《Case Studies in Thermal Engineering》：Evaluation of a passive trap structure for mitigating wafer surface contamination induced by natural convection in a FOUP
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高温工艺后，晶圆被存放于前开式统一pod（FOUP）内，受热晶圆产生的自然对流会输运摩擦起源颗粒并诱导晶圆表面污染。已有研究主要集中于抑制外部颗粒流入、分析颗粒产生机制以及表征颗粒输运与污染特性。然而，针对直接捕集FOUP内部产生颗粒的结构性方法仍十分有限。因
高温工艺后，晶圆被存放于前开式统一pod（FOUP）内，受热晶圆产生的自然对流会输运摩擦起源颗粒并诱导晶圆表面污染。已有研究主要集中于抑制外部颗粒流入、分析颗粒产生机制以及表征颗粒输运与污染特性。然而，针对直接捕集FOUP内部产生颗粒的结构性方法仍十分有限。因此，本研究提出一种被动捕集结构，用于在封闭FOUP环境的自然对流条件下抢先捕集内部产生的颗粒，并通过数值模拟与实验评估了颗粒输运特性及污染削减性能。通过数值模拟确认了受热晶圆周围自然对流所诱导的颗粒输运与晶圆表面沉积，并在使用荧光气溶胶的FOUP模拟腔实验中定性地观察到相似的污染分布趋势。经几何优化获得的捕集结构在顶层晶圆持续加热的三晶圆条件下对0.1 μm颗粒的捕集效率为54.55%。基于上述结果，经实验设计（DOE）方法优化的被动捕集结构被证明可缓解本研究考虑条件下由自然对流驱动颗粒输运所诱导的晶圆污染。然而，本研究仅限于稀疏装载、顶部加热的FOUP条件，在满载条件下由于晶圆间距不同，自然对流流动结构与颗粒输运特性可能有所差异。
研究背景方面，半导体产业通过晶圆尺寸增大与器件微型化持续提升集成密度，晶圆面积增大导致同等空气质量条件下表面颗粒累积量增加，维持超洁净环境成为保障产品质量与良率的关键。已有研究在开放洁净室垂直单向向下气流条件下分析了晶圆表面沉积速度、测量了不同操作与布置条件下的沉积速度、提出了包含扩散、重力沉降与湍流效应的理论表面沉积模型。由于维持超洁净环境成本巨大，晶圆在相当部分工艺等待时间内被存放并输运于FOUP内，FOUP作为洁净室微环境中的标准化载体保护晶圆免受加工设备外部颗粒与气态污染。然而，聚碳酸酯等聚合物材料特性导致加工后晶圆或设备释放的气态污染物可被FOUP吸附并在浓度平衡过程中再释放，此类气态污染强烈依赖于FOUP材料与吹扫方法等操作条件。除气态污染外，FOUP内外颗粒污染研究亦广泛开展，包括门开启速度变化对300 mm晶圆存储FOUP污染特性的影响、FOUP与装载端口单元（LPU）微环境内气流与颗粒输运及压差定量分析（发现上部边缘附近颗粒污染风险高于下部区域，LPU运动部件产生的颗粒经下部区域进入晶圆背面）、FOUP开启时抑制外部污染物流入的边界流控制技术、开启前预吹扫策略、FOUP入口空气幕阻断与稀释外部颗粒（帘速、喷射角度与操作时序显著影响性能），以及设备振动引起晶圆在槽内俯仰与晃动增加颗粒产生、装载过程滑动与摩擦成为主要颗粒来源等。然而这些研究主要集中于抑制外部污染流入或识别颗粒产生机制，对FOUP内部已产生颗粒的主动控制或去除方法相对有限。受热晶圆周围自然对流已被报道为向上去区域输运并沉积颗粒的主要机制，在封闭FOUP类环境中上部晶圆更易受污染，污染分布随晶圆温度、堆叠位置与开口几何而变化。