微電子材料與器件課程教學(xué)改革初探

毛啟楠

[摘? ? ? ? ? ?要]? 微電子材料與器件主要介紹微電子領(lǐng)域中相關(guān)材料、器件以及工藝技術(shù)，是一門應(yīng)用性較強(qiáng)的課程?？偨Y(jié)課程教學(xué)現(xiàn)狀和所存在的問題，并從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和考核方式三個(gè)方面對課程教學(xué)改革進(jìn)行探討。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 微電子材料與器件;教學(xué)改革;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)手段;考核方式

[中圖分類號]? G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）18-0128-02

一、引言

在當(dāng)今所處的信息時(shí)代，集成電路對經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和國家安全的重要性是不言而喻的。然而，集成電路制造極其復(fù)雜，僅有少數(shù)幾個(gè)國家掌握高端芯片的制造技術(shù)及相關(guān)設(shè)備。我國的集成電路制造仍與世界尖端水平存在一定的差距，關(guān)鍵技術(shù)和高端設(shè)備受制于人。芯片高度依賴進(jìn)口的情況未來可能影響到國家的信息安全、經(jīng)濟(jì)安全和國防安全。因此，集成電路的自主可控是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。近年來，國家相繼出臺了一系列的文件和政策鼓勵(lì)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并成立大基金投資和扶持相關(guān)企業(yè)。在創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的時(shí)代背景下，集成電路產(chǎn)業(yè)必將進(jìn)入高速發(fā)展期。同時(shí)，產(chǎn)業(yè)對相關(guān)人才的需求量也會(huì)明顯增加。

微電子材料與器件是我校材料科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)限選課，主要介紹硅材料以及硅基器件在微電子領(lǐng)域中的制造工藝，也涉及化合物半導(dǎo)體材料與器件的相關(guān)內(nèi)容。該門課程有別于傳統(tǒng)的理論課，應(yīng)用性較強(qiáng)，更貼近于實(shí)踐。目的是讓學(xué)生了解和掌握微電子材料與器件的工藝原理、工藝設(shè)備和工藝流程，提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力，為學(xué)生在相關(guān)領(lǐng)域的就業(yè)和深造奠定良好的基礎(chǔ)。本文通過筆者多年在微電子材料與器件課程的教學(xué)經(jīng)歷，針對課程教學(xué)現(xiàn)狀、專業(yè)特點(diǎn)和微電子領(lǐng)域發(fā)展情況，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和考核方式上提出了一些教學(xué)改革的思路和意見。

二、課程現(xiàn)狀及教學(xué)所存在的問題

微電子材料與器件面向材料科學(xué)與工程專業(yè)大學(xué)三年級學(xué)生，課程結(jié)合了各高校微電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)廣泛開展的半導(dǎo)體物理與器件和集成電路工藝的授課內(nèi)容，但又有別于這兩門課程。微電子材料與器件安排了一部分學(xué)時(shí)講授半導(dǎo)體材料與器件，但這塊內(nèi)容比半導(dǎo)體物理與器件中的相關(guān)知識點(diǎn)更為深入。同時(shí)，課程也安排了較大比重的學(xué)時(shí)講授微電子器件和集成電路的制造工藝。與集成電路工藝相比，課程不僅關(guān)注傳統(tǒng)硅基器件的工藝，還覆蓋了化合物半導(dǎo)體器件和新型微電子器件的工藝。在教學(xué)過程中，該課程仍存在一些問題。

（一）教學(xué)內(nèi)容涉及面廣，無合適教材

微電子材料與器件教學(xué)內(nèi)容涵蓋材料、器件和工藝，其中涉及物理、化學(xué)、材料、電子、機(jī)械等主要領(lǐng)域，更與許多理科和工科的細(xì)分學(xué)科密切相關(guān)，涉及面廣，交叉性強(qiáng)。目前，很難調(diào)選出一本教材能夠符合課程的教學(xué)大綱和學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)。而且，微電子器件和工藝技術(shù)發(fā)展迅速，知識更新較快，而現(xiàn)有教材內(nèi)容較為陳舊，多為介紹二十年前的器件結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)，無法緊跟研究前沿和產(chǎn)業(yè)尖端。

