應(yīng)用型本科高校材料專業(yè)《微電子工藝學(xué)》課程的改革與實(shí)踐＊

田 甜 劉志福 李 楊 李 瑩 儲(chǔ)耀卿 徐家躍

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201418）

集成電路是信息技術(shù)的產(chǎn)業(yè)核心，是支持經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，提升核心競(jìng)爭(zhēng)力，涉及國家安全的重要戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，是國之重器。大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，已上升到國家戰(zhàn)略的高度，這不僅是全行業(yè)的機(jī)遇，更是重大的挑戰(zhàn)。2014年至2020年，國務(wù)院先后發(fā)布《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》《新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》（簡(jiǎn)稱《若干政策》）等文件，從多個(gè)維度上加大對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)的支持，期望2030年集成電路產(chǎn)業(yè)鏈達(dá)到國際先進(jìn)水平。此外，在“十四五”規(guī)劃中，把科技自立自強(qiáng)作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐，提到瞄準(zhǔn)包括集成電路、人工智能、量子信息、腦科學(xué)等前沿領(lǐng)域。根據(jù)Gartner統(tǒng)計(jì)，伴隨著2020年5G建設(shè)的快速發(fā)展，預(yù)計(jì)全球半導(dǎo)體行業(yè)2024年市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到5727.88億美元。而上海作為我國科技發(fā)展的前沿陣地，集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展蓬勃，擁有中芯國際、華虹集團(tuán)、日月光半導(dǎo)體等著名企業(yè)，形成具有國際水平集成電路生產(chǎn)和研發(fā)的國家微電子產(chǎn)業(yè)基地和產(chǎn)業(yè)集群。

上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)材料物理專業(yè)面向集成電路行業(yè)培養(yǎng)材料類應(yīng)用型人才，對(duì)接集成電路產(chǎn)業(yè)鏈，打造了由“半導(dǎo)體材料”“半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)”“微電子工藝學(xué)”“晶體生長(zhǎng)與凝固技術(shù)”“半導(dǎo)體材料加工與制備”“微電子器件工藝實(shí)驗(yàn)”等構(gòu)成的課程群?！拔㈦娮庸に噷W(xué)”作為其中的核心課程，面向四年級(jí)本科生開設(shè)，能更好構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)“知識(shí)、能力和價(jià)值”上的三維課程目標(biāo)，直接與學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量和就業(yè)掛鉤。該課程是一門與實(shí)際器件制備、電路設(shè)計(jì)密切相關(guān)的工藝課，但是根據(jù)企業(yè)調(diào)研結(jié)果，目前有如下問題亟待解決：第一，集成電路領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化程度高的先進(jìn)制造業(yè)，有極強(qiáng)的行業(yè)規(guī)范，須讓學(xué)生知道相應(yīng)設(shè)備的使用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范；第二，隨著集成電路不斷發(fā)展，企業(yè)對(duì)人才能力需求進(jìn)一步提升，不僅要掌握微電子芯片制造工藝，還要對(duì)前期的芯片設(shè)計(jì)、后期的器件封裝做一定的了解；第三，工藝涉及的設(shè)備、步驟等只能用多媒體展現(xiàn)，學(xué)生很難將其放入現(xiàn)實(shí)技術(shù)中加以學(xué)習(xí)，實(shí)際授課效果仍有待提升；第四，集成電路制造對(duì)環(huán)境要求極高（需要超凈環(huán)境）、生產(chǎn)設(shè)備極其昂貴，企業(yè)實(shí)習(xí)難度大，即使用于人才培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)備造價(jià)也非常高。針對(duì)上述問題，該課程自2014年開設(shè)以來，通過課程思政、引起入教、虛擬仿真等多種方式開展教學(xué)改革加以建設(shè)，本文介紹相關(guān)做法以及取得的一些成效。

一、對(duì)接芯片制造生產(chǎn)鏈，完善教學(xué)內(nèi)容和大綱

《微電子工藝學(xué)》該課程是在學(xué)習(xí)了《半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)》課程的基礎(chǔ)上，講授以硅單晶或多晶為主要材料的半導(dǎo)體器件的工藝部分，主要包括清洗、氧化、摻雜、化學(xué)汽相淀積、金屬化、光刻、刻蝕、平坦化等幾個(gè)工藝，注重對(duì)半導(dǎo)體器件的工藝原理、工藝設(shè)備、工藝過程、工藝參數(shù)的描述及測(cè)量、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)的學(xué)習(xí)。但經(jīng)過幾年的授課，結(jié)合企業(yè)和學(xué)生的調(diào)研反饋結(jié)果，需要對(duì)接集成電路的產(chǎn)業(yè)鏈，企業(yè)對(duì)人才能力需求進(jìn)一步提升，不僅要掌握微電子芯片制造工藝，還要對(duì)前期的半導(dǎo)體材料制備、芯片設(shè)計(jì)、后期的器件封裝做一定的了解。因此，我們修訂教學(xué)大綱，將上述內(nèi)容融入教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)，我們立足于基礎(chǔ)性、實(shí)用性、前沿性和趣味性教學(xué)，在傳統(tǒng)工藝講授的基礎(chǔ)上，引入不同領(lǐng)域不同工藝的最新研究成果及實(shí)際應(yīng)用，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，并通過視頻和動(dòng)畫將抽象的工藝流程動(dòng)態(tài)展現(xiàn)給學(xué)生，增加學(xué)習(xí)的趣味性。

