微電子工藝虛實融合式教學研究與實踐

摘" 要：該文深入探討微電子工藝教學中的虛實融合教學模式，旨在通過構建虛擬仿真平臺與微納電子技術支撐平臺，打破傳統教學中對高端實驗設備的依賴，實現理論教學與實踐操作的深度融合。通過引入沉浸式VR技術，為學生創造一個近乎真實的微電子工藝學習環境，不僅提高教學效果，還降低教學成本。該教學模式注重學生創新思維與實踐能力的培養，使學生在虛擬環境中反復練習，深入理解復雜工藝流程，掌握前沿技術動態。這一創新教學模式不僅提升學生解決復雜工藝問題的能力，還為國家微電子工藝高素質科技人才培養提供有效途徑。

關鍵詞：微電子工藝;虛實融合;虛擬仿真平臺;沉浸式教學;器件制備

中圖分類號：G642.4" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2025）05-0120-04

Abstract： This paper delves into the virtual-real integrated teaching model in Microelectronics Process education， aiming to achieve a profound integration of theoretical teaching and practical operation by constructing a highly integrated virtual simulation platform and a micro/nano-electronics technology support platform. By introducing immersive VR technology， a nearly authentic learning environment for Microelectronics Processis created， which not only significantly enhances teaching effectiveness but also reduces teaching costs. This teaching model emphasizes the cultivation of students' innovative thinking and practical abilities， enabling them to repeatedly practice in a virtual environment， deeply understand complex process flows， and grasp cutting-edge technological trends. This innovative teaching model not only elevates students' abilities to solve complex process problems and engineering literacy but also provides an effective pathway for cultivating a large number of high-quality technological talents in the field of microelectronics process for the country.

Keywords： Microelectronics Process; virtual-real integration; virtual simulation platform; immersion program; device fabrication

芯片技術作為現代信息技術的核心與國家的戰略基石，其發展水平直接關乎國家科技競爭力與產業安全。在芯片研發的全鏈條中，設計、制造與封裝測試三大環節緊密相連，共同構筑了芯片產業的堅固基石。其中，芯片制造技術，尤其是先進制程芯片工藝技術，因其高度復雜性和技術壁壘，成為了我國科技自立自強道路上亟待突破的關鍵“卡脖子”難題[1-3]。

在芯片制造技術中，先進工藝設備無疑是推動技術進步的強大引擎，它們以高精度、高效率著稱，是實現芯片性能飛躍的物理基礎。然而，值得注意的是，除了硬件設備的先進性外，高素質的專業人才更是工藝研發與創新不可或缺的靈魂[4-6]。這些人才需具備深厚的理論基礎、敏銳的創新思維以及豐富的實踐經驗，能夠在復雜多變的工藝環境中不斷探索與優化，推動芯片制造技術邁向新的高度。

然而，從高等教育與職業培訓的角度來看，當前微電子工藝實踐教學面臨著諸多挑戰。首要問題便是高端實驗設備的稀缺與高昂成本，這些設備不僅價格昂貴，并且往往難以大規模復制，限制了教學資源的普及與擴展。此外，實驗耗材的消耗巨大、成本高昂，使得大規模、常態化的實驗教學難以維系。再者，芯片制造對實驗環境有著極為嚴苛的要求，如高真空度等，這不僅增加了實驗的難度與復雜度，也延長了實驗周期，進一步制約了實踐教學的有效開展[7-8]。

鑒于此，開發并應用數字化的教學資源和手段顯得尤為迫切與重要。通過構建虛擬實驗室、模擬仿真平臺等數字化工具，可以模擬真實的芯片制造工藝環境，讓學生在無須直接接觸昂貴設備的情況下，就能進行深入的工藝學習與實驗探索。這種教學模式不僅能夠大幅降低教學成本，提高資源利用效率，還能有效彌補傳統實踐教學中的不足，為培養大規模、高素質的微電子工藝人才提供強有力的支撐[8-10]。但是虛擬仿真平臺也存在真實感不足、結果過于理想化、規則意識淡薄等情況[8]，迫切需要開展微電子工藝虛擬仿真與實踐操作融合式教學研究。

