《集成電路工藝原理》教學(xué)內(nèi)容的改革探索

摘 要： 教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)是教學(xué)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，只有合理選擇和組織教學(xué)內(nèi)容，恰當(dāng)安排教學(xué)內(nèi)容的表述，才能有效地保證教學(xué)質(zhì)量。本文從《集成電路工藝原理》課程特點(diǎn)出發(fā)，針對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新型大學(xué)生的需求，深入剖析了目前課程教學(xué)中存在的主要問(wèn)題，提出了在課程教學(xué)內(nèi)容改革方面的一些措施，以期達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，提高課堂教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 大規(guī)模集成電路 集成電路制造工藝 教學(xué)內(nèi)容

21世紀(jì)以來(lái)，信息產(chǎn)業(yè)已成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一，同時(shí)也是衡量一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展水平和綜合國(guó)力的重要指標(biāo)。超大規(guī)模集成電路技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)，而集成電路制造工藝又是超大規(guī)模集成電路的核心技術(shù)。因此，對(duì)集成電路工藝的優(yōu)化和創(chuàng)新就成為提高信息產(chǎn)業(yè)綜合實(shí)力，增強(qiáng)國(guó)家科技競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵所在。近年來(lái)，盡管我國(guó)微電子技術(shù)不斷進(jìn)步，但與微電子技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家相比，仍存在著相當(dāng)大的差距。因此，要實(shí)現(xiàn)由集成電路生產(chǎn)制造大國(guó)向集成電路研發(fā)強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，就迫切需要培養(yǎng)一批高質(zhì)量的超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)人才[1]，這也正是《集成電路工藝原理》這門(mén)課程所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

然而，目前《集成電路工藝原理》課程的教學(xué)效果并不理想[2]，[3]，究其根本原因在于該課程存在內(nèi)容陳舊、知識(shí)點(diǎn)離散、概念抽象、目標(biāo)不明確等不足[4]。同時(shí)，由于大部分普通高校沒(méi)有足夠的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和模擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，無(wú)法使學(xué)生熟悉和掌握工藝儀器的操作，導(dǎo)致學(xué)生所學(xué)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用嚴(yán)重脫鉤，甚至失去學(xué)習(xí)積極性，產(chǎn)生厭學(xué)情緒。為此，依據(jù)我院微電子專業(yè)本科生的教學(xué)情況，我詳細(xì)分析了教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，提出了改革方案。

一、目前教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確?，F(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容往往采用先分別獨(dú)立講授單項(xiàng)加工工藝，待所有工藝全部講授完畢，再綜合利用所有工藝演示制作CMOS集成電路芯片的流程。這種教學(xué)模式會(huì)造成學(xué)生在前期的理論學(xué)習(xí)過(guò)程中目標(biāo)不明確，無(wú)法掌握單項(xiàng)工藝在芯片加工中的作用，不能與實(shí)際器件加工進(jìn)行對(duì)應(yīng)，造成所學(xué)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用嚴(yán)重錯(cuò)位，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。

2.知識(shí)銜接性差。本課程的重點(diǎn)內(nèi)容是集成電路工藝的物理基礎(chǔ)和基本原理，它涉及熱學(xué)、原子物理學(xué)、半導(dǎo)體物理等離子體物理、化學(xué)、流體力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，然而，大部分學(xué)生并未系統(tǒng)地學(xué)習(xí)過(guò)譬如等離子體物理、流體力學(xué)等課程，這就不可避免地造成了教學(xué)內(nèi)容跨越性大的問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)知識(shí)的正常銜接，致使學(xué)生對(duì)基本概念和基本物理過(guò)程難以理解，從而影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.課程內(nèi)容抽象，不易理解。由于該課程的基本概念、物理原理和物理過(guò)程多而繁雜，再加上各種不同工藝之間的配合與銜接，導(dǎo)致內(nèi)容抽象難懂。教師在課堂上按照常規(guī)講法，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，學(xué)生對(duì)所講內(nèi)容仍無(wú)法徹底理解，難以完成知識(shí)的遷移。

4.教學(xué)資源匱乏。現(xiàn)有教材中嚴(yán)重缺乏集成電路加工方法的可視化資料，大量使用文字?jǐn)⑹雒枋鑫锢磉^(guò)程和工藝流程，致使課程講授枯燥乏味，學(xué)生無(wú)法真正理解教學(xué)內(nèi)容，很難產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。

綜上所述，在現(xiàn)有集成電路工藝原理的教學(xué)過(guò)程中還存在一些嚴(yán)重影響教學(xué)質(zhì)量的因素。為了響應(yīng)國(guó)家“十二五”規(guī)劃中明確提出的建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的任務(wù)，培養(yǎng)創(chuàng)新型大學(xué)生的要求，我們必須逐步改革和完善現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)模式[5]，提高教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)開(kāi)創(chuàng)未來(lái)的全面發(fā)展型人才奠定基礎(chǔ)。

二、教學(xué)內(nèi)容的整體規(guī)劃

為了讓學(xué)生明確教學(xué)目標(biāo)，突出教學(xué)重點(diǎn)，需要摒棄傳統(tǒng)的教學(xué)思路[6]，構(gòu)建“先整體、后部分；先目標(biāo)、后工藝”的教學(xué)思路，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使其更加符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。我們拋棄了傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容編排方式，提出了整個(gè)課程主要圍繞一個(gè)通用、典型的集成電路芯片的加工和制備展開(kāi)，使學(xué)生明確本課程的教學(xué)目標(biāo)。首先給出典型器件的模型，分析其各部分的材料和結(jié)構(gòu)，明確器件的不同組成部分并進(jìn)行歸類，依據(jù)器件加工的先后順序，然后模塊化講授器件每部分的加工方法、工藝原理和加工流程，逐步完成集成電路的全部制作，進(jìn)而完成整個(gè)課程內(nèi)容的講授。這樣就能用一條主線串起每塊學(xué)習(xí)內(nèi)容，使學(xué)生明確每種工藝的原理、流程和用途，做到有的放矢，并能與實(shí)際應(yīng)用較好地融合在一起，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，增強(qiáng)課堂教學(xué)效果。

