基于OBE理念的开放交互实时地微电子工艺教学改进

北京工业大学信息学部电子科学与技术学院 谢红云 张万荣 金冬月 崔碧峰

以成果导向OBE教学理念，对电子科学与技术专业基础课微电子工艺课程开放性、交互性的理论教学和实时性的实验教学展开研究。综合利用课堂讲授和动画视频等多媒体素材，结合生活常识提出问题引发思考，引导学生参与讨论，使理论课堂教学活泼开放，摆脱原有的枯燥乏味。开设交互式的工艺仿真训练，设计单步工艺仿真实验加深学生对工艺原理和工艺参数调整效果的理解；开设特定半导体器件完整工艺流程仿真，使学生深刻理解一套完整工艺流程的前后关联性。开展实时的微电子工艺实习，学生真实完整地完成一支双极晶体管的制作，可以更深刻理解工艺原理，理解工艺整合的前后关联性和整套工艺流程的完整性，理解半导体工艺技术所需的超净环境和安全操作，同时提高动手能力和团队合作精神。

0 引言

工程教育专业认证遵循成果导向（OBE）的教学理念，要求教学设计与实施、教材、课堂教学、达成度评价和毕业要求等均定位于成果。OBE理念把焦点放在学生学习的成果，强调学生一开始就要有明确目标和预期表现，学生清楚所期待的学习内涵，教师也更清楚如何协助学生学习（李晓英,王兴贵,杨维满.基于OBE的“电力电子技术”教学改革[J].电气电子教学学报,2018,40(1):45-48）。OBE教学以预期学习产出为中心来组织、实施和评价教育，是教学相长的全新教学模式。强调教学的目的是要着力培养学生学习的独立性、主动性和创造性，在教学过程中充分发掘学生的个人价值与潜力，培养学生应对未来、适应未来的能力（孙林,陈松,吴俊.专业认证下的实践教学体系的构建[J].化学工程与装备,2018,3:298-299）。

半导体制造工艺是半导体行业人员，无论是从事超大规模集成电路设计、半导体先进器件设计还是超大规模集成电路制作，必需掌握的基本技术。微电子工艺课程是电子科学与技术学科的专业基础课程，讲述以实验为基础的微电子工艺原理、微电子工艺技术及设备和硅基超大规模集成电路工艺流程。基于OBE成果导向的教学理念，微电子工艺课程更应该以学生实际掌握的半导体工艺加工技术和完整的工艺流程为考核与评价标准，因此，本文开展微电子工艺课程开放交互的理论教学和实时的实验教学分析与研究。通过课程学习，使学生能掌握基本的半导体制造技术，实际制作出典型的半导体器件，理解半导体工艺制作是一套前后关联制约的完整体系，有特定的环境要求和安全操作规程，锻炼提高学生动手能力和团队合作精神。

1 教学内容的优化

摩尔定律主导着半导体产业和技术的发展，半导体行业以月为单位发生着日新月异的变化。微电子工艺课程的教学内容要充分考虑这个原因，与技术变革的神速发展保持同步，才能真正体现成果导向的理念，适应半导体集成工艺技术发展对专业人才的需求。

一方面，半导体材料、器件和集成制备工艺技术是以实验为基础的高科技技术，涉及到物理、化学、机械、电气、材料和环保等内容。学生必须打好基础，清楚工艺技术中不同的单项步骤，掌握工艺原理、工艺设备、实现方法和工艺参数调整问题。在课程讲授过程中，选取的典型工艺步骤包含：衬底制备、外延技术、薄膜技术（热氧化生长SiO2，化学气相淀积CVD，物理气相淀积PVD等）、掺杂技术、光刻与刻蚀技术、金属化合互联技术等。工艺步骤会涉及物理机理和相应的物理模型；工艺步骤会涉及到制作设备的电气机械特性和操作方法。

另一方面，硅超大规模CMOS集成芯片是半导体集成工艺最直接的成果，这也是OBE成果导向理念下学生必需掌握的教学内容，因此首先选取硅平面CMOS VLSI集成工艺制备技术的发展、特点和完整制备流程（罗小容,张波,李肇基.《微电子工艺》的理论教学与学生实践能力培养[J].实验科学与技术,2007,5(1):77-79）作为工艺整合和完整工艺流程的一部分。因此选取的典型工艺流程包含：标准埋层双极晶体管工艺流程，CMOS集成电路流程和BiCMOS流程。

另外，对于半导体工艺制作技术一日千里的发展，在课堂理论教学过程中搜寻最新的先进工艺技术，最新的工艺设备和集成工艺流程等作为辅助内容加到教学内容中。比如纳米级工艺流程、铜互连技术以及当前对摩尔定律是否依然有效等的讨论内容。

最后，微电子工艺制作操作或涉及强电、或涉及高温，或涉及有毒危险气体，或涉及腐蚀性化学试剂，安全操作、环境保护以及由此而引发的工程实践对环境、社会可持续发展的影响也是教学内容的重要组成部分之一。

2 教学模式和教学方法的改进

2.1 开放性的理论教学

微电子工艺课程内容，兼具理论性强抽象枯燥和以实践为基础的双重特点。因此课堂理论教学可以采用开放性的教学形式。

一方面，课堂教学加入多媒体素材，如图片、视频、动画等，合理的将讲述、板书、文字、图片、视频和动画等材料组合在一起，生动形象地讲述微电子工艺原理，使学生更好的理解掌握每个工艺步骤的理论机理，影响工艺结果的关键因素等，更好的指导每个工艺的实际操作。如在讲述硅单晶制备工艺时，给学生展示硅单晶拉制过程的视频，能够让学生对这个工艺步骤有深刻的印象；在讲述硅的外延生长时，给出四氯化硅氢气还原法外延单晶硅的动画，色彩鲜明的标识出不同气路的开启、关断、反应室不同阶段的状态等，帮助学生更好的理解工艺的实现和实际工艺中应该注意的问题。通过努力，我们已尽量找到了单个工艺步骤的相关视频和整个集成电路芯片制备的视频，在课堂教学时一一展示给学生，有助于打破课堂教学枯燥乏味的局面。