一" 課程平臺建設情況與特色

（一）" 課程簡介

微納制備與表征技術課程共48個學時，旨在建立微納器件制備與表征的微觀圖景，打造具有較高工程素養的合格人才。該課程在大三下學期啟動，此階段學生已完成了高等數學、大學物理及半導體器件物理等基礎課程的學習，這些前序課程為學生提供了堅實的理論基礎與分析工具，為后續深入學習微納制備與表征技術奠定了穩固的基石。通過本課程的系統學習，學生將能夠熟練掌握微納加工的關鍵步驟，理解并應用多種先進的表征手段，為后續集成電路設計等課程奠定堅實的工藝基礎，促進理論知識與工程實踐的深度融合。

課程內容體系嚴謹，覆蓋了理論教學與實踐教學兩大核心環節。理論教學部分共28學時，劃分為器件原理、制備工藝、性能表征三大知識板塊，旨在為學生構建堅實的理論基礎與系統的知識體系。而實踐教學環節則安排了20學時，側重于將理論課程中的知識與方法融會貫通，通過引導學生親手參與氮化鎵功率開關器件的設計構思、精細制備及性能測試等全流程操作，實現理論知識向實踐技能的有效轉化，增強學生的動手能力與問題解決能力。

（二）" 氮化鎵功率半導體虛擬仿真平臺特色

1" 軍事應用特色鮮明

氮化鎵功率開關器件以其高功率密度、高效率和高頻率特性，在軍用雷達系統、通信設備和探測器領域用途非常廣泛。其高功率密度、高頻工作能力和優異的抗輻射性能，使雷達系統能夠遠距離探測目標，提升探測精度和效率。同時，氮化鎵功率開關器件也用于軍事通信設備，增強信號傳輸的穩定性和可靠性。此外，在紅外及紫外探測器中，氮化鎵材料的應用也提高了探測器的靈敏度和響應速度，為軍事偵察和預警提供了有力支持。基于氮化鎵功率開關器件設計制備，構建了特色鮮明的氮化鎵功率半導體虛擬仿真平臺，專注于軍事應用教育，寓教于樂中激發強軍愛國情懷，實現思政與技術的深度融合。

2" 實景建模

該虛擬仿真平臺在構建過程中，深度集成了我們學院頂尖的微納電子技術支撐平臺的資源與優勢，實現了從宏觀實驗室空間布局到微觀精密設備細節的精細實景建模。從宏觀層面看，平臺的虛擬實驗室布局精準映射了現實空間的每一個細節，包括實驗臺的設置、儀器設備的擺放等，均力求一比一再現，從而營造出極強的真實感。而在微觀層面，則是對精密設備的內部構造、操作流程乃至細微的物理現象進行了深入細致的模擬，確保學員在虛擬環境中也能獲得與實際操作相媲美的直觀感受。這種實景建模的策略極大地增強了學習的直觀性與互動性，使原本可能枯燥乏味的理論知識學習過程變得生動有趣。學員在虛擬環境中，不僅能夠通過直觀的觀察與操作加深對理論知識的理解與記憶，還能在模擬操作中提前熟悉實踐流程，對即將進行的實驗操作形成初步的認知與預期。

3" 可擴展性強

虛擬仿真平臺在設計之初便前瞻性地融入了高度的可擴展性考量，創造性地結合了桌面版本與VR沉浸版本，以滿足多樣化的學習需求。桌面版本憑借云計算技術的強大支撐，實現了無地域限制的遠程訪問。通過互聯網的廣泛覆蓋，這一版本能夠迅速、高效地發布至龐大的學生群體，大大降低了使用的門檻，只需配備基礎計算機設施的學生均可便捷接入。此版本不僅操作界面友好，且其可擴展架構使得系統能夠靈活集成海量的教學資源，包括但不限于視頻教程、案例分析及實驗數據集等，從而極大地豐富了學習的深度與廣度。進一步而言，其強大的可拓展性不僅體現在資源的豐富性上，更在于對個性化學習路徑的支持。系統能夠根據學生的學習進度、能力水平及興趣偏好，智能推薦相關學習資源與訓練任務，實現了因材施教的教育理想。這種大規模可定制化的教學體驗，為教育資源的均衡化分配提供了強有力的技術支撐，確保即使在不同地域、不同硬件條件下，學生也能享受到同等優質的學習機會與體驗。長遠來看，這將有力促進微電子工藝領域教育公平與質量的雙重提升。

