专利名称：一种缝隙流动态维持装置的制作方法
技术领域：
本发明是涉及浸入式显微系统中的缝隙流动态维持装置，特别是涉及一种用于浸入式显微镜(Immersion Microscope)的缝隙流动态维持装置。
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)之间的薄层缝隙中填充纯水等液体，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间的局部区域内。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，然而该方案存在明显不足。首先是污染物易累积，观测可靠性有待提高。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物向观测区域和物镜下表面不断的扩散并累积，这将引起微纳观测的成像失真。其次是检测效率低，由于间断性供液模式难以实现连续性的检测，因此对较大面积的基底(如12英寸硅片)进行全面检测时需花费大量的时间，这使得其越来越难以满足待测基底尺度不断增大这一发展趋势的要求。
结合液体的流动更新和基底的快速运动，可大幅提升检测的效率。一方面通过进出口压差驱动液体流动带走污染物、提高观测区域的均一性(例如参见中国专利201210036522.8);另一方面通过基底的实时快速运动，实现不同区域连续性的观测。基底的快速运动提高了检测的效率，却加大液体的污染并降低观测可靠性，主要体现在: I)基底运动引发污染物回流，影响观测质量。在粘性力作用下，运动的基底将带动液体形成剪切流动，其与供液驱动的压差流方向相反时，液体内部将不可避免的发生回流，即离开观测区域的带污染物液体再次或多次进入该区域，从而严重影响观测质量。填充在物镜和基底之间的液体实质上起到的是投影物镜的作用，对其均一性有着极高的要求。然而基底待观测表面及其外围常存在着一定程度的污染，伴随着对不同位置的连续性观测，液体极易被污染，若发生回流，将破坏观测区液体的均一性，并恶化观测质量。
2)基底运动引发的回流易导致污染沉积，由此造成持续的观测失真。污染物在经过回流之后，更加接近于物镜下表面，更易吸附在物镜表面，将造成长期的危害。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。
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动态维持装置，在基底和物镜的末端元件之间实时更新液体的同时，通过非均匀供液和回流液体的吸收及补偿设计，以获得动态稳定的均匀流场。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下:
在透镜组和基底之间设置的缝隙流动态维持装置；所述的缝隙流动态维持装置中心开有柱状的观测腔，
1)垂直于基底向外，一侧依次开有:
注液排孔阵列，为2 6组弧度取60 150°环形柱状排孔阵列，其孔径范围是0.1 2mm ；
注液腔，为弧度取60 150°环形柱状腔体；
注液端吸液排孔，为I 3组弧度取60 130°的环形圆柱排孔阵列，其孔径范围是0.1 L 5mm ；
2)垂直于基底向外，另一侧依次开有:
回收排孔阵列，为2 6组弧度取60 150°环形柱状排孔阵列，其孔径范围是0.1 2mm ；
回收腔，为弧度取60 150°环形柱状腔体；
回收端补液排孔，为广3组弧度取60 130°的环形圆柱排孔阵列，其孔径范围是0.05^0.8mm ；
过缝隙流控制装置中心、垂直于基底的截面上，注液腔及注液排孔阵列与基底的夹角均为α角且大小范围是1(Γ90°，回收腔及回收排孔阵列与基底的夹角均为β角且大小范围是10 90°。所述的注液排孔阵列，为同心圆的环形结构，同一圆环位置上的孔径相等，注液排孔阵列的孔径随圆环半径的增大而增大。所述的回收排孔阵列，为同心圆的环形结构，同一圆环位置上的孔径相等，回收排孔阵列的孔径随圆环半径的增大而增大。所述的注液排孔阵列和回收排孔阵列的下表面距离缝隙流动态维持装置下表面
