專利名稱：抗氣泡液體控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及浸入式顯微系統(tǒng)中的抗氣泡液體控制裝置，特別是涉及一種用于浸入式顯微鏡(Immersion Microscope)的抗氣泡液體控制裝置。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體等行業(yè)，對于細微電子器件的故障解析和可靠性評價是確保成品率的關(guān)鍵。通常采用的方式是將電子器件作為試樣，在顯微鏡下進行觀測，以確定是否存在影響器件正常工作的缺陷或雜質(zhì)。然而，伴隨著電子器件的特征線寬向著32納米以下不斷縮小， 以及基底(如半導(dǎo)體硅片)尺寸的不斷增大，傳統(tǒng)觀測方式的技術(shù)成本在迅速上升。浸入式顯微鏡系統(tǒng)，通過在物鏡前端和基底(如硅片或液晶基板等)之間的縫隙中填充純水等液體，提高該區(qū)域介質(zhì)的折射率，從而間接增大物鏡的數(shù)值孔徑(NA)，獲得了更高的觀測分辨率(例如參見中國專利200680039343. 2)。由于浸入式方式主要涉及物鏡前端和基底之間的區(qū)域，對于原有光路系統(tǒng)影響小，因此很好的繼承了已有技術(shù)，在提高觀測分辨率的同時具備了良好的經(jīng)濟性。在浸入式微納觀測過程中，填充在物鏡和基底之間的液體，實質(zhì)上成為了光路的一部分，起到了物鏡的作用，因此需要具備高度的均一性。然而，液體中的氣泡因?qū)獠ň哂猩⑸浜脱苌涞茸饔?，將改變光波的強度和傳播路徑，由此嚴重影響觀測的質(zhì)量與可靠性， 需對其進行有效控制。目前浸入式顯微鏡系統(tǒng)主要通過間斷供液的方案(如參見美國專利 US2005179997A1和日本專利JP2010026218A)，將液體輸送到基底上方和物鏡前端的局部區(qū)域內(nèi)。間斷供液采用一次觀測對應(yīng)一次供液的模式，即在開始觀測前輸入一定容量液體到待觀測的表面，完成該次觀測后則通過回收管路將液體抽離，在觀測過程中液體不更新。 間斷供液方案具有形式簡單和易于實現(xiàn)等優(yōu)點，但難以有效的抑制觀測過程中的氣泡，主要存在以下幾方面不足
1)間斷供液的模式促使液體中氣泡的產(chǎn)生。由于一次觀測對應(yīng)著一次供液和回收，因此基底上方的觀測區(qū)域，伴隨著觀測與否表現(xiàn)為液相、氣相、液相和氣相不斷交替出現(xiàn)的過程。在較高工作效率的工況下，這種氣液兩相的交替速率將進一步加快，易使得氣體卷吸進液體中，由此產(chǎn)生氣泡。采用在基底上的觀測區(qū)域先滴液，而后將基底移動至物鏡下方的方式(如參見日本專利JP2006M3027A)可一定程度抑制氣泡的混入，但因此卻犧牲了工作效率。2)觀測區(qū)域的氣泡滯留難以有效控制。由于液體不流動更新，伴隨著觀測的進行， 流場內(nèi)部和外圍的污染不斷向觀測區(qū)域擴散并累積，形成細微污染物并駐留在界面上。若液體內(nèi)出現(xiàn)氣泡，容易在三相張力的作用下附著在界面污染物上，從而使得氣泡長期存在并影響多次觀測，嚴重降低了顯微系統(tǒng)的可靠性。在觀測之后增加物鏡清洗工序(如參見日本專利JP2007065257A)將有助于抑制污染并減少氣泡的滯留，但同時也降低了工作效率， 間接增加了觀測的成本。3)為提高觀測可靠性在液體外圍施加的有壓氣體，成為了氣泡的潛在來源。觀測液體外圍的有壓氣體主要有兩類，一是為抑制外界有機物和粒子等污染物向液體擴散而在待液體外圍施加的凈化處理通風(fēng)系統(tǒng)(如參見日本專利JP2007127939A)，另一類是為避免液體泄漏而施加的密封氣幕。