基于计算流体力学空间模型的镀件双面水洗控制的优化方法与流程

本发明涉及一种基于计算流体力学空间模型的镀件双面水洗控制的优化方法，属于双面半导体电子电镀。

背景技术：

1、电子电镀通过在阴极电解还原的原理在镀件上形成金属镀层、是半导体器件纳米精密制造的特种制造技术，应用领域包括半导体晶圆电镀、印制板电镀、引线框架电镀、连接器电镀、微波器件等其他电子元器件制造，是唯一能够实现纳米级电子逻辑互连和微纳结构制造加工成形的关键技术，电子电镀已成为半导体集成产业链中晶圆芯片制造、三维集成和器件封装、微纳器件制造、微机电系统、传感器、元器件等高端电子产品生产中的基础性、通用性、不可替代性特种制造技术。

2、为了使所述半导体电子元器件具有可靠优异性能，在镀件表面形成的金属镀层需要满足具有高均匀性、同时需要具有优异致密性能和在各种恶劣环境下的强抗腐蚀性能的对各种形状复杂的镀件进行高效率的电子电镀装备及电子电镀方法，其中，双面局部电子电镀方法是半导体器件电子电镀的重要基础。

3、随着当今科学技术水平的飞速发展，新能源产业所需半导体集成电路的元器件不断进行更新换代，其对电子电镀高端制造的技术要求也越来越高，尤其近几年新能源汽车的快速崛起，所需各种各样新性能的电子元器件层出不穷，采用常规的电镀装备和电镀方法已经无法满足新能源电子元器件的性能要求。例如，有越来越多的半导体元器件，只限于针对传输信号的区域进行局部电镀处理，而具有散热功能及其他功能的区域不需要任何电镀处理；在本发明中，为了保证半导体器件的散热功能，通常散热片面积与传输信号的局部电镀区域相比差距较大，有数倍或数十倍之高。

4、如表1所示，现有电镀工艺技术应用于双面局部电镀存在的问题点，在半导体器件非镀区的铜表面存在白斑、色差和脏污缺失现象；而在局部的镀层区域则存在镀镍漏铜、镀金脏污和镀层结合力不良的致命缺失。这些缺失直接导致半导体器件产品性能的大幅度降低，尤其是镀层结合力缺失将使半导体器件成为废品。

5、表1

6、

7、因此，当越来越多的半导体集成电路产品只需要在传输信号的区域进行局部电镀处理的情况下，采用现有技术的电镀工艺生产线对所述只需要在传输信号的区域进行电镀处理的半导体集成电路产品，会使非镀区的铜材料表面区域发生：1）与其他电镀溶液中的金属之间发生置换反应导致产品不良，2）与环境氛围中的氧化性能物资进行氧化反应，而导致半导体电子元器件产品性能缺失的发生，具体缺失图10a和图10b的铜面白斑，图11a和图11b的铜面色差；这些缺失导致现有的电镀工艺生产线无法满足越来越多的只需要在传输信号的区域进行电镀处理的半导体集成电路产品的电子电镀的发展需求。

技术实现思路

1、本发明着重致力于通过提升清洗工艺槽功能和增加过滤措施，解决现有电子电镀清洗技术存在的半导体器件非镀区铜表面的白斑和色差问题以及解决半导体器件铜表面的金属置换以及铜氧化等问题；其能够适用于半导体集成电路电子产品的纳米精密制造加工，形成的双面局部电子电镀金薄膜具有优异均匀分布、形貌、纯度和致密性，得到高耐腐蚀性、高精度导电性；同时，本发明的优化方法，能够确保非镀区金属材料的散热等设计功能，从而能够为半导体集成电路行业提供多种多样高端精密的高品质电子信号传输性能的半导体集成电路电子产品。

2、本发明提供了一种基于计算流体力学空间模型的镀件双面水洗控制的优化方法，应用于电子电镀工艺中对半导体器件的双面水洗过程，使用双面清洗装置对所述半导体器件进行双面水洗，通过使用所述优化方法计算并调整各项清洗条件以构建双面清洗效果最佳、半导体器件成品质量最佳的双面清洗装置；

