一种液膜动态补偿装置

摘要

本发明公开了一种液膜动态补偿装置。液膜动态补偿装置是在透镜组和基底之间设置的装置，通过在注液腔外围设置自适应气体密封带，并在回收排孔外围设置隔离带、气体释放腔和回收端密封带，有助于液体动态更新下流场边界的长效稳定。自适应气体密封带基于流场压力分布特点，在边界施加促使液体向中心聚拢非均匀能量，可避免流场低压处因密封能量过大引起的冲击，以及流场高压处因密封能量不足引发的泄漏；回收孔外围的相应结构则在获得可靠密封的同时抑制了回收气液两相流，增强了系统的稳定性。本装置可实现液体的流动更新，这将有助于提高观测区域液体的洁净度，增强观测成像可靠性并减低对环境洁净度的要求。

权利要求

1.一种液膜动态补偿装置，在透镜组（2）和基底（4）之间设置的液膜动态补偿装置（3），其特征在于：包括一中心开有柱状观测腔（6）的盘体，所述盘体的一侧依次开有注液腔（7）和自适应气体密封带（9A），所述注液腔（7）为弧度取30～150°环形圆柱腔体；所述自适应气体密封带（9A）为1～3组弧度取60～180°的环形圆柱排孔阵列；

所述盘体的另一侧依次开有回收排孔（8A）、隔离带（10）、气体释放腔（8B）和回收端密封带（9B），所述回收排孔（8A）为弧度取30～150°的环形排孔阵列；所述隔离带（10）为弧度取30～150°的环形凸台；所述气体释放腔（8B）为弧度取30～150°的环形圆柱腔体；

所述回收端密封带（9B）为1~6组弧度取60～180°的环形圆柱排孔阵列；

所述的自适应气体密封带（9A）的孔径为0.05～3mm，所述的回收端密封带（9B）的孔径为0.05～1mm；

所述的隔离带（10）的下表面和回收排孔（8A）下表面之间距离为0.1～0.8mm；隔离带（10）的下表面和气体释放腔（8B）下表面之间距离为0.1～0.5mm；

所述的注液腔（7）、自适应气体密封带（9A）、回收排孔（8A）、隔离带（10）、气体释放腔（8B）和回收端密封带（9B）中每一个均以柱状观测腔的一个中心剖面作为对称面（P-P）对称设置。

2.根据权利要求1所述的一种液膜动态补偿装置，其特征在于：所述的自适应气体密封带（9A）上的排孔孔径（d）随着与对称面（P-P）之间距离增大而变小。

3.根据权利要求1所述的一种液膜动态补偿装置，其特征在于：所述的自适应气体密封带（9A）上的排孔孔长（L）随着与对称面（P-P）之间距离增大而变大。

4.根据权利要求1所述的一种液膜动态补偿装置，其特征在于：所述的液膜动态补偿装置（3）的外围设置有干燥装置（11）。

说明书

一种液膜动态补偿装置

技术领域

[0001] 本发明是涉及一种液膜动态补偿装置，特别是涉及一种用于浸入式显微镜（Immersion Microscope）中的液膜动态补偿装置。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 目前浸入式显微镜系统主要通过间断供液的方式，将液体输送到基底上方和物镜前端的缝隙区域内，表现为滴液观测和监控补液两种方案。滴液观测方案（例如参见美国专利US2005179997A1）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。监控补液方案（例如参见日本专利JP2010026218A）在滴液观测的基础上，对观测区域液滴容量实时监控，当容量小于预设值时进行补液，由此抑制液滴蒸发引起的观测不可靠，以适应长时间观察。

[0005] 间断供液采用一次观测对应一次供液的模式，具有形式简单和易于实现等优点。然而，由于观测过程中不更新，液体易被污染，并由此存在为以下一些问题：

[0006] 1）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；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。

[0007] 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。

[0008] 3）为抑制流场外围有机物和粒子等污染对观测液体带来的不利影响，在待观测液体外围施加净化处理的通风系统（如参见日本专利JP2007127939A）是一个有效的途径。然而，由于液体处于不流动的零压状态，一定压力的气体施加在容量较小的液体边缘，将迫使液体边界发生波动而增大泄漏的可能性；此外，若液体补充不及时，液体外围施加通风的方式会加快液体蒸发，并促使水渍缺陷的生成。