（二）學(xué)生知識儲備不夠，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)欠缺

微電子材料與器件開設(shè)在大學(xué)第五學(xué)期。首先，雖然學(xué)生已學(xué)習(xí)材料科學(xué)基礎(chǔ)、半導(dǎo)體物理學(xué)、材料制備技術(shù)等專業(yè)課程，但對微電子器件相關(guān)知識的認(rèn)識不夠深入。其次，材料專業(yè)的學(xué)生在電子技術(shù)、真空技術(shù)、光學(xué)等方面的知識非常薄弱，對一些知識點(diǎn)的掌握較為吃力。最后，盡管學(xué)生已修幾門材料相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程，少數(shù)學(xué)生也參加了科研訓(xùn)練計(jì)劃，但在實(shí)踐層面上對材料制備方法及其設(shè)備的了解不夠，分析和解決實(shí)際問題的能力欠缺。而課程中器件工藝部分的知識恰恰與實(shí)際結(jié)合非常緊密。因此，學(xué)生無法體會(huì)到某些工藝創(chuàng)新的精妙之處，反而覺得遠(yuǎn)離他們的認(rèn)知，難以消化相關(guān)內(nèi)容。

（三）課堂氣氛沉悶，學(xué)生積極性不高

總體來說，微電子材料與器件課堂氣氛較為沉悶，學(xué)生課堂討論的參與度和積極性不高，缺乏對課程學(xué)習(xí)的興趣。筆者認(rèn)為，其原因主要來自三個(gè)方面：（1）教師主要以講授法授課，并配合PPT對課程內(nèi)容進(jìn)行講解。授課方式和內(nèi)容稍顯枯燥，不夠生動(dòng)，難以吸引學(xué)生的注意力。（2）教學(xué)內(nèi)容涉及較廣，學(xué)生的知識儲備與教學(xué)內(nèi)容不匹配，學(xué)生無法透徹理解授課內(nèi)容。為應(yīng)付考核，學(xué)生只能通過死記硬背的方法學(xué)習(xí)課程。（3）課程的應(yīng)用性較強(qiáng)，多數(shù)內(nèi)容會(huì)涉及工業(yè)化生產(chǎn)層面。該部分內(nèi)容與學(xué)生日常接觸的事物相距較遠(yuǎn)，學(xué)生不太關(guān)心，也表現(xiàn)出極少的興趣。

（四）實(shí)踐教學(xué)資源匱乏

實(shí)踐教學(xué)是輔助微電子材料與器件課堂教學(xué)的有效手段，能夠幫助學(xué)生直觀了解材料與器件的制備流程和工藝技術(shù)。然而，一整套硅基MOS器件的工藝設(shè)備價(jià)格昂貴，少有高校擁有如此條件供學(xué)生進(jìn)行相關(guān)實(shí)踐性學(xué)習(xí)。此外，由于集成電路需要在潔凈環(huán)境中生產(chǎn)，相關(guān)企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化管理方式難以讓學(xué)生進(jìn)入生產(chǎn)核心區(qū)域，去了解生產(chǎn)工藝過程。所以，實(shí)踐教學(xué)資源匱乏在某種程度上使教學(xué)效果有所下降。

三、課程教學(xué)改革與實(shí)踐

（一）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合專業(yè)的實(shí)際情況和前沿科技的發(fā)展情況，筆者重新對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行梳理和優(yōu)化，主要分成三部分內(nèi)容。第一部分內(nèi)容主要包括傳統(tǒng)的硅基微電子器件和工藝。其中，在硅基微電子器件方面，筆者充分了解了本專業(yè)的半導(dǎo)體物理學(xué)和半導(dǎo)體材料課程的教學(xué)情況，基于這兩門課的相關(guān)內(nèi)容之上，將器件的知識點(diǎn)進(jìn)行延伸，使學(xué)生所學(xué)知識與課程內(nèi)容之間建立較好的銜接關(guān)系，又為學(xué)生學(xué)習(xí)工藝相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行知識鋪墊。在硅基微電子工藝方面，本課程會(huì)涵蓋集成電路制造中前道工藝相關(guān)內(nèi)容。除此之外，為緊跟集成電路產(chǎn)業(yè)前進(jìn)步伐，本課程還按時(shí)間線講授MOS場效應(yīng)晶體管工藝中的各項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新以解決器件的短溝道效應(yīng)。第二部分內(nèi)容主要包括基于半導(dǎo)體化合物的電子器件及其工藝技術(shù)。以GaAs和GaN為代表的III-V族半導(dǎo)體微波器件和功率器件已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并趨向成熟，其市場規(guī)模將在未來幾年高速增長。學(xué)生在本課程中應(yīng)掌握這類器件的相關(guān)知識，為更多的就業(yè)機(jī)會(huì)做好準(zhǔn)備。第三部分內(nèi)容主要包括基于新材料和新工作原理的邏輯器件和存儲器件及其制備方法。這部分內(nèi)容可讓學(xué)生了解微電子材料和器件最為前沿的發(fā)展情況，也為有意繼續(xù)深造的學(xué)生在選擇材料專業(yè)相關(guān)的研究方向時(shí)提供參考。基于以上授課內(nèi)容，課程以筆者上課講義和自編資料為教學(xué)材料，并選取合適的專著作為參考書。這樣，學(xué)生通過從傳統(tǒng)微電子材料和器件到新型微電子材料和器件的學(xué)習(xí)，從經(jīng)典的微電子工藝到先進(jìn)的微電子工藝的學(xué)習(xí)，可對微電子材料和器件有個(gè)全面且較為系統(tǒng)的認(rèn)識。

