晶体生长建模软件FEMAG-蓝宝石晶体生长数值模拟方案.doc

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1、蓝宝石晶体生长数值模拟方案蓝宝石晶体生长数值模拟方案一、工业蓝宝石晶体生长现状蓝宝石以其晶莹剔透的美丽颜色，自古就被蒙上神秘的超自然的色彩。在现代人眼中，蓝宝石也是被大众所喜爱的珍贵装饰物。在工业上，蓝宝石是除金刚石以外，硬度最高的天然材料，而且耐磨、透光性好，具有多种光学、机械、电气、热以及化学特性，因此还被广泛应用于工业等多种领域。蓝宝石不仅是军用车辆透明装甲的材料，也是下一代手机等电子产品屏幕，LED等电子器件和衬底的主要材料。用蓝宝石制成的手机屏幕，除了金刚石以外，任何其他天然物品都无法对其造成破坏和磨损，因此蓝宝石屏号称“永不磨损”的屏幕。

2、蓝宝石工业价值很高，可以通过人工生长的方法来获取。工业上常用的蓝宝石晶体熔体生长方法有直拉法，泡生法，热交换法等。从工艺角度来看，蓝宝石晶体生长涉及到流体，传热，传质等综合物理过程，生产大尺寸蓝宝石晶体的生长周期长，工艺复杂，而且原材料纯度、处理状态、制备工艺参数等对晶体质量影响较大，因此晶体生长的成品率不高，对工艺控制的要求很高。如何低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶已成为当前面临的迫切任务。泡生法是目前最常用的生长蓝宝石单晶的方法，具有温度梯度小、晶体与坩埚不接触等特点。但生长的蓝宝石晶体常含有位错、气泡、包裹物、裂隙等缺陷，大大降低了晶体的利

3、用率。因此，如何低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶，成为当前企业和研究者们关注的重点。二、数值模拟的优势传统改进工艺，提高效益的做法是针对不同工艺参数生长出晶体进行详细的性能测试和微观组织结构分析，在此基础上给出进一步改进的工艺参数和技术优化措施，并开始下一轮次的晶体生长，来达到不断修改和优化工艺，获得高质量晶体材料的目的。可见，对于复杂的工艺和难以控制的参数，这样改进和优化的做法大大拖延了研究生产周期，而且需要耗费巨大的人力物力。随着高速计算机的迅速发展，数值模拟方法已经发展成为解决实际问题或辅助实际生产的一种重要手段。特别是对于生长蓝宝石晶体等

4、复杂的工艺，借助数值模拟的方法来帮助分析可以最大程度的提高生产效率，优化产品质量，降低产品成本。三、FEMAG数值模拟方案FEMAG软件是一套专业的晶体生长模拟软件，其中FEMAG/CZ软件是针对直拉法（Cz）而开发的专用软件，该软件致力于为直拉法晶体生长技术和工艺提供专业的仿真模拟与数据分析，FEMAG/CZ/OX软件可以用于泡生法的模拟，能够完美分析泡生法生长蓝宝石的过程。FEMAG软件可以实现包括热场，流场，磁场等在内的多物理场耦合过程的分析，能够分析蓝宝石晶体缺陷，辅助蓝宝石生长工艺优化等，最大程度地为您或您的企业提供可靠的仿真数据和优化方案

5、。1、FEMAG/CZ/OX的技术案例（1）全局热场模拟炉体设计对泡生法、直拉法而言，炉体的温度梯度是影响晶体生长质量最关键的因素之一。炉体热场的合理设计，能够减少能耗，提高晶体的生长质量。FEMAG软件能具有先进的分析算法，够实现炉体全局热场的模拟、加热器功率的分析以及炉体结构的优化设计等。下图是以直拉法为例，炉体的结构设计与对应的热场模拟如图1所示。图1直拉法炉体设计以及对应的炉体温度场示意图（2）热场流场的分析FEMAG具有热场、流场的耦合分析功能，能够实现全局的热场以及流场分布分析。图2案例是直拉法生长蓝宝石热场以及流场模拟的示意图。图3案例

6、是泡生法生长蓝宝石的热场以及流场模拟结果。图2直拉法生长蓝宝石热场流场图3泡生法生长蓝宝石热场流场FEMAG软件的算法支持高级的传热模式。例如支持对蓝宝石晶体生长很关键的辐射传热，使得FEMAG可以修正传统的传热模型，提高模拟的精度。下面给出的是用准稳态方法模拟直拉法生长40mm蓝宝石的案例，材料参数设置如图4所示，模拟考虑了辐射传热。图5分别是炉体温度场分布，以及对应的生长区域内熔体和晶体的温度场以及熔体的流场分布。图6是速度矢量分量图，可以清楚的看到熔体和晶体在提拉生长的整个过程中运动情况。图4FEMAG/CZ蓝宝石前处理的材料参数设置图5炉体热

7、场（上）和晶体生长区域热场流场分布（下）图6生长阶段速度矢量分量分别在熔体或者晶体中考虑辐射传热边界，分析热场与流场并进行对比，可以得到不同的热场与流场结果。考虑了辐射传热边界，热场、流场的模拟结果更精确。图7热场模拟；a不考虑热辐射，b只考虑熔体热辐射，c只考虑晶体热辐射，d同时考虑熔体与晶体热辐射图7流场模拟；a不考虑热辐射，b只考虑熔体热辐射c只考虑晶体热辐射，d同时考虑熔体与晶体热辐射（3）先进的网格划分策略FEMAG/CZ支持对晶体生长炉全局的非结构网格自动生成，同时还针对了磁场作用下磁流体边界层效应，复杂流动边界层效应等情况，FEMAG特

8、别提供了对BLM边界层网格自动划分的支持，能够很好的适应复杂的结构和边界物理流动层。图8（a）整个炉体的非结