3、所述优化方法包括如下步骤：

4、s1：构建基于清洗条件的数据库，并构建与所述数据库链接的初期计算流体力学空间模型；

5、s2：抽取所述数据库中两种不同的清洗条件，对所述半导体器件进行清洗的流体实验操作，并将获取的清洗实验数据导入至初期计算流体力学空间模型；

6、s3：根据所导入的清洗实验数据，将所述初期计算流体力学空间模型完善成初期cfd空间模型；

7、s4：对所述初期cfd空间模型内的模拟数据进行优选，反馈应用于清洗的流体实验操作中，将后续获得的清洗实验数据导入至初期cfd空间模型，从而获取升级cfd空间模型；

8、s5：循环s4，获取不断迭代的升级cfd空间模型，以提高cfd空间模型的精度；

9、s6：选取s5中合适的某一代升级cfd空间模型作为应用cfd空间模型，使用所述应用cfd空间模型计算得出最佳清洗条件组，并根据最佳清洗条件组以调整并控制双面清洗装置。

10、进一步地，所述s1中，构建与所述数据库链接的初期计算流体力学空间模型的过程中，包括使用comsol multiphysics 有限元仿真软件，采用流体二次分布模块和变形几何模块模拟半导体器件双面水洗过程。

11、进一步地，所述双面水洗过程中使用的双面清洗装置包括依次连接的多级水槽单元，当第一级水槽单元配置有定量补加纯水管道时，第一级水槽单元内的水积累后会逐级溢流至后级水槽单元并形成逐级溢流的结构；每级水槽单元包括从上至下依次设置的上侧泵浦、上侧分流板、上侧出水隔板、下侧出水隔板、下侧分流板、下侧泵浦，所述上侧出水隔板、下侧出水隔板之间设置有空腔，所述空腔为双面清洗区域；上侧泵浦和下侧泵浦均用于调控电镀溶液的流量。

12、优选地，所述双面清洗装置包括三级以上、七级以下的水槽单元。

13、进一步地，所述s1中还包括如下步骤：

14、s11：设置若干个标准半导体器件，并根据每个标准半导体器件在所述数据库内构建对应的数据存储空间；每个标准半导体器件关联至少一个清洗项目；

15、s12：对每个清洗项目设置对应的标准清洗数据，所述标准清洗数据包括清洗溶液以及清洗方式；

16、s13：向每个数据存储空间导入其对应标准半导体器件的标准镀区的尺寸信息及轮廓信息；根据尺寸信息和轮廓信息构建对应标准半导体器件的标准半导体器件模型以及标准镀区模型；

17、s14：重复s13，不断更新不同的尺寸信息和轮廓信息以构建多种标准半导体器件模型以及标准镀区模型，对数据存储空间进行迭代升级。

18、进一步地，所述清洗条件包括：标准半导体器件双面面积、清洗时间、电子电镀模具出口平面与电镀溶液流动方向形成的夹角、清洗溶液温度、清洗溶液比重、泵浦频率、清洗溶液隔板出口直径、标准半导体器件水平面与溶液出口垂直距离和联通管道直径。

