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FEMAG晶体生长计算软件FEMAG-CZ - Czochralski Crystal Growth Simulation by FEMAGSoft

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晶体生长建模软件FEMAG-模拟策略

晶体生长建模软件FEMAG-模拟策略

Direct dynamic
– calculated crystal shape – precribed heater power history – effect of pull rate and solid-liquid interface deformation on the solidification heat
• To resort to appropriate and up-to-date numerical simulation techniques to couple and solve these models
→ quasi-steady and dynamic models
FEMAGSoft © 2013
Inverse dynamic simulation (imposed crystal shape, calculated heater power): power oscillations resulting from inverse modeling, and smoothed power
FEMAGSoft © 2013
Stream function
psi 7.4E-05 7.1E-05 6.8E-05 6.5E-05 6.2E-05 5.8E-05 5.5E-05 5.2E-05 4.9E-05 4.6E-05 4.3E-05 4.0E-05 3.6E-05 3.3E-05 3.0E-05 2.7E-05 2.4E-05 2.1E-05 1.7E-05 1.4E-05 1.1E-05 8.0E-06 4.8E-06 1.7E-06 -1.5E-06 -4.7E-06
Quasi-steady
– thermal equilibrium – adapted heater power Inverse dynamic to get the prescribed – adapted heater power Quasi-dynamic crystal diameter to grow the prescribed frozen geometry – –heat source on the (except the crystal shape solid-liquid interface) solidification front in – effect of pull rate and to thepower pull to getsolid-liquid interface –proportion adapted heater rate the prescribed crystal diameter deformation on the – effect of pull rate and solid-solidification heat liquid interface deformation on the solidification heat

晶体生长计算软件FEMAG系列之晶体生长方法介绍

晶体生长计算软件FEMAG系列之晶体生长方法介绍

可扩展性
软件具有开放性和可扩展性， 用户可以根据需要添加新的材 料属性和边界条件。
图形界面
提供友好的图形界面，方便用 户进行模型建立、参数设置和 结果分析。
软件应用领域
半导体晶体生长
用于研究半导体晶体生长过程中的物理和化学行 为，优化晶体质量和性能。
光学晶体生长
用于研究光学晶体的生长过程，优化晶体光学性 能和加工工艺。
增强可视化功能
为了更好地帮助用户理解和分析计算结果，FEMag软件将 增加更强大的可视化功能，如3D图形界面、实时渲染等， 使用户能够更直观地查看和操作计算结果。
拓展应用领域和范围
扩大应用领域
随着晶体生长研究的不断发展，FEMag软件的应用领域将不 断扩大。未来，FEMag软件将不仅应用于传统的晶体生长研 究，还将拓展到其他相关领域，如材料科学、化学、生物学 等。
该软件通过建立数学模型，模拟晶体生长过程中各 种因素对晶体形态、结构和性能的影响。
FEMag软件提供了丰富的材料属性和边界条件设置 ，支持多种晶体结构和生长条件。
软件特点
01
02
03
04
高效计算
采用有限元方法进行数值计算 ，能够快速求解大规模的晶体 生长问题。
精确模拟
能够模拟晶体生长过程中的温 度场、浓度场、应力场等物理 场，以及化学反应过程。
专业和深入。
与实验结果的比较
FEMag与实验的一致性
FEMag软件在模拟晶体生长方面取得了与实验结果高度一致的结果。通过对比实验和模拟数据，可以验证 FEMag软件的准确性和可靠性，进一步推动其在晶体生长研究中的应用。
实验验证的局限性
尽管FEMag软件与实验结果具有较好的一致性，但实验验证仍然存在局限性。实验条件和参数的微小变化可能 会对结果产生显著影响，而模拟结果可能无法完全反映这些细微差异。因此，将实验和模拟结果相结合，进行综 合分析是更为可靠的方法。

