基于Fluent的半導(dǎo)體濕法腐蝕過(guò)程中的廢氣排放流場(chǎng)研究

李燕玲，黃鑫亮，王勇威，郭立剛，王文麗，夏楠君

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601)

濕法腐蝕清洗機(jī)在半導(dǎo)體生產(chǎn)過(guò)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(yán)格；清洗的好壞會(huì)直接關(guān)系到成品率。濕法腐蝕清洗設(shè)備清洗過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量氣體，這些氣體對(duì)清洗的硅片清潔度有著重要影響。同時(shí)通過(guò)數(shù)值計(jì)算，可以更好地幫助我們了解濕區(qū)的流場(chǎng)分布情況。

1 流場(chǎng)模型建立

現(xiàn)實(shí)中湍流運(yùn)動(dòng)是最常見的一種流體運(yùn)動(dòng)，工程領(lǐng)域幾乎所有的流動(dòng)都是湍流。盡管湍流運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜，但是仍然可以根據(jù)Nabier-Stokes方程和非穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程解決湍流瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)。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(shù)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(xù)方程、動(dòng)量方程和其他變量的輸運(yùn)方程如式(1)～式(3)所示。

式中：t表示時(shí)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(biāo)“-”代表平均值，“′”代表脈動(dòng)值。

圖1 流場(chǎng)幾何模型

濕法腐蝕清洗機(jī)濕區(qū)為操作區(qū)域，圖1為流場(chǎng)的幾何模型。下面對(duì)幾何模型出入口邊界條件變量進(jìn)行定義?；瘜W(xué)槽溢出的氣體主要通過(guò)排風(fēng)窗排出，設(shè)置變量Pout為流場(chǎng)模型排風(fēng)出口壓強(qiáng)，暫定平均相對(duì)壓強(qiáng)為40 Pa，vout為流場(chǎng)模型排風(fēng)出口流速，Qout為流場(chǎng)模型排風(fēng)出口流量。槽體在化學(xué)腐蝕過(guò)程會(huì)釋放大量氣體，設(shè)置變量Pv-in為流場(chǎng)模型化學(xué)槽口壓強(qiáng)，vv-in為流場(chǎng)模型化學(xué)槽口流速，Qv-in為流場(chǎng)化學(xué)槽口流量。前推拉門上的進(jìn)氣口主要用來(lái)補(bǔ)充濕區(qū)被抽走的氣體，Ppre-in為前進(jìn)氣口壓強(qiáng)，vpre-in為前進(jìn)氣口的流速，Qpre-in為前進(jìn)氣口入口的流量。

圖2 槽體溢出流體流場(chǎng)速度分布云圖

2 流場(chǎng)特性分析

圖2為槽體溢出的氣體形成的流場(chǎng)流速分布云圖，氣體在濕區(qū)循環(huán)流動(dòng)，逐漸從排風(fēng)口排出。圖3為進(jìn)氣口被吸入的氣體流速分布云圖，這部分氣體主要是從設(shè)備外吸入設(shè)備中，補(bǔ)充被排風(fēng)口吸走的氣體。圖4為化學(xué)槽中的氣體溢出后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，氣體主要沿著壁面附壁運(yùn)動(dòng)，剩余少量氣體在濕區(qū)內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

改變化學(xué)槽氣體逸出的流速，對(duì)流場(chǎng)的排風(fēng)出口、前門進(jìn)氣口和化學(xué)槽口的流量、流速和壓強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算。變化曲線如圖5所示。隨著化學(xué)槽口氣體溢出流速的增加，化學(xué)槽口和排風(fēng)出口的流量線性增加，前門進(jìn)氣口的流量減少，排風(fēng)出口的流速增加，前門進(jìn)氣口的流速減少，化學(xué)槽口壓強(qiáng)和前門進(jìn)氣口的壓強(qiáng)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(jìn)氣口流體流場(chǎng)速度分布云圖

