提拉法的提拉法数值模拟

发布网友发布时间：2022-04-26 10:05

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热心网友时间：2022-06-27 03:59

因晶体生长的周期很长，一般需要1~2个月时间才能完成一次完整的工业级晶体生长，但良品率不高，一般只有50%。造成失败的原因有多个方面，可能是提升速率不对，可能是温度控制不对。若采用数值仿真技术，通过计算机模拟，提前预测晶体的生长状态，对成品率的提高会有较大的帮助，对晶体炉的研发也具有重要的现实意义。
晶体生长的仿真，因涉及多种物理场（熔化物与气体的传热、传质，湍流，热辐射相互作用，显著影响晶体的缺陷形成），多空间尺度（在熔化物与气体中存在急剧扩散、粘性、辐射、热边界层，伴有复杂的缺陷边界层）以及多时间尺度（晶体生长过程很慢，而熔体流动通过缩短时间常数来控制），非常复杂，通用型仿真软件，无法完全考虑以上这些因素。
比利时鲁汶大学的François Dupret教授，1990年发表在《J. of Heat and Mass Transfer》的一篇文章：Global modelling of heat transfer in crystal growth furnaces，详细阐述了如何建立一个晶体生长炉中全局的热传控制模型，并以锗和砷化镓炉作为模拟实例，验证了这一全局模型的准确性与效率。
借助Dupret François教授此篇文献的理论，世面上出现了几款专业的晶体生长模拟软件，例如比利时的FEMAG，俄罗斯的CGSIM，德国的CrysMas。
其中，FEMAG软件有专业的用于提拉法的模块：FEMAG/CZ，在提拉法仿真方面，具有如下的优点：
1、热传递分析：综合考虑炉内的辐射和传导、熔体对流和炉内气体流量分析
2、热应力分析：晶体位错的产生与晶体生长过程中热应力的变化有着密切的关系。该软件可以静心三维的非轴对称和各向异性温度场应力分析计算，可以提出对晶体总的剪切力预估。“位错”的产生是由于晶体生长过程中，热剪应力超越临界水平而导致的塑性变形。
3、点缺陷预报：该软件可以预知在晶体生长过程中的点缺陷（自裂缝和空缺），该仿真可以很好的预测在晶体生长过冲中点缺陷的分布。
4、动态仿真：动态仿真提供了复杂几何形状对于时间演变的预测。该预测把发生在晶体生长和冷却过程中所有瞬时的影响因素都考虑在内。为了准确地预报晶体点缺陷和氧分，动态仿真尤其是不可或缺的。
5、固液界面跟踪：在拉晶的过程中准确预测固液界面同样是一个关键问题。对于不同的坩埚旋转速度和不同的提拉高度，其固液界面是不同的。
6、加热器功率预测：利用软件动态仿真反算加热功率对于生长合格晶体也是非常必要的。
7、绘制温度梯度：通过仿真，固液交界面的温度梯度可以很方便的计算出来。这一结果对于理论缺陷的预报是非常有用的。