晶体生长仿真软件FEMAG介绍文档(二)--主要功能&技术优势

晶体生长仿真软件FEMAG介绍文档(二)--主要功能&技术优势

晶体生长仿真软件FEMAG介绍文档（二）主要功能&技术优势FEMAG软件致力于多物理场数值模拟分析晶体材料的生长过程，为用户提供晶体生长输运过程中的重要信息以及影响晶体质量的工艺信息，提高晶体质量与用户的研发效率。

目前，FEMAG软件产品有：FEMAG/CZ、FEMAG CZ/OX、FEMAG/FZ、FEMAG/DS、FEMAG/VB以及FEMAG/PVT，可有效分析提拉法生长、泡生法生长、区熔法生长、定向凝固、坩埚下降法生长、物理气相传输法生长等工艺过程。

FEMAG软件主要具有以下功能：（1）在设计工程领域，利用FEMAG软件可以设计生长熔炉系统中保温套和反射体的形状、材质和位置，可确定加热器的位置，设计辅助加热器，选择与设计保温层。

（2）在质量控制工程领域，利用FEMAG软件可以分析热应力、控制氧/碳含量分布、掺杂物分布以及缺陷的预测，优化工艺参数，提高晶体生长质量。

（3）在成本控制工程领域，利用FEMAG软件可以评估能耗、气耗，也可以评估原料辅料的成本与使用寿命。

FEMAG软件产品及其典型的应用如下图所示：FEMAG软件产品及其典型应用FEMAG软件的主要技术优势➢求解技术先进、高效，求解精度高晶体生长过程是一个高度非线性的、多尺度的复杂问题，涉及导热、对流、辐射与相变，空间尺度与时间尺度跨度范围大。

例如，熔体与气相的传热、传质，湍流，热辐射相互耦合作用，会显著影响晶体的缺陷形成；熔体与气相中存在扩散、粘性、辐射、热边界层，甚至伴有复杂的缺陷边界层，空间尺度跨度大；晶体生长的时间尺度一般慢于热传导时间尺度两个数量级，慢于对流传热时间尺度六个数量级，时间尺度跨度很大等等。

FEMAG软件通过建立考虑多种耦合效应的传热、湍流等全局有限元模型（包括准稳态模型、与时间相关的逆向动态、直接动态模型），基于非结构化网格而开发的Navier-Stokes求解器，结合Newton-Raphson迭代法，可以准确、快速地求解上述多场、多尺度的复杂问题。

FEMAG晶体生长专业模拟软件-模拟策略

FEMAG晶体生长专业模拟软件-模拟策略
FEMAG晶体生长专业模拟软件
-建模策略
Franç ois Dupret1,2, Roman Rolinsky2, Brieuc Delsaute2, Rajesh Ramaya2, Nathalie Van den Bogaert2
1
Universitécatholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Belgium FEMAGSoft S.A. company, Louvain-la-Neuve, Belgium
• d) Geometrical modeling: to accurately handle strongly deforming bodies and interface and well-capture all the boundary layers
• e) Solution technique: coupled Newton-Raphson iterations by use of a highly effective linear solver
FEMAGSoft © 2013
1. Numerical strategy (cont’d)
Inverse QS and TD simulation of the Global temperature growth of a 300 field mm silicon crystal
t 1800 1740 1680 1620 1560 1500 1440 1380 1320 1260 1200 1140 1080 1020 960 900 840 780 720 660 600 540 480 420 360 300
Quasi-steady
– thermal equilibrium – adapted heater power Inverse dynamic to get the prescribed – adapted heater power Quasi-dynamic crystal diameter to grow the prescribed frozen geometry – –heat source on the (except the crystal shape solid-liquid interface) solidification front in – effect of pull rate and to thepower pull to getsolid-liquid interface –proportion adapted heater rate the prescribed crystal diameter deformation on the – effect of pull rate and solid-solidification heat liquid interface deformation on the solidification heat

