专利名称：一种浸入式显微镜的缝隙流控制装置的制作方法
技术领域：
本发明是涉及浸入式显微系统中缝隙流控制装置，特别是涉及一种用于浸入式显微镜(Immersion Microscope)的缝隙流控制装置。
背景技术:
在半导体等行业，对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其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)之间的薄层缝隙中填充纯水等液体，形成液膜，以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，但存在以下一些不足，主要表现为:
I)间断供液方式易导致污染的累积，影响观测的可靠性。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向观测区域不断的扩散并累积，液体质量将面临恶化。这将改变液体的性质，并引起微纳观测的成像失真。2)伴随着流场内部污染的累积，污染物向物镜表面不断的沉积，将严重影响观测质量。在观测之后增加物镜清洗工序(如参见日本专利JP2007065257A)将有助于获得洁净的物镜表面，但却因此降低了工作效率，间接增加了观测的成本。促使液体流动更新(例如参见中国专利201210036504.X)可带走污染物，有助于上述问题的解决。最典型的液体更新方式是正压供液、负压回收，即通过一定压力供给液体，同时在另一侧施加负压实施回收，由此推动液体有序的流经观测区域。然而，如何保持液体边界高度稳定并避免泄漏成为了一个新的难点。供液端附近液体因受供液压力影响而存在迫使其向外泄漏的正压，这种压力伴随着基底牵拉液体向该方向的运动而进一步上升，由此易引发泄漏。泄漏的液体在基底表面干燥后将形成水迹缺陷，破坏观测表面的已有结构，危害性大。采用在液体外围施加有压气体可抑制液体的泄漏，但却增加了边界的扰动(如气液两相流)，同时易带来气泡卷吸、破坏液体均一性等问题。
发明内容: 本发明的目的是提供一种用于浸入式显微镜的缝隙流控制装置，在基底和物镜的末端元件之间实时更新液体的同时，伴随着基底运动方向和强度的改变，能够自适应的调节各方向输入的液体流量，以获得稳定可靠的流场边界。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下: 本发明用于浸入式显微镜中的缝隙流控制装置，在透镜组和基底之间设置的缝隙流控制装置，其特征在于，所述的缝隙流控制装置中心开有柱状的观测腔， 垂直于基底向外依次开有供液孔和回收腔； 供液孔，为以观测腔中心为圆心的环形柱状排孔阵列，其孔径为0.5^3mm ； 回收腔，为8个等分且弧度取15 40°的环形柱状腔体； 供液孔的上方开有垂直于基底且为环形柱状的供液腔；在供液腔和供液孔之间，开有为环形柱状排孔阵列的过渡区供液孔，过渡区供液孔与供液孔数量相同且共轴心，其孔径小于供液孔孔径； 供液腔和供液孔之间设置有供液单向阀，过缝隙流控制装置中心、垂直于基底方向上截面为梯形结构，靠近供液腔方向的边长小于靠近供液孔方向的边长；供液单向阀通过弹簧固连在供液终端紧固件上，供液终端紧固件通过粘贴或螺栓紧固方式与缝隙流控制装置的上表面向连接； 回收腔的上方，垂直于回收腔向外开有8个均匀分布且为柱状的回收孔，孔径为I^mm ;回收孔向外开有环形柱状的外回收腔； 回收孔和外回收腔之间设置有回收单向阀，过缝隙流控制装置中心、垂直于基底方向上截面为梯形结构，靠近回 收孔方向的边长小于靠近外回收腔方向的边长；回收单向阀通过弹簧固连在回收终端紧固件上，回收终端紧固件通过粘贴或螺栓紧固方式与缝隙流控制装置的外表面向连接；缝隙流控制装置远离中心的外表面开有广20个孔状的出液口。
所述缝隙流控制装置下表面设有2飞组的隔离槽阵列；隔离槽阵列为同心圆的环形结构，过缝隙流控制装置中心、垂直于基底方向上的截面为矩形缺口，矩形缺口中远离缝隙流控制装置下表面的为亲液性表面，垂直于缝隙流控制装置下表面的为疏液性表面。