发明内容

[0009] 本发明目的是提供一种液膜动态补偿装置，在基底和物镜的末端元件之间实时更新液体的同时，根据观测流场的压力分布特点，在其外围施加非均匀密封能量以获得稳定可靠的流场边界。

[0010] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：包括一中心开有柱状观测腔的盘体，所述盘体的一侧依次开有注液腔和自适应气体密封带，所述注液腔为弧度取30～150°环形圆柱腔体；所述自适应气体密封带为1～3组弧度取60～180°的环形圆柱排孔阵列；所述盘体的另一侧依次开有回收排孔、隔离带、气体释放腔和回收端密封带，所述回收排孔为弧度取30～150°的环形排孔阵列；所述隔离带为弧度取30～150°的环形凸台；所述气体释放腔为弧度取30～150°的环形圆柱腔体；所述回收端密封带为1~6组弧度取60～180°的环形圆柱排孔阵列。

[0011] 所述的自适应气体密封带上的排孔孔径随着与对称面（P-P截面）之间距离增大而变小。

[0012] 所述的自适应气体密封带上的排孔孔长随着与对称面（P-P截面）之间距离增大而变大。

[0013] 自适应气体密封带的孔径为0.05～3mm，所述的回收端密封带的孔径为0.05～1mm。隔离带的下表面和回收排孔下表面之间距离为0.1～0.8mm；隔离带的下表面和回气体释放腔下表面之间距离为0.1～0.5mm。

[0014] 同时，在液膜动态补偿装置外围设置干燥装置，排走并干燥可能泄漏的液滴。干燥装置可以通过施加一定压力的气体迫使液体回流到流场内，或者施加一定负压以排吸泄漏的液体。

[0015] 本发明具有的有益效果是：

[0016] 1）有效提高观测区域液体的洁净度，并增强观测成像的可靠性。液体的流动更新，将实时带走流场内存在的污染，使得液体保持高度洁净；尤其对于长时间观测的工况，相比于间断供液方式，液体更新可显著提高观测的质量。

[0017] 2）抑制污染的累积与驻留，减低对环境洁净度的要求。液体更新可阻隔污染物向物镜表面的扩散与沉积，有效提高物镜的洁净度，由此大幅减少物镜清洗次数，提高工作效率；此外，流场外围扩散进入液体的污染物，也将伴随着液体流动而实时带走，从而降低了对流场环境洁净度的要求，有助于简化或取消目前的净化通风系统。

[0018] 3）基于流场压力分布特点的非均匀能量密封方式，有助于获得稳定可靠的流场边界，尤其适用于长时间观测的工况。基于流场压力分布特点，在边界施加促使液体向中心聚拢的非均匀能量的方式，将有助于抵抗非均匀流场压力和边界分子扩散引起的泄漏，以获得长效稳定的流场边界。相比于经典的全周均匀密封方式，这种方式可避免流场低压处因密封能量过大引起的流场边界扰动与冲击，以及流场高压处因密封能量不足引起的液体泄漏。

[0019] 4）功能互补的双重回收结构，有助于分离回收过程中的气液两相介质，从而抑制回收中气液两相流及其引起的振动。

附图说明

[0020] 图1是本发明与透镜组相装配的简化示意图。

[0021] 图2是本发明的液膜动态补偿装置的仰视图。

[0022] 图3是本发明的P-P剖面视图。

[0023] 图4是本发明的流场密封原理。

[0024] 图5是本发明第一实施例的注液端密封结构。

[0025] 图6是本发明第二实施例的注液端密封结构。

[0026] 图7是表征基底由中心沿注液腔方向运动的供液原理。

[0027] 图8是表征基底由中心沿注液腔方向运动的回收原理。

[0028] 图9是表征基底由中心向回收排孔方向运动状态下的密封原理。

[0029] 图中：1、浸入式显微镜，2、透镜组，3、液膜动态补偿装置，4、基底，5、目镜，6、观测腔，7、注液腔，8A、回收排孔，8B、气体释放腔，9A、自适应气体密封带，9B、回收端密封带，10、隔离带，11、干燥装置，12、缝隙液膜，13、液体流动轨迹，14、密封气体，15、非均匀孔径气体入口，16、密封气体压力场，17、非均匀孔长气体入口，18、液体速度分布，19、凸台，20、界面液滴，21、管道液滴。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图和实施例，说明本发明的具体实施方式。

