微電子技術(shù)實訓(xùn)平臺建設(shè)與實踐探索

管圖華， 黃媛媛

(南通大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，江蘇 南通 226019)

0 引 言

微電子技術(shù)是建立在以集成電路為核心的各種半導(dǎo)體器件上的技術(shù)，是信息技術(shù)的基礎(chǔ)和支柱，是21世紀(jì)發(fā)展最活躍和技術(shù)增長最快的高新科技。微電子產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，是世界各國及地區(qū)經(jīng)濟科技競爭的戰(zhàn)略制高點，也是聚集創(chuàng)新要素和投入資源最多的領(lǐng)域[1-3]。

1 微電子技術(shù)實訓(xùn)平臺建設(shè)的重要性

(1) 課程體系建設(shè)的需求。作為承擔(dān)工程實踐教學(xué)的工程訓(xùn)練中心，我們從“學(xué)以致用”的人才培養(yǎng)理念出發(fā)，形成了服務(wù)于全校學(xué)生的以能力培養(yǎng)為核心，融合知識、能力、素質(zhì)為一體，基于分層次、多模塊、重集成的實訓(xùn)教學(xué)模式。微電子技術(shù)實訓(xùn)的課程是機電工程綜合課程體系的主要組成部分，它由工程認(rèn)識、工程訓(xùn)練、工程綜合創(chuàng)新幾個層次的教學(xué)內(nèi)容所組成。

(2) 綜合能力培養(yǎng)的需求。工程訓(xùn)練教學(xué)的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力、技術(shù)應(yīng)用能力、系統(tǒng)設(shè)計能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，而微電子技術(shù)實訓(xùn)是實踐性教學(xué)的重要課程之一，在電子信息技術(shù)飛速發(fā)展的時代，微電子技術(shù)具有極強的滲透性和廣闊的發(fā)展前景[4]，相關(guān)模塊的訓(xùn)練可提高學(xué)生分析問題解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

(3) 校企順利接軌的需求。微電子技術(shù)相關(guān)企業(yè)對環(huán)境要求非常高，通常很難大批學(xué)生到生產(chǎn)現(xiàn)場實習(xí)參觀，且為了防止企業(yè)核心技術(shù)泄密，一般實習(xí)也是走馬觀花，或者在專業(yè)實驗室用一些基本實驗來代替[5]。工程訓(xùn)練中心以社會需求為向?qū)?，以實際工程為背景，以工程技術(shù)為主線[6-7]，建設(shè)微電子技術(shù)實訓(xùn)平臺，具有獨特的實踐教學(xué)資源優(yōu)勢，有利于校企順利接軌，為卓越工程師培養(yǎng)提供了有力保障。

2 建設(shè)目標(biāo)

微電子技術(shù)實訓(xùn)平臺主要面向理工科專業(yè)學(xué)生，是一個特色鮮明的實訓(xùn)教學(xué)平臺，也是產(chǎn)學(xué)研一體化的重要體現(xiàn)。它基于半導(dǎo)體物理實驗室，按照企業(yè)超凈車間標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建微電子工藝實訓(xùn)平臺，凈化等級達(dá)到萬級。實訓(xùn)平臺的定位目標(biāo)是，培養(yǎng)學(xué)生較高的工程素質(zhì)、較強的實驗技能和動手實踐能力。實訓(xùn)平臺既可以滿足一般性工程認(rèn)識工程訓(xùn)練課程教學(xué)模塊的需要，又可以滿足學(xué)生完成半導(dǎo)體物理專業(yè)課程相關(guān)的實訓(xùn)項目和更高層次的創(chuàng)新性項目需要。

3 平臺構(gòu)成

實訓(xùn)平臺主要由：緩沖區(qū)、更衣室、風(fēng)淋間、實訓(xùn)教學(xué)區(qū)、曝光區(qū)、氣體間等區(qū)域構(gòu)成，如圖1所示。

緩沖區(qū)更衣室風(fēng)淋間實訓(xùn)教學(xué)區(qū)曝光區(qū)氣體間

圖1 實訓(xùn)平臺功能分區(qū)示意圖

(1) 緩沖區(qū)。為保證實訓(xùn)區(qū)域內(nèi)的潔凈度，所有原物料進(jìn)入實訓(xùn)教學(xué)區(qū)之前，需先在實訓(xùn)區(qū)外拆箱及拭凈，并置于緩沖區(qū)30 min后，方可進(jìn)入。

(2) 更衣室。為保證實訓(xùn)區(qū)域內(nèi)的潔凈度，保證實訓(xùn)過程中半導(dǎo)體材料不受人體產(chǎn)生的微粒(如皮屑和頭發(fā))污染，進(jìn)入實訓(xùn)教學(xué)區(qū)域內(nèi)的所有人員需更換防塵服，佩戴口罩和手套。防塵服采用不掉毛、防靜電的纖維制成，可穿在日常衣服的外面。