0.5 5mm。所述的注液排孔阵列孔径为注液端吸液排孔孔径的1.5^2倍。所述的回收排孔阵列孔径为回收端补液排孔孔径的2 3倍。垂直于基底、注液腔及回收腔的中心连线，沿法向中线向外，开有侧端面吸液排孔，为广3组弧度取30 80°的环形圆柱排孔阵列，其孔径范围是0.05 lmm。本发明具有的有益效果是:
I)液体持续更新，具备了高质量的长期观测能力。通过液体流动实时更新，有助于液体保持洁净。相比于间断供液方式，可有效提高长时间观测下的观测质量。2)通过独特的供液回收结构设计，获得具有强抗回流能力的观测区流场。通过供液腔体和非均匀排孔相结合的液体输送方案，在观测区域内形成大范围同方向的强液流，从而有效抑制回流对观测区域液流的干扰。3)利用吸收及补偿通道实时排走回流液体，从源头上抑制回流，流动均一性好、观测质量高。由于液体存在粘性，基底运动将牵拉液体形成剪切流动，其与供液流动耦合后将导致无法避免的液体回流。通过在观测区外围设置回流液体的吸收及补偿通道，形成屏障避免被污染的液体回流到观测区，因此液体均一稳定且消除了物镜的二次污染，可实现长期持续的可靠观测。
:
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是表征基底向回收端方向运动时的液体更新原理；
图5是表征基底向注液端方向运动时的液体更新原理；
图6是表征基底向注液端方向运动时的外围回流液体吸收；
图7是表征基底沿法向中线方向运动时的回流液体吸收；
图中:1、浸入式显微镜，2、透镜组，3、缝隙流动态维持装置，4、基底，5、目镜，6、观测腔，7A、注液腔，7B、注液排孔阵列，7C、回收端补液排孔，8A、回收腔，8B、回收排孔阵列，8C、注液端吸液排孔，8D、侧端面吸液排孔，9、缝隙流，10、基底运动方向，11A、入口液流，11B、观测中心液流，11C、出口液流，12、注液端补偿液流，13、回收端液体回流，14A、注液端液体回流，14B、注液端液体对流，15、回收端液体对流，16、径向中线，17、法向中线，18、流速分布，19、侧面液流，20、排孔液流。
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动态维持装置与透镜组的装配，在透镜组2和基底4之间设置的缝隙流动态维持装置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上方的缝隙液膜(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3示意性地表示了本发明实施方案的缝隙流动态维持装置，中心开有柱状的观测腔6，
O垂直于基底4向外,一侧依次开有:
注液排孔阵列7B，为2 6组弧度取60 150°环形柱状排孔阵列，其孔径范围是
0.1 2mm ；
注液腔7A，为弧度取60 150°环形柱状腔体；
注液端吸液排孔SC，为I 3组弧度取60 130°的环形圆柱排孔阵列，其孔径范围是 0.1 L 5mm ； 2)垂直于基底4向外，另一侧依次开有: 回收排孔阵列SB，为2 6组弧度取60 150°环形柱状排孔阵列，其孔径范围是0.1 2mm ； 回收腔8A，为弧度取60 150°环形柱状腔体； 回收端补液排孔7C，为广3组弧度取60 130°的环形圆柱排孔阵列，其孔径范围是0.05^0.8mm ； 过缝隙流控制装置3中心、垂直于基底4的截面上，注液腔7A及注液排孔阵列7B与基底4的夹角均为α角且大小范围是1(Γ90°，回收腔8Α及回收排孔阵列8Β与基底4的夹角均为β角且大小范围是1(Γ90°。
注液排孔阵列7Β，为同心圆的环形结构，同一圆环位置上的孔径相等，注液排孔阵列7Β的孔径随圆环半径的增大 而增大。
回收排孔阵列SB，为同心圆的环形结构，同一圆环位置上的孔径相等，回收排孔阵列8Β的孔径随圆环半径的增大而增大。
注液排孔阵列7Β和回收排孔阵列SB的下表面距离缝隙流动态维持装置3下表面0.5 5mm。
注液排孔阵列7B孔径为注液端吸液排孔SC孔径的1.5^2倍。
回收排孔阵列SB孔径为回收端补液排孔7C孔径的2 3倍。
垂直于基底4、注液腔7A及回收腔8A的中心连线，沿法向中线17向外，开有侧端面吸液排孔8D，为广3组弧度取30 80°的环形圆柱排孔阵列，其孔径范围是0.05 lmm。