已有研究建立了FOUP类环境中自然对流诱导颗粒输运与污染特性，但针对在颗粒到达晶圆表面前拦截并捕集内部产生颗粒的结构研究仍有限。因此本研究基于已建立的自然对流颗粒输运特性提出被动捕集结构，在近封闭FOUP模拟环境中评估其性能，并采用结合确定性筛选设计（DSD）与响应面法（RSM）的DOE框架进行数值模拟以优化主要设计变量，实验中在晶圆与支撑下方产生罗丹明B荧光颗粒以定性验证污染削减性能。与以往聚焦表征输运与污染的研究不同，本研究直接利用已建立的输运特性开发被动颗粒拦截结构并通过DOE框架系统优化其几何参数，为高温工艺后晶圆污染削减提供新设计策略。
研究人员开展的研究为：构建FOUP模拟腔（聚碳酸酯材料，外部尺寸370 mm×320 mm×360 mm），内部布置三片直径300 mm、厚度0.775 mm的硅晶圆，间距10 mm；对顶层晶圆下表面施加约1000 W/m2均匀热流（总热输入71 W），初始与环境温度300 K，顶晶圆温度维持约350 K；假设晶圆下边缘与支撑结构接触区域摩擦产生颗粒，将该区域定义为六个速度入口边界（每个截面积5.76 mm2），底部两个压力出口总面积为0.0025 m2，质量流量约1.0×10?? kg/s；采用离散坐标（DO）辐射模型，硅晶圆发射率0.7；使用ANSYS FLUENT Release 18.1进行三维、不可压缩、稳态、层流热流体分析，采用不可压缩理想气体模型考虑空气密度随温度变化并施加重力以考虑浮力，忽略表面粗糙度效应；采用离散相模型（DPM）分析颗粒行为，假设球形颗粒密度1000 kg/m3，从六个速度入口表面基于网格划分注入共341个颗粒，采用单向耦合，考虑斯托克斯曳力、布朗力、热泳力与重力，对捕集结构与晶圆前后表面施加捕集边界条件，其余壁面施加反射边界条件，连续性方程残差收敛准则10?3、动量与能量方程分别为10??与10??；对上层捕集结构穿孔几何进行显式表征并局部网格细化，网格独立性测试表明6.11百万网格兼顾计算精度与成本；采用DSD方法筛选设计因子（L1、t1、L2、t2、d、N，各三水平），采用基于Box–Behnken设计（BBD）的RSM进行优化；实验采用罗丹明B与NaCl按1:10质量比混合溶于去离子水制备示踪气溶胶，经雾化器与扩散干燥器引入模拟腔，总气溶胶供给流量500 mL/min，采用扫描电迁移率粒径谱仪（SMPS，含DMA与CPC）监测颗粒数浓度，顶层晶圆下表面放置直径300 mm薄膜加热器施加71 W电功率并用T型热电偶监测温度，晶圆暴露于荧光颗粒气溶胶30 min后以365 nm、60 W紫外灯照射晶圆前后表面进行定性评估。研究结论为：本研究提出了一种用于削减高温晶圆存储期间FOUP内自然对流输运摩擦起源颗粒的捕集结构，并通过数值模拟与实验综合评估了流动特性与污染削减性能；与以往主要聚焦抑制外部污染流入、改善吹扫条件、应用空气幕或识别颗粒产生机制的研究不同，本研究提出能够物理阻断并抢先捕集自然对流输运的内部产生颗粒的被动捕集结构；理查森数分析表明500 mL/min气溶胶供给流量下Ri为56，确认建立了自然对流主导的流动环境；数值模拟显示受热顶晶圆附近形成强烈回流与上升羽流，增加颗粒停留时间与表面暴露可能性，下部区域旋转流结构诱导局部颗粒累积使底部晶圆污染水平次高，中间位置晶圆周围回流影响较弱从而污染较低，这些随晶圆位置的污染分布趋势在荧光气溶胶实验中也定性观察到，支持了数值模拟的有效性；采用DSD与RSM优化捕集结构几何，确定上层捕集结构突出长度、下层捕集结构突出长度与捕集结构厚度为主要影响因素，最优几何条件为x1=5.37 