另一方面，在课堂教学中，尝试开放性地讨论教学方式。因为很多的工艺现象是我们日常生活中的常识，如标准大气压和真空状态、高压放电、热胀冷缩以及摄影拍照等等。在具体讲述工艺的实现时，可以就大家熟悉的现象提出问题，引导学生思考日常生活的常识，找到问题的答案，进而更好的理解工艺现象和实现方法。如讲述光刻技术时，除了基本的曝光、显影等光刻步骤，可以找懂摄影的学生介绍摄影里常用的曝光量、光圈、景深等概念，与光刻联系到一起，使学生对光刻工艺的理解更透彻。在教学过程中，允许学生随时提问或对某一工艺步骤发表自己的看法，进行讨论交流，鼓励学生自己查阅当前先进集成电路工艺发展情况，互相交流讨论。

总之，以OBE成果导向为指导，通过开放的教学讨论和交流，使学生掌握单步工艺的原理和操作方法，理解工艺参数调整对工艺制作效果的影响。

2.2 交互性的理论教学

实践教学的微电子工艺实习考虑安全问题、环境问题和经济问题，以及工艺实习基地拥有的工艺设备为基础，设计开设的是双极晶体管制作的完整流程和测试，学生按照摸索好的工艺参数条件完成。因此一方面学生不能切身感受工艺参数改变对工艺操作结果的影响，另一方面也无法开展最新工艺技术的实践。理论教学的最新技术和实践教学的传统典型集成工艺之间存在一定差距，因此我们通过交互性的理论教学来弥补目前理论教学与实践教学存在的不足。

使用国际商用工艺仿真软件，开设工艺仿真训练的验证性实验。首先设计单步工艺步骤仿真实验，如扩散工艺仿真，离子注入工艺仿真等，学生通过调整扩散工艺的时间温度等工艺参数，查看工艺完成后的杂质分布，真实感受工艺参数对工艺成果的影响，如双极性晶体管制作中扩散工艺的温度和时间这两个工艺参数对于基区厚度和掺杂浓度的影响，仿真中能感受基区太厚会形成两个背靠背的pn结，太薄会使晶体管穿通，均会影响晶体管的性能。然后设计特定半导体器件的完整工艺流程仿真实验，如传统器件双极晶体管，MOS管，新器件VDMOS，FinFET等，学生选取器件，编制工艺流程，整合工艺，并通过仿真验证工艺效果和器件性能。

总之，通过商用工艺仿真软件的交互式的仿真训练，可以弥补纯理论教学的单调抽象和工艺实习器件单一，工艺步骤较落后的不足。

2.3 实时性的实验教学

微电子工艺课程的实验教学在学校创建的微电子工艺实习基地进行，实习指导教师讲授安全操作条例和实习基地设备的操作方法，带领学生完成双极性晶体管的制备和测试工作。工艺实习以团队合作为主要方式，实行班委和组长负责制。每班分为三组，每组8-10人。组长组织组员详细认真地阅读学习实验指导书，制定双极晶体管具体制备流程，并做好组员的分工工作，明确双极晶体管制备工艺，如清洗，氧化扩散，光刻，镀膜等工艺的具体负责人员，通过全组成员通力协作，完成整个实习，并上交完整的晶体管制备工艺流程卡和完整的测试分析报告。

因为微电子工艺对环境和设备的依赖性很强，并且制备晶体管需要学生有一定的晶体管器件物理基础，实习过程中会出现各种各样的问题。在整个过程中，指导教师鼓励学生利用掌握的工艺基本原理、器件物理的知识和对工艺设备的了解，分析出现问题的原因，并积极找到办法解决问题。通过工艺实习，学生加深对微电子工艺原理的理解和工艺实现方法的掌握，与已学到的理论和所做的仿真结果进行对比，把理论与实践结合在一起。同时学生也会意识到每个工艺步骤都会影响整个工艺流程，深刻感受完整工艺流程是一个前后关联不可分割的完整体系，因此明确自己的工作责任，各司其职通力合作，提高了团队合作的精神。整个实习过程能够激发学生的兴趣和求知欲，动手能力、积极性、能动性、创新性可以得到锻炼。

3 结束语

基于OBE成果导向理念为指导，开展微电子工艺课程开放性、交互性课堂理论教学和实时性实验教学的改革研究工作，一方面让学生掌握基础的单步工艺步骤，了解先进的工艺技术和先进的半导体器件，通过开放性和交互性的理论教学，改变以往枯燥乏味的理论教学方式，改进学生机械模仿、原理性的验证实验教学形式，深刻理解工艺原理以及对工艺操作成果的影响。另一方面通过人人参与负责的工艺实习，加深了对微电子工艺原理的理解和工艺实现方法的掌握。总之，以成果导向为指导，以学生为主体，通过为电子工艺课程的学习，培养学生理论指导实验，实验改进理论的科学研究思想，树立实事求是、严肃认真的科学态度，善于运用和发展已经获得的知识举一反三的创新能力以及一种科学的想象力，锻炼学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，培养学生动手能力和团队合作精神。