在觀測液體外圍施加氣體，將促使氣體分子滲入到液體內(nèi)；若液體邊界不穩(wěn)定，易導(dǎo)致液相破裂并由此產(chǎn)生氣泡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種抗氣泡液體控制裝置，在基底和物鏡的末端元件之間維持液體更新帶走氣泡的同時，根據(jù)觀測流場的壓力分布特點，在其外圍施加促使液體向內(nèi)聚攏的液流，以抑制液體泄漏和邊界氣泡的產(chǎn)生。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
本發(fā)明抗氣泡液體控制裝置，在透鏡組和基底之間設(shè)置的抗氣泡液體控制裝置；其特征在于，所述的抗氣泡液體控制裝置包括中心開有柱狀觀測腔的主體結(jié)構(gòu)；所述主體結(jié)構(gòu)的一側(cè)依次開有垂直于基底的注液腔，其為弧度取30 150°的環(huán)形圓柱腔體；和阻隔帶， 為弧度取30 150°的環(huán)形凸臺；所述主體結(jié)構(gòu)的另一側(cè)依次開有垂直于基底的回收腔， 為弧度取30 150°的環(huán)形圓柱腔體；和隔離凸臺，為弧度取30 150°的環(huán)形凸臺；阻隔帶隨著與觀測腔軸心線之間的距離增大，其外端面與引流槽陣列的環(huán)形內(nèi)端面之間距離J 變大。隔離凸臺隨著與觀測腔軸心線之間距離增大，其內(nèi)端面與回收腔的環(huán)形外端面之間距離變大。密封通道隨著與Q-Q截面之間距離增大，其排孔的孔徑變大、長度變長。密封通道的排孔陣列隨著與Q-Q截面之間距離增大，分布密度減小。密封通道外圍設(shè)置有1 5組的輔助密封帶，為同心圓的環(huán)形結(jié)構(gòu)；過抗氣泡液體控制裝置中心、垂直基底方向的截面上，所述的輔助密封帶下方為向外傾斜且上表面裝有彈性膜的四邊形缺口，四邊形缺口內(nèi)表面為親水性表面；上方為腔體的流體釋放腔，頂部開有排氣孔；與四邊形缺口相鄰的主體結(jié)構(gòu)下表面為憎水性表面。本發(fā)明具有的有益效果是
1)液體處于流動更新狀態(tài)，可有效抑制氣泡的產(chǎn)生與滯留。液體的連續(xù)流動，避免了單次觀測結(jié)束后的液體抽離，大幅減少了氣體介質(zhì)在觀測區(qū)域的存在時間，由此抑制觀測區(qū)因氣液兩相替換引起的氣泡生成。此外，液體的流動更新將帶走流場內(nèi)存在的污染，阻隔污染物向物鏡表面的擴散與沉積，由此有效控制氣泡的附著載體(即污染物)，避免觀測區(qū)域氣泡的長期滯留。2)流場外圍采用與觀測區(qū)域相同液體，形成促使液體向內(nèi)聚攏的液流，避免有壓氣體作用下邊界氣泡的生成，可靠性好。該方案消除了有壓氣體對于流場邊界的擾動與沖擊，避免了由此導(dǎo)致的氣泡生成，尤其適用于基底表面為憎水和頻繁進行觀測區(qū)域切換的工況。此外，流場外圍的密封液流，由于采用與觀測區(qū)域相同的液體，避免了不同流體介質(zhì)之間的相互滲透與擴散；即使在極端工況下，發(fā)生外界密封液體被牽拉進觀測流場內(nèi)，仍不會對觀測造成不利影響，因此具有良好可靠性和適應(yīng)性。3)優(yōu)化的液體密封和供液結(jié)構(gòu)，在液體有效更新的同時有助于形成穩(wěn)定可靠的流場邊界?；诹鲌鰤毫Ψ植继攸c，在流場外圍施加促使邊界液體向流場內(nèi)部聚攏的非均勻液流，將有助于形成長效穩(wěn)定的流場邊界屏障。結(jié)合月牙形的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，使得流場內(nèi)部的液體流動更加順暢。


