是：

1）液体的连续流动更新，为系统长效稳定的工作创造了有利条件。液体的流动更新，将实时带走流场内的污染物，使得液体保持高度洁净以提高观测质量。液体更新可阻隔污染物向物镜表面的扩散和沉积，有效提高物镜的洁净度，由此大幅减少物镜清洗次数并提高工作效率。

2）优化的供液回收结构有助于形成稳定的流动更新形态，增强了液体连续更新下的稳定性。注液腔输入的液体在导流槽阵列的引导下，形成均匀指向回收腔的液流，流动稳定性好。液体的有效回收则通过三组结构共同保证。基底静止时，绝大多数液体由回收腔排走；伴随基底运动，内回收阻尼排孔起到了辅助回收的作用；而对于极端工况，外回收阻尼排孔将吸收可能泄漏的液滴并实施干燥。

3）流场外围不需要采用密封，避免了外加能量对流场边界的冲击，系统的稳定性和可靠性好。向内注入的射流供液模式，带动注液腔附近的液体向流场中心流动，补偿了该区域因注液正压力而形成向外泄漏的内驱力；因此在流场外围不必施加密封，这不仅简化了系统，也避免因外加能量而带来的一系列不利影响。

 

附图说明

图1是本发明与透镜组相装配的简化示意图。

图2是本发明的P-P剖面视图。

图3是图2的Q-Q剖面视图。 

图4是本发明第一实施例的供液回收结构。

图5表征基底由中心向注液腔方向运动时的流动形态（第一实施例）。

图6表征基底沿垂直供液回收结构方向运动时的流动形态（第一实施例）。

图7是本发明第二实施例的供液回收结构。

图8表征基底由中心向注液腔方向运动时的流动形态（第二实施例）。

图9表征基底沿垂直供液回收结构方向运动时的流动形态（第二实施例）。

 

图中：1、浸入式显微镜，2、透镜组，3、缝隙流稳定性控制装置，4、基底，5、目镜，6A、主体结构，6B、挡板，7、观测腔，8A、注液腔，8B、导流槽阵列，9A、回收腔，9B、内回收阻尼排孔，9C、外回收阻尼排孔，10、缝隙流场，11、液体流速方向，12、基底运动方向，13A、注液腔，13B、导流槽阵列，14A、回收腔，14B、内回收阻尼排孔，14C、外回收阻尼排孔，15、液体流速方向，16、基底运动方向。

 

具体实施方式

下面结合附图和实施例，说明本发明的具体实施方式。

图1示意性地表示了本发明实施方案的缝隙流稳定性控制装置与透镜组的装配，在透镜组2和基底4之间设置的缝隙流稳定性控制装置3，可在浸入式显微镜1等显微设备中应用。在实际观测中，基底4（硅片或液晶基板等）表面的光线，经由基底4上方的液体缝隙层和透镜组2，被相关设备获取以用于显微分析。出于设备利用率和经济性的考虑，浸入式显微观测可存在直接目测和图像解析两种模式。如果观测光线的波长为可见光，则可通过目镜5进行直接观测；如果采用紫外光，则首先通过CCD相机采集观测数据，并在监测设备中加以显示。

图2～图4示意性地表示了本发明实施方案的缝隙流稳定性控制装置包括中心开有柱状观测腔6的主体结构6A和挡板6B；其中：

所述主体结构（6A）的一侧开有垂直于基底的注液腔8A，为弧度取30～150°的环形圆柱腔体；注液腔8A与观测腔7之间的下方环状表面上，开有由5～30个柱状凹槽组成的导流槽阵列8B，两侧端点与观测腔7中心形成的导流槽阵列8B弧度α为30～150°；

所述主体结构（6A）的另一侧开有垂直于基底的回收腔9A，为弧度取30～150°的环形圆柱腔体；回收腔9A的环形边界两端开有2个内回收阻尼排孔9B，为弧度取15～90°的环形排孔阵列，内回收阻尼排孔9B的内径和外径与回收腔9A相同；回收腔外侧开有外回收阻尼排孔9C，为弧度取30～210°的环形排孔阵列；

注液腔8A与内回收阻尼排孔9B和外回收阻尼排孔9C不连通；

导流槽阵列8B与内回收阻尼排孔9B和外回收阻尼排孔9C不连通；

2）挡板6B：为弧度取30～160°的环形片状结构，挡板6B的弧度大于或等于导流槽阵列8B的弧度；

主体结构6A与设置在导流槽阵列8B下方的挡板6B之间为平面结合。

导流槽阵列8B的槽口方向指向回收腔9A；导流槽阵列8B的槽口与对称面Q-Q截面距离越大，槽口延长线与回收腔9A的交点位置与对称面的距离越大。内回收阻尼排孔9B和外回收阻尼排孔9C的孔径为0.1～2mm。导流槽阵列8B的导流槽深度为0.2～3mm。 

