應用型本科高校材料專業《微電子工藝學》課程的改革與實踐＊

田 甜 劉志福 李 楊 李 瑩 儲耀卿 徐家躍

（上海應用技術大學 材料科學與工程學院，上海 201418）

集成電路是信息技術的產業核心，是支持經濟社會發展，提升核心競爭力，涉及國家安全的重要戰略性、基礎性、先導性產業，是國之重器。大力發展集成電路產業，已上升到國家戰略的高度，這不僅是全行業的機遇，更是重大的挑戰。2014年至2020年，國務院先后發布《國家集成電路產業發展推進綱要》《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》（簡稱《若干政策》）等文件，從多個維度上加大對集成電路產業的支持，期望2030年集成電路產業鏈達到國際先進水平。此外，在“十四五”規劃中，把科技自立自強作為國家發展的戰略支撐，提到瞄準包括集成電路、人工智能、量子信息、腦科學等前沿領域。根據Gartner統計，伴隨著2020年5G建設的快速發展，預計全球半導體行業2024年市場規模有望達到5727.88億美元。而上海作為我國科技發展的前沿陣地，集成電路產業發展蓬勃，擁有中芯國際、華虹集團、日月光半導體等著名企業，形成具有國際水平集成電路生產和研發的國家微電子產業基地和產業集群。

上海應用技術大學材料物理專業面向集成電路行業培養材料類應用型人才，對接集成電路產業鏈，打造了由“半導體材料”“半導體器件物理基礎”“微電子工藝學”“晶體生長與凝固技術”“半導體材料加工與制備”“微電子器件工藝實驗”等構成的課程群。“微電子工藝學”作為其中的核心課程，面向四年級本科生開設，能更好構建并實現“知識、能力和價值”上的三維課程目標，直接與學生的培養質量和就業掛鉤。該課程是一門與實際器件制備、電路設計密切相關的工藝課，但是根據企業調研結果，目前有如下問題亟待解決：第一，集成電路領域標準化程度高的先進制造業，有極強的行業規范，須讓學生知道相應設備的使用標準和規范；第二，隨著集成電路不斷發展，企業對人才能力需求進一步提升，不僅要掌握微電子芯片制造工藝，還要對前期的芯片設計、后期的器件封裝做一定的了解；第三，工藝涉及的設備、步驟等只能用多媒體展現，學生很難將其放入現實技術中加以學習，實際授課效果仍有待提升；第四，集成電路制造對環境要求極高（需要超凈環境）、生產設備極其昂貴，企業實習難度大，即使用于人才培養的教學設備造價也非常高。針對上述問題，該課程自2014年開設以來，通過課程思政、引起入教、虛擬仿真等多種方式開展教學改革加以建設，本文介紹相關做法以及取得的一些成效。

一、對接芯片制造生產鏈，完善教學內容和大綱

《微電子工藝學》該課程是在學習了《半導體器件物理基礎》課程的基礎上，講授以硅單晶或多晶為主要材料的半導體器件的工藝部分，主要包括清洗、氧化、摻雜、化學汽相淀積、金屬化、光刻、刻蝕、平坦化等幾個工藝，注重對半導體器件的工藝原理、工藝設備、工藝過程、工藝參數的描述及測量、產品質量檢測的學習。但經過幾年的授課，結合企業和學生的調研反饋結果，需要對接集成電路的產業鏈，企業對人才能力需求進一步提升，不僅要掌握微電子芯片制造工藝，還要對前期的半導體材料制備、芯片設計、后期的器件封裝做一定的了解。因此，我們修訂教學大綱，將上述內容融入教學內容。同時，我們立足于基礎性、實用性、前沿性和趣味性教學，在傳統工藝講授的基礎上，引入不同領域不同工藝的最新研究成果及實際應用，增加學生學習的積極性，并通過視頻和動畫將抽象的工藝流程動態展現給學生，增加學習的趣味性。

