CN102566031A - 抗气泡液体控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗气泡液体控制装置，其特征在于，抗气泡液体控制装置是在透镜组和基底之间设置的装置，通过在注液腔和回收腔外围设置阻隔结构、液体密封带和辅助密封带，在维持液体更新带走气泡的同时抑制边界气泡的生成。阻隔结构可促使注液腔输入的液体更多的流向回收腔；液体密封带根据流场压力分布的特点，在注液腔和回收腔外围施加促使液体向内聚拢的非均匀液流，具备抑制泄漏和流动牵引双重作用；辅助密封带则用于基底快速运动工况下可能泄漏液体的吸收，并能对边界流场施加一定的液体补偿。此外，本装置采用与观测区域介质相同的液体，可避免不同流体介质之间的相互渗透与扩散，具备了良好可靠性和适应性。

Description

抗气泡液体控制装置

 

技术领域

本发明是涉及浸入式显微系统中的抗气泡液体控制装置，特别是涉及一种用于浸入式显微镜（Immersion Microscope）的抗气泡液体控制装置。

 

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。

在浸入式微纳观测过程中，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均一性。然而，液体中的气泡因对光波具有散射和衍射等作用，将改变光波的强度和传播路径，由此严重影响观测的质量与可靠性，需对其进行有效控制。

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，但难以有效的抑制观测过程中的气泡，主要存在以下几方面不足： 

1）间断供液的模式促使液体中气泡的产生。由于一次观测对应着一次供液和回收，因此基底上方的观测区域，伴随着观测与否表现为液相、气相、液相和气相不断交替出现的过程。在较高工作效率的工况下，这种气液两相的交替速率将进一步加快，易使得气体卷吸进液体中，由此产生气泡。采用在基底上的观测区域先滴液，而后将基底移动至物镜下方的方式（如参见日本专利JP2006243027A）可一定程度抑制气泡的混入，但因此却牺牲了工作效率。

2）观测区域的气泡滞留难以有效控制。由于液体不流动更新，伴随着观测的进行，流场内部和外围的污染不断向观测区域扩散并累积，形成细微污染物并驻留在界面上。若液体内出现气泡，容易在三相张力的作用下附着在界面污染物上，从而使得气泡长期存在并影响多次观测，严重降低了显微系统的可靠性。在观测之后增加物镜清洗工序（如参见日本专利JP2007065257A）将有助于抑制污染并减少气泡的滞留，但同时也降低了工作效率，间接增加了观测的成本。

3）为提高观测可靠性在液体外围施加的有压气体，成为了气泡的潜在来源。观测液体外围的有压气体主要有两类，一是为抑制外界有机物和粒子等污染物向液体扩散而在待液体外围施加的净化处理通风系统（如参见日本专利JP2007127939A），另一类是为避免液体泄漏而施加的密封气幕。在观测液体外围施加气体，将促使气体分子渗入到液体内；若液体边界不稳定，易导致液相破裂并由此产生气泡。

 

发明内容

本发明目的是提供一种抗气泡液体控制装置，在基底和物镜的末端元件之间维持液体更新带走气泡的同时，根据观测流场的压力分布特点，在其外围施加促使液体向内聚拢的液流，以抑制液体泄漏和边界气泡的产生。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明抗气泡液体控制装置，在透镜组和基底之间设置的抗气泡液体控制装置；其特征在于，所述的抗气泡液体控制装置包括中心开有柱状观测腔的主体结构；所述主体结构的一侧依次开有垂直于基底的注液腔，其为弧度取30～150°的环形圆柱腔体；和阻隔带，为弧度取30～150°的环形凸台；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；和隔离凸台，为弧度取30～150°的环形凸台；阻隔带随着与观测腔轴心线之间的距离增大，其外端面与引流槽阵列的环形内端面之间距离d变大。隔离凸台随着与观测腔轴心线之间距离增大，其内端面与回收腔的环形外端面之间距离变大。密封通道随着与Q-Q截面之间距离增大，其排孔的孔径变大、长度变长。密封通道的排孔阵列随着与Q-Q截面之间距离增大，分布密度减小。

