微電子工藝學(xué)課程教學(xué)方式改革探究

謝海情 劉剛 唐俊龍

摘? 要 微電子工藝學(xué)對(duì)于半導(dǎo)體領(lǐng)域的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。通過本課程的學(xué)習(xí)，了解和掌握半導(dǎo)體材料制備技術(shù)、微電子器件與集成電路制造工藝原理與技術(shù)，為微電子器件和集成電路的設(shè)計(jì)和制造奠定基礎(chǔ)。從教學(xué)手段、實(shí)踐能力和考核方法三個(gè)方面對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行改革，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 微電子工藝學(xué);教學(xué)改革;仿真實(shí)驗(yàn);多媒體

中圖分類號(hào)：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）06-0092-03

Research on Teaching Method Reform of Microelectronics Technology//XIE Haiqing， LIU Gang， TANG Junlong

Abstract Microelectronics Technology plays an important role in the development of the semiconductor field. Through the study of this?course， understand and master the semiconductor material prepara-tion technology， microelectronic device and integrated circuit manufacturing process principles and technologies， and lay the foundation?for the design and manufacture of microelectronic devices and inte-grated circuits. This article reforms the curriculum teaching from three aspects of teaching methods， practical ability and assessment methods， to increase students’ interest in learning and improve tea-ching effects.

Key words microelectronics technology; teaching reform; simula-tion experiment; multimedia

0 引言

縱觀人類文明發(fā)展歷程，不難發(fā)現(xiàn)人類生活水平的提高和生活方式的轉(zhuǎn)變與科技發(fā)展有著密切聯(lián)系。隨著信息時(shí)代的到來，集成電路的迅猛發(fā)展推動(dòng)了科技的進(jìn)步[1]，而在微電子器件和集成電路設(shè)計(jì)制造過程中形成的微電子工藝學(xué)更是集成電路制備的關(guān)鍵，成為研究的熱點(diǎn)。我國的集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚，為了扭轉(zhuǎn)我國集成電路產(chǎn)業(yè)當(dāng)前的不利地位，國家在集成電路產(chǎn)業(yè)投入大量的人力、物力資源，以加速我國集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而微電子工藝學(xué)也成為諸多高校微電子學(xué)科必開的課程之一，致力于培養(yǎng)集成電路工藝人才[2]。為了提高學(xué)生對(duì)微電子工藝知識(shí)的掌握，本文針對(duì)微電子工藝學(xué)教學(xué)中存在的問題，探索對(duì)微電子工藝學(xué)教學(xué)方法進(jìn)行改革[3]。

1 教學(xué)現(xiàn)狀和主要問題

教學(xué)手段單一? 大部分有條件的高校都在教室中安裝多媒體，希望利用多媒體的靈活性和多樣性來豐富教學(xué)內(nèi)容。然而，微電子工藝學(xué)這門學(xué)科注重的是對(duì)集成電路制造工藝流程的解析，通過單獨(dú)分析氧化、離子注入、光刻等工藝流程，讓學(xué)生充分理解集成電路的工藝原理，以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)集成電路制造工藝進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的能力，但是大部分采用放映PPT教學(xué)，形式單一。雖然PPT相對(duì)于傳統(tǒng)的板書教學(xué)更加靈活多樣，但是其本質(zhì)也只是把紙質(zhì)課本換成電子課本，不利于提高學(xué)生在課堂上的積極性和創(chuàng)造性，更無法將所學(xué)知識(shí)與實(shí)際相聯(lián)系。面對(duì)復(fù)雜、繁多甚至是三維立體的工藝流程[4]，僅憑PPT一種教學(xué)手段不能滿足微電子工藝學(xué)的教學(xué)要求，無法給予學(xué)生更客觀與立體的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生形成完整和系統(tǒng)的概念。

另外，根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，教材更多的是對(duì)技術(shù)的介紹，涉及工藝原理較少，比如教材對(duì)擴(kuò)散摻雜工藝只作了簡(jiǎn)單描述，對(duì)其原理的介紹少之又少，導(dǎo)致學(xué)生無法更好地去掌握關(guān)鍵工藝的原理和物理基礎(chǔ)。此外，教學(xué)過程中也缺乏因材施教，沒有讓學(xué)生更好地抓住側(cè)重點(diǎn)，也沒有使學(xué)生養(yǎng)成自主查閱文獻(xiàn)的好習(xí)慣，失去更好地了解前沿知識(shí)的機(jī)會(huì)。