4" 沉浸式教學

VR版虛擬仿真平臺為微電子工藝教學帶來了變革。該平臺提供了一個精心構建的高度沉浸式實驗環境，讓學生仿佛置身于真實的微電子工藝超凈室之中。通過先進的虛擬現實技術，平臺不僅實現了交互性的飛躍，還以虛擬的方式精準還原了實體操作場景，徹底打破了傳統教學中對昂貴且稀缺工藝設備的依賴。在氮化鎵功率開關器件制備這一綜合性實驗中，VR版本更是大顯身手，它不僅讓復雜的制備流程變得直觀易懂，還允許學生在虛擬空間中自由探索、反復實踐，直至熟練掌握關鍵技能。更重要的是，VR版平臺推動了教學考核模式的創新，將傳統的“做實驗—寫報告”單一模式，轉變為基于數據的多樣化全過程交互與評價體系。學生在實驗中的每一步操作、每一個決策都會被實時記錄并分析，形成個性化的學習反饋，幫助教師更精準地評估學生的學習成效，同時也激勵學生主動探索、積極參與，實現了從“被動接受”到“主動探究”的轉變。

5" 研究式學習模式

氮化鎵功率半導體虛擬仿真平臺內置研究式學習模式，這一模式深刻貫徹了以學生為中心的教育理念，為學生提供了一個高度互動且貼近科研實踐的仿真訓練環境。在該模式下，學生被賦予了在既定框架內自由探索與創造的權利，特別是在器件結構設計、工藝流程開發以及測試系統構建等關鍵環節上。

具體到光刻工藝這一核心步驟，學生能夠依據自身對氮化鎵材料特性及器件性能需求的理解，獨立設計復雜的光刻版圖，這些版圖通過精密的計算機輔助設計軟件繪制完成后，可無縫對接至虛擬仿真平臺中。在仿真系統內，學生可直觀觀察到自己設計的光刻圖形如何在虛擬環境中被精確復制，這一過程不僅鍛煉了學生的設計創新能力，還加深了對光刻技術原理及其在實際生產中重要性的認識。在實現材料圖形化的過程中，學生面臨多種技術路徑的選擇，如經典的薄膜沉積—光刻—刻蝕流程，或是更為靈活的光刻—薄膜沉積—剝離方法。每種方法的選擇與應用，都要求學生綜合考慮材料特性、工藝兼容性、成本效益等多方面因素，這一過程極大地促進了學生批判性思維與問題解決能力的培養。

通過這樣一系列自主設計、模擬實驗與結果分析的研究式學習活動，氮化鎵功率半導體虛擬仿真平臺不僅能夠為學生提供寶貴的實踐經驗，更重要的是，它激發了學生對科學探索的熱情，培養了他們的科學思維、創新思維以及嚴謹的實驗態度，為他們在未來半導體領域的深入研究和職業發展奠定堅實的基礎。

（三）" 微納電子技術支撐平臺

在學院的鼎力支持下，我們建設了集器件設計、工藝制備、精確表征及高效測試于一體的科研與教學深度融合的共享實驗平臺。該平臺不僅標志著學院在科研基礎設施建設上的重大突破，更為師生提供了從理論探索到實踐驗證的一站式科研環境。其中，千級/百級潔凈區占地面積約四百平方米，配置了包括頂尖的電子束蒸發系統、高精度磁控濺射鍍膜系統、高性能ICP刻蝕機等在內的一系列納米級制備設備，這些設備共同構成了平臺強大的納米材料制備能力，為前沿科學研究提供了堅實的物質基礎。萬級潔凈區則專注于器件性能的精確測量與分析，占地面積約三百平方米，配備了半導體參數測試儀、高低溫探針臺、原子力顯微鏡和場發射電子掃描顯微鏡等尖端分析儀器，以及X射線光電子能譜儀、金相顯微鏡等用于材料成分與結構解析的先進設備。

