1. 理解习近平同志治国理念在指导新时期网络教学中的重大意义。
2. 理解单晶硅制备几种基本方法，并且掌握直拉法制备单晶硅原理。
3. 熟悉单晶炉的构结。
4. 掌握直拉法单晶法制备单晶硅的作业流程。
5. 掌握直拉法单晶硅生长过程以及理论计算方法。
6. 掌握直拉法单晶制备工艺过程中，影响单晶硅棒质量的关键参数。
7. 提高学生解决工程问题的能力，培养学生的创新能力。
1. 原理简介
直拉法单晶硅以熔体的冷凝结晶驱动为基础理论，在熔体长成晶体的过程中，由于熔体温度下降，将产生由液态转换成固态的相变化，其结晶驱动力可表示为：
ΔG = ΔSΔT （1）
G为系统的自由能，S为熵，ΔT称为过冷度。
如果在熔融硅液面上浸入一籽晶，当籽晶与熔体达到热平衡时，液面会靠着表面张力的支撑吸附在籽晶下方。此时，将籽晶向上提拉，熔体也会跟着籽晶向上运动，形成过冷状态。过冷的熔体会凝固结晶，且随着籽晶的方向长成单晶硅棒。直拉硅单晶硅棒，沿<111>方向生长的，有三条或六条对称的棱线；沿<100>方向生长的，有四条对称的棱线。
直拉单晶原理示意图
本虚拟仿真实验采用先进的直拉单晶炉为主体设备，以线下拉单晶工艺为基础，把实验问题导入、实验操作教学、工艺设计和工程实施四个教学环节在虚拟仿真环境中实现，重点聚焦实验设计、拉晶流程和操作试错功能，使学生能够快速掌握拉单晶流程，同时也能够为企业一线技术人员提供一种互补的拉晶训练手段。学生在虚拟场景下，通过模拟直拉单晶的过程，掌握基础知识与原理，学习单晶炉的结构与工作原理。本软件通过3D仿真技术，真实展现了直拉单晶炉厂房内场景，画面清晰流畅，真实感强，人机交互界面友好，容易操作。
2.直拉单晶知识点
1）直拉法制备单晶硅原理在熔化的硅熔液中插入有一定晶向的籽晶，通过引细晶消除原生位错，利用结晶前沿的过冷度驱动硅原子按顺序排列在固液界面的硅固体上，形成单晶。如图3所示。
2）晶体生长系统的热平衡。籽晶与熔体达到热平衡时，液面会吸附在籽晶下方，此时籽晶向上，附着的熔体也上升，从而形成过冷状态，熔体凝固结晶并沿着籽晶方向长成单晶棒。
3）晶体的生长速度。在液态区的温度梯度等于零时，生长速度达到最大值。
4）光环区与固液界面。光环区是液面靠表面张力而吸附在晶棒下方的区域。
5）熔体流动与埚转。熔体流动包括：自然对流、强迫对流、表面张力对流、强迫对流对埚转的影响。
6）晶体转速与晶棒长度的关系。晶转与埚转必须反向以改善晶棒内杂质分布的均匀性，但是要避开可能造成共振的转速范围。
7）单晶炉的结构、功能与认知。
8）直拉法制备单晶硅工艺流程：石墨件的安装与硅料装填，单晶炉抽空、检漏、充氩气与熔料，引晶与缩肩，放肩与等径，收尾与停炉冷却。
1.实验内容
本项目开发的虚拟仿真实验涵盖了5个工艺阶段、11个交互、51个步骤， 构建了全方位、设计性、浸入式的创新实验教学方法。五个环节包括背景介绍环节、问题导入环节、实验原理教学环节、工艺设计环节和实验实施环节；五个工艺阶段包括作业准备、工艺准备、工艺检测、直拉单晶、工艺结束；十一个交互环节注重学生的自主设计，注重基础知识的运用，在让学生浸入式学习过程中，强调自主学习，而不是被动接受。学生从认知到体验，从基础知识的沉浸式学习到实际工程应用逐步提高，根据学生预习和实操情况，系统自动生成实验报告，进行综合考核评价。通过全方位、设计性、浸入式的学习， 充分考核学生理论学习、实验操作、工艺设计等综合应用能力， 全面培养学生的学习兴趣、独立研学能力、扎实工科基础、创新研究思维以及广阔的大产业视野。
2.实验步骤
