냉난방공조 관로 시스템 내 압력 하강 및 입자 침착의 수치해석적 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigates the HVAC system connected to photo-processing equipment within semiconductor manufacturing, focusing on quality issues caused by particle contamination. Among the eight primary semiconductor manufacturing steps, the photo process is particularly vulnerable to contamination issues. During this process, the coating stage is followed by exposure and then baking, where airborne contaminants and particles are often generated. To enhance semiconductor quality, this research analyzes the behavior of these particles in the HVAC duct system and aims to improve contamination control within the ductwork, particularly by addressing the effects of PAH droplet deposition on dampers, which increases pressure drop in exhaust pipes.Previous research has explored factors related to particle deposition in ducts, such as the Stokes number and deposition velocity. In this study, we selected specific equipment and duct systems as the basis for computational modeling. Using Inventor, a 3D model of the HVAC duct connected to the photo 51equipment was created. Fluent was used to generate a fine 3D mesh grid, and mesh independence was validated using Mean Absolute Percentage Error (MAPE) analysis.To understand the properties of particles generated during the baking stage, component analysis was conducted, and existing studies were reviewed to investigate the principles of fume generation during baking. Data collected from the equipment was used to set boundary conditions, and mesh quality was optimized to improve the accuracy of the numerical simulations. Fluent’s Discrete Phase Model (DPM) and Eulerian Wall Film (EWF) models were applied to simulate particle deposition on duct and damper surfaces. The analysis focused on quantifying pressure and pressure losses at the duct inlet as a function of particle deposition.Experimental data from the actual system were compared with simulation results, and a regression analysis was performed using Spotfire to evaluate trends in pressure loss. Error rates were calculated using Percent Bias (PBIAS) with a maximum of 4% to validate the results. This analysis ultimately revealed the relationship between pressure loss rates at duct inlets and the extent of particle deposition within the system. Notably, the pressure loss rate quadruples as the distance from the outlet increases, and particle deposits accumulate more on dampers closer to the exhaust outlet. Additionally, particle deposition is more pronounced at the edge of dampers than at the center.

국문 초록 (Abstract)

반도체 8대 공정 중 Particle로 인한 반도체 품질 이슈가 많은 Photo공정 장비에 연결된 HVAC system에 관한 연구이다. Photo공정 중 Coating 후 노광 공정을 거쳐 Baking 공정을 진행하게 되는데 이 때, 발생되는 오염 입자들에 대한 유동해석을 진행하고 반도체 품질을 최대화하기 위해 HVAC 관로 내의 입자들의 오염 관리 및 Damper들의 상태에 따른 관로의 압력 관리에 대한 연구를 통해 해결하고자 한다. 기존 연구들은 입자의 덕트 내 침전과 관련하여 stokes number와 deposition velocity 등의 factor에 대해서 연구 결과를 알아보았다. 그리고 실험 대상의 설비와 덕트를 선정하고 이를 Computational method를 통하여 모델링을 진행하였다. 우선, Inventor로 설비에 연결된 HVAC 관로를 3D Modelling을 실시하였다. 그리고 Fluent mesh를 통하여 fine한 3D Mesh 격자를 사용하였고 MAPE를 통해 Mesh 독립성 검사를 실시하여 validation하였다. Bake 공정간 발생되는 입자의 성분분석을 통해 입자의 물성을 알고 Bake 공정간 Fume의 발생 원리에 대해 기존 연구를 통해 분석하였다. 설비에서 Data를 측정하여 Boundary Condition을 설정하였고 Mesh의 품질을 올려 수치해석의 신뢰성을 높였다. Fluent의 DPM, EWF(Eulerian Wall Film)을 활용하여 입자가 관로 내 벽면 또는 Damper의 표면에 어떻게 침전되는지 그리고 침전량에 따른 관로 입구에서의 압력과 압력 손실의 정도는 얼마인지. 실제 설비 실험 Data와 시뮬레이션 Data 비교를 통해 압력 손실 트렌드의 추세를 Spotfire를 통해 회귀 분석을 진행하여 PBIAS로 오차율을 비교를 통해 실험 검증하였다. 그 결과 PBAIS는 최대 4% 이내로 덕트 출구와의 거리가 증가할수록 압력 손실률이 최대 4배, Damper 가장자리의 침전률이 약 2배 높게 나타났다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1. 연구목적과 연구방법론 1
• 1) 연구목적 1
• 2) 연구방법론 7
• 제2장 본론 9
• 1. 반도체 Photo장비 배기시스템 해석 모델 9
• 1) 3D 모델링 및 실험 구성 설정 9
• 2) 수치해석 이론 및 방법 11
• 가) 지배방정식 11
• 나) Particle 발생 원리 및 성분 분석 19
• 다) Mesh 구성 및 경계 조건 23
• 2. 실험 및 결과 분석 28
• 1) Mesh 검증 28
• 2) 실험 검증 30
• 3) 실험 및 시뮬레이션 결과 분석 33
• 제3장 결론 38
• 1. 결과 분석 38
• 2. 한계점 및 향후 연구 39