基于Fluent的半导体湿法腐蚀过程中的废气排放流场研究

李燕玲，黄鑫亮，王勇威，郭立刚，王文丽，夏楠君

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 101601)

湿法腐蚀清洗机在半导体生产过程中被广泛使用。随着IC集成度不断提高，硅片表面清洁度要求更为严格；清洗的好坏会直接关系到成品率。湿法腐蚀清洗设备清洗过程中会产生大量气体，这些气体对清洗的硅片清洁度有着重要影响。同时通过数值计算，可以更好地帮助我们了解湿区的流场分布情况。

1 流场模型建立

现实中湍流运动是最常见的一种流体运动，工程领域几乎所有的流动都是湍流。尽管湍流运动很复杂，但是仍然可以根据Nabier-Stokes方程和非稳态连续性方程解决湍流瞬时的运动。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 种：Standard k-ε、RNG k-ε 和Realizable k-ε。k-ε模型为黏性仿真常用的求解方式，是属于非直接数值模拟中Reynolds平均法中涡粘模型下的两方程求解模型。引入Reynolds平均法后的连续方程、动量方程和其他变量的输运方程如式(1)～式(3)所示。

式中：t表示时间，ρ表示密度，u表示速度矢量，u、v、w 分别表示速度矢量 u 在 x、y、z方向分速度，p表示流体微元上的压力，φ为其他变量，上标“-”代表平均值，“′”代表脉动值。

图1 流场几何模型

湿法腐蚀清洗机湿区为操作区域，图1为流场的几何模型。下面对几何模型出入口边界条件变量进行定义。化学槽溢出的气体主要通过排风窗排出，设置变量Pout为流场模型排风出口压强，暂定平均相对压强为40 Pa，vout为流场模型排风出口流速，Qout为流场模型排风出口流量。槽体在化学腐蚀过程会释放大量气体，设置变量Pv-in为流场模型化学槽口压强，vv-in为流场模型化学槽口流速，Qv-in为流场化学槽口流量。前推拉门上的进气口主要用来补充湿区被抽走的气体，Ppre-in为前进气口压强，vpre-in为前进气口的流速，Qpre-in为前进气口入口的流量。

图2 槽体溢出流体流场速度分布云图

2 流场特性分析

图2为槽体溢出的气体形成的流场流速分布云图，气体在湿区循环流动，逐渐从排风口排出。图3为进气口被吸入的气体流速分布云图，这部分气体主要是从设备外吸入设备中，补充被排风口吸走的气体。图4为化学槽中的气体溢出后的运动过程，气体主要沿着壁面附壁运动，剩余少量气体在湿区内旋转。

改变化学槽气体逸出的流速，对流场的排风出口、前门进气口和化学槽口的流量、流速和压强进行计算。变化曲线如图5所示。随着化学槽口气体溢出流速的增加，化学槽口和排风出口的流量线性增加，前门进气口的流量减少，排风出口的流速增加，前门进气口的流速减少，化学槽口压强和前门进气口的压强都减少。从而可以得到溢出气体的流速越大，越容易排出废气。

图3 进气口流体流场速度分布云图

图4 化学槽气体溢出流动变化云图

改变排风出口的压强，对流场的排风出口、前门进气口和化学槽口的流量、流速和压强进行分析。随着排风出口压强的增加，化学槽口流量保持不变，排风出口的流量随之增加，前门进气口的流量也增加。排风出口的流速基本保持不变，前门进气口的流速增加。化学槽口压强和前门进气口的压强都增加。由此数据推出排风口压强越大，废气越容易被排出。

3 不同排风出口几何模型对流场的分布情况

排风口的设计过程中主要设计成横条排风口和竖条排风口是为了排出高密度气体，本小节主要对这两种情况进行计算，分析这两种开口对流场的影响。同时加入无排风口的情况进行对比分析。几何模型如图6所示。

图5 不同变量对应进出口的数值变化曲线

图6 出风口几何模型

对3种情况分别进行计算，计算的压力矢量云图如图7所示，通过云图可以发现没有开口的流场压强是3种情况中最小的，横条排风口的流场压强最大。标尺中单位为相对压强，相对前门进气孔压强，前门进气孔压强为标准大气压强，在这里我们设定为0 Pa。

图7 流场压强云图

对3种几何模型的各出入口压强进行检测，横条纹排风口进口压强比竖条排风口略高一些，无排风口压强最低，数据如表1所示。

表1 3种排风出入口压强检测值（平均值）

对3种排风口的流量检测，横条排风口比没有排风口出口流量要多一些，进气口吸入的气体相比要多一些。横条排风口更容易将废气排出。数据如表2所示。

表2 3种排风口出入口流量检测值（平均值）

4 结 论

本文主要针对湿法清洗设备湿区废气的排放问题进行流场分析，首先对湿区的流场进行几何建模和数值计算，发现流场中的气体在设备中进行附壁循环流动。然后改变槽口溢出气体的流速，分析不同流速下的流场特性，槽口气体溢出的流速越大越容易排出。改变流场的出口压强，随着出口压强的增大，气体越容易排出。最后建立3种排风出口模型，通过计算得出横条排风口情况的流场压强最大，不加排风口流场压强最小。横条排风口排出废气的流量最大，更容易排出气体。

通过计算分析可以直观了解流场的分布情况，为结构优化设计提供理论依据。本文仅使用单一气体进行计算，对于多气体场模型需要进一步研究。