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クラウドを利用したスピン洗浄装置の気流解析

CFD of Spin Cleaning Equipment using HPC Cloud

○山崎修 Osamu Yamazaki

芝浦メカトロニクス株式会社

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2COPYRIGHT© SHIBAURA MECHATRONICS CORPORATION. ALL RIGHTS RESERVED.

目次

１．会社紹介

２．背景

３．解析の目的と発表の内容

４．クラウドについて

５．テスト１～３（モデル、解析結果、クラウド調査結果）

６．まとめ

７．謝辞

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発表時間：25分質疑応答：5分


会社紹介

芝浦メカトロニクス株式会社HPより抜粋

横浜事業所

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解析グループは6人


会社紹介：事業内容

芝浦メカトロニクス株式会社HPより抜粋4 / 30

FPD：フラットパネルディスプレイ


会社紹介：半導体製造装置

5 / 30芝浦メカトロニクス株式会社HPより抜粋

（スピン洗浄装置）


背景：スピン洗浄装置について

・半導体デバイスを製造するためには円板状のウエハを、数百台の加工装置で連続して、処理する必要がある・加工中に付着したダストなどを、次の加工の前に除去する必要がある・スピン洗浄装置は付着物除去のために使用される装置である

スピン洗浄装置の気流設計のポイント⇒デバイス不良の原因になる、ウエハへのミスト（微小液滴）付着を防止する

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ウエハ加工装置

洗浄装置

・・・・

加工装置

洗浄装置

洗浄装置

加工装置

・・・・

洗浄装置

加工装置

半導体デバイス

数百工程


背景：スピン洗浄装置の構造

給気フィルター

排気口

カップ

ウエハ

チャックピン（円筒：６個）

回転テーブル

500m

m

中板

ダウンフロー

回転

回転テーブル

排気排気

(a)立体図 (b)断面図

液ノズル（解析では省略）

注）今回の発表では、わかりやすさを重視してあえてミストの発生しやすい構造としている

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背景：ミスト付着問題

①ウエハ設置

ウエハチャックピン

回転テーブル

カップ

断面

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回転テーブル

カップ

②洗浄液供給

回転

洗浄液供給

洗浄液排出洗浄液排出


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回転テーブル

カップ


③リンス液供給

洗浄液・リンス液排出

回転

純水などのリンス液供給

洗浄液・リンス液排出

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洗浄液を止める



④乾燥開始

高速回転

中心部から乾燥

液の振り切りでミスト発生

回転テーブル

ミスト排出ミスト排出

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リンス液を止める

カップでミストを受け止める


カップ

ミスト付着問題

⑤乾燥中→乾燥後

高速回転

回転テーブル

ミスト再付着ミスト再付着

乾燥したウエハに付着したミストは除去できないためデバイス不良の原因になる

ミスト排出ミスト排出

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解析の目的と発表の内容

発表の内容：流体解析をスピン洗浄装置へ適用した事例を、単純なモデルから複雑なモデルへと順を追って３種類紹介する

同時にそれぞれのモデルに対してクラウドを適用した場合の計算速度向上を示す

解析の目的：チャンバ内の液体や気体の流れを調べることにより、ミストがどこから発生し、どのように輸送されてウエハまで到達するかを調べる

非定常の解析かつ複雑なモデルが必要であるため計算時間が非常に長い（１計算に１か月以上）

１年前のSTAR Japanese Conference 2016でクラウドについて知る

クラウドの調査を開始（今回はその成果）

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クラウドについて

今回調査したクラウドの概要

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企業・団体名クラウド名システム名仮想マシン CPU ノード間通信備考

公益財団法人計算科学振興財団

FOCUS

AシステムーIntel® Xeon®

L5640 2.26GHz

InfiniBand QDR 40Gbps

古めのCPU

DシステムーIntel® Xeon® E5-2670v2

2.5GHz

InfiniBand FDR 56Gbps

FシステムーIntel® Xeon® E5-2698v4

2.2GHz


株式会社電通国際情報

サービス

Amazon Web Services, Inc.

（EC2）

PLEXUS CAE

c4.8xlarge ○Intel® Xeon® E5-2666v3

2.6GHz10Gbps

仮想マシンノード間通信遅い

ティーモスインテリジェンス

株式会社

Microsoft Corporation

(Azure)

iHABCLUSTER

H16r ○Intel® Xeon® E5-2667、

3.2 GHz


仮想マシン

富士通株式会社 TCクラウド q24Common ー未公開InfiniBand

FDR 56Gbps


テストモデル：共通項目

装置条件ミストがウエハ付着している乾燥時を想定

ダウンフロー流量：2.2 m3/min

ウエハ・テーブル回転数：1200rpm（毎秒20回転）

ダウンフロー

回転数：1200rpm

回転テーブル

排気排気


2.2 m3/min

解析条件・ STAR-CCM+ V12.02.11 混合精度

・３次元

・陰解法非定常解析

・密度一定（非圧縮モデル）

・乱流（k-εモデル）

・空気物性：デフォルト値

・ポリヘドラルメッシュ使用

・メッシュ数 320万メッシュ程度

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テストモデル：共通項目

テスト手法・定常に近くなるまで解析した結果を初期条件として利用

・計算時間は5分～20分程度になるようにサイクル数を決定

・計算速度は弊社ワークステーション（Xeon E5-2687W v4）シングル動作との比較

・計算時間の測定方法を工夫

データロード計算準備データセーブ計算

画像出力画像出力時間

解析の流れ

開始↓

終了↓

時間を計測

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TEST１モデル

回転する面の「物理条件」－「接線方向速度の設定」を「局所回転速度」に設定する手法で回転を表現（STAR-CCM+の設定）（物体は回転せず、物体に接触する空気に回転の速度を与える手法）