缺少對(duì)學(xué)生獨(dú)立思考能力的培養(yǎng)? 我國教育長(zhǎng)期以來的一個(gè)不足就是缺乏對(duì)學(xué)生獨(dú)立思考的學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。在傳統(tǒng)教學(xué)工作中，教師教學(xué)更多是以《微電子工藝學(xué)》教材內(nèi)容為主，向?qū)W生傳授理論知識(shí)，注重整個(gè)微電子工藝知識(shí)構(gòu)架的培養(yǎng)。在傳統(tǒng)應(yīng)試教育的培養(yǎng)下，大多數(shù)學(xué)生只會(huì)被動(dòng)地跟著教師的觀點(diǎn)走，跟著書本的觀點(diǎn)走，一方面是教師忽視了對(duì)學(xué)生思維方法的培養(yǎng)，另一方面是學(xué)生已經(jīng)習(xí)慣了慢慢灌輸，不去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，僅僅接受教師的觀點(diǎn)。在這種教學(xué)模式下，教師就要求學(xué)生死記硬背以教材為準(zhǔn)的教學(xué)內(nèi)容，而對(duì)一些新穎美妙的構(gòu)思往往不僅不給予鼓勵(lì)，反而常常認(rèn)為是異想天開，久而久之，學(xué)生的創(chuàng)新性思維也逐漸消磨殆盡。而微電子工藝學(xué)課程有著知識(shí)點(diǎn)廣、跨越性強(qiáng)的特點(diǎn)，如果只是讓學(xué)生被動(dòng)地學(xué)習(xí)知識(shí)，不僅會(huì)使學(xué)習(xí)效率低下，而且學(xué)到的知識(shí)不進(jìn)行深度思考，就無法真正理解微電子工藝學(xué)的知識(shí)體系。另外，在課堂教學(xué)中，部分教師存在對(duì)學(xué)生發(fā)展認(rèn)同不夠、組織教學(xué)能力不夠、互助意識(shí)淡薄、責(zé)任心不強(qiáng)等問題，如果只是簡(jiǎn)單地把知識(shí)灌輸給學(xué)生，就會(huì)更加讓學(xué)生喪失學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。隨著信息科技的發(fā)展，人們重復(fù)性的體腦力活動(dòng)正在日益遞減，從而有更多時(shí)間去運(yùn)用創(chuàng)造性思維，然而深受灌輸式教學(xué)方式及部分教師教學(xué)能力不夠的影響，大大限制了學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)思考能力的培養(yǎng)。

考核方式脫離實(shí)際? 現(xiàn)今微電子工藝學(xué)課程考核方式以權(quán)重高的期末筆試為主，由授課教師親自出題，重點(diǎn)考查工藝中的氧化、淀積、擴(kuò)散、光刻和集成電路生產(chǎn)流程，學(xué)生總成績(jī)主要由平時(shí)成績(jī)（考勤、作業(yè)）和期末考試成績(jī)按一定比例決定[5-7]。這種以期末考試為主的形式單一的考核方式存在許多弊端，學(xué)生一旦發(fā)揮失常，無法體現(xiàn)真實(shí)水平。另外，最終考核的內(nèi)容更加偏重的是理論知識(shí)，而其實(shí)更應(yīng)該注重的設(shè)計(jì)和分析集成電路工藝的能力卻被忽視，學(xué)生只是理解概念性的知識(shí)，簡(jiǎn)單了解集成電路的工藝流程，并不知道工藝的具體操作流程和注意事項(xiàng)，無法培養(yǎng)分析工藝問題、解決工藝問題、提高良品率的能力。

2 教學(xué)改革的幾點(diǎn)建議

豐富教學(xué)手段? 隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，半導(dǎo)體領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展越來越快，而教材更新顯然跟不上技術(shù)發(fā)展的速度。因此，教師除了依托教材向?qū)W生介紹半導(dǎo)體制造工藝的基本概念和微電子工藝學(xué)技術(shù)方面的內(nèi)容外，還需對(duì)現(xiàn)今教材中涉及很少的離子注入的原理以及氧化過程中雜質(zhì)對(duì)器件特性的影響進(jìn)一步加以補(bǔ)充說明。此外，教師必須加強(qiáng)對(duì)相關(guān)專業(yè)知識(shí)的涉獵與積累，任何技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步都離不開知識(shí)的交流與碰撞。在微電子工藝學(xué)課堂教學(xué)過程中會(huì)涉及復(fù)雜的工藝制造過程，而僅僅利用PPT是完全不夠的，無法讓學(xué)生有直觀清晰的認(rèn)識(shí)。因此，在課程教學(xué)中可以通過增加一些動(dòng)態(tài)的或者是芯片生產(chǎn)過程中的三維立體工藝流程等多媒體視頻，向?qū)W生講解工藝制造過程，充分引起學(xué)生的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

與傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式相比，加入多媒體動(dòng)畫視頻，可以更加生動(dòng)形象地向?qū)W生講解枯燥的理論知識(shí)，讓學(xué)生更加簡(jiǎn)單明了地理解知識(shí)。此外，對(duì)于復(fù)雜的工藝流程內(nèi)容，視覺沖擊力更強(qiáng)的多媒體視頻也能幫助教師在教學(xué)過程中突出教學(xué)重點(diǎn)，起到事半功倍的效果。多媒體教學(xué)的運(yùn)用也可以很好地解決微電子工藝學(xué)內(nèi)容多、課時(shí)少的現(xiàn)象，讓學(xué)生在短暫的課堂教學(xué)時(shí)間內(nèi)掌握更多的知識(shí)，提高教學(xué)效率。同時(shí)，在課外可以讓學(xué)生對(duì)集成電路大生產(chǎn)中的新工藝技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，了解微電子工藝前沿動(dòng)態(tài)和我國集成電路產(chǎn)業(yè)自給率不足的現(xiàn)狀，既可以鍛煉學(xué)生親自動(dòng)手查閱整理相關(guān)資料的能力，也延伸了課堂時(shí)間。當(dāng)前新器件、新工藝、新材料不斷涌現(xiàn)，為集成電路的發(fā)展帶來新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，而微電子工藝是集成電路的一個(gè)重要組成部分，只有充分了解這門學(xué)科的重要性，才會(huì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，有效改善教學(xué)效果。

實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)? 根據(jù)微電子工藝學(xué)課程的實(shí)際需要，將理論教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合。在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力的過程中增加相關(guān)課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，利用ISE TCAD和TSUPREM-4兩大工藝仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，如根據(jù)給出的工藝條件設(shè)計(jì)mos管，給出仿真結(jié)果，最后以報(bào)告的形式進(jìn)行提交。每一組實(shí)驗(yàn)還可以讓學(xué)生制作PPT給大家講解答辯，增強(qiáng)學(xué)生之間的協(xié)作，在答辯過程中提出問題進(jìn)行討論，更能在今后的學(xué)習(xí)中學(xué)會(huì)分析處理問題。這樣不僅可以豐富工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，而且能夠讓學(xué)生明確了解半導(dǎo)體工藝的制造流程，從氧化、淀積、外延、光刻、離子注入等步驟，把工藝的流程具體化，通過軟件實(shí)現(xiàn)一個(gè)器件的具體模型，并對(duì)其特性進(jìn)行仿真，真正從根本上了解器件的工作原理。這種教學(xué)模式鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，也讓學(xué)生掌握了分析處理問題的方法，提高了學(xué)生的創(chuàng)造力和學(xué)習(xí)積極性。更重要的是，學(xué)生在親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的過程中利用微電子工藝知識(shí)使用ISE TCAD和TSUPREM-4等工藝仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)際操作，鞏固了知識(shí)理論，更為以后的科研和工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

改善傳統(tǒng)的考核方式? 傳統(tǒng)的微電子工藝學(xué)課程考核過程以課堂表現(xiàn)與期末成績(jī)?yōu)橹鳎蛔⒅貙W(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握。為了改善這個(gè)狀況，微電子工藝學(xué)課程的成績(jī)應(yīng)該以前沿調(diào)研報(bào)告、理論考試和課程設(shè)計(jì)三部分組成。教師需要提出一些合適的器件結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生以小組為單位選取，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成該器件的仿真、工藝設(shè)計(jì)等流程，最后進(jìn)行考核。學(xué)生需要現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行仿真演示，教師根據(jù)器件的設(shè)計(jì)、仿真完成度進(jìn)行評(píng)分。微電子工藝課程成績(jī)由這三部分成績(jī)組合而成，這樣可以全面考查學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)、分析問題以及解決問題的能力，達(dá)到微電子工藝學(xué)的教學(xué)要求。

3 結(jié)語

微電子工藝學(xué)是電子科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)的重要課程之一，改革微電子工藝學(xué)課程教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量，對(duì)推動(dòng)我國半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。它的改革不是一蹴而就的，一方面需要豐富教學(xué)手段，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性;另一方面要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。唯有雙管齊下，才能夠?qū)崿F(xiàn)提高課程教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)，培養(yǎng)出滿足時(shí)代要求、具有較高創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才。

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*基金項(xiàng)目：2019年度湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目“電子信息類專業(yè)本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式探索與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號(hào)：2019-257）;2019年長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)位與研究生教育改革研究項(xiàng)目“產(chǎn)學(xué)研模式下的集成電路方向研究生培養(yǎng)機(jī)制研究與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號(hào)：JG2019YB20）。

作者：謝海情，長(zhǎng)沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，副教授，研究方向?yàn)槲⒐怆娮悠骷c系統(tǒng)集成和專用集成電路設(shè)計(jì);劉剛，長(zhǎng)沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，研究方向?yàn)槲⒐怆娖骷c集成技術(shù);唐俊龍，長(zhǎng)沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，副教授，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)和集成電路芯片設(shè)計(jì)（410114）。