圖4 化學(xué)槽氣體溢出流動(dòng)變化云圖

改變排風(fēng)出口的壓強(qiáng)，對(duì)流場(chǎng)的排風(fēng)出口、前門進(jìn)氣口和化學(xué)槽口的流量、流速和壓強(qiáng)進(jìn)行分析。隨著排風(fēng)出口壓強(qiáng)的增加，化學(xué)槽口流量保持不變，排風(fēng)出口的流量隨之增加，前門進(jìn)氣口的流量也增加。排風(fēng)出口的流速基本保持不變，前門進(jìn)氣口的流速增加。化學(xué)槽口壓強(qiáng)和前門進(jìn)氣口的壓強(qiáng)都增加。由此數(shù)據(jù)推出排風(fēng)口壓強(qiáng)越大，廢氣越容易被排出。

3 不同排風(fēng)出口幾何模型對(duì)流場(chǎng)的分布情況

排風(fēng)口的設(shè)計(jì)過(guò)程中主要設(shè)計(jì)成橫條排風(fēng)口和豎條排風(fēng)口是為了排出高密度氣體，本小節(jié)主要對(duì)這兩種情況進(jìn)行計(jì)算，分析這兩種開口對(duì)流場(chǎng)的影響。同時(shí)加入無(wú)排風(fēng)口的情況進(jìn)行對(duì)比分析。幾何模型如圖6所示。

圖5 不同變量對(duì)應(yīng)進(jìn)出口的數(shù)值變化曲線

圖6 出風(fēng)口幾何模型

對(duì)3種情況分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的壓力矢量云圖如圖7所示，通過(guò)云圖可以發(fā)現(xiàn)沒(méi)有開口的流場(chǎng)壓強(qiáng)是3種情況中最小的，橫條排風(fēng)口的流場(chǎng)壓強(qiáng)最大。標(biāo)尺中單位為相對(duì)壓強(qiáng)，相對(duì)前門進(jìn)氣孔壓強(qiáng)，前門進(jìn)氣孔壓強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)，在這里我們?cè)O(shè)定為0 Pa。

圖7 流場(chǎng)壓強(qiáng)云圖

對(duì)3種幾何模型的各出入口壓強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)，橫條紋排風(fēng)口進(jìn)口壓強(qiáng)比豎條排風(fēng)口略高一些，無(wú)排風(fēng)口壓強(qiáng)最低，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 3種排風(fēng)出入口壓強(qiáng)檢測(cè)值（平均值）

對(duì)3種排風(fēng)口的流量檢測(cè)，橫條排風(fēng)口比沒(méi)有排風(fēng)口出口流量要多一些，進(jìn)氣口吸入的氣體相比要多一些。橫條排風(fēng)口更容易將廢氣排出。數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 3種排風(fēng)口出入口流量檢測(cè)值（平均值）

4 結(jié) 論

本文主要針對(duì)濕法清洗設(shè)備濕區(qū)廢氣的排放問(wèn)題進(jìn)行流場(chǎng)分析，首先對(duì)濕區(qū)的流場(chǎng)進(jìn)行幾何建模和數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)中的氣體在設(shè)備中進(jìn)行附壁循環(huán)流動(dòng)。然后改變槽口溢出氣體的流速，分析不同流速下的流場(chǎng)特性，槽口氣體溢出的流速越大越容易排出。改變流場(chǎng)的出口壓強(qiáng)，隨著出口壓強(qiáng)的增大，氣體越容易排出。最后建立3種排風(fēng)出口模型，通過(guò)計(jì)算得出橫條排風(fēng)口情況的流場(chǎng)壓強(qiáng)最大，不加排風(fēng)口流場(chǎng)壓強(qiáng)最小。橫條排風(fēng)口排出廢氣的流量最大，更容易排出氣體。

通過(guò)計(jì)算分析可以直觀了解流場(chǎng)的分布情況，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。本文僅使用單一氣體進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于多氣體場(chǎng)模型需要進(jìn)一步研究。