（二）豐富教學(xué)手段

為提升課堂教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，筆者從以下四個(gè)方面對教學(xué)方式進(jìn)行改革：（1）利用貼近生活的事物或熱議的話題進(jìn)行每一章節(jié)的課程導(dǎo)入，利用淺顯易懂的類比講解物理概念和物理過程。例如：利用近一年來筆記本和手機(jī)高功率充電器的小型化來導(dǎo)入基于化合物半導(dǎo)體功率器件的課程內(nèi)容，利用相機(jī)鏡頭的光圈與景深的關(guān)系類比光刻機(jī)的焦深與數(shù)值孔徑的關(guān)系。這樣的方式更容易使課程內(nèi)容吸引學(xué)生的注意力，也更容易使課程內(nèi)容被學(xué)生理解。（2）利用視頻資源輔助課程內(nèi)容講解。課程中微電子制造工藝的相關(guān)內(nèi)容涉及復(fù)雜的工業(yè)化設(shè)備以及設(shè)備中復(fù)雜的物理化學(xué)過程。視頻內(nèi)容能夠清楚直觀地表現(xiàn)出實(shí)際工藝過程，有助于學(xué)生加深這些知識點(diǎn)的印象，在一定程度上彌補(bǔ)缺少實(shí)踐教學(xué)資源所帶來的影響。（3）利用專題講解厘清知識脈絡(luò)。由于課程內(nèi)容涉及面非常廣，學(xué)生自身對知識點(diǎn)的歸納和總結(jié)方面存在一定的難度，時(shí)常感覺理不清頭緒。筆者將部分內(nèi)容歸納總結(jié)，以專題的形式進(jìn)行講解，使相關(guān)內(nèi)容的知識脈絡(luò)更為清晰，更具有邏輯性。（4）利用學(xué)生口頭報(bào)告提高課程參與度。筆者就課程中的某一類新型器件或某一個(gè)問題，安排學(xué)生以組為單位進(jìn)行口頭報(bào)告并展開師生討論。這樣有助于活躍課堂氣氛，提高學(xué)習(xí)效率并加深課程內(nèi)容的理解。

（三）改進(jìn)考核方式

課程考核是評價(jià)教學(xué)質(zhì)量和衡量學(xué)習(xí)效果的一種方式，同時(shí)也能夠?qū)W(xué)生的學(xué)習(xí)行動(dòng)起到導(dǎo)向和激勵(lì)作用。所以，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)、課程特點(diǎn)和學(xué)生學(xué)情，制定科學(xué)合理的考核方式對教學(xué)過程是十分重要的。在微電子材料和器件課程中，以往的平時(shí)考核區(qū)分度不大，未能很好地體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況;而期末考試占比較大，且部分題目較為死板。為鼓勵(lì)學(xué)生重視課程的學(xué)習(xí)過程，真正學(xué)懂、學(xué)透課程內(nèi)容，筆者增加平時(shí)成績占比（總成績的40%），將口頭匯報(bào)、課堂發(fā)言、課堂討論、課外作業(yè)和課外調(diào)查一系列任務(wù)和表現(xiàn)納入平時(shí)考核，并嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)考核方式，促使學(xué)生積極參與課堂教學(xué)，投入課外時(shí)間進(jìn)行自學(xué)，通過平時(shí)的積累來掌握課程內(nèi)容和提升自身能力;減小期末成績占比（總成績的60%），提高期末試題的靈活性和開放性，考查學(xué)生運(yùn)用知識分析問題和解決問題的能力。

四、結(jié)語

微電子材料和器件我校材料專業(yè)為大學(xué)三年級學(xué)生所開設(shè)的一門限選課。該課程主要存在教學(xué)內(nèi)容涉及面廣、學(xué)生知識儲備不夠、課堂氣氛沉悶和實(shí)踐資源缺乏這四個(gè)方面的問題。針對以上問題，筆者提出了通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、豐富教學(xué)手段和改進(jìn)考核方式對課程進(jìn)行教學(xué)改革，從而使學(xué)生掌握課程內(nèi)容，提高他們分析和解決實(shí)際問題的能力，為學(xué)生在相關(guān)領(lǐng)域的就業(yè)和深造奠定良好的基礎(chǔ)。

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編輯 趙瑞峰