《硅材料生产技术》课程教学大纲

《硅材料生产技术》课程教学大纲一、课程基本情况课程代码：101145223201课程名称（中/英文）：硅材料生产技术/TechnologyofSiliconMaterialProduction课程类别：个性化方向/模块课程学分：3.5总学时：56理论学时：40实验学时：16适用专业：材料物理专业适用对象：本科先修课程：半导体物理与器件，材料物理，材料研究与测试方法教学环境：多媒体教室/实验室开课学院：材料科学与工程学院二、课程简介1.课程任务与目的《硅材料生产技术》是材料物理专业的一门专业方向特色课程。课程内容共分为四部分，从直拉单晶硅和铸锭多晶硅的制备开始、到硅片切割和太阳能电池片制备，涵盖了大部分光伏产业链，涉及了硅材料相关的理论基础、生产工艺、生产设备、检测手段等。通过课程的学习，使学生掌握晶体硅太阳能电池生产流程、工艺原理及设备操作，着重学生分析、解决问题能力的培养，并建立理论联系实际的思维方法。通过对目前地球能源状况的了解及社会环境的认识，使学生深切了解节能环保对整个人类社会可持续发展的重要性，引导学生建立节能环保意识。通过案例分析、安全教育和规章制度的学习，培养宽基础、强能力、高素质的具有社会责任感和职业使命感，富有工程素养和工程实践能力，掌握安全科学、技术的基础理论和方法，能为国家富强、社会进步做出贡献的技术人才。2.对接培养的岗位能力课程内容与光伏企业晶体硅太阳能电池制造和技术岗位对接，学生能够完成工程设计和技术改造任务，并在新能源材料的复杂系统设计中进行局部或整体创新。培养学生具备制定生产方案、调整工艺参数、进行产品测试的能力，为学生从事太阳能光伏研究、技术开发和和产品生产等工作奠定基础，使学生具备在新能源材料相关领域工作的能力。三、课程教学目标1.课程对毕业要求的支撑[毕业要求指标点2.3]能够通过文献研究建立并比较新能源材料制备、加工与应用等复杂工程问题的多种方案。[毕业要求指标点3.1]掌握太阳能光伏和锂离子电池等新能源材料制备、加工及应用系统的设计/开发方法和技术，了解影响设计目标和技术方案的各种因素。[毕业要求指标点4.1]能够基于科学原理和专业理论，通过文献研究或相关方法，调研和分析太阳能光伏和锂离子电池等新能源材料领域复杂工程问题的解决方案。[毕业要求指标点5.2]能够选择与使用恰当的仪器、信息资源、工程工具和专业模拟软件，针对新能源材料领域的复杂工程问题进行分析，并进行计算与设计。2.课程教学目标对应毕业要求指标点，具体内容如下：教学目标1：学习结晶和定向凝固基础理论，掌握及运用结晶和定向凝固理论分析、解释及控制晶体的生长过程及晶体硅中杂质的控制；能够对结晶过程进行分析，揭示热场控制与晶体硅质量之间的关系，能够将理论分析用于实际案例，比较硅材料制备加工方案的优缺点。（支撑毕业要求指标点2.3）教学目标2：通过硅材料专业知识的学习，掌握直拉单晶硅、铸造多晶硅、硅片切割及太阳能电池的生产工艺及其影响因素，熟悉其生产所需原材料及设备，具有分析、解决硅材料实际生产问题的能力，能够分析、评。（支撑毕业要求指标点3.1）教学目标3：掌握半导体及太阳能电池相关的基本知识和原理，能够通过半导体基础知识分析、设计、优化太阳能电池的结构；熟悉太阳能电池片的生产流程及设备，通过硅片和太阳能电池片实例分析的学习与讨论，培养学生对光伏领域的复杂工程问题进行分析、解决能力。（支撑毕业要求指标点4.1）教学目标4：通过硅材料表征知识的学习，使学生掌握硅锭和硅片的性能参数、测试原理及设备，具备选择、使用恰当表征手段的能力。结合硅晶体电阻率测试、高纯水制备等项目的讨论和实验，掌握太阳能光伏和锂离子电池等新能源材料制备方法和技术，能够对硅材料生产领域的复杂工程问题进行分析与计算。