創成式設計和增材制造重定義芯片光刻機晶圓臺的熱管理性能
光刻機是科技半導體行業的皇冠，是芯片制造的重要設備，其內部結構精密復雜，決定了芯片的制造工藝。
晶圓臺是光刻機關鍵部件之一。晶圓臺的作用是生產過程中用于支承和固定晶圓片。熱變化會引起材料膨脹的微小變化。隨著時間的推移，這些熱梯度和波動會產生這樣一種情況：由于晶圓表面的不斷加工，其結構位置會發生改變（通常稱為邊緣放置誤差，或EPE）。為了解決這個問題，工程師們正轉向面向增材制造的設計以及增材制造-3D打印，改進晶圓臺的熱管理性能，重新定義下一代晶圓工作臺的架構。
值得關注的是，在下一代增材制造晶圓工作臺部件的設計開發中，正在從人工設計向計算機生成（即創成式設計）和人工輔助設計（相對于計算機輔助設計）過渡。當前，創成式設計和結構拓撲優化作為一種設計方法很容易理解，但是這種優化方法仍有許多獨特的部分。獨特的是拓撲優化作為大規模并行迭代循環的產品，其迭代過程包含了計算流體動力學模擬和面向增材制造的設計（DfAM）。詳細介紹了晶圓冷卻臺從概念設計到增材制造的實現過程。該案例將傳統的冷卻設計和創成式冷卻設計進行了比較，并分析了如何影響晶圓臺的冷卻性能和設計工作。本期谷.專欄將分享這一設計案例。
圖1 金屬增材制造-3D打印使生產具有復雜集成冷卻結構的晶圓臺成為可能，大大提高了半導體的制造效率（來源：3D Systems）。
傳統設計工作流程
與許多工程學科一樣，傳統冷卻流道的設計流程以試錯為主。設計師繪制一個冷卻設計，通過CFD模擬或原型測試對設計進行評估。測試可以是簡單易行的，這取決于不同的應用場景。由于進度和成本的影響，完整的系統集成測試很難實現。
在設計冷卻模式時，初始設計通常是基于經驗規則，直接重復使用或重新縮放早期的設計，有了足夠的經驗，可以應用啟發式設計規則來獲得一個好的起點。很少有第一次就成功的情況，在失敗之后，設計師必須繼續進行迭代，這種設計方法只稍好于盲目設計。
傳統的參數化CAD擁有許多設計選則框架，可以部分地實現自動化。一個中等經驗的設計師需要調用一個設計表格，定義一組參數，如通道寬度、圈數等，這種方法允許通過參數變化對復雜的設計進行快速迭代。然而，采用這種設計方法，最終設計的性能與初始設計的好壞直接相關。由于不能保證這個初始設計足夠接近期望的結果，所以即使采用了大量的參數優化，也不能保證能達到期望的結果。
例如，如果設計者從一個以平行冷卻翅片為特征的設計開始，他們將永遠無法在一些小的變化中產生除了該設計策略的派生之外的任何東西（圖2）。這種方法通常會導致多個冗長且昂貴的迭代，并對設計時間引入顯著的不確定性。
圖2 Voronoi結構參數化模型及其在參數化變化中的限制 （來源：3D Systems）
如果設計時間很長，也可能對制造和生產產生重大影響；在迭代、知識和經驗之間可能會有數周或數月的時間，從而不斷消磨設計動力。此外，如果設計師沒有考慮到制造方面的限制且分析是通過模擬完成的，那么就會有很大的風險（盡管做出了種種努力，但設計將無法制造）。然而，這些問題可以通過創成式設計和增材制造來解決。
創成式設計-面向增材制造的優化
美國心理學會和美國國立衛生研究院指出，人類只能同時考慮大約三到四個概念。自從有了零件，這種人類的自然局限性就一直是機械設計的動力。當設計功能至關重要的高科技零件時，對物理和功能限制以及可制造參數的考慮對人來說已經太多，整個團隊的人員和專家必須參與其中，從而增加了設計成本和交貨時間。
創成式設計是一個自動化的設計過程，需要最少的人工參與，以獲得具有理想性能的高度優化的設計方案。通過利用物理模型、大量計算資源和最先進的優化技術。在人工智能技術的幫助下，創成式設計可以克服傳統CAD設計方法的局限性，只需要在軟件程序中設置約束條件等幾個簡單步驟，剩下的由創成式設計引擎完成。
創成式設計的出發點不是一個最佳的起始方案，而是對設計目標的描述，對可用設計空間的說明以及一系列的設計限制（如制造限制）。當使用創成式設計軟件時，工程師不再是一個委員會中的設計師，而是虛擬設計團隊的管理者。圖3和圖4顯示了傳統設計和創成式設計周期的比較以及人類參與的程度。
