集成無源工藝可視化和動(dòng)態(tài)化在微電子專業(yè)工程教學(xué)中的應(yīng)用

強(qiáng) 天，姜巖峰

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

微電子是一門實(shí)用性、綜合性很強(qiáng)的工程學(xué)科、優(yōu)勢學(xué)科，其中包括半導(dǎo)體器件物理、集成電路工藝、集成電路及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測試等內(nèi)容，涉及了電磁學(xué)、固體物理學(xué)、材料科學(xué)、電子線路等多個(gè)領(lǐng)域的研究[1-2]。在微電子專業(yè)新工科建設(shè)背景下[3]，應(yīng)改革以往重理論、輕實(shí)踐的教學(xué)方式，將教育的中心轉(zhuǎn)移到提升學(xué)生的工程創(chuàng)新能力上，培養(yǎng)出創(chuàng)新型、多元化、高素質(zhì)的卓越工程人才[4]。

1 集成無源工藝發(fā)展現(xiàn)狀

集成無源工藝是微電子專業(yè)學(xué)習(xí)中不可或缺的內(nèi)容，集成無源器件的設(shè)計(jì)以射頻集成電路中常用的濾波器、耦合器、功率分配器、共用器、天線等器件為主。這種工藝通過制作各種電阻、電容、電感元件以及低電感接地板和連接無源元件的傳輸線走線來完成電路設(shè)計(jì)。作為連接宏觀無源器件設(shè)計(jì)仿真與微觀微納米加工工藝的橋梁，集成無源工藝在合適的載體襯底材料中的制造工藝能滿足所要求的元件性能和精度指標(biāo)，不復(fù)雜，需要的掩模數(shù)較少(一般為 5～9張)。

對于集成無源加工技術(shù)中涉及的基本微納米加工工藝學(xué)習(xí)，如曝光、顯影、鍍膜、擴(kuò)散、刻蝕等，有助于學(xué)生理解微電子學(xué)科后續(xù)的理論和專業(yè)課程。但當(dāng)前微電子專業(yè)課程中對于微納米加工工藝的教學(xué)內(nèi)容主要集中在半導(dǎo)體物理理論教學(xué)和器件性能參數(shù)的公式計(jì)算上，對于微納米加工工藝流程和仿真模型建立的教學(xué)內(nèi)容涉獵不足。

由于微納米加工工藝實(shí)踐機(jī)會(huì)少，而且課本中的學(xué)習(xí)內(nèi)容和當(dāng)前微電子發(fā)展所亟待解決的科學(xué)問題以及所面臨的困境不能產(chǎn)生相應(yīng)聯(lián)系，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性會(huì)降低。本研究嘗試在集成無源工藝的講授中適時(shí)融入可視化、動(dòng)態(tài)化的工藝流程、微納米電鏡圖片、3D建模仿真模型，讓學(xué)生看得見加工工藝流程，學(xué)得懂基本微納米工藝，用得會(huì)3D建模仿真軟件，以期為微電子專業(yè)課程中涉及微納米加工工藝的工程教學(xué)提供可行的參考方案。

2 微電子專業(yè)工程教育面臨的問題

2.1 平臺(tái)及師資力量存在差異性

高校平臺(tái)資源匹配不均，教師資源存在差異性，對課程的理解程度及講解深度參差不齊，使得學(xué)生的接受程度也不盡不同，有的學(xué)生理解較為深刻，有的學(xué)生理解較為淺顯。

2.2 基礎(chǔ)課程內(nèi)容比較抽象，學(xué)生理解困難

半導(dǎo)體物理、固體物理等課程是微電子專業(yè)方向的基礎(chǔ)和重中之重，但課程內(nèi)容抽象，理解難度大，學(xué)生抽象思維能力不足，導(dǎo)致學(xué)生對該課程的興趣降低，考試成績不理想。

2.3 傳統(tǒng)教學(xué)呆板化

傳統(tǒng)教學(xué)方式對于微電子學(xué)科來說已經(jīng)無法滿足時(shí)代要求，而且該學(xué)科的操作性和實(shí)踐性強(qiáng)。日益發(fā)展的科研水平與教學(xué)模式對可視化和動(dòng)態(tài)化的要求逐漸提升，需要對教育方式進(jìn)行改革創(chuàng)新。

2.4 人文素質(zhì)教育缺失

傳統(tǒng)理工科教學(xué)模式往往重理工輕人文，忽視了人文素養(yǎng)在理工科學(xué)習(xí)及應(yīng)用中所占的比重及產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響。長此以往，導(dǎo)致理工科學(xué)生只專注搞科研，忽視了產(chǎn)學(xué)研的鏈條式發(fā)展，學(xué)生走上工作崗位后無法很好地融入團(tuán)隊(duì)建設(shè)與協(xié)作。

2.5 傳統(tǒng)教學(xué)模式對設(shè)備操作的依賴性不利于成本控制

若高校平臺(tái)資源或師資資源分配不足，大量實(shí)驗(yàn)將會(huì)被擱置，只能陷入被動(dòng)式教學(xué)，學(xué)生接受程度低，興趣減弱。傳統(tǒng)教學(xué)模式中對設(shè)備操作的依賴性不利于成本控制，受制約因素影響較大。

3 集成無源工藝可視化和動(dòng)態(tài)化在微電子專業(yè)工程教學(xué)中的應(yīng)用

為突出微電子專業(yè)中微納米加工工藝的重點(diǎn)，即有源器件加工工藝、無源器件加工工藝、傳感器器件加工工藝，搭建了模擬仿真教學(xué)平臺(tái)，讓學(xué)生能夠高效接受并理解課程教學(xué)內(nèi)容。以集成無源加工工藝為例，將其可視化和動(dòng)態(tài)化應(yīng)用到微電子專業(yè)工程教學(xué)中，并結(jié)合微納米電鏡圖片對工藝流程和關(guān)鍵工藝進(jìn)行詳盡展示，然后通過軟件3D建模仿真對加工工藝流程進(jìn)行模擬和結(jié)果驗(yàn)證，以完成對集成無源器件的設(shè)計(jì)。

3.1 讓學(xué)生看得見

利用軟件將集成無源加工工藝的流程進(jìn)行動(dòng)畫展示，逐步講解流程，降低工藝流程的抽象化程度，以便學(xué)生理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也能降低設(shè)備成本。工藝中涉及曝光、顯影、鍍膜、擴(kuò)散、刻蝕等基礎(chǔ)微納米加工步驟，清晰明了，讓學(xué)生看得見。

3.2 讓學(xué)生學(xué)得懂

對集成無源工藝中的關(guān)鍵加工工藝進(jìn)行微納米電鏡圖片剖析，將微觀世界的加工工藝進(jìn)行宏觀展示，給學(xué)生以直觀的印象，便于學(xué)生理解該課程的重難點(diǎn)，讓學(xué)生學(xué)得懂。

3.3 讓學(xué)生用得會(huì)

3D建模仿真軟件是學(xué)習(xí)微納米加工工藝的有效工具。集成無源加工工藝可以通過HFSS、ADS、CST等多種3D建模仿真軟件進(jìn)行輔助學(xué)習(xí)和理解。建模過程等同于加工過程，對于集成無源器件的精確建模需要理解其加工工藝。軟件仿真結(jié)果的優(yōu)異性能夠反映出學(xué)生對加工流程的理解程度，在此過程中可提升動(dòng)手實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，讓學(xué)生有章可循，有據(jù)可查。