《集成電路工藝原理》教學內容的改革探索

摘 要： 教學內容的設計是教學過程中的關鍵環(huán)節(jié)之一，只有合理選擇和組織教學內容，恰當安排教學內容的表述，才能有效地保證教學質量。本文從《集成電路工藝原理》課程特點出發(fā)，針對培養(yǎng)創(chuàng)新型大學生的需求，深入剖析了目前課程教學中存在的主要問題，提出了在課程教學內容改革方面的一些措施，以期達到激發(fā)學生學習興趣，增強學生學習動力，提高課堂教學質量的目標。

關鍵詞： 大規(guī)模集成電路 集成電路制造工藝 教學內容

21世紀以來，信息產業(yè)已成為我國國民經濟發(fā)展的支柱產業(yè)之一，同時也是衡量一個國家科技發(fā)展水平和綜合國力的重要指標。超大規(guī)模集成電路技術是信息產業(yè)的重要基礎，而集成電路制造工藝又是超大規(guī)模集成電路的核心技術。因此，對集成電路工藝的優(yōu)化和創(chuàng)新就成為提高信息產業(yè)綜合實力，增強國家科技競爭力的關鍵所在。近年來，盡管我國微電子技術不斷進步，但與微電子技術發(fā)達的國家相比，仍存在著相當大的差距。因此，要實現(xiàn)由集成電路生產制造大國向集成電路研發(fā)強國的轉變，就迫切需要培養(yǎng)一批高質量的超大規(guī)模集成電路工藝技術人才[1]，這也正是《集成電路工藝原理》這門課程所要實現(xiàn)的目標。

然而，目前《集成電路工藝原理》課程的教學效果并不理想[2]，[3]，究其根本原因在于該課程存在內容陳舊、知識點離散、概念抽象、目標不明確等不足[4]。同時，由于大部分普通高校沒有足夠的實驗設備和模擬仿真實驗平臺，無法使學生熟悉和掌握工藝儀器的操作，導致學生所學知識與實際應用嚴重脫鉤，甚至失去學習積極性，產生厭學情緒。為此，依據我院微電子專業(yè)本科生的教學情況，我詳細分析了教學過程中存在的問題，提出了改革方案。

一、目前教學中存在的問題

1.學習目標不明確?，F(xiàn)有的教學內容往往采用先分別獨立講授單項加工工藝，待所有工藝全部講授完畢，再綜合利用所有工藝演示制作CMOS集成電路芯片的流程。這種教學模式會造成學生在前期的理論學習過程中目標不明確，無法掌握單項工藝在芯片加工中的作用，不能與實際器件加工進行對應，造成所學知識與實際應用嚴重錯位，降低了學生的學習積極性和主動性。

2.知識銜接性差。本課程的重點內容是集成電路工藝的物理基礎和基本原理，它涉及熱學、原子物理學、半導體物理等離子體物理、化學、流體力學等基礎學科，然而，大部分學生并未系統(tǒng)地學習過譬如等離子體物理、流體力學等課程，這就不可避免地造成了教學內容跨越性大的問題，無法實現(xiàn)知識的正常銜接，致使學生對基本概念和基本物理過程難以理解，從而影響學生的學習興趣。

3.課程內容抽象，不易理解。由于該課程的基本概念、物理原理和物理過程多而繁雜，再加上各種不同工藝之間的配合與銜接，導致內容抽象難懂。教師在課堂上按照常規(guī)講法，費時費力，學生對所講內容仍無法徹底理解，難以完成知識的遷移。

4.教學資源匱乏?，F(xiàn)有教材中嚴重缺乏集成電路加工方法的可視化資料，大量使用文字敘述描述物理過程和工藝流程，致使課程講授枯燥乏味，學生無法真正理解教學內容，很難產生學習興趣。

綜上所述，在現(xiàn)有集成電路工藝原理的教學過程中還存在一些嚴重影響教學質量的因素。為了響應國家“十二五”規(guī)劃中明確提出的建設創(chuàng)新型國家的任務，培養(yǎng)創(chuàng)新型大學生的要求，我們必須逐步改革和完善現(xiàn)有的教學內容及教學模式[5]，提高教學質量，為培養(yǎng)開創(chuàng)未來的全面發(fā)展型人才奠定基礎。

二、教學內容的整體規(guī)劃

為了讓學生明確教學目標，突出教學重點，需要摒棄傳統(tǒng)的教學思路[6]，構建“先整體、后部分；先目標、后工藝”的教學思路，對教學內容進行重新設計，使其更加符合學生的認知規(guī)律。我們拋棄了傳統(tǒng)的教學內容編排方式，提出了整個課程主要圍繞一個通用、典型的集成電路芯片的加工和制備展開，使學生明確本課程的教學目標。首先給出典型器件的模型，分析其各部分的材料和結構，明確器件的不同組成部分并進行歸類，依據器件加工的先后順序，然后模塊化講授器件每部分的加工方法、工藝原理和加工流程，逐步完成集成電路的全部制作，進而完成整個課程內容的講授。這樣就能用一條主線串起每塊學習內容，使學生明確每種工藝的原理、流程和用途，做到有的放矢，并能與實際應用較好地融合在一起，進而提高學生的學習主動性，增強課堂教學效果。