基于综合设计的线上实验操作流程
详细操作步骤如下：
步骤序号 | 步骤目标要求 | 步骤合理用时 | 目标达成度赋分模型 | 步骤满分 | 成绩类型 |
1-5 （流程性） | 穿上工作服和护具同时检查水电气。 | 2min | 正确满分，错误0分 | 5分 | ■操作成绩 £实验报告 £预习成绩 £教师评价报告 |
6-9 （流程性） | 安装热场（包括石墨三瓣锅，石英坩埚，保温盖，导流桶。） | 2min | 正确满分，错误0分 | 4分 |
10 （交互性） | 操作目的：考察学生是否熟练掌握参数计算公式 操作过程：系统随机给出一个任务，学生线下计算出结果并输入系统，系统与正确结果比对，确定结果合理性并给出分数 操作结果：系统给出结果的不确定度为0.2kg,超出范围每0.1kg扣一分，直至要求重新计算。 | 5min | 在确定值的上偏差和下偏差之间得满分10分，最大上偏差和最大下偏差之间得1-9分，大于最大上偏差或大于最大下偏差0分 | 10分 |
11（交互性） | 操作目的：考察学生对于硅料装填原则的掌握程度。 操作过程：系统会给出若干种颗粒大小不同的硅料，学生需要将这些硅料按照顺序放入坩埚中的对应位置。 操作结果：学生操作过程，系统不会给出提示，操作结束以后，系统才会给出评级，如果学生无视提示，则在化料阶段，系统会出现意外情况提示，最终导致实验失败。 | 2min | 在确定值的上偏差和下偏差之间得满分8分，最大上偏差和最大下偏差之间得1-7分，大于最大上偏差或大于最大下偏差0分 | 8分 |
12-15 （交互性） | 操作目的： 让学生理解重锤与籽晶的安装。 操作过程：学生取下重锤，同时观察系统随机给出的吊绳形状，判断该吊绳是否适合下面的操作。 操作结果：如果判断结果出错，轻则造成成本支出提高，重则造成无法继续后续步骤。 | 3min | 在确定值的上偏差和下偏差之间得满分8分，最大上偏差和最大下偏差之间得1-7分，大于最大上偏差或大于最大下偏差0分 | 8分 |
16-20 （流程性） | 关闭炉室，打开控制系统电源和真空泵电源。 | 1min | 正确满分，错误0分 | 5分 |
21-28 （交互性） | 操作目的：考察学生对于抽空与检漏步骤掌握是否熟练。 操作过程：学生根据书本知识设计抽空检漏的步骤，并按设计程序对单晶炉抽空。 操作结果：系统根据学生设计步骤的合理性与经济性（充氩气时间越长效果好但是成本高）结合考虑该步骤得分。 | 5min | 在确定值的上偏差和下偏差之间得满分10分，最大上偏差和最大下偏差之间得1-9分，大于最大上偏差或大于最大下偏差0分 | 10分 |
29-31 （流程性） | 检漏完成以后，再次向单晶炉中填充氩气。 | 1min | 正确满分，错误0分 | 3分 |
32-34流程 | 打开加热器并输入预定温度值，开始自动化料程序。 | 1min | 正确满分，错误0分 | 3分 |
35交互 | 操作目的：考察学生对于化料过程中温度、功率以及锅转、锅升与硅料熔化过程的关系。 操作过程：学生根据书本知识给出一个预定温度，然后设置自动化料，但是系统会在此过程给出几种意外情况，比如跳硅和挂边，需要学生手动操作加热系统解决问题， 操作结果：主要依据加热过程中，学生处理突发状况时的处理手段，如果操作错误甚至没有发现意外情况，则可能触发重做条件。 | 3min | 在确定值的上偏差和下偏差之间得满分5分，最大上偏差和最大下偏差之间得1-4分，大于最大上偏差或大于最大下偏差0分 | 5分 |
