材料仿真软件用于晶硅生长实训教学的探索
徐立波
常州工程职业技术学院 江苏常州 213017
摘 要： 通过使用模拟软件，解决了实训中学生操作不规范性，参数设置不恰当，设备选型盲目，性能检测麻烦等问题，软件以其零成本，可操作性强，界面友好，功能强大的优点，在实训过程中可以激发学生的求知欲和兴趣，起到了很好的辅助教学作用，提升了实训效果。
关键词： 晶硅生长；FEMAG；网格剖分；温度场分布
1 晶硅生长实训中遇到的困难
晶硅生长是一个复杂的过程，其形核生长是微观的过程，不易观察，单晶生长是非均匀形核生长过程，原子在固液界面堆积，在二维表面成核，再侧向层状生长，涉及传热，传质，磁场，流体，热应力等多物理场，以及时间空间的多尺度，还有相变，材料参数变动，熔体流动等掺在一起的非线性过程，实训的目的是从直观感性的角度来验证和理解理论，以及很好的操控整个长晶过程，学生除了动手装料，安装设备，制定工艺参数，分段观察检测，最终目的要对晶硅的质量负责，由于此过程周期长，耗能多，生长过程不直观，凭借经验不能保证长晶过程完善，一旦失败，成本太高。
2 仿真软件的特点和软件作用
选用FEMAG软件，软件通过多物理场耦合全局有限元分析，并使用高效的流体力学求解器来处理非线性过程，能够对晶硅的最终质量指标化，从而不需要真实生长单晶，即可从设定条件模拟出产品，并对界面，温度梯度，缺陷分布，速度场等给出全面结果，通过渲染软件，使其三维可见，可以零成本对晶硅质量进行预判，并对热屏形状材料位置进行设计，对保温层和多加热器进行设计，能够有效控制热应力，氧碳含量，掺杂物浓度，缺陷，成本，寿命，对能耗，气耗，物耗进行计算和控制，在win7下32位即可运行，内存占用少，准确率高达95%以上。
对于大型选煤厂中200 kW及以上的单机设备，宜采用6 kV及以上高压供电。生产系统工艺应集中控制、变频调速。采用合理的生产工艺流程，提高选煤工艺的自动化程度，使选煤厂稳定生产。选煤生产过程中为节约电能采取了如下措施：
3 设置完整合理参数利用软件出结果的做法
软件分为前处理，计算，后处理三个模块，其重点是前处理中按照实际生长情形进行参数设置输入，所以影响热场，影响固液界面温度梯度的因素都要考虑到，分几个部分分别设置，包括几何条件、物理条件、操作条件。具体来说，考虑因素是比较全面的，包括炉体内外的几何建模、晶体形状、可动边、内部部件的位置几何、转速、提速、投料量、液体高度、晶体高度、液面高度、气体材料、出口、入口、流速、流量、功率参照、外界环境、导热系数、三相控制点位置、边界温度、传热。保证收敛是最重要的，实训中为了少化时间在收敛参数的探索上，以一个收敛的简单模拟态为例，首先，在桌面创建一个文件夹，重命名为字母和数字的组合，打开FEMAG软件，点开open current directory。在Operating Conditions中设定参数，第一个窗口第一个选项设为0.27，Total load mass设为7，要设一个转速例如5，拉速0.1，转速10，-10注意相反，下一个设为0.5。在Deformable sides中，输入22 23.可动边。CryGeo打开，保存。当出现文件没有保存对话框时，要在菜单栏文件菜单打开ini文件即可，点击SetMesh，先菜单打开点全局，然后工具栏弯液面计算1D2D网格剖分，结果如图1.点击wxCregeo进行物理设定。对test36，test37选定(按住shuift键进行选定)，材料设好后，功率设为10000W，下面63W，调整式，OK后就跳到上面了。下面三个框，第一个框点开后一定要设置气体出口的位置选3流量热交换系数，第二个框默认，下拉列表选mc，控制点选3，温度设为1685，直接点OK。先输出，后保存。参照以上基准，改变的参数只要满足自洽，则肯定会收敛出结果。
图1 网格划分后的组合体
4 结果应用于实际参数设置的分析
利用生成的数据表格和三维图可以分析形成晶硅的诸多性能，据此反馈于前述的工艺参数调整，设备的配置和调整，其中固液界面形状是关键，总体对热场的要求是纵向温度梯度足够大，但不宜过大，径向温度梯度尽可能小，界面接近平坦，调整的重点是拉速温度曲线的编制，气体通入口，流速流量，对流，以及炉内添加物，还可以加入外磁场进行干预，气体出口入口选择，以及流速流量参数设定，通过模拟可以快速出结果，具体设置考虑气体影响的话，在计算界面下WXFEMAG的SIMULTION下点开气体影响按钮勾选激活即可计算，前提是进行相关设置，回到GEOTO，打开SETMESH，右键e01创建2De01gas，重新进行网格剖分，保存，提示材料设置，选Ar气，重回cregeo，点开gas，flow，model输入出口进口的编号23 24考查图中可知编号，下面左边点开通量0.03气压0.015ba，右边默认，在计算页面下改小容差因子可以更快。其他影响例如磁场也类似可以激活后添加。从二维图图2可知，上通气下出气通量0.03时有利于稳定热场的形成。
Log4j是Apache基金会的一个开源日志项目。Log4j的日志信息可以输出到文件、数据库、控制台等，还可以设置日志的输出格式。只需通过一个配置文件即可灵活的配置Log4j，并可以选择ALL、DEBUG、INFO、ERROR等多种日志记录级别。Log4j提供了多种语言接口，可以在Java、C、C++、C#等程序中使用。
图2 温度场分布剖面图和固液界面温度梯度
5 为了更快更好的出结果，有些因素值得注意
(1)网格剖分不能一刀切，要1D，2D分别设置，ME部分要细些，弯液面处更细，其他为大三角。(2)容差因子，在后处理结果选项上面把值调小，可以节省电脑运行时间。(3)导入CAD图，要导入fur文件要注意匹配性，CAD中有重合的曲线不能直接用，点英文状态可以调整拖动。(4)paraview渲染比plot要方便一些，界面调整更简单。(5)功率预测结果在输出result界面，但设置时要点选ABJUCT调整按钮，输入功率值为参考值。
参考文献：
[1]黄有志，等.直拉单晶硅工艺技术[D].第一版.北京：化学工业出版社，2013，5：10.
[2]http：//femag.cntech.com.cn http：//www.femagsoft.com.
作者简介： 徐立波(1971-)，男，江苏常州人，讲师，研究方向：光伏材料及应用。
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