(3) 風(fēng)淋間。為了減少由于人員、原料物進(jìn)出所帶來的大量塵埃粒子，經(jīng)高效過濾器過濾后的潔凈氣流由可旋轉(zhuǎn)噴嘴從各個方向噴射至人體、原料物上，有效而迅速清除塵埃粒子。

(4) 實訓(xùn)教學(xué)區(qū)。為了提高實踐教學(xué)的效果，該區(qū)配備了多媒體教學(xué)設(shè)備可同時進(jìn)行理論教學(xué)和實踐教學(xué)。

(5) 曝光區(qū)。針對實訓(xùn)過程有特殊要求的工藝步驟，設(shè)置了黃色光源的曝光區(qū)，可進(jìn)行光刻、勻膠等工藝。

(6) 氣體間。為保證實訓(xùn)教學(xué)區(qū)域安全，對實訓(xùn)過程中可能使用的氣體進(jìn)行單獨存放。氣體配有氮氣、氧氣、氨氣、硅烷等。

4 功能分區(qū)

在器件及工藝方面，配備了氧化擴散爐、光刻機、勻膠機、刻蝕機、純水機及烘箱等設(shè)備，用于半導(dǎo)體材料的氧化、擴散、光刻、刻蝕等；在材料制備及參數(shù)測試方面，配備了四探針測試儀、CVD管式爐、磁控濺射沉積系統(tǒng)、真空鍍膜機、退火爐、等離子化學(xué)氣相沉積臺等設(shè)備，用于方塊電阻、電阻率、膜厚測試等。如圖2所示。

(1) 氧化擴散爐。半導(dǎo)體生產(chǎn)前工序的重要工藝設(shè)備之一，用于大規(guī)模集成電路、分立器件、光電器件和光導(dǎo)纖維等行業(yè)的擴散、氧化、退火、合金及燒結(jié)等工藝。本實訓(xùn)平臺內(nèi)采用的是水平擴散爐，有三個工藝爐管，控制系統(tǒng)采用的是日本島電MR13操作系統(tǒng)。

(2) 光刻機。又名紫外曝光機，用于制作圖形工藝，將掩模版的圖形轉(zhuǎn)移到表面勻膠的硅片上，或?qū)⑵骷㈦娐方Y(jié)構(gòu)臨時“復(fù)制”到硅片上。

(3) 勻膠機。半導(dǎo)體材料制備的基礎(chǔ)工藝設(shè)備之一，用于在半導(dǎo)體材料表面均勻涂抹膠液。即在高速旋轉(zhuǎn)的基片上，滴注各類膠液，利用離心力使滴在基片上的膠液均勻地涂覆在基片上，可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速及時間控制膠液的厚度。

(4) 刻蝕機?？涛g工藝的主要設(shè)備之一，用于半導(dǎo)體材料表面有選擇地把沒有被抗蝕劑掩蔽的那一部分薄膜層除去，從而在薄膜上得到和抗蝕劑膜上完全一致的圖形。本實訓(xùn)平臺采用濕法刻蝕機，用稀釋的氫氟酸、液體氫氧化鈉進(jìn)行實踐操作。

(5) 純水機。制備實驗室純水的設(shè)備，采用多級濾芯進(jìn)行水質(zhì)凈化處理，不添加化學(xué)物質(zhì)的過濾、吸附、反滲透等物理方法。本實訓(xùn)平臺的純水機制備的水質(zhì)達(dá)15兆歐，符合電子行業(yè)生產(chǎn)所需超純水水質(zhì)要求。

氧化擴散爐光刻機勻膠機濕法刻蝕機純水機磁控濺射沉積系統(tǒng)真空鍍膜機等離子化學(xué)氣相沉積臺

圖2 實訓(xùn)平臺部分主要儀器設(shè)備示意圖

(6) 磁控濺射沉積系統(tǒng)。制模工藝的主要設(shè)備之一，是利用磁場與電場交互作用，使電子在靶表面附近成螺旋狀運行，從而增大電子撞擊氬氣產(chǎn)生離子的概率。所產(chǎn)生的離子在電場作用下撞向靶面從而濺射出靶材，最終沉積在半導(dǎo)體材料表面，形成薄膜。本實訓(xùn)平臺采用JGP-450型磁控濺射沉積系統(tǒng)。

(7) 真空鍍膜機。制模工藝的主要設(shè)備之一，是利用加熱使靶材表面組分以原子團或離子形式被蒸發(fā)出來，最終沉積在半導(dǎo)體材料表面，形成薄膜。

