基于多孔介質(zhì)理論的腔室流場分析

王紹勇　尹寧

摘要：文章對半導體設備中腔室內(nèi)的供風結(jié)構(gòu)進行研究，采用數(shù)值分析的方法，對供風結(jié)構(gòu)進行流場分析，根據(jù)分析的結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以達到理想的出風一致性效果。對測試和驗證給予定性分析和指導，節(jié)約修改結(jié)構(gòu)和復雜測試所消耗的時間和成本，縮短設計周期。

關(guān)鍵詞：高效空氣過濾器；氣流分布一致性；多孔介質(zhì)；數(shù)值模擬；供風結(jié)構(gòu) 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN015 文章編號：1009-2374（2017）08-0104-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.050

半導體制造裝備的持續(xù)創(chuàng)新與不斷改進客觀上促成了半導體工業(yè)的飛速發(fā)展，滿足了人們對高性能電子產(chǎn)品的需求。相關(guān)工藝分析資料表明，在整個工藝制造流程，光刻部分帶來的工藝缺陷占50%左右，這其中超過90%的光刻缺陷來自于涂膠顯影過程。這就要求勻膠顯影機在設計時充分考慮機臺的微環(huán)境控制。目前，普遍的做法是為勻膠顯影機配置高精密恒溫恒濕空調(diào)，同時在勻膠顯影工藝腔室內(nèi)，空調(diào)出風口將晶圓上方的空間完全覆蓋，并安裝超高效空氣過濾器（ULPA），以保證晶圓在精密空調(diào)送出的恒溫恒濕且除塵的潔凈空氣環(huán)境下進行涂膠和顯影的工藝過程。

除了溫濕度的精密要求，對空調(diào)出風的均勻性也有嚴格要求，避免由于出風不均勻?qū)е碌那皇覂?nèi)部壓力不穩(wěn)或風速不一致，進而影響晶圓的工藝，引入缺陷。目前，工藝腔室內(nèi)的風速要求均在1m/s以下，屬微風速范圍，測量準確性差。如果通過先加工制造再測試驗證的物理實驗方式進行研發(fā)，周期較長，反復測試也浪費人力、物力和財力資源。同時，不均勻送風導致過濾器各處的通風流量差異較大，運行一段時間后流量大的位置阻力變大，影響過濾器的整體壽命，這不符合現(xiàn)代發(fā)展的低碳經(jīng)濟理念。

綜上考慮，本文采用數(shù)值分析的方法，對勻膠顯影工藝腔室內(nèi)的供風結(jié)構(gòu)進行流場分析，根據(jù)分析的結(jié)果對結(jié)果進行優(yōu)化，以達到理想的出風一致性效果。對測試和驗證給予定型結(jié)論和指導，節(jié)約修改結(jié)構(gòu)和復雜測試所消耗的時間和成本，縮短設計周期。

1 問題描述

經(jīng)過精密空調(diào)的處理，空氣達到工藝要求的溫度和濕度，經(jīng)由供風管道進入勻膠顯影機的供風結(jié)構(gòu)再進入勻膠或顯影腔室，經(jīng)由腔室上方出風口的超高效過濾器將空氣中的顆粒去除，最終進入腔室內(nèi)部，接觸晶圓及處理晶圓的化學品（光刻機或顯影液等）。

在這一過程中，符合溫濕度要求的氣源由恒溫恒濕機穩(wěn)定提供，故可將數(shù)值模擬問題簡化為沒有熱交換的冷態(tài)模型，分析調(diào)溫調(diào)濕后的空氣經(jīng)由特定的風道結(jié)構(gòu)到達高效過濾器上方，再經(jīng)過高效過濾器進入腔室內(nèi)部。對部分區(qū)域內(nèi)的流體運動區(qū)域進行CAD建模，如圖1所示。

高效過濾器是一種新型的氣體過濾裝置，主體濾材為超細纖維，依據(jù)氣溶膠學以及凝聚式過濾機理進行研制，針對空氣中懸浮的亞微米級顆粒物進行捕捉，隨著技術(shù)革新和應用需求的改變，不斷向低阻高效的目標發(fā)展。目前，應用于半導體設備中的超高效過濾器已更新為玻璃纖維濾料，這種材料的濾網(wǎng)孔徑較為均勻，阻燃性好，定量偏差小。

過濾是復雜的流動過程，基于流體力學的理論，過濾屬于氣固兩相流（空氣及顆粒）在多孔介質(zhì)（濾芯材料）中對流擴散及分離的過程，顆粒通過一系列擴散機理后留在濾芯中，經(jīng)過一段時間后，濾芯中的顆粒累積，過濾效率與阻力隨過濾時間的增加而上升。

以往的研究中，往往對過濾器進行忽略或用篩網(wǎng)進行等效處理，如下圖中簡單的模擬分析所示：忽略濾網(wǎng)的模擬中，出口面只有遠端（左側(cè)）出風，近端出現(xiàn)不同程度的出口回流，這種現(xiàn)象在實際使用中并未出現(xiàn)。遠端出風位置的出風角度為傾斜狀態(tài)。等效為孔板的模型中，出風角度和出風面均有所改善，但仍有出口回流的問題。由于不能準確描述氣流經(jīng)過濾網(wǎng)后的壓降和轉(zhuǎn)向，再加之模擬分析所需的必要簡化，所得結(jié)果雖有參考價值但距離實際工況差距過大。

