CYBERNET

CMPスラリー槽・薬液調合槽・温調薬液槽の条件検討 ~実験では見えない「槽内」の可視化を支援

このようなお悩みはありませんか?

・添加剤投入後の均一化時間が分からない
・スラリー沈降が発生している
・温度ムラが品質に影響している
・実験回数が増えている
・スケールアップで結果が変わる
・槽内の状態を可視化できない

半導体材料の攪拌・混合・分散・温調プロセスでは、槽内のデッドゾーンや濃度ムラ、温度ムラといった「実験では局所的にしか見えない現象」が、条件出しのボトルネックになりがちです。一方で、高価な材料を使った試作をすべて実機で確認するには、材料費・評価工数・設備時間の負担が小さくありません。サイバネットシステムでは、Ansys Fluent を中心とした流体・熱流体解析とエンジニアリングサービスを組み合わせ、実験前の条件スクリーニングから量産前のリスク確認までを支援します。

実験では見えない「槽内」を、4つの視点で見える化

視点 1:流れ場(速度場)

流れの方向・速度分布から、物質がどこへ動くかを読み取る

視点 2:濃度(化学種)

分子レベルの混合度合を可視化。混ざり残りを確認

視点 3:(トレーサー)粒子

粒子を飛ばし、流れに乗った軌跡を直感的に把握

視点 4:定量評価

三次元の物理量から指標を作成。見た目に頼らない評価

半導体材料プロセスへの適用テーマ

CMPスラリー槽

粒子濃度分布や沈降傾向、底部堆積のリスクを評価します。固体粒子の挙動は、粒子密度を追跡する方法 (EulerGranular法)や、粒子を一つずつ追跡する方法(DEM法)でモデル化でき、流れによる粒子の移動まで 再現できます。境界面の高さを実験値と比較した事例では、高い相関が得られています。

薬液調合槽

酸・アルカリ・純水・添加剤の投入後、所定の均一化基準に到達するまでの混合時間を比較します。 局所的な高濃度領域(混ざり残り)が発生しないかも確認でき、調合条件の絞り込みに活用できます。

温調薬液槽

槽内の温度ムラやジャケット・コイルの効き、温度安定時間を確認します。発熱コイルの熱伝達率が最大になるよう、パラメトリックシミュレーションと最適化計算によって翼位置などの条件を自動で最適化することも可能です。

低ダメージ攪拌

せん断速度や乱流エネルギーを指標に、粒子破砕やレジスト・高分子成分へのダメージを抑える条件を比較検討します。

解析により出せる指標

CFDで得られる三次元の物理量を活かせば、「見た目」だけではない定量評価が可能です。
攪拌の目的は均一化だけではありません。「理想濃度からのズレ」を表す独自指標を作成するなど、 目的に合わせて指標を柔軟に使い分けられる点もCFDの強みです。 
その一部を表にあらわします。

指標 何が分かるか 役立つ場面
混合時間(±5%) 均一化までの時間 調合条件の比較
デッドゾーン体積率 滞留領域の有無 槽形状の評価
最大せん断速度 ダメージリスク 低ダメージ条件

「見た目」では気づけない混合不良の発見

あるスケールアップ事例では、速度分布だけを見ると羽根と羽根の間の領域は「よく混ざっている」ように 見えていました。ところが、濃度分散による定量評価を行うと、まさにその領域こそが、スケールアップによって 最も混ざりにくくなっていたことが判明しました。速度分布の印象だけでは、想像し難い結果です。
さらに解析を進めると、そもそもスケールアップ前のラボスケールの段階で、流れが上下に分離してしまうという根本的な問題まで突き止めることができました。流れ場・濃度・トレーサー粒子・定量評価という4つの視点で 重ねて見ることで、初めて見えてくる事実です。

CFDの強み=複数視点 × 定量評価
見た目にわかりやすい結果(動画や画像)を作るだけがCFDではありません。
三次元の物理量を活かした 多彩な定量評価により、見た目では評価できなかった部分まで踏み込めることが、CFDの本質的な価値です。

こんな時は、まずサイバネットにまずご相談ください

①お持ちの実験結果や評価指標をベースに

「どの現象をシミュレーションで見るべきか」
「Fluentでどこまで再現・比較できるか」
「実験前の条件スクリーニングに使えるか」
「PoCとして始めるなら、どのテーマが適切か」
お持ちの実験結果や評価指標をベースにシミュレーションで何が分かるかをご説明します。

②検討中テーマの技術相談から

現在検討中のテーマについて、 槽形状・攪拌条件・評価したい指標 をお伺いし、 シミュレーションで何が分かるかをご説明します。

導入事例・関連資料

【解析事例】上下運動の攪拌翼 可視化・最適化ソリューション

攪拌槽は異種流体の混合や反応を伴う混合工程を対象に流体の均一性や粒子混合物の沈降防止といった要素も求められます。近年はエネルギー効率面だけではなく、液体にかかるせん断力も重要な指標になっており、事前のシミュレーションによる撹拌槽の設計検討がより効果を発揮しています。

【活用事例】クリーンルーム設計・運用のためのバーチャルエンジニアリング活用事例

クリーンルームは空気中のホコリやチリなどの浮遊粒子が制御され、気密性や温度、湿度、圧力までも一定レベルに清浄化されている部屋です。設置にも運用にも多大なコストがかかることから、設計、運用双方において、効率化が課題となっています。
クリーンルームの設計段階・運用段階において、 CAEやVRといったバーチャルエンジニアリングを活用した課題解決のご提案をいたします。

【お客様事例】zenius株式会社 様:粉末吸入剤の流れと衝突を可視化し、 実証実験を重ねなくても薬効を保てるデバイスを開発

医療系デバイスのスタートアップであるzenius株式会社様。試験コストや開発期間の短縮が求められる中、Ansys Fluent(以下Fluent)、Ansys Rocky(以下Rocky)を導入しました。本インタビューでは、これらのソフトウェアを導入した経緯や、その効果などをお聞きしました。

【解析講座】CFDで見よう! 攪拌槽の中身

「攪拌槽の中で何が起きているかを知りたい」、「攪拌槽のCFD解析をどう活用すればいいかわからない」などのお悩みを持ちの方に向けて、事例を用いてCFDによるスケールアップ、伝熱(熱伝達率の最適化)などの攪拌槽解析についてご紹介します。

関連する解析事例

MORE

関連する資料ダウンロード

MORE

関連する解析講座・辞典

MORE

あなたへのおすすめ

Ansys、ならびにANSYS, Inc. のすべてのブランド名、製品名、サービス名、機能名、ロゴ、標語は、米国およびその他の国におけるANSYS, Inc. またはその子会社の商標または登録商標です。その他すべてのブランド名、製品名、サービス名、機能名、または商標は、それぞれの所有者に帰属します。本ウェブサイトに記載されているシステム名、製品名等には、必ずしも商標表示((R)、TM)を付記していません。 CFX is a trademark of Sony Corporation in Japan. ICEM CFD is a trademark used by Ansys under license. LS-DYNA is a registered trademark of Livermore Software Technology Corporation. nCode is a trademark of HBM nCode.