流场初始化中，从外界管路接入的液体在一定压力作用下同时经由注液腔7A和注液排孔阵列7B输入，在基底4和观测腔6之间的区域形成缝隙流9，随后从回收腔8A和回收排孔阵列8B实现回收。为了促使液体更加快速的流动，注液回收腔体及排孔与基底可存在向外倾斜的角度(α、β )，优选的角度范围为5(Γ80度，同时排孔的孔径由外向内逐渐减小。这种大范围渐进变化的供液方式，促进在观测区域形成均匀的大流量液流，从而使本发明所生成的缝隙流具备较强的抗外界干扰能力。此外，在外围设置回收端补液排孔7C和注液端吸液排孔8C，及时补偿并吸收由于基底运动形成的液体回流，进一步保障观测区的液体均一性、提升观测质量。
图4表示基底向回收端方向运动时本发明的液体更新原理。此时入口液流IlA和出口液流Iic形成的压差流动，与基底运动方向10近似相同，因此观测中心液流IlB流动方向一致性好、液体更新效率高。除中心流动外，注液腔7Α输入的外侧部分液体形成了注液端补偿液流12，从而对抗注液端外围有可能被牵拉进观测区域的液体，这部分液体最终通过注液腔吸液排孔8C实施回收。在回收腔8Α外侧，基底牵拉运动的液体由于受到壁面阻碍，必然形成回收端液体回流13 ;本发明通过回收端补液排孔7C输入液体，促使这部分流经过观测区域的液体尽快的从回收腔8Α排走。
图5表示基底向注液端方向运动时本发明的液体更新原理。此时基底运动形成的剪切流动与注液回收形成的压差流动二者方向相反，观测中心液流IlB因此呈现不同方向的分层流动，将引发较强的液体回流，并导致观测质量的下降。仔细分析缝隙流动可知，接近基底的液体在粘性力作用下随基底发生运动，在受到壁面阻碍后形成注液端液体回流14A。这部分液体极易在注液腔7A向内液流的带动作用下回流到观测区域，恶化观测质量。在本发明中，通过在注液腔7A外围设置注液端吸液排孔8C，使得注液腔7A输入的部分液体形成注液端液体对流14B以对抗回流，最终迫使回流的液体从注液端吸液排孔8C排走，由此从源头上抑制了回流。基于同样的原理，回收端补液排孔7C在另一侧形成回收端液体对流15，促使相应的回流液体从回收腔8A排走。
图6，图7从仰视图角度分析本发明对侧边液体的吸收原理，及分析该位置可能发生回流的消除原理。在具体实施中，除沿径向中线16左右两端的回流之外，法向中线17上下两端的液体若不能及时吸收也可能引发回流现象。如图6，取基底4向注液腔7A方向运动这种恶劣工况为例，此时液体的流速分布18—致性差。由于受到基底运动所形成液流的阻碍，部分液体向着法向中线17两端流动，形成侧面液流19并最终被侧端面吸液排孔8D吸收，消除了其再次进入观测区域的可能性。与此同时，观测区域外的其它液体也都快速有效的被回收，注液腔7A两端的输出液体通过注液端吸液排孔8C实施回收，回收端补液排孔7C输入的排孔液流20则通过回收腔8A回收。另外一种典型工况是基底沿法向中线17(即垂直注液回收端方向)运动，此时基底运动促使更多从注液腔体及排孔输入的液体倾向于沿基底运动方向流动，最后被侧端面吸液排孔8D吸收。侧端面吸液排孔8D的孔径选择不能太大，以避免对观测区域正常流动的干扰。具体实施中，若基底沿法向中线17的运动工况较频繁，则可适当增大侧端面吸液排孔8D的密度和孔径，以便提升该工况下液体的吸收效率。
本发明具有的有益效果是: I)液体持续更新，具备了高质量的长期观测能力。通过液体流动实时更新，有助于液体保持洁净。相比于间断供液方式，可有效提高长时间观测下的观测质量。
2)通过独特的供液回收结构设计，获得具有强抗回流能力的观测区流场。通过供液腔体和非均匀排孔相结合的液体输送方案，在观测区域内形成大范围同方向的强液流，从而有效抑制回流对观测区域液流的干扰。
3)利用吸收及补偿通道实时排走回流液体，从源头上抑制回流，流动均一性好、观测质量高。由于液体存在粘性，基底运动将牵拉液体形成剪切流动，其与供液流动耦合后将导致无法避免的液体回流。通过在观测区外围设置回流液体的吸收及补偿通道，形成屏障避免被污染的液体回流到观测区，因此液体均一稳定且消除了物镜的二次污染，可实现长期持续的可靠观测。
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