(8) 等離子化學(xué)氣相沉積臺。制模工藝的主要設(shè)備之一，是借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體電離，在局部形成等離子體，在基片上沉積所期望的薄膜。本實訓(xùn)平臺內(nèi)主要配備氮氣、氧氣、硅烷等氣體，主要制備氮化硅薄膜。

5 教學(xué)運行

目前，微電子技術(shù)實訓(xùn)課程主要涵蓋了三個層次，有步驟地、系統(tǒng)地、全面地提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。

(1) 工程意識的培養(yǎng)。初步獲得微電子生產(chǎn)制造工藝的基礎(chǔ)知識，了解生產(chǎn)過程和最新技術(shù)，初步接觸微電子專業(yè)設(shè)備及系統(tǒng)的設(shè)計，制作過程和運行方式。該層次實訓(xùn)課程主要以工程背景認(rèn)識、環(huán)境設(shè)備介紹為主，培養(yǎng)學(xué)生建立責(zé)任、質(zhì)量、安全、創(chuàng)新、群體、社會競爭等工程意識和工程素質(zhì)。

(2) 實踐能力的培養(yǎng)。主要讓學(xué)生了解整個工藝流程，做若干獨立的實訓(xùn)項目，熟悉相關(guān)儀器設(shè)備的操作。該層次實訓(xùn)課程主要是在教師示范的基礎(chǔ)上，學(xué)生通過觀察，模仿操作，獨立完成實訓(xùn)項目，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐技能。

(3) 綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。主要讓學(xué)生面對工程實際問題，自行確定目標(biāo)方案，設(shè)計產(chǎn)品參數(shù)，整理制作結(jié)果并進(jìn)行調(diào)試分析，提交分析報告。該層次實訓(xùn)課程主要以擴充理論教學(xué)為基礎(chǔ)，使學(xué)生綜合利用專業(yè)知識進(jìn)行自主設(shè)計實訓(xùn)方案，培養(yǎng)學(xué)生的獨立操作和團隊協(xié)作等綜合能力。

6 共建共用，資源共享

實訓(xùn)平臺作為實踐教學(xué)和科研創(chuàng)新場所，投入大，技術(shù)要求高，我們通過充分論證和協(xié)商建設(shè)完成。我們與相關(guān)學(xué)院開展項目共建、資源共用、利益共享，充分利用了教學(xué)環(huán)境，避免了儀器設(shè)備的重復(fù)購置，提高了設(shè)備的使用效率。目前，實訓(xùn)平臺一方面與學(xué)院合作開設(shè)相關(guān)專業(yè)實驗實訓(xùn)課程；另一方面，獨立開設(shè)微電子技術(shù)實訓(xùn)課程，并在進(jìn)一步完善的基礎(chǔ)上，尋求與企業(yè)的廣泛合作。

為了充分發(fā)揮平臺的作用，我們努力建設(shè)“雙師型”[8-10]的教師隊伍，確保教學(xué)質(zhì)量。同時，我們按照生產(chǎn)車間的要求和標(biāo)準(zhǔn)制定了詳細(xì)的管理制度和操作規(guī)程[11-15]，實行準(zhǔn)企業(yè)化管理。

7 實施效果

通過工程實踐教學(xué)創(chuàng)新模式的實踐探索，課程教學(xué)順利推進(jìn)。目前，微電子技術(shù)實訓(xùn)平臺每學(xué)期共承擔(dān)兩門課程240學(xué)時的實訓(xùn)教學(xué)任務(wù)，并對學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練開放。課程的滿意度達(dá)98%以上。通過實訓(xùn)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以熟悉集成電路圖案轉(zhuǎn)移、光刻和硅熱氧化等技術(shù)工藝，并完成半導(dǎo)體二極管、晶體三極管和簡易太陽能電池等元器件的制作與測試，使學(xué)生身臨其境地體驗企業(yè)生產(chǎn)氛圍，解決了企業(yè)直接承擔(dān)課程的困難和矛盾，使理論與實踐得到充分結(jié)合，效果顯著。

8 結(jié) 語

未來建設(shè)過程中還將圍繞實訓(xùn)平臺建立多元化學(xué)習(xí)機制、實行全方位開放使用，緊密圍繞CDIO教育理念，深入研究實踐教學(xué)模式，大力培養(yǎng)適應(yīng)職業(yè)崗位需求的高技能應(yīng)用型創(chuàng)新人才。

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·名人名言·

在科學(xué)上沒有平坦的大道，只有不畏勞苦沿著其崎嶇之路攀登的人，才有希望達(dá)到它光輝的頂點。

——馬克思