二、堅持立德樹人為根本，思政元素融入知識內容

2016年12月，在全國高校思想政治工作會議上記強調“要用好課堂教學這個主渠道，各類課程都要與思想政治理論課同向同行，形成協同效應。” 教育部承接重要指示，大力推行以本為本、“課程思政”建設，上海應用技術大學積極響應開展一系列卓有成效的課程思政建設項目。本課程團隊以學校獲批上海市課程思政領航高校為契機，研究探討《微電子工藝學》“課程思政建設”教學設計與實施方法，深入挖掘專業課程蘊含的思想政治教育元素和所承載的思想政治教育功能，融入課堂教學環節中，以“浸潤式”教學做到“鹽溶于湯”，實現思想政治教育與知識體系教育的有機結合，真正發揮教師既教書又育人的雙重職責。在授課中，我們聯合企業教師借助典型案例開展課程思政，比如，引入“大尺寸硅單晶”“光刻機及光刻技術”等案例激發學生愛國主義情懷；引入中國集成電路發展史，講述黃昆先生等半導體黨員先驅們的奮斗史，培養學生科技振興中華的志向；引入企業案例進行研討，比如“晶圓尺寸、芯片大小與實際器件之間關系”“為什么要有超凈環境”等，培養學生批判質疑的科學精神和職業規范。

三、設計開發虛擬仿真資源，應對企業實踐資源匱乏

虛擬仿真教學是綜合應用虛擬現實、多媒體、人機交互等多種信息技術的實踐教學。而各種數字化資源，包括項目的設計、教學資源、學習資源、考核方式等，是信息化教學的一部分，對提升學生的實踐技能具有重要的作用。面對集成電路制造全過程均是機械化操作（因為人是最大污染源），涉及的設備非常昂貴等問題，為了提高教學質量和效果，更好地培養出更多具有行業特色急需的應用型人才，我們對《微電子工藝學》開展了虛擬仿真課程建設。主要是將晶體生長、光刻等制造工藝中的重要項目，制作成 3D 虛擬仿真模式，展示設備及相關工藝的基本原理。同時，軟件設有瀏覽模式、教學模式和考試模式，方便教師教學、學生聯系和考核評價。教師在核心內容講解和案例教學之后，每次拿出課程的一半時間，布置與講授內容相關的練習題目，學生以小組為單位上機練習，通過參考所學案例，結合個人的知識儲備，通過相互協作配合，去完成特定的題目，教師只起到輔助作用，從而實現課堂的效果。它能夠實現多媒體的三維立體的交互，將看起來是虛擬的實則較為逼真的多媒體教學環境應用于課堂，給予學生身臨其境的真實感受。

四、引入集成電路企業資源，延伸人才培養半徑

面對微電子領域標準化程度高、對學生職業素養要求高等特點，我們聯合行業企業，通過“引企入教”開展教學。從教學內容上看，由來自集成電路行業的企業家和工程師將本課程前沿的新材料、新工藝生和新設備帶入課堂，加深學生對本專業的認同感。同時，充分利用企業現有的先進生產設備為教學所用，延伸人才培養半徑，加深學生對企業的認同感，培養學生的就業意識，并且使學生在生產實際中檢驗課堂所學，培養學生靈活運用理論知識解決實際問題的能力。此外，已建成一支學歷、結構、梯隊合理的高水平校企師資隊伍，使青年教師在企業現場教學中得到鍛煉，體現我校“雙師型”教師的特色。

結語

“微電子工藝學”是我校材料物理本科專業的重要課程之一，是面向集成電路行業培養所需材料人才必修課程。在上海市重點課程、校級校企合作課程/虛擬仿真課程等建設項目資助下，該課程已持續建設四年，取得了一些較好的成效，比如，學生進入中芯國際、華虹集團等集成電路行業大型企業就業人數逐年攀升；形成了可推廣成果，并作為核心課程素材獲得中國化工教育協會優秀教學成果二等獎。未來，該課程在線上線下教學模式改革、版圖設計技能開發等方面仍然有進一步提升空間。隨著該課程進一步建設和不斷完善，不僅有助于我校成為集成電路行業人才培養基地，還對推動我國集成電路領域發展有重要意義。