密封通道外围设置有1～5组的辅助密封带，为同心圆的环形结构；过抗气泡液体控制装置中心、垂直基底方向的截面上，所述的辅助密封带下方为向外倾斜且上表面装有弹性膜的四边形缺口，四边形缺口内表面为亲水性表面；上方为腔体的流体释放腔，顶部开有排气孔；与四边形缺口相邻的主体结构下表面为憎水性表面。

本发明具有的有益效果是：

1）液体处于流动更新状态，可有效抑制气泡的产生与滞留。液体的连续流动，避免了单次观测结束后的液体抽离，大幅减少了气体介质在观测区域的存在时间，由此抑制观测区因气液两相替换引起的气泡生成。此外，液体的流动更新将带走流场内存在的污染，阻隔污染物向物镜表面的扩散与沉积，由此有效控制气泡的附着载体（即污染物），避免观测区域气泡的长期滞留。

2）流场外围采用与观测区域相同液体，形成促使液体向内聚拢的液流，避免有压气体作用下边界气泡的生成，可靠性好。该方案消除了有压气体对于流场边界的扰动与冲击，避免了由此导致的气泡生成，尤其适用于基底表面为憎水和频繁进行观测区域切换的工况。此外，流场外围的密封液流，由于采用与观测区域相同的液体，避免了不同流体介质之间的相互渗透与扩散；即使在极端工况下，发生外界密封液体被牵拉进观测流场内，仍不会对观测造成不利影响，因此具有良好可靠性和适应性。

3）优化的液体密封和供液结构，在液体有效更新的同时有助于形成稳定可靠的流场边界。基于流场压力分布特点，在流场外围施加促使边界液体向流场内部聚拢的非均匀液流，将有助于形成长效稳定的流场边界屏障。结合月牙形的导流结构，使得流场内部的液体流动更加顺畅。

 

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是本发明的密封原理示意图。

图5是本发明密封通道的优选结构方案（其为图2中沿着密封通道的中心连线形成的剖面）。

图6是示意性表征基底由中心向外运动时边界液体的自适应回收。

图7是示意性表征基底由外向中心运动时边界液体的自适应补偿。

 

图中：1、浸入式显微镜，2、透镜组，3、抗气泡液体控制装置，3A、主体结构，3B、挡圈，4、基底，5、目镜，6、观测腔，7A、注液腔，7B、回收腔，8、阻隔带，9、内引流槽阵列，10、隔离凸台，11、液体密封带，12、密封通道，13、外引流槽阵列，14、辅助密封带，15、缝隙流场，16、密封液体输出压力，17、憎水性表面，18、亲水性表面，19、弹性膜，20、流体释放腔，21、排气孔。

 

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抗气泡液体控制装置与透镜组的装配，在透镜组2和基底4之间设置的抗气泡液体控制装置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3示意性地表示了本发明实施方案的抗气泡液体控制装置，其包括中心开有柱状观测腔6的主体结构3A，所述主体结构3A的一侧依次开有垂直于基底4的注液腔7A，为弧度取30～150°的环形圆柱腔体；和阻隔带8，为弧度取30～150°的环形凸台，阻隔带8的下表面上开有由3～20个凹槽组成的内引流槽阵列9，凹槽的深度为0.1~1.5mm；以及密封通道12，为弧度取30～170°的环形圆柱排孔阵列，密封通道12下方靠近观测腔6的表面上开有由5～60个凹槽组成环形的外引流槽阵列13，凹槽的深度为0.1~1.5mm；优选的是内引流槽阵列9的凹槽槽口中心线与外引流槽阵列13的部分凹槽槽口中心线在同一条直线上，以利于密封液体从外引流槽阵列13输入后，顺利经过外引流槽阵列13作用在注液腔外围，形成密封液流。

所述主体结构3A的另一侧依次开有垂直于基底4的回收腔7B，为弧度取30～150°的环形圆柱腔体；和隔离凸台10，为弧度取30～150°的环形凸台；

主体结构3A与外引流槽阵列13之间平面结合有环形片状结构的挡圈3B，挡圈3B的内径不大于外引流槽阵列13内径，外径不小于外引流槽阵列13外径。

阻隔带8随着与观测腔6轴心线之间的距离增大，其外端面与引流槽阵列13的环形内端面之间距离d变大。隔离凸台10随着与观测腔6轴心线之间距离增大，其内端面与回收腔7B的环形外端面之间距离变大。

