“微电子工艺”线上线下混合教学研究.pdf

专业领航ZHUANYE LINGHANG教师TEACHER 1052023 年 8 月Aug.2023一、引言微电子集成芯片设计和制造是保障国民经济发展和国家安全的战略性和先导性技术，我国的微电子集成芯片产业正遭受西方国家的技术压制，暴露了我国集成芯片产业存在的短板，需要国家在未来投入大量人力物力，培养更多的专业人才，促进我国微电子集成芯片产业的发展。其中，通过高校微电子专业有效培养与产业需求紧密相连的人才，迅速补充人才缺口，已成为高校新工科建设的重要目标之一。微电子集成芯片专业是典型的高精尖工科专业，微电子集成芯片制造工艺是本专业学生必须掌握的基本专业技术。北京工业大学信息学部电子科学与技术系开设“微电子工艺”课程，通过学习课程，学生掌握了基本微电子工艺原理，对半导体器件和集成电路制造流程有一个系统的概念，并具有工艺分析、设计、整合以及解决工艺问题和提高产品质量的能力。为培养当前微电子集成芯片产业迫切需求的复合创新型人才，本课程教师在讲授学生必须掌握的专业基础知识和专业基本技术的同时，需增加最新的工艺技术，以保证学生能快速对接产业需求。而在有限的教学时长内增加教学内容保证教学质量，需要开展“微电子专业”课程教学模式和教学方法的探索。笔者开展了“微电子工艺”线上线下混合教学的探究与尝试，保证学生既能掌握基本理论知识和基本工艺技术，又能学习微电子芯片产业的新材料、新器件和新工艺技术。二、当前“微电子工艺”课程教学中存在的问题（一）课程教学内容问题微电子集成芯片制造技术是以实验为基础的高精尖技术，充分理解掌握单步工艺和完整工艺流程，需要学习物理、化学、材料、机械和电气等多学科知识。同时微电子工艺流水线需要超净环境，工艺操作涉及强酸强碱、强电高温、有毒或危险气体及腐蚀性化学试剂等，因此标准操作流程、安全操作规范、环境保护等也是教学内容的重要组成部分。以往课程的教学内容以传统硅平面工艺为主，学生要学习掌握硅基超大规模集成电路芯片制作的工艺原理、工艺设备、实现方法、工艺流程和工艺参数调整等。对比当前微电子集成芯片产业的人才需求，以往课程的教学内容存在以下问题：涉及的理论知识点繁多、杂乱、重点不突出。以传统硅平面工艺技术为主，缺少新工艺、新材料、新器件等新技术知识。因此，“微电子工艺”课程一方面需要教师继续加强基础工艺理论和基本工艺技术的教授，为本专业学生打下集成芯片制造技术的坚实基础，另一方面，增加新的材料生长技术、新的加工工艺，确保学生能跟得上集成芯片产业的技术发展速度。“微电子工艺”线上线下混合教学研究谢红云，张万荣，袁 颖，金冬月，那伟聪 摘 要：为适应当前微电子集成芯片产业对人才的迫切需求，文章作者开展了“微电子工艺”课程线上线下混合教学模式的探究。线下教学结合课堂教授、虚拟仿真和工艺实践，采用引导式教学和项目式学习相统一的方法；线上网络课堂利用实时共享的优势，提供丰富的教学资料、学生项目作品展示平台和师生互动窗口。两者结合有助于有层次地开展“微电子工艺”线上线下混合教学，同时在教学过程中形成多维协同综合评测机制。“微电子工艺”线上线下混合教学的开展，能激发学生的学习热情和学习乐趣，有效提升课程教学效果和学生学习质量。基金项目：本文系北京工业大学教育教学研究课题“以产出为导向的微电子工艺多元混合教学模式研究”（ER2022KCB04）的研究成果。作者简介：谢红云（1978），女，河北石家庄人，副教授，博士研究生，研究方向：半导体高速光电器件、半导体射频器件和射频集成电路。中图分类号：G642 文献标识码：A 收稿日期：2023-04-07 文章编号：1674-120X（2023）23-0105-03关键词：线上线下；混合教学；虚拟仿真；工艺实践；集成芯片（北京工业大学信息学部电子科学与技术系，北京 100124）专业领航1062023 年 8 月（二）课程教学模式问题增加新的教学内容，一方面会继续提高课程知识的繁杂程度，使课程知识体系更加杂乱，另一方面在有限的教学时间（32 学时）内增加新教学内容，就必然会压缩基础知识和基本技术的教学时长，这会严重影响学生对基础知识和技术的理解与掌握，芯片制造技术的基础打不好，无异于建造空中楼阁。可以看出，“微电子工艺”课程在更新教学内容的同时，也需要改革教学模式。