基于OBE理念的開放交互實時地微電子工藝教學改進

北京工業大學信息學部電子科學與技術學院 謝紅云 張萬榮 金冬月 崔碧峰

以成果導向OBE教學理念，對電子科學與技術專業基礎課微電子工藝課程開放性、交互性的理論教學和實時性的實驗教學展開研究。綜合利用課堂講授和動畫視頻等多媒體素材，結合生活常識提出問題引發思考，引導學生參與討論，使理論課堂教學活潑開放，擺脫原有的枯燥乏味。開設交互式的工藝仿真訓練，設計單步工藝仿真實驗加深學生對工藝原理和工藝參數調整效果的理解；開設特定半導體器件完整工藝流程仿真，使學生深刻理解一套完整工藝流程的前后關聯性。開展實時的微電子工藝實習，學生真實完整地完成一支雙極晶體管的制作，可以更深刻理解工藝原理，理解工藝整合的前后關聯性和整套工藝流程的完整性，理解半導體工藝技術所需的超凈環境和安全操作，同時提高動手能力和團隊合作精神。

0 引言

工程教育專業認證遵循成果導向（OBE）的教學理念，要求教學設計與實施、教材、課堂教學、達成度評價和畢業要求等均定位于成果。OBE理念把焦點放在學生學習的成果，強調學生一開始就要有明確目標和預期表現，學生清楚所期待的學習內涵，教師也更清楚如何協助學生學習（李曉英,王興貴,楊維滿.基于OBE的“電力電子技術”教學改革[J].電氣電子教學學報,2018,40(1):45-48）。OBE教學以預期學習產出為中心來組織、實施和評價教育，是教學相長的全新教學模式。強調教學的目的是要著力培養學生學習的獨立性、主動性和創造性，在教學過程中充分發掘學生的個人價值與潛力，培養學生應對未來、適應未來的能力（孫林,陳松,吳俊.專業認證下的實踐教學體系的構建[J].化學工程與裝備,2018,3:298-299）。

半導體制造工藝是半導體行業人員，無論是從事超大規模集成電路設計、半導體先進器件設計還是超大規模集成電路制作，必需掌握的基本技術。微電子工藝課程是電子科學與技術學科的專業基礎課程，講述以實驗為基礎的微電子工藝原理、微電子工藝技術及設備和硅基超大規模集成電路工藝流程?；贠BE成果導向的教學理念，微電子工藝課程更應該以學生實際掌握的半導體工藝加工技術和完整的工藝流程為考核與評價標準，因此，本文開展微電子工藝課程開放交互的理論教學和實時的實驗教學分析與研究。通過課程學習，使學生能掌握基本的半導體制造技術，實際制作出典型的半導體器件，理解半導體工藝制作是一套前后關聯制約的完整體系，有特定的環境要求和安全操作規程，鍛煉提高學生動手能力和團隊合作精神。

1 教學內容的優化

摩爾定律主導著半導體產業和技術的發展，半導體行業以月為單位發生著日新月異的變化。微電子工藝課程的教學內容要充分考慮這個原因，與技術變革的神速發展保持同步，才能真正體現成果導向的理念，適應半導體集成工藝技術發展對專業人才的需求。

一方面，半導體材料、器件和集成制備工藝技術是以實驗為基礎的高科技技術，涉及到物理、化學、機械、電氣、材料和環保等內容。學生必須打好基礎，清楚工藝技術中不同的單項步驟，掌握工藝原理、工藝設備、實現方法和工藝參數調整問題。在課程講授過程中，選取的典型工藝步驟包含：襯底制備、外延技術、薄膜技術（熱氧化生長SiO2，化學氣相淀積CVD，物理氣相淀積PVD等）、摻雜技術、光刻與刻蝕技術、金屬化合互聯技術等。工藝步驟會涉及物理機理和相應的物理模型；工藝步驟會涉及到制作設備的電氣機械特性和操作方法。

另一方面，硅超大規模CMOS集成芯片是半導體集成工藝最直接的成果，這也是OBE成果導向理念下學生必需掌握的教學內容，因此首先選取硅平面CMOS VLSI集成工藝制備技術的發展、特點和完整制備流程（羅小容,張波,李肇基.《微電子工藝》的理論教學與學生實踐能力培養[J].實驗科學與技術,2007,5(1):77-79）作為工藝整合和完整工藝流程的一部分。因此選取的典型工藝流程包含：標準埋層雙極晶體管工藝流程，CMOS集成電路流程和BiCMOS流程。

另外，對于半導體工藝制作技術一日千里的發展，在課堂理論教學過程中搜尋最新的先進工藝技術，最新的工藝設備和集成工藝流程等作為輔助內容加到教學內容中。比如納米級工藝流程、銅互連技術以及當前對摩爾定律是否依然有效等的討論內容。

最后，微電子工藝制作操作或涉及強電、或涉及高溫，或涉及有毒危險氣體，或涉及腐蝕性化學試劑，安全操作、環境保護以及由此而引發的工程實踐對環境、社會可持續發展的影響也是教學內容的重要組成部分之一。

2 教學模式和教學方法的改進

2.1 開放性的理論教學

微電子工藝課程內容，兼具理論性強抽象枯燥和以實踐為基礎的雙重特點。因此課堂理論教學可以采用開放性的教學形式。

一方面，課堂教學加入多媒體素材，如圖片、視頻、動畫等，合理的將講述、板書、文字、圖片、視頻和動畫等材料組合在一起，生動形象地講述微電子工藝原理，使學生更好的理解掌握每個工藝步驟的理論機理，影響工藝結果的關鍵因素等，更好的指導每個工藝的實際操作。如在講述硅單晶制備工藝時，給學生展示硅單晶拉制過程的視頻，能夠讓學生對這個工藝步驟有深刻的印象；在講述硅的外延生長時，給出四氯化硅氫氣還原法外延單晶硅的動畫，色彩鮮明的標識出不同氣路的開啟、關斷、反應室不同階段的狀態等，幫助學生更好的理解工藝的實現和實際工藝中應該注意的問題。通過努力，我們已盡量找到了單個工藝步驟的相關視頻和整個集成電路芯片制備的視頻，在課堂教學時一一展示給學生，有助于打破課堂教學枯燥乏味的局面。