mm、x2=29.09 mm、x3=1.08 mm，捕集效率53.74%，采用最优几何参数进行额外模拟获得捕集效率54.55%，表明相当部分颗粒在到达晶圆表面前被抢先捕集；应用捕集结构后实验与数值结果均显示晶圆表面污染总体降低，表明捕集结构有效阻断了自然对流条件下形成的颗粒输运路径并通过抢先捕集减少了到达晶圆表面的颗粒数；颗粒尺寸相关的捕集特性评估表明布朗运动对较小颗粒影响显著而重力影响随颗粒尺寸增大而增加；追踪颗粒数增加时晶圆表面沉积分布与捕集效率呈现相似总体趋势；热源移至底部晶圆时主要颗粒沉积位置改变，捕集效率为50.14%，表明颗粒输运与沉积特性可能随颗粒尺寸与热源位置变化；总体而言本研究识别了高温晶圆存储条件下基于自然对流的颗粒污染机制并提出了污染削减的被动捕集结构设计概念，通过数值与实验比较确认了所提结构在本研究考虑条件下的污染削减性能；然而本研究仅限于顶部晶圆持续加热的稀疏三晶圆条件，实际半导体工艺中晶圆在高温加工后随时间冷却，与本研究连续加热条件不同，且满载FOUP条件下由于晶圆间距减小自然对流流动结构可能改变，各晶圆颗粒输运路径与沉积分布以及优化捕集结构的捕集性能可能与三晶圆条件不同，因此本研究结果仅限于证明捕集结构在稀疏装载、顶部加热条件下的基本适用性，仍需在瞬态冷却与满载FOUP条件下进一步验证优化捕集结构。
技术方法方面，本研究采用ANSYS FLUENT进行三维稳态层流热流体数值模拟并结合离散相模型（DPM）进行颗粒轨迹追踪，采用离散坐标（DO）辐射模型考虑辐射效应；采用确定性筛选设计（DSD）筛选显著设计因子并结合响应面法（RSM）与Box–Behnken设计（BBD）进行几何优化与回归建模；实验采用罗丹明B与NaCl混合荧光气溶胶作为示踪颗粒，通过雾化器与扩散干燥器引入FOUP模拟腔，采用扫描电迁移率粒径谱仪（SMPS）监测颗粒数浓度，并以紫外灯照射进行沉积分布定性观察；样本来源为本研究自建的FOUP模拟腔实验平台，未涉及外部样本队列。
研究结果方面，首先通过理查森数与瑞利数分析验证了自然对流假设与层流假设，500 mL/min气溶胶供给流量下Ri=56，Ra约1.6×10?，低于空气填充腔体完全湍流自然对流转变值约10?，支持层流假设；SMPS测量显示荧光气溶胶数浓度分布在49 nm附近达最大值，该尺寸范围颗粒受扩散与流动行为强烈影响可在FOUP内长时间悬浮并增加沉积可能性。通过温度场与颗粒轨迹数值模拟（0.1 μm颗粒）确认，参考模型中颗粒被自然对流向上输运并在FOUP内再循环，应用捕集结构模型中部分经晶圆间区域输运的颗粒在到达上部区域前被捕获从而减少参与再循环的颗粒数，证实捕集结构能够物理捕获颗粒。通过DSD方法13组模拟获得捕集效率范围30.45%–50.22%，统计分析表明L1、L2与t2的标准化效应超过0.05显著性水平临界值被识别为显著因子，基于未标准化效应量级确定L1、L2与t2为主要设计变量。