当前该课程以传统线下课堂讲授为主，基本理论知识、工艺设备和工艺技术的讲授以 PPT 展示和课堂板书为主，以单步工艺的讲解动画和教学视频等多媒体技术为辅。单纯的讲授和观看教学动画和视频，虽然能在一定程度上激发学生的学习热情，但抽象枯燥的理论讲解，只能观看不能实操的动画和视频，不能使学生充分理解以实验为基础的工艺基本理论和工艺参数调整对工艺效果的影响，也感受不到工艺流水线对超净环境的严格要求，更不利于学生学习掌握新工艺技术和新产品的工艺流程。因此，充分利用信息网络快速传输和共享的优势，打破传统填鸭式教学的枯燥乏味，改革“微电子工艺”课程的教学方法和教学模式势在必行。三、线上线下混合教学的实施高校课程目前通常采用的教学模式包括传统的课堂讲授教学模式和全新的慕课（MOOC）教学模式。在课堂讲授模式下，往往教师占据主导地位，学生被动接受知识，无法有效培养学生自主学习的能力。同时所有学生在授课过程中均处于被动接受的状态，学生个体差异性不明显，不能满足不同层次学生学习的个性化需求。而 MOOC 教学模式采用学生网上在线学习教学视频的方式，这完全依赖学生的自觉和自律，缺少了教师的指导和监督，学生对课程内容的理解和作业的完成质量会大打折扣，教学效果也难以达到期望值。理论上分析，线上线下混合教学模式具有灵活多样、实时互动、有效指导监管的特点，可以为学生提供更加灵活和多元的学习方式和机会，学生可以与教师和同学在线下面对面互动学习，讨论交流，也可以利用在线学习资源进行自主学习。这种教学模式能够帮助学生利用科技工具，活化学习方式，激发学习热情，提高学生的学习效率和作业质量。因此，在明确当前“微电子工艺”课程在教学内容和教学模式上存在的问题后，教师要结合传统的课堂讲授教学模式和全新的 MOOC 教学模式，开展线上线下混合教学的研究和实践。研究内容包括以下四个部分。（一）引导式课堂讲授课堂讲授是学生接触微电子集成芯片制造工艺的开端，以帮助学生打好基础为主要目的，保证学生能理解单步工艺、工艺整合、集成芯片工艺流程的概念。教师要在有限的教学时长内采用引导式教学加强学生对工艺原理和工艺操作的理解。首先，教师要有机组合 PPT 展示、板书与图片、动画等多媒体素材，以此讲述微电子基本工艺原理，如制作分子热运动的动画，引导学生理解扩散工艺中的费克扩散方程、热分子无规则热运动等微观理论。其次，播放单步工艺的操作视频，引导学生直观认识工艺设备，理解工艺实操中应注意的问题，加深对单步工艺的印象。最后，教师在课堂讲授中涉及日常生活常识时，要尝试开放性教学，引导学生思考、对比、讨论，如光刻中关于透镜、曝光、成像的知识，教师可选出喜欢摄影的学生代替自己讲解曝光量、光圈、景深等概念，与光刻工艺联系到一起，激发学生的听讲热情和学习兴趣，使学生对光刻工艺的理解更透彻。同时在课堂讲授过程中，教师应鼓励学生随时提问或对某一工艺步骤发表自己的看法，并进行讨论交流。（二）项目式虚拟仿真项目式虚拟仿真基于博达微 ProcessLab14nm 集成电路工艺教学套件开展。此轮教学中就单步工艺、单管制备工艺和典型集成芯片制备工艺，设计了四项课业项目。要求学生制作硅热氧化工艺的动画。选取热氧化工艺、扩散工艺和离子注入三种单步工艺，调整工艺参数，如热氧化工艺的方式、时间和温度、扩散工艺的温度和时间、离子注入工艺的注入剂量、角度和能量等，仿真不同工艺条件下的结深、掺杂浓度等。要求学生编制BJT、MOS单管和CMOS集成芯片制备流程，绘制版图、芯片俯视图和剖面图。选取新器件鳍式场效应管 FinFET，要求学生学习其制备工艺流程，并通过虚拟仿真完成 FinFET 的完整制备工艺，最后给出器件的结构图。项目要求学生建立仿真模型和处理仿真数据，感受基本工艺参数对工艺效果的影响，加深对单步工艺物理机理和基础工艺知识的掌握。项目需要学生整合单步工艺形成 BJT、MOS 和 CMOS 的完整工艺流程，给出工艺完成后的器件结构图，要求学生掌握微电子器件和集成芯片的完整工艺流程，理解成本和效率关系。项目要求学生掌握课堂讲授的新工艺和新器件，这样能更快适应产业发展对人才的需求。（三）线上网络课堂这次线上教学实施过程使用学校提供的网络教学平台日新学堂。首先教师要上传课程讲义和基本教学动画和视频，丰富网络课堂教学资源，保证学生随时随地开展学习和复习。