所述的缝隙流控制装置位于供液孔和回收腔之间的下表面比供液孔的下表面距离基底低0.Γ0.6mm ;所述的隔离槽阵列的下表面比供液孔的下表面距离基底低0.8 2mm。
所述的过渡区供液孔的孔径大小为0.3^2.5mm。
所述的隔离槽阵列，相邻隔离槽之间的间隔为f 10mm。
以观测腔中心为圆心且为环形柱状排孔阵列的供液孔，在8个等分弧度的环形位置有设置高密度供液孔，环形位置的其余部分设置有低密度供液孔。
以观测腔中心为圆心且为环形柱状排孔阵列的供液孔，在8个等分弧度的环形位置上设置有大孔径供液孔，环形位置的其余部分设置有小孔径供液孔。
本发明的有益效果是: I)液体的连续流动更新，有利于实现长期高质量的观测。液体的流动更新，将实时带走流场内的污染物，并可抑制污染向物镜表面的扩散和沉积，系统因此获得了长期连续工作的能力。2)伴随基底运动自适应调整液体的输入和回收，促使形成均一的液体流动，尤其适用于基底高速运动的工况。在基底运动状态下，液体进出端的开口大小会自适应的改变，使得液流方向与基底运动方向动态保持一致，避免了传统恒定方向供液方式中基底运动与供液流动形成的液体对流，从而获得了最佳的液体更新状态。3)缝隙流内部压力小，边界可靠稳定性强。该装置液体流动主要通过基底运动形成的剪切流驱动，相比于传统正压注液大幅降低液体内部的压力，由此削弱了液体向外泄漏的内驱力。特别对于微缝隙的流动，采用该装置可有效保持液体低压和边界稳定。4)无气体密封，避免外界有压气体对液体边界的干扰，同时消除了气体卷吸进流场所形成的气泡及其导致的观测失真。
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图1是本发明与透镜组相装配的简化示意 图2是本发明的仰视 图3是本发明的P-P剖面视 图4是本发明的Q-Q剂面视 图5是表征典型工况下液体的流动状态；
图6是表征随基底运动的自适应液体更新原理；
图7是表征提升液体更新可靠性的第一实施例；
图8是表征提升液体更新可靠性的第二实施例；
图9是表征基底由观测区向隔离槽阵列方向运动时的液流状态；
图中:1、浸入式显微镜，2、透镜组，3、缝隙流控制装置，4、基底，5、目镜，6、观测腔，7A、供液腔，7B、供液孔，7C、过渡区供液孔，7D、供液单向阀，7E、弹簧，7F、供液终端紧固件、7G、尾端供液单向阀，7H、前端供液单向阀，8A、回收腔，8B、回收孔，8C、外回收腔，8D、回收单向阀，8E、弹簧，8F、回收终端紧固件，8G、出液口，8H、尾端回收单向阀，81、前端回收单向阀，9、缝隙流，10、隔离槽阵列，11、剪切流速度分布，12、供液源，13、静止液流，14、缝隙厚度，15A、输入液体，15B、液体流线，16、典型基底运动方向，17A、高密度供液孔，17B、低密度供液孔，18A、大孔径供液孔，18B、小孔径供液孔，19、亲液性表面，20、疏液性表面。
具体实施方式
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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之间设置的缝隙流控制装置3，可在浸入式显微镜I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上方的薄层液体(图中未给出)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控制装置3，中心开有柱状的观测腔6， 垂直于基底4向外依次开有供液孔7B，回收腔8A和2飞组位于缝隙流控制装置3下表面的隔离槽阵列10 ； 供液孔7B，为以观测腔6中心为圆心的环形柱状排孔阵列，其孔径为0.5^3mm ； 回收腔8A，为8个等分且弧度取15 40°的环形柱状腔体； 隔离槽阵列10，为同心圆的环形结构，过缝隙流控制装置3中心、垂直于基底4方向上截面为矩形缺口，矩形缺口中远离缝隙流控制装置3下表面的为亲液性表面19，垂直于缝隙流控制装置3下表面的为疏液性表面20 ； 供液孔7B的上方开有垂直于基底4且为环形柱状的供液腔7A ;在供液腔7A和供液孔7B之间，开有为环形柱状排孔阵列的过渡区供液孔7C，过渡区供液孔7C与供液孔7B数量相同且共轴心，其孔径小于供液孔7B孔径； 供液腔7A和供液孔7B之间设置有供液单向阀7D，过缝隙流控制装置3中心、垂直于基底4方向上截面为梯形结构，靠近供液腔7A方向的边长小于靠近供液孔7B方向的边长；供液单向阀7D通过弹簧7E固连在供液终端紧固件7F上，供液终端紧固件7F通过粘贴或螺栓紧固方式与缝隙流控制装置3的上表面向连接；供液终端紧固件7F起到了是约束供液单向阀7D的作用，不影响外界输入液体经由供液腔7A进入过渡区供液孔7C ； 回收腔8A的上方，垂直于回收腔8A向外开有8个均匀分布且为柱状的回收孔SB，孔径为5mm ;回收孔8B向外开有环形柱状的外回收腔8C ； 回收孔8B和外回收腔SC之间设置有回收单向阀8D，过缝隙流控制装置3中心、垂直于基底4方向上截面为梯形结构，靠近回收孔8B方向的边长小于靠近外回收腔8C方向的边长；回收单向阀8D通过弹簧SE固连在回收终端紧固件8F上，回收终端紧固件8F通过粘贴或螺栓紧固方式与缝隙流控制装置3的外表面向连接；缝隙流控制装置3远离中心的外表面开有I 20个孔状的出液口 8G。
所述的缝隙流控制装置3位于供液孔7B和回收腔8A之间的下表面比供液孔7B的下表面距离基底4低0.Γ0.6mm ;所述的隔离槽阵列10的下表面比供液孔7B的下表面距离基底4低0.8 2mm。
所述的过渡区供液孔7C的孔径大小为0.3^2.5mm。
所述的隔离槽阵列10，相邻隔离槽之间的间隔为f 10mm。
以观测腔6中心为圆 心且为环形柱状排孔阵列的供液孔7B，在8个等分弧度的环形位置有设置高密度供液孔17A，环形位置的其余部分设置有低密度供液孔17B。
以观测腔6中心为圆心且为环形柱状排孔阵列的供液孔7B，在8个等分弧度的环形位置上设置有大孔径供液孔18A，环形位置的其余部分设置有小孔径供液孔18B。
流场初始化中，在低供液压力作用下供液单向阀7D和回收单向阀8D适当开启，从外界管路接入的液体依次经由供液腔7A、过渡区供液孔7C和供液孔7B，在观测腔6和基底4之间的区域形成缝隙流9，随后依次从回收腔8A、回收孔SB、外回收腔SC，最终通过出液口8G实现回收。供液单向阀7D和回收单向阀8D可具有一定的锥度，调节弹簧7E和弹簧8E的预压缩量，设定供液单向阀7D和回收单向阀8D的开启压力处于较小值(如小于lKPa)，由此在低压情况下液体也能有效流动。
图5示意性的表示了本发明在典型工况下液体的流动状态。基底的快速运动是获得高检测效率的前提，因此围绕该状态进行分析。当基底运动时，液体粘性力的作用使得靠近基底的液体以接近基底的速度发生运动，形成剪切流动，其剪切流速度分布11如图5所示。当剪切流从左向右流动时，处在缝隙流9左侧的液体量减少，引发压力/7下降；相反右侧液体量增大并受到壁面的阻碍作用，导致压力/7上升，缝隙流9内部的压力分布因此发生改变。本发明能快速适应流场压力的变化，并形成与之相适应的流动。为了便于分析，将供液单向阀7D细分为处于剪切流后方的尾端供液单向阀7G和处于剪切流前方的前端供液单向阀7H，同理有尾端回收单向阀8H和前端回收单向阀81。在典型工况下(如图5)，左侧压力下降，使得尾端回收单向阀8H关闭、尾端供液单向阀7G开口增大，更多来自供液源12的液体迅速补充，促使形成与基底运动方向相同的液体流动。同时由于右侧压力上升，使得前端回收单向阀81打开、前端供液单向阀7H关闭，右端上方供液停止并形成静止液流13，液体因此迅速从前端回收单向阀81排走。由此可见，伴随着基底的运动，本发明将实时形成与之自适应的流动。缝隙流流动方向与基底运动方向基本一致，液体更新顺畅、阻力小。这种伴随基底运动自适应改变液体流动的结果，使得系统所需的供液压力小，尤其在微厚度缝隙流动下表现出明显的优势。