[0031] 图1示意性地表示了本发明实施方案的液膜动态补偿装置与透镜组的装配，在透镜组2和基底4之间设置的液膜动态补偿装置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上方的缝隙液膜和透镜组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。

[0032] 图2～图3示意性地表示了本发明实施方案的液膜动态补偿装置，中心开有柱状的观测腔6，

[0033] 垂直于基底4向外，一侧依次开有注液腔7，为弧度取30～150°环形圆柱腔体，注液腔7优选为120°；自适应气体密封带9A，为1～3组弧度取60～180°的环形圆柱排孔阵列；

[0034] 垂直于基底4向外，另一侧依次开有回收排孔8A，为弧度取30～150°的环形排孔阵列，回收排孔8A优选为120°；隔离带10，为弧度取30～150°的环形凸台；气体释放腔8B，为弧度取30～150°的环形圆柱腔体；回收端密封带9B，为1~6组弧度取60～180°的环形圆柱排孔阵列。

[0035] 自适应气体密封带9A随着与P-P截面之间距离增大，其排孔的孔径（d）变小，其排孔的孔长（L）变大。自适应气体密封带9A的孔径为0.05～3mm，回收端密封带9B的孔径为0.05～1mm。隔离带10的下表面和回收排孔8A下表面之间距离为0.1～0.8mm；隔离带10的下表面和回气体释放腔8B下表面之间距离为0.1～0.5mm。

[0036] 同时，在液膜动态补偿装置外围设置干燥装置11，排走并干燥可能泄漏的液滴。

[0037] 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7输入，在观测腔6和基底4的之间的区域形成缝隙液膜12，随后从回收排孔8A实现回收。在液体流动更新的同时，经由流场外围的自适应气体密封带9A和回收端密封带9B对液体边界施加非均匀压力的气幕，促使边界液体向流场内部聚拢以抑制泄漏。此外，通过设置气体释放腔8B和隔离带10，抑制回收端的气体卷吸和气液两相流，并在外围设置干燥装置11对可能泄漏液滴实施干燥。

[0038] 图4示意性的表示了本发明的流场密封原理。液体在供液压力驱动下由注液腔7输入，经由观测腔6的下方，由回收排孔8A实现回收。采用环形的注液和回收结构是优选的，相比于矩形结构，它具有更大的输入和输出面积，从而增大液体输入以提高流场的洁净度和观测的可靠性。图4给出了环形供液结构下的液体流动轨迹13。

[0039] 在具体实施中，回收排孔8A优选的是采用负压抽吸，该方式可降低对注液腔7的输入压力要求，从而减小注液腔7附近液体向外泄漏的内驱力。回收端的液体在经过回收排孔8A的吸收和隔离带10的阻隔之后，在观测过程中发生泄漏的几率较小。不过，在基底从已观测区域进入下一个观测区域过程中，液体在基底快速运动牵拉下仍可能引发泄漏。为此，在隔离带10的外围设置气体释放腔8B和回收端密封带9B。回收端密封带9B输入小压力气体，并通过气体释放腔8B排走，以避免对回收排孔8A正常工作干扰的同时，在回收排孔8A外围形成一道密封屏障。在实施中，回收端密封带9B通常只在基底牵拉液体跨越隔离带10向外运动时才起作用。

[0040] 在正压注液和负压回收的典型工况下，流场将形成如图4所示的压力分布，其中“+”代表正压，“-”代表负压，“+/-”号越多代表压力数值越大。由于环形的注液腔7输入的液体趋于向流场中心流动，这种聚拢效应使得注液腔7附近中心的压力最大（+++），而上下两端压力偏小（+），由此在注液腔7外侧形成不同大小的压力分布。本发明通过在注液腔7附近的流场边界施加自适应气体密封带9A，形成非均匀密封压力的气幕，以抵抗分布不相同的流场压力。该密封方式有助于避免流场低压处因密封能量过大引起的液体扰动冲击，以及流场高压处因密封能量不足引起的液体泄漏。