メッシュ数：323万メッシュ

回転部ウエハ

チャックピン（6本）

テーブル

断面図

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カップ


排気口


TEST１解析結果

このモデルの問題点：同心円でない物体の回転は正しく解析できない⇒流れに大きな影響を及ぼしているチャックピンの影響を正しく解析できない

流速ベクトル図

x-z平面断面ウエハ上0.5mm断面

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カップ

拡大

カップ

ウエハ



TEST１クラウド調査結果

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計算

速度

並列数

FOCUS-Aシステム

FOCUS-Dシステム

FOCUS-Fシステム

PLEXUS CAE(AWS)

iHAB CLUSTER(Azure)

TCクラウド-q24Common

・ 1000並列近くまで計算速度は上昇傾向・計算速度はXeon E5-2687W v4 シングル動作の400倍の計算速度・ FOCUS-Aシステムを除いたクラウドでは、300並列程度まではほぼ同等の計算速度

計算速度はXeon E5-2687W v4 シングル動作との比較


TEST２モデル

スライディングメッシュモデルで回転を表現

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ウエハ上0.5mm

断面図

スライド面カップ

ウエハ排気口


カップ


TEST２解析結果

TEST2ではチャックピン近傍の流速を正確に計算できている

流速ベクトル図ウエハ上0.5mm断面

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TEST１（物体固定表面の空気に回転運動）結果


カップ

TEST２（スライディングメッシュモデル）結果

ウエハ

カップ

スライド面


拡大

TEST２解析結果

このモデルの問題点：空気の流れだけではミストの挙動を正確に求めることができない

流速ベクトル図

x-z平面断面ウエハ上0.5mm断面

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ウエハ


カップ


TEST２クラウド調査結果

・計算速度向上は300並列まで・最大の計算速度はXeon E5-2687W v4 シングル動作の57倍程度・ FOCUS-Aシステムを除いたクラウドでほぼ同等の計算速度


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計算

速度

並列数

FOCUS-Aシステム

FOCUS-Dシステム

FOCUS-Fシステム

PLEXUS CAE(AWS)

iHAB CLUSTER(Azure)



TEST３モデル

スライディングメッシュモデルで回転を表現液膜モデルでウエハ面とチャックピンでの液の流れを計算（ミスト発生源を求める）ラグランジェ混相流モデルでミストの輸送を計算

液膜入口（流量：1L/min）

液膜出口

・今回計算した液体は水と仮定

・実際の装置では乾燥時には液の供給を止めているが、連続してミストを発生させたかったためウエハ中央より水を1L/minで供給

・水は高速回転（1200rpm）によりウエハやチャックピン上を薄く広がる⇒液膜モデルで解析

・ウエハエッジやチャックピンまで到達した水はミストとなり飛散する⇒ラグランジェ混相流モデルで解析

・壁面に衝突したミストは消滅する

回転する部材はすべて液膜を設定する

回転数：1200rpm

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TEST３解析結果

水膜厚分布（液膜モデル）

チャックピン部拡大

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ミスト発生源：ウエハチャック部の裏側


TEST３解析結果

ミスト挙動（ラグランジェ混相流モデル）

チャックピンから発生したミストが跳ね飛ばされ装置上部まで到達する⇒重力により沈降⇒ ウエハに付着する

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TEST３クラウド調査結果

・計算速度向上は200並列まで・計算速度はXeon E5-2687W v4 シングル動作の40~50倍の計算速度・ FOCUS-Aシステムを除いたクラウドでは、 200並列程度まではほぼ同等の計算速度


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計算

速度

並列数

FOCUS-Aシステム

FOCUS-Dシステム

FOCUS-Fシステム

PLEXUS CAE(AWS)

iHAB CLUSTER(Azure)



まとめ

１．流体解析をスピン洗浄装置へ適用した事例として３種の解析手法を紹介した

２．それぞれの解析手法に対して、クラウドを適用した場合の速度向上を調査した

・単純な気流のみを解析する簡略化手法（TEST1）では最大の計算速度はシングル動作の400倍以上

・スライディングメッシュモデルを使用したより正確な手法（TEST2）では、最大の計算速度はシングル動作の57倍程度

・スライディングメッシュモデルに液膜モデルとラグランジェ混相流モデルを加えることでミスト挙動を解析する手法（TEST3）では、最大の計算速度はシングル動作の40～50倍

・クラウドは計算速度向上に効果的である

・スライディングメッシュモデルは並列効率が悪い

・各クラウドの計算速度はすべての手法において、FOCUS-Aシステムを除いて極端な差はない（CPUの動作周波数や仮想マシン、ノード間通信速度の影響はほとんど見られない）

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謝辞

多大なる協力をいただきましたありがとうございました

今回調査したクラウド環境の提供企業・団体

公益財団法人計算科学振興財団殿（FOCUS）株式会社電通国際情報サービス殿（PLEXUS CAE）ティーモスインテリジェンス株式会社殿（ｉＨＡＢ CLUSTER）富士通株式会社殿（TCクラウド）

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ご清聴ありがとうございました

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