通過虛擬仿真平臺與微納電子技術支撐平臺的深度融合策略，我們不僅能夠有效解決傳統工藝設備因高昂價格導致的可擴展性受限問題，實現資源的高效配置與成本的有效控制。同時，還能克服純虛擬仿真環境在模擬精度上的不足，尤其是其往往難以完全復現實際操作中的復雜物理現象，導致結果過于理想化的局限性。這種融合機制巧妙地融合了兩者之長，既保留了虛擬仿真的靈活性與經濟性，又增強了模擬結果的真實性與可靠性，促進了科研與工程實踐之間的無縫對接與相互促進。

二" 數據驅動的虛實融合沉浸式教學方法

基于對學生學習狀態及需求的深入剖析，結合課程內容的獨特性與時代要求，我們創新性地構建了數據驅動的虛實融合沉浸式教學新范式。此教學方法旨在通過高度集成的技術手段，實現理論知識與實踐探索的無縫對接，促進學生深度學習與創新能力的發展。

在理論教學層面，我們將桌面式虛擬仿真平臺作為核心載體，精心設計了三種學習模式——體驗式學習、探究式學習與考核式學習，并將它們精準嵌入課前預習、研討式授課及課后作業三大教學環節之中，形成了一套閉環的教學生態系統。具體而言，在課前預習階段，我們聚焦于體驗式學習模式的運用，充分利用學生對實踐操作的天然興趣，通過虛擬仿真環境中的直觀展示與互動操作，激發學生對課程內容的初步感知與興趣。這一過程不僅強化了學生的微觀認知，幫助他們構建起清晰的知識框架與微觀圖景，還為后續研討式課堂提供了豐富的預習數據與個性化學習路徑。進入研討式授課環節，我們則側重于探究式學習模式的實施。通過模擬真實實驗場景，引導學生主動探索工藝參數變化對實驗結果的影響機制，鼓勵學生提出假設、設計實驗、分析結果，從而深刻理解技術手段的多樣性與復雜性。此過程不僅提升了學生的問題解決能力，還促進了高階思維與創新思維的培養，使課堂教學更具挑戰性與創新性。在課后作業與反饋階段，我們采用考核式學習模式，依托虛擬仿真平臺的數據記錄與分析功能，全面評估學生的學習成效與技能掌握情況。考核結果不僅為學生提供了自我反思與改進的依據，也為教師調整教學策略、優化教學內容提供了重要參考。通過這一機制，我們有效促進了學生工程素養的全面發展，實現了以學生為中心，知識傳授與能力培養并重的教學目標，形成了螺旋式上升的知識傳遞與內化過程。

在實踐教學環節中，我們深度整合了沉浸式VR虛擬仿真平臺，精心設計并實施了一套氮化鎵功率開關器件制備與表征的綜合實驗體系。這一體系旨在通過高度仿真的虛擬環境，為學生提供一種近乎真實的實驗操作體驗，從而有效提升其專業技能與科研素養。首先，體驗式學習模式作為實驗的起點，集成了詳盡的操作提示與深入的原理介紹。學生在此場域中不僅能夠直觀感受到氮化鎵功率開關器件制備的每一步驟，還能即時將理論與實踐相結合，通過模擬操作驗證并鞏固課堂所學的理論知識。這一過程強化了學生對微觀結構與功能之間關系的理解，深化了他們對氮化鎵功率開關器件微觀圖景的認知，為后續的深入學習奠定了堅實的基礎。其次，考核式學習模式則承擔起檢驗學習成果、培養工程素養的重任。通過模擬真實世界的考核環境，該學習模式實現了對學生實驗操作、數據分析及問題解決能力的全方位評估。學生需完成一系列預設任務，并在虛擬仿真平臺中進行全過程交互與實時考核，從而確保學習效果的準確反饋與持續改進。探究式學習模式則是整個實驗體系中的亮點，它充分體現了以學生為中心的教學理念。在此場域中，學生被賦予了一定的自主權，在給定框架內自由設計氮化鎵功率開關器件結構、開發獨特的工藝流程，并搭建相應的測試系統。這一過程不僅鍛煉了學生的創新思維與實驗設計能力，還培養了他們的科學思維方法與嚴謹的研究態度，為未來的科研工作打下了堅實的基礎。