密封通道12随着与Q-Q截面之间距离增大，其排孔的孔径变大、长度变长。密封通道12的排孔阵列随着与Q-Q截面之间距离增大，分布密度减小。

密封通道12外围设置有1～5组的辅助密封带14，为同心圆的环形结构；过抗气泡液体控制装置3中心、垂直基底4方向的截面上（如图3截面），所述的辅助密封带14下方为向外倾斜且上表面装有弹性膜19的四边形缺口，四边形缺口内表面为亲水性表面18；上方为腔体的流体释放腔20，顶部开有排气孔21；与四边形缺口相邻的主体结构3A下表面为憎水性表面17。

流场初始化中，外界液体经由注液腔7A输入，流经观测腔6下方，在观测腔6和基底4之间的区域形成了缝隙流场15，随后从回收腔7B流走。实际应用中优选去气去离子水，以抑制供液中的气体夹带。为了促使更多液体从注液腔7A和回收腔7B之间流过，提高观测区域的液体更新率，在两侧分别设置阻隔带8和阻隔凸台10，同时通过设置液体密封带11和辅助密封带14来抑制液体的泄漏和边界气泡卷吸。

在液体密封带11的具体实施中，液体从密封通道12输入，经由外引流槽阵列13和内引流槽阵列9，作用在注液腔7A的外围，形成对抗液体向外泄漏的作用力。此外，在外引流槽阵列13下方设置挡圈3B，以促使密封通道12输入的液体形成向观测腔6下方流动的射流。

图4示意性的表示了本发明的密封原理图。由于注液腔7A正压力的作用，促使缝隙流场15的液体发生更新以带走污染。这也使得液体具备了向外泄漏的内在驱动力，并在注液腔7A的外侧表现的最为明显。本发明主要通过液体密封带11来抑制液体的泄漏，其具体实施主要体现在压力对抗、流动牵引和运动阻碍三种途径。首先，密封通道12输入的液体，经由外引流槽阵列13和内引流槽阵列9的引导作用，在注液腔7A外围形成了对抗液体泄漏的液流。其次，通过外引流槽阵列13结构设计，在注液腔7A上下两端形成弧形向内的射流，这不仅有助于在注液腔7A和回收腔7B的外围形成环形密封屏障，同时牵引注液腔7A外围液体向回收腔7B流动，从而减低了液体泄漏的内在动力。此外，阻隔带8和隔离凸台10抑制了注液腔7A和回收腔7B外围的液体泄漏。阻隔带8外端面与液体密封带11之间的距离为中间小两端大，以减小液体向两端流动的阻力，有助于外部循环流动的形成。此外，将隔离凸台10内端面与回收腔7B之间的距离设计为中间小两端大，增大了对外引流槽阵列13输入射流的阻碍作用；部分由于系统扰动而偏离预定方向的射流，因隔离凸台10的阻隔反射而从回收腔7B排走。

图5是本发明密封通道12的优选结构方案。环形的注液和回收结构，促使更多的液体向中间汇聚，以流经观测腔6的下方（即流场中心区域），因此具有液体更新效率高的优点，但这也使得注液腔7A附近显现中间压力大、两端压力小。基于管路越长、流阻越大、流动压降越高的事实，将密封通道12设置为中间短两端长，从而形成与注液腔7A外侧相对应中间大两端小的密封液体输出压力16，使得流场外围具有更加稳定可靠的密封性能。此外，为了增大液体密封带11上下两端起引流作用（如图4所示）液体的流量，优选密封通道12孔径设计成中间小两端大，这将有助于牵引更多液体至回收腔7B，从而抑制液体的泄漏。值得注意的是，孔径越小、流阻越大，密封通道12的管长和孔径优化选择是必要的。

图6是表征基底由中心向外运动时边界液体的自适应回收。为了进一步增强密封的可靠性，在液体密封带11的外围设置辅助密封带14，其作用是在基底4快速运动的极端恶劣工况下，吸收和补偿可能泄漏的部分液体。辅助密封带14主要由弹性膜19、流体释放腔20和排气孔21组成，接近基底的水平面优选为憎水性表面17，弹性膜19下方的倾斜面优选为亲水性表面18。在观测区域切换的极端工况下，基底快速从中心向外运动，液体可能突破液体密封带11，进入辅助密封带14。当液体流经憎水性表面17和亲水性表面18的接触区域时，界面亲憎水性质的突变增大了边界液膜抵抗液体泄漏的张力，此时液体更加倾向于向具有一定倾角且亲水性的表面流动，从而进入流体释放腔20，并导致弹性膜19向上凸起变形。流体释放腔20上方开有排气孔21，以促使液体向上流动更为顺畅。为了进一步提高密封的可靠性，可以设置多组辅助密封带14。

