化工装置与工厂实训

实验编号：U20S08700

关键词：芯片，光伏，高纯硅晶体，多晶硅

所属类别：材料类

实验标签：材料科学基础（锂电、光能和光电材料-太阳能电池）

先进芯片和光伏产业中的超高纯度晶体材料高温制造综合虚拟仿真实验

（一）内容介绍

本虚拟仿真实验分为3个模块，模块1，基本原理及安全教育学习；模块2，直拉法制备硅单晶；模块3，定向凝固法制备硅晶体。

模块1，基本原理及安全教育学习

包含：实验教学、安全教育培训、劳动保护用品学习、安全教育考核和劳保用品穿戴考核。实验教学部分讲解了本实验的实验目的，学生可学习到硅晶体的形核生长原理，结晶动力学和定向凝固原理。通过安全教育和培训，学生可掌握高温晶体材料生产车间的安全符号含义和保护措施，通过考核，可考察学生对本模块知识的掌握。

(1) 实验教学

(2) 安全教育培训

(3) 劳动保护用品学习

(4) 安全教育考核

(5) 劳保用品穿戴考核

模块2，直拉法制备硅单晶

包含：基本工艺、设备学习、直拉单晶虚拟操作和考核四部分。通过动画讲解了单晶硅生产链和提拉法工艺，并给出实验流程图，帮助学生了解虚拟操作实验流程。设备学习包含直拉单晶炉结构学习和配件学习。在结构学习中，学生可通过鼠标滑轮控制模型缩放，按下鼠标右键在模型上滑动，实现模型的旋转。

在配件学习中，展示了主炉体的三维结构横截面，点击相应配件，可查看三维模型。在直拉单晶虚拟操作部分，学生按照安装热场，装炉，抽真空化料，拉晶工艺和单晶切片的顺序，完成单晶硅的生产和加工。实验过程中，学生不仅可以设置工艺参数，还可观察实验现象和微观动画，增强学生的参与感，帮助学生理解实验原理。学习完毕后，学生需完成考核，巩固学习内容。

(1) 基本工艺

(2) 设备学习

(3) 直拉单晶虚拟操作

(4) 问题考核

模块3，定向凝固法制备硅晶体

包含：基本工艺，设备学习，铸造多晶硅虚拟操作和考核四部分。通过动画介绍了多晶硅生产链和制备工艺。设备学习包含多晶铸锭炉结构学习和配件学习。在结构学习中，学生可通过鼠标滑轮控制模型缩放，按下鼠标右键在模型上滑动，实现模型的旋转。学生可选择要学习的工艺，工艺不同，得到的产品也会有所区别，系统将根据学生的选择展示硅块检测结果。

在配件学习中，展示了炉体的三维结构横截面，点击相应配件，可查看三维模型。在虚拟操作部分，学生可观看到实验现象和微观动画。当工艺温度设置不合理，将影响产品质量，在硅块检测步骤中，可通过红外探伤看到阴影。本实验不限制操作时间和地点，学生可通过反复调整工艺参数，探索出最佳实验条件。

(1) 基本工艺

(2) 设备学习

(3) 铸造多晶硅虚拟操作

(4) 问题考核

（二）实验的特色和亮点

超高纯度的晶体硅包括单晶硅和多晶硅两类。单晶硅为先进芯片和单晶硅太阳能电池的主要材料；多晶硅主要用于晶硅太阳能电池。两者在制备原理上都是高温熔体下的结晶生长，然而在技术上却有提拉法和定向凝固铸锭之分，而且多晶铸锭又可以根据需要生长出普通柱状晶为主的多晶硅、类似单晶的准单晶硅、许多均匀细小晶粒的高效多晶硅。通过本虚拟实验的学习，学生可掌握直拉单晶炉和多晶硅铸锭炉的工作原理、主要参数控制方法，掌握高纯硅晶体生产主要工艺参数对高纯硅晶体质量的影响、以及主要工艺参数制定原则，学习直拉单晶硅、普通铸造多晶硅、类单晶硅和高效多晶硅的制备方案的制定和实施。同时，实验以动画的形式展示了直拉单晶硅和铸造多晶生长和凝固过程中的微观结构演变，增强学生对晶体生长的微观过程认识。