基于OBE理念的開放交互實(shí)時(shí)地微電子工藝教學(xué)改進(jìn)

北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 謝紅云 張萬榮 金冬月 崔碧峰

以成果導(dǎo)向OBE教學(xué)理念，對(duì)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)基礎(chǔ)課微電子工藝課程開放性、交互性的理論教學(xué)和實(shí)時(shí)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)展開研究。綜合利用課堂講授和動(dòng)畫視頻等多媒體素材，結(jié)合生活常識(shí)提出問題引發(fā)思考，引導(dǎo)學(xué)生參與討論，使理論課堂教學(xué)活潑開放，擺脫原有的枯燥乏味。開設(shè)交互式的工藝仿真訓(xùn)練，設(shè)計(jì)單步工藝仿真實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對(duì)工藝原理和工藝參數(shù)調(diào)整效果的理解；開設(shè)特定半導(dǎo)體器件完整工藝流程仿真，使學(xué)生深刻理解一套完整工藝流程的前后關(guān)聯(lián)性。開展實(shí)時(shí)的微電子工藝實(shí)習(xí)，學(xué)生真實(shí)完整地完成一支雙極晶體管的制作，可以更深刻理解工藝原理，理解工藝整合的前后關(guān)聯(lián)性和整套工藝流程的完整性，理解半導(dǎo)體工藝技術(shù)所需的超凈環(huán)境和安全操作，同時(shí)提高動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。

0 引言

工程教育專業(yè)認(rèn)證遵循成果導(dǎo)向（OBE）的教學(xué)理念，要求教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施、教材、課堂教學(xué)、達(dá)成度評(píng)價(jià)和畢業(yè)要求等均定位于成果。OBE理念把焦點(diǎn)放在學(xué)生學(xué)習(xí)的成果，強(qiáng)調(diào)學(xué)生一開始就要有明確目標(biāo)和預(yù)期表現(xiàn)，學(xué)生清楚所期待的學(xué)習(xí)內(nèi)涵，教師也更清楚如何協(xié)助學(xué)生學(xué)習(xí)（李曉英,王興貴,楊維滿.基于OBE的“電力電子技術(shù)”教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2018,40(1):45-48）。OBE教學(xué)以預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出為中心來組織、實(shí)施和評(píng)價(jià)教育，是教學(xué)相長(zhǎng)的全新教學(xué)模式。強(qiáng)調(diào)教學(xué)的目的是要著力培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的獨(dú)立性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，在教學(xué)過程中充分發(fā)掘?qū)W生的個(gè)人價(jià)值與潛力，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)對(duì)未來、適應(yīng)未來的能力（孫林,陳松,吳俊.專業(yè)認(rèn)證下的實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建[J].化學(xué)工程與裝備,2018,3:298-299）。

半導(dǎo)體制造工藝是半導(dǎo)體行業(yè)人員，無論是從事超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體先進(jìn)器件設(shè)計(jì)還是超大規(guī)模集成電路制作，必需掌握的基本技術(shù)。微電子工藝課程是電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課程，講述以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的微電子工藝原理、微電子工藝技術(shù)及設(shè)備和硅基超大規(guī)模集成電路工藝流程?；贠BE成果導(dǎo)向的教學(xué)理念，微電子工藝課程更應(yīng)該以學(xué)生實(shí)際掌握的半導(dǎo)體工藝加工技術(shù)和完整的工藝流程為考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此，本文開展微電子工藝課程開放交互的理論教學(xué)和實(shí)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)分析與研究。通過課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生能掌握基本的半導(dǎo)體制造技術(shù)，實(shí)際制作出典型的半導(dǎo)體器件，理解半導(dǎo)體工藝制作是一套前后關(guān)聯(lián)制約的完整體系，有特定的環(huán)境要求和安全操作規(guī)程，鍛煉提高學(xué)生動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。