然后教师要在网络课堂中为学生提供上传课业项目作品的展示平台，让学生上传课业项目成果，如学生制作的动画、视频、编制的 BJT、MOS和 CMOS 芯片流程、虚拟仿真、虚拟仿真的数据处理结果、性能分析曲线、得到的器件结构俯视图和剖面图等，让学生彼此分享实时讨论，进一步加深其对课程基本理论、基本工艺和工艺流程等知识点的理解。同时教专业领航1072023 年 8 月师要在网络课堂开设作业、测验和交流窗口，监测学生的学习进度、学习效果，允许学生提问、阐述对某一工艺步骤的思考，实现师生实时交流互动。最后教师要开设专门的讨论窗口，学生可在此反馈教学效果，教师可在此上传微电子芯片制造技术革新发展的视频和文献，引导学生思考讨论行业发展趋势和最新技术热点，并表达自己的观点。（四）工艺实践操作此轮教学中的微电子工艺实践在北京工业大学信息学部电子科学与技术系半导体工艺实习基地开展，2020 级电子科学与技术专业有 100 名本科学生参加。学生操作现有的工艺设备，完成硅基双极晶体管 BJT的制作和测试。学生需学习实验室安全操作规范，掌握工艺设备的标准操作方法。工艺实习以团队方式开展，810 人一组，组长负责组织组员学习实验指导书，讨论组员课业项目所要完成的双极晶体管的工艺制备流程，选定大家认可的方式作为该组的工艺实验流程。组长和组员根据双极晶体管制备工艺中的清洗、氧化扩散、光刻、镀膜等步骤合理分工，通力协作完成整个 BJT单管的制作，最后上交完整的晶体管制备工艺流程卡和测试分析报告。实习过程中，教师需引导学生利用基本工艺原理、基本操作技术、器件物理机理和对工艺设备的了解，分析由工艺环境和工艺设备带来的各种各样的问题，并找到解决办法。整个工艺实践操作能锻炼学生的动手能力，激发其积极性和创新性，能让学生体验微电子集成芯片的完整工艺流程，加深对课程知识点的理解，能让学生将学到的晶体管器件理论与项目虚拟仿真中得到的仿真数据进行对比，培养其理论指导实践，实践修正理论的科研思维和严谨诚实的科研态度。同时学生也能深刻感受到完整工艺流程是一个前后关联不可分割的完整体系，调整单步工艺会牵一发而动全身，由此，学生能明确自己的工作责任，在团队实践中各司其职，通力合作，培养其团队合作精神。（五）多维协同综合评测线下教学的引导式课堂讲授微电子工艺的基础知识和技术，是学生理解和掌握集成电路制造工艺的基础，评测以课堂提问、课后作业和期末卷面完成对学生的过程评价和终结评价。线下教学的项目式虚拟仿真和工艺实践能反映出学生对所学微电子工艺制造技术的综合理解和运用能力，同时学生需灵活应对仿真电脑故障、工艺设备故障等实际问题，这反映出学生协调沟通，团队合作等能力，评测以实验表现、实验数据分析、实验结果展示来完成过程评价和终结评价。线上教学的课业项目展示平台和网络课堂是基础知识和技术的延展，一方面讨论交流窗口能多方面展示出学生对基础知识和技术的理解，一方面课业项目展示平台所展示的作品能反映学生的文献综述、数据分析、写作等能力，评测以网络平台学生的实时动态表现完成过程评价和终结评价。“微电子工艺”课程线上线下混合教学的多维协同综合评测机制，以学习过程中不同阶段学生的主动表现为过程监测点，消除单纯唯卷面成绩评测方式的被动性，能充分调动学生的积极性，给出非标准化的综合性评价。四、结语为培养满足微电子芯片产业需求的复合型创新人才，需要开展“微电子工艺”课程线上线下混合教学模式的研究。线下教学采用了引导式课堂讲授、项目式虚拟仿真和工艺实践操作，改进了单一枯燥的填鸭式教学方式，加强了学生对微电子集成芯片的基本工艺原理，基本工艺技术和操作的掌握，增加了学生对微电子器件和集成芯片完整工艺流程整合的深度理解。线上教学的网络课堂提供了丰富的教学资源，为学生提供虚拟仿真成果展示和分享平台，开设实时讨论窗口，师生随时随地灵活互动，实现实时、开放、灵活的教学。在整个“微电子工艺”课程的线上线下混合教学过程中，学生保持了强烈的学习热情和积极的学习态度。完成课程的学习后，学生的知识结构、专业技术水平和能力及素质等会更符合快速发展的微电子集成芯片产业对高端人才的需求。参考文献：1 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