案例分享 | CFD仿真在半导体制造工艺过程中的应用
本文摘要（由AI生成）：
本文介绍了Hirata公司使用scSTREAM软件在EFEM设备中的氮气分布分析，并展示了可视化结果对于设备有效性证明和销售的重要性。此外，Hirata公司还将scSTREAM应用于FFU等其他产品的开发中，降低了成本并缩短了开发时间。文章还强调了Cradle公司提供的高质量、快速的售后服务对于用户满意度的重要性。最后，Hirata公司期待进一步挑战新功能，扩大scSTREAM在产品开发中的应用范围。
气流控制对于半导体组装设备的生产至关重要。这些过程需要清洁的环境和对空调系统的精细控制。作为生产设备的总制造商，Hirata公司使用热流体分析工具scSTREAM来模拟不同类型的生产设备和其他设备的流动机理。使用scSTREAM有很多优势，可用于产品开发以及更好地演示效果。
Hirata公司是日本生产设施设备制造商之一，主要专注于为汽车、半导体和家用电器行业制造工具和设备。他们通过遍布全国的七家工厂管理日本国内市场的业务。他们还在包括美国、墨西哥和德国在内的9个国家/地区拥有相关的公司。由Hirata公司管理的生产设备启动项目在国内外享有很高的声誉。他们因使用各种核心技术（包括机器人技术，运输工具控制，设备控制，清洁和精密仪器）来提供实时解决方案而备受认可。Hirata公司的显赫地位与其使用公司资源进行产品的开发、设计、零件生产、组装和评估以及设施初创公司的政策密切相关。Hirata公司的最大优势在于具有制造组件的能力，从而可以平滑过渡到之后的组装过程。这样就可以稳定地交付高质量的产品。为了实现这一优势，Hirata公司引进了大型工程机械，例如五轴加工中心，激光机和铝压铸机。公司具有这些制造设备能够使得成本和交货时间最小化，并且提供一流的、可靠的生产设备。公司开发的产品之一是灵活的组装系统Hayate（图1）。Mr. Takahiro Motoyama和Mr. Michitaka Matsumura 是在专业领域进行高级研究的分析专家。Mr. Motoyama是从事气流分析的专家，Mr. Matsumura是结构分析的专家。每个部门分别处理简单的分析（如线性分析），分析专家则负责更复杂的情况。这些包括材料非线性、接触非线性和流体分析。
图 1: Hayate, 一个灵活的组装系统
为了满足工程师的要求，Hirata公司于2007年开始使用scSTREAM，开发可视化气流（基本上不可见）的功能。
尽管他们曾在实验测试中尝试使用气流可视化技术，但发现还不足以解决许多设计问题。使用计算仿真来可视化气流将有助于更好地理解物理现象，从而提高质量并降低成本。Hirata公司将这一职任务配给了Mr. Motoyama，他主导探索研究工作，找到了合适的流体分析工具。团队最初寻找的是一种可以模拟移动物体的分析工具，例如大型基板传输机器人。由于公司的许多产品都是大型的、形状简单的设备， Hirata公司寻找了一种配备快速求解器的结构化网格分析工具。经过广泛的调查，他们决定使用满足产品和预算要求的scSTREAM。Hirata公司对用于生产半导体的EFEM（设备前端模块）进行了一系列分析（图2）。
图 2:
EFEM用于先前的半导体生产工艺（上）
EFEM的分析示例，显示速度矢量和云图（下）
在整个晶圆制造过程中，EFEM用于将晶圆从FOUP（Front-Opening Unified Pod，包含数十个晶圆的容器）转移到制造设备。“用于半导体生产的空间必须绝对的干净。空间越大，保持清洁的成本就越高。为了解决这个问题，我们采用了“微环境”的概念，仅在晶片的周围保持清洁度。” Mr.Matsumura解释说。EFEM使用微环境的概念来转移晶圆。半导体器件的制造工艺包括七个阶段，可以分为100多个步骤。EFEM用于许多阶段，包括构图、蚀刻和离子束注入，来转移晶圆并保持晶圆周围空间清洁。一个说明性的示例是连接到EFEM的蚀刻设备，连接到一个称为加载端口的接口。当将FOUP放在装载端口上时，端口将打开或关闭FOUP，从而使EFEM承载系统将晶片分配到蚀刻设备。
