面向新兴产业应用的真空环境稀薄气体动力学耦合分析技术

【作者】 刘坤； 郝明； 陈树雷； 王桂鹏； 迟小宇； 巴德纯；

【机构】 东北大学机械工程与自动化学院；

【摘要】 真空状态下气体稀薄,提供了极高清洁度的工艺环境,因此被广泛应用于半导体集成电路、新能源、新材料、航空航天、大科学装置、生物化工制药等战略新兴领域。真空装备作为提供真空获得、测量和应用的主要部件和真空环境,其在应用过程中受背景稀薄气体特性、多物理量、工艺过程、气体成分、介质等关键因素的影响,直接关联工艺产品或流程的品控。因此,在真空装备设计过程中,需要考虑结构尺度差异性、稀薄气体流域区分、物理场耦合作用等多重因素。本文通过大型真空应用腔体内稀薄气体流动规律研究、真空泵旋转抽气容腔与间隙流动分析、微纳尺度器件多相/多物理场流动行为分析等三个方面,介绍多尺度稀薄气体环境动态数值模拟技术的应用分析。(1)大型真空腔体是光刻、PVD/CVD镀膜、熔炼、真空冶金、先进化工等工艺设备的核心装置,综合考虑复杂结构性、工艺过程中的"热-结构-材料"多重耦合造成放气复杂、密封和微通道泄漏、抽气管道截面和尺寸等多因素,针对真空工艺对腔室内不同功能区域气体密度的需求,通过合理选择与布置真空系统,实现腔室内不同功能区气体密度的精准控制。(2)以干式真空泵在集成电路产业应用为代表,真空环境存在高背压、大流量、宽温区等特点,致使泵内结构场、流场和温度场耦合作用下的稀薄气体流动与传热过程极其复杂,与此同时,泵内转子运行时,啮合间隙呈现动态变化,造成间隙分布不均,易产生周期性震荡,形成泵内冲击,造成泵效率低下、工作失稳。亟须建立真空泵运转态多物理场耦合设计理论,为真空泵的正向设计提供理论支撑。(3)随着微纳芯片的快速发展,以微小型质谱计、真空计、真空泵为代表的真空电子器件,逐步向芯片级发展。受结构限制,电磁场和背景稀薄气体流场等多物理场耦合作用影响着带电粒子在芯片内的传输过程。探究带电粒子的受扰携运传输规律,增强对微纳尺度中性气体流场内部机制的原理性探索和实验验证,分析和解决此类核心技术问题。本文提出在应用过程中的真空环境多尺度动态数值模拟技术,从不同尺度和应用分析各种新兴产业中对真空科学的技术需求,旨在探索关键技术瓶颈所涉及的复杂物理过程和隐藏的科学问题,通过理论分析和数值方法尝试建立研究手段,力图为高端真空装备的设计和应用提供科学的分析过程和精准的数据支撑。更多还原