用Ansys CFD模拟晶圆单片清洗工艺，替代物理试验实测

晶圆单片清洗工艺，需求爆发下的 “精度竞赛”

在半导体制造 “向更小节点、更大晶圆”冲刺的赛道上，“清洗” 这一看似基础的工艺，正成为决定芯片良率的关键一环。尤其是随着 7nm 及以下先进制程普及、12 英寸晶圆成为主流，传统批量清洗已难以满足“无损伤、零残留、高均匀”的严苛要求，单片清洗工艺应运而生并快速成为行业标配。

清洗均匀性控制难：喷淋臂的喷嘴布局、流体压力 / 流量不均，易导致晶圆中心与边缘的化学液膜厚度差异（偏差需控制在 5% 以内），引发局部残留或过度腐蚀；

多参数协同优化难：化学液浓度、温度、喷淋压力、晶圆转速等参数相互耦合（如温度升高 1℃可能导致流体粘度下降 10%），单变量试错需耗费数月时间，且难以找到全局最优解。

而 Ansys CFD 仿真工具，正以其对复杂流场、多物理场的精准模拟能力，为单片清洗工艺的研发与优化提供 “数字试验场” 支撑，加速半导体制造向更高精度突破。

仿真模型描述及核心设置

采用Fluent Meshing WTM流程话生成pole-hexcore网格，体网格144万，喷嘴流域和下端的腔体区域独立网格划分，在fluent中通过interface交界面形式来自动实现数据传递。

清洗工艺中涉及到的最核心的物理模型是VOF多相流以及EWF欧拉壁面膜模型，其中主相为air，次相为water，相间表面张力系数为0.072N/m，同时勾选wall adhesion考虑壁面亲疏水性。

   VOF设置窗口                        相间作用设置窗口图片
 

   EWF壁面膜设置窗口     EWF壁面膜求解窗口图片
 

喷嘴流域移动速度定义：

对于随时间变化的移动速度，可以直接利用表格数据的方式来定义，然后通过profile窗口读入，支持.csv/.prof/.ttab等几种格式的导入，fluent会自动识别其变量。

   表格内容                     读入窗口图片
 

在指定运动区域设置mesh motion，并给定其平移速度：

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入口清洗液的体积流量为5871.6 m3/h，转换成入口速度1.32629385m/s，清洗液相的入口体积分数为1

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出口清洗液相回流体积分数为0

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wafer衬底旋转速度为1000RPM，旋转转轴为y轴，同时设置壁面接触角为60°，考虑其亲水性。

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wafer衬底表面上的初始液膜厚度为0，这里的相互作用，Filmto VOF 和 VOF to Film 控制液膜与主体流场中 VOF 相之间的质量转化过程，Film to   VOF=0.5表示“液膜的某一特征（如液膜厚度、近壁剪切力、液膜内速度等）达到 0.5对应的临界值时，液膜开始向 VOF 相转化”，或    “每次迭代中，液膜有 50% 的比例会转化为 VOF 相”（具体依赖模型设定，但核心是液膜→主体流的转化阈值 / 比例），VOF to   film=0.1，表示 “当 VOF 相的某一特征（如近壁体积分数、冲击壁面的动量等）达到 0.1 对应的临界值时，VOF   相开始转化为壁面液膜”，或 “每次迭代中，VOF 相仅有 10%    的比例会转化为液膜”（数值越小，VOF→液膜的转化越难触发，或每次转化的质量比例越低）。

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求解器设置：

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-在任务页面（TaskPage）中，启用 “Non-Iterative Time Advancement (NITA)”，NITA 求解器通常比 Fluent  默认的迭代型时间推进求解器更快，适合加速瞬态或稳态仿真的计算效率，启用 “conservative Hybrid NITA”“守恒型”   意味着该求解器在时间推进过程中，会更严格地满足质量、动量等物理量的守恒定律，进一步提升结果的物理合理性；

-启用 VOF 稳定化的两个子设置 ——“Settings Optimization（设置优化）” 和 “Advanced stabilization（高级稳定化）”；

-限制流场中速度的突然 “尖峰”（局部速度骤增），避免因速度突变导致的计算不收敛或结果失真（常见于高速流动、冲击等场景）

全局初始化以及壁面膜模型：

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迭代计算：采用adaptive自适应时间步长来进行瞬态计算

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勾选Report Simulation Status，可以实现迭代计算过程中实时监控时间步长、总流动时间等变量。

瞬态迭代计算

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结果展示

   清洗过程中的速度分布云图图片
 

从成本控制到效率提升，从工艺优化到技术前瞻，Ansys CFD晶圆单片清洗“数字试验场”的价值，本质上是为半导体企业打造了一套“可预测、可量化、可迭代”的清洗工艺开发体系。它不仅破解了传统物理试验的固有局限，更以仿真为纽带，打通了从理论研究到量产应用的全链条，成为先进制程竞争中“降本增效、加速创新”的核心引擎。在半导体技术不断突破的今天，选择Ansys数字试验场，便是选择以更智慧的方式掌控清洗工艺的核心竞争力，为芯片制造的每一步精准护航。

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