CGSim

融液と溶液からの結晶成長解析

Modeling of crystal growth from the melt and solution

リリースノート

Ver.23.1をリリースしました。

主な新機能・改善点

  • インストールフォルダ内の改善
  • Senselockドングルのトラブルに関するFAQのリリース
  • SiC溶液成長とGaN溶液成長のChemical Modelの改良
  • 旧バージョンで作成した計算モデルを使用した際のリスタート計算に関する不具合の修正
  • MPIとOpen MPIによる並列計算を実施した際の計算に関する不具合の修正
  • 旧バージョンで作成した計算モデルを使用した計算結果の Cut 3D tool 動作の修正

製品概要

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。以下に、ソフトウェアの構成と関係図を示します。(図1)

図1. CGSimパッケージの構成と関係図

製品特徴

①成長方法及び結晶種

CGSimは多種のバルク成長法、結晶種 (半導体結晶、半透過光学結晶、III-V属化合物結晶) の解析に対応しています。以下がCGSimで実績のある成長法と結晶種のリストです。

図2. 実績のある成長法と結晶種リスト
成長法 結晶種
Cz法 (チョクラルスキー法) Si (シリコン) Al2O3 (サファイア) CaF2 (フッ化カルシウム) Ge (ゲルマニウム) Csl (ヨウ化セシウム) Ga2O3 (酸化ガリウム) YAG (イットリウム・アルミ・ガーネット) GGG (ガリウム・ガドリニウム・ガーネット) BGO(ビスマス・ゲルマニウム・オキサイド) LNO (ニオブ酸リチウム) LTO (タンタル酸リチウム)
MCz法 (磁場印加チョクラルスキー法)
※水平磁場 (横磁場)
※垂直磁場 (縦磁場)
※カスプ磁場 		Si (シリコン)
LEC法 (液体封止チョクラルスキー法)
※B2O3 (酸化ホウ素) 等の封止材を使用 		InP (インジウムリン) GaAs (ヒ化ガリウム) Ge (ゲルマニウム)
VCz法 (蒸気圧制御チョクラルスキー法) Si (シリコン)
Ky法 (キロボーラス法) Al2O3 (サファイア)
VB法 (垂直ブリッジマン法) Al2O3 (サファイア) CaF2 (フッ化カルシウム) GaAs (ヒ化ガリウム) CdTe (テルル化カドミウム) Ga2O3 (酸化ガリウム)
VGF法 (垂直温度勾配凝固法) Al2O3 (サファイア) CaF2 (フッ化カルシウム) GaAs (ヒ化ガリウム) Ga2O3 (酸化ガリウム)
DS法 (一方向凝固法) m-Si (多結晶シリコン)
THM (移動ヒーター法) CdTe (テルル化カドミウム)
アモノサーマル法 GaN (窒化ガリウム)
水熱合成法 SiO2 (石英)
HEM (熱交換法) Al2O3 (サファイア)
EFG法 (縁端限定成長法) Al2O3 (サファイア) Ga2O3 (酸化ガリウム)
Fz法 (フローティングゾーン法) Si (シリコン)
Flux法 (溶液成長法) SiC (シリコンカーバイド) GaN (窒化ガリウム) ダイヤモンド

②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-GaN)
  • Fluxの種類、添加量に応じたChemical Model (炭素溶解度の予測) (Flux-SiC) 、 (窒素溶解度の予測) (Flux-GaN)
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

③ユーザーインターフェイス

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。

図11. 計算格子作成画面
図12. 2DView可視化処理画面

動作環境

計算条件設定GUI、各モジュールソルバー、計算結果可視化ツールはWindowsに限定されます。
(動作保障OS：Windows10、Windows11)

※3D Flow Module並列版のソルバーのみLinux限定 (SUSE, RedHat) で稼働します。

2次元計算用の推奨ハードウェア構成

・(CGSim 2D Package)

CPU :
Intel Core i7 processor or higher
RAM :
8GB RAM or higher
Display :
1920 x 1080 or higher
Video card :
support of Open GL 3.1 and higher

3次元計算用の推奨ハードウェア構成

・(3D Flow Module)

CPU :
i9-10940X, i9-10920X
or Intel Xeon E processor with 8 or more cores
RAM :
8x16GB DDR4-2933 = 128GB
SSD :
512GB (For OS)
HDD :
1TB (For calculation Results)
Display :
1920 x 1080 or higher
Video card :
support of Open GL 3.1 and higher

※推奨ハードウェア構成は解析対象により異なります。解析対象に即したハードウェア構成を提案いたしますのでお気軽にお問い合わせください。