圖1是本發(fā)明與透鏡組相裝配的簡化示意圖。圖2是本發(fā)明的P-P剖面視圖。圖3是圖2的Q-Q剖面視圖。 圖4是本發(fā)明的密封原理示意圖。圖5是本發(fā)明密封通道的優(yōu)選結(jié)構(gòu)方案(其為圖2中沿著密封通道的中心連線形成的剖面)。圖6是示意性表征基底由中心向外運動時邊界液體的自適應(yīng)回收。圖7是示意性表征基底由外向中心運動時邊界液體的自適應(yīng)補償。
圖中1、浸入式顯微鏡，2、透鏡組，3、抗氣泡液體控制裝置，3A、主體結(jié)構(gòu)，3B、擋圈，4、 基底，5、目鏡，6、觀測腔，7A、注液腔，7B、回收腔，8、阻隔帶，9、內(nèi)引流槽陣列，10、隔離凸臺， 11、液體密封帶，12、密封通道，13、外引流槽陣列，14、輔助密封帶，15、縫隙流場，16、密封液體輸出壓力，17、憎水性表面，18、親水性表面，19、彈性膜，20、流體釋放腔，21、排氣孔。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，說明本發(fā)明的具體實施方式
。圖1示意性地表示了本發(fā)明實施方案的抗氣泡液體控制裝置與透鏡組的裝配，在透鏡組2和基底4之間設(shè)置的抗氣泡液體控制裝置3，可在浸入式顯微鏡1等顯微設(shè)備中應(yīng)用。在實際觀測中，基底4 (硅片或液晶基板等)表面的光線，經(jīng)由基底4上方的液體縫隙層和透鏡組2，被相關(guān)設(shè)備獲取以用于顯微分析。出于設(shè)備利用率和經(jīng)濟性的考慮，浸入式顯微觀測可存在直接目測和圖像解析兩種模式。如果觀測光線的波長為可見光，則可通過目鏡5進行直接觀測；如果采用紫外光，則首先通過CCD相機采集觀測數(shù)據(jù)，并在監(jiān)測設(shè)備中加以顯示。圖2 圖3示意性地表示了本發(fā)明實施方案的抗氣泡液體控制裝置，其包括中心開有柱狀觀測腔6的主體結(jié)構(gòu)3A，所述主體結(jié)構(gòu)3A的一側(cè)依次開有垂直于基底4的注液腔 7A，為弧度取30 150°的環(huán)形圓柱腔體；和阻隔帶8，為弧度取30 150°的環(huán)形凸臺，阻隔帶8的下表面上開有由3 20個凹槽組成的內(nèi)引流槽陣列9，凹槽的深度為0. Γ1. 5mm ； 以及密封通道12，為弧度取30 170°的環(huán)形圓柱排孔陣列，密封通道12下方靠近觀測腔 6的表面上開有由5 60個凹槽組成環(huán)形的外引流槽陣列13，凹槽的深度為0. Γ1. 5mm ； 優(yōu)選的是內(nèi)引流槽陣列9的凹槽槽口中心線與外引流槽陣列13的部分凹槽槽口中心線在同一條直線上，以利于密封液體從外引流槽陣列13輸入后，順利經(jīng)過外引流槽陣列13作用在注液腔外圍，形成密封液流。所述主體結(jié)構(gòu)3A的另一側(cè)依次開有垂直于基底4的回收腔7B，為弧度取30 150°的環(huán)形圓柱腔體；和隔離凸臺10，為弧度取30 150°的環(huán)形凸臺；
