“微電子工藝”課堂教學方法的改革

李書艷+趙旺+劉超

（遼寧工程技術大學電子與信息工程學院，遼寧 葫蘆島 125105）

摘要：筆者從幾年的“微電子工藝”教學實踐中提出了7點關于課堂教學改革方法：布置思考問題，引導學生預習；板書與多媒體教學相結合；現場小實驗和實物展示；播放實地拍攝的錄像；理論計算與工藝模擬相結合；專題討論以及安排綜合訓練任務。通過一系列的改革措施，學生對這門課程從理論到實踐都具有比較深刻的認識。

關鍵詞：微電子工藝；課堂教學；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）49-0212-02

微電子工藝課程是為電子與信息工程學院電子科學技術專業設立的一門必修課。通過對本課程學習，使學生對半導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的概念，并具有一定工藝分析、工藝設計以及解決工藝問題和提高產品質量的能力。

一、課堂教學改革整體思路

根據以往的授課經驗，如果學生能夠提前預習下節課內容，就會對將要講授的內容有所思考，并且會提出問題，這樣聽課的時候更會抓住重點；如果能參與課堂討論，將對知識點理解的更為透徹。因此，在本輪教學中每節課將針對下節課內容預留思考題，這些問題將會在授課時結合知識點給予回答，或者將其作為討論內容。由此，對“微電子工藝”課程的課堂教學從以下幾方面進行了改革：

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，將會引入關于晶體生長的內容，而這部分內容與《半導體物理》中的晶向、晶體結構的知識點相關，也是對所學知識的復習。又如，晶體生長之后設置思考題：半導體生產要求一個非常潔凈的環境，特別是工藝越先進，集成度越高，環境的潔凈度也越高，那么這樣的環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，將會引入關于“工藝中的氣體、化試、水、環境和硅片清洗[1]”中環境凈化的內容。這些問題的作用更像是預習作業，為學習下節課內容做好準備。

2.板書與多媒體教學相結合。微電子工藝教學中，像氧化、擴散、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，如果結合多媒體中精準的俯視圖、剖面圖、動畫展示，會給學生以直觀、清楚的認識。例如，雜質原子在硅片中的擴散過程、單個硅原子在硅片表面運動形成硅外延層的生長過程等。

3.現場小實驗和實物展示。教學中思考的最多的是如何吸引學生的聽課興趣，因此當講到某個知識點時，話題中盡量引用與實際相關的例子或拿來實物展示。比如講到去離子水，就聯系到生活中純凈水的制備；講到文氏管，就現場做一個小實驗來講解文氏管的原理；講到硅片的制備，就拿來硅片實物；講到光刻，就拿來掩膜版給學生展示，加深對知識點的理解。

4.播放半導體生產的錄像。因為微電子工藝生產有其特殊性，要求環境潔凈度非常高，如果帶領學生實地去工廠參觀，會影響正常的生產，因此，聯系相關的工廠，拍攝各個工藝的錄像短片，講到對應知識點的時候播放給學生看，并加上詳盡的講解，這樣學生有一個非常直觀的認識。

5.理論計算與工藝模擬相結合。本輪教學中，氧化、擴散、離子注入、化學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對理論計算進行驗證和調整，使之與實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。進行1000℃、10分鐘的濕氧氧化，提取注入磷區和沒有注入磷區氧化層厚度[3]。通過編寫程序，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.專題討論。為了使學生對課堂講授內容有所延伸，針對重點內容設立專題討論課。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金屬化工藝的延伸，結合已學內容，通過查找資料，對于先進的銅金屬化工藝進行討論。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單的疊加，要求是工藝的兼容性、成本的最小化和性能的優化。

7.綜合訓練。在課程的尾聲，要求完成一個集版圖、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）畫出版圖，完成金屬布線。（2）對應每塊版畫出工藝步驟的剖面圖，在圖中標明所用材料和工藝。并對每個剖面做出說明。（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，雜質分布。給出仿真結果。

二、課堂教學改革效果分析

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；因為討論和綜合設計需要人人畫圖、講解、回答問題，所以絕大多數同學都能積極進行準備，也能夠在答辯過程中提出遇到的問題；有很多同學在之后的課程設計中提出自己的分析問題的方法。

反思多年的課堂教學過程，以及和同學們交流，有以下幾點需要不斷的改進：①對于定量計算的內容，有一部分同學接受較慢，在很大程度上影響了之后的學習效果。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之后進行講解，用習題來加強對繁瑣理論計算的理解。②關于課堂互動。并非每堂課都能輕松愉快，在一些較難的知識點上，學生的反映會比較鈍一些。解決方法：強調重點，明確知識點之間的層次與關聯；難點慢講，細講；增加提問和課上小測驗。③討論和綜合訓練答辯時間的掌握。無論是討論還是綜合答辯，都是非常耗費時間的，因為每個同學都要自述、提出問題、回答問題。解決方法：根據學生人數，留出足夠的時間。比如今年是50個學生，分10組，每次討論答辯大概3小時，綜合答辯4個小時左右。

結束語：通過不斷的教學實踐摸索，使學生更好的理解和掌握微電子工藝中硅片制備、工藝環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，也使學生具有了一定工藝分析、工藝設計以及解決工藝問題和提高產品質量的能力。

參考文獻：

[1]Michael Quirk，等.半導體制造技術[M].北京：電子工業出版社，2015.

[2]高文煥，著.計算機分析與設計[M].北京：清華大學出版社，2001.

[3]施敏，著.半導體制造工藝基礎[M].合肥：安徽大學出版社，2011.

[4]Alan Hastings，著.模擬電路版圖的藝術[M].北京：電子工業出版社，2007.

[5]施敏，著.半導體器件物理與工藝[M].蘇州：蘇州大學出版社，2002.