半導體單晶片旋轉(zhuǎn)清洗器中渦流的周期性結(jié)構(gòu)

引言

近年來，隨著集成電路的微細化，半導體制造的清洗方式從被稱為“批量式”的25枚晶片一次清洗的方式逐漸改變?yōu)椤皢螐埵健钡木淮吻逑吹姆绞?。?a target="_blank">半導體的制造中，各工序之間進行晶片的清洗，清洗工序次數(shù)多，其時間縮短、高精度化決定半導體的生產(chǎn)性和質(zhì)量。在單張式清洗中，用超純水沖洗晶片 ,一邊高速旋轉(zhuǎn)，一邊從裝置上部使干燥的空氣流過。在該方式中，逐個處理晶片。上一行程粒子的交錯污染少。近年來，由于高壓噴氣和極低溫的關于向粒子噴射氮氣溶膠等“清洗能力相關技術”進行了大量研究；另一方面，關于通過清洗暫時遠離晶片的粒子，重新附著到晶片上，進行葉片式清洗，在干燥時晶片和保持晶片的轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)。

實驗

單張式清洗裝置模型：

圖1a表示裝置整體的系統(tǒng)圖，圖1b表示測定部的詳細情況。測定部由模擬清洗機處理室的直徑D＝520mm、高470mm的圓筒構(gòu)成，其中放置有半徑R=165mm的圓板。另外，本研究還包括吹向圓板的氣流通過送風機在裝置內(nèi)循環(huán)。送風機送來的氣流通過節(jié)流流量計，通過設置在處理室上方的流路，流入長1830mm的助跑區(qū)間。助跑區(qū)間入口設有格子間隔26mm的整流用蜂窩，在本研究中，硅片和保持硅片的卡盤工作臺簡化為一個，將厚度10mm的鋁制圓板用作旋轉(zhuǎn)圓板，在該圓板下部設置有排氣罩，在其內(nèi)側(cè)設置有3個排氣口另外，處理室的間隙分別為28mm、45mm。流入測量部的氣流與旋轉(zhuǎn)圓板碰撞，通過排氣罩和處理室的間隙(以下將其稱為排氣狹縫)進入排氣罩內(nèi)，從排氣口返回送風機。

圖1 1a示出了實驗裝置的示意圖實驗裝置的示意圖，箭頭表示流動回路及其方向。圖1b顯示了轉(zhuǎn)盤附近的細節(jié)。該圖還顯示了粒子圖像測速的光學系統(tǒng)和測量區(qū)域

2PIV測量：

測量中使用了PIV。PIV用示蹤劑使用了用加熱器加熱丙二醇水溶液并霧化后的煙霧。在本文中，以調(diào)查從圓板產(chǎn)生的渦流到處理室內(nèi)壁的平流為目的，用圖1b虛線表示。

LES計算：

雖然本PIV測量是非穩(wěn)態(tài)測量，但是只能掌握從圓板附近到管壁的二維流動的舉動。 實際的趨勢是，由于伴隨圓盤旋轉(zhuǎn)的8個方向的流動，因此呈三維結(jié)構(gòu)，本PIV是該三維結(jié)構(gòu)的一部分 不過是按時間順序追趕著部。因此，在PIV測量的基礎上進行了三維數(shù)值計算，通過實驗和計算的互補，嘗試了更準確地推測現(xiàn)實中在清洗機內(nèi)形成的流動的三維結(jié)構(gòu)。

結(jié)果和討論

基于1Q2值的渦流區(qū)域辨識中，著眼于在可能引起垃圾再次附著的清洗機內(nèi)形成的渦流結(jié)構(gòu)。因此，根據(jù)PIV測量LES計算的兩個數(shù)據(jù)計算速度梯度張量的第2不變量，計算出以下定義的Q2值，確定了轉(zhuǎn)彎勝過剪切的區(qū)域。

圖2c表示其結(jié)果，圖為根據(jù)圖2b的瞬時速度場計算出的Q2值分布，Q2 > 5000的順時針旋轉(zhuǎn)區(qū)域用藍色表示，逆時針旋轉(zhuǎn)區(qū)域用紅色表示。根據(jù)圖可知，從流速快的圓板端到排氣狹縫的帶狀區(qū)域中存在多個漩渦。 渦流層外緣側(cè)紅色表示的逆時針渦流很多，內(nèi)緣側(cè)藍色表示的順時針渦流很多。另外，在圓板和排氣罩之間的區(qū)域，速度矢量看起來不規(guī)則排列，但值本身很小。根據(jù)該圖，在圓板端生成預計形成的微小漩渦主要沿著平均流移動，被吸入排氣狹縫。

