王紹勇　尹寧

摘要：文章對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備中腔室內(nèi)的供風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，采用數(shù)值分析的方法，對(duì)供風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場(chǎng)分析，根據(jù)分析的結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到理想的出風(fēng)一致性效果。對(duì)測(cè)試和驗(yàn)證給予定性分析和指導(dǎo)，節(jié)約修改結(jié)構(gòu)和復(fù)雜測(cè)試所消耗的時(shí)間和成本，縮短設(shè)計(jì)周期。

關(guān)鍵詞：高效空氣過(guò)濾器；氣流分布一致性；多孔介質(zhì)；數(shù)值模擬；供風(fēng)結(jié)構(gòu) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

半導(dǎo)體制造裝備的持續(xù)創(chuàng)新與不斷改進(jìn)客觀上促成了半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，滿足了人們對(duì)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(gè)工藝制造流程，光刻部分帶來(lái)的工藝缺陷占50%左右，這其中超過(guò)90%的光刻缺陷來(lái)自于涂膠顯影過(guò)程。這就要求勻膠顯影機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮機(jī)臺(tái)的微環(huán)境控制。目前，普遍的做法是為勻膠顯影機(jī)配置高精密恒溫恒濕空調(diào)，同時(shí)在勻膠顯影工藝腔室內(nèi)，空調(diào)出風(fēng)口將晶圓上方的空間完全覆蓋，并安裝超高效空氣過(guò)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(jìn)行涂膠和顯影的工藝過(guò)程。

除了溫濕度的精密要求，對(duì)空調(diào)出風(fēng)的均勻性也有嚴(yán)格要求，避免由于出風(fēng)不均勻?qū)е碌那皇覂?nèi)部壓力不穩(wěn)或風(fēng)速不一致，進(jìn)而影響晶圓的工藝，引入缺陷。目前，工藝腔室內(nèi)的風(fēng)速要求均在1m/s以下，屬微風(fēng)速范圍，測(cè)量準(zhǔn)確性差。如果通過(guò)先加工制造再測(cè)試驗(yàn)證的物理實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行研發(fā)，周期較長(zhǎng)，反復(fù)測(cè)試也浪費(fèi)人力、物力和財(cái)力資源。同時(shí)，不均勻送風(fēng)導(dǎo)致過(guò)濾器各處的通風(fēng)流量差異較大，運(yùn)行一段時(shí)間后流量大的位置阻力變大，影響過(guò)濾器的整體壽命，這不符合現(xiàn)代發(fā)展的低碳經(jīng)濟(jì)理念。

綜上考慮，本文采用數(shù)值分析的方法，對(duì)勻膠顯影工藝腔室內(nèi)的供風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場(chǎng)分析，根據(jù)分析的結(jié)果對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到理想的出風(fēng)一致性效果。對(duì)測(cè)試和驗(yàn)證給予定型結(jié)論和指導(dǎo)，節(jié)約修改結(jié)構(gòu)和復(fù)雜測(cè)試所消耗的時(shí)間和成本，縮短設(shè)計(jì)周期。

1 問(wèn)題描述

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

在這一過(guò)程中，符合溫濕度要求的氣源由恒溫恒濕機(jī)穩(wěn)定提供，故可將數(shù)值模擬問(wèn)題簡(jiǎn)化為沒(méi)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(fēng)道結(jié)構(gòu)到達(dá)高效過(guò)濾器上方，再經(jīng)過(guò)高效過(guò)濾器進(jìn)入腔室內(nèi)部。對(duì)部分區(qū)域內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)區(qū)域進(jìn)行CAD建模，如圖1所示。

高效過(guò)濾器是一種新型的氣體過(guò)濾裝置，主體濾材為超細(xì)纖維，依據(jù)氣溶膠學(xué)以及凝聚式過(guò)濾機(jī)理進(jìn)行研制，針對(duì)空氣中懸浮的亞微米級(jí)顆粒物進(jìn)行捕捉，隨著技術(shù)革新和應(yīng)用需求的改變，不斷向低阻高效的目標(biāo)發(fā)展。目前，應(yīng)用于半導(dǎo)體設(shè)備中的超高效過(guò)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(guò)濾是復(fù)雜的流動(dòng)過(guò)程，基于流體力學(xué)的理論，過(guò)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(duì)流擴(kuò)散及分離的過(guò)程，顆粒通過(guò)一系列擴(kuò)散機(jī)理后留在濾芯中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，濾芯中的顆粒累積，過(guò)濾效率與阻力隨過(guò)濾時(shí)間的增加而上升。