通过基于BBD的RSM 15组模拟建立二次回归模型，模型F值14.14、P值0.005小于0.05表明模型统计显著，对捕集性能有显著影响的因子为x1、x2、x3主效应项及x1×x1与x3×x3二次项，决定系数R2、调整R2与预测R2分别为96.22%、89.41%与71.86%；响应面分析表明x1从约4 mm增至5.4 mm时捕集效率增加但超过5.4 mm后下降，x2在考察范围内总体增强捕集效率但超过约26 mm后改善速率逐渐减小，x3从0.5 mm增至约1.1 mm时效率提高而更大厚度时略有下降，最优几何为x1=5.37 mm、x2=29.09 mm、x3=1.08 mm，预测捕集效率53.74%，额外数值模拟获得54.55%，与预测值相差约1.5%表明合理一致；气溶胶流量200与300 mL/min下捕集效率分别为61.29%与57.60%，表明捕集性能随FOUP内自然对流诱导气流速度降低而进一步增强。通过速度矢量分布比较表明参考模型中相邻晶圆间回流直接影响晶圆外表面，应用捕集结构后晶圆周围上升流被引导通过捕集结构穿孔从而增加颗粒捕获可能性。通过0.1 μm颗粒沉积分布模拟（各模型注入1023个颗粒并保持颗粒数平衡）表明参考模型中顶层晶圆3前表面更易污染而晶圆1与2颗粒主要沉积于边缘附近，应用捕集结构后部分颗粒经上层捕集结构穿孔迁移至下层捕集区域增加抢先捕获可能性，晶圆1与2沉积颗粒数减少，且因抢先去除使悬浮并再循环至上部区域的残余颗粒总数减少从而使顶层晶圆3污染也显著降低。通过追踪颗粒数影响评估表明341与1023颗粒条件下晶圆3上表面沉积分布最高值均出现在R2区域且各区域沉积分数差异在3.40%以内，捕集效率分别为54.55%与53.67%相差0.88个百分点，表明在所考察颗粒数范围内沉积分布与捕集效率相对一致。通过颗粒轨迹比较表明0.1 μm颗粒运动主要受气流输运而非惯性效应支配，参考模型中颗粒沿流线输运直接沉积于晶圆表面，应用捕集结构后相当部分向晶圆表面迁移的颗粒在到达晶圆前被捕获从而有效抑制颗粒向晶圆表面的输运。通过壁面边界条件影响评估表明FOUP外壁由反射边界改为捕集边界后捕集效率从54.55%降至41.64%，归因于颗粒沉积于FOUP外壁减少了到达捕集结构的颗粒数，但应用捕集结构所致的晶圆表面颗粒沉积减少在所有外壁施加捕集边界条件下仍得以保持。通过热源位置影响评估表明原始顶部加热条件下最多颗粒沉积于晶圆3上表面，底部加热条件下最多颗粒沉积于晶圆1下表面且其正上方晶圆2也有较高沉积，归因于热源位置改变引起自然对流流动特性变化从而影响颗粒输运路径与沉积位置，底部加热条件下捕集效率为50.14%略低于顶部加热条件的53.67%，但捕集效果在热源位置改变时仍得以保持。通过荧光气溶胶30 min暴露后紫外照射实验定性比较表明，与模拟相似的污染趋势被识别，顶层晶圆3颗粒沉积最高，底部晶圆1污染次高，中间晶圆2污染相对较低，此趋势与自然对流产生的再循环气流结构密切相关；与模拟定性比较，晶圆3颗粒沉积削减最显著，与数值模拟前表面沉积分布趋势定性一致，晶圆2前表面中心区域颗粒沉积显著减少，归因于捕集结构抢先捕获部分经晶圆间区域输运的颗粒，而晶圆1虽总体沉积减少但中心区域因晶圆下方再循环流影响仍有部分沉积，削减效果不如晶圆2明显，归因于本研究仅在FOUP内有限中心槽位安装晶圆导致晶圆1下方形成较大开放空间促进再循环流发展；实验未直接量化捕集表面捕获颗粒，实验评估基于晶圆表面颗粒沉积减少，荧光结果用于定性评估晶圆污染削减性能而非直接证明捕集表面颗粒捕获。