最后，基于虛擬仿真平臺反饋的詳細實踐數據，如單步工藝時長、關鍵參數變化等，我們針對重點與難點工藝環節，組織開展了針對性的工藝實踐。通過虛實融合的教學方式，有效解決了學生動手經驗不足的問題，使他們能夠在安全、可控的環境中積累寶貴的實踐經驗，為未來的職業發展做好充分準備。

三" 結束語

展望未來，面對國家對微電子工藝領域高端人才的迫切需求，我們構建的虛實融合微電子工藝教學與實踐環境，可能成為培養大規模行業人才的重要平臺。該平臺不僅突破了傳統教育模式下對昂貴高端工藝設備的依賴，還極大地擴展了教學時間與空間的邊界，實現了教育資源的高效配置與靈活應用。通過深度整合虛擬現實與仿真技術，學生能夠在接近真實的實驗環境中反復實踐，深入理解復雜工藝流程，掌握前沿技術動態。這一創新教學模式，將有效促進學生解決復雜工藝問題的能力與工程素養的顯著提升，為微電子行業乃至國家科技發展戰略輸送源源不斷的高素質科技人才，助力我國在全球科技競爭中占據領先地位。

參考文獻：

[1] 楊艷，羅樂，巫叢平，等.微電子工程中薄膜工藝教學設計與實踐[J].集成電路應用，2024，41（5）：78-80.

[2] 劉瑤，陸翔.微電子實驗教學平臺和教學體系的構建與改革[J].科技風，2023（25）：111-113.

[3] 于文娟，董可秀，王炳庭，等.Silvaco TCAD仿真在《微電子工藝》實驗教學中的應用[J].廊坊師范學院學報（自然科學版），2022，22（4）：118-121，128.

[4] 伍民順，耿莉，程軍，等.“新工科”理念下微電子實踐教學改革探索[J].電氣電子教學學報，2022，44（2）：158-162.

[5] 蘭馗博，趙毅強，張寧，等.集成電路光刻工藝虛擬仿真實驗教學建設[J].實驗室科學，2021，24（4）：145-148，153.

[6] 李曼，郭宇鋒，顧世浦，等.MOS場效應晶體管虛擬仿真實驗教學資源建設[J].物理實驗，2020，40（11）：35-40.

[7] 胡靖.融科入教、虛實結合、增值評價：信號專業實訓課程教學改革與實踐[J].科技風，2024（22）：98-100.

[8] 楊陽，胡瀟，邱曉暉，等.虛實融合實驗教學模式的探索與實踐——以X線計算機斷層成像部分實驗教學為例[J].贛南醫學院學報，2024，44（7）：741-745.

[9] 田麗，王蔚，蘭慕杰，等.“微電子工藝與實踐”課程群建設與教改實踐[J].電氣電子教學學報，2020，42（2）：48-51.

[10] 劉紅梅，王璐，艾春鵬，等.新形勢下微電子工藝實驗教學改革研究[J].黑龍江教育（理論與實踐），2019（9）：55-56.

基金項目：2022年湖南省普通高等學校教學改革研究項目“面向微電子人才培養的全流程貫通式實踐模式研究”（HNJG-2022-0417）; 2021年國防科技大學教育教學研究課題重點項目“面向集成電路‘全流程’能力培養的微電子本科專業實踐環節設計”（U2021204）

第一作者簡介：劉森（1988-），男，漢族，河南南陽人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為智能信息器件與電路系統。