材料仿真軟件用于晶硅生長(zhǎng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的探索

摘 要：通過使用模擬軟件，解決了實(shí)訓(xùn)中學(xué)生操作不規(guī)范性，參數(shù)設(shè)置不恰當(dāng)，設(shè)備選型盲目，性能檢測(cè)麻煩等問題，軟件以其零成本，可操作性強(qiáng)，界面友好，功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)訓(xùn)過程中可以激發(fā)學(xué)生的求知欲和興趣，起到了很好的輔助教學(xué)作用，提升了實(shí)訓(xùn)效果。

關(guān)鍵詞：晶硅生長(zhǎng);FEMAG;網(wǎng)格剖分;溫度場(chǎng)分布

1 晶硅生長(zhǎng)實(shí)訓(xùn)中遇到的困難

晶硅生長(zhǎng)是一個(gè)復(fù)雜的過程，其形核生長(zhǎng)是微觀的過程，不易觀察，單晶生長(zhǎng)是非均勻形核生長(zhǎng)過程，原子在固液界面堆積，在二維表面成核，再側(cè)向?qū)訝钌L(zhǎng)，涉及傳熱，傳質(zhì)，磁場(chǎng)，流體，熱應(yīng)力等多物理場(chǎng)，以及時(shí)間空間的多尺度，還有相變，材料參數(shù)變動(dòng)，熔體流動(dòng)等摻在一起的非線性過程，實(shí)訓(xùn)的目的是從直觀感性的角度來驗(yàn)證和理解理論，以及很好的操控整個(gè)長(zhǎng)晶過程，學(xué)生除了動(dòng)手裝料，安裝設(shè)備，制定工藝參數(shù)，分段觀察檢測(cè)，最終目的要對(duì)晶硅的質(zhì)量負(fù)責(zé)，由于此過程周期長(zhǎng)，耗能多，生長(zhǎng)過程不直觀，憑借經(jīng)驗(yàn)不能保證長(zhǎng)晶過程完善，一旦失敗，成本太高。

2 仿真軟件的特點(diǎn)和軟件作用

選用FEMAG軟件，軟件通過多物理場(chǎng)耦合全局有限元分析，并使用高效的流體力學(xué)求解器來處理非線性過程，能夠?qū)Ч璧淖罱K質(zhì)量指標(biāo)化，從而不需要真實(shí)生長(zhǎng)單晶，即可從設(shè)定條件模擬出產(chǎn)品，并對(duì)界面，溫度梯度，缺陷分布，速度場(chǎng)等給出全面結(jié)果，通過渲染軟件，使其三維可見，可以零成本對(duì)晶硅質(zhì)量進(jìn)行預(yù)判，并對(duì)熱屏形狀材料位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)保溫層和多加熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠有效控制熱應(yīng)力，氧碳含量，摻雜物濃度，缺陷，成本，壽命，對(duì)能耗，氣耗，物耗進(jìn)行計(jì)算和控制，在win7下32位即可運(yùn)行，內(nèi)存占用少，準(zhǔn)確率高達(dá)95%以上。