（支撑毕业要求指标点5.2）四、课程教学内容、学时分配和具体安排（一）学时分配主题或知识点教学内容总学时学时完成课程教学目标讲课实验实践主题或知识点1结晶理论44001主题或知识点2区熔单晶硅的制备62402，4主题或知识点3直拉单晶硅的制备84402，4主题或知识点4多晶硅铸锭基础理论22001主题或知识点5多晶硅铸锭44002主题或知识点6铸造多晶硅中的杂质84401，4主题或知识点7硅片加工原辅料和主要设备44002主题或知识点8硅片加工工艺66002主题或知识点9硅材料的表征44004主题或知识点10太阳能电池的制备106403，4合计5640160（二）实验教学安排序号实验/实践项目名称实验学时实验类型实验要求每组人数备注1硅单晶电阻率的测试4综合性必做4-62化学腐蚀法检测晶体缺陷4验证性必做4-63硅单晶少数载流子寿命的测试4综合性必做4-64离子交换法制备纯水以及高纯水的检测4演示性必做4-6五、教学内容及教学设计主题或知识点1结晶理论1.教学内容（1）热场与单晶生长：晶体生长系统中的能量关系及结晶驱动力；温度梯度对晶体生长过程的影响，包括生长速度、生长界面等。晶体生长过程中需要精确控制热场，需要耐心细致和精益求精的工作态度，体现了工匠精神。（2）晶核的形成和长大：自发形核及非自发形核的概念；热力学界面能理论和原子聚集理论及其优缺点；晶体生长过程。（3）生长界面结构模型：“二维表面成核，侧向层状生长”模型。（4）分凝效应：分凝效应的概念及杂质浓度分布规律。分凝效应既可以用于去除杂质，也会影响掺杂过程，体现了事物的两面性，应具体情况具体分析，培养学生的科学思维能力。2.教学重点结晶驱动力；温度梯度对晶体生长过程的影响；晶体生长过程；分凝效应的概念及杂质浓度分布规律。3.教学难点生长界面结构模型；杂质浓度分布规律。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。主题或知识点2区熔单晶硅的制备1.教学内容（1）区熔法简介：水平区熔及悬浮区熔法的结构和原理。（2）区熔单晶硅的生长过程：区熔单晶硅晶体生长的过程和影响因素。（3）区熔单晶的掺杂：区熔单晶硅的杂质和电阻率分布；区熔单晶硅的主要掺杂方法。通过中子嬗变掺杂技术与传统技术的对比培养学生的创新思维能力。2.教学重点区熔单晶硅晶体生长的过程和影响因素；区熔单晶硅的主要掺杂方法。3.教学难点区熔单晶硅的杂质和电阻率分布。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。主题或知识点3直拉单晶硅的制备1.教学内容（1）直拉单晶硅的原辅料及主要设备：直拉单晶硅的原辅料介绍，包括硅原料、籽晶、坩埚等；直拉单晶硅炉和硅料清洗机的主要结构。（2）直拉单晶硅的生长技术：直拉单晶硅的工艺流程；直拉单晶硅的操作过程；拉速、温度曲线及埚升速度的计算；异常情况及处理方法。分析直拉单晶硅生产过程中可能遇到的安全问题，强化安全意识和责任感。（3）其它直拉技术：主要有磁控直拉技术、连续生长技术和液体覆盖直拉技术。（4）直拉单晶硅的掺杂：直拉单晶硅的杂质分布规律；半导体掺杂种类和方式的选择及掺杂量计算。2.教学重点直拉单晶硅炉的主要结构；直拉单晶硅的工艺流程和操作过程；半导体掺杂种类的选择及掺杂量计算。3.教学难点种晶温度的判断；埚升速度的计算；半导体掺杂量计算。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。通过单晶硅在太阳能电池上的应用引导学生建立环保意识，强调可持续发展的重要性。主题或知识点4多晶硅铸锭基础理论1.教学内容（1）定向凝固生长原理：成分过冷理论和界面稳定动力学理论的介绍。通过定向凝固在高温合金中的应用实例—航空涡轮叶片的制备及发展，培养爱国情怀及创新意识。（2）多晶硅的定向凝固：多晶硅的平面凝固技术；定向凝固凝固界面形态的分析及判断；多晶硅铸锭的晶粒尺寸分布。