利用晶体生长计算软件FEMAG进行晶体生长计算仿真的结果图 ppt课件

利用晶体生长计算软件FEMAG进行晶体生长计算仿真的结果图 ppt课件
利用晶体生长计算软件FEMAG进 行晶体生长计算仿真的结果图
利用晶体生长计算软件FEMAG进行晶 体生长计算仿真的结果图
• FEMAG软件是世界上第一款商业的材料晶体生长数值模拟软件，由比利时 新鲁汶大学教授Dr. François Dupret于20世纪80年代中期领导开发。
• Dr. François Dupret是第二届晶体生长模型国际研讨会主席、EUROTHERM相 变热力学研讨会联合主席、机械工程学位委员会主席，曾担任国际晶体生 长（Journal of Crystal Growth）期刊主编。
• FEMAG软件拥有国际上最先进、最高效、最全面的晶体生长工艺模拟技术 和多物理场耦合仿真功能，可模拟的晶体生长工艺包括提拉法（柴氏法，Cz 法）、泡生法（Ky法）、区熔法（FZ法）、坩埚下降法（垂直布里兹曼法， VB法）、物理气相传输法（PVT法）等，广泛应用于集成电路、太阳能光伏 、半导体、蓝宝石等领域。ON Semiconductor（安森美半导体）、美国 Kayex、Siltronic（世创电子材料）、AXT（美国晶体技术集团）、韩国 Nexolon、LG、韩国汉阳大学、Norut（挪威北方研究所）、日本SUMCO集团 、Gritek（有研新材料）、天津环欧半导体材料、中环股份、北京有色金属 研究总院、清华大学等企业和科研机构，均是FEMAG软件的用户。
FEMAG定向凝固模拟软件用于设计新的热场，并研发新的 方法以满足新的商业需求点，比如： ✓晶体微结构 ✓优化 ✓扩大生产规模
利用晶体生长计算软件FEMAG进行晶 体生长计算仿真的结果图
利用晶体生长计算软件FEMAG进行晶体生长计 算仿真的结果图
利用晶体生长计算软件FEMAG进行晶 体生长计算仿真的结果图
利用晶体生长计算软件FEMAG进行 晶体生长计算仿真的结果图

全球半导体晶体生长建模著名商业软件FEMAG 横向磁场直拉硅晶体生长的全局模拟 优质课件

全球半导体晶体生长建模著名商业软件FEMAG 横向磁场直拉硅晶体生长的全局模拟 优质课件

FEMAGSoft © 2013
Cz Si growth under a TMF (cont’d)
Flow and global heat transfer in a silicon Cz puller
under the effect of a TMF (quasi-steady simulation)
Main modeling hypothesis:
- the viewed and hidden parts are calculated as axisymmetric
- or, equivalently, each surface of the enclosure is viewed as axisymmetric from the other surfaces
dH = L Ha-1 (L = Rs or Rc). Typically dH = 0.05 - 0.08 mm in industrial furnaces.
FEMAGSoft © 2013
Cz Si growth under a TMF (cont’d)
Transverse magnetic fields: FLET method
Bottom: velocity field magnitude and crosssection showing a sharp Hartmann layer along the melt-crucible interface.
FEMAGSoft © 2013
Cz Si growth under a TMF (cont’d)
Hypothesis:
Objective: global, quasi-steady or time-dependent calculations at a reasonable cost

晶体生长建模软件FEMAG介绍（八）--FEMAGPVT（物理气相传输法）

晶体生长建模软件FEMAG介绍（八）--FEMAGPVT（物理气相传输法）

晶体⽣长建模软件FEMAG介绍（⼋）--FEMAGPVT（物理
⽓相传输法）
FEMAG/PVT软件的主要功能
FEMAG/PVT软件⽤于模拟物理⽓相传输法（Physical Vapor Transport process，PVT）晶体⽣长⼯艺，可以⽤于碳化硅单晶体、氮化铝、氧化锌多晶体等的PVT法⽣长⼯艺过程的模拟。