圖2 a)典型的后處理瞬時粒子圖像，b)從圖2a獲得的瞬時速度分布，和c)從圖2b獲得的速度梯度張量(Q)的第二不變量的正區(qū)域。圖2a中的虛線矩形顯示了進行PIV計算的區(qū)域。在圖2b中，彩色輪廓表示由U歸一化的速度的大小，箭頭表示速度的方向。在圖2c中，紅色和藍色區(qū)域分別是觀察到逆時針漩渦和順時針漩渦的地方。

渦區(qū)域的三維結(jié)構(gòu)：

圖3表示的是用LES得到的結(jié)果。圖中表示的是U=0.04m/s, q = 20.9 rad/s （相當于q = 0.5m/min, n=200rpm ）時0= 200的等值面。根據(jù)圖，在該條件下旋轉(zhuǎn)，可以看出向筒壁延伸。這個渦流管從圓盤的旋轉(zhuǎn)方向看是順時針旋轉(zhuǎn)的。而且這個渦流管穩(wěn)定地存在于流場中，以比圓板的旋轉(zhuǎn)角速度慢得多的角速度在與圓板相同的方向上旋轉(zhuǎn)。

圖3 在U=0.04 m/s和2= 20.9 rad/s的條件下，使用Smagorinsky亞網(wǎng)格尺度模型在模擬的單自旋清潔器的LES中觀察到的三維渦流結(jié)構(gòu)的快照。渦流區(qū)域用速度梯度的第二不變量來識別張量超過200。在這個圖中，圓盤順時針旋轉(zhuǎn)。

這樣，通過本研究得知，在以清洗機內(nèi)流動為代表的旋轉(zhuǎn)圓板、包圍旋轉(zhuǎn)圓板的外筒以及主流的流動中，從圓板端朝向容器外筒的大規(guī)模旋轉(zhuǎn)渦流形成穩(wěn)定的模式。這樣的渦旋結(jié)構(gòu)引起了粒子的大規(guī)模再循環(huán)，另外，即使在下降流占主導地位的大規(guī)模螺旋渦的尾流中，如圖4a、4d、4h所示，在圓板端產(chǎn)生的小規(guī)模旋渦會停留在圓板端附近，因此會引起在晶片外周附近的污染物的再附著對于清洗機來說，這種穩(wěn)定的大規(guī)模結(jié)構(gòu)是不可取的，今后破壞這種縱向渦流結(jié)構(gòu)可能會提高裝置的性能，這種穩(wěn)定的渦流結(jié)構(gòu)在靜止的殼體中旋轉(zhuǎn)圓盤的情況下和在兩個旋轉(zhuǎn)圓板內(nèi)夾著的流體中形成的渦流結(jié)構(gòu)類似。

圖4 圖4a是測量開始后t = 4.28 s的結(jié)果。圖4b~4g為t = 4.3~4.4 s時，其間隔為0.02 s，圖4h為t= 4.44 s時，在圖4a、4e和4h中，渦旋集中在旋轉(zhuǎn)圓盤附近

總結(jié)

在本研究中，我們進行了單張式硅片清洗裝置內(nèi)的二維瞬態(tài)PIV測量和三維LES，并在清洗機內(nèi)形成進行了三維渦流結(jié)構(gòu)的推定。另外，PIV測量、LES在渦結(jié)構(gòu)的鑒定中都是速度梯度張量使用的第2不變量Q2值，根據(jù)PIV測量的結(jié)果可知，通過圓板的旋轉(zhuǎn)從其端面形成多個渦流，存在從圓板端朝向排氣罩的帶狀渦流區(qū)域，該渦流區(qū)域中，來自裝置上方的下降流占優(yōu)勢被壓入圓板和排氣罩之間的情況、以及圓板和排氣罩之間的流動的放射流分為兩部分，它們周期性的重復。這種現(xiàn)象的頻率與圓板的轉(zhuǎn)速成比例地增加，這個趨勢與實驗中觀測到的、渦的存在區(qū)域與圓板的轉(zhuǎn)速成比例周期性變化的其頻率的增加趨勢一致，可以得出結(jié)論，在實驗中也存在著通過LES得到的大規(guī)模結(jié)構(gòu)。
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　　審核編輯：鄢夢凡