主體結(jié)構(gòu)3A與外引流槽陣列13之間平面結(jié)合有環(huán)形片狀結(jié)構(gòu)的擋圈3B，擋圈;3B的內(nèi)徑不大于外引流槽陣列13內(nèi)徑，外徑不小于外引流槽陣列13外徑。阻隔帶8隨著與觀測腔6軸心線之間的距離增大，其外端面與引流槽陣列13的環(huán)形內(nèi)端面之間距離d變大。隔離凸臺10隨著與觀測腔6軸心線之間距離增大，其內(nèi)端面與回收腔7B的環(huán)形外端面之間距離變大。密封通道12隨著與Q-Q截面之間距離增大，其排孔的孔徑變大、長度變長。密封通道12的排孔陣列隨著與Q-Q截面之間距離增大，分布密度減小。密封通道12外圍設(shè)置有1 5組的輔助密封帶14，為同心圓的環(huán)形結(jié)構(gòu)；過抗氣泡液體控制裝置3中心、垂直基底4方向的截面上(如圖3截面)，所述的輔助密封帶14下方為向外傾斜且上表面裝有彈性膜19的四邊形缺口，四邊形缺口內(nèi)表面為親水性表面18 ； 上方為腔體的流體釋放腔20，頂部開有排氣孔21 ；與四邊形缺口相鄰的主體結(jié)構(gòu)3A下表面為憎水性表面17。流場初始化中，外界液體經(jīng)由注液腔7A輸入，流經(jīng)觀測腔6下方，在觀測腔6和基底4之間的區(qū)域形成了縫隙流場15，隨后從回收腔7B流走。實際應(yīng)用中優(yōu)選去氣去離子水，以抑制供液中的氣體夾帶。為了促使更多液體從注液腔7A和回收腔7B之間流過，提高觀測區(qū)域的液體更新率，在兩側(cè)分別設(shè)置阻隔帶8和阻隔凸臺10，同時通過設(shè)置液體密封帶11和輔助密封帶14來抑制液體的泄漏和邊界氣泡卷吸。在液體密封帶11的具體實施中，液體從密封通道12輸入，經(jīng)由外引流槽陣列13 和內(nèi)引流槽陣列9，作用在注液腔7A的外圍，形成對抗液體向外泄漏的作用力。此外，在外引流槽陣列13下方設(shè)置擋圈3B，以促使密封通道12輸入的液體形成向觀測腔6下方流動的射流。圖4示意性的表示了本發(fā)明的密封原理圖。由于注液腔7A正壓力的作用，促使縫隙流場15的液體發(fā)生更新以帶走污染。這也使得液體具備了向外泄漏的內(nèi)在驅(qū)動力，并在注液腔7A的外側(cè)表現(xiàn)的最為明顯。本發(fā)明主要通過液體密封帶11來抑制液體的泄漏，其具體實施主要體現(xiàn)在壓力對抗、流動牽引和運動阻礙三種途徑。首先，密封通道12輸入的液體，經(jīng)由外引流槽陣列13和內(nèi)引流槽陣列9的引導(dǎo)作用，在注液腔7A外圍形成了對抗液體泄漏的液流。其次，通過外引流槽陣列13結(jié)構(gòu)設(shè)計，在注液腔7A上下兩端形成弧形向內(nèi)的射流，這不僅有助于在注液腔7A和回收腔7B的外圍形成環(huán)形密封屏障，同時牽引注液腔 7A外圍液體向回收腔7B流動，從而減低了液體泄漏的內(nèi)在動力。此外，阻隔帶8和隔離凸臺10抑制了注液腔7A和回收腔7B外圍的液體泄漏。阻隔帶8外端面與液體密封帶11之間的距離為中間小兩端大，以減小液體向兩端流動的阻力，有助于外部循環(huán)流動的形成。此外，將隔離凸臺10內(nèi)端面與回收腔7B之間的距離設(shè)計為中間小兩端大，增大了對外引流槽陣列13輸入射流的阻礙作用；部分由于系統(tǒng)擾動而偏離預(yù)定方向的射流，因隔離凸臺10的阻隔反射而從回收腔7B排走。圖5是本發(fā)明密封通道12的優(yōu)選結(jié)構(gòu)方案。環(huán)形的注液和回收結(jié)構(gòu)，促使更多的液體向中間匯聚，以流經(jīng)觀測腔6的下方(即流場中心區(qū)域)，因此具有液體更新效率高的優(yōu)點，但這也使得注液腔7A附近顯現(xiàn)中間壓力大、兩端壓力小。基于管路越長、流阻越大、流動壓降越高的事實，將密封通道12設(shè)置為中間短兩端長，從而形成與注液腔7A外側(cè)相對應(yīng)中間大兩端小的密封液體輸出壓力16，使得流場外圍具有更加穩(wěn)定可靠的密封性能。