《微電子工藝原理》課程的教學(xué)改進(jìn)

何輝+劉劍霜+李伙全

摘 要： 微電子工藝原理是微電子技術(shù)專業(yè)的一門核心課程。該課程具有知識面寬、理論與實踐并重、應(yīng)用性強(qiáng)的特點，采用傳統(tǒng)教學(xué)模式不可避免地存在諸多弊端，作者經(jīng)過多年教學(xué)實踐，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等多方面提出了改進(jìn)措施，提高了課程質(zhì)量和學(xué)生專業(yè)素質(zhì)。

關(guān)鍵詞： 微電子工藝 教學(xué)改進(jìn) 課程質(zhì)量

一、引言

《微電子工藝原理》這門課主要講述以硅為基礎(chǔ)的集成電路制造的工藝原理及工藝種類，其目標(biāo)是培養(yǎng)具有一定理論基礎(chǔ)，了解技術(shù)前沿，能夠設(shè)計工藝流程，分析并解決工藝實際問題的應(yīng)用型創(chuàng)新人才[1]。這一目標(biāo)的實現(xiàn)直接取決于該課程的教學(xué)效果。由于本課程具有涉及知識面廣、綜合性強(qiáng)、理論與實踐結(jié)合緊密的特點，采用傳統(tǒng)教學(xué)模式不可避免地存在諸多問題[2]，主要有：內(nèi)容繁雜，教師難以合理安排教學(xué)進(jìn)度；教學(xué)方法單一，學(xué)生理解和掌握知識困難；工藝設(shè)備昂貴，學(xué)生實驗需求不能滿足；學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性不高；學(xué)生創(chuàng)新能力較弱；學(xué)生靠死記硬背應(yīng)付考試等。因此，更新教學(xué)理念和進(jìn)行多元化教學(xué)改進(jìn)才能解決這些問題，提高課程教學(xué)質(zhì)量。

二、教學(xué)改進(jìn)措施

（一）教學(xué)內(nèi)容安排

1.優(yōu)選最新教材

本課程選用的教材是國外電子與通訊教材系列中美國Michael Quirk與Julian Serda合著的《半導(dǎo)體制造技術(shù)》中文翻譯本[3]。該書有三個優(yōu)點：一是內(nèi)容豐富。既講述關(guān)鍵工藝技術(shù)、設(shè)備及可靠性，又介紹半導(dǎo)體制造相關(guān)的基礎(chǔ)技術(shù)信息和集成電路裝配與封裝的后道工藝概況。二是直觀形象。書中提供了大量精美的圖片、圖表和具體翔實的數(shù)據(jù)。三是便于學(xué)習(xí)。書中概念描述清晰，內(nèi)容簡潔有序，每章都有重點內(nèi)容小結(jié)、關(guān)鍵術(shù)語和大量復(fù)習(xí)題，方便學(xué)生課后復(fù)習(xí)和教師進(jìn)行研究性教學(xué)。

2.科學(xué)選擇教學(xué)內(nèi)容

就半導(dǎo)體制造相關(guān)的基礎(chǔ)技術(shù)，如第2、5和8章主要介紹半導(dǎo)體制造中的化學(xué)品，可揀少量重點內(nèi)容課堂講解，其余留給學(xué)生課后自學(xué)。對關(guān)鍵工藝的原理，如第10章硅氧化后雜質(zhì)的再分布和四類電荷的可靠性，以及第17章中的摻雜擴(kuò)散工藝，教材中缺少這些重要內(nèi)容或介紹過于簡單，需做必要的補(bǔ)充。

3.合理安排講課次序

次序整體遵循微電子產(chǎn)品生產(chǎn)流程，即半導(dǎo)體基礎(chǔ)技術(shù)（第1、2、4～8章）、器件及工藝模型概況（第3、9章）、各單項工藝（第10～18章）和后道檢測與封裝工藝（第19、20章）。其中，單項工藝按照加工特點，即氧化（第10章）與摻雜（第17章）、光刻（第13～15章）與刻蝕（第16章）、淀積（第11章）與金屬化（第12章）、化學(xué)機(jī)械平坦化（第18章）的順序講解。

（二）課堂教學(xué)方法

1.啟發(fā)式教學(xué)法

學(xué)起于思，思源于疑。采用研究性教學(xué)方法[4]，實現(xiàn)教學(xué)思路由“知識點講解型”到“以問題為導(dǎo)向型”的轉(zhuǎn)變，考慮如何突出問題和情景的教學(xué)設(shè)計，讓學(xué)生對新課的內(nèi)容進(jìn)行探究，使他們體會到知識創(chuàng)造過程中所需的創(chuàng)新思維和科研素養(yǎng)。具體講解時先從整體上介紹課程間知識點的關(guān)聯(lián)性，然后盡量聯(lián)系學(xué)生已有知識，進(jìn)行新舊知識的類比與對比，幫助學(xué)生消化理解新內(nèi)容。如講解CVD（第11章淀積）工藝原理時，可與中學(xué)階段所學(xué)液相化學(xué)反應(yīng)比較，從原料、反應(yīng)條件、反應(yīng)過程、反應(yīng)結(jié)果及工藝設(shè)備等幾方面進(jìn)行設(shè)問，讓學(xué)生探索、歸納和總結(jié)，從而將抽象難以理解的物理原理簡單化，實現(xiàn)知識建構(gòu)。再者，對有爭議的學(xué)術(shù)問題，要介紹各方觀點，誘導(dǎo)學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維。