2.教学重点成分过冷理论和界面稳定动力学理论；多晶硅的平面凝固技术。3.教学难点定向凝固凝固界面形态的分析及判断。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。主题或知识点5多晶硅铸锭1.教学内容（1）多晶硅铸锭技术简介：多晶硅铸锭定向凝固生长方法，包括浇铸法、布里奇曼法、热交换法和电磁铸锭法。（2）铸锭的主要原辅料及设备：介绍铸锭用硅料和坩埚；多晶硅铸锭炉和坩埚喷涂设备的结构及作用。（3）多晶硅铸锭工艺：多晶硅铸锭工艺流程及具体操作步骤。2.教学重点多晶硅铸锭炉的结构及作用；多晶硅铸锭工艺流程及具体操作步骤。3.教学难点无。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。学习多晶硅定向凝固安全规程，进行安全教育，培养具有社会责任感和职业使命感，富有工程素养的人才。主题或知识点6铸造多晶硅中的杂质1.教学内容（1）铸造多晶硅中的氧：氧杂质的来源和浓度分布；多晶硅中氧的存在状态，包括间隙态、氧施主和氧沉淀。分析不同的氧存在状态对硅材料的影响，理解精益求精的工匠精神。（2）铸造多晶硅中的碳、氮和氢：铸造多晶硅中碳、氮和氢的来源、浓度和存在状态。（3）铸造多晶硅中的金属杂质和吸杂：铸造多晶硅中的金属杂质的来源、形态及对材料性能的影响；金属杂质的控制。（4）铸造多晶硅中的缺陷：铸造多晶硅的晶界和位错的特性及其对材料性能的影响。2.教学重点多晶硅中氧的存在状态；铸造多晶硅中碳、氮和氢的来源；金属杂质的控制；铸造多晶硅的晶界和位错对材料性能的影响。3.教学难点铸造多晶硅中氧沉淀随温度的变化；铸造多晶硅中晶界和位错的特性。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。引导学生用本章内容分析生产中遇到的“枝晶”问题，提高学生工程素养，培养能为国家富强、社会进步做出贡献的技术人才。主题或知识点7硅片加工原辅料和主要设备1.教学内容（1）原辅料：传统砂浆切割及金刚线切割所用原辅料、包括浆料、金刚线、清洗剂等的简介；金刚线的分类和制备工艺流程。通过氢脆的事故案例强化安全意识，深入理解责任感。（2）切片主要设备：滚磨开方设备、清洗设备和切片设备的结构、作用及特点。2.教学重点金刚线切割所用原辅料；金刚线的制备工艺流程；滚磨开方设备和切片设备的结构和作用。3.教学难点无。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。主题或知识点8硅片加工工艺1.教学内容（1）单晶硅片切片工艺：单晶硅片加工的工艺流程和操作步骤；硅单晶多线切割原理；单晶硅片清洗原理及过程；单晶硅片的检测、包装标准。（2）多晶硅片切片流程：多晶硅片切片生产流程。（3）硅片切割质量影响因素：金刚线切割过程对硅片质量造成影响的因素，包括钢线运动系统、冷却液系统、进刀机构、控制系统和设备机体的影响。（4）新型切割技术：电火花切割技术、利用氢离子轰击的太阳能硅片工艺、硅片的剥离生产工艺、丝带状晶硅提拉技术等切割技术的介绍。通过硅片剥离工艺和带晶工艺的讲解，强调创新意识，培养科学思维能力。2.教学重点单晶和多晶硅片加工的工艺流程；硅单晶多线切割原理；单晶硅片清洗原理；金刚线切割过程对硅片质量造成影响的因素。3.教学难点单晶硅片的检测；金刚线切割过程对硅片质量造成影响的因素。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。主题或知识点9硅材料的表征1.教学内容（1）硅锭的表征：硅棒的表征方法及原理，包括红外探伤、少子寿命测试、P/N型测试和电阻率测试。