通过经典的压差流(即Poiseuille flow)计算公式可知，在参数不变情况下，驱动液体流动的压差和缝隙厚度14的平方成反比。传统通过压差驱动实现供液的方式，需要高压力才能保证微缝隙液流的可靠更新，而高压力常伴随着物镜变形和应力双折射效应等问题，导致观测质量差。本发明避免了这些问题，在微缝隙下的显微观测中仍能具备较强的可靠性。图6进一步说明本发明随基底运动的自适应液体更新原理。如图6 (a)，伴随基底向右运动，结合图5可知观测腔6左侧的缝隙流压力下降，这促使更多液体从供液孔7B中输出进入观测区域。由于供液孔7B围绕观测腔6呈环形分布，因而所有供液孔7B输入液体15A将向观测区域的中心汇聚，不仅加大液体更新速度，同时体流线15B的一致性好。基于相同的原理，若基底沿其它方向发生运动(如沿方向，见图6 (b))，同样将形成与基底运动方向一致的液体流动。这种自适应的流动有着重要意义，由于实际观测中常需改变基底运动方向以实现对不同位置的观测，本装置可实时根据基底运动自动调整液流方向，且流速高、阻力小，因此适应性好。图7、图8给出了提升液体更新可靠性的两个实施例。通常间隔45度的8个典型基底运动方向16已能满足绝大多数观测的需求，可在相应的8个方向上设置高密度供液孔17A，其它方向上设置低密度供液孔17B，利用高密度供液孔的大流量输出特点提升基底典型运动状态下液流供给的快速性。基于同样的目的，可将高密度供液孔17A替换为大孔径供液孔18A，将低密度供液孔17B替换为小孔径供液孔18B，也可增强供液的快速性。图9表示基底向隔离槽阵列10方向运动时液体边缘的流动状态。粘性力的作用，使得液体随基底牵拉发生运动并在缝隙流边界受到挤压，由此成为潜在的泄漏源。为了有效束缚住液体，在回收腔8A的外围设置隔离槽阵列10，同时将其垂直于基底4的表面做成亲液性表面19，将平行于基底4的表面做成带表面微结构的疏液性表面20。利用亲疏液界面突变形成的强表面张力，强化对边界液体的束缚。在具体实施中，可通过其它途径来进一步提升装置响应的快速性，如在隔离槽阵列10的表面安装压电薄膜(如PVDF压电膜)。当基底牵拉液体向外运动时，液体压力上升并作用在压电薄膜上，由此输出压力变化并结合电控来自适应调整回收单向阀8D的开度。例如液体边界压力上升较大时，压电膜反馈电信号并迅速增大回收单向阀8D的开口量，使得内部液体压力下降，从而降低液体泄漏的内在动力，获得更加稳定的液体边界。
本发明的有益效果是: I)液体的连续流动更新，有利于实现长期高质量的观测。液体的流动更新，将实时带走流场内的污染物，并可抑制污染向物镜表面的扩散和沉积，系统因此获得了长期连续工作的能力。
2)伴随基底运动自适应调整液体的输入和回收，促使形成均一的液体流动，尤其适用于基底高速运动的工况。在基底运动状态下，液体进出端的开口大小会自适应的改变，使得液流方向与基底运动方向动态保持一致，避免了传统恒定方向供液方式中基底运动与供液流动形成的液体对流，从而获得了最佳的液体更新状态。
3)缝隙流内部压力小，边界可靠稳定性强。该装置液体流动主要通过基底运动形成的剪切流驱动，相比于传统正压注液大幅降低液体内部的压力，由此削弱了液体向外泄漏的内驱力。特别对于微缝隙的流动，采用该装置可有效保持液体低压和边界稳定。
4)无气体密封，避免外界有压气体对液体边界的干扰，同时消除了气体卷吸进流场所形成的气泡及其导致的观测失真。