流场初始化中，从外界管路接入的液体在一定压力作用下经由注液腔8A输入，在导流槽阵列8B的引导作用下，在观测腔7和基底4的之间的区域形成缝隙流场10，随后从回收腔9A实现回收。通过在导流槽阵列8B下方所设置挡板6B的阻隔作用，流经导流槽阵列8B的液体形成一组指向回收腔9A的射流，射流间隔均匀。向内注入的射流供液模式，有助于避免注液腔8A外围因正压供液引起的向外泄漏。

本发明的液体回收主要通过三组结构来实现，分别是回收腔9A、内回收阻尼排孔9B和外回收阻尼排孔9C。其中，回收腔9A起到的是主要回收作用，尤其在基底静止工况下，注液腔8A输入液体均匀的指向回收腔9A，绝大多数液体都从回收腔9A排走。内回收阻尼排孔9B分布在回收腔9A两侧，起到辅助回收的作用；可以在其中填充一些阻隔物质（如孔隙率较大的多孔介质），基于这些物质的减振降压作用，使得内回收阻尼排孔9B下方的负压比回收腔9A更小，流场中的液体从而倾向于从回收腔9A排走。内回收阻尼排孔9B在基底从观测区域快速切换到下一个观测区域时，可起到较好的辅助回收作用，此时基底快速运动将导致液体流动形态发生变化，部分液体由回收腔9A两侧的内回收阻尼排孔9B回收。外回收阻尼排孔9C则起到泄漏液体的回收作用，其中填充亲水较强性的阻隔物质（如孔隙率较小的多孔介质），并辅以较小的回收负压，以减少对回收腔9A作用的削弱。在一些极端工况下，部分液滴可能跨越回收腔9A和内回收阻尼排孔9B，外回收阻尼排孔9C将吸收这部分液滴，并实施干燥。外回收阻尼排孔9C的另外一个好处，是吸收流场边界外围的气体，这有助于抑制因回收腔9A较强负压作用而引起边界气体卷吸进回收腔，由此控制回收气液两相流及其引起的振动。

图4是本发明第一实施例基底静止下的液体更新原理。在基底静止工况下，经由导流槽阵列8B输入的射流，所形成的液体流速方向11均匀的指向回收腔9A，液流完全覆盖观测腔7下方的区域。采用环形的注液腔8A，相比于矩形的供液结构，有助于获得更多的液体输入，提高流场更新率。本实施采用导流槽阵列8B的角度α大于回收腔9A的角度，有助于增大液体更新流量，提高流场的洁净度。由于回收腔9A较小，注液腔8A输入的液体易在回收腔9A附近形成干扰，液体流动的均匀性略显不足。

图5表征第一实施例基底由中心向注液腔（即-x方向）运动时的流动形态。伴随着基底运动方向12如图所示，在液体粘性力的作用下，基底将牵拉部分液体沿着相同方向发生运动，从而形成抵抗导流槽阵列8B输入的液流。由于本实施具有大流量供液的优点，注液输入的液体能够较好的对抗基底运动带来的不利影响，从而使得二者对流的影响主要表现在回收腔9A附近，部分液体因对流作用而趋向于从内回收阻尼排孔9B回收。在该工况下，实施中优选的是恒流量供液，当对流阻碍作用引发流场中心压力上升时，系统仍能保持较好的液体更新率。此外，在基底沿着相反方向（即x方向）运动工况下，基底粘性牵拉引起的液流与注液流动方向近似相同，液体流动顺畅，更新效率进一步获得提高。

图6表征第一实施例基底沿垂直供液回收结构（即y方向）运动时的流动形态。此时，缝隙流场中的液体在液体粘性力作用下，其液流方向同样存在着与基底运动方向相同的分量，即液体的流动方向发生向上偏移，部分液体趋向于从上方的内回收阻尼排孔9B回收。在该工况下，本实施大流量供液所具有的抗基底运动优点同样显现，导流槽阵列8B输入的液体对液体流动更新起到了主导作用。由此可见，第一实施例能较好的抵抗基底沿x和y方向的运动，抗干扰能力强，尤其适用于基底频繁多方向运动的工况。