Hirata公司进行了流量分析，研究EFEM中的氮扩散。为了避免晶片氧化，EFEM配备了氮气吹扫功能，用氮气填充FOUP内部。大量氮泄漏到周围环境可能对操作人员有害。因此，Hirata公司发现，客户在购买过程中会提出的第一个问题是可能的氮泄漏量。同时，Hirata 公司的工程师也想了解如何通过传感器的合理放置来在EFEM中有效氮气分布。 EFEM的长、宽为2 m，深为1 m。氮气通过直径20毫米的孔进入。对于这种大小的孔，计算域尺寸比孔大两个数量级。这意味着在孔附近需要较高的网格密度，才能正确解决射流动力学问题。在与Cradle的工程师协商后，Hirata公司的工程师成功地确定了网格单元的理想尺寸。模型中的移动对象以Nastran格式输出，并导入到scSTREAM预处理器中。大约需要700万个网格元素才能正确表示包含数百个组件的EFEM。Hirata公司的工程师对FOUP进行了分析，确定了在吹扫过程中氮气是如何从下部的两个出口分散的。他们还想知道当载体设备水平和垂直移动时，云图如何变化（图3）。Hirata公司认为，这一评估和可视化结果对于帮助他们证明设备的有效性，并最终确保销售十分重要。
图 3:
吹扫过程中可视化的N2浓度横截面侧视图（上）
俯视图（下）
随着EFEM和FOUP分析的成功，Hirata公司现在将scSTREAM用于许多其他产品的开发。另一个产品是FFU（Fan Filter Unit，风扇过滤器单元），其设计允许清洁的空气向下移动。这样可减少堵塞，同时将内部压力保持在比周围环境高3-5 Pa的水平，并保持0.3至0.5 m / s的流速。Hirata公司使用scSTREAM来确定理想的几何形状和孔的配置。他们还对用于玻璃电路板的载体设备的FFU进行了仿真。 使用scSTREAM可以降低成本并缩短开发时间。可视化结果还被证明对于公司内部和客户演示都是有效的。Hirata公司希望在越来越多的产品开发过程中应用scSTREAM。
Hirata公司的工程师高度关心Cradle售后服务的质量和速度。一天之内就回复了查询结果。Mr. Motoyama说，它比日本以外的国际CFD软件公司开发的其他工具都快得多。首先将复杂的查询要求提交给代理商，然后将其转发给开发人员。最后，花了两到三天才能收到答复。“由于我们是日本的制造商，使用在日本开发的软件意味着更大的收益。刚开始使用该软件时，他们的售后极大地帮助了我们。那时，尽管对软件了解甚少，但我们还是尝试从涉及移动对象的非常复杂的分析开始。感谢Cradle工程师提供的支持，我们可以学习如何充分使用软件。” Mr.Motoyama说。Mr. Motoyama参加了由Cradle组织的scSTREAM研讨会。“我记得Cradle的销售工程师建议我参加计算力学工程师证书考试，激发了我学习CFD（计算流体动力学）的动力。” 他根据Cradle软件用户手册和各种论文，研究了CFD理论。这也帮助了他更好地了解该软件可以做什么和不能做什么。Mr. Motoyama说：“我需要获得能够正确判断结果的能力，因此复习了CFD和流体工程的基础。” 尽管复习了大学中CFD的基本内容，但他说在被任命为Hirata公司的分析团队成员之后，变得更加专注了。当最初引进scSTREAM时，Hirata公司对大型方形设备进行了分析，这些设备使用scSTREAM的常规结构化网格功能可以很好地工作。现在，他们准备使用scSTREAM中的cut-cell功能继续分析弯曲部件目标。“如果我们能够正确使用cut-cell功能，我认为将能够在不使用非结构化网格SC / Tetra软件的情况下分析弯曲物体。我们期待着cut-cell功能的进一步发展。”Mr. Motoyama说。Hirata公司在将scSTREAM引入产品开发过程中取得了稳步的进展，希望在将来进一步扩大应用范围。