在同一尺度下，無法細致地描述纖維狀的濾芯材料，對于腔室內(nèi)流場的分析也不需要過于細致地了解濾芯內(nèi)部細致的過濾過程，綜上考慮，本文中將用多孔介質(zhì)體來等效過濾器部分。基于多孔介質(zhì)理論，結(jié)合超高效過濾器的壓降曲線，在模擬分析時將過濾器處理成多孔介質(zhì)模型，最大程度還原真實工況，可以更好地還原實際工況，從而更有效地預估和優(yōu)化腔室的風流控制。

2 理論基礎

計算流體力學（CFD）被廣泛用于氣流組織研究領(lǐng)域。CFD可以看作是在流動基本方程（質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程）的作用下對流體的數(shù)值模擬，為簡化計算，現(xiàn)對模型做適當?shù)暮喕图僭O：氣流為不可壓縮常物性牛頓流體，穩(wěn)態(tài)流動?；谝陨系募僭O，控制方程可以簡化為：

多孔介質(zhì)是流體的一種。將模擬的流場中某一區(qū)域定義為多孔介質(zhì)，定義該區(qū)域的壓力降參數(shù)。理論上來說，所謂的多孔介質(zhì)模型就是在上述的動量方程上疊加了一個動量源項，包括粘性損失和慣性損失。

3 數(shù)值模擬和優(yōu)化

進一步簡化模型，初步仿真只對風盒及過濾器部分進行分析，模型簡化后如下圖所示，受結(jié)構(gòu)空間限制，進風口在長風盒的側(cè)面，濾網(wǎng)位于風盒下方，濾網(wǎng)出風面即為模型的出口部分，進風口邊界條件為速度進口，出風面的邊界條件為壓力出口，濾網(wǎng)部分設定為多孔介質(zhì)，多孔介質(zhì)與正常流體域空間的交界面設定為內(nèi)部面，即流體可通過面，其他邊框均為常規(guī)壁面邊界。

觀察數(shù)值模擬后的速度流線圖和出口面的速度矢量圖，氣流在風盒層以較大速度通過且不易轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向主要發(fā)生在風盒的遠端。從中間截面的速度云圖可以看出，氣流進入過濾器層之后，出現(xiàn)明顯的減速；壓力云圖中，壓力變化區(qū)域為風盒出風的部分，即風盒遠端，進入多孔介質(zhì)區(qū)域后壓力明顯下降，這符合過濾器降壓降速的特點。

經(jīng)過上述模擬可以看出，將過濾器處理成多孔介質(zhì)之后，出口不再出現(xiàn)回流，出風端的出流方向較為一致，但出口面上，氣流速度從進風端至遠端不斷增加，極為不均勻。整個過濾器的出風面有超過50%以上基本沒有風速（小于0.05m/s），這將導致過濾器下方處理的晶圓在不同的風速環(huán)境下進行作業(yè)，從而導致晶圓的處理效果一致性差。同時，由于出風量的不一致，過濾器右側(cè)高出風量的部分將更快的失效甚至堵住，過濾器的使用壽命由此大大縮短。

更改模型，將變截面風管的原理應用在模型中，在風盒中加入不同高度的擋板或?qū)⑸蠈语L盒改為楔形，如圖9所示：

對風盒層的結(jié)構(gòu)進行反復調(diào)整，最終得到相對較好的出風效果，如圖10所示。氣流進入風盒層后，受楔形結(jié)構(gòu)影響，沿風盒長度方向在各處均發(fā)生轉(zhuǎn)向，出口面的各處均有氣流流出，氣流方向豎直向下。出風面中部長度超過整體85%的部分風速基本一致

（0.3m/s），遠端及近端仍有微小差異，整體風速變化區(qū)間為0.27～0.33m/s，已經(jīng)可以滿足工藝需求（偏差小于0.05m/s）。

觀察中間截面的速度云圖，氣流進入過濾器層之后在過濾器內(nèi)部各個位置發(fā)生減速，速度大小變化較小，在變化范圍是0～4m/s的云圖中顯示為同一顏色；壓力云圖中，壓降發(fā)生在過濾器層的各個位置，可以看到風盒形狀的變化對整場的壓力和速度分布作用明顯。

4 結(jié)語

本文針對半導體設備中腔室內(nèi)的供風結(jié)構(gòu)進行研究，采用數(shù)值分析的方法，對供風結(jié)構(gòu)進行流場分析，對比對過濾器進行的不同方式的等效處理，發(fā)現(xiàn)多孔介質(zhì)方式等效過濾器的模擬結(jié)果更符合過濾器的實際特點，根據(jù)分析的結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以達到理想的出風一致性效果。

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基金項目：沈陽市2015年市科技計劃項目：“300mm疊層勻膠顯影機內(nèi)部流場與溫度場控制技術(shù)攻關(guān)”項目；項目編號：F15-014-0-00。

作者簡介：王紹勇（1971-），男，遼寧沈陽人，沈陽芯源微電子設備有限公司技術(shù)研發(fā)總監(jiān)，研究方向：前道TRACK機械、工藝的設計、研發(fā)、銷售。

（責任編輯：王 波）