2.案例教學(xué)法

案例教學(xué)法強(qiáng)調(diào)學(xué)以致用，在應(yīng)用中學(xué)習(xí)。除第九章CMOS反相器加工流程的案例外，各單項工藝均安排了一些典型案例，將所要學(xué)習(xí)的知識、操作、技能等融入實例中，通過對實例的分析、討論、演示、學(xué)生練習(xí)及總結(jié)等環(huán)節(jié)，加深學(xué)生對概念、工藝原理和設(shè)備的理解，使知識融會貫通。如講解濺射和蒸發(fā)鍍膜（第12章金屬化）時，假如平整硅片表面覆蓋一層致密排列的直徑約幾微米的氧化硅球，采用兩種工藝對該襯底鍍膜并去掉氧化硅球的結(jié)果會怎樣呢？課堂情況表明，由于所選案例典型有趣，學(xué)生興致高昂，討論熱烈，說出了多種可能性。結(jié)果是濺射鍍膜為低真空，分子平均自由程小，分子呈不規(guī)則運動，在小球表面都能沉積，最終將得到球殼陣列。蒸發(fā)鍍膜一般為高真空，分子平均自由程大，呈直線運動，將得到類三角陣列（在球陣列縫隙內(nèi)形成）。經(jīng)過討論，學(xué)生理解了兩種常用PVD工藝的原理與設(shè)備差異，加深了記憶。

3.多媒體教學(xué)法

現(xiàn)有教材中只用簡圖描述工藝原理、步驟和設(shè)備等，缺乏可視化教學(xué)資源，不免枯燥乏味。多媒體課件融圖形、文字、動畫、視頻等為一體，圖文并茂，視聽結(jié)合，令抽象的知識形象化，富有吸引力。如果根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選用合適的教學(xué)媒介，那么可使課堂變得輕松、生動，調(diào)動學(xué)生多種感官，提高學(xué)生對所講授知識的理解和掌握能力。如在講授第四章硅片制備步驟時，筆者從網(wǎng)上下載了美國硅谷的音樂視頻短片，先從頭到尾播放一遍，然后依次定格動畫片段，分別展開講述。

4.項目教學(xué)法

松綁教育理論認(rèn)為[5]，教學(xué)應(yīng)該是師生共同參與的、動態(tài)的、雙向的信息傳播過程，而不是教師一言堂的“填鴨式”教育。為此，筆者拿出3～5學(xué)時（本門共48理論課時）進(jìn)行項目驅(qū)動教學(xué)，所選項目為各章節(jié)內(nèi)容的開放性思考題或者工藝技術(shù)前沿相關(guān)的小課題?；顒臃绞绞?，將全班同學(xué)分為若干小組，由小組成員共同擬定備課主題并分工協(xié)作，上網(wǎng)收集資料準(zhǔn)備課件，每組選派代表上臺講授，展開討論互動，總結(jié)評比。這樣的方式將課堂延伸到了課外，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊意識、獨立學(xué)習(xí)和調(diào)研資料能力。此外，很多學(xué)生從大二開始跟隨不同研究方向的老師做科創(chuàng)項目，期間接觸到了各種微電子工藝設(shè)備，比如干法/濕法清洗儀、退火爐、各種CVD和PVD鍍膜機(jī)、光刻機(jī)等，可安排他們介紹實驗設(shè)備操作經(jīng)驗及做實驗的心得體會，同學(xué)之間的交流往往會引起共鳴，令教學(xué)效果更佳。

（三）考核方式

采用多環(huán)節(jié)綜合評判，包括平時作業(yè)、課堂表現(xiàn)（回答問題、討論情況等）、專題報告和期末考試等，以考核促進(jìn)教學(xué)。其中，期末考試是學(xué)生復(fù)習(xí)指揮棒，占比重應(yīng)當(dāng)較高。為避免試卷出現(xiàn)題型不豐富和結(jié)構(gòu)不合理等問題削弱評價效果，筆者加強(qiáng)了試題庫建設(shè)，推行教考分離。為激勵學(xué)生獨立思考，試卷適當(dāng)增加了一些開放性考題。

綜上，針對本課程存在的一些教學(xué)問題，筆者進(jìn)行了多元化教學(xué)改進(jìn)，其與傳統(tǒng)教學(xué)的對比如表1所示。實踐證明，改進(jìn)后的教學(xué)效果反應(yīng)良好，加深了學(xué)生對課程內(nèi)容的理解和掌握，提高了學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)，為他們今后的職業(yè)生涯奠定了基礎(chǔ)。

三、結(jié)語

經(jīng)過多年實踐，在《微電子工藝原理》課程教學(xué)中，筆者對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核方式進(jìn)行了改進(jìn)，突破了傳統(tǒng)枯燥乏味的“填鴨式”教學(xué)模式，積極引入了研究型教學(xué)的理念和現(xiàn)代多種教學(xué)方法，實現(xiàn)了教學(xué)質(zhì)量的提高，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。教學(xué)改進(jìn)是一個不斷探索、不斷推進(jìn)的過程，相信在各方共同努力下，本課程的教學(xué)將日趨成熟、完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]王金嬋，孟慶端，張曉紅，田葳.半導(dǎo)體制造技術(shù)教學(xué)方法探討.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011，33，138-139.

[2]趙建勛，侯建華.集成電路原理與制造工藝課程的教學(xué)改進(jìn).長春教育學(xué)院學(xué)報，2014，30，63-64.

[3]MichaelQuirk，JulianSerda，著.韓鄭生，等譯.《半導(dǎo)體制造技術(shù)》.北京：電子工業(yè)出版社，2013.5.

[4]肖丙剛，王秀敏，趙吉祥.研究性教學(xué)在“微電子學(xué)導(dǎo)論”課程中的探索與實踐.中國電力教育，2009，19，71-72.

[5]張瑞，姚凌江，吳向文.運用混合式立體化教學(xué)模式培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才.現(xiàn)代教育技術(shù)，2010，20，77-81.

基金項目：揚州大學(xué)教改基金資助項目（YZUJX2015-20B）