（2）硅片的表征：切片工序相关硅片参数的介绍；硅片参数检验，包括硅片导电类型、硅片电阻率和径向电阻率均匀性和硅片厚度和总厚度变化。涡流效应一方面可以用于进行探测和加热，如金属探测、电饭锅等，另一方面会产生热量，出现能量损失，体现了事物的两面性。（3）硅片自动分选机：硅片自动分选机的测量系统，包括厚度及总厚度变化模组、电阻率及导电类型模组、线痕模组、隐形裂纹模组等。2.教学重点硅锭和硅片的表征方法；硅片自动分选机的测量项目及原理。3.教学难点硅锭和硅片各表征方法的原理。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。引用工程实例培养学生的工程实践能力；通过硅片不良的分析培养学生精益求精的科学精神。主题或知识点10太阳能电池的制备1.教学内容（1）太阳能电池制备工艺：太阳能电池生产工艺流程；各工序的原理、原辅料及设备；黑硅技术。（2）太阳能电池的测试和分选：分选机自动分选介绍和装置；外观分选标准；硅片不良介绍。（3）新型高效电池技术：各类新型结构晶体硅太阳能电池的介绍，包括N型双面电池、HIT电池、IBC电池、PERC电池、Topcon电池和POLO电池。通过光伏发展路线图使学生了解光伏发展的现状，深化绿色环保及可持续发展理念，强调科技创新的重要性。2.教学重点太阳能电池生产各工序的工艺流程和原理；黑硅技术及新型太阳能电池技术；分选机自动分和外观分选标准；硅片不良。3.教学难点黑硅技术及新型太阳能电池技术。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。引入太阳能电池的前沿技术，强化民族自豪感和爱国精神。六、学生成绩评定1.课程考核方式及比例本课程考核学生获取知识的能力、应用所学知识分析问题和解决问题能力、实践动手能力和创新能力等；考核方式采用出勤、作业评测、课堂表现、平时阶段测验等多种形式、多个阶段等全过程的考核，使学生成绩评定更加合理多样，优化课程评价体系，进一步提升本课程教学效果。本课程总评成绩中，按平时成绩占50％，期末考试50％记入课程的总成绩，具体评定方式见成绩评定表。学生成绩评定表考核方式平时成绩期中考试期末考试作业课堂表现阶段测验答辩项目小论文实验√√√√成绩比例%1012820502.课程目标考核方式评价权重本课程教学目标与考核方式评价权重如表所示：课程教学目标与考核方式评价权重课程教学目标支撑毕业要求指标点考核评价方式权重（%）过程性考核实验期末考试合计课堂表现作业阶段测试教学目标1指标点2.3432211-1422-25教学目标2指标点3.1433012-1522-25教学目标3指标点4.1221310-1418-22教学目标4指标点5.2222158-1329-34合计1210820501003.成绩评价标准平时成绩评定及考核标准考核环节考核结果及标准评估项目及权重优秀（90~100分）良好（80~89分）中等（70~79分）及格（60~69分）不及格（<60分）课堂表现（12%）无迟到、早退、旷课现象。积极参加课堂讨论，并有自己独到的见解，能够准确回答问题，并有自己独到的见解。偶尔有迟到、早退现象。较为积极参加课堂讨论，能够准确回答问题，并提出自己的见解。有迟到、早退现象。能够主动参加课堂讨论，能够回答问题。有迟到、早退、偶尔有旷课现象。参与课堂讨论，基本能回答相关问题。迟到、早退、旷课较多。不能有效参加课堂讨论，回答不出所有问题。作业（10%）能够独立完成作业，作业完成质量优秀，能够灵活运用所学知识和理论解决问题，并获得正确结论。能够独立完成作业，完成质量较高，能够运用所学知识和理论解决问题，并获得正确结论。能够独立完成作业，完成质量符合要求，能够运用所学知识和理论解决问题，并获得有效结论。基本能够独立完成作业，部分题目解答存在抄袭现象，运用所学知识和理论解决问题的能力基本符合要求。