CGSim 软件(Crystal Growth Simulator)是一款采用有限元法的专业用于模拟提拉法（CZ）、液封直拉法（LEC）、 蒸汽压力控制提拉法（VCZ），泡生法（Ky），定向凝固法（DS），布里奇曼法晶体 生长和助熔剂法生长、半导体和半透明的晶体生长及解决方案的晶体生长模拟软件。

CGSim 软件可以通过对实际晶体生长过程和工艺的重现来协助进行晶体生长过程当中的工艺优化、热场改造等方向，帮助用户优化生长工艺，提高晶体质量。

其中 CGSim 软件包含以下几个基本模块：CGSim 基本模块，缺陷模块，三维流动模块，动态直拉模块， 以及用于观察模拟结果的可视化软件工具 View 2D 和 CGSim Viewer。

(1).CGSim 基本模块

CGSim 软件基本功能如下：

1. 适合垂直布里奇曼（VB）和垂直梯度凝固（VGF）晶体生长过程；

2. 采用有限体积法；

3. 可以进行晶体生长的动态模拟；

4. 可以模拟相变过程；

5. 能进行单晶生长全局热场仿真，包括整个体系内的热传导，对流和热辐射效应；

6. 二维轴对称稳态和非稳态模拟；

7. 透明和半透明介质中辐射热传递；

8. 导热热传递；

9. 感应射频加热器包括移动射频线圈和传感器的计算；

10. 熔体和气体中耦合对流热交换；

11. 不同湍流模型；

12. 加热器功率调整，以提供所需的结晶速率或参考点的温度；

13. 通过标量变量的通量计算结晶速率；

14. 固液界面几何形状的计算；

15. 不同晶体位置的几何结构的自动重建；

16. 材料各向异性特性模型；

17. 标量输运模拟，特别是杂质输运和分凝；

18. 非稳态情况下的回融和重结晶；

19. 非稳态模型基础上的晶体生长速度、加热器功率或参考温度随时间的变化工艺；

20. 非稳态模型基础上的生长速度、加热器功率或晶体高度的参考温度的变化关系；

21. 模拟Si、SiC、GaN、Ga2O3、Sapphine生长中的化学反应；

22. 可以灵活调节加热功率设置及固液界面形状的修正；

23. 不同网格计算的重新启动；

24. 获得灵活多变的数据输出；

25. 可以设置监测点；

26. 设置随时间变化的材料性能和工艺参数；

27. 模拟交流（或/和直流）的磁场产生和计算洛伦兹力对熔体流动的影响；

28. 模拟热弹性应力；

29. 位错的形成和累积、热应力的释放、残余应力的形成；

30.提供多种典型的生长工艺供选择；

31. 结果可视化工具：CGSim Viewer和View 2D；

CGSim 软件工作流程包括以下几个阶段：

1. 生长系统几何图形的构建；

2. 材料性能设置；

3. 网格生成；

4. 边界条件设置；

5. 求解问题设置；

6. 计算过程；

7. 结果可视化；

用户只需了解和操作用户界面，不需要特殊的计算能力。软件所有的设置和计算步骤都是高度自动化集成，可尽量减少用户的时间和精力。

(2).CGSim 缺陷模块

缺陷模块可以分析以下几个方面：

1. 热弹性应力的分布；

2. 初始缺陷，如硅晶体中的填隙缺陷和空位缺陷；

3. 硅晶体中的团簇（空位和氧）；

(3).CGSim 三维流动模块（Flow Module 3D)

流动模块是用于三维或二维对结晶区域包括熔体、晶体、坩埚、气体或液封层区域湍流和层流的分析。流动模块有针对半透明介质耦合的二维轴对称的辐射传热分析方法。

该模块允许用户模拟以下几类：

1. 热传导；

2. 透明和半透明介质中辐射传热；

3. 层流流动；

4. 湍流流动；

5. 非稳态流动；

6. 预测固液界面形状；

7. 磁场的影响；

8. 杂质运输、扩散和分凝；

9. 应力计算；

10. 结晶过程的非稳态生长；

(4).CGSim 动态直拉模块(CZ Dynamics）

动态直拉模块可以模拟非稳态直拉晶体的生长过程，它可以考虑从放肩到收尾整体或局部的晶体生长阶段。根据软件自动构建的网格进行计算，CGSim用户可用该模块研究加热器功率变化对固液界面形状和温度梯度的影响。