三、教學內容的選取與組織

1.教材的選擇

集成電路工藝的發(fā)展遵循摩爾定律，隨著理論的深入和技術的革新，現(xiàn)有的大部分《集成電路工藝原理》教材顯得陳舊、落后，無法適應現(xiàn)代工藝技術的發(fā)展和教學的需求。

為此，本課程的教材最好采用現(xiàn)有經典教材和前沿科學研究成果相結合的方式，現(xiàn)有經典教材有美國明尼蘇達大學的《微電子制造科學原理與工程技術》[3]和北京大學的《硅集成電路工藝基礎》[7]等，這些教材內容全面，幾乎覆蓋了所有的集成電路加工方法，而且原理講解深入透徹，具有較強的理論性。這些教材知識結構基本上是按照傳統(tǒng)的教學思路編排，所以要打破這種思維的束縛，設計出一個具有代表性器件的加工過程，然后把教材中的工藝原理、工藝流程融入器件的加工過程中。這就要求我們不能照搬書本上的知識內容，需要根據課程的新設計方案重新整合講義。同時還應該注意，為了擴充學生的知識面，還應該摘取一些具有代表性的最新前沿成果，不僅使學生的知識體系具有完整性，而且能進一步調動他們的創(chuàng)造性。

2.教學內容的選取

依據課程“先整體、后部分；先目標、后工藝”的教學思路，采用“范例”教學模式，教學內容可以劃分為九大知識模塊：典型CMOS器件、外延、氧化、擴散、離子注入、物理氣相淀積、化學氣相淀積、光刻與刻蝕、隔離與互聯(lián)。首先，通過一個典型CMOS器件的結構分析，獲得制作一個芯片所需的材料與結構，然后簡要給出不同材料和結構的加工方法，讓學生對課程整體內容有宏觀把握，初步了解每種工藝的基本功能。其次按照器件加工的順序，對不同工藝分別從發(fā)展歷史、工藝原理、工藝流程、工藝特點等方面進行詳細闡述，使學生對工藝原理深入理解，工藝流程熟練掌握，最后完成整個器件的制作。

3.教學內容的組織

對每部分教學內容要堅持“基礎知識銜接、主流工藝突出、淘汰工藝刪減、最新工藝提及”的原則。由于本課程以工藝的物理基礎和基本原理為重點內容，這是本課程的教學難點，為了讓學生更加清晰地理解和掌握其工藝原理，需要適當地補充一些課程必備的物理基礎知識。主流工藝是本課程的主要內容，要求學生對原理、流程、性能、使用范圍等深入理解，熟練掌握。因此，這部分內容要進行詳細講解。淘汰工藝是本課程的了解內容，目前淘汰工藝在現(xiàn)有教材中占據的篇幅和課時還比較多，且有喧賓奪主之勢，為了讓學生了解和熟悉集成電路工藝的發(fā)展歷史，需要進行適當的概括壓縮或刪減處理。最新工藝是本學科的前沿研究內容，為了擴充學生的知識，開闊學生的視野，應該適當地補充一些新型工藝技術，為學生將來進一步研究深造奠定基礎。

四、結語

《集成電路工藝原理》是微電子學專業(yè)本科生的一門重要的專業(yè)基礎課程，本課程的目的是使學生掌握集成電路制造工藝流程和基本原理。只有通過精心選擇優(yōu)秀教材，合理設計教學內容，使理論與實踐緊密結合，才能激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新思維，進而有效地提高課堂教學質量，為培養(yǎng)科技創(chuàng)新型人才奠定基礎。

參考文獻：

[1]彭英才.兼談《集成電路工藝原理》課的教學體會與實踐[J]，高等理科教育，2003（50）.

[2]李尊朝.集成電路工藝課程教學改革探析[J].實驗科學與技術，2010（8）.

[3]李琦，趙秋明，段吉海.工程教育背景下“集成電路工藝”的教學探索[J].中國電力教育，2011.

[4]邵春聲.淺談《集成電路制造工藝》的課程建設和教學實踐[J].常州工學院學報，2010（23）.

[5]湯乃云.“集成電路工藝原理”課程建設與教學改革探討[J].中國電力教育，2012.

[6]劉新.《集成電路制造工藝》精品課程教學內容設計[J].重慶城市管理職業(yè)學院學報，2009（9）.

[7]劉歡，王健，李金鳳.《集成電路工藝》理論教學與實踐改革探討[J].考試周刊，2012.