1 教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化

摩爾定律主導(dǎo)著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體行業(yè)以月為單位發(fā)生著日新月異的變化。微電子工藝課程的教學(xué)內(nèi)容要充分考慮這個(gè)原因，與技術(shù)變革的神速發(fā)展保持同步，才能真正體現(xiàn)成果導(dǎo)向的理念，適應(yīng)半導(dǎo)體集成工藝技術(shù)發(fā)展對(duì)專業(yè)人才的需求。

一方面，半導(dǎo)體材料、器件和集成制備工藝技術(shù)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的高科技技術(shù)，涉及到物理、化學(xué)、機(jī)械、電氣、材料和環(huán)保等內(nèi)容。學(xué)生必須打好基礎(chǔ)，清楚工藝技術(shù)中不同的單項(xiàng)步驟，掌握工藝原理、工藝設(shè)備、實(shí)現(xiàn)方法和工藝參數(shù)調(diào)整問題。在課程講授過程中，選取的典型工藝步驟包含：襯底制備、外延技術(shù)、薄膜技術(shù)（熱氧化生長(zhǎng)SiO2，化學(xué)氣相淀積CVD，物理氣相淀積PVD等）、摻雜技術(shù)、光刻與刻蝕技術(shù)、金屬化合互聯(lián)技術(shù)等。工藝步驟會(huì)涉及物理機(jī)理和相應(yīng)的物理模型；工藝步驟會(huì)涉及到制作設(shè)備的電氣機(jī)械特性和操作方法。

另一方面，硅超大規(guī)模CMOS集成芯片是半導(dǎo)體集成工藝最直接的成果，這也是OBE成果導(dǎo)向理念下學(xué)生必需掌握的教學(xué)內(nèi)容，因此首先選取硅平面CMOS VLSI集成工藝制備技術(shù)的發(fā)展、特點(diǎn)和完整制備流程（羅小容,張波,李肇基.《微電子工藝》的理論教學(xué)與學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2007,5(1):77-79）作為工藝整合和完整工藝流程的一部分。因此選取的典型工藝流程包含：標(biāo)準(zhǔn)埋層雙極晶體管工藝流程，CMOS集成電路流程和BiCMOS流程。

另外，對(duì)于半導(dǎo)體工藝制作技術(shù)一日千里的發(fā)展，在課堂理論教學(xué)過程中搜尋最新的先進(jìn)工藝技術(shù)，最新的工藝設(shè)備和集成工藝流程等作為輔助內(nèi)容加到教學(xué)內(nèi)容中。比如納米級(jí)工藝流程、銅互連技術(shù)以及當(dāng)前對(duì)摩爾定律是否依然有效等的討論內(nèi)容。

最后，微電子工藝制作操作或涉及強(qiáng)電、或涉及高溫，或涉及有毒危險(xiǎn)氣體，或涉及腐蝕性化學(xué)試劑，安全操作、環(huán)境保護(hù)以及由此而引發(fā)的工程實(shí)踐對(duì)環(huán)境、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的影響也是教學(xué)內(nèi)容的重要組成部分之一。

2 教學(xué)模式和教學(xué)方法的改進(jìn)

2.1 開放性的理論教學(xué)

微電子工藝課程內(nèi)容，兼具理論性強(qiáng)抽象枯燥和以實(shí)踐為基礎(chǔ)的雙重特點(diǎn)。因此課堂理論教學(xué)可以采用開放性的教學(xué)形式。

一方面，課堂教學(xué)加入多媒體素材，如圖片、視頻、動(dòng)畫等，合理的將講述、板書、文字、圖片、視頻和動(dòng)畫等材料組合在一起，生動(dòng)形象地講述微電子工藝原理，使學(xué)生更好的理解掌握每個(gè)工藝步驟的理論機(jī)理，影響工藝結(jié)果的關(guān)鍵因素等，更好的指導(dǎo)每個(gè)工藝的實(shí)際操作。如在講述硅單晶制備工藝時(shí)，給學(xué)生展示硅單晶拉制過程的視頻，能夠讓學(xué)生對(duì)這個(gè)工藝步驟有深刻的印象；在講述硅的外延生長(zhǎng)時(shí)，給出四氯化硅氫氣還原法外延單晶硅的動(dòng)畫，色彩鮮明的標(biāo)識(shí)出不同氣路的開啟、關(guān)斷、反應(yīng)室不同階段的狀態(tài)等，幫助學(xué)生更好的理解工藝的實(shí)現(xiàn)和實(shí)際工藝中應(yīng)該注意的問題。通過努力，我們已盡量找到了單個(gè)工藝步驟的相關(guān)視頻和整個(gè)集成電路芯片制備的視頻，在課堂教學(xué)時(shí)一一展示給學(xué)生，有助于打破課堂教學(xué)枯燥乏味的局面。

