气体壁面射流冲击下的气液界面行为特性研究

发布时间：2017-08-21 08:25

  本文关键词：气体壁面射流冲击下的气液界面行为特性研究

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【摘要】：浸没式光刻中浸没液体的有效密封是实现硅片高效产率的关键技术。本论文以浸没式光刻气密封工艺为研究背景。基于浸没液体气液界面受气体壁面射流冲击束缚作用的气密封机理,建立气流冲击液膜的基础实验,开展气体壁面射流冲击作用下气液界面行为特性的系统性研究。该研究对于揭露气密封工艺下的气液界面行为,优化以提高气液界面稳定性为目的的气密封工艺,最终达到浸没式光刻中浸没液体的有效密封具有重要意义。本论文以探索实验现象和无量纲归一化数据分析为主要研究手段,结合数值仿真技术和数字图像处理方法,开展气流冲击液膜实验中受气体壁面射流冲击作用下气液界面行为特性的系统性研究。首先,观察气体壁面射流冲击作用下气液界面稳定状态与非稳定状态的特征现象,探索射流参数对气液界面稳定性的影响规律,揭示气液界面的失稳机理,提出无量纲归一化的气液界面稳定性判据。其次,观察基底表面上气液界面静态驻留行为形成圆形干区域的稳态气穴现象,分析以干区域直径为气穴特征尺寸的参数化规律。建立气液固界线处的静态力学平衡模型,通过简化得到气穴特征尺寸与射流参数之间的无量纲归一化表达形式,总结无量纲气穴特征尺寸与射流参数之间的归一化发展规律。最后,探索气液界面极限摇摆行为和表面波传递行为与气体壁面射流冲击扰动强度的对应关系,揭示表面波传递过程中动态漩涡流动规律,通过量纲分析给出表面波传递频率与射流参数之间的无量纲归一化统计结果。本论文主要研究内容具体如下：1.气液界面的稳定特性基于浸没液体气液界面受气体壁面射流冲击束缚作用的气密封机理,建立气流冲击液膜的基础实验。观察气体壁面射流冲击作用下气液界面稳定状态与非稳定状态的特征现象,探索射流参数对气液界面稳定性的影响规律。通过对气液界面极限摇摆形态和表面波传递频率与射流高度的定性分析,建立射流高度与气体壁面射流冲击扰动强度的对应关系。通过降低射流高度,获得受气体壁面射流冲击扰动作用下气液界面从稳定状态过渡到非稳定状态时失稳发生液滴飞溅的特征现象,揭示高频表面波传递行为触发气液界面产生液滴飞溅的瑞利不稳定(Rayleigh instability)失稳机理。获得以液滴飞溅特征现象为失稳依据的临界射流高度,提出弗洛德数(Froude number, Fr)与临界射流高度之间归一化倒数曲线的气液界面稳定性判据。2.气液界面静态行为特性观察基底表面上气液界面静态驻留行为形成圆形干区域的稳态气穴特征现象,分析以干区域直径为气穴特征尺寸的参数化规律。建立气液固界线处的静态力学平衡模型,并通过杨氏方程对其进行简化。利用气流冲击基底平面产生的无量纲高斯压力分布特征,推导出气穴特征尺寸与射流参数之间的无量纲归一化表达形式。基于该无量纲归一化表达形式,获得无量纲气穴特征尺寸(D/h)与弗洛德数(Froude number, Fr)和射流孔径高度比(d/h)之间的归一化线性发展规律。此外,进一步获得归一化的线性拟合斜率与射流孔径之间的线性增长规律。3.气液界面动态行为特性探索气液界面极限摇摆行为和表面波传递行为与气体壁面射流冲击扰动强度之间的对应关系。结合数值仿真技术,揭示表面波传递行为过程中动态漩涡流动规律。总结表面波传递频率的参数化规律,给出表面波传递频率(Frequency)与弗洛德数(Froude number, Fr)和射流高度孔径比(h/d)之间衰减自然指数的无量纲归一化发展规律。
【关键词】：浸没式光刻 气密封 气体壁面射流 气液界面 液膜 液滴飞溅 弗洛德数 气穴 摇摆形态 表面波
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN305.7
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-15
• 1 绪论15-39
• 1.1 研究背景及意义15-28
• 1.1.1 浸没式光刻技术15-21
• 1.1.2 浸没流场中气液界面失稳行为21-27
• 1.1.3 气密封作用下气液界面的动态平衡机理27-28
• 1.2 国内外研究现状28-37
• 1.2.1 气流冲击液池中的气液界面行为29-32
• 1.2.2 气流冲击液膜中的气液界面行为32-37
• 1.3 论文主要研究内容37-38
• 1.4 本章小结38-39
• 2 气液界面的稳定特性39-58
• 2.1 实验研究方法39-44
• 2.1.1 气流冲击液膜基础实验设计39-40
• 2.1.2 实验装置的结构与功能实现40-41
• 2.1.3 射流参数范围的选取41-44
• 2.2 气液界面的稳定性影响44-49
• 2.2.1 气液界面稳态行为44-46
• 2.2.2 射流高度对气液界面的稳定性影响46-49
• 2.3 气液界面的失稳行为49-52
• 2.3.1 液滴飞溅特征现象49-51
• 2.3.2 瑞利不稳定性(Rayleigh instability)失稳机理51-52
• 2.4 气液界面稳定性判据52-57
• 2.4.1 临界射流高度52-53
• 2.4.2 气体自由射流的速度分布特征53-54
• 2.4.3 无量纲参数的稳定性判据54-57
• 2.5 本章小结57-58
• 3 气液界面静态行为特性58-79
• 3.1 气穴特征现象58-59
• 3.2 气穴特征尺寸的参数化影响规律59-69
• 3.2.1 实验结果与分析59-62
• 3.2.2 数值仿真计算结果与分析62-69
• 3.3 气穴静态接触角的参数化影响规律69-71
• 3.4 气液固界线处的力学平衡71-74
• 3.4.1 气体壁面射流的流场特性71-73
• 3.4.2 气液固界线处力学平衡建立73-74
• 3.5 气穴特征尺寸的无量纲归一化结果统计74-78
• 3.5.1 力学平衡模型的简化74
• 3.5.2 无量纲归一化结果统计74-76
• 3.5.3 结果拟合与分析76-78
• 3.6 本章小结78-79
• 4 气液界面动态行为特性79-104
• 4.1 气液界面数字图像处理79-86
• 4.1.1 数字图像处理方法79-81
• 4.1.2 数字图像处理流程图与主要程序说明81-86
• 4.2 气液界面的摇摆行为86-89
• 4.2.1 气液界面摇摆行为的产生86
• 4.2.2 气液界面摇摆行为的参数化影响规律86-89
• 4.3 表面波传递行为89-103
• 4.3.1 表面波产生与传递过程89-90
• 4.3.2 表面波产生与传递行为的动态流场变化规律90-91
• 4.3.3 表面波传递频率的参数化影响规律91-100
• 4.3.4 表面波传递频率的无量纲归一化结果统计100-103
• 4.4 本章小结103-104
• 5 总结与展望104-107
• 5.1 论文总结104-105
• 5.2 研究展望105-107
• 参考文献107-116
• 攻读博士期间主要研究成果116

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本文编号：711833