3 設(shè)置完整合理參數(shù)利用軟件出結(jié)果的做法

軟件分為前處理，計(jì)算，后處理三個(gè)模塊，其重點(diǎn)是前處理中按照實(shí)際生長(zhǎng)情形進(jìn)行參數(shù)設(shè)置輸入，所以影響熱場(chǎng)，影響固液界面溫度梯度的因素都要考慮到，分幾個(gè)部分分別設(shè)置，包括幾何條件、物理?xiàng)l件、操作條件。具體來說，考慮因素是比較全面的，包括爐體內(nèi)外的幾何建模、晶體形狀、可動(dòng)邊、內(nèi)部部件的位置幾何、轉(zhuǎn)速、提速、投料量、液體高度、晶體高度、液面高度、氣體材料、出口、入口、流速、流量、功率參照、外界環(huán)境、導(dǎo)熱系數(shù)、三相控制點(diǎn)位置、邊界溫度、傳熱。保證收斂是最重要的，實(shí)訓(xùn)中為了少化時(shí)間在收斂參數(shù)的探索上，以一個(gè)收斂的簡(jiǎn)單模擬態(tài)為例，首先，在桌面創(chuàng)建一個(gè)文件夾，重命名為字母和數(shù)字的組合，打開FEMAG軟件，點(diǎn)開open current directory。在Operating Conditions中設(shè)定參數(shù)，第一個(gè)窗口第一個(gè)選項(xiàng)設(shè)為027，Total load mass設(shè)為7，要設(shè)一個(gè)轉(zhuǎn)速例如5，拉速0.1，轉(zhuǎn)速10，-10注意相反，下一個(gè)設(shè)為0.5。在Deformable sides中，輸入22 23.可動(dòng)邊。CryGeo打開，保存。當(dāng)出現(xiàn)文件沒有保存對(duì)話框時(shí)，要在菜單欄文件菜單打開ini文件即可，點(diǎn)擊SetMesh，先菜單打開點(diǎn)全局，然后工具欄彎液面計(jì)算1D2D網(wǎng)格剖分，結(jié)果如圖1.點(diǎn)擊wxCregeo進(jìn)行物理設(shè)定。對(duì)test36，test37選定（按住shuift鍵進(jìn)行選定），材料設(shè)好后，功率設(shè)為10000W，下面63W，調(diào)整式，OK后就跳到上面了。下面三個(gè)框，第一個(gè)框點(diǎn)開后一定要設(shè)置氣體出口的位置選3流量熱交換系數(shù)，第二個(gè)框默認(rèn)，下拉列表選mc，控制點(diǎn)選3，溫度設(shè)為1685，直接點(diǎn)OK。先輸出，后保存。參照以上基準(zhǔn)，改變的參數(shù)只要滿足自洽，則肯定會(huì)收斂出結(jié)果。

4 結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際參數(shù)設(shè)置的分析

利用生成的數(shù)據(jù)表格和三維圖可以分析形成晶硅的諸多性能，據(jù)此反饋于前述的工藝參數(shù)調(diào)整，設(shè)備的配置和調(diào)整，其中固液界面形狀是關(guān)鍵，總體對(duì)熱場(chǎng)的要求是縱向溫度梯度足夠大，但不宜過大，徑向溫度梯度盡可能小，界面接近平坦，調(diào)整的重點(diǎn)是拉速溫度曲線的編制，氣體通入口，流速流量，對(duì)流，以及爐內(nèi)添加物，還可以加入外磁場(chǎng)進(jìn)行干預(yù)，氣體出口入口選擇，以及流速流量參數(shù)設(shè)定，通過模擬可以快速出結(jié)果，具體設(shè)置考慮氣體影響的話，在計(jì)算界面下WXFEMAG的SIMULTION下點(diǎn)開氣體影響按鈕勾選激活即可計(jì)算，前提是進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，回到GEOTO，打開SETMESH，右鍵e01創(chuàng)建2De01gas，重新進(jìn)行網(wǎng)格剖分，保存，提示材料設(shè)置，選Ar氣，重回cregeo，點(diǎn)開gas，flow，model輸入出口進(jìn)口的編號(hào)23 24考查圖中可知編號(hào)，下面左邊點(diǎn)開通量0.03氣壓0.015ba，右邊默認(rèn)，在計(jì)算頁面下改小容差因子可以更快。其他影響例如磁場(chǎng)也類似可以激活后添加。從二維圖圖2可知，上通氣下出氣通量0.03時(shí)有利于穩(wěn)定熱場(chǎng)的形成。

5 為了更快更好的出結(jié)果，有些因素值得注意

（1）網(wǎng)格剖分不能一刀切，要1D，2D分別設(shè)置，ME部分要細(xì)些，彎液面處更細(xì)，其他為大三角。（2）容差因子，在后處理結(jié)果選項(xiàng)上面把值調(diào)小，可以節(jié)省電腦運(yùn)行時(shí)間。（3）導(dǎo)入CAD圖，要導(dǎo)入fur文件要注意匹配性，CAD中有重合的曲線不能直接用，點(diǎn)英文狀態(tài)可以調(diào)整拖動(dòng)。（4）paraview渲染比plot要方便一些，界面調(diào)整更簡(jiǎn)單。（5）功率預(yù)測(cè)結(jié)果在輸出result界面，但設(shè)置時(shí)要點(diǎn)選ABJUCT調(diào)整按鈕，輸入功率值為參考值。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃有志，等.直拉單晶硅工藝技術(shù)[D].第一版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013，5：10.

[2]http：//femag.cntech.com.cn http：//www.femagsoft.com.

作者簡(jiǎn)介：徐立波（1971-），男，江蘇常州人，講師，研究方向：光伏材料及應(yīng)用。