圖3 上圖：傳統設計周期，從設計挑戰到解決方案；下圖：創成式設計周期，從設計挑戰到最佳解決方案（來源：Diabatix）
圖4 人類工程師和虛擬工程師在傳統設計和創成式設計中的參與度比較（來源：Diabatix）
l 設置約束
開始創建設計時，需收集創建設計所需的所有信息。出發點是一組CAD模型，包括主要部件的幾何形狀，冷卻劑可以流動的區域，以及可設計區域（圖5）。一旦有了幾何信息，就可以加載邊界條件。類似于傳統的CFD模擬，需要諸如材料特性、冷卻劑特性和通過/失效的熱圖偏差等信息。
最后，需要設定目標和約束。這包括設計目標、系統約束和制造限制等信息。只要能夠采用數學等效的目標和約束都可以被定義。例如，成本或制造時間的減少可以與溫度、重量和壓力等要求一起實現。圖片
圖5 上圖：實體部分；中圖：流體區域；下圖：設計區域 （來源：Diabatix）
設計是一個迭代過程，不需要人的參與。該過程從成千上萬的順序執行的CFD模擬中收集數據，在每一步迭代過程中測量設計變更。除了CFD模擬的物理輸入，這個過程中的每一步都會收集可制造性信息。由于計算量大，該過程是通過商業云服務執行的，使用幾百個CPU并行。在這個過程中，冷卻結構在指定的設計空間內逐步建立起來，該結構考慮了材料和冷卻劑的物理特性。
在設計完成后，生成的設計被轉換為通用CAD文件格式。因為模擬是創成式設計過程的一個組成部分，所以可以進行性能分析，這允許評估設計質量和揭示新的設計方向，如減少組件的包絡。
本案例研究的主要目標是最大限度地提高晶圓臺的熱均勻性，同時不引起系統中的流體壓力下降。先進冷卻策略的一個額外好處是縮短熱穩定時間，提高生產效率。
l 物理限制
幾何學：
盤狀熱負荷，內徑60毫米，外徑300 毫米，厚度28毫米。
材料選擇：
• 鋁（AL6061-RAM2），由于其良好的導熱性和適度的強度，適合這種應用。
• 通常情況下，晶圓臺的物理負荷有限，它不需要非常高強度的材料。
• 像銅這樣的延展性材料是不合適的。盡管銅合金具有很高的導熱系數，但它們對于物理負載和高加速度來說太軟了。
• 成本低、產能高、易于補充制造。從這個角度來說，含硅的鋁合金適合此類應用，但從應用的角度來看，含硅對許多應用來說是不可接受的，這是因為會存在危險的流體反應或對硅污染晶圓產品的擔憂。
l 操作限制
- 采用蒸餾水作為冷卻劑，避免堿性腐蝕。
- 熱源以大約10瓦的功率均勻地施加在整個表面上。
- 在入口處，溫度為21℃時，體積流量固定為每分鐘7.5升。
目標約束：
- 目標是最大限度地提高表面的溫度均勻性，溫度偏差需要低于0.1℃；
- 入口和出口之間的壓力損失被設定為不超過70千帕；
- 為了確保設計能夠被制造出來，設計師選擇了在3D打印設備上進行PBF-LB增材制造的制造準則：即最大懸垂角為45°，最小壁厚為150µm。將平坦的大平面作為底部來進行打印（這在大型圓盤結構的AM中通常是首選）。這種打印方式會帶來額外的好處，那就是在電火花線切割基板過程中會在底部形成一個平坦的控制面。
通過利用設計中的周期性，設計師將圓盤按45°進行切分，每個部分有不同的冷卻通道，以方便比較性能（圖6）。假設每個部分有一個入口和出口。在本案例中，分析僅限于兩種傳統設計和一種創成式設計。本案例研究采用了先進的Diabatix Cold-Stream®平臺。這個平臺是第一個提供流動和熱部件創成式設計的平臺。所有的設計和分析都由Diabatix®完成。
圖6 三種不同的冷卻策略 （3D Systems提供）
l 常規設計1
冷卻翅片陣列
一種常見的冷卻設計策略是“針狀鰭片”，如圖7所示。針狀鰭片很容易設計，并擁有較大的熱交換面積。然而，從增材制造的角度來看，這種設計有兩個缺點。
首先，在金屬增材制造中，鰭片之間的間隙不能超過4-5毫米，因為它們需要為冷卻通道上方的封閉面提供足夠的支撐。第二，由于沒有利用第三個維度，設計還有改進空間。