三、教學(xué)內(nèi)容的選取與組織

1.教材的選擇

集成電路工藝的發(fā)展遵循摩爾定律，隨著理論的深入和技術(shù)的革新，現(xiàn)有的大部分《集成電路工藝原理》教材顯得陳舊、落后，無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代工藝技術(shù)的發(fā)展和教學(xué)的需求。

為此，本課程的教材最好采用現(xiàn)有經(jīng)典教材和前沿科學(xué)研究成果相結(jié)合的方式，現(xiàn)有經(jīng)典教材有美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的《微電子制造科學(xué)原理與工程技術(shù)》[3]和北京大學(xué)的《硅集成電路工藝基礎(chǔ)》[7]等，這些教材內(nèi)容全面，幾乎覆蓋了所有的集成電路加工方法，而且原理講解深入透徹，具有較強(qiáng)的理論性。這些教材知識(shí)結(jié)構(gòu)基本上是按照傳統(tǒng)的教學(xué)思路編排，所以要打破這種思維的束縛，設(shè)計(jì)出一個(gè)具有代表性器件的加工過(guò)程，然后把教材中的工藝原理、工藝流程融入器件的加工過(guò)程中。這就要求我們不能照搬書(shū)本上的知識(shí)內(nèi)容，需要根據(jù)課程的新設(shè)計(jì)方案重新整合講義。同時(shí)還應(yīng)該注意，為了擴(kuò)充學(xué)生的知識(shí)面，還應(yīng)該摘取一些具有代表性的最新前沿成果，不僅使學(xué)生的知識(shí)體系具有完整性，而且能進(jìn)一步調(diào)動(dòng)他們的創(chuàng)造性。

2.教學(xué)內(nèi)容的選取

依據(jù)課程“先整體、后部分；先目標(biāo)、后工藝”的教學(xué)思路，采用“范例”教學(xué)模式，教學(xué)內(nèi)容可以劃分為九大知識(shí)模塊：典型CMOS器件、外延、氧化、擴(kuò)散、離子注入、物理氣相淀積、化學(xué)氣相淀積、光刻與刻蝕、隔離與互聯(lián)。首先，通過(guò)一個(gè)典型CMOS器件的結(jié)構(gòu)分析，獲得制作一個(gè)芯片所需的材料與結(jié)構(gòu)，然后簡(jiǎn)要給出不同材料和結(jié)構(gòu)的加工方法，讓學(xué)生對(duì)課程整體內(nèi)容有宏觀把握，初步了解每種工藝的基本功能。其次按照器件加工的順序，對(duì)不同工藝分別從發(fā)展歷史、工藝原理、工藝流程、工藝特點(diǎn)等方面進(jìn)行詳細(xì)闡述，使學(xué)生對(duì)工藝原理深入理解，工藝流程熟練掌握，最后完成整個(gè)器件的制作。

3.教學(xué)內(nèi)容的組織

對(duì)每部分教學(xué)內(nèi)容要堅(jiān)持“基礎(chǔ)知識(shí)銜接、主流工藝突出、淘汰工藝刪減、最新工藝提及”的原則。由于本課程以工藝的物理基礎(chǔ)和基本原理為重點(diǎn)內(nèi)容，這是本課程的教學(xué)難點(diǎn)，為了讓學(xué)生更加清晰地理解和掌握其工藝原理，需要適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)充一些課程必備的物理基礎(chǔ)知識(shí)。主流工藝是本課程的主要內(nèi)容，要求學(xué)生對(duì)原理、流程、性能、使用范圍等深入理解，熟練掌握。因此，這部分內(nèi)容要進(jìn)行詳細(xì)講解。淘汰工藝是本課程的了解內(nèi)容，目前淘汰工藝在現(xiàn)有教材中占據(jù)的篇幅和課時(shí)還比較多，且有喧賓奪主之勢(shì)，為了讓學(xué)生了解和熟悉集成電路工藝的發(fā)展歷史，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)母爬▔嚎s或刪減處理。最新工藝是本學(xué)科的前沿研究?jī)?nèi)容，為了擴(kuò)充學(xué)生的知識(shí)，開(kāi)闊學(xué)生的視野，應(yīng)該適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)充一些新型工藝技術(shù)，為學(xué)生將來(lái)進(jìn)一步研究深造奠定基礎(chǔ)。

四、結(jié)語(yǔ)

《集成電路工藝原理》是微電子學(xué)專業(yè)本科生的一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，本課程的目的是使學(xué)生掌握集成電路制造工藝流程和基本原理。只有通過(guò)精心選擇優(yōu)秀教材，合理設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，使理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維，進(jìn)而有效地提高課堂教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)科技創(chuàng)新型人才奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]李琦，趙秋明，段吉海.工程教育背景下“集成電路工藝”的教學(xué)探索[J].中國(guó)電力教育，2011.

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[7]劉歡，王健，李金鳳.《集成電路工藝》理論教學(xué)與實(shí)踐改革探討[J].考試周刊，2012.