長光柵光刻車間氣流組織數(shù)值模擬研究

孫棟

摘? 要：長光柵的光刻制造工藝是一個復(fù)雜的精密制造過程，良好的環(huán)境條件有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，本文通過CFD方法模擬分析某規(guī)格長光柵光刻車間內(nèi)由空調(diào)通風(fēng)所形成的空氣速度場及溫度場，確定滿足制造工藝要求的空調(diào)參數(shù)，同時研究送風(fēng)溫度及送風(fēng)速度對車間氣流組織的影響，實現(xiàn)有效減少試驗成本及試驗時間，為實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)的目的。

關(guān)鍵詞：光刻;CFD;速度場;溫度場

0引言

長光柵是利用光柵光學(xué)原理工作的測量反饋裝置，是我國裝備制造中的關(guān)鍵核心部件。傳統(tǒng)的光柵制備方法有機(jī)械刻劃、壓膜復(fù)制等。研究表明光柵尺的形式、功能多樣，因此對光柵制備技術(shù)有了更高要求，目前廣泛采用的是光刻法。光刻工藝是一個復(fù)雜的精密制造過程，諸多因素直接影響光柵尺的制造精度。良好的加工環(huán)境可以在一定程度上改善光柵尺質(zhì)量。其中，以光刻作業(yè)區(qū)域的氣流速度及溫度影響最大。科學(xué)引導(dǎo)精密生產(chǎn)環(huán)境中的氣流成為提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要研究課題。

本文將CFD技術(shù)運用到某長光柵復(fù)制光刻車間的氣流速度場和溫度場研究中，對指導(dǎo)車間設(shè)備合理布局、科學(xué)設(shè)置送風(fēng)參數(shù)具有重要意義。

1數(shù)值模擬理論

CFD是計算流體動力學(xué)的簡稱，它是以計算機(jī)作為基本工具，以能量、質(zhì)量、動量守恒為主要理論依據(jù)，采取離散化的數(shù)值數(shù)學(xué)方法，求解各類流體力學(xué)問題，為指導(dǎo)實踐提供可靠依據(jù)?；诖吮疚倪x用FLUENT 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

首先建立數(shù)學(xué)物理模型，粘性流體流動的通用控制微分方程為：

已有試驗結(jié)果表明，暖通空調(diào)領(lǐng)域中，為了在保證精度的前提下減少計算量，通常假設(shè)氣流流動為紊態(tài)，氣體不可壓縮，由粘性作用所導(dǎo)致的能量耗散忽略不計，且試驗場所密封性好。

2建立CFD模型

本課題研究對象為某規(guī)格光柵尺光刻車間內(nèi)的氣流組織，車間簡化物理模型如圖1所示，整體為一個3m×5.5m的矩形區(qū)域，車間右下角裝有空調(diào)，送風(fēng)和回風(fēng)方向如圖所示。復(fù)制光刻機(jī)置于其中。按照工藝要求，綜合考慮精度和投入經(jīng)濟(jì)性，需將光柵標(biāo)尺制造環(huán)境溫度控制在20±0.5℃。

本文采用ICEM-CFD建模，將實際光刻車間簡化為二維模型并劃分網(wǎng)格，隨后將網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT，經(jīng)檢查網(wǎng)格無負(fù)體積，滿足計算需求，網(wǎng)格模型如圖2所示。

在FLUENT中建立CFD模型。選擇單精度的基于壓力的求解器，湍流模型選擇Standard?k—ε模型，計算精度和收斂性均能滿足分析要求。

壁面函數(shù)綜合考慮計算精度以及計算量的均衡，選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。適合高雷諾數(shù)流動。由于存在傳熱，需激活能量方程。材料屬性保持默認(rèn)的air物性。定義進(jìn)口、出口及壁面的邊界條件，如表1所示：

3計算分析

Fluent支持針對具體問題，選擇最為穩(wěn)定、高效、合理的數(shù)值解法。在該論文中，選擇獨立解算及隱式差分法。求解時，在已經(jīng)建立好的CFD模型基礎(chǔ)上，給定初始值，同時設(shè)定迭代步數(shù)，即可迭代求解。

為進(jìn)一步量化研究復(fù)制光刻機(jī)工作臺導(dǎo)軌附近的氣流組織情況，我們在該處創(chuàng)建一條長為3m的直線，進(jìn)而提取這條直線上的數(shù)據(jù)并繪制曲線。由圖所示的速度曲線可見，該區(qū)域的氣流速度在0.34m/s—0.39m/s范圍內(nèi)波動。由圖6所示的溫度曲線可見，該區(qū)域的溫度在20.12℃—20.29℃范圍內(nèi)波動，滿足車間內(nèi)某規(guī)格光柵尺制備的環(huán)境要求。

需要強(qiáng)調(diào)的是，在實際生產(chǎn)中，不同規(guī)格的光柵尺的光刻環(huán)境要求是不同的，同樣可借助CFD方法確定空調(diào)參數(shù)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短試驗時間和成本。因此，本文以復(fù)制光刻機(jī)上工作臺導(dǎo)軌中點（坐標(biāo)（1.2，3.2））為固定參考點，研究送風(fēng)溫度及速度對該節(jié)點處氣流組織的影響，為實際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。分析過程與前述相同。

由此可見，送風(fēng)速度的變化對節(jié)點處的氣流溫度影響不大，基本維持在20℃左右。隨著送風(fēng)速度的增大，節(jié)點處的氣流速度呈波浪式變化，但總體趨于增大。

4結(jié)論

良好的光刻環(huán)境有利于提高長光柵復(fù)制光刻質(zhì)量，本文通過CFD方法模擬分析某規(guī)格長光柵光刻車間氣流組織情況，分析結(jié)果顯示設(shè)置空調(diào)送風(fēng)溫度20℃，送風(fēng)速度1m/s時可滿足該規(guī)格長光柵復(fù)制光刻工藝環(huán)境要求。同時，本文還研究了改變送風(fēng)溫度及送風(fēng)速度對車間氣流組織的影響。送風(fēng)溫度每增加1℃，參考節(jié)點處的氣流溫度相應(yīng)升高約4%，氣流速度影響不大。隨著送風(fēng)速度的增大，節(jié)點處的氣流速度總體呈波浪式增大，氣流溫度變化不大。

本文分析結(jié)果為實際生產(chǎn)提供了一定的理論依據(jù)，研究方法對合理組織空調(diào)房間內(nèi)的氣流及設(shè)備改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義。

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Numerical Simulation of Air Distribution in long Grating lithography Workshop

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Abstract：The lithography process of long grating is a complex and precise manufacturing process， and good environmental conditions are conducive to improving product quality. In this paper， the air velocity field and temperature field formed by air conditioning and ventilation in a long grating lithography workshop are simulated and analyzed by CFD method， and the air conditioning parameters that meet the requirements of manufacturing process are determined. At the same time， the effects of air supply temperature and air supply speed on the airflow group of workshop are studied The effect of weaving can effectively reduce the cost and time of experiment and provide theoretical basis for actual production.

Keyword：Lithography;CFD; velocity field;temperature field