攻克 12 英寸晶圆旋涂 “边缘效应”，借助Ansys CFD仿真优化工艺参数，助力7nm 制程量产。
旋涂工艺仿真必要性及仿真方法
旋转涂胶作为半导体行业重要的制造工艺之一，通过硅片高速旋转产生的离心力实现光刻胶均匀分布，工艺要求胶膜厚度控制在0.5-1.5μm范围，误差需≤±0.01μm，直接影响后续光刻图形转移精度。随着硅片尺寸增大至300mm以上，该工艺面临材料利用率低（95%-98%被浪费）、三维结构涂覆不均等技术挑战。
wafer 转速、涂胶厚度与涂胶均匀性三者存在显著且相互耦合的相关性，其中wafer 转速是调控涂胶厚度的核心变量，在胶液粘度、滴胶量等参数固定时，转速升高会使离心力增大，更多多余胶液被甩出晶圆表面；但高速时虽能促进胶液快速铺展，但可能因晶圆边缘与中心的离心力差异引发 “边缘效应”，厚度需与转速协同匹配在合理范围。
借助Ansys CFD仿真工具，通过模拟旋涂过程中流体的流动特性，可预测不同工艺参数（如转速、基板温度、流体粘度）对涂层均匀性的影响，优化工艺参数以提升涂层质量，提升良率。但是若使用VOF多相模型模拟涂层过程，当涂层厚度非常薄时，由于VOF模型无法捕捉小于网格分辨率的详细液 – 气界面，可能需要大网格模型；而使用Eulerian Wall Film（EWF）模型可使涂层模拟更简便，但该模型仅适用于3D，且与非共形界面不兼容。与VOF多相模型相比，EWF模型为旋涂工艺带来了显著优势。在模拟极薄涂层时，EWF模型能够克服VOF模型在捕捉详细液 – 气界面方面的局限，大大降低了对网格模型规模的要求，从而简化了涂层模拟过程，提高了模拟效率。
💡仿真模型描述及核心设置
采用Ansys Meshing生成hexa网格，体网格21万，圆柱流域顶部及侧面都预定义为压力出口pressure-outlet，底部为壁面wall，旋转轴为Y轴。
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基于压力的瞬态求解器，开启重力项Gravity，湍流模型按照默认（SST K-W）
- 材料属性定义：
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流体介质 |
名称 |
密度（kg/m3） |
粘度（kg/m·s） |
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显影胶 |
SU-8胶 |
1200 |
0.5 |
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气体 |
空气 |
1.225 |
1.789e-5 |
- 计算域设置：
wafer 转速、涂胶厚度与均匀性关联紧密：固定胶液参数时，转速与厚度负相关（转速越高，厚度越薄）；转速过低或过高均会降低均匀性，仅特定临界区间适配。且厚度过薄 / 过厚也会影响均匀性。
区域旋转速度通过表达式形式给出，可以用户自定义其转速随时间等变量的变化关系，如IF(t
- Eulerian Wall Film设置
开启动量求解Solve Momentum，所有离散格式采用二阶格式seconde order implicit，膜的最大厚度为1mm，子时间步数为10，子时间报告间隔为1，子迭代次数为10，子迭代收敛标准为1e – 08，子迭代报告间隔为1。
- wafer衬底壁面旋转设置：
- 液膜初始分布情况设置：
通过表达式方式，可以快速简便实现如右侧的液膜初始分布状态：
- 求解方法与求解控制
采用Coupled压力-速度耦合方案，梯度采用基于单元的最小二乘法，压力采用二阶格式，动量采用二阶迎风格式，湍动能和湍耗散率采用一阶迎风格式，对于瞬态，采用有界二阶隐式格式。
- 利用Execute Command功能预定义定制化输出特定后处理云图
对于关注的旋涂表面薄膜厚度云图，预定义好其contour云图，命名微contour-h，如下图所示：
对于按照每30个time step保存输出薄膜厚度云图图片，预定义三个commands：
set-win-1：/display set-window 3 #生成新的窗口
display-contour：/display/objects/display contour-h #云图显示
set-view：/views/restore-view view-ss #设置视图显示
hardcopy-1 /display/save-picture thickness-%t.jpg #保存结果文件
如下图所示：
- 迭代计算：时间步长为0.0001[s]，时间步数为50,000，每个时间步的最大迭代次数为20
- 仿真结果展示与分析
通过仿真得到了膜厚度的等值线动画（GIF）和膜厚度的XY绘图动画（GIF），直观展示了旋涂过程中膜厚度随时间的变化情况。
⭐多参数最佳匹配的仿真拓展
单一变量调整难以实现 “目标厚度与高均匀性” 的兼顾，必须通过 DOE（实验设计）开展多因素协同优化：通过设计转速（如 1000-6000rpm）、滴胶量（如 5-20μL）、胶液粘度（如 50-500cP）等关键参数的正交或响应面试验方案，结合统计分析（如方差分析、回归建模）量化各因素对厚度与均匀性的影响权重，最终筛选出 “转速 – 厚度 – 均匀性” 的最佳匹配组合（例如某正性光刻胶在 3200rpm 转速、12μL 滴胶量下，可稳定实现 1.0μm 目标涂胶厚度，且均匀性误差控制在 ±1.5% 以内），满足半导体工艺对胶层精度的严苛要求。
