以生為本的高校微電子器件教學(xué)研究

孫云飛 胡伏原 羅恒 陶重犇 班建民

摘要：《微電子器件》是電子信息與工程技術(shù)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程。其課程內(nèi)容涉及微電子器件的實際結(jié)構(gòu)、刻蝕技術(shù)、鍍膜技術(shù)、封裝技術(shù)以及過程檢測技術(shù)等。本課程具有內(nèi)容豐富、實踐性和應(yīng)用性強等特點，學(xué)生普遍感覺學(xué)習(xí)難度大。針對微電子工藝基礎(chǔ)課程教學(xué)的自身特點和多年的MEMS器件加工經(jīng)驗，本文從蘇州科技學(xué)院的實際情況出發(fā)，以中科院蘇州納米所加工平臺為教學(xué)實習(xí)基地，建立了理論授課、微納加工工藝培訓(xùn)、參與微項目研究以及完善有效的實驗考核方案相結(jié)合的特色教學(xué)方式。教學(xué)研究表明，通過改革可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力和科學(xué)研究能力，提高了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：微電子；微項目；創(chuàng)新能力

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）10-0178-03

一、引言

微電子器件課程是一門以實踐教學(xué)為主，以半導(dǎo)體基本理論和器件工藝知識為向?qū)?，以培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力和科學(xué)研究能力為目標的課程，是電子工程專業(yè)的重要內(nèi)容[1]。它以微小型電子器件和各種傳感器的設(shè)計、制作和測試為載體，培養(yǎng)學(xué)生的實踐工程能力，使學(xué)生獲得微納器件制備工藝的基礎(chǔ)知識，了解微納器件的生產(chǎn)過程，并初步具備開發(fā)新型微納米半導(dǎo)體器件的能力[2]。隨著微納米加工和檢測技術(shù)的不斷進步，新材料、新器件層出不窮。然而，由于微納電子器件和傳感器的制造和加工設(shè)備價格昂貴，國內(nèi)擁有供科研和教學(xué)用的實驗平臺極其有限[3]。對于絕大多數(shù)的高校而言，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式與新形勢下以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力為目標的教學(xué)要求之間的矛盾日益突出。本文以蘇州科技學(xué)院的實際情況出發(fā)，發(fā)揮地域優(yōu)勢，通過跟中科院蘇州納米所的實踐教學(xué)合作，探索出了一條具有開發(fā)微電子新產(chǎn)品、新技術(shù)和新工藝的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式。

本文以電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)核心課程“微電子器件”教學(xué)實踐為研究對象，針對本校電子工藝教學(xué)中存在的問題就該教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式進行了探討。

二、本校微電子器件教學(xué)中存在的問題

微電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，對微電子人才的要求不斷提升，2013蘇州科技學(xué)院院電子信息工程專業(yè)被遴選為江蘇省“十二五”高等學(xué)校重點專業(yè)和江蘇省卓越工程師培養(yǎng)計劃試點專業(yè)，自立項以來，學(xué)院始終堅持以“重點專業(yè)建設(shè)”為主線，堅持以創(chuàng)新理念思路為先導(dǎo)，以推進學(xué)生優(yōu)質(zhì)就業(yè)為導(dǎo)向，以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量為目標，加強專業(yè)建設(shè)。在各個方面有了極大的進步，形成了鮮明的特色，但在實踐中仍存在一些問題，主要有如下幾方面：

1.教學(xué)內(nèi)容陳舊。授課內(nèi)容依然局限于半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識、基本理論、基本方程、PN結(jié)、二極管、雙極性晶體管與絕緣柵場效應(yīng)晶體管的基本工作原理，以及二極管和三極管的小信號模型等，而對于真正的微電子工藝介紹則僅限于概念性的介紹，授課內(nèi)容理論性太強、知識點過于抽象。隨著MEMS加工技術(shù)的快速發(fā)展，超大規(guī)模集成電路、新型太陽能電池、陀螺儀、加速度計等新產(chǎn)品發(fā)展迅猛，傳統(tǒng)的焊接訓(xùn)練、組裝收音機、萬用表等簡單的電子產(chǎn)品越來越跟不上電子元器件和電子工業(yè)的飛速發(fā)展。以授課為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式已無法充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，更無法鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力，微電子器件教學(xué)應(yīng)以生為本，以授為輔，向以培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新實踐能力的綜合訓(xùn)練模式過渡。