1.一种缝隙流动态维持装置，在透镜组(2)和基底(4)之间设置的缝隙流动态维持装置(3);其特征在于:所述的缝隙流动态维持装置(3)中心开有柱状的观测腔(6)， 1)垂直于基底(4)向外,一侧依次开有: 注液排孔阵列(7B)，为2 6组弧度取60 150°环形柱状排孔阵列，其孔径范围是.0.1 2mm ； 注液腔(7A)，为弧 度取60 150°环形柱状腔体； 2)垂直于基底(4)向外，另一侧依次开有: 回收排孔阵列(8B)，为2 6组弧度取60 150°环形柱状排孔阵列，其孔径范围是.0.1 2mm ； 回收腔(8A)，为弧度取60 150°环形柱状腔体； 过缝隙流控制装置(3)中心、垂直于基底(4)的截面上，注液腔(7A)及注液排孔阵列(7B)与基底(4)的夹角均为α角且大小范围是1(Γ90°，回收腔(8Α)及回收排孔阵列(8Β)与基底(4)的夹角均为β角且大小范围是1(Γ90°。
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动态维持装置，其特征在于:所述缝隙流动态维持装置(3)的注液腔(7Α)外侧还设有注液端吸液排孔(SC)，为I 3组弧度取60 130°的环形圆柱排孔阵列，其孔径范围是0.Γ1.5mm。
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动态维持装置，其特征在于:所述缝隙流动态维持装置(3)的回收腔(8A)外侧还设有 回收端补液排孔(7C)，为广3组弧度取60 130°的环形圆柱排孔阵列，其孔径范围是 0.05 0.8mm。
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动态维持装置，其特征在于:所述的注液排孔阵列(7B)，为同心圆的环形结构，同一圆环位置上的孔径相等，注液排孔阵列(7B)的孔径随圆环半径的增大而增大。
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动态维持装置，其特征在于:所述的回收排孔阵列(8B)，为同心圆的环形结构，同一圆环位置上的孔径相等，回收排孔阵列(SB)的孔径随圆环半径的增大而增大。
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动态维持装置，其特征 在于:所述的注液排孔阵列(7B)和回收排孔阵列(SB)的下表面距离缝隙流动态维持装置(3)下表面0.5 5mm。
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动态维持装置，其特征在于:所述的注液排孔阵列(7B)孔径为注液端吸液排孔(SC)孔径的1.5^2倍。
8.根据权利要求7所述的一种用于浸入式显微镜中的缝隙流动态维持装置，其特征在于:所述的回收排孔阵列(8B)孔径为回收端补液排孔(7C)孔径的2 3倍。
9.根据权利要求8所述的一种用于浸入式显微镜中的缝隙流动态维持装置，其特征在于:垂直于基底(4)、注液腔(7A)及回收腔(8A)的中心连线，沿法向中线(17)向外，开有侧端面吸液排孔(8D)，为广3组弧度取30 80°的环形圆柱排孔阵列，其孔径范围是.0.05 Imm0
全文摘要
本发明公开了一种缝隙流动态维持装置，缝隙流动态维持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注液及回收排孔阵列、注液腔和回收腔、注液端吸液排孔和回收端补液排孔。通过供液腔体和非均匀排孔相结合的液体输送方案，在观测区域内形成大范围同方向的强液流，从而有效抑制被污染液体进入观测区域。同时，通过设置液体的吸收及补偿通道，将随基底运动的污染液体在观测区域外围直接吸收，从而进一步保障观测区液体均一稳定且消除了物镜的二次污染，可实现长期持续的可靠观测，尤其适用于需要基底高速运动的显微观测系统。
文档编号G02B21/33GK103149673SQ20131011928
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 , 陈淑梅, 杜恒 申请人:福州大学