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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：布置思考問題，引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)；板書與多媒體教學(xué)相結(jié)合；現(xiàn)場小實(shí)驗(yàn)和實(shí)物展示；播放實(shí)地拍攝的錄像；理論計(jì)算與工藝模擬相結(jié)合；專題討論以及安排綜合訓(xùn)練任務(wù)。通過一系列的改革措施，學(xué)生對這門課程從理論到實(shí)踐都具有比較深刻的認(rèn)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)專業(yè)設(shè)立的一門必修課。通過對本課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生對半導(dǎo)體集成電路制造工藝流程及工藝原理有一個較為完整和系統(tǒng)的概念，并具有一定工藝分析、工藝設(shè)計(jì)以及解決工藝問題和提高產(chǎn)品質(zhì)量的能力。
一、課堂教學(xué)改革整體思路
根據(jù)以往的授課經(jīng)驗(yàn)，如果學(xué)生能夠提前預(yù)習(xí)下節(jié)課內(nèi)容，就會對將要講授的內(nèi)容有所思考，并且會提出問題，這樣聽課的時候更會抓住重點(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(jié)課將針對下節(jié)課內(nèi)容預(yù)留思考題，這些問題將會在授課時結(jié)合知識點(diǎn)給予回答，或者將其作為討論內(nèi)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(jié)課后設(shè)置思考題。例如，引言之后設(shè)置思考題：晶體中，不同晶向性質(zhì)不同，如何定義晶向？制造不同類型的集成電路選用不同晶向的材料，材料的晶向由什么來決定？回答了這個問題，將會引入關(guān)于晶體生長的內(nèi)容，而這部分內(nèi)容與《半導(dǎo)體物理》中的晶向、晶體結(jié)構(gòu)的知識點(diǎn)相關(guān)，也是對所學(xué)知識的復(fù)習(xí)。又如，晶體生長之后設(shè)置思考題：半導(dǎo)體生產(chǎn)要求一個非常潔凈的環(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？凈化級別又如何定義呢？回答了這個問題，將會引入關(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(nèi)容。這些問題的作用更像是預(yù)習(xí)作業(yè)，為學(xué)習(xí)下節(jié)課內(nèi)容做好準(zhǔn)備。
2.板書與多媒體教學(xué)相結(jié)合。微電子工藝教學(xué)中，像氧化、擴(kuò)散、光刻以及工藝集成如果僅僅憑著畫圖講解很難有一個直觀的理解，如果結(jié)合多媒體中精準(zhǔn)的俯視圖、剖面圖、動畫展示，會給學(xué)生以直觀、清楚的認(rèn)識。例如，雜質(zhì)原子在硅片中的擴(kuò)散過程、單個硅原子在硅片表面運(yùn)動形成硅外延層的生長過程等。
3.現(xiàn)場小實(shí)驗(yàn)和實(shí)物展示。教學(xué)中思考的最多的是如何吸引學(xué)生的聽課興趣，因此當(dāng)講到某個知識點(diǎn)時，話題中盡量引用與實(shí)際相關(guān)的例子或拿來實(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(xiàn)場做一個小實(shí)驗(yàn)來講解文氏管的原理；講到硅片的制備，就拿來硅片實(shí)物；講到光刻，就拿來掩膜版給學(xué)生展示，加深對知識點(diǎn)的理解。
4.播放半導(dǎo)體生產(chǎn)的錄像。因?yàn)槲㈦娮庸に嚿a(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)地去工廠參觀，會影響正常的生產(chǎn)，因此，聯(lián)系相關(guān)的工廠，拍攝各個工藝的錄像短片，講到對應(yīng)知識點(diǎn)的時候播放給學(xué)生看，并加上詳盡的講解，這樣學(xué)生有一個非常直觀的認(rèn)識。
5.理論計(jì)算與工藝模擬相結(jié)合。本輪教學(xué)中，氧化、擴(kuò)散、離子注入、化學(xué)氣相沉積等工藝除了以往的理論計(jì)算之外，還加入了工藝模擬來對理論計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整，使之與實(shí)際的工作過程更加接近[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(qū)和沒有注入磷區(qū)氧化層厚度[3]。通過編寫程序，運(yùn)用silvaco軟件模擬結(jié)果如圖1所示，氧化膜的厚度可以從運(yùn)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(yù)擴(kuò)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(jié)深。雜質(zhì)分布模擬結(jié)果如圖2所示，結(jié)深參數(shù)從模擬運(yùn)行文件中得到。
6.專題討論。為了使學(xué)生對課堂講授內(nèi)容有所延伸，針對重點(diǎn)內(nèi)容設(shè)立專題討論課。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(tǒng)金屬化工藝的延伸，結(jié)合已學(xué)內(nèi)容，通過查找資料，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(jié)合并不是簡單的疊加，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(xùn)練。在課程的尾聲，要求完成一個集版圖、工藝、仿真的綜合設(shè)計(jì)，以檢驗(yàn)對微電子工藝課程的理解和掌握程度。
例如：設(shè)計(jì)一套CMOS反相器版圖和與版圖對應(yīng)的工藝流程[4][5]。要求：（1）畫出版圖，完成金屬布線。（2）對應(yīng)每塊版畫出工藝步驟的剖面圖，在圖中標(biāo)明所用材料和工藝。并對每個剖面做出說明。（3）根據(jù)表1給出的工藝條件設(shè)計(jì)nmos管，使它的閾值電壓=0.4V，并測量源區(qū)、漏區(qū)的結(jié)深，方塊電阻，雜質(zhì)分布。給出仿真結(jié)果。
二、課堂教學(xué)改革效果分析
課堂授課過程中，能夠感受到上課聽講的人多了，并且能夠有效的互動；因?yàn)橛懻摵途C合設(shè)計(jì)需要人人畫圖、講解、回答問題，所以絕大多數(shù)同學(xué)都能積極進(jìn)行準(zhǔn)備，也能夠在答辯過程中提出遇到的問題；有很多同學(xué)在之后的課程設(shè)計(jì)中提出自己的分析問題的方法。
反思多年的課堂教學(xué)過程，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(jì)算的內(nèi)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(xí)效果。解決方法：把集中講解的習(xí)題課打散，把習(xí)題緊隨相應(yīng)的知識點(diǎn)之后進(jìn)行講解，用習(xí)題來加強(qiáng)對繁瑣理論計(jì)算的理解。②關(guān)于課堂互動。并非每堂課都能輕松愉快，在一些較難的知識點(diǎn)上，學(xué)生的反映會比較鈍一些。解決方法：強(qiáng)調(diào)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(xì)講；增加提問和課上小測驗(yàn)。③討論和綜合訓(xùn)練答辯時間的掌握。無論是討論還是綜合答辯，都是非常耗費(fèi)時間的，因?yàn)槊總�同學(xué)都要自述、提出問題、回答問題。解決方法：根據(jù)學(xué)生人數(shù)，留出足夠的時間。比如今年是50個學(xué)生，分10組，每次討論答辯大概3小時，綜合答辯4個小時左右。
結(jié)束語：
通過不斷的教學(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(kuò)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(nèi)容，也使學(xué)生具有了一定工藝分析、工藝設(shè)計(jì)以及解決工藝問題和提高產(chǎn)品質(zhì)量的能力。
參考文獻(xiàn)：
[1]Michael Quirk，等.半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.
[2]高文煥，著.計(jì)算機(jī)分析與設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.
[3]施敏，著.半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)[M].合肥：安徽大學(xué)出版社，2011.
[4]Alan Hastings，著.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.半導(dǎo)體器件物理與工藝[M].蘇州：蘇州大學(xué)出版社，2002.
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