FEMAG/PVT软件的典型应⽤
FEMAG/PVT软件的典型应⽤是模拟碳化硅单晶的PVT法⽣长过程。

图1是碳化硅晶⽚。

碳化硅（SiC）是⼀种优质的宽带隙半导体材料，具有宽禁带、⾼击穿电场、⾼热导率、⾼饱和电⼦漂移速率等优点，可以满⾜⾼温、⼤功率、低损耗⼤直径器件的需求。

SiC单晶⽆法经过熔融法形成，⽽基于改进型Lely法的升华⽣长技术——物理⽓相传输法是获得SiC单晶的常⽤⽅法。

PVT法制备SiC单晶的⽣长原理是：⾼纯SiC粉源在⾼温下分解形成⽓态物质（主要为Si、SiC2、Si2C），这些⽓态物质在过饱和度的驱动下，升华⾄冷端的籽晶处进⾏⽣长。

过饱和度是由籽晶与粉源之间的温度梯度引起的。

图2是利⽤FEMAG/PVT软件计算碳化硅沉积腔内的温度梯度的结果。

晶体生长计算软件FEMAG系列之晶体生长方法介绍 ppt课件

晶体生长计算软件FEMAG系列之晶体生长方法介绍 ppt课件

16
FEMAGSoft © 2010
定向凝固法（DSS）
在过去几年半导体晶体生长制造商都因采用直拉
法/垂直梯度凝晶体固生长法计（算软件CFZE/MVAGG系F列）之 而获益
晶体生长方法介绍
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FEMAGSoft © 2010
定向凝固法（DSS）
定向凝固法工艺的主要问题：
增加产出 晶粒尺寸的控制和增大 掺杂/杂质（ C/N ）分布 位错
晶体生长计算软件FEMAG系列之 晶体生长方法介绍
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FEMAGSoft © 2010
晶体生长计算软件FEMAG系列之晶 体生长方法介绍
1
晶体生长计算软件FEMAG 之
晶体生长方法介绍
晶体生长计算软件FEMAG系列之
2
晶体生长方法介绍
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
6
FEMAGSoft © 2010
ห้องสมุดไป่ตู้
String Ribbon法 (Evergreen Solar Inc.专利设计)
硅晶体生长方法
导模法（EFG）
晶体生长计算软件FEMAG系列之 晶体生长方法介绍
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FEMAGSoft © 2010
热场设计的重要性
晶体生长的首要问题是设计适合的热场和 相应的操作条件，这不仅决定了晶体的主 要特性，对于每个集成电路晶片制造商而 言，也是最主要的核心技术所在。
FEMAGSoft © 2010
定向凝固法的热点问题
晶体生长计算软件FEMAG系列之 晶体生长方法介绍

晶体生长模拟软件FEMAG-CZ之-Czochralski-(CZ)-Process-(FEMAG-

晶体生长模拟软件FEMAG-CZ之-Czochralski-(CZ)-Process-(FEMAG-

晶体生长模拟软件FEMAG-CZ Czochralski (CZ) Process（FEMAG-CZ）FEMAG直拉法模拟软件（FEMAG-CZ）用于模拟直拉法工艺（包括Cz, MCz, VCz,泡生法）。

FEMAG-CZ直拉法模拟软件用于新的热场设计，并研发新的方法以满足新的商业需求点，比如：✓大直径晶锭生长✓无缺陷硅晶锭生长✓提高成品率✓氧含量控制✓降低碳含量✓晶锭半径和沿轴向的电阻率差异减小✓CCZ工艺仿真✓磁场设计✓蓝宝石生长工艺设计FEMAG-CZ模拟软件通过降低试验成本而节省了R&D消耗。