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种用于浸入式显微镜中的缝隙流控制装置，在透镜组(2)和基底(4)之间设置的缝隙流控制装置(3);其特征在于:所述的缝隙流控制装置(3)中心开有柱状的观测腔(6)， 垂直于基底(4)向外依次开有供液孔(7B)和回收腔(8A)； 供液孔(7B)，为以观测腔(6)中心为圆心的环形柱状排孔阵列，其孔径为0.5^3mm ； 回收腔(8A)，为8个等分且弧度取15 40°的环形柱状腔体； 供液孔(7B)的上方开有垂直于基底(4)且为环形柱状的供液腔(7A);在供液腔(7A)和供液孔(7B)之间，开有为环形柱状排孔阵列的过渡区供液孔(7C)，过渡区供液孔(7C)与供液孔(7B)数量相同且共轴心，其孔径小于供液孔(7B)孔径； 供液腔(7A)和供液孔(7B)之间设置有供液单向阀(7D)，过缝隙流控制装置(3)中心、垂直于基底(4)方向上截面为梯形结构，靠近供液腔(7A)方向的边长小于靠近供液孔(7B)方向的边长；供液单向阀(7D)通过弹簧(7E)固连在供液终端紧固件(7F)上，供液终端紧固件(7F)通过粘贴或螺栓紧固方式与缝隙流控制装置(3)的上表面向连接； 回收腔(8A)的上方,垂直于回收腔(8A)向外开有8个均勻分布且为柱状的回收孔(8B)，孔径为I飞mm ;回收孔(8B)向外开有环形柱状的外回收腔(8C)； 回收孔(8B)和外回收腔(SC)之间设置有回收单向阀(8D)，过缝隙流控制装置(3)中心、垂直于基底(4)方向上截面为梯形结构，靠近回收孔(SB)方向的边长小于靠近外回收腔(8C)方向的边长；回收单向阀(8D)通过弹簧(8E)固连在回收终端紧固件(8F)上，回收终端紧固件(8F)通过粘贴或螺栓紧固方式与缝隙流控制装置(3)的外表面向连接；缝隙流控制装置(3)远离中心的外表面开有f 20个孔状的出液口(SG)。
2.根据权利要求1所述的一种用于浸入式显微镜中的缝隙流控制装置，其特征在于:所述缝隙流控制装置(3)下表面设有2飞组的隔离槽阵列(10);隔离槽阵列(10)为同心圆的环形结构，过缝隙流控制装置(3)中心、垂直于基底(4)方向上的截面为矩形缺口，矩形缺口中远离缝隙流控制装置(3)下表面的为亲液性表面(19)，垂直于缝隙流控制装置(3)下表面的为疏液性表面(20)。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于浸入式显微镜中的缝隙流控制装置，其特征在于:所述的缝隙流控制装置(3)位于供液孔(7B)和回收腔(8A)之间的下表面比供液孔(7B)的下表面距离基底(4)低0.1~0.6mm ;所述的隔离槽阵列(10)的下表面比供液孔(7B)的下表面距离基底(4)低0.8 2mm。
4.根据权利要求3所述的一种用于浸入式显微镜中的缝隙流控制装置，其特征在于:所述的过渡区供液孔(7C)的孔径大小为0.3~2.5mm。
5.根据权利要求4所述的一种用于浸入式显微镜中的缝隙流控制装置，其特征在于:所述的隔离槽阵列(10)，相邻隔离槽之间的间隔为1~lOmm。
6.根据权利要求5所述的一种用于浸入式显微镜中的缝隙流控制装置，其特征在于:以观测腔(6)中心为圆心且为环形柱状排孔阵列的供液孔(7B)，在8个等分弧度的环形位置有设置高密度供液孔(17A)，环形位置的其余部分设置有低密度供液孔(17B)。
7.根据权利要求6所述的一种用于浸入式显微镜中的缝隙流控制装置，其特征在于:以观测腔(6)中心为圆心且为环形柱状排孔阵列的供液孔(7B)，在8个等分弧度的环形位置上设置有大孔径供液孔(18A)，环形位置的其余部分设置有小孔径供液孔(18B)。
全文摘要
本发明公开了一种浸入式显微镜的缝隙流控制装置，缝隙流控制装置是在透镜组和基底之间设置的装置，中心开有观测腔并向外依次设置有供液孔、回收腔、回收孔和隔离槽阵列等。供液孔均匀分布在观测腔外围的环形区域，并通过供液单向阀与供液腔相连接，回收孔则通过回收单向阀与外回收腔相连接。当基底运动时，在液体粘性作用下形成液流，并导致缝隙流内部压力分布发生改变，上述各单向阀可自适应调节开度从而获得与基底运动方向动态一致的液流，最终实现最佳的液体更新状态。本发明的缝隙流动主要通过基底运动形成的剪切流驱动，因此可有效保持液体低压和边界稳定，尤其适用于微缝隙和基底高速运动的工况。
文档编号G02B21/33GK103149672SQ20131011928
公开日2013年6月12日 申请日期2013年4月9日 优先权日2013年4月9日
发明者陈晖 申请人:福州大学