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《晶體生長建模軟件FEMAG-藍寶石晶體生長數(shù)值模擬方案.doc》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫。
1、藍寶石晶體生長數(shù)值模擬方案藍寶石晶體生長數(shù)值模擬方案一、工業(yè)藍寶石晶體生長現(xiàn)狀藍寶石以其晶瑩剔透的美麗顏色，自古就被蒙上神秘的超自然的色彩。在現(xiàn)代人眼中，藍寶石也是被大眾所喜愛的珍貴裝飾物。在工業(yè)上，藍寶石是除金剛石以外，硬度最高的天然材料，而且耐磨、透光性好，具有多種光學、機械、電氣、熱以及化學特性，因此還被廣泛應(yīng)用于工業(yè)等多種領(lǐng)域。藍寶石不僅是軍用車輛透明裝甲的材料，也是下一代手機等電子產(chǎn)品屏幕，LED等電子器件和襯底的主要材料。用藍寶石制成的手機屏幕，除了金剛石以外，任何其他天然物品都無法對其造成破壞和磨損，因此藍寶石屏號稱“永不磨損”的屏幕。
2、藍寶石工業(yè)價值很高，可以通過人工生長的方法來獲取。工業(yè)上常用的藍寶石晶體熔體生長方法有直拉法，泡生法，熱交換法等。從工藝角度來看，藍寶石晶體生長涉及到流體，傳熱，傳質(zhì)等綜合物理過程，生產(chǎn)大尺寸藍寶石晶體的生長周期長，工藝復雜，而且原材料純度、處理狀態(tài)、制備工藝參數(shù)等對晶體質(zhì)量影響較大，因此晶體生長的成品率不高，對工藝控制的要求很高。如何低成本、高質(zhì)量地生長大尺寸藍寶石單晶已成為當前面臨的迫切任務(wù)。泡生法是目前最常用的生長藍寶石單晶的方法，具有溫度梯度小、晶體與坩堝不接觸等特點。但生長的藍寶石晶體常含有位錯、氣泡、包裹物、裂隙等缺陷，大大降低了晶體的利
3、用率。因此，如何低成本、高質(zhì)量地生長大尺寸藍寶石單晶，成為當前企業(yè)和研究者們關(guān)注的重點。二、數(shù)值模擬的優(yōu)勢傳統(tǒng)改進工藝，提高效益的做法是針對不同工藝參數(shù)生長出晶體進行詳細的性能測試和微觀組織結(jié)構(gòu)分析，在此基礎(chǔ)上給出進一步改進的工藝參數(shù)和技術(shù)優(yōu)化措施，并開始下一輪次的晶體生長，來達到不斷修改和優(yōu)化工藝，獲得高質(zhì)量晶體材料的目的?？梢?，對于復雜的工藝和難以控制的參數(shù)，這樣改進和優(yōu)化的做法大大拖延了研究生產(chǎn)周期，而且需要耗費巨大的人力物力。隨著高速計算機的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬方法已經(jīng)發(fā)展成為解決實際問題或輔助實際生產(chǎn)的一種重要手段。特別是對于生長藍寶石晶體等
4、復雜的工藝，借助數(shù)值模擬的方法來幫助分析可以最大程度的提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本。三、FEMAG數(shù)值模擬方案FEMAG軟件是一套專業(yè)的晶體生長模擬軟件，其中FEMAG/CZ軟件是針對直拉法（Cz）而開發(fā)的專用軟件，該軟件致力于為直拉法晶體生長技術(shù)和工藝提供專業(yè)的仿真模擬與數(shù)據(jù)分析，F(xiàn)EMAG/CZ/OX軟件可以用于泡生法的模擬，能夠完美分析泡生法生長藍寶石的過程。FEMAG軟件可以實現(xiàn)包括熱場，流場，磁場等在內(nèi)的多物理場耦合過程的分析，能夠分析藍寶石晶體缺陷，輔助藍寶石生長工藝優(yōu)化等，最大程度地為您或您的企業(yè)提供可靠的仿真數(shù)據(jù)和優(yōu)化方案
5、。1、FEMAG/CZ/OX的技術(shù)案例（1）全局熱場模擬爐體設(shè)計對泡生法、直拉法而言，爐體的溫度梯度是影響晶體生長質(zhì)量最關(guān)鍵的因素之一。爐體熱場的合理設(shè)計，能夠減少能耗，提高晶體的生長質(zhì)量。FEMAG軟件能具有先進的分析算法，夠?qū)崿F(xiàn)爐體全局熱場的模擬、加熱器功率的分析以及爐體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計等。下圖是以直拉法為例，爐體的結(jié)構(gòu)設(shè)計與對應(yīng)的熱場模擬如圖1所示。圖1直拉法爐體設(shè)計以及對應(yīng)的爐體溫度場示意圖（2）熱場流場的分析FEMAG具有熱場、流場的耦合分析功能，能夠?qū)崿F(xiàn)全局的熱場以及流場分布分析。圖2案例是直拉法生長藍寶石熱場以及流場模擬的示意圖。圖3案例
6、是泡生法生長藍寶石的熱場以及流場模擬結(jié)果。圖2直拉法生長藍寶石熱場流場圖3泡生法生長藍寶石熱場流場FEMAG軟件的算法支持高級的傳熱模式。例如支持對藍寶石晶體生長很關(guān)鍵的輻射傳熱，使得FEMAG可以修正傳統(tǒng)的傳熱模型，提高模擬的精度。下面給出的是用準穩(wěn)態(tài)方法模擬直拉法生長40mm藍寶石的案例，材料參數(shù)設(shè)置如圖4所示，模擬考慮了輻射傳熱。圖5分別是爐體溫度場分布，以及對應(yīng)的生長區(qū)域內(nèi)熔體和晶體的溫度場以及熔體的流場分布。圖6是速度矢量分量圖，可以清楚的看到熔體和晶體在提拉生長的整個過程中運動情況。圖4FEMAG/CZ藍寶石前處理的材料參數(shù)設(shè)置圖5爐體熱
7、場（上）和晶體生長區(qū)域熱場流場分布（下）圖6生長階段速度矢量分量分別在熔體或者晶體中考慮輻射傳熱邊界，分析熱場與流場并進行對比，可以得到不同的熱場與流場結(jié)果?？紤]了輻射傳熱邊界，熱場、流場的模擬結(jié)果更精確。圖7熱場模擬；a不考慮熱輻射，b只考慮熔體熱輻射，c只考慮晶體熱輻射，d同時考慮熔體與晶體熱輻射圖7流場模擬；a不考慮熱輻射，b只考慮熔體熱輻射c只考慮晶體熱輻射，d同時考慮熔體與晶體熱輻射（3）先進的網(wǎng)格劃分策略FEMAG/CZ支持對晶體生長爐全局的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自動生成，同時還針對了磁場作用下磁流體邊界層效應(yīng)，復雜流動邊界層效應(yīng)等情況，F(xiàn)EMAG特
8、別提供了對BLM邊界層網(wǎng)格自動劃分的支持，能夠很好的適應(yīng)復雜的結(jié)構(gòu)和邊界物理流動層。圖8（a）整個爐體的非結(jié)
