材料仿真軟件用于晶硅生長實訓教學的探索

摘 要：通過使用模擬軟件，解決了實訓中學生操作不規范性，參數設置不恰當，設備選型盲目，性能檢測麻煩等問題，軟件以其零成本，可操作性強，界面友好，功能強大的優點，在實訓過程中可以激發學生的求知欲和興趣，起到了很好的輔助教學作用，提升了實訓效果。

關鍵詞：晶硅生長;FEMAG;網格剖分;溫度場分布

1 晶硅生長實訓中遇到的困難

晶硅生長是一個復雜的過程，其形核生長是微觀的過程，不易觀察，單晶生長是非均勻形核生長過程，原子在固液界面堆積，在二維表面成核，再側向層狀生長，涉及傳熱，傳質，磁場，流體，熱應力等多物理場，以及時間空間的多尺度，還有相變，材料參數變動，熔體流動等摻在一起的非線性過程，實訓的目的是從直觀感性的角度來驗證和理解理論，以及很好的操控整個長晶過程，學生除了動手裝料，安裝設備，制定工藝參數，分段觀察檢測，最終目的要對晶硅的質量負責，由于此過程周期長，耗能多，生長過程不直觀，憑借經驗不能保證長晶過程完善，一旦失敗，成本太高。

2 仿真軟件的特點和軟件作用

選用FEMAG軟件，軟件通過多物理場耦合全局有限元分析，并使用高效的流體力學求解器來處理非線性過程，能夠對晶硅的最終質量指標化，從而不需要真實生長單晶，即可從設定條件模擬出產品，并對界面，溫度梯度，缺陷分布，速度場等給出全面結果，通過渲染軟件，使其三維可見，可以零成本對晶硅質量進行預判，并對熱屏形狀材料位置進行設計，對保溫層和多加熱器進行設計，能夠有效控制熱應力，氧碳含量，摻雜物濃度，缺陷，成本，壽命，對能耗，氣耗，物耗進行計算和控制，在win7下32位即可運行，內存占用少，準確率高達95%以上。

3 設置完整合理參數利用軟件出結果的做法

軟件分為前處理，計算，后處理三個模塊，其重點是前處理中按照實際生長情形進行參數設置輸入，所以影響熱場，影響固液界面溫度梯度的因素都要考慮到，分幾個部分分別設置，包括幾何條件、物理條件、操作條件。具體來說，考慮因素是比較全面的，包括爐體內外的幾何建模、晶體形狀、可動邊、內部部件的位置幾何、轉速、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、外界環境、導熱系數、三相控制點位置、邊界溫度、傳熱。保證收斂是最重要的，實訓中為了少化時間在收斂參數的探索上，以一個收斂的簡單模擬態為例，首先，在桌面創建一個文件夾，重命名為字母和數字的組合，打開FEMAG軟件，點開open current directory。在Operating Conditions中設定參數，第一個窗口第一個選項設為027，Total load mass設為7，要設一個轉速例如5，拉速0.1，轉速10，-10注意相反，下一個設為0.5。在Deformable sides中，輸入22 23.可動邊。CryGeo打開，保存。當出現文件沒有保存對話框時，要在菜單欄文件菜單打開ini文件即可，點擊SetMesh，先菜單打開點全局，然后工具欄彎液面計算1D2D網格剖分，結果如圖1.點擊wxCregeo進行物理設定。對test36，test37選定（按住shuift鍵進行選定），材料設好后，功率設為10000W，下面63W，調整式，OK后就跳到上面了。下面三個框，第一個框點開后一定要設置氣體出口的位置選3流量熱交換系數，第二個框默認，下拉列表選mc，控制點選3，溫度設為1685，直接點OK。先輸出，后保存。參照以上基準，改變的參數只要滿足自洽，則肯定會收斂出結果。

4 結果應用于實際參數設置的分析

利用生成的數據表格和三維圖可以分析形成晶硅的諸多性能，據此反饋于前述的工藝參數調整，設備的配置和調整，其中固液界面形狀是關鍵，總體對熱場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，調整的重點是拉速溫度曲線的編制，氣體通入口，流速流量，對流，以及爐內添加物，還可以加入外磁場進行干預，氣體出口入口選擇，以及流速流量參數設定，通過模擬可以快速出結果，具體設置考慮氣體影響的話，在計算界面下WXFEMAG的SIMULTION下點開氣體影響按鈕勾選激活即可計算，前提是進行相關設置，回到GEOTO，打開SETMESH，右鍵e01創建2De01gas，重新進行網格剖分，保存，提示材料設置，選Ar氣，重回cregeo，點開gas，flow，model輸入出口進口的編號23 24考查圖中可知編號，下面左邊點開通量0.03氣壓0.015ba，右邊默認，在計算頁面下改小容差因子可以更快。其他影響例如磁場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時有利于穩定熱場的形成。

5 為了更快更好的出結果，有些因素值得注意

（1）網格剖分不能一刀切，要1D，2D分別設置，ME部分要細些，彎液面處更細，其他為大三角。（2）容差因子，在后處理結果選項上面把值調小，可以節省電腦運行時間。（3）導入CAD圖，要導入fur文件要注意匹配性，CAD中有重合的曲線不能直接用，點英文狀態可以調整拖動。（4）paraview渲染比plot要方便一些，界面調整更簡單。（5）功率預測結果在輸出result界面，但設置時要點選ABJUCT調整按鈕，輸入功率值為參考值。

參考文獻：

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

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

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