36-38流程 | 待料完全熔化后，进入【温度稳定】工序。并且降下籽晶到观察窗位置。 | 1min | 正确满分，错误0分 | 3分 |
39-40交互 | 操作目的：考察学生对于升降手柄的使用熟练程度，以及根据系统随机给出的坩埚旋转参数能否给出晶转的合理数据。 操作过程：学生在化料结束以后及时将籽晶下降到观察视窗，并且设置合适的晶转速度。 操作结果：籽晶下降的位置以及设置的晶转速度是否合理决定该步得分。籽晶的转速需要通过观察坩埚旋转速度来确定。 | 2min | 在确定值的上偏差和下偏差之间得满分5分，最大上偏差和最大下偏差之间得1-4分，大于最大上偏差或大于最大下偏差0分 | 5分 |
41-42交互 | 操作目的：考察学生能否将籽晶下降至合理位置， 操作过程：控制系统使籽晶降到距离液面10mm左右，使籽晶进入预热阶段。 操作结果：该过程需要学生把握好时间，位置过高无法充分预热，过低则导致提前进入浸润，导致位错增加。 | 2min | 在确定值的上偏差和下偏差之间得满分3分，最大上偏差和最大下偏差之间得1-2分，大于最大上偏差或大于最大下偏差0分 | 3分 |
43-45交互 | 操作目的：考察学生是否能够通过观察浸润过程籽晶的变化确定引晶的时机。 操作过程：降籽晶使之与硅液面接触，浸润20分钟，设定引颈的直径值。 操作结果：当籽晶周围光圈往里收缩的时候，学生要及时操作进入引晶阶段，提前或者滞后都会根据时间长短扣除分数，并且不同学生操作时，时间都不相同。 | 3min | 在确定值的上偏差和下偏差之间得满分3分，最大上偏差和最大下偏差之间得1-2分，大于最大上偏差或大于最大下偏差0分 | 3分 |
46-47交互 | 操作目的：考察学生对于引晶过程的理解，以及引晶长度和位错的关系。 操作过程：在系统引晶的过程中，把握合适时机进入转肩和放肩阶段。 操作结果：引晶长度没有固定值，需要配合系统任务里给出的初始条件通过计算得到，如果长度不合理会扣除相应分数甚至触发重做条件。 | 3min | 在确定值的上偏差和下偏差之间得满分8分，最大上偏差和最大下偏差之间得1-7分，大于最大上偏差或大于最大下偏差0分 | 8分 |
48-49交互 | 操作目的：考察学生能否合理设置各项参数（锅转速度、锅升速度，放肩直径等） 操作过程：引晶完成以后，学生根据相关公式计算出坩埚的转速和上升速度，设置合理拉速。 操作结果：将学生设置的各项参数与标准值进行比对，根据偏差大小给与相应提示，如果偏差超出合理范围，将触发重做。 | 3min | 在确定值的上偏差和下偏差之间得满分8分，最大上偏差和最大下偏差之间得1-7分，大于最大上偏差或大于最大下偏差0分 | 8分 |
50交互 | 操作目的：考察学生对于等径过程中突发情况能否采取相应处理手段。 操作过程：等径过程基本上自动化操作，但是学生仍然需要每隔一段时间观察相关数据的变化，这里系统会随机给出一到两个意外情况，比如温度偏高或直径偏大，需要学生及时处理。 操作结果：将学生设置的各项参数与标准值进行比对，根据偏差大小给与相应提示，如果偏差超出合理范围，将触发重做。 | 1min | 在确定值的上偏差和下偏差之间得满分8分，最大上偏差和最大下偏差之间得1-7分，大于最大上偏差或大于最大下偏差0分 | 8分 |
51流程 | 收尾：当晶体等径长度达到预定长度，自动进入收尾模式，每半小时记录一次收尾数据，查看收尾情况。 | 1min | 正确满分，错误0分 | 1分 |
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