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案例分享 | CFD仿真在​半导体制造工艺过程中的应用

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。


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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。


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图 1: Hayate, 一个灵活的组装系统



使用scSTREAM模拟可视化气流





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。

半导体生产设备的气流分析




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)。
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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。




向客户介绍N2的密度分布




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。
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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)



scSTREAM的多样化应用




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。



出色的售后服务提高了用户满意度




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。

使用新功能的进一步挑战




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。