此外， 為了增大液體密封帶11上下兩端起引流作用(如圖4所示)液體的流量，優(yōu)選密封通道12 孔徑設(shè)計成中間小兩端大，這將有助于牽引更多液體至回收腔7B，從而抑制液體的泄漏。值得注意的是，孔徑越小、流阻越大，密封通道12的管長和孔徑優(yōu)化選擇是必要的。圖6是表征基底由中心向外運動時邊界液體的自適應(yīng)回收。為了進一步增強密封的可靠性，在液體密封帶11的外圍設(shè)置輔助密封帶14，其作用是在基底4快速運動的極端惡劣工況下，吸收和補償可能泄漏的部分液體。輔助密封帶14主要由彈性膜19、流體釋放腔20和排氣孔21組成，接近基底的水平面優(yōu)選為憎水性表面17，彈性膜19下方的傾斜面優(yōu)選為親水性表面18。在觀測區(qū)域切換的極端工況下，基底快速從中心向外運動，液體可能突破液體密封帶11，進入輔助密封帶14。當(dāng)液體流經(jīng)憎水性表面17和親水性表面18的接觸區(qū)域時，界面親憎水性質(zhì)的突變增大了邊界液膜抵抗液體泄漏的張力，此時液體更加傾向于向具有一定傾角且親水性的表面流動，從而進入流體釋放腔20，并導(dǎo)致彈性膜19向上凸起變形。流體釋放腔20上方開有排氣孔21，以促使液體向上流動更為順暢。為了進一步提高密封的可靠性，可以設(shè)置多組輔助密封帶14。圖7是表征基底由外向中心運動時邊界液體的自適應(yīng)補償。伴隨著基底4向流場中心的運動，儲存在流體釋放腔20內(nèi)的液體在基底4的運動牽拉下，將向流場內(nèi)部流動，從而實現(xiàn)液體的釋放與補償。液體的補償，減少了邊界氣體卷吸的可能性，有助于抑制邊界氣泡的產(chǎn)生。值得注意的是，在實施中，回收腔7B的負壓和外引流槽陣列13輸入向流場中心的射流對流體釋放腔20內(nèi)的液體也具有一定的牽引作用，即使在基底靜止工況下，彈性膜 19下方的液體也會在這些作用下逐漸向流場內(nèi)部釋放，避免了輔助密封帶14內(nèi)液體長期存在可能引起的泄漏。
權(quán)利要求
1.一種抗氣泡液體控制裝置，在透鏡組(2)和基底(4)之間設(shè)置的抗氣泡液體控制裝置(3)；其特征在于，所述的抗氣泡液體控制裝置(3)包括中心開有柱狀觀測腔(6)的主體結(jié)構(gòu)(3A)；所述主體結(jié)構(gòu)(3A)的一側(cè)依次開有垂直于基底的注液腔(7A)，其為弧度取 30 150°的環(huán)形圓柱腔體；和阻隔帶(8)，為弧度取30 150°的環(huán)形凸臺；所述主體結(jié)構(gòu)(3A)的另一側(cè)依次開有垂直于基底的回收腔(7B)，為弧度取30 150°的環(huán)形圓柱腔體；和隔離凸臺(10)，為弧度取30 150°的環(huán)形凸臺。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗氣泡液體控制裝置，其特征在于所述阻隔帶(8)的下表面上開有由3 20個凹槽組成的內(nèi)引流槽陣列(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的抗氣泡液體控制裝置，其特征在于所述主體結(jié)構(gòu)(3A) 與阻隔帶(8)同一側(cè)還設(shè)有密封通道(12)，為弧度取30 170°的環(huán)形圓柱排孔陣列，密封通道(12)下方靠近觀測腔(6)的表面上開有由5 60個凹槽組成環(huán)形的外引流槽陣列 (13)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的抗氣泡液體控制裝置，其特征在于所述主體結(jié)構(gòu)(3A)與外引流槽陣列(13)之間平面結(jié)合有環(huán)形片狀結(jié)構(gòu)的擋圈(3B)，擋圈(3B)的內(nèi)徑不大于外引流槽陣列(13)內(nèi)徑，外徑不小于外引流槽陣列(13)外徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的抗氣泡液體控制裝置，其特征在于所述的阻隔帶(8)隨著與觀測腔(6)軸心線之間的距離增大，其外端面與引流槽陣列(13)的環(huán)形內(nèi)端面之間距離 W)變大。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的抗氣泡液體控制裝置，其特征在于所述的隔離凸臺(10)隨著與觀測腔(6)軸心線之間距離增大，其內(nèi)端面與回收腔(7B)的環(huán)形外端面之間距離變大。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的抗氣泡液體控制裝置，其特征在于所述的密封通道(12)隨著與對稱面Q-Q截面之間距離增大，其排孔的孔徑變大、長度變長。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的抗氣泡液體控制裝置，其特征在于所述的密封通道(12)的排孔陣列隨著與對稱面Q-Q截面之間距離增大，分布密度減小。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的抗氣泡液體控制裝置，其特征在于在所述的密封通道(12) 外圍設(shè)置有1 5組的輔助密封帶(14)，為同心圓的環(huán)形結(jié)構(gòu)；過抗氣泡液體控制裝置(3) 中心、垂直基底(4)方向的截面上，所述的輔助密封帶(14)下方為向外傾斜且上表面裝有彈性膜(19)的四邊形缺口，四邊形缺口內(nèi)表面為親水性表面(18)；上方為腔體的流體釋放腔(20)，頂部開有排氣孔(21)；與四邊形缺口相鄰的主體結(jié)構(gòu)(3A)下表面為憎水性表面 (17)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種抗氣泡液體控制裝置，其特征在于所述內(nèi)引流槽陣列 (9)的凹槽槽口中心線與外引流槽陣列(13)的部分凹槽槽口中心線在同一條直線上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種抗氣泡液體控制裝置，其特征在于，抗氣泡液體控制裝置是在透鏡組和基底之間設(shè)置的裝置，通過在注液腔和回收腔外圍設(shè)置阻隔結(jié)構(gòu)、液體密封帶和輔助密封帶，在維持液體更新帶走氣泡的同時抑制邊界氣泡的生成。阻隔結(jié)構(gòu)可促使注液腔輸入的液體更多的流向回收腔；液體密封帶根據(jù)流場壓力分布的特點，在注液腔和回收腔外圍施加促使液體向內(nèi)聚攏的非均勻液流，具備抑制泄漏和流動牽引雙重作用；輔助密封帶則用于基底快速運動工況下可能泄漏液體的吸收，并能對邊界流場施加一定的液體補償。此外，本裝置采用與觀測區(qū)域介質(zhì)相同的液體，可避免不同流體介質(zhì)之間的相互滲透與擴散，具備了良好可靠性和適應(yīng)性。
文檔編號G02B21/33GK102566031SQ20121003652
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月18日
發(fā)明者杜恒, 陳傳銘, 陳暉 , 陳淑梅 申請人:福州大學(xué)