另一方面，在課堂教學(xué)中，嘗試開放性地討論教學(xué)方式。因?yàn)楹芏嗟墓に嚞F(xiàn)象是我們?nèi)粘Ｉ钪械某ＷR(shí)，如標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和真空狀態(tài)、高壓放電、熱脹冷縮以及攝影拍照等等。在具體講述工藝的實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以就大家熟悉的現(xiàn)象提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考日常生活的常識(shí)，找到問題的答案，進(jìn)而更好的理解工藝現(xiàn)象和實(shí)現(xiàn)方法。如講述光刻技術(shù)時(shí)，除了基本的曝光、顯影等光刻步驟，可以找懂?dāng)z影的學(xué)生介紹攝影里常用的曝光量、光圈、景深等概念，與光刻聯(lián)系到一起，使學(xué)生對(duì)光刻工藝的理解更透徹。在教學(xué)過程中，允許學(xué)生隨時(shí)提問或?qū)δ骋还に嚥襟E發(fā)表自己的看法，進(jìn)行討論交流，鼓勵(lì)學(xué)生自己查閱當(dāng)前先進(jìn)集成電路工藝發(fā)展情況，互相交流討論。

總之，以O(shè)BE成果導(dǎo)向?yàn)橹笇?dǎo)，通過開放的教學(xué)討論和交流，使學(xué)生掌握單步工藝的原理和操作方法，理解工藝參數(shù)調(diào)整對(duì)工藝制作效果的影響。

2.2 交互性的理論教學(xué)

實(shí)踐教學(xué)的微電子工藝實(shí)習(xí)考慮安全問題、環(huán)境問題和經(jīng)濟(jì)問題，以及工藝實(shí)習(xí)基地?fù)碛械墓に囋O(shè)備為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)開設(shè)的是雙極晶體管制作的完整流程和測(cè)試，學(xué)生按照摸索好的工藝參數(shù)條件完成。因此一方面學(xué)生不能切身感受工藝參數(shù)改變對(duì)工藝操作結(jié)果的影響，另一方面也無法開展最新工藝技術(shù)的實(shí)踐。理論教學(xué)的最新技術(shù)和實(shí)踐教學(xué)的傳統(tǒng)典型集成工藝之間存在一定差距，因此我們通過交互性的理論教學(xué)來彌補(bǔ)目前理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)存在的不足。

使用國(guó)際商用工藝仿真軟件，開設(shè)工藝仿真訓(xùn)練的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。首先設(shè)計(jì)單步工藝步驟仿真實(shí)驗(yàn)，如擴(kuò)散工藝仿真，離子注入工藝仿真等，學(xué)生通過調(diào)整擴(kuò)散工藝的時(shí)間溫度等工藝參數(shù)，查看工藝完成后的雜質(zhì)分布，真實(shí)感受工藝參數(shù)對(duì)工藝成果的影響，如雙極性晶體管制作中擴(kuò)散工藝的溫度和時(shí)間這兩個(gè)工藝參數(shù)對(duì)于基區(qū)厚度和摻雜濃度的影響，仿真中能感受基區(qū)太厚會(huì)形成兩個(gè)背靠背的pn結(jié)，太薄會(huì)使晶體管穿通，均會(huì)影響晶體管的性能。然后設(shè)計(jì)特定半導(dǎo)體器件的完整工藝流程仿真實(shí)驗(yàn)，如傳統(tǒng)器件雙極晶體管，MOS管，新器件VDMOS，F(xiàn)inFET等，學(xué)生選取器件，編制工藝流程，整合工藝，并通過仿真驗(yàn)證工藝效果和器件性能。

