Numerical Simulation for Drag Force of Nano-Particle in High Vacuum

Abstract

반도체 디스플레이 제조 공정은 고도의 정밀도가 요구되는 공정으로 장비 내부의 미세 불순물 입자들은 생산율에 큰 영향을 미친다. 따라서 장비 내부 에 존재하는 미세입자들의 유동에 대한 특성을 파악하고 control 하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 하지만 대부분의 제조공정은 고진공상태에서 이 루어 지기 때문에 기존의 해석툴로써는 유동에 대한 입자의 특성을 파악하기 는 어렵다. 본 연구에서는 Direct Simulation Monte Carlo(DSMC)기법을 이용하여 고 진공 유동을 해석하였으며, 고진공 유동장에서의 미세 입자가 받는 여러가지 힘에 대한 연구를 진행 하였다. DSMC 기법은 lagrangian 방법으로 유동을 입 자로 모델링하여 각 입자들의 충돌과 거동을 해석하는 기법으로 computing cost 가 많이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 CUDA 기술을 활용하여 GPU 에서 해석이 가능한 GPU Based DSMC 개발하였다. 고진공 희박기체 영역에서의 입자가 받는 힘은 선행 연구 결과를 활용하여 검증하였으며, 실험으로 진행하기 어려운 영역에 대해서 결과를 도출하였다. 진공도를 나타내는 Knudsen number 와 입자의 사이즈에 따른 Drag force에 대해 분석한 결과 선행 연구의 실험식을 통해서 Drag force 를 예측할 수 있 다는 것을 확인하였다. 입자의 형상이 구형이 아닌 aspect ratio를 가지는 ellipsoid 형상에 대해서도 해석을 진행 하였다. 여러가지 aspect ratio에 따른 drag force의 변화를 분 석하여 같은 유동조건에서의 구형상에 대한 결과와 비교 분석하였다. 아울러 angle of attack을 가지는 ellipsoid에 대해서도 해석을 진행하여 입자에 발생 되는 여러가지 힘에 대해 분석해 보았다. 또한 두개의 미세입자가 가까이 존재하는 경우에 대해서 해석을 진행 하였 다. 두 입자의 거리가 가까워 짐에 따라 각각의 입자가 받는 힘을 비교 분석 하였으며, 하나의 입자가 존재하는 조건과 비교 분석하였다.|The semiconductor display manufacturing process requires high precision, and the fine impurity particles inside the manufacturing equipment have a great influence on the product productivity. Therefore, considerable efforts have been made to identify and control the characteristics of the flow of fine particles inside the equipment. However, because most manufacturing processes operate under high vacuum conditions, it is difficult to understand the characteristics of particle flow using existing analysis tools. In this study, high-vacuum flow was analyzed using the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method, and various forces acting on fine particles in a high-vacuum flow field were studied. The DSMC method is a Lagrangian method that models the flow as particles and analyzes the collisions and behaviors of each particle[10], which costs a large computing resource. Therefore, in this study, a graphic processor unit (GPU) based DSMC that can be analyzed on a GPU was developed using the compute unified device architecture (CUDA) technology. The force acting on the particles in the high-vacuum rarefied gas region was verified using the outputs of previous studies. Through simulation, it is possible to analyze about regions that are difficult to proceed with experiments. As a result of analyzing the drag force according to the Knudsen number which indicates the ratio of vacuum and the particle size, it was confirmed that the drag force can be predicted through the empirical formula of previous studies. An ellipsoid shape with a certain aspect ratio instead of a spherical shape was also analyzed. The change in drag force according to various aspect ratios was analyzed and compared with the results of the spherical shape under the same flow conditions. In addition, the various forces acted on the particles with various angles of attack were analyzed. In addition, analysis was conducted for cases in which two fine particles were close together. As the distance between the two particles decreases, the drag forces on each particle were analyzed and compared with the drag force when only one particle was present.