基于多孔介质理论的腔室流场分析

王绍勇　尹宁

摘要：文章对半导体设备中腔室内的供风结构进行研究，采用数值分析的方法，对供风结构进行流场分析，根据分析的结果对结构进行优化，以达到理想的出风一致性效果。对测试和验证给予定性分析和指导，节约修改结构和复杂测试所消耗的时间和成本，缩短设计周期。

关键词：高效空气过滤器；气流分布一致性；多孔介质；数值模拟；供风结构 文献标识码：A

中图分类号：TN015 文章编号：1009-2374（2017）08-0104-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.050

半导体制造装备的持续创新与不断改进客观上促成了半导体工业的飞速发展，满足了人们对高性能电子产品的需求。相关工艺分析资料表明，在整个工艺制造流程，光刻部分带来的工艺缺陷占50%左右，这其中超过90%的光刻缺陷来自于涂胶显影过程。这就要求匀胶显影机在设计时充分考虑机台的微环境控制。目前，普遍的做法是为匀胶显影机配置高精密恒温恒湿空调，同时在匀胶显影工艺腔室内，空调出风口将晶圆上方的空间完全覆盖，并安装超高效空气过滤器（ULPA），以保证晶圆在精密空调送出的恒温恒湿且除尘的洁净空气环境下进行涂胶和显影的工艺过程。

除了温湿度的精密要求，对空调出风的均匀性也有严格要求，避免由于出风不均匀导致的腔室内部压力不稳或风速不一致，进而影响晶圆的工艺，引入缺陷。目前，工艺腔室内的风速要求均在1m/s以下，属微风速范围，测量准确性差。如果通过先加工制造再测试验证的物理实验方式进行研发，周期较长，反复测试也浪费人力、物力和财力资源。同时，不均匀送风导致过滤器各处的通风流量差异较大，运行一段时间后流量大的位置阻力变大，影响过滤器的整体寿命，这不符合现代发展的低碳经济理念。

综上考虑，本文采用数值分析的方法，对匀胶显影工艺腔室内的供风结构进行流场分析，根据分析的结果对结果进行优化，以达到理想的出风一致性效果。对测试和验证给予定型结论和指导，节约修改结构和复杂测试所消耗的时间和成本，缩短设计周期。

1 问题描述

经过精密空调的处理，空气达到工艺要求的温度和濕度，经由供风管道进入匀胶显影机的供风结构再进入匀胶或显影腔室，经由腔室上方出风口的超高效过滤器将空气中的颗粒去除，最终进入腔室内部，接触晶圆及处理晶圆的化学品（光刻机或显影液等）。

在这一过程中，符合温湿度要求的气源由恒温恒湿机稳定提供，故可将数值模拟问题简化为没有热交换的冷态模型，分析调温调湿后的空气经由特定的风道结构到达高效过滤器上方，再经过高效过滤器进入腔室内部。对部分区域内的流体运动区域进行CAD建模，如图1所示。

高效过滤器是一种新型的气体过滤装置，主体滤材为超细纤维，依据气溶胶学以及凝聚式过滤机理进行研制，针对空气中悬浮的亚微米级颗粒物进行捕捉，随着技术革新和应用需求的改变，不断向低阻高效的目标发展。目前，应用于半导体设备中的超高效过滤器已更新为玻璃纤维滤料，这种材料的滤网孔径较为均匀，阻燃性好，定量偏差小。

过滤是复杂的流动过程，基于流体力学的理论，过滤属于气固两相流（空气及颗粒）在多孔介质（滤芯材料）中对流扩散及分离的过程，颗粒通过一系列扩散机理后留在滤芯中，经过一段时间后，滤芯中的颗粒累积，过滤效率与阻力随过滤时间的增加而上升。

以往的研究中，往往对过滤器进行忽略或用筛网进行等效处理，如下图中简单的模拟分析所示：忽略滤网的模拟中，出口面只有远端（左侧）出风，近端出现不同程度的出口回流，这种现象在实际使用中并未出现。远端出风位置的出风角度为倾斜状态。等效为孔板的模型中，出风角度和出风面均有所改善，但仍有出口回流的问题。由于不能准确描述气流经过滤网后的压降和转向，再加之模拟分析所需的必要简化，所得结果虽有参考价值但距离实际工况差距过大。