總之，通過商用工藝仿真軟件的交互式的仿真訓(xùn)練，可以彌補(bǔ)純理論教學(xué)的單調(diào)抽象和工藝實(shí)習(xí)器件單一，工藝步驟較落后的不足。

2.3 實(shí)時(shí)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

微電子工藝課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在學(xué)校創(chuàng)建的微電子工藝實(shí)習(xí)基地進(jìn)行，實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師講授安全操作條例和實(shí)習(xí)基地設(shè)備的操作方法，帶領(lǐng)學(xué)生完成雙極性晶體管的制備和測(cè)試工作。工藝實(shí)習(xí)以團(tuán)隊(duì)合作為主要方式，實(shí)行班委和組長(zhǎng)負(fù)責(zé)制。每班分為三組，每組8-10人。組長(zhǎng)組織組員詳細(xì)認(rèn)真地閱讀學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，制定雙極晶體管具體制備流程，并做好組員的分工工作，明確雙極晶體管制備工藝，如清洗，氧化擴(kuò)散，光刻，鍍膜等工藝的具體負(fù)責(zé)人員，通過全組成員通力協(xié)作，完成整個(gè)實(shí)習(xí)，并上交完整的晶體管制備工藝流程卡和完整的測(cè)試分析報(bào)告。

因?yàn)槲㈦娮庸に噷?duì)環(huán)境和設(shè)備的依賴性很強(qiáng)，并且制備晶體管需要學(xué)生有一定的晶體管器件物理基礎(chǔ)，實(shí)習(xí)過程中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題。在整個(gè)過程中，指導(dǎo)教師鼓勵(lì)學(xué)生利用掌握的工藝基本原理、器件物理的知識(shí)和對(duì)工藝設(shè)備的了解，分析出現(xiàn)問題的原因，并積極找到辦法解決問題。通過工藝實(shí)習(xí)，學(xué)生加深對(duì)微電子工藝原理的理解和工藝實(shí)現(xiàn)方法的掌握，與已學(xué)到的理論和所做的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，把理論與實(shí)踐結(jié)合在一起。同時(shí)學(xué)生也會(huì)意識(shí)到每個(gè)工藝步驟都會(huì)影響整個(gè)工藝流程，深刻感受完整工藝流程是一個(gè)前后關(guān)聯(lián)不可分割的完整體系，因此明確自己的工作責(zé)任，各司其職通力合作，提高了團(tuán)隊(duì)合作的精神。整個(gè)實(shí)習(xí)過程能夠激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲，動(dòng)手能力、積極性、能動(dòng)性、創(chuàng)新性可以得到鍛煉。

3 結(jié)束語

基于OBE成果導(dǎo)向理念為指導(dǎo)，開展微電子工藝課程開放性、交互性課堂理論教學(xué)和實(shí)時(shí)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革研究工作，一方面讓學(xué)生掌握基礎(chǔ)的單步工藝步驟，了解先進(jìn)的工藝技術(shù)和先進(jìn)的半導(dǎo)體器件，通過開放性和交互性的理論教學(xué)，改變以往枯燥乏味的理論教學(xué)方式，改進(jìn)學(xué)生機(jī)械模仿、原理性的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，深刻理解工藝原理以及對(duì)工藝操作成果的影響。另一方面通過人人參與負(fù)責(zé)的工藝實(shí)習(xí)，加深了對(duì)微電子工藝原理的理解和工藝實(shí)現(xiàn)方法的掌握。總之，以成果導(dǎo)向?yàn)橹笇?dǎo)，以學(xué)生為主體，通過為電子工藝課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)改進(jìn)理論的科學(xué)研究思想，樹立實(shí)事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，善于運(yùn)用和發(fā)展已經(jīng)獲得的知識(shí)舉一反三的創(chuàng)新能力以及一種科學(xué)的想象力，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。