半导体湿法腐蚀清洗设备排风结构优化及流场特性研究.docx

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Summary：晶圆湿法清洗工艺是半导体制造中较为关键的一环，清洗后晶圆表面的洁净度取决于清洗设备的性能。湿法腐蚀清洗设备内部废气的排放对晶圆表面的洁净度、操作人员安全、设备安全及生产环境具有重要的影响。本文基于Fluent有限元数值分析平台，建立了设备内部排风的流体场数值分析模型，对其进行了瞬态流场流动分析；研究了排风区域宽度、排风孔长度、排风孔与槽体顶部高度差等因素对设备内部废气流动状态及槽体上方D点处的风速和风压的影响进行了分析，并优选出了最佳排风结构参数。本文可对全自动湿法腐蚀设备的排风分析提供扎实的理论依据。
Keys：全自动湿法腐蚀清洗设备；Fluent；流场数值分析；废气排放

半导体清洗工艺贯穿整个半导体的制造过程，是非常关键的一环。清洗的目的主要是在不改变/损坏晶圆表面的情况下去除晶圆表面的化学杂质和颗粒杂质
等，确保晶圆表面的洁净度，以提高芯片的性能和质量。随着芯片制程推进到2/3nm技术节点，特征尺寸的缩小使得芯片对微小颗粒的污染物更加敏感，这就导致对晶圆表面的洁净度要求逐渐提高[1-2]。
晶圆清洗工艺主要分为干法清洗和湿法清洗，湿法清洗采用去离子水（DIW）和特定的化学药液（SPM，SC1，SC2等）可以对晶圆表面进行无损伤清洗，是目前FAB厂主要采用的清洗方式。在晶圆清洗过程中，由于化学药液挥发等因素，会产生大量的废气，这些废气如若不能及时排出，不仅会对操作人员、设备安全及生产环境造成影响，而且会降低晶圆表面的洁净度[3-4]。因此，对湿法腐蚀清洗设备的排风结构及其流场特性的研究近年来已经成为了清洗设备的重要研究方向。
本文基于流体动力学及机械设计理论，对湿法腐蚀清洗设备的排风进行了设计研究。基于Fluent有限元数值分析平台，建立了设备排风的流体场数值分析模型，对其进行了瞬态流场流动分析，得到了设备内部风场的流动状态云图。通过分析对设备排风结构进行了优化，提高了设备内部废气排放的有效性。

Fluent有限元数值分析平台是近年来求解流体流动方程较为准确且快速的方法，相比于数学分析方法，Fluent通过特有的结果分析模块，能够得到流体真实的流动状态，以云图的方式更加直观的表现出来[5]。图1为全自动湿法腐蚀清洗设备废气排放的几何结构图，设备主要采用顶部FFU送风，同时设备中部的排风筒连接厂务排风系统对设备内部进行抽风，通过送风和抽风将挥发出的化学药液等废气排放到厂务废气管道内。在对该结构进行数值分析时，为了提高
计算效率，划分出高质量的网格，将设备中不影响分析结果的尺寸和结构进行简化处理。
图1 全自动湿法腐蚀清洗设备废气排放几何结构图
由于排风孔等结构的尺寸与设备整体尺寸相差悬殊，因此采用分区划分和非结构化网格划分相结合的方法，对分析模型的不同区域依次进行网格划分操作，以有效提高网格质量，使得分析模型在计算时可以更好的得到收敛，获得更加准确的数据，分析模型的网格划分如图2所示。
图2 网格划分模型
设备顶部由FFU送风，故设置流体入口边界条件为速度入口，；废气出口由排风筒连接厂务排风管道，故设置流体出口边界条件为压力出口，出口压强定义为厂务压强150Pa，分析模型中定义相对压强为-101150 Pa。设备中废气的流动状态主要为湍流运动，在Fluent中将分析模型设置为k-epsilon湍流模型，该模型属于粘性仿真常用的求解模型，是属于非直接数值模拟中Reynolds平均法中涡粘模型下的一种两方程求解模型；计算域中流场的求解采用Fluent软件中的SIMPLE算法，各残差收敛准则为10-6，当残差收敛稳定后结束计算。
2. 排风结构优化及流场特性分析
湿法腐蚀清洗设备的排风主要将化学药液槽挥发出的化学药液等废气抽送到厂务的废气管路中，因此槽体上方的风速和风压是设备排风结构中较为关键的因素。以现有全自动湿法腐蚀清洗设备的排风结构为基础，进一步研究排风区域宽度a，排风孔与槽体顶部高度差h，排风孔长度l等因素对设备内部尤其是槽体上部区域废气流动速度及压强的影响。
图3 设备排风结构参数
在排风区域宽度a=60~280mm下，排风孔与槽体顶部高度差h=0mm，排风孔长度l=85mm，FFU送风风速VF=，出口压力PC=150Pa，对不同排风结构模型进行有限元数值分析，得到设备内部废气的真实流动状态如图4所示，提取距离化学槽体上方50mm，化学槽体排风一侧边缘40m D处的风速V和风压P如图5所示。从图4中可以看出，随着排风区域宽度a的不断增大，槽体上方废气流速逐渐下降，尤其在槽体左侧靠近排风孔处下降明显，而槽体下方即槽体支撑处的废气流速逐渐增大；从图5中可以看出，随着排风区域宽度
a的不断增大，D点处废气风速V在a=50~100mm时下降缓慢，当a>100mm时，D点处废气风速V下降迅速，而风压P在a=50~280mm区间内仅存在微小的波动，说明排风区域宽度对风压P的影响甚微，而对风速V影响较大。综合分析，取排风区域宽度a=100mm。
图4 不同排风区域宽度下设备内部废气流动状态云图
  
