基于多孔介質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的供風結構進行研究，采用數值分析的方法，對供風結構進行流場分析，根據分析的結果對結構進行優化，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，節約修改結構和復雜測試所消耗的時間和成本，縮短設計周期。

關鍵詞：高效空氣過濾器；氣流分布一致性；多孔介質；數值模擬；供風結構 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創新與不斷改進客觀上促成了半導體工業的飛速發展，滿足了人們對高性能電子產品的需求。相關工藝分析資料表明，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，同時在勻膠顯影工藝腔室內，空調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送出的恒溫恒濕且除塵的潔凈空氣環境下進行涂膠和顯影的工藝過程。

除了溫濕度的精密要求，對空調出風的均勻性也有嚴格要求，避免由于出風不均勻導致的腔室內部壓力不穩或風速不一致，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，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，這不符合現代發展的低碳經濟理念。

綜上考慮，本文采用數值分析的方法，對勻膠顯影工藝腔室內的供風結構進行流場分析，根據分析的結果對結果進行優化，以達到理想的出風一致性效果。對測試和驗證給予定型結論和指導，節約修改結構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

經過精密空調的處理，空氣達到工藝要求的溫度和濕度，經由供風管道進入勻膠顯影機的供風結構再進入勻膠或顯影腔室，經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定提供，故可將數值模擬問題簡化為沒有熱交換的冷態模型，分析調溫調濕后的空氣經由特定的風道結構到達高效過濾器上方，再經過高效過濾器進入腔室內部。對部分區域內的流體運動區域進行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，隨著技術革新和應用需求的改變，不斷向低阻高效的目標發展。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（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進行等效處理，如下圖中簡單的模擬分析所示：忽略濾網的模擬中，出口面只有遠端（左側）出風，近端出現不同程度的出口回流，這種現象在實際使用中并未出現。遠端出風位置的出風角度為傾斜狀態。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過濾網后的壓降和轉向，再加之模擬分析所需的必要簡化，所得結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，對于腔室內流場的分析也不需要過于細致地了解濾芯內部細致的過濾過程，綜上考慮，本文中將用多孔介質體來等效過濾器部分。基于多孔介質理論，結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域。CFD可以看作是在流動基本方程（質量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程）的作用下對流體的數值模擬，為簡化計算，現對模型做適當的簡化和假設：氣流為不可壓縮常物性牛頓流體，穩態流動。基于以上的假設，控制方程可以簡化為：

多孔介質是流體的一種。將模擬的流場中某一區域定義為多孔介質，定義該區域的壓力降參數。理論上來說，所謂的多孔介質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 數值模擬和優化

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，受結構空間限制，進風口在長風盒的側面，濾網位于風盒下方，濾網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，濾網部分設定為多孔介質，多孔介質與正常流體域空間的交界面設定為內部面，即流體可通過面，其他邊框均為常規壁面邊界。

觀察數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向，轉向主要發生在風盒的遠端。從中間截面的速度云圖可以看出，氣流進入過濾器層之后，出現明顯的減速；壓力云圖中，壓力變化區域為風盒出風的部分，即風盒遠端，進入多孔介質區域后壓力明顯下降，這符合過濾器降壓降速的特點。

經過上述模擬可以看出，將過濾器處理成多孔介質之后，出口不再出現回流，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境下進行作業，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將上層風盒改為楔形，如圖9所示：

對風盒層的結構進行反復調整，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，受楔形結構影響，沿風盒長度方向在各處均發生轉向，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，整體風速變化區間為0.27～0.33m/s，已經可以滿足工藝需求（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部各個位置發生減速，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 結語

本文針對半導體設備中腔室內的供風結構進行研究，采用數值分析的方法，對供風結構進行流場分析，對比對過濾器進行的不同方式的等效處理，發現多孔介質方式等效過濾器的模擬結果更符合過濾器的實際特點，根據分析的結果對結構進行優化，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疊層勻膠顯影機內部流場與溫度場控制技術攻關”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研發總監，研究方向：前道TRACK機械、工藝的設計、研發、銷售。

（責任編輯：王 波）