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引言
? ? ? 近年來(lái)，隨著集成電路的微細(xì)化，半導(dǎo)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?。在半?dǎo)體的制造中，各工序之間進(jìn)行晶片的清洗，清洗工序次數(shù)多，其時(shí)間縮短、高精度化決定半導(dǎo)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(guò)。在該方式中，逐個(gè)處理晶片。上一行程粒子的交錯(cuò)污染少。近年來(lái)，由于高壓噴氣和極低溫的關(guān)于向粒子噴射氮?dú)馊苣z等“清洗能力相關(guān)技術(shù)”進(jìn)行了大量研究；另一方面，關(guān)于通過(guò)清洗暫時(shí)遠(yuǎn)離晶片的粒子，重新附著到晶片上，進(jìn)行葉片式清洗，在干燥時(shí)晶片和保持晶片的轉(zhuǎn)盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)。
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實(shí)驗(yàn)
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(cè)定部的詳細(xì)情況。測(cè)定部由模擬清洗機(jī)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(guò)送風(fēng)機(jī)在裝置內(nèi)循環(huán)。送風(fēng)機(jī)送來(lái)的氣流通過(guò)節(jié)流流量計(jì)，通過(guò)設(shè)置在處理室上方的流路，流入長(zhǎng)1830mm的助跑區(qū)間。助跑區(qū)間入口設(shè)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(pán)工作臺(tái)簡(jiǎn)化為一個(gè)，將厚度10mm的鋁制圓板用作旋轉(zhuǎn)圓板，在該圓板下部設(shè)置有排氣罩，在其內(nèi)側(cè)設(shè)置有3個(gè)排氣口另外，處理室的間隙分別為28mm、45mm。流入測(cè)量部的氣流與旋轉(zhuǎn)圓板碰撞，通過(guò)排氣罩和處理室的間隙(以下將其稱為排氣狹縫)進(jìn)入排氣罩內(nèi)，從排氣口返回送風(fēng)機(jī)。
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圖1 ?1a示出了實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖，箭頭表示流動(dòng)回路及其方向。圖1b顯示了轉(zhuǎn)盤(pán)附近的細(xì)節(jié)。該圖還顯示了粒子圖像測(cè)速的光學(xué)系統(tǒng)和測(cè)量區(qū)域
2PIV測(cè)量：測(cè)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(jì)算：雖然本PIV測(cè)量是非穩(wěn)態(tài)測(cè)量，但是只能掌握從圓板附近到管壁的二維流動(dòng)的舉動(dòng)。 實(shí)際的趨勢(shì)是，由于伴隨圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)的8個(gè)方向的流動(dòng)，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(guò)是按時(shí)間順序追趕著部。因此，在PIV測(cè)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行了三維數(shù)值計(jì)算，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的互補(bǔ)，嘗試了更準(zhǔn)確地推測(cè)現(xiàn)實(shí)中在清洗機(jī)內(nèi)形成的流動(dòng)的三維結(jié)構(gòu)。
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結(jié)果和討論
基于1Q2值的渦流區(qū)域辨識(shí)中，著眼于在可能引起垃圾再次附著的清洗機(jī)內(nèi)形成的渦流結(jié)構(gòu)。因此，根據(jù)PIV測(cè)量LES計(jì)算的兩個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算速度梯度張量的第2不變量，計(jì)算出以下定義的Q2值，確定了轉(zhuǎn)彎勝過(guò)剪切的區(qū)域。
圖2c表示其結(jié)果，圖為根據(jù)圖2b的瞬時(shí)速度場(chǎng)計(jì)算出的Q2值分布，Q2 > 5000的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)區(qū)域用藍(lán)色表示，逆時(shí)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(gè)漩渦。 渦流層外緣側(cè)紅色表示的逆時(shí)針渦流很多，內(nèi)緣側(cè)藍(lán)色表示的順時(shí)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(lái)不規(guī)則排列，但值本身很小。根據(jù)該圖，在圓板端生成預(yù)計(jì)形成的微小漩渦主要沿著平均流移動(dòng)，被吸入排氣狹縫。
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圖2 ?a)典型的后處理瞬時(shí)粒子圖像，b)從圖2a獲得的瞬時(shí)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(jìn)行PIV計(jì)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(lán)色區(qū)域分別是觀察到逆時(shí)針?shù)鰷u和順時(shí)針?shù)鰷u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(dāng)于q = 0.5m/min, n=200rpm ）時(shí)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(gè)渦流管從圓盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向看是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的。而且這個(gè)渦流管穩(wěn)定地存在于流場(chǎng)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)。
這樣，通過(guò)本研究得知，在以清洗機(jī)內(nèi)流動(dòng)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(dòng)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(dǎo)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(huì)停留在圓板端附近，因此會(huì)引起在晶片外周附近的污染物的再附著對(duì)于清洗機(jī)來(lái)說(shuō)，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(huì)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(pán)的情況下和在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)圓板內(nèi)夾著的流體中形成的渦流結(jié)構(gòu)類似。
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總結(jié)
在本研究中，我們進(jìn)行了單張式硅片清洗裝置內(nèi)的二維瞬態(tài)PIV測(cè)量和三維LES，并在清洗機(jī)內(nèi)形成進(jìn)行了三維渦流結(jié)構(gòu)的推定。另外，PIV測(cè)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(cè)量的結(jié)果可知，通過(guò)圓板的旋轉(zhuǎn)從其端面形成多個(gè)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(lái)自裝置上方的下降流占優(yōu)勢(shì)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(dòng)的放射流分為兩部分，它們周期性的重復(fù)。這種現(xiàn)象的頻率與圓板的轉(zhuǎn)速成比例地增加，這個(gè)趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)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(shì)一致，可以得出結(jié)論，在實(shí)驗(yàn)中也存在著通過(guò)LES得到的大規(guī)模結(jié)構(gòu)。