在同一尺度下，无法细致地描述纤维状的滤芯材料，对于腔室内流场的分析也不需要过于细致地了解滤芯内部细致的过滤过程，综上考虑，本文中将用多孔介质体来等效过滤器部分。基于多孔介质理论，结合超高效过滤器的压降曲线，在模拟分析时将过滤器处理成多孔介质模型，最大程度还原真实工况，可以更好地还原实际工况，从而更有效地预估和优化腔室的风流控制。

2 理论基础

计算流体力学（CFD）被广泛用于气流组织研究领域。CFD可以看作是在流动基本方程（质量守恒方程、能量守恒方程、动量守恒方程）的作用下对流体的数值模拟，为简化计算，现对模型做适当的简化和假设：气流为不可压缩常物性牛顿流体，稳态流动。基于以上的假设，控制方程可以简化为：

多孔介质是流体的一种。将模拟的流场中某一区域定义为多孔介质，定义该区域的压力降参数。理论上来说，所谓的多孔介质模型就是在上述的动量方程上叠加了一个动量源项，包括粘性损失和惯性损失。

3 数值模拟和优化

进一步简化模型，初步仿真只对风盒及过滤器部分进行分析，模型简化后如下图所示，受结构空间限制，进风口在长风盒的侧面，滤网位于风盒下方，滤网出风面即为模型的出口部分，进风口边界条件为速度进口，出风面的边界条件为压力出口，滤网部分设定为多孔介质，多孔介质与正常流体域空间的交界面设定为内部面，即流体可通过面，其他边框均为常规壁面边界。

观察数值模拟后的速度流线图和出口面的速度矢量图，气流在风盒层以较大速度通过且不易转向，转向主要发生在风盒的远端。从中间截面的速度云图可以看出，气流进入过滤器层之后，出现明显的减速；压力云图中，压力变化区域为风盒出风的部分，即风盒远端，进入多孔介质区域后压力明显下降，这符合过滤器降压降速的特点。

经过上述模拟可以看出，将过滤器处理成多孔介质之后，出口不再出现回流，出风端的出流方向较为一致，但出口面上，气流速度从进风端至远端不断增加，极为不均匀。整个过滤器的出风面有超过50%以上基本没有风速（小于0.05m/s），这将导致过滤器下方处理的晶圆在不同的风速环境下进行作业，从而导致晶圆的处理效果一致性差。同时，由于出风量的不一致，过滤器右侧高出风量的部分将更快的失效甚至堵住，过滤器的使用寿命由此大大缩短。

更改模型，将变截面风管的原理应用在模型中，在风盒中加入不同高度的挡板或将上层风盒改为楔形，如图9所示：

对风盒层的结构进行反复调整，最终得到相对较好的出风效果，如图10所示。气流进入风盒层后，受楔形结构影响，沿风盒长度方向在各处均发生转向，出口面的各处均有气流流出，气流方向竖直向下。出风面中部长度超过整体85%的部分风速基本一致

（0.3m/s），远端及近端仍有微小差异，整体风速变化区间为0.27～0.33m/s，已经可以满足工艺需求（偏差小于0.05m/s）。

观察中间截面的速度云图，气流进入过滤器层之后在过滤器内部各个位置发生减速，速度大小变化较小，在变化范围是0～4m/s的云图中显示为同一颜色；压力云图中，压降发生在过滤器层的各个位置，可以看到风盒形状的变化对整场的压力和速度分布作用明显。

4 结语

本文针对半导体设备中腔室内的供风结构进行研究，采用数值分析的方法，对供风结构进行流场分析，对比对过滤器进行的不同方式的等效处理，发现多孔介质方式等效过滤器的模拟结果更符合过滤器的实际特点，根据分析的结果对结构进行优化，以达到理想的出风一致性效果。

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基金项目：沈阳市2015年市科技计划项目：“300mm叠层匀胶显影机内部流场与温度场控制技术攻关”项目；项目编号：F15-014-0-00。

作者简介：王绍勇（1971-），男，遼宁沈阳人，沈阳芯源微电子设备有限公司技术研发总监，研究方向：前道TRACK机械、工艺的设计、研发、销售。

（责任编辑：王 波）