《集成電路制造工藝》課程教學(xué)實(shí)踐探討

張新安，成 強(qiáng)

（河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，河南 開封 475004）

以集成電路為主的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)代制造業(yè)的核心和基礎(chǔ)，對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展乃至國(guó)家安全具有重要的戰(zhàn)略地位，高性能集成電路芯片的制造成為當(dāng)今世界競(jìng)爭(zhēng)最激烈、發(fā)展最迅速的前沿領(lǐng)域之一.隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)集成電路制造方面的人才需求大幅增加.

《集成電路制造工藝》主要講述以硅為基礎(chǔ)的集成電路的制造工藝及工藝原理.通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該掌握一定工藝設(shè)計(jì)、分析以及解決工藝問題的能力，使學(xué)生對(duì)集成電路制造的關(guān)鍵工藝及其原理有較為完整和系統(tǒng)的概念.該課程涉及到的知識(shí)面廣，較為抽象，理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng).所以，如何在理論教學(xué)的模式下，理論聯(lián)系實(shí)踐，提高教學(xué)質(zhì)量.如何利用多種可能的資源開展工藝實(shí)驗(yàn)的教學(xué)、加強(qiáng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯?shí)際工作能力的培養(yǎng)，是教師所面臨的緊迫問題.

1 科學(xué)安排教學(xué)內(nèi)容

1.1 核心教學(xué)內(nèi)容

本課程的目的是使學(xué)生掌握集成電路制造過程中工藝方法和原理，熟悉集成電路芯片制作的工藝流程，并具有一定的工藝設(shè)計(jì)、分析及解決實(shí)際工藝問題的能力.其基本內(nèi)容包括硅襯底的制備、擴(kuò)散工藝、離子注入、薄膜制備技術(shù)（包括外延、化學(xué)氣相淀積及物理氣相淀積）、光刻技術(shù)、蝕刻工藝、鍵合與封裝技術(shù)和工藝集成技術(shù)[1].由于該課程學(xué)時(shí)數(shù)有限，有些教材中出現(xiàn)的半導(dǎo)體材料物理特性、超凈技術(shù)和工藝中的化學(xué)藥品等內(nèi)容可以讓學(xué)生課后閱讀，不應(yīng)作為本課程的核心內(nèi)容.另一方面，由于教材側(cè)重技術(shù)介紹，在工藝原理方面涉及甚少，因此有必要補(bǔ)充關(guān)鍵工藝的物理基礎(chǔ)和原理，所以任課教師需要廣泛查閱相關(guān)資料，對(duì)教材內(nèi)容作必要和有益的補(bǔ)充.

1.2 教學(xué)內(nèi)容次序

《集成電路制造工藝》的章節(jié)次序是按照制造工藝中的不同步驟分章進(jìn)行的.這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)每章之前如果不能全面把握半導(dǎo)體制造的系統(tǒng)流程，那么學(xué)起來就會(huì)感到支離破碎、缺乏邏輯，就很難掌握各部分在集成電路制造工藝過程中的作用，會(huì)覺得非?？菰?、難以理解.因此，在第一課時(shí)，就需要給學(xué)生們建立起來集成電路制造的系統(tǒng)流程概念.比如在第一節(jié)課時(shí)，采用流程圖將集成電路整體制備工藝做系統(tǒng)介紹，并指出每一步主要采用的工藝名稱及其基本概念，使學(xué)生先對(duì)后續(xù)每章內(nèi)容如摻雜、氧化、光刻、薄膜制備等有一個(gè)基本概念.掌握其功能和基本用途，不至于在后面講到這些章節(jié)的時(shí)候覺得孤立不了解其在半導(dǎo)體制造技術(shù)中的地位.然后逐章詳細(xì)講解怎么樣實(shí)現(xiàn)摻雜，摻雜的分類等.這樣整本書或者說整個(gè)集成電路制造工藝過程就非常清晰，不但整體的過程清晰明了，每個(gè)工藝與整個(gè)半導(dǎo)體之間的關(guān)聯(lián)也非常清楚.

