Comsol半导体设备气流场的仿真设计
Ⅰ-半导体设备
Ⅰ-半导体设备
半导体设备指用于制造各类半导体产品所用的生产设备，在半导体制造的工艺流程中，半导体设备扮演着十分重要的角色，是半导体产业链上游环节市场空间最广阔，战略价值最重要的一环。以半导体设备为代表的半导体产业已经成为我国的战略性产业，是支撑我国高质量发展的战略方向，也是大国间科技竞争的战略制高点。半导体设备产品作为精密加工的底层支撑，是芯片制造环节中的核心部件，广泛应用于晶圆制造和封装测试各个环节，并在产品质量、生产成本、生产效率以及标准化等方面均发挥重要作用。同时，由于技术进步带来的集成电路生产成本的不断降低以及各下游终端应用领域的芯片需求大幅增加，半导体设备行业始终呈现良好的发展态势，具备广阔的市场空间。
图1. 光刻机
半导体设备指用于制造各类半导体产品所用的生产设备，在半导体制造的工艺流程中，半导体设备扮演着十分重要的角色，是半导体产业链上游环节市场空间最广阔，战略价值最重要的一环。以半导体设备为代表的半导体产业已经成为我国的战略性产业，是支撑我国高质量发展的战略方向，也是大国间科技竞争的战略制高点。半导体设备产品作为精密加工的底层支撑，是芯片制造环节中的核心部件，广泛应用于晶圆制造和封装测试各个环节，并在产品质量、生产成本、生产效率以及标准化等方面均发挥重要作用。同时，由于技术进步带来的集成电路生产成本的不断降低以及各下游终端应用领域的芯片需求大幅增加，半导体设备行业始终呈现良好的发展态势，具备广阔的市场空间。
图1. 光刻机
Ⅱ-半导体设备气流场技术难点
Ⅱ-半导体设备气流场技术难点
半导体设备工艺管内的气流分布比较复杂，不同区域有不同流动状态。常温气体进入高温工艺管时，气体快速膨胀且流速加大。根据气体的流动状态，通常将工艺管分为炉尾紊流区、炉尾层流区、工艺反应恒温区、炉口层流区、炉口紊流区5个区域。在紊流区，常温气体以一定流速进入高温炉管时，气体快速膨胀且流速迅速增加，高流速气体与周围介质不断发生动能交换，带动原本静止状态的气体沿轴线方向流动，当射流宽度及流量增大到一定程度后，由于管壁的限制作用，射流气体容易形成沿管壁的反方向流动，该区域的气体流动状态很不稳定。在没有任何阻力的状态下，经过一段距离的稳定后，向前流动的气体气流逐步稳定，从而形成层流区。
Ⅲ-物理模型
根据设备的实际结构进行简化，忽略传输装置对气流阻碍作用，将进、排气系统用进气、排气通道表示，简化模型如图2所示。气流由顶部两伸入炉内的进气通道进入设备顶部，自上而下流动，由底部排气通道流出。设备炉管中充入气体选择氮气，计算过程需设置氮气的密度和动力粘度，为了结果的准确性，以上参数均从相关论文资料以及现有实验数据中获得，如图3所示。
图2. 物理模型
图3. 材料参数
Ⅲ-物理模型
根据设备的实际结构进行简化，忽略传输装置对气流阻碍作用，将进、排气系统用进气、排气通道表示，简化模型如图2所示。气流由顶部两伸入炉内的进气通道进入设备顶部，自上而下流动，由底部排气通道流出。设备炉管中充入气体选择氮气，计算过程需设置氮气的密度和动力粘度，为了结果的准确性，以上参数均从相关论文资料以及现有实验数据中获得，如图3所示。
图2. 物理模型
图3. 材料参数
Ⅳ-物理场边界条件
选择层流模块进行设备的气流场模拟，入口边界采用速度边界条件，两进气通道入口流速均为1cm/s，出口采用压力边界条件，出口压力20Pa，进气管路壁面设置为内部壁面，详细物理场边界条件设置如图4所示。
图4. 物理场边界条件
图5. 计算网格质量分布
Ⅳ-物理场边界条件
选择层流模块进行设备的气流场模拟，入口边界采用速度边界条件，两进气通道入口流速均为1cm/s，出口采用压力边界条件，出口压力20Pa，进气管路壁面设置为内部壁面，详细物理场边界条件设置如图4所示。
图4. 物理场边界条件
图5. 计算网格质量分布
Ⅴ-结果展示
Ⅴ-结果展示
计算模型采用稳态全耦合求解器进行求解，通过计算得到流场、流线和压力分布如下所示。
图6. 速度分布
图7. 流线分布
图8. 压力分布
供稿 | 热流Es
编辑 | RECHER
审核 | 赵佳乐