另一方面，在課堂教學中，嘗試開放性地討論教學方式。因為很多的工藝現象是我們日常生活中的常識，如標準大氣壓和真空狀態、高壓放電、熱脹冷縮以及攝影拍照等等。在具體講述工藝的實現時，可以就大家熟悉的現象提出問題，引導學生思考日常生活的常識，找到問題的答案，進而更好的理解工藝現象和實現方法。如講述光刻技術時，除了基本的曝光、顯影等光刻步驟，可以找懂攝影的學生介紹攝影里常用的曝光量、光圈、景深等概念，與光刻聯系到一起，使學生對光刻工藝的理解更透徹。在教學過程中，允許學生隨時提問或對某一工藝步驟發表自己的看法，進行討論交流，鼓勵學生自己查閱當前先進集成電路工藝發展情況，互相交流討論。

總之，以OBE成果導向為指導，通過開放的教學討論和交流，使學生掌握單步工藝的原理和操作方法，理解工藝參數調整對工藝制作效果的影響。

2.2 交互性的理論教學

實踐教學的微電子工藝實習考慮安全問題、環境問題和經濟問題，以及工藝實習基地擁有的工藝設備為基礎，設計開設的是雙極晶體管制作的完整流程和測試，學生按照摸索好的工藝參數條件完成。因此一方面學生不能切身感受工藝參數改變對工藝操作結果的影響，另一方面也無法開展最新工藝技術的實踐。理論教學的最新技術和實踐教學的傳統典型集成工藝之間存在一定差距，因此我們通過交互性的理論教學來彌補目前理論教學與實踐教學存在的不足。

使用國際商用工藝仿真軟件，開設工藝仿真訓練的驗證性實驗。首先設計單步工藝步驟仿真實驗，如擴散工藝仿真，離子注入工藝仿真等，學生通過調整擴散工藝的時間溫度等工藝參數，查看工藝完成后的雜質分布，真實感受工藝參數對工藝成果的影響，如雙極性晶體管制作中擴散工藝的溫度和時間這兩個工藝參數對于基區厚度和摻雜濃度的影響，仿真中能感受基區太厚會形成兩個背靠背的pn結，太薄會使晶體管穿通，均會影響晶體管的性能。然后設計特定半導體器件的完整工藝流程仿真實驗，如傳統器件雙極晶體管，MOS管，新器件VDMOS，FinFET等，學生選取器件，編制工藝流程，整合工藝，并通過仿真驗證工藝效果和器件性能。

總之，通過商用工藝仿真軟件的交互式的仿真訓練，可以彌補純理論教學的單調抽象和工藝實習器件單一，工藝步驟較落后的不足。

2.3 實時性的實驗教學

微電子工藝課程的實驗教學在學校創建的微電子工藝實習基地進行，實習指導教師講授安全操作條例和實習基地設備的操作方法，帶領學生完成雙極性晶體管的制備和測試工作。工藝實習以團隊合作為主要方式，實行班委和組長負責制。每班分為三組，每組8-10人。組長組織組員詳細認真地閱讀學習實驗指導書，制定雙極晶體管具體制備流程，并做好組員的分工工作，明確雙極晶體管制備工藝，如清洗，氧化擴散，光刻，鍍膜等工藝的具體負責人員，通過全組成員通力協作，完成整個實習，并上交完整的晶體管制備工藝流程卡和完整的測試分析報告。

因為微電子工藝對環境和設備的依賴性很強，并且制備晶體管需要學生有一定的晶體管器件物理基礎，實習過程中會出現各種各樣的問題。在整個過程中，指導教師鼓勵學生利用掌握的工藝基本原理、器件物理的知識和對工藝設備的了解，分析出現問題的原因，并積極找到辦法解決問題。通過工藝實習，學生加深對微電子工藝原理的理解和工藝實現方法的掌握，與已學到的理論和所做的仿真結果進行對比，把理論與實踐結合在一起。同時學生也會意識到每個工藝步驟都會影響整個工藝流程，深刻感受完整工藝流程是一個前后關聯不可分割的完整體系，因此明確自己的工作責任，各司其職通力合作，提高了團隊合作的精神。整個實習過程能夠激發學生的興趣和求知欲，動手能力、積極性、能動性、創新性可以得到鍛煉。

3 結束語

基于OBE成果導向理念為指導，開展微電子工藝課程開放性、交互性課堂理論教學和實時性實驗教學的改革研究工作，一方面讓學生掌握基礎的單步工藝步驟，了解先進的工藝技術和先進的半導體器件，通過開放性和交互性的理論教學，改變以往枯燥乏味的理論教學方式，改進學生機械模仿、原理性的驗證實驗教學形式，深刻理解工藝原理以及對工藝操作成果的影響。另一方面通過人人參與負責的工藝實習，加深了對微電子工藝原理的理解和工藝實現方法的掌握?？傊猿晒麑驗橹笇В詫W生為主體，通過為電子工藝課程的學習，培養學生理論指導實驗，實驗改進理論的科學研究思想，樹立實事求是、嚴肅認真的科學態度，善于運用和發展已經獲得的知識舉一反三的創新能力以及一種科學的想象力，鍛煉學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，培養學生動手能力和團隊合作精神。