基于Fluent的半導體濕法腐蝕過程中的廢氣排放流場研究

李燕玲，黃鑫亮，王勇威，郭立剛，王文麗，夏楠君

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601)

濕法腐蝕清洗機在半導體生產過程中被廣泛使用。隨著IC集成度不斷提高，硅片表面清潔度要求更為嚴格；清洗的好壞會直接關系到成品率。濕法腐蝕清洗設備清洗過程中會產生大量氣體，這些氣體對清洗的硅片清潔度有著重要影響。同時通過數值計算，可以更好地幫助我們了解濕區的流場分布情況。

1 流場模型建立

現實中湍流運動是最常見的一種流體運動，工程領域幾乎所有的流動都是湍流。盡管湍流運動很復雜，但是仍然可以根據Nabier-Stokes方程和非穩態連續性方程解決湍流瞬時的運動。Fluent中 包 含 很 多 湍 流 模 型 ：Laminar、Inviscid、Sparlart-Allmaras、k-ε、k-ω 和 Reynolds Stress， 其 中k-ε 方程又包括 3 種：Standard k-ε、RNG k-ε 和Realizable k-ε。k-ε模型為黏性仿真常用的求解方式，是屬于非直接數值模擬中Reynolds平均法中渦粘模型下的兩方程求解模型。引入Reynolds平均法后的連續方程、動量方程和其他變量的輸運方程如式(1)～式(3)所示。

式中：t表示時間，ρ表示密度，u表示速度矢量，u、v、w 分別表示速度矢量 u 在 x、y、z方向分速度，p表示流體微元上的壓力，φ為其他變量，上標“-”代表平均值，“′”代表脈動值。

圖1 流場幾何模型

濕法腐蝕清洗機濕區為操作區域，圖1為流場的幾何模型。下面對幾何模型出入口邊界條件變量進行定義。化學槽溢出的氣體主要通過排風窗排出，設置變量Pout為流場模型排風出口壓強，暫定平均相對壓強為40 Pa，vout為流場模型排風出口流速，Qout為流場模型排風出口流量。槽體在化學腐蝕過程會釋放大量氣體，設置變量Pv-in為流場模型化學槽口壓強，vv-in為流場模型化學槽口流速，Qv-in為流場化學槽口流量。前推拉門上的進氣口主要用來補充濕區被抽走的氣體，Ppre-in為前進氣口壓強，vpre-in為前進氣口的流速，Qpre-in為前進氣口入口的流量。

圖2 槽體溢出流體流場速度分布云圖

2 流場特性分析

圖2為槽體溢出的氣體形成的流場流速分布云圖，氣體在濕區循環流動，逐漸從排風口排出。圖3為進氣口被吸入的氣體流速分布云圖，這部分氣體主要是從設備外吸入設備中，補充被排風口吸走的氣體。圖4為化學槽中的氣體溢出后的運動過程，氣體主要沿著壁面附壁運動，剩余少量氣體在濕區內旋轉。

改變化學槽氣體逸出的流速，對流場的排風出口、前門進氣口和化學槽口的流量、流速和壓強進行計算。變化曲線如圖5所示。隨著化學槽口氣體溢出流速的增加，化學槽口和排風出口的流量線性增加，前門進氣口的流量減少，排風出口的流速增加，前門進氣口的流速減少，化學槽口壓強和前門進氣口的壓強都減少。從而可以得到溢出氣體的流速越大，越容易排出廢氣。

圖3 進氣口流體流場速度分布云圖

圖4 化學槽氣體溢出流動變化云圖

改變排風出口的壓強，對流場的排風出口、前門進氣口和化學槽口的流量、流速和壓強進行分析。隨著排風出口壓強的增加，化學槽口流量保持不變，排風出口的流量隨之增加，前門進氣口的流量也增加。排風出口的流速基本保持不變，前門進氣口的流速增加。化學槽口壓強和前門進氣口的壓強都增加。由此數據推出排風口壓強越大，廢氣越容易被排出。

3 不同排風出口幾何模型對流場的分布情況

排風口的設計過程中主要設計成橫條排風口和豎條排風口是為了排出高密度氣體，本小節主要對這兩種情況進行計算，分析這兩種開口對流場的影響。同時加入無排風口的情況進行對比分析。幾何模型如圖6所示。

圖5 不同變量對應進出口的數值變化曲線

圖6 出風口幾何模型

對3種情況分別進行計算，計算的壓力矢量云圖如圖7所示，通過云圖可以發現沒有開口的流場壓強是3種情況中最小的，橫條排風口的流場壓強最大。標尺中單位為相對壓強，相對前門進氣孔壓強，前門進氣孔壓強為標準大氣壓強，在這里我們設定為0 Pa。

圖7 流場壓強云圖

對3種幾何模型的各出入口壓強進行檢測，橫條紋排風口進口壓強比豎條排風口略高一些，無排風口壓強最低，數據如表1所示。

表1 3種排風出入口壓強檢測值（平均值）

對3種排風口的流量檢測，橫條排風口比沒有排風口出口流量要多一些，進氣口吸入的氣體相比要多一些。橫條排風口更容易將廢氣排出。數據如表2所示。

表2 3種排風口出入口流量檢測值（平均值）

4 結 論

本文主要針對濕法清洗設備濕區廢氣的排放問題進行流場分析，首先對濕區的流場進行幾何建模和數值計算，發現流場中的氣體在設備中進行附壁循環流動。然后改變槽口溢出氣體的流速，分析不同流速下的流場特性，槽口氣體溢出的流速越大越容易排出。改變流場的出口壓強，隨著出口壓強的增大，氣體越容易排出。最后建立3種排風出口模型，通過計算得出橫條排風口情況的流場壓強最大，不加排風口流場壓強最小。橫條排風口排出廢氣的流量最大，更容易排出氣體。

通過計算分析可以直觀了解流場的分布情況，為結構優化設計提供理論依據。本文僅使用單一氣體進行計算，對于多氣體場模型需要進一步研究。