19、进一步地，所述初期cfd空间模型、升级cfd空间模型、应用cfd空间模型均采用无穷小流体元方法构建方程组进行计算。

20、所述无限小流体元方法具体包括如下步骤：

21、在cfd空间中，沿 x，y，z轴的单位矢量分别设置为 i，j和 k，无穷小流体元在cfd空间的速度矢量场表示为： v= ui + vj + wk；

22、其中， u，v和 w分别是速度在 x， y， z方向的分量，表示为：

23、 u= u（ x， y， z， t）

24、 v = v（ x， y， z， t）

25、 w = w（ x， y， z， t）

26、考虑一般的非定常流动， u，v和 w均是空间和时间 t的函数；此外，标量密度场设置为：

27、 ρ= ρ（ x， y， z， t）；

28、设在 t1时刻无穷小流体元位于1处，在此处此时刻，无穷小流体元的密度为

29、 ρ1= ρ1（ x1， y1， z1， t1）；

30、设在 t2时刻无穷小流体元位于2处，在此处此时刻，无穷小流体元的密度为

31、 ρ2= ρ2（ x2， y2， z2， t2）；

32、对于函数 ρ= ρ（ x， y， z， t），可整理为方程a：

33、

34、（方程a）

35、随后，进一步进行如下计算：

36、

37、

38、

39、当 t2→ t1时，方程a取极限得到方程b：

40、

41、（方程b）

42、通过方程b得到物质导数在cfd空间坐标系中的表达式，为方程c：

43、

44、（方程c）

45、将在cfd空间坐标系中矢量算子 v的定义式作为方程d：

46、

47、（方程d）

48、根据方程d，将方程c改变为方程e：

49、

50、（方程e）

51、方程e表示物质导数的矢量符号定义，其中，d/d t是物质导数，它的物理意义是运动流体元上的物理量随时间的变化率； ∂/∂t是局部导数，它的物理意义是固定位置上的物理量随时间的变化率； v· v是迁移导数，它的物理意义是由于不同的空间位置具有不同的流动特性，流体元在流场中从一个位置运动到另一个位置而产生的随时间的变化率；

52、考虑一无限小微元面积d s以当地速度运动，由于d s在一个时间间隔δ t的运动，控制体的体积变化了δ γ，δ γ等于以d s为底以（ vδ t）· n为高的一个细长圆柱体的体积，其中 n是垂直于d s面的单位矢量，则δ γ表达为方程f：

53、δγ = {（ vδ t）· n} d s= （ vδ t）·d s

54、（方程f）

55、将矢量d s定义为d s= nd s，在一个时间间隔δ t过程中，整个控制体的总体积变化等于方程f在整个控制面上之和，在极限小微元面积d s→0，求和变成面积积分：

56、

57、将面积积分除以δ t，其结果的物理含义是控制体随时间的变化率，由d γ/d t表达为方程g：

58、

59、（方程g）

60、将矢量计算中的散度定理应用于方程g的右侧，得到方程h：

61、

62、（方程h）

63、假设δγ足够小以至于 v· v在整个δγ区域中基本上是相同的值，那么当δγ取极限0时，方程h的积分写成（ v· v）δγ，从而得到方程i：

64、

65、（方程i）

66、随后，将方程i整理为方程j：

67、

68、（方程j）

69、方程j中，左侧是散度，右侧是其物理意义，即 v· v的物理意义是随流体元一起运动的控制体体积随时间的相对变化率；

70、根据上述方程a~方程j建立方程组，以作为所述初期cfd空间模型、升级cfd空间模型、应用cfd空间模型的计算基础。

71、所述方程a左端的物理意义是无穷小流体元从位置1运动到位置2，其密度随时间的平均变化率，在极限运算中，当 t2接近于 t1，时，可以得到：

72、

73、其中，d ρ/d t代表当半导体器件经过某一位置时的密度随时间变化率，将d ρ/d t定义为物质导数；当d ρ/d t是所定无穷小流体元在空间运动时，观察者将眼睛锁定在无穷小流体元上，并随无穷小流体元一起运动，并获取无穷小流体元经过位置1的密度随时间变化率（d ρ/d t）1；而对于( ∂ρ/∂t)1，观察者将眼睛固定在静止的位置1上，获取的是流场中由于瞬时脉动而引起的密度变化，d ρ/d t和 ∂ρ/∂t在物理上和数值上均是不同量。

74、所述基于计算流体力学空间模型的镀件双面水洗控制的优化方法能够在半导体集成电路电子产品的纳米精密制造加工中进行应用。

75、本发明的有益效果：

76、本发明通过计算空间流体力学模型与实验数据反馈相结合不断构建、完善cfd空间模型，从而快速确立各种不同构造半导体器件的最佳清洗生产条件，经过cfd空间模型的不断迭代、升级以提高cfd空间模型的精度，有助于改进用于双面水洗半导体器件的双面清洗装置的各项参数，从而获取最优的镀件双面水洗控制方式，不仅能实现半导体器件双面清洗的均匀性，还能够实现彻底均匀清洗半导体器件，达到其表面无白斑、无污物和无色差的基本要求。