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“微電子工藝”課堂教學(xué)方法的改革論文
摘要：筆者從幾年的“微電子工藝”教學(xué)實(shí)踐中提出了7點(diǎn)關(guān)于課堂教學(xué)改革方法：布置思考問(wèn)題，引導學(xué)生預習；板書(shū)與多媒體教學(xué)相結合；現場(chǎng)小實(shí)驗和實(shí)物展示；播放實(shí)地拍攝的錄像；理論計算與工藝模擬相結合；專(zhuān)題討論以及安排綜合訓練任務(wù)。通過(guò)一系列的改革措施，學(xué)生對這門(mén)課程從理論到實(shí)踐都具有比較深刻的認識。
關(guān)鍵詞：微電子工藝；課堂教學(xué)；教學(xué)改革
微電子工藝課程是為電子與信息工程學(xué)院電子科學(xué)技術(shù)專(zhuān)業(yè)設立的一門(mén)必修課。通過(guò)對本課程學(xué)習，使學(xué)生對半導體集成電路制造工藝流程及工藝原理有一個(gè)較為完整和系統的概念，并具有一定工藝分析、工藝設計以及解決工藝問(wèn)題和提高產(chǎn)品質(zhì)量的能力。
一、課堂教學(xué)改革整體思路
根據以往的授課經(jīng)驗，如果學(xué)生能夠提前預習下節課內容，就會(huì )對將要講授的內容有所思考，并且會(huì )提出問(wèn)題，這樣聽(tīng)課的時(shí)候更會(huì )抓住重點(diǎn)；如果能參與課堂討論，將對知識點(diǎn)理解的更為透徹。因此，在本輪教學(xué)中每節課將針對下節課內容預留思考題，這些問(wèn)題將會(huì )在授課時(shí)結合知識點(diǎn)給予回答，或者將其作為討論內容。由此，對“微電子工藝”課程的課堂教學(xué)從以下幾方面進(jìn)行了改革：
1.每節課后設置思考題。例如，引言之后設置思考題：晶體中，不同晶向性質(zhì)不同，如何定義晶向？制造不同類(lèi)型的集成電路選用不同晶向的材料，材料的晶向由什么來(lái)決定？回答了這個(gè)問(wèn)題，將會(huì )引入關(guān)于晶體生長(cháng)的內容，而這部分內容與《半導體物理》中的晶向、晶體結構的知識點(diǎn)相關(guān)，也是對所學(xué)知識的復習。又如，晶體生長(cháng)之后設置思考題：半導體生產(chǎn)要求一個(gè)非常潔凈的環(huán)境，特別是工藝越先進(jìn)，集成度越高，環(huán)境的潔凈度也越高，那么這樣的環(huán)境我們需要考慮哪幾大方面呢？?jì)艋墑e又如何定義呢？回答了這個(gè)問(wèn)題，將會(huì )引入關(guān)于“工藝中的氣體、化試、水、環(huán)境和硅片清洗[1]”中環(huán)境凈化的內容。這些問(wèn)題的作用更像是預習作業(yè)，為學(xué)習下節課內容做好準備。
2.板書(shū)與多媒體教學(xué)相結合。微電子工藝教學(xué)中，像氧化、擴散、光刻以及工藝集成如果僅僅憑著(zhù)畫(huà)圖講解很難有一個(gè)直觀(guān)的理解，如果結合多媒體中精準的俯視圖、剖面圖、動(dòng)畫(huà)展示，會(huì )給學(xué)生以直觀(guān)、清楚的認識。例如，雜質(zhì)原子在硅片中的擴散過(guò)程、單個(gè)硅原子在硅片表面運動(dòng)形成硅外延層的生長(cháng)過(guò)程等。
3.現場(chǎng)小實(shí)驗和實(shí)物展示。教學(xué)中思考的最多的是如何吸引學(xué)生的聽(tīng)課興趣，因此當講到某個(gè)知識點(diǎn)時(shí)，話(huà)題中盡量引用與實(shí)際相關(guān)的例子或拿來(lái)實(shí)物展示。比如講到去離子水，就聯(lián)系到生活中純凈水的制備；講到文氏管，就現場(chǎng)做一個(gè)小實(shí)驗來(lái)講解文氏管的原理；講到硅片的制備，就拿來(lái)硅片實(shí)物；講到光刻，就拿來(lái)掩膜版給學(xué)生展示，加深對知識點(diǎn)的理解。
4.播放半導體生產(chǎn)的錄像。因為微電子工藝生產(chǎn)有其特殊性，要求環(huán)境潔凈度非常高，如果帶領(lǐng)學(xué)生實(shí)地去工廠(chǎng)參觀(guān)，會(huì )影響正常的生產(chǎn)，因此，聯(lián)系相關(guān)的工廠(chǎng)，拍攝各個(gè)工藝的錄像短片，講到對應知識點(diǎn)的時(shí)候播放給學(xué)生看，并加上詳盡的講解，這樣學(xué)生有一個(gè)非常直觀(guān)的認識。
5.理論計算與工藝模擬相結合。本輪教學(xué)中，氧化、擴散、離子注入、化學(xué)氣相沉積等工藝除了以往的理論計算之外，還加入了工藝模擬來(lái)對理論計算進(jìn)行驗證和調整，使之與實(shí)際的工作過(guò)程更加接近[2]。