大直径晶锭生长以期不进行大量昂贵的可行性试验生长大尺寸晶体看起来是不太现实的。

FEMAG-CZ软件提供这种可能性。

为了生产450 mm及以上的大尺寸无缺陷硅晶体，晶体生长工程师通过使用FEMAG-CZ来定义关键的工艺参数，而无需任何材料和能源的消耗。

FEMAG-CZ能够设计新的热场并研发新的工艺技术，在FEMAG直拉法模拟软件的帮助下，晶体生长工程师能够在一个有效的虚拟环境中优化每一个关键参数，比如旋转速率，提拉速度，气体流速，压强和功率消耗等。

FEMAG直拉法模拟还能进一步为晶体生长工程师给出在某一工艺配置下产出的最终成品的质量和成本信息，比如晶体中的温度梯度，氧/碳/掺杂物/微缺陷分布等。

通过软件能够获得硅/锗/蓝宝石晶体质量和产品成本信息，这一模拟过程无需任何材料和能量的消耗。

FEMAG 3D 熔体流动模拟结果FEMAG动态模拟无缺陷硅晶锭生长无缺陷晶体硅生长是世界上最大的难点之一。

FEMAG模拟软件能够帮助工程师运用自己创新的技术生长出无缺陷晶体。

运用FEMAG软件缺陷工程模块可以预测晶体炉或者其他指定直拉法工艺环境中生长的晶体成品质量。

缺陷工程模块能够洞悉硅、锗生长过程中填隙原子，空位和微孔演变过程。

FEMAG-CZ能够成为你的测试平台，试验在不同的操作条件下对晶体生长质量的影响，如✓热场设计✓加热器功率✓晶体和坩埚的旋转速率✓晶体提拉速度，坩埚的位置✓气体流率和压强一旦掌握了晶体生长工艺中的动态规律，就可以找到最优的配置以增加成品率和投资回报。

利用晶体生长软件FEMAG对蓝宝石晶体生长的仿真计算方法ppt课件

利用晶体生长软件FEMAG对蓝宝石晶体生长的仿真计算方法ppt课件

RADIATION
CONVECTION CONDUCTION
MESH
GEOMETRY
…
FEMAG3 NEW 2011 •Very accurate : Finite Element and Spectral methods •Very efficient : 3D simulations in less 1 day •Very flexible : Very fast development of new demand
Specifications: - Temperature in the sapphire and in all furnace components by solving the
global heat transfer in the furnace (radiation, conduction , convection). - Flow velocity in the sapphire liquid phase. - Crystallization front shape - Ohmic and Induction Heating - Advanced radiation heat transfer in the sapphire - Gas convection - Anisotropic thermal stresses in the crystal
Page 11
CONFIDENTIAL
Global simulations
No simplification of the process conditions
Page 12
HEM Furnace for Sapphire
Czochralski Furnace for Silicon

利用晶体生长模拟软件FEMAG进行蓝宝石晶体生长模拟的方法专选课件

利用晶体生长模拟软件FEMAG进行蓝宝石晶体生长模拟的方法专选课件
CONFIDENTIAL
Sapphire Simulation Objective
➢ The market of Sapphire is experiencing a very fast growth rate and become very competitive ➢Many companies invest in simulation software in order to reinforce their positions ➢ HEM, Czochralski and Kyropoulos process require optimization and a good understanding ➢ Strong need for efficient numerical tools. ➢ Radiation effects in the participating crystal and melt is a complex problem.
▪ A dynamic simulation tool ▪ Complete process simulation ▪ Dynamic effect of interface deformation ▪ Varying processing conditions
CONFIDENTIAL
Sapphire Crystal Growth Simulation
利用晶体生长模拟软件FEMAG进行蓝宝石晶体生长模拟 的方法
Content ➢ General introduction ➢ Sapphire Growth
CONFIDENTIAL
Introduction
For more than 25 years, FEMAGSoft develops simulation software dedicated to the research and development of optimal crystal growth processes. 1984 First research on Germanium growth in University of Louvain.