(5).CGSim 软件的结果可视化

下面是CGSim软件适用的主要晶体生长工艺：

一、CZ 法

Cz 法（提拉法）是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体在固液界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而长出单晶。

使用CGSim软件有助于提高晶体质量；精确控制氧、碳浓度；均匀掺杂剂分布；计算少数载流子寿命：OSF环、缺陷等优势。并且软件的模拟功能会根据客户的要求定期更新。

①.CGSim Cz Si：电子级Cz硅晶体生长的计算建模与优化

（案例：200mm CZ Si晶体生长）

二、DS 法                                                                                                               

DS法（定向凝固法）是指使金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。定向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着热流相反方向，按要求的结晶方向进行凝固铸造的工艺。它能大幅度地提高高温合金综合性能。

②.DS法 Cz硅晶体生长的建模与优化

三、VGF 法  

VGF法（垂直梯度凝固法）

VGF 法（垂直梯度凝固法）是将装有物料的容器垂直放置于炉中设定的温度梯度处，物料全熔后，从底部缓慢结晶并延续到顶部的晶体生长方法。

VGF 法工艺优化的方向：

1）.提高晶体质量：保持单晶结构、减小EPD、控制掺杂浓度；

2）.增加产量和节约生产成本：控制孪晶的形成、优化加热和冷却阶段、减少电能的消耗；

3）.研发新的工艺：直径大，重量大

③.GaAs 和 InP 晶体的 VGF/VB 法晶体生长的计算机模拟与优化

四、TSSG 法   

TSSG法（顶部籽晶液相生长法）是晶体生长提拉技术与助溶剂生长的方法。该方法通常在高温溶液中生长碳化硅，产生的错位密度低于其他方法。

在此基础上，CGSim软件可以模拟射频加热、洛伦兹力、溶液和气体流动，包括加速坩埚旋转技术（ACRT）、应力和位错的计算。

CGSim软件可以为用户提供一些成熟的化学模型，包括些常见的金属溶剂（Me）：Cr、Ti、Al、Fe。用户可以选用金属溶剂，并指定初始的溶液组分。化学边界条件是软件可以自动计算的。化学模型可以考虑坩埚的溶解，以及自动计算熔体的物理性质。通过计算结果可以得到碳化硅的生长速率、坩埚的溶解速率和沉积速率。

④.通过TSSG法从溶液中模拟碳化硅生长

五、其他生长方法                                                                                                      

1).VB法

VB法又称坩埚下降法，是上世纪80年代末开始发展起来的一种从熔体中生长晶体的工艺。将晶体生长所需材料置于圆柱型的坩埚中，缓慢地下降，并通过一个具有一定温度梯度的加热炉，将炉温控制在略高于材料的熔点附近。根据材料的性质及加热器件可以选用电阻炉或高频炉。

在通过加热区域时，坩埚中的材料被熔融，当坩埚持续下降时，坩埚底部的温度先下降到熔点以下，并开始结晶。晶体随坩埚下降而持续长大。该方法可采用全封闭或半封闭的坩埚，成分容易控制；由于该法生长的晶体留在坩埚中，因而适于生长大块晶体，也可以一炉同时生长几块晶体。另外由于工艺条件容易掌握，易于实现程序化、自动化。

2).凯氏长晶法(Kyropoulos method),简称KY法，又称之为泡生法。

与柴氏拉晶法(Czochralskimethod)类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再以单晶的晶种(Seed Crystal，又称籽晶棒)接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶，晶种以极缓慢的速度往上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有旋转，仅以控制冷却速率的方式使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶碇。

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