2.經(jīng)費的不足，實驗設(shè)備缺乏。由于微納器件加工和制造設(shè)備價格昂貴，實驗環(huán)境要求苛刻，加之經(jīng)費嚴重短缺，教學(xué)設(shè)備和實驗儀器得不到及時的補充和更新，微電子器件教學(xué)只能停留在理論教學(xué)階段，而對于電子工藝教學(xué)只能借助企業(yè)和科研院所進行短期參觀和實習(xí)教學(xué)，學(xué)生沒有機會親自動手，無法深入理解所學(xué)的理論知識，嚴重影響教育和教學(xué)質(zhì)量。

3.考核方式單一。單一的以卷面考試為核心，不能充分體現(xiàn)學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)。因此，本課程對學(xué)生的考核，以強調(diào)理論與實踐的有機結(jié)合，校內(nèi)與校外的結(jié)合。其中理論考試占學(xué)生總成績的40%，實踐考核占60%，理論考試由本校組織，實踐考試由中科院蘇州納米所組織。真正做到有理論、有實踐，最終考核以實踐為主，組成雙方參加的教學(xué)團隊完成教授內(nèi)容。

三、以生為本的高校微電子器件教學(xué)研究

1.優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計是決定教學(xué)效果和課程建設(shè)優(yōu)劣的先決條件，它決定了培養(yǎng)目標的實現(xiàn)與否。將傳統(tǒng)的重理論、輕實踐的教學(xué)內(nèi)容和要求調(diào)整為重實踐和輕理論。將微電子器件工藝課程內(nèi)容分為理論教學(xué)（弱化）和實踐教學(xué)（強化）兩個模塊進行施教：（1）了解微電子器件的基本原理，主要包括：半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)知識、能帶理論、PN結(jié)以及MOS管的工作原理等內(nèi)容。這部分內(nèi)容介紹了集成電路制造的基礎(chǔ)知識，闡述了集成電路制造工藝的物理基礎(chǔ)和基本原理，鋪平了學(xué)生探索之路，為實踐工作奠定了理論基礎(chǔ)。（2）掌握先進的微納加工技術(shù)，主要包括：硅片的加工、摻雜技術(shù)、刻蝕技術(shù)、鍍膜技術(shù)以及封裝技術(shù)。這部分內(nèi)容屬于重點學(xué)習(xí)和掌握的內(nèi)容。其中，摻雜技術(shù)包括離子注入技術(shù)和擴散技術(shù)，刻蝕技術(shù)包括光刻、干法刻蝕和濕法刻蝕技術(shù)，鍍膜技術(shù)包括氧化、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、原子層沉積以及電鍍技術(shù)，封裝技術(shù)包括引線焊接技術(shù)、倒裝焊技術(shù)以及TSV技術(shù)。而對于各章的單項工藝，如介紹光刻工藝工藝時，應(yīng)強調(diào)光刻工藝的原理、光刻的步驟（八步）、光刻膠的類型（正向光刻膠和負向光刻膠）及特性、光刻的方式（接觸式、接近式等）及各種方式的優(yōu)缺點、影響光刻分辨率和對比度的因素等內(nèi)容。這部分內(nèi)容幾乎涉及到半導(dǎo)體光電器件制備的所有流程，是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和綜合素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。