[0041] 图5是本发明第一实施例的注液端密封结构。该图表示的是图4中自适应气体密封带9A的Q-Q剖视图。由前分析可知，注液腔7附近上下两端压力偏小而中心压力最大，流场外围施加同样变化规律的密封能量是有益的。基于圆孔中气体的流动中受到孔径d的直接影响，即孔径越大，流阻和压降就越小，输出的压力也就越大；在本实施中，自适应气体密封带9A的孔径d呈现中间大、两边小的特点。由此输入的密封气体14经由非均匀孔径气体入口15，将在基底4的上方形成中间大、两边小的密封气体压力场16，从而较好的与流场压力相匹配，有助于形成稳定可靠的流场边界。

[0042] 图6是本发明第二实施例的注液端密封结构。该结构实施原理同样是基于气体流动受到圆孔参数的影响，即圆孔长度越短，流阻和压降就越小，输出的压力也就越大。在本实施中，自适应气体密封带9A的孔长L 呈现中间短、两边长的特点。由此输入的密封气体14经由非均匀孔长气体入口17，将在基底4的上方形成中间大、两边小的密封气体压力场
16，从而与流场边界的压力相匹配。

[0043] 为了进一步增强密封可靠性，可将本实施例与第一实施例结合，将自适应气体密封带9A设置成中间短孔大径、两端长孔小径的结构，以进一步增强对注液腔中心附近的流场边界的密封效果。

[0044] 图7是表征基底由中心沿注液腔方向运动的供液原理。当浸入式显微镜从已观测区域进入到下一个观测区域时，基底将发生运动，速度越快，效率就越高。由于液体粘性力的作用，基底4将牵拉缝隙液膜12发生运动，并形成图中的液体速度分布18，由此将增加流场边界的不稳定性，甚至引发泄漏。伴随着基底的向外运动，部分液体在基底粘性牵拉下做相同运动，然而液体流动受到了凸台19和缝隙处界面张力的阻碍，从而导致该区域的压力P 上升。在本实施中，优选的是注液腔7采用恒压供液，自适应气体密封带9A则施加恒流量的气体。当注液腔下方的压力P上升时，恒压供液的方式有助于减少液体的输入，减低泄漏的风险。此外，当液体向外运动，伴随着自适应密封带9A下方的气体释放空间的缩小，恒流量密封气体受到阻碍，导致压力Pa上升，由此增强对流场边界的密封效果。同样的，伴随着基底4由外流场中心运动，密封气体受阻碍减小，压力降低，由此减小了对流场边界的冲击。

[0045] 图8是表征基底由中心沿注液腔方向运动的回收原理。在回收端及其附近，流动液体和外界气体容易在负压作用下同时被回收，气液相互作用易形成气泡并发生破裂，由此形成冲击，增加了系统的不稳定性。在本实施中，由于隔离带10的阻隔作用，基底4静止时，液体主要由回收排孔8A吸收，外界气体则通过气体释放腔8B排走。伴随着基底向注液腔方向的运动，回收端密封带9B输入的小压力气体同样倾向于从阻力较小的气体释放腔8B排走，由此抑制了气体卷吸进回收排孔8A及其引起的两相流。

[0046] 图9是表征基底由中心向回收排孔方向运动状态下的密封原理。在该工况下液体有可能突破隔离带10向外泄漏。若泄漏量较小时，回收端密封带9B输入的有压气体将迫使可能泄漏出的界面液滴20回流到缝隙液膜12内，维持边界的稳定性。在一些极端恶劣工况下，回收端密封带9B和气体释放腔8B将共同形成密封的屏障，此时气体释放腔8B将起到外部回收腔的作用，液体将以管道液滴21或连续液流的形式经气体释放腔8B被回收。在具体实施中，气体释放腔8B的负压值应小于回收排孔8A，以促使液体优先从回收排孔8A排走。