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けいざぶろうしろみず
6 years ago
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1 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 1 / 30

2 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. 謝辞発表時間 :25 分質疑応答 :5 分 2 / 30

3 会社紹介横浜事業所解析グループは 6 人 3 / 30 芝浦メカトロニクス株式会社 HP より抜粋

4 会社紹介 : 事業内容 FPD: フラットパネルディスプレイ 4 4 / 30 芝浦メカトロニクス株式会社 HP より抜粋

5 会社紹介 : 半導体製造装置 ( スピン洗浄装置 ) 5 / 30 5 芝浦メカトロニクス株式会社 HP より抜粋

スピン洗浄装置は付着物除去のために使用される装置である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

6 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数百工程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 ) 付着を防止する半導体デバイス 6 / 30

7 500mm 背景 : スピン洗浄装置の構造 (a) 立体図給気フィルター (b) 断面図ウエハダウンフローチャックピン ( 円筒 :6 個 ) 液ノズル ( 解析では省略 ) カップ中板回転テーブル排気回転テーブル回転排気排気口注 ) 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 7 / 30

8 1 ウエハ設置背景 : ミスト付着問題断面カップチャックピンウエハ回転テーブル 8 / 30

9 背景 : ミスト付着問題 2 洗浄液供給カップチャックピン洗浄液供給回転ウエハ回転テーブル洗浄液排出洗浄液排出 9 / 30

10 背景 : ミスト付着問題 3 リンス液供給洗浄液を止めるカップチャックピン純水などのリンス液供給回転ウエハ回転テーブル洗浄液リンス液排出洗浄液リンス液排出 10/ 30

11 背景 : ミスト付着問題 4 乾燥開始中心部から乾燥カップでミストを受け止めるリンス液を止める高速回転回転テーブルミスト排出液の振り切りでミスト発生ミスト排出 11 / 30

12 ミスト付着問題 5 乾燥中乾燥後カップミスト再付着高速回転ミスト再付着回転テーブルミスト排出ミスト排出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 12/ 30

13 解析の目的と発表の内容解析の目的 : 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 ) 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 13/ 30

14 クラウドについて今回調査したクラウドの概要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 A システムー Intel Xeon L GHz InfiniBand QDR 40Gbps 古めの CPU 公益財団法人計算科学振興財団 FOCUS 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 InfiniBand FDR 56Gbps 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 2.6GHz 10Gbps 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) ihab CLUSTER H16r Intel Xeon E GHz InfiniBand FDR 56Gbps 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 14/ 30

15 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 m 3 /min ウエハテーブル回転数 :1200rpm( 毎秒 20 回転 ) 解析条件 STAR-CCM+ V 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 万メッシュ程度給気フィルターダウンフロー 2.2 m 3 /min 回転数 :1200rpm 回転テーブル排気排気 15/ 30

16 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開始終了解析の流れデータロード計算準備計算データセーブ時間画像出力時間を計測画像出力 16/ 30

17 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 ) 給気フィルター断面図カップ排気口回転部チャックピン (6 本 ) ウエハテーブルメッシュ数 :323 万メッシュ 17/ 30

18 TEST1 解析結果流速ベクトル図ウエハ上 0.5mm 断面 x-z 平面断面チャックピンウエハ給気フィルター拡大カップカップウエハ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 18/ 30

19 計算速度 TEST1 クラウド調査結果 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 並列数計算速度はXeon E5-2687W v4 シングル動作との比較 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 19/ 30

20 TEST2 モデルスライディングメッシュモデルで回転を表現給気フィルターウエハ上 0.5mm 断面図スライド面カップカップ排気口 20/ 30 ウエハ

21 TEST2 解析結果流速ベクトル図ウエハ上 0.5mm 断面 TEST1( 物体固定表面の空気に回転運動 ) 結果 TEST2( スライディングメッシュモデル ) 結果チャックピンウエハスライド面ウエハカップカップ 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 21/ 30

22 TEST2 解析結果流速ベクトル図ウエハ上 0.5mm 断面 x-z 平面断面給気フィルター拡大カップウエハ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 22/ 30

23 計算速度 TEST2 クラウド調査結果 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 並列数計算速度は Xeon E5-2687W v4 シングル動作との比較計算速度向上は 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 23/ 30

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

24 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 で供給回転数 :1200rpm 液膜入口 ( 流量 :1L/min) 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液膜出口 24/ 30

25 TEST3 解析結果水膜厚分布 ( 液膜モデル ) チャックピン部拡大ミスト発生源 : ウエハチャック部の裏側 25/ 30

26 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 26/ 30

27 計算速度 TEST3 クラウド調査結果 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 並列数計算速度は Xeon E5-2687W v4 シングル動作との比較計算速度向上は 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 27/ 30

28 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 ) 28/ 30

29 謝辞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 ) 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 29/ 30

30 ご清聴ありがとうございました 30/ 30

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