例1：<111>晶向的硅樣品，摻硼，濃度2×1015cm-3，淀積0.4um厚度的氮化硅作為掩蔽，其中一部分刻蝕出窗口，進(jìn)行磷離子注入，注入能量為50keV、劑量為3×1015cm-2。然后將氮化硅全部刻蝕掉。進(jìn)行1000℃、10分鐘的濕氧氧化，提取注入磷區和沒(méi)有注入磷區氧化層厚度[3]。通過(guò)編寫(xiě)程序，運用silvaco軟件模擬結果如圖1所示，氧化膜的厚度可以從運行文件中得到。
例2：n型、<100>晶向的硅片上進(jìn)行15分鐘的硼預擴散（溫度為850℃），如果硅襯底摻雜磷的濃度在1016cm-3量級，模擬硼摻雜分布和結深。雜質(zhì)分布模擬結果如圖2所示，結深參數從模擬運行文件中得到。
6.專(zhuān)題討論。為了使學(xué)生對課堂講授內容有所延伸，針對重點(diǎn)內容設立專(zhuān)題討論課。討論一：雙大馬士革銅金屬化工藝。這次討論是針對課上講授的傳統金屬化工藝的延伸，結合已學(xué)內容，通過(guò)查找資料，對于先進(jìn)的銅金屬化工藝進(jìn)行討論。討論二：BiCMOS工藝討論。這次討論是針對課上講授的雙極工藝和CMOS工藝的延伸。雙極和CMOS工藝的結合并不是簡(jiǎn)單的疊加，要求是工藝的兼容性、成本的最小化和性能的優(yōu)化。
7.綜合訓練。在課程的尾聲，要求完成一個(gè)集版圖、工藝、仿真的綜合設計，以檢驗對微電子工藝課程的理解和掌握程度。
例如：設計一套CMOS反相器版圖和與版圖對應的工藝流程[4][5]。要求：（1）畫(huà)出版圖，完成金屬布線(xiàn)。（2）對應每塊版畫(huà)出工藝步驟的剖面圖，在圖中標明所用材料和工藝。并對每個(gè)剖面做出說(shuō)明。（3）根據表1給出的工藝條件設計nmos管，使它的閾值電壓=0.4V，并測量源區、漏區的結深，方塊電阻，雜質(zhì)分布。給出仿真結果。
二、課堂教學(xué)改革效果分析
課堂授課過(guò)程中，能夠感受到上課聽(tīng)講的人多了，并且能夠有效的互動(dòng)；因為討論和綜合設計需要人人畫(huà)圖、講解、回答問(wèn)題，所以絕大多數同學(xué)都能積極進(jìn)行準備，也能夠在答辯過(guò)程中提出遇到的問(wèn)題；有很多同學(xué)在之后的課程設計中提出自己的分析問(wèn)題的方法。
反思多年的課堂教學(xué)過(guò)程，以及和同學(xué)們交流，有以下幾點(diǎn)需要不斷的改進(jìn)：①對于定量計算的內容，有一部分同學(xué)接受較慢，在很大程度上影響了之后的學(xué)習效果。解決方法：把集中講解的習題課打散，把習題緊隨相應的知識點(diǎn)之后進(jìn)行講解，用習題來(lái)加強對繁瑣理論計算的理解。②關(guān)于課堂互動(dòng)。并非每堂課都能輕松愉快，在一些較難的知識點(diǎn)上，學(xué)生的反映會(huì )比較鈍一些。解決方法：強調重點(diǎn)，明確知識點(diǎn)之間的層次與關(guān)聯(lián)；難點(diǎn)慢講，細講；增加提問(wèn)和課上小測驗。③討論和綜合訓練答辯時(shí)間的掌握。無(wú)論是討論還是綜合答辯，都是非常耗費時(shí)間的，因為每個(gè)同學(xué)都要自述、提出問(wèn)題、回答問(wèn)題。解決方法：根據學(xué)生人數，留出足夠的時(shí)間。比如今年是50個(gè)學(xué)生，分10組，每次討論答辯大概3小時(shí)，綜合答辯4個(gè)小時(shí)左右。
結束語(yǔ)：
通過(guò)不斷的教學(xué)實(shí)踐摸索，使學(xué)生更好的理解和掌握微電子工藝中硅片制備、工藝環(huán)境的獲得和硅片的清洗、氧化、擴散、離子注入、薄膜淀積、光刻、刻蝕、金屬化工藝以及工藝集成等內容，也使學(xué)生具有了一定工藝分析、工藝設計以及解決工藝問(wèn)題和提高產(chǎn)品質(zhì)量的能力。
參考文獻：
[1]Michael Quirk，等.半導體制造技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.
[2]高文煥，著(zhù).計算機分析與設計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.
[3]施敏，著(zhù).半導體制造工藝基礎[M].合肥：安徽大學(xué)出版社，2011.
[4]Alan Hastings，著(zhù).模擬電路版圖的藝術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.
[5]施敏，著(zhù).半導體器件物理與工藝[M].蘇州：蘇州大學(xué)出版社，2002.
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