在分析鰭片陣列的性能時，設計師注意到22千帕的壓降低于設計目標。溫度峰值為21.24℃，溫度偏差不在0.1℃的約束范圍內。冷卻劑主要沿著最低的阻力方向（即入口和出口之間的直接連接）流動。因此，局部熱點是難以避免的。可以想象這種設計的變種，它試圖迫使流體在入口處發散，在出口處收斂。改變針狀鰭片的密度可以幫助減少熱點的發生，但也會增加壓降。結果總結。
- 最高溫度：（21.4℃）
- 溫度偏差：（0.12℃） 不滿足要求
- 壓降：（22千帕） 滿足要求
- 達到穩定溫度的時間：（410秒）
圖7 左圖；針狀鰭片設計示意圖，右圖；針狀鰭片策略熱圖 （來源：Diabatix）
l 常規設計2
線性蛇形通道。經常采用的另一種更常見的設計策略是蛇形通道，如圖8所示。在增材制造-3D打印元件中使用這種類型的通道，對通道的寬度有一個約束（與之前的針狀鰭片設計一樣，有最大橋接距離的限制）。因此需要一個相當長的通道來提供足夠的表面覆蓋。此外，經驗表明，尖銳的往返式內部通道會使得在應用中保持理想的壓力帶來挑戰。更具挑戰性的是這種策略的粉末清除問題。
傳統通道設計的仿真結果表明：最高溫度只有21.18℃，并且0.09℃的溫度偏差滿足了設計目標，但是，正如預期的那樣，壓降為420千帕，遠遠超出了可接受的范圍，這是長通道的一個直接后果。
采用更復雜的衍生策略可以幫助減少壓降并保持高溫擴散。其中一個方案是采用多個平行的蛇形通道，它們的每個通道的長度較短，而累積的通道面積與單通道相當，甚至更長。這有可能是好的設計，但需要更長的初始設計時間，并可能需要對進口分流和出口匯流策略進行長時間的迭代。結果總結如下：
- 溫度偏差：（0.09℃） 滿足要求
- 壓降：（420 kPa） 不滿足要求
- 達到穩定溫度的時間：（409秒）
圖8 左圖；蛇形結構設計 右圖；蛇形結構策略的熱圖（來源：Diabatix）
l 創成式設計
如前所述，創成式設計（圖9）能夠以最少的輸入約束條件實現高度優化的幾何結構，為具體問題創造了優化的、獨特的解決方案。如果有足夠的創成式設計經驗，在解決參數足夠多的具體問題時，設計師有可能開發出一種啟發算法來解決結構設計問題。但是，在具有流體流動和精度限制的熱管理案例中，正在產生一系列新的極其復雜的解決方案，這些解決方案幾乎不可能采用人為創建的設計策略（同時保持計算機生成的解決方案所提供的重要技術優點）。
通過積極利用第三維度，一個復雜的網絡流道將水流引向感興趣的區域，同時這些結構是可以自支撐的，并遵守所要求的最小和最大的特征尺寸。這些形狀遠遠超出了人類的工程能力，在這個實際的例子中， 我們將探索這種新方法的效率和細節。
Diabatix ColdStream結果的性能完全落在可接受的公差范圍內，無論是壓降還是溫度均勻性。峰值溫度為21.18℃，與翅片陣列相比，提高了25%，是三種設計中最低的。另外，溫度偏差為0.1℃。與蛇形通道非常相似，但該設計的壓降為40千帕，是蛇形通道壓降的1/10。這種性能是通過交替使用具有高傳熱和高壓降的較小通道，以及具有較低傳熱和低壓降的較大通道實現的。
通過使用Diabatix ColdStream平臺，設計過程準備和結果分析只需要幾個小時的人工時間。作為回報，所產生的設計很容易超過傳統設計。此外，可制造性也可以得到保證。
這樣做的缺點是這個過程在計算上是很昂貴的。在寫這篇文章的時候，即使在使用數百個CPU并行計算的情況下，這個問題也需要幾個星期才能完全計算出來。然而，它不需要任何人工干預，也不需要事后的額外設計迭代。
這使得它成為縮短設計周期的一個非常有效的方法。與設計過程一樣，制造過程也是在沒有任何人員在場的情況下運行的，設計和制造可以通宵、周末和節假日期間運行。結果總結：
- 最高溫度：21.18℃
- 溫度偏差：（0.1℃） 滿足要求
- 壓降：（40千帕） 滿足要求
- 達到穩定溫度的時間：（381秒）