不能独立完成作业，存在明显抄袭现象，不具备运用所学知识和理论解决问题的能力。阶段测验（8%）完成所有阶段测验，根据参考答案评分，总评成绩为优秀。完成所有阶段测验，根据参考答案评定分，总评成绩为优良。完成所有阶段测验，根据参考答案评分，总评成绩为中等。完成所有阶段测验，根据参考答案评分，总评成绩为及格。没有完成阶段测试，根据参考答案评分，总评成绩不及格。实验（20分%）实验报告能够独立完成，内容完整，数据合理，数据处理正确，图表规范。能够正确完成实验报告中提出的问题，并对实验中遇到的问题进行深入的讨论，提出自己的见解。实验报告能够独立完成，内容完整，数据合理，数据处理正确，图表基本规范。能够完成实验报告中提出的问题，并对实验中遇到的问题进行讨论，提出意见。实验报告能够完成，内容完整，数据基本合理，能够进行数据处理，图表基本规范。能够基本完成实验报告中中提出的问题，对实验中遇到的问题进行讨论。实验报告基本能够独立完成，内容完整，数据图表齐全，基本完成实验报告中提出的问题。实验报告不能独立完成，存在抄袭现象，报告中提出的问题没有或基本没有回答。课程教学目标评价标准考核环节考核结果及标准评估项目及权重优秀（90~100分）良好（80~89分）中等（70~79分）及格（60~69分）不及格（<60分）教学目标1熟练掌握结晶和定向凝固基础理论，并能运用结晶理论分析、解释晶体的生长过程。能够揭示热场控制与晶体硅质量之间的关系，掌握影响产品质量的主要因素。具有使用定向凝固理论分析晶体硅中杂质的分布并对工艺过程提出合理的意见或建议的能力。掌握结晶和定向凝固基础理论，并能运用结晶理论分析、解释晶体的生长过程。能够揭示热场控制与晶体硅质量之间的关系，了解影响产品质量的主要因素。可以使用定向凝固理论分析晶体硅中杂质的分布，尝试对工艺过程提出较合理的意见或建议。熟悉结晶和定向凝固基础理论，并能运用结晶理论分析、解释晶体的生长过程。了解热场控制与晶体硅质量之间的关系。可以使用定向凝固理论分析晶体硅中杂质的分布，尝试对工艺过程提出意见或建议。基本掌握结晶和定向凝固基础理论，并能运用结晶理论分析、解释晶体的生长过程。知道热场控制与晶体硅质量之间的关系。通过定向凝固理论解释晶体硅中杂质的分布。不能掌握结晶和定向凝固基础理论。不了解热场控制对晶体硅质量的影响。不能解释晶体硅中杂质的分布。教学目标2掌握直拉单晶硅、铸造多晶硅的制备工艺及硅片切割工艺，熟悉并能够选择合适的生产所需原材料及设备。具有分析、解决实际生产问题的能力。熟悉直拉单晶硅、铸造多晶硅的制备工艺及硅片切割工艺，能够选择生产所需原材料及设备。基本具有分析、解决实际生产问题的能力。熟悉直拉单晶硅、铸造多晶硅的制备工艺及硅片切割工艺，能够选择生产所需原材料及设备。基本具有分析实际生产问题的能力。了解直拉单晶硅、铸造多晶硅的制备工艺及硅片切割工艺，知道生产所需原材料及设备。基本具有分析实际生产问题的能力。不了解直拉单晶硅、铸造多晶硅的制备工艺及硅片切割工艺。不具有分析实际生产问题的能力。教学目标3掌握半导体及太阳能电池相关的基本知识和原理，能够通过半导体基础知识分析、设计、优化太阳能电池的结构；熟悉太阳能电池片的生产流程及设备，具备对光伏领域的复杂工程问题进行分析、解决能力。具备解决电池片实际生产问题的能力。掌握半导体及太阳能电池相关的基本知识和原理，能够通过半导体基础知识分析、优化太阳能电池的结构；熟悉太阳能电池片的生产流程及设备。具备解决电池片实际生产问题的能力。熟悉半导体及太阳能电池相关的基本知识和原理，能够通过半导体基础知识分析太阳能电池的结构；熟悉太阳能电池片的生产流程及设备。具备分析电池片实际生产问题的能力。了解半导体及太阳能电池相关的基本知识和原理，基本能够通过半导体基础知识分析太阳能电池的结构；了解太阳能电池片的生产流程及设备。不了解半导体及太阳能电池相关的基