图7是表征基底由外向中心运动时边界液体的自适应补偿。伴随着基底4向流场中心的运动，储存在流体释放腔20内的液体在基底4的运动牵拉下，将向流场内部流动，从而实现液体的释放与补偿。液体的补偿，减少了边界气体卷吸的可能性，有助于抑制边界气泡的产生。值得注意的是，在实施中，回收腔7B的负压和外引流槽阵列13输入向流场中心的射流对流体释放腔20内的液体也具有一定的牵引作用，即使在基底静止工况下，弹性膜19下方的液体也会在这些作用下逐渐向流场内部释放，避免了辅助密封带14内液体长期存在可能引起的泄漏。

Claims (10)

1.一种抗气泡液体控制装置，在透镜组（2）和基底（4）之间设置的抗气泡液体控制装置（3）；其特征在于，所述的抗气泡液体控制装置（3）包括中心开有柱状观测腔（6）的主体结构（3A）；所述主体结构（3A）的一侧依次开有垂直于基底的注液腔（7A），其为弧度取30～150°的环形圆柱腔体；和阻隔带（8），为弧度取30～150°的环形凸台；所述主体结构（3A）的另一侧依次开有垂直于基底的回收腔（7B），为弧度取30～150°的环形圆柱腔体；和隔离凸台（10），为弧度取30～150°的环形凸台。

2.根据权利要求1所述的抗气泡液体控制装置，其特征在于：所述阻隔带（8）的下表面上开有由3～20个凹槽组成的内引流槽阵列（9）。

3.根据权利要求1或2所述的抗气泡液体控制装置，其特征在于：所述主体结构（3A）与阻隔带（8）同一侧还设有密封通道（12），为弧度取30～170°的环形圆柱排孔阵列，密封通道（12）下方靠近观测腔（6）的表面上开有由5～60个凹槽组成环形的外引流槽阵列（13）。

4.根据权利要求3所述的抗气泡液体控制装置，其特征在于：所述主体结构（3A）与外引流槽阵列（13）之间平面结合有环形片状结构的挡圈（3B），挡圈（3B）的内径不大于外引流槽阵列（13）内径，外径不小于外引流槽阵列（13）外径。

5.根据权利要求4所述的抗气泡液体控制装置，其特征在于：所述的阻隔带（8）随着与观测腔（6）轴心线之间的距离增大，其外端面与引流槽阵列（13）的环形内端面之间距离（d）变大。

6.根据权利要求4所述的抗气泡液体控制装置，其特征在于：所述的隔离凸台（10）随着与观测腔（6）轴心线之间距离增大，其内端面与回收腔（7B）的环形外端面之间距离变大。

7.根据权利要求4所述的抗气泡液体控制装置，其特征在于：所述的密封通道（12）随着与对称面Q-Q截面之间距离增大，其排孔的孔径变大、长度变长。

8.根据权利要求4所述的抗气泡液体控制装置，其特征在于：所述的密封通道（12）的排孔阵列随着与对称面Q-Q截面之间距离增大，分布密度减小。

9.根据权利要求4所述的抗气泡液体控制装置，其特征在于：在所述的密封通道（12）外围设置有1～5组的辅助密封带（14），为同心圆的环形结构；过抗气泡液体控制装置（3）中心、垂直基底（4）方向的截面上，所述的辅助密封带（14）下方为向外倾斜且上表面装有弹性膜（19）的四边形缺口，四边形缺口内表面为亲水性表面（18）；上方为腔体的流体释放腔（20），顶部开有排气孔（21）；与四边形缺口相邻的主体结构（3A）下表面为憎水性表面（17）。

10.根据权利要求4所述的一种抗气泡液体控制装置，其特征在于：所述内引流槽阵列（9）的凹槽槽口中心线与外引流槽阵列（13）的部分凹槽槽口中心线在同一条直线上。

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