图5 D点处风速和风压与排风区域宽度的关系
在排风孔长度l=55~145mm下，排风区域宽度a=100mm，排风孔与槽体顶部高度差h=0mm，FFU送风风速VF=，出口压力PC=150Pa，对不同排风结构模型进行有限元数值分析，得到设备内部废气的真实流动状态如图6所示，同样提取D处的风速V和风压P如图7所示。从图6中可以看出，随着排风孔长度l不断增大，排风孔处的风速不断减小，槽体下方即槽体支撑处和槽体上方的风速变化较小；从图7中可以看出，随着排风孔长度l不断增大，D点处废气风速V变化较小，，但风压P随之不断减小，说明排风孔长度l对风压P的影响较大。提取排风孔周围废气流动状态的矢量云图，如图8所示，可以看出排风孔周围存在气体涡流现象，会导致废气回流，对设备内部造成二次污染，随着排风孔长度l不断增大，气体涡流现象逐渐减弱，这主要是由于风压P的减小，但风压P过小，会存在设备外部气体从设备其他部位溢入设备内部的风险。综合分析，取排风孔长度l=100mm。
图6 不同排风孔长度下设备内部废气流动状态云图
图7 D点处风速和风压与排风孔长度的关系
图8 不同排风孔长度下排风孔周围废气流动状态矢量云图
在排风孔与槽体顶部高度差h=-60~60mm下，排风区域宽度a=100mm，排风孔长度l=100mm，FFU送风风速VF=，出口压力PC=150Pa，对不同排风结构模型进行有限元数值分析，得到设备内部废气的真实流动状态如图9所示，同样提取D处的风速V和风压P如图10所示。从图9中可以看出，随着排风孔与槽体顶部高度差h的不断增大，槽体上方废气流速逐渐增大，而槽体下方即槽体支撑处的废气流速逐渐减小；从图10中可以看出，随着排风孔与槽体顶部高度差h的不断增大，D点处废气风速V缓慢上升，波动幅度不大，风压P也仅存在微小的波动，说明排风孔与槽体顶部高度差h的大小对D点处的风速V和风压P影响较小，但对设备内部整个废气的流动存在较大的影响。考虑到槽体下方也存在废气的聚集，综合分析，取排风孔与槽体顶部高度差h=0mm。
图9 不同排风孔与槽体顶部高度差下设备内部废气流动状态云图
图10 D点处风速和风压与排风孔和槽体顶部高度差的关系
3. 结论
本文针对全自动腐蚀清洗设备废气排放问题，对设备排风的结构及流场特性进行了研究，研究结果表明：
（1）建立了设备内部废气流动的Fluent有限元数值分析模型，对其进行了瞬态流场分析，得到了设备内部废气真实流动状态云图；
（2）对排风区域宽度a、排风孔长度l、排风孔与槽体顶部高度差h等因素对设备内部废气流动状态及槽体上方D点处的风速V和风压P的影响进行了分析，并根据影响规律优选出了最佳结构参数：排风区域宽度a=100mm，排风孔长度l=100mm，排风孔与槽体顶部高度差h=0mm。
Reference
[1] [J].电子工业专用设备,2014,43(07):18-21.
[2] 王本义,谷德鑫,[J].中国设备工程,2021(09):215-216.
[3] 李燕玲,黄鑫亮,王勇威,[J].电子工业专用设备,2018,47(05):31-36.
[4]谢振民,[J].清洗世界,2023,39(07):50-52.
[5] 李鹏飞. 精通CFD 工程仿真与案例实战[M]. 北京：人民邮电出版社，2011.
谢振民（-），男，辽宁彰武人，中国电子科技集团公司第四十五研究所，高级工程师，工程硕士，主要从事半导体设备的设计开发。
陈 钊（-），男，河北保定人，中国电子科技集团公司第四十五研究所，助理工程师，工学硕士，主要从事半导体设备的设计理论及关键技术研究。