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CAE.CFD.FEA

CGSim v12 --- 融液および溶液からの結晶成長解析　

CGSim STR simulation 結晶成長シミュレーション半導体結晶光学結晶温度分布融液/ガス対流分布結晶界面形状結晶内熱応力分布不純物濃度分布点欠陥濃度分布

cadcamaec@protonmail.com2022-09-09CAE.CFD.FEA174

成長法:Cz,MCz,LEC,Brigdman,DS,Kyropoulos,EFG,HEM,Flux,Amonothermalなど結晶種:Si,Al2O3,CaF2,

CGSimは融液、及び溶液からのバルク結晶成長(半導体結晶、光学結晶)の開発、及び最適化のために開発されたシミュレーションソフトウェアです。

通常では測定することが難しいリアクター内の結晶成長プロセス(温度分布、融液/ガス対流分布、結晶界面形状、結晶内熱応力分布、不純物濃度分布、点欠陥濃度分布等)をシミュレーションにより再現する事でリアクター形状、プロセス条件、結晶品質の最適化に利用することが出来ます。

CGSimはプリ、ソルバー、ポスト用ソフトウェアが一つにまとめられた基本パッケージ(CGSim 2D Package)とアドオンモジュール(3D Flow Module)で構成されており、熱流体解析をベースに2次元軸対称モデル(CGSim 2D Package)、及び3次元回転体モデル（3D Flow Module）の定常、及び非定常解析を行うことができます。

■ソフトウェア機能

CGSimは、融液、及び溶液からのバルク結晶成長プロセスを支配している物理現象を計算モデルとして実装しており、温度分布、対流パターン、不純物濃度分布、熱応力分布等の結晶成長の最適化において重要な物理量を求める事が出来ます。

[計算モデル]

CGSimでは、以下の様なリアクター内で起こっている物理現象をモデルとして実装しています。

・熱輻射（Surface to Surface 、DOM法（内部輻射））、熱伝導、対流伝熱
・融液内自然対流、強制対流（坩堝・結晶の回転効果）
・ガス、融液における乱流 (等方性、異方性)
・融液メニスカス形状の自動作成
・抵抗加熱、または誘導加熱による加熱
・誘導加熱（RF加熱）の際の融液内でのローレンツ力の発生と対流への影響
・光学結晶内部での光の吸収、屈折、散乱
・結晶界面形状の変形、移動
・気相中、表面での化学反応（不純物、ドーパントの生成、輸送、偏析）
・融液中でのパーティクル生成、結晶への取込
・磁場印加による融液対流の抑制（水平磁場、垂直磁場、カスプ磁場、回転磁場）
・結晶内熱応力（転位発生と残留応力の考慮）の発生
・シリコン結晶中の点欠陥（原子空孔、格子間原子）の発生と輸送 (Cz-Silicon)
・シリコン結晶におけるボイド、及び酸素原子のクラスター化 (Cz-Silicon)
・Fluxの種類、添加量に応じた溶液物性の予測 (Flux-SiC)
・Fluxの種類、添加量に応じたChemical Model(炭素溶解度の予測) (Flux-SiC)


図3. 3次元 Cz法シリコン成長解析結晶及び融液の温度分布	図4. 2次元DS法多結晶シリコン成長解析リアクター全体の温度分布

[出力結果]

CGSimでは、以下の様な計算結果を出力する事が可能です。

・温度分布、温度勾配、発熱分布
・対流パターン (融液、ガス)
・不純物、ドーパント濃度分布(質量分率、数密度)
・磁場強度分布
・各応力分布(ミゼス応力、主応力、せん断応力)
・結晶内転位密度分布
・ローレンツ力分布
・誘導コイルによるジュール発熱分布
・原子空孔、格子間原子濃度分布
・ボイド密度、酸素析出密度
・Voronkovパラメータ(V/G ：結晶成長速度 vs 温度勾配の比)
・ヒーターパワー電力量
・基板、及び寄生成長壁面における成長速度分布 (溶液成長：Flux法)


図5. 3次元Cz法サファイア成長解析結晶、及び融液内の温度分布、対流パターン	図6. CGSim内蔵のChemical Modelスキーム

[最適化]

CGSimを使用することにより、以下の様な最適化を行うことが可能です。

・リアクター形状設計の最適化
・プロセスレシピ(ヒーターパワープロファイル等)の最適化
・結晶成長速度の増加
・電力消費量の低減
・パージガス対流による不純物パージ効率の向上
・融液内酸素輸送の制御による結晶品質の向上
・結晶内ドーパント濃度の制御による結晶品質の向上
・結晶ねじれ現象の回避
・クラック発生の回避
・結晶内熱応力の低減
・磁場印加による融液内対流制御の最適化
・Voronkovパラメータ(V/G比)コントロールによる結晶欠陥発生の抑制（単結晶シリコン）


図7. サファイア結晶内の　(左)転位密度分布、(右)残留(ミゼス)応力分布	図8. フラックス法　SiC結晶成長解析 (左)SiC成長メカニズム、(右)温度分布


図9. 水平磁場を印加した融液内の酸素質量分率分布	図10. ローレンツ力の発生を考慮したVB法によるGaAs結晶の流れ場解析 (左)流速分布、(右)ローレンツ力分布

■ユーザーインターフェース

CGSim は、シミュレーションの経験がない方にも分かりやすいグラフィカルユーザインターフェース(GUI)を用意しています。
使用者はリアクター構造（形状）、計算条件の設定、計算格子の自動作成・調節、物性値の変更、計算の実行の一連の作業を一つのGUIで行うことが出来ます。形状に関しては、AutoCADのデータ（dxf形式）として読み込む事も可能です。また、可視化専用ソフトウェアCGSimView、 2DViewを用い計算結果の可視化（2D物理量分布、ラインプローブ、アニメーション作成等）を行うことが出来ます。