2 靈活多樣的教學(xué)方式

2.1 多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)方式結(jié)合

在集成電路制造工藝課程教學(xué)中可以采用傳統(tǒng)板書教學(xué)、多媒體教學(xué)和錄像教學(xué)等多種方式.靈活多樣的教學(xué)方式是其教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)的要求.多媒體教學(xué)是現(xiàn)今已廣泛使用的一種教學(xué)手段，因?yàn)樵诩呻娐分圃旃に囌n程中有大量的工藝流程和工藝實(shí)施后的硅片剖面圖需要展示，只有通過多媒體才能給學(xué)生以直觀、清楚的認(rèn)識(shí).如果不采用多媒體的教學(xué)，大量結(jié)構(gòu)剖面圖、各種微精細(xì)加工過程和設(shè)備圖等，如果完全依賴?yán)蠋煹陌鍟?，教學(xué)內(nèi)容和效果將大打折扣.而多媒體教學(xué)圖文并茂、信息量大，達(dá)到事半功倍的效果.但教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在一些公式較多的場(chǎng)合采用單一的多媒體教學(xué)的效果并不理想.比如在講解硅的熱氧化生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散方程等內(nèi)容時(shí)[2]，雖然多媒體課件的信息容量大，但公式推導(dǎo)的銜接不方便，學(xué)生接受和理解較為困難，課堂教學(xué)效果并不好.因此，在進(jìn)行理論推導(dǎo)部分的教學(xué)時(shí)，就應(yīng)以傳統(tǒng)的交互式方法為主，而把多媒體技術(shù)則作為輔助手段.一般說來，對(duì)于公式的推導(dǎo)和例題的講解，采用板書的方式有助于使過程條理化，前后呼應(yīng)，若再輔以啟發(fā)式提問來調(diào)動(dòng)學(xué)生參與課堂教學(xué)活動(dòng)，就能收到較好的教學(xué)效果.

2.2 錄像教學(xué)

集成電路的制造工藝流程十分復(fù)雜，錄像教學(xué)可以系統(tǒng)全面地展示了集成電路制造工藝過程.在教學(xué)中給學(xué)生播放國(guó)內(nèi)及國(guó)際知名半導(dǎo)體公司的工藝錄像，有助于學(xué)生深入學(xué)習(xí)、研究先進(jìn)的集成電路制造技術(shù)，使一些抽象的概念和理論形象直觀，易于講解，同時(shí)可以使學(xué)生對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí).利用這些課程資源大大加強(qiáng)了該課程理論教學(xué)的直觀性和臨場(chǎng)感，提高了教學(xué)效果.

3 加強(qiáng)實(shí)踐能力的培養(yǎng)

實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)、工程意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)、動(dòng)手能力和科研能力的重要任務(wù)，它是高等院校教書育人這一中心工作不可缺少的重要組成部分.

3.1 通過軟件模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)

隨著半導(dǎo)體器件理論知識(shí)、數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展及計(jì)算機(jī)性能的不斷提高.采用高性能計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，以半導(dǎo)體器件模型為基礎(chǔ)，利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行集成電路制造工藝的仿真技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用.針對(duì)常用的工藝模擬軟件，可以開設(shè)了多個(gè)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，比如利用工藝模擬結(jié)果可以清楚地顯示氧化層的生長(zhǎng)過程、離子注入過程的雜質(zhì)分布情況或者薄膜淀積的厚度等工藝參數(shù)隨著時(shí)間推進(jìn)的發(fā)展變化等.可使學(xué)生身臨其境地對(duì)所學(xué)的基本工藝進(jìn)行簡(jiǎn)單的模擬.學(xué)生可采用這些軟件先對(duì)單項(xiàng)工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后結(jié)合具體器件的實(shí)際工藝流程，對(duì)整個(gè)器件前后道工藝之間的相互聯(lián)系進(jìn)行模擬分析，進(jìn)而全面了解半導(dǎo)體器件制造流程及其各項(xiàng)工藝之間的相互影響.這些實(shí)驗(yàn)過程彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，提高了實(shí)踐教學(xué)效果.

3.2 開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程

集成電路的制造設(shè)備價(jià)格昂貴、對(duì)環(huán)境條件要求苛刻、運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)費(fèi)用大，國(guó)內(nèi)多數(shù)高校不具備工藝線.但是隨著國(guó)家科研經(jīng)費(fèi)的增加，多數(shù)高校購(gòu)置了一些與集成電路制造工藝相關(guān)的科研設(shè)備，如：高溫退火設(shè)備、磁控濺射、熱蒸發(fā)鍍膜、化學(xué)氣相沉積以及簡(jiǎn)單的紫外光刻設(shè)備等.可以利用這些科研資源為本科生開設(shè)最基本的半導(dǎo)體平面工藝實(shí)驗(yàn).可以實(shí)現(xiàn)氧化、薄膜制備、電極制備、光刻和濕法刻蝕等工藝.通過實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，可使他們加深對(duì)制造工藝的理解和認(rèn)識(shí).

3.3 參觀實(shí)習(xí)

必須與相關(guān)半導(dǎo)體研究單位及制造公司進(jìn)行了密切的校企合作，創(chuàng)造條件開拓實(shí)習(xí)渠道、培養(yǎng)合格人才.參觀企業(yè)使學(xué)生對(duì)集成電路的生產(chǎn)場(chǎng)地以及超凈環(huán)境要求更具感性和深刻的認(rèn)識(shí).通過技術(shù)人員對(duì)相關(guān)的工藝環(huán)境、設(shè)備、技術(shù)和工藝流程的講解及操作演示，使學(xué)生對(duì)集成電路制造流程、制造工藝過程以及測(cè)試封裝的理解更加系統(tǒng)和全面.

〔1〕關(guān)旭東.硅集成電路工藝基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社,2008.

〔2〕李惠軍.現(xiàn)代集成電路制造技術(shù)原理與實(shí)踐[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009.