图7是本发明第二实施例基底静止下的液体更新原理。与实施一相同的是，在基底静止工况下，经由导流槽阵列13B输入的射流，所形成的液体流速方向15均匀的指向回收腔14A，液流完全覆盖观测腔7下方的区域。与实施一的主要区别是，该实施环形的注液腔13A的角度小于回收腔14A。因此，即便存在一定的扰动，导流槽阵列13B输入的液体在流动过程中仍可保持互不干扰，流动方向稳定可靠。由于注液腔13A小，给回收结构预留了较大的空间，从而有助于增强流场的密封性能。在浸入式显微系统中，观测通常在基底静止工况下进行，该实施所形成的液体流动方向均匀稳定，因此适合于长时间观测的工况。值得注意的是，具体实施中，内回收阻尼排孔14B不宜和导流槽阵列13B太接近，优选二者之间间隙角度在30度以上，以避免导流槽阵列13B输入的液体被内回收阻尼排孔14B抽吸，以确保观测腔下方液体的可靠更新。此外，回收腔14A的角度不宜超过120度，因为回收腔14A过大易导致供液补偿不及时而引发边界气体的卷吸，并形成气液两相混合回收，由此增大系统的不稳定性。

图8表征第二实施例基底由中心向注液腔（即-x方向）运动时的流动形态。基底运动在液体粘性力作用下形成与基底运动方向16相同的液流，以对抗注液输入的液体。区别于实施一导流槽阵列8B输入向内聚拢的液流，该实施导流槽阵列13B输入的液流呈现向外辐射的扇形结构（如图7所示）且液体流量较小。因此难以有效克服基底运动的不利影响，液体趋向于从回收腔14A两端的内回收阻尼排孔14B实施回收。

图9表征第二实施例基底沿垂直供液回收结构（即y方向）运动时的流动形态。此时，缝隙流场中的液体在基底的运动牵拉下，其流动方向存在着与基底运动方向相同的分量，即液体流动方向发生向上偏移。由于注液输入的流量比实施一小，因此抵抗基底运动的效果也偏差。此时，大角度的回收结构的优越性获得了体现，即能有效回收流动方向偏移较大的液流。结合图7~图9可见，相比于实施一，实施二更适合于长时间静止观测的工况。

Claims (9)

1. 一种缝隙流稳定性控制装置，在透镜组（2）和基底（4）之间设置的缝隙流稳定性控制装置（3）；其特征在于，所述的缝隙流稳定性控制装置（3）包括中心开有柱状观测腔（6）的主体结构（6A）和挡板（6B）；其中：

所述主体结构（6A）的一侧依次开有垂直于基底的注液腔（8A），为弧度取30～150°的环形圆柱腔体；注液腔（8A）与观测腔（7）之间的下方环状表面上，开有由5～30个柱状凹槽组成的导流槽阵列（8B），两侧端点与观测腔（7）中心形成的导流槽阵列（8B）弧度α为30～150°；

所述主体结构（6A）的另一侧依次开有垂直于基底的回收腔（9A），为弧度取30～150°的环形圆柱腔体；回收腔（9A）的环形边界两端开有2个内回收阻尼排孔（9B），为弧度取15～90°的环形排孔阵列，内回收阻尼排孔（9B）的内径和外径与回收腔（9A）相同；回收腔外侧开有外回收阻尼排孔（9C），为弧度取30～210°的环形排孔阵列；

注液腔（8A）与内回收阻尼排孔（9B）和外回收阻尼排孔（9C）不连通；

导流槽阵列（8B）与内回收阻尼排孔（9B）和外回收阻尼排孔（9C）不连通；

2）挡板（6B）：

为弧度取30～160°的环形片状结构，挡板（6B）的弧度不小于导流槽阵列（8B）的弧度；

所述的主体结构（6A）与设置在导流槽阵列（8B）下方的挡板（6B）之间为平面结合。

2. 根据权利要求1所述的缝隙流稳定性控制装置，其特征在于：导流槽阵列（8B）的槽口方向指向回收腔（9A）。

3. 根据权利要求1所述的缝隙流稳定性控制装置，其特征在于：导流槽阵列（8B）的槽口与对称面Q-Q截面距离越大，槽口延长线与回收腔（9A）的交点位置距离对称面越大。

4. 根据权利要求1所述的缝隙流稳定性控制装置，其特征在于：所述的内回收阻尼排孔（9B）和外回收阻尼排孔（9C）的孔径为0.1～2mm。

5. 根据权利要求1所述的缝隙流稳定性控制装置，其特征在于：所述的导流槽阵列（8B）的导流槽深度为0.2～3mm。

6. 根据权利要求1所述的缝隙流稳定性控制装置，其特征在于：所述内回收阻尼排孔（9B）中填充有孔隙率较大的多孔介质。

7. 根据权利要求1所述的缝隙流稳定性控制装置，其特征在于：所述外回收阻尼排孔（9C）中填充亲水较强性、孔隙率较小的多孔介质。

8. 根据权利要求1所述的缝隙流稳定性控制装置，其特征在于：所述注液腔、导流槽阵列的角度大于回收腔的角度。

9. 根据权利要求1所述的缝隙流稳定性控制装置，其特征在于：所述注液腔、导流槽阵列的角度小于回收腔的角度。

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