讨论部分总结：本研究确定了高温晶圆存储条件下基于自然对流的颗粒污染机制，提出了污染削减的被动捕集结构设计概念，并通过数值与实验比较确认了所提结构在本研究考虑条件下的污染削减性能。研究指出，实际应用中需确保上下捕集结构突出特征与机器人晶圆操作路径之间留有足够间隙，并考虑与晶圆或操作部件不必要接触的可能性，因此类接触可能成为摩擦起源颗粒的额外来源；突出捕集结构还可能改变FOUP门操作与氮气（N?）吹扫相关流动或导致局部低速或再循环区域形成，因此实际制造环境应用前需进一步评估机器人操作间隙、潜在接触、门操作与N?吹扫流动。本研究限于顶部晶圆持续加热的稀疏三晶圆条件，实际半导体工艺中晶圆在高温加工后随时间冷却，与本研究连续加热条件不同；满载FOUP条件下由于晶圆间距减小自然对流流动结构可能改变，各晶圆颗粒输运路径与沉积分布以及优化捕集结构捕集性能可能与三晶圆条件不同；因此本研究结果仅限于证明捕集结构在稀疏装载、顶部加热条件下的基本适用性，仍需在瞬态冷却与满载FOUP条件下进一步验证优化捕集结构。研究结论翻译为：本研究提出了一种用于削减高温晶圆存储期间FOUP内自然对流输运摩擦起源颗粒的捕集结构，并通过数值模拟与实验综合评估了相应流动特性与污染削减性能；与以往主要聚焦抑制外部污染流入FOUP、改善吹扫条件、应用空气幕或识别颗粒产生机制的研究不同，本研究的区别在于提出了一种能够物理阻断并抢先捕集自然对流输运的内部产生颗粒的被动捕集结构；根据理查森数分析，500 mL/min气溶胶供给流量条件下Ri为56，确认建立了自然对流主导的流动环境；数值模拟结果表明受热顶晶圆附近形成强烈再循环流与上升羽流，从而增加颗粒停留时间与表面暴露可能性，此外观察到下部区域旋转流结构诱导的局部颗粒累积导致底部晶圆污染水平次高，相比之下中间位置晶圆周围再循环流影响相对较弱从而限制颗粒停留与累积并因此产生相对较低的污染水平；这些随晶圆位置的污染分布趋势也在使用荧光气溶胶的实验中定性观察到，支持了数值模拟结果的有效性。为优化捕集结构几何，应用了确定性筛选设计（DSD）与响应面法（RSM），结果确定上层捕集结构突出长度、下层捕集结构突出长度与捕集结构厚度为影响颗粒捕集性能的主要因素，最优几何条件确定为x1=5.37 mm、x2=29.09 mm、x3=1.08 mm，此时捕集效率为53.74%；此外采用最优几何参数进行额外模拟获得捕集效率54.55%，这些结果表明从颗粒产生区域释放的相当部分颗粒可在到达晶圆表面前被捕集结构抢先捕获；应用捕集结构后实验与数值结果均显示晶圆表面污染总体降低，表明捕集结构有效阻断了自然对流条件下形成的颗粒输运路径并通过抢先颗粒捕获有助于减少到达晶圆表面的颗粒数；此外通过额外颗粒追踪模拟评估了随颗粒尺寸的颗粒捕集特性，发现布朗运动影响对较小颗粒相对显著而重力影响随颗粒尺寸增大而增加；追踪颗粒数增加时晶圆表面颗粒沉积分布与捕集结构颗粒捕集效率也呈现相似总体趋势；热源移至底部晶圆时主要颗粒沉积位置改变，捕集结构颗粒捕集效率计算为50.14%，这些结果表明颗粒输运与沉积特性可能随颗粒尺寸与热源位置变化；总体而言本研究的意义在于识别了高温晶圆存储条件下基于自然对流的颗粒污染机制并提出了污染削减的被动捕集结构设计概念，此外通过比较数值与实验结果确认了所提结构在本研究考虑条件下的污染削减性能；然而本研究仅限于顶部晶圆持续加热的稀疏三晶圆条件，实际半导体工艺中晶圆在高温加工后随时间冷却，与本研究连续加热条件不同；此外满载FOUP条件下由于晶圆间距减小自然对流流动结构可能改变，因此各晶圆颗粒输运路径与沉积分布以及优化捕集结构捕集性能可能与本研究三晶圆条件不同；因此本研究结果仅限于证明捕集结构在稀疏装载、顶部加热条件下的基本适用性，仍需在瞬态冷却与满载FOUP条件下进一步验证优化捕集结构。