二、堅(jiān)持立德樹人為根本，思政元素融入知識(shí)內(nèi)容

2016年12月，在全國高校思想政治工作會(huì)議上記強(qiáng)調(diào)“要用好課堂教學(xué)這個(gè)主渠道，各類課程都要與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)?！?教育部承接重要指示，大力推行以本為本、“課程思政”建設(shè)，上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)積極響應(yīng)開展一系列卓有成效的課程思政建設(shè)項(xiàng)目。本課程團(tuán)隊(duì)以學(xué)校獲批上海市課程思政領(lǐng)航高校為契機(jī)，研究探討《微電子工藝學(xué)》“課程思政建設(shè)”教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施方法，深入挖掘?qū)I(yè)課程蘊(yùn)含的思想政治教育元素和所承載的思想政治教育功能，融入課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，以“浸潤式”教學(xué)做到“鹽溶于湯”，實(shí)現(xiàn)思想政治教育與知識(shí)體系教育的有機(jī)結(jié)合，真正發(fā)揮教師既教書又育人的雙重職責(zé)。在授課中，我們聯(lián)合企業(yè)教師借助典型案例開展課程思政，比如，引入“大尺寸硅單晶”“光刻機(jī)及光刻技術(shù)”等案例激發(fā)學(xué)生愛國主義情懷；引入中國集成電路發(fā)展史，講述黃昆先生等半導(dǎo)體黨員先驅(qū)們的奮斗史，培養(yǎng)學(xué)生科技振興中華的志向；引入企業(yè)案例進(jìn)行研討，比如“晶圓尺寸、芯片大小與實(shí)際器件之間關(guān)系”“為什么要有超凈環(huán)境”等，培養(yǎng)學(xué)生批判質(zhì)疑的科學(xué)精神和職業(yè)規(guī)范。

三、設(shè)計(jì)開發(fā)虛擬仿真資源，應(yīng)對(duì)企業(yè)實(shí)踐資源匱乏

虛擬仿真教學(xué)是綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互等多種信息技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)。而各種數(shù)字化資源，包括項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、教學(xué)資源、學(xué)習(xí)資源、考核方式等，是信息化教學(xué)的一部分，對(duì)提升學(xué)生的實(shí)踐技能具有重要的作用。面對(duì)集成電路制造全過程均是機(jī)械化操作（因?yàn)槿耸亲畲笪廴驹矗婕暗脑O(shè)備非常昂貴等問題，為了提高教學(xué)質(zhì)量和效果，更好地培養(yǎng)出更多具有行業(yè)特色急需的應(yīng)用型人才，我們對(duì)《微電子工藝學(xué)》開展了虛擬仿真課程建設(shè)。主要是將晶體生長(zhǎng)、光刻等制造工藝中的重要項(xiàng)目，制作成 3D 虛擬仿真模式，展示設(shè)備及相關(guān)工藝的基本原理。同時(shí)，軟件設(shè)有瀏覽模式、教學(xué)模式和考試模式，方便教師教學(xué)、學(xué)生聯(lián)系和考核評(píng)價(jià)。教師在核心內(nèi)容講解和案例教學(xué)之后，每次拿出課程的一半時(shí)間，布置與講授內(nèi)容相關(guān)的練習(xí)題目，學(xué)生以小組為單位上機(jī)練習(xí)，通過參考所學(xué)案例，結(jié)合個(gè)人的知識(shí)儲(chǔ)備，通過相互協(xié)作配合，去完成特定的題目，教師只起到輔助作用，從而實(shí)現(xiàn)課堂的效果。它能夠?qū)崿F(xiàn)多媒體的三維立體的交互，將看起來是虛擬的實(shí)則較為逼真的多媒體教學(xué)環(huán)境應(yīng)用于課堂，給予學(xué)生身臨其境的真實(shí)感受。

四、引入集成電路企業(yè)資源，延伸人才培養(yǎng)半徑

面對(duì)微電子領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化程度高、對(duì)學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)要求高等特點(diǎn)，我們聯(lián)合行業(yè)企業(yè)，通過“引企入教”開展教學(xué)。從教學(xué)內(nèi)容上看，由來自集成電路行業(yè)的企業(yè)家和工程師將本課程前沿的新材料、新工藝生和新設(shè)備帶入課堂，加深學(xué)生對(duì)本專業(yè)的認(rèn)同感。同時(shí)，充分利用企業(yè)現(xiàn)有的先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備為教學(xué)所用，延伸人才培養(yǎng)半徑，加深學(xué)生對(duì)企業(yè)的認(rèn)同感，培養(yǎng)學(xué)生的就業(yè)意識(shí)，并且使學(xué)生在生產(chǎn)實(shí)際中檢驗(yàn)課堂所學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。此外，已建成一支學(xué)歷、結(jié)構(gòu)、梯隊(duì)合理的高水平校企師資隊(duì)伍，使青年教師在企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)中得到鍛煉，體現(xiàn)我校“雙師型”教師的特色。

結(jié)語

“微電子工藝學(xué)”是我校材料物理本科專業(yè)的重要課程之一，是面向集成電路行業(yè)培養(yǎng)所需材料人才必修課程。在上海市重點(diǎn)課程、校級(jí)校企合作課程/虛擬仿真課程等建設(shè)項(xiàng)目資助下，該課程已持續(xù)建設(shè)四年，取得了一些較好的成效，比如，學(xué)生進(jìn)入中芯國際、華虹集團(tuán)等集成電路行業(yè)大型企業(yè)就業(yè)人數(shù)逐年攀升；形成了可推廣成果，并作為核心課程素材獲得中國化工教育協(xié)會(huì)優(yōu)秀教學(xué)成果二等獎(jiǎng)。未來，該課程在線上線下教學(xué)模式改革、版圖設(shè)計(jì)技能開發(fā)等方面仍然有進(jìn)一步提升空間。隨著該課程進(jìn)一步建設(shè)和不斷完善，不僅有助于我校成為集成電路行業(yè)人才培養(yǎng)基地，還對(duì)推動(dòng)我國集成電路領(lǐng)域發(fā)展有重要意義。