2.多媒體輔助教學(xué)方式。運用多媒體技術(shù)輔助教學(xué)能使學(xué)生看到圖文并茂、視聽一體的交互式集成信息。筆者從教學(xué)實踐出發(fā)，從多年的器件加工工作中積累了大量的視頻資料和各種現(xiàn)場加工圖片，在講述工藝制備過程時，除了用實際生產(chǎn)過程中采集到的多幅圖像外，還通過動畫詳細介紹了設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理以及展示工藝設(shè)備的外形，同時利用EntaurusTCAD軟件模擬工藝設(shè)備的工作過程及工作原理。如圖1為甩膠工藝示意圖；圖2為課件中采用的光刻機工作原理。所用的圖片均使CorelDRAW軟件手工制作。一些較復(fù)雜的工藝采用視頻錄像的方式來展示，如圖3所示為筆者在實驗過程中錄制的噴膠工藝視頻錄像，通過視頻展現(xiàn)主要操作步驟和設(shè)備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。

3.強化參觀-理論-實踐相結(jié)合的教學(xué)模式。教師帶領(lǐng)學(xué)生參觀校外實習(xí)基地。中科院蘇州納米所的加工平臺擁有電子束曝光機、透射電子顯微鏡、光刻機、倒裝焊機等重大儀器設(shè)備，為各研究部項目的實施提供工藝條件和測試服務(wù)。同時也是一個公共的服務(wù)平臺，具有廣泛的服務(wù)對象，包括其他研究院所、全國各地大學(xué)和企業(yè)。參觀這樣的科研機構(gòu)，能使同學(xué)全面了解本行業(yè)國內(nèi)外發(fā)展的概況及先進的設(shè)備和工藝水平。在操作人員、技術(shù)人員和管理人員的講解和交流中，學(xué)到更多的實踐知識。

在實際操作教學(xué)環(huán)節(jié)上，對學(xué)生進行微電子器件加工綜合培訓(xùn)，主要內(nèi)容有：（1）理論學(xué)習(xí)：學(xué)習(xí)納米加工平臺的管理規(guī)定、行為規(guī)范以及安全知識等；（2）參觀學(xué)習(xí)：通過學(xué)習(xí)納米加工平臺超凈間知識講解，實地參觀介紹超凈間的布局、環(huán)境，設(shè)備儀器的工作原理等；（3）實踐考核：將學(xué)生劃分為小組，每組不超過8人，參與研究所提供的微項目研究，每個微項目都包括一些基本的器件制備工藝，從硅片的清洗、光刻、刻蝕、鍍膜、裂片到最后的封裝測試。最終通過實驗和理論相結(jié)合的形式對學(xué)生進行考核和測評。

通過微項目的實施，大大提高了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力[4]。使同學(xué)們感悟到，在微電子器件生產(chǎn)過程中，任何一個條件、一個參數(shù)甚至一個小小的失誤都有可能導(dǎo)致流片過程的失敗，從而使同學(xué)們樹立正確、嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度。通過參觀學(xué)習(xí)與講解指導(dǎo)相結(jié)合，動手實踐與課堂學(xué)習(xí)相結(jié)合，學(xué)習(xí)到更多的寶貴經(jīng)驗和實踐知識，極大地調(diào)動了學(xué)生的積極性，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)作激情[5]。

4.完善考核辦法。完善有效的考核方案，精減理論內(nèi)容考核，把動手能力和綜合分析問題的能力及創(chuàng)新能力作為主要考核內(nèi)容。強調(diào)理論（40%）與實踐（60%）的有機結(jié)合，校內(nèi)與校外的結(jié)合，組成雙方參加的教學(xué)團隊完成考核內(nèi)容，此種方法促進了學(xué)生對實踐技能培養(yǎng)的重視和學(xué)習(xí)質(zhì)量的提高。

結(jié)束語：

針對本校電子與信息工程學(xué)院微電子器件工藝課程的特點和教學(xué)中存在的問題，利用多媒體教學(xué)手段和中科院蘇州納米所加工平臺為教學(xué)實習(xí)基地，建立了由教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化、教學(xué)方式的改革、參觀微納加工生產(chǎn)線及參與微項目實施相結(jié)合的特色教學(xué)方式，達到質(zhì)量良好的整體教學(xué)效果。這種微電子器件教學(xué)模式的建立，有助于提高學(xué)生的工程素質(zhì)、實踐能力和創(chuàng)新意識。

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