利用晶体生长软FEMAG对蓝宝石晶体生长的仿真计算方法

利用晶体生长软FEMAG对蓝宝石晶体生长的仿真计算方法

CON整F理ID课EN件TIAL
Dynamic simulations
A dynamic simulation tool Complete process simulation Dynamic effect of interface deformation Varying processing conditions
Page ▪ 11
CON整F理ID课EN件TIAL
Global simulations
No simplification of the process conditions
Page ▪ 12
HEM Furnace for Sapphire
Czochralski Furnace for Silicon
FEMAG-CZ/OX
CZ process with Induction Heating system
Page ▪ 20
Temperature in the crystal and in the melt
CON整F理ID课EN件TIAL
FEMAG-CZ/OX
The interface shape and position is a result of the simulation
Specifications: - Temperature in the sapphire and in all furnace components by solving the
global heat transfer in the furnace (radiation, conduction , convection). - Flow velocity in the sapphire liquid phase. - Crystallization front shape - Ohmic and Induction Heating - Advanced radiation heat transfer in the sapphire - Gas convection - Anisotropic thermal stresses in the crystal
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FEMAG晶体生长计算软件
FEMAG-CZ - Czochralski Crystal Growth Simulation
by FEMAGSoft
FEMAG-CZ is a global crystal growth simulation software taking into account the furnace geometry, the materials and the operating conditions in order to provide the user with all the information required for his process development and optimization.
Global heat transfer, Thermo-elastic stresses, Defect prediction, Melt flow and Heater power.
Features
∙» Evolution of the solid/liquid interface shape (dynamic simulation)
∙» Thermal gradients in the liquid and solid phase
∙» Heat fluxes in the overall furnace
∙» Thermal-stresses in the crystal and hotzone components
∙» Continuous feeding
∙» Species (dopants and impurities) segregation and concentration
∙» Magnetic fields
Supported Languages:English
Supported Technologies
Operating Systems:Linux
Programming Languages:C/C++
Product Type(s):Software
Additional Product Information
FEMAG family products provide so-called ''global calculations'' , meaning that all the constituents of the furnace are taken into account, together with all heat transfer modes within and between them (conduction, convection and radiation). The modelling of conduction includes the possibility of temperature-dependent and anisotropic conductivity. The modelling of radiative heat exchanges assumes diffuse radiation and can take into account semi-transparent materials through wavelength-dependent radiative properties.
The flow in the melt phase can be modelized by a laminar and/or turbulent model. It takes into account natural convection, due to temperature-dependent density and surface tension, and forced convection due to crystal, crucible and/or polycrystal - in case of the FZ process - rotations, possibly under the influence of a magnetic field (axial, cusp, rotating or transverse). Melt flow calculation also considers the effect of gas flow and of tangential forces due to induction (if any) on melt surface.
The flow in the gas phase, as a result of an imposed flow rate at gas inlet and of temperature-dependent density, can be modelized by a laminar or a turbulent model.
The heating of the process is modelized: ohmic heaters (one or several, coupled or independent) or inductors. In the case of multiple heaters, the user has the possibility to control the heating powers by imposing a specific temperature at given control points.
The shapes of interfaces and free-surfaces of the system are calculated. The solidification front and melting front - in case of the FZ process - shapes are calculated taking into account heat dissipation (or absorption) proportional to the growth rate. The melt/gas interface is calculated, as a result of a balance of surface tension, gravity and normal forces due to induction (for the FZ process), providing an accurate meniscus shape.
The processes can be modelized by a quasi-steady or by a time-dependent model. The quasi-steady model takes into account the effect of growth rate on heat transfer while assuming a fixed position for all constituents. The time-dependent model considers a geometry that evolves due to crystal lengthening and melt shrinking. It also takes into account the transient effects due to the thermal inertia of all constituents, and due to the inertia of the solidification front shape.
Global heat transfer. Temperature isolines are separated by 50 K.。