圖9 上圖：創成式設計；中圖：創成式設計特寫；下圖：創成式設計策略的熱圖 （來源：Diabatix）
比較總結
以上案例中，共研究了三種冷卻策略：針狀鰭片陣列、蛇形通道和Diabatix創成式設計。創成式設計方法得到了最優化的三維解決方案，它滿足了整體溫度均勻性約束、壓降約束和金屬增材制造約束。創成式設計組件的一個意想不到的好處是組件達到穩定溫度所需的時間減少了29秒（圖10）。這7%等待時間的減少可以直接轉化為生產效率的提高，從而每天生產更多的晶圓產品。
圖10 上圖：壓降性能比較；下圖：溫度性能比較（來源：Diabatix）
金屬增材制造工作流程
在設計階段之后的一個典型的增材制造工作流程中，設計師開始進入到構建文件生成階段。使用 3D Systems公司的3DXpert®綜合增材制造軟件（圖11），進行了以下步驟。
- 用于制造的三維模型的定位和定向；
- 重新調整3D模型，以考慮到制造過程中發生的收縮；
- 在需要的地方添加余量；
- 添加支撐；
- 增材工藝仿真；
- 切片和路徑規劃；
- 輸出制備文件包。
圖11 3DXpert中的冷卻策略示例（來源：3D Systems）
無論采用哪種增材制造軟件，工作流程一般是相同的。然而，在具體實施過程中有一些獨特的方面，需要進行一些說明。
在3DXpert中，切片和路徑規劃是根據選定的技術配置文件自動進行的。 對于標準用戶，軟件為每種材料提供了少量的默認配置文件，采用這些默認配置文件能夠保證所打印的零件擁有較好的機械性能。同時，專家用戶也可以選擇調整和創建他們自己的技術檔案，從而實現更高層次的優化，但這也會增加打印失敗的風險。
在用戶定義的打印區域中也可以進行靈活的定義。這些區域可以圍繞關鍵特征（全三維）進行定義，并可以分配不同的打印配置文件。新穎的打印配置策略允許用戶將約束條件應用于零件上的各個特征，因此在不同項目的獨特要求下，都能實現速度、質量和準確性的最佳組合。
此外，完整的打印仿真技術是相當精確的，而且越來越強大的計算仿真工具可以在無需打印零件的情況下模擬打印結果。這大大增加了首次打印成功的可能性，減少了打印報廢成本。通過利用3DXpert的集成增材制造技術，可以大幅減少試錯成本和時間，快速成功制備出零件。
圖12 通過金屬增材制造制備的冷卻策略示例（來源：3D Systems）
后期處理
在金屬增材制造中，激光粉末床熔融（PBF-LB）工藝通常只是生產過程的開始，零件還要經過多個后處理步驟。經�？吹降奶幚硎牵�
- 熱處理，去除殘余的熱應力和/或優化材料的微觀結構，以滿足相關的應用。
- 去基板，線切割，用于精確切割；帶鋸，用于粗糙切割。
- 去除支承和噴丸處理，通常是一個手工過程，當前也逐漸有了自動化的流程。
- 表面處理，對這些高要求的零件通常采用化學拋光和機械磨光處理。
- 機械加工，通常采用高精度的數控加工設備，設計過程中適當的DfAM考量可以減少機加工成本。
- 清洗，潔凈度要求高的零件可以進行清洗。
總結
以上案例展示了冷卻策略優化晶圓臺的進展。新穎的創成式設計方法（使用Diabatix的 ColdStream平臺）自動生成了最佳的自支撐冷卻結構，降低了整體溫差，將流體壓力保持在系統要求的范圍內，并使整個系統生產晶圓產品的周期縮短。
隨著半導體設備制造商競相滿足對新設備的需求，通過相關軟件工具實施功能優先的設計，出現了提高產品質量和性能以及優化供應鏈的新機會，這些優化的設計都可以通過金屬增材制造和市場上的可用的材料來制備。完整解決方案供應商通過應用其豐富的實踐經驗，在這個行業的關鍵時期，可以顯著減少試錯成本，加快產品進入市場的時間。
(責任編輯：admin)
Himed評估不同噴砂磨料在3
粉末粒徑可以控制增材制造
Divergent公司以3D打印技
浙大口腔醫學院：生物3D打
新型類器官樣神經血管球促
推動粘結劑噴射（鑄造/金
選區激光熔化增材
大型聚合物3D打印
6K Additive最新
如何打造增材制造
從實驗室走向生產
3D打印在口腔修復
