長光柵光刻車間氣流組織數值模擬研究

孫棟

摘? 要：長光柵的光刻制造工藝是一個復雜的精密制造過程，良好的環境條件有利于提高產品質量，本文通過CFD方法模擬分析某規格長光柵光刻車間內由空調通風所形成的空氣速度場及溫度場，確定滿足制造工藝要求的空調參數，同時研究送風溫度及送風速度對車間氣流組織的影響，實現有效減少試驗成本及試驗時間，為實際生產提供理論依據的目的。

關鍵詞：光刻;CFD;速度場;溫度場

0引言

長光柵是利用光柵光學原理工作的測量反饋裝置，是我國裝備制造中的關鍵核心部件。傳統的光柵制備方法有機械刻劃、壓膜復制等。研究表明光柵尺的形式、功能多樣，因此對光柵制備技術有了更高要求，目前廣泛采用的是光刻法。光刻工藝是一個復雜的精密制造過程，諸多因素直接影響光柵尺的制造精度。良好的加工環境可以在一定程度上改善光柵尺質量。其中，以光刻作業區域的氣流速度及溫度影響最大。科學引導精密生產環境中的氣流成為提高產品質量的重要研究課題。

本文將CFD技術運用到某長光柵復制光刻車間的氣流速度場和溫度場研究中，對指導車間設備合理布局、科學設置送風參數具有重要意義。

1數值模擬理論

CFD是計算流體動力學的簡稱，它是以計算機作為基本工具，以能量、質量、動量守恒為主要理論依據，采取離散化的數值數學方法，求解各類流體力學問題，為指導實踐提供可靠依據。基于此本文選用FLUENT 軟件進行數值模擬研究。

首先建立數學物理模型，粘性流體流動的通用控制微分方程為：

已有試驗結果表明，暖通空調領域中，為了在保證精度的前提下減少計算量，通常假設氣流流動為紊態，氣體不可壓縮，由粘性作用所導致的能量耗散忽略不計，且試驗場所密封性好。

2建立CFD模型

本課題研究對象為某規格光柵尺光刻車間內的氣流組織，車間簡化物理模型如圖1所示，整體為一個3m×5.5m的矩形區域，車間右下角裝有空調，送風和回風方向如圖所示。復制光刻機置于其中。按照工藝要求，綜合考慮精度和投入經濟性，需將光柵標尺制造環境溫度控制在20±0.5℃。

本文采用ICEM-CFD建模，將實際光刻車間簡化為二維模型并劃分網格，隨后將網格導入FLUENT，經檢查網格無負體積，滿足計算需求，網格模型如圖2所示。

在FLUENT中建立CFD模型。選擇單精度的基于壓力的求解器，湍流模型選擇Standard?k—ε模型，計算精度和收斂性均能滿足分析要求。

壁面函數綜合考慮計算精度以及計算量的均衡，選擇標準壁面函數法。適合高雷諾數流動。由于存在傳熱，需激活能量方程。材料屬性保持默認的air物性。定義進口、出口及壁面的邊界條件，如表1所示：

3計算分析

Fluent支持針對具體問題，選擇最為穩定、高效、合理的數值解法。在該論文中，選擇獨立解算及隱式差分法。求解時，在已經建立好的CFD模型基礎上，給定初始值，同時設定迭代步數，即可迭代求解。

為進一步量化研究復制光刻機工作臺導軌附近的氣流組織情況，我們在該處創建一條長為3m的直線，進而提取這條直線上的數據并繪制曲線。由圖所示的速度曲線可見，該區域的氣流速度在0.34m/s—0.39m/s范圍內波動。由圖6所示的溫度曲線可見，該區域的溫度在20.12℃—20.29℃范圍內波動，滿足車間內某規格光柵尺制備的環境要求。

需要強調的是，在實際生產中，不同規格的光柵尺的光刻環境要求是不同的，同樣可借助CFD方法確定空調參數，從而提高產品質量，縮短試驗時間和成本。因此，本文以復制光刻機上工作臺導軌中點（坐標（1.2，3.2））為固定參考點，研究送風溫度及速度對該節點處氣流組織的影響，為實際生產提供一定的理論依據。分析過程與前述相同。

由此可見，送風速度的變化對節點處的氣流溫度影響不大，基本維持在20℃左右。隨著送風速度的增大，節點處的氣流速度呈波浪式變化，但總體趨于增大。

4結論

良好的光刻環境有利于提高長光柵復制光刻質量，本文通過CFD方法模擬分析某規格長光柵光刻車間氣流組織情況，分析結果顯示設置空調送風溫度20℃，送風速度1m/s時可滿足該規格長光柵復制光刻工藝環境要求。同時，本文還研究了改變送風溫度及送風速度對車間氣流組織的影響。送風溫度每增加1℃，參考節點處的氣流溫度相應升高約4%，氣流速度影響不大。隨著送風速度的增大，節點處的氣流速度總體呈波浪式增大，氣流溫度變化不大。

本文分析結果為實際生產提供了一定的理論依據，研究方法對合理組織空調房間內的氣流及設備改進具有一定的指導意義。

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Numerical Simulation of Air Distribution in long Grating lithography Workshop

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Abstract：The lithography process of long grating is a complex and precise manufacturing process， and good environmental conditions are conducive to improving product quality. In this paper， the air velocity field and temperature field formed by air conditioning and ventilation in a long grating lithography workshop are simulated and analyzed by CFD method， and the air conditioning parameters that meet the requirements of manufacturing process are determined. At the same time， the effects of air supply temperature and air supply speed on the airflow group of workshop are studied The effect of weaving can effectively reduce the cost and time of experiment and provide theoretical basis for actual production.

Keyword：Lithography;CFD; velocity field;temperature field