长光栅光刻车间气流组织数值模拟研究

孙栋

摘  要：长光栅的光刻制造工艺是一个复杂的精密制造过程，良好的环境条件有利于提高产品质量，本文通过CFD方法模拟分析某规格长光栅光刻车间内由空调通风所形成的空气速度场及温度场，确定满足制造工艺要求的空调参数，同时研究送风温度及送风速度对车间气流组织的影响，实现有效减少试验成本及试验时间，为实际生产提供理论依据的目的。

关键词：光刻;CFD;速度场;温度场

0引言

长光栅是利用光栅光学原理工作的测量反馈装置，是我国装备制造中的关键核心部件。传统的光栅制备方法有机械刻划、压膜复制等。研究表明光栅尺的形式、功能多样，因此对光栅制备技术有了更高要求，目前广泛采用的是光刻法。光刻工艺是一个复杂的精密制造过程，诸多因素直接影响光栅尺的制造精度。良好的加工环境可以在一定程度上改善光栅尺质量。其中，以光刻作业区域的气流速度及温度影响最大。科学引导精密生产环境中的气流成为提高产品质量的重要研究课题。

本文将CFD技术运用到某长光栅复制光刻车间的气流速度场和温度场研究中，对指导车间设备合理布局、科学设置送风参数具有重要意义。

1数值模拟理论

CFD是计算流体动力学的简称，它是以计算机作为基本工具，以能量、质量、动量守恒为主要理论依据，采取离散化的数值数学方法，求解各类流体力学问题，为指导实践提供可靠依据。基于此本文选用FLUENT 软件进行数值模拟研究。

首先建立数学物理模型，粘性流体流动的通用控制微分方程为：

已有试验结果表明，暖通空调领域中，为了在保证精度的前提下减少计算量，通常假设气流流动为紊态，气体不可压缩，由粘性作用所导致的能量耗散忽略不计，且试验场所密封性好。

2建立CFD模型

本课题研究对象为某规格光栅尺光刻车间内的气流组织，车间简化物理模型如图1所示，整体为一个3m×5.5m的矩形区域，车间右下角装有空调，送风和回风方向如图所示。复制光刻机置于其中。按照工艺要求，综合考虑精度和投入经济性，需将光栅标尺制造环境温度控制在20±0.5℃。

本文采用ICEM-CFD建模，将实际光刻车间简化为二维模型并划分网格，随后将网格导入FLUENT，经检查网格无负体积，满足计算需求，网格模型如图2所示。

在FLUENT中建立CFD模型。选择单精度的基于压力的求解器，湍流模型選择Standard k—ε模型，计算精度和收敛性均能满足分析要求。

壁面函数综合考虑计算精度以及计算量的均衡，选择标准壁面函数法。适合高雷诺数流动。由于存在传热，需激活能量方程。材料属性保持默认的air物性。定义进口、出口及壁面的边界条件，如表1所示：

3计算分析

Fluent支持针对具体问题，选择最为稳定、高效、合理的数值解法。在该论文中，选择独立解算及隐式差分法。求解时，在已经建立好的CFD模型基础上，给定初始值，同时设定迭代步数，即可迭代求解。

为进一步量化研究复制光刻机工作台导轨附近的气流组织情况，我们在该处创建一条长为3m的直线，进而提取这条直线上的数据并绘制曲线。由图所示的速度曲线可见，该区域的气流速度在0.34m/s—0.39m/s范围内波动。由图6所示的温度曲线可见，该区域的温度在20.12℃—20.29℃范围内波动，满足车间内某规格光栅尺制备的环境要求。

需要强调的是，在实际生产中，不同规格的光栅尺的光刻环境要求是不同的，同样可借助CFD方法确定空调参数，从而提高产品质量，缩短试验时间和成本。因此，本文以复制光刻机上工作台导轨中点（坐标（1.2，3.2））为固定参考点，研究送风温度及速度对该节点处气流组织的影响，为实际生产提供一定的理论依据。分析过程与前述相同。

由此可见，送风速度的变化对节点处的气流温度影响不大，基本维持在20℃左右。随着送风速度的增大，节点处的气流速度呈波浪式变化，但总体趋于增大。

4结论

良好的光刻环境有利于提高长光栅复制光刻质量，本文通过CFD方法模拟分析某规格长光栅光刻车间气流组织情况，分析结果显示设置空调送风温度20℃，送风速度1m/s时可满足该规格长光栅复制光刻工艺环境要求。同时，本文还研究了改变送风温度及送风速度对车间气流组织的影响。送风温度每增加1℃，参考节点处的气流温度相应升高约4%，气流速度影响不大。随着送风速度的增大，节点处的气流速度总体呈波浪式增大，气流温度变化不大。

本文分析结果为实际生产提供了一定的理论依据，研究方法对合理组织空调房间内的气流及设备改进具有一定的指导意义。

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Numerical Simulation of Air Distribution in long Grating lithography Workshop

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