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

在同一尺度下，無(wú)法細(xì)致地描述纖維狀的濾芯材料，對(duì)于腔室內(nèi)流場(chǎng)的分析也不需要過(guò)于細(xì)致地了解濾芯內(nèi)部細(xì)致的過(guò)濾過(guò)程，綜上考慮，本文中將用多孔介質(zhì)體來(lái)等效過(guò)濾器部分?；诙嗫捉橘|(zhì)理論，結(jié)合超高效過(guò)濾器的壓降曲線，在模擬分析時(shí)將過(guò)濾器處理成多孔介質(zhì)模型，最大程度還原真實(shí)工況，可以更好地還原實(shí)際工況，從而更有效地預(yù)估和優(yōu)化腔室的風(fēng)流控制。

2 理論基礎(chǔ)

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）被廣泛用于氣流組織研究領(lǐng)域。CFD可以看作是在流動(dòng)基本方程（質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程）的作用下對(duì)流體的數(shù)值模擬，為簡(jiǎn)化計(jì)算，現(xiàn)對(duì)模型做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和假設(shè)：氣流為不可壓縮常物性牛頓流體，穩(wěn)態(tài)流動(dòng)?；谝陨系募僭O(shè)，控制方程可以簡(jiǎn)化為：

多孔介質(zhì)是流體的一種。將模擬的流場(chǎng)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(lái)說(shuō)，所謂的多孔介質(zhì)模型就是在上述的動(dòng)量方程上疊加了一個(gè)動(dòng)量源項(xiàng)，包括粘性損失和慣性損失。

3 數(shù)值模擬和優(yōu)化

進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型，初步仿真只對(duì)風(fēng)盒及過(guò)濾器部分進(jìn)行分析，模型簡(jiǎn)化后如下圖所示，受結(jié)構(gòu)空間限制，進(jìn)風(fēng)口在長(zhǎng)風(fēng)盒的側(cè)面，濾網(wǎng)位于風(fēng)盒下方，濾網(wǎng)出風(fēng)面即為模型的出口部分，進(jìn)風(fēng)口邊界條件為速度進(jìn)口，出風(fēng)面的邊界條件為壓力出口，濾網(wǎng)部分設(shè)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(shè)定為內(nèi)部面，即流體可通過(guò)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(fēng)盒層以較大速度通過(guò)且不易轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向主要發(fā)生在風(fēng)盒的遠(yuǎn)端。從中間截面的速度云圖可以看出，氣流進(jìn)入過(guò)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?yàn)轱L(fēng)盒出風(fēng)的部分，即風(fēng)盒遠(yuǎn)端，進(jìn)入多孔介質(zhì)區(qū)域后壓力明顯下降，這符合過(guò)濾器降壓降速的特點(diǎn)。

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

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

對(duì)風(fēng)盒層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，最終得到相對(duì)較好的出風(fēng)效果，如圖10所示。氣流進(jìn)入風(fēng)盒層后，受楔形結(jié)構(gòu)影響，沿風(fēng)盒長(zhǎng)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(fēng)面中部長(zhǎng)度超過(guò)整體85%的部分風(fēng)速基本一致

（0.3m/s），遠(yuǎn)端及近端仍有微小差異，整體風(fēng)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(jìn)入過(guò)濾器層之后在過(guò)濾器內(nèi)部各個(gè)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(guò)濾器層的各個(gè)位置，可以看到風(fēng)盒形狀的變化對(duì)整場(chǎng)的壓力和速度分布作用明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備中腔室內(nèi)的供風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，采用數(shù)值分析的方法，對(duì)供風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場(chǎng)分析，對(duì)比對(duì)過(guò)濾器進(jìn)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(guò)濾器的模擬結(jié)果更符合過(guò)濾器的實(shí)際特點(diǎn)，根據(jù)分析的結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到理想的出風(fēng)一致性效果。

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基金項(xiàng)目：沈陽(yáng)市2015年市科技計(jì)劃項(xiàng)目：“300mm疊層勻膠顯影機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)與溫度場(chǎng)控制技術(shù)攻關(guān)”項(xiàng)目；項(xiàng)目編號(hào)：F15-014-0-00。

作者簡(jiǎn)介：王紹勇（1971-），男，遼寧沈陽(yáng)人，沈陽(yáng)芯源微電子設(shè)備有限公司技術(shù)研發(fā)總監(jiān)，研究方向：前道TRACK機(jī)械、工藝的設(shè)計(jì)、研發(fā)、銷售。

（責(zé)任編輯：王 波）