集成无源工艺可视化和动态化在微电子专业工程教学中的应用

强 天，姜岩峰

(江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122)

微电子是一门实用性、综合性很强的工程学科、优势学科，其中包括半导体器件物理、集成电路工艺、集成电路及系统的设计与测试等内容，涉及了电磁学、固体物理学、材料科学、电子线路等多个领域的研究[1-2]。在微电子专业新工科建设背景下[3]，应改革以往重理论、轻实践的教学方式，将教育的中心转移到提升学生的工程创新能力上，培养出创新型、多元化、高素质的卓越工程人才[4]。

1 集成无源工艺发展现状

集成无源工艺是微电子专业学习中不可或缺的内容，集成无源器件的设计以射频集成电路中常用的滤波器、耦合器、功率分配器、共用器、天线等器件为主。这种工艺通过制作各种电阻、电容、电感元件以及低电感接地板和连接无源元件的传输线走线来完成电路设计。作为连接宏观无源器件设计仿真与微观微纳米加工工艺的桥梁，集成无源工艺在合适的载体衬底材料中的制造工艺能满足所要求的元件性能和精度指标，不复杂，需要的掩模数较少(一般为 5～9张)。

对于集成无源加工技术中涉及的基本微纳米加工工艺学习，如曝光、显影、镀膜、扩散、刻蚀等，有助于学生理解微电子学科后续的理论和专业课程。但当前微电子专业课程中对于微纳米加工工艺的教学内容主要集中在半导体物理理论教学和器件性能参数的公式计算上，对于微纳米加工工艺流程和仿真模型建立的教学内容涉猎不足。

由于微纳米加工工艺实践机会少，而且课本中的学习内容和当前微电子发展所亟待解决的科学问题以及所面临的困境不能产生相应联系，学生的学习积极性会降低。本研究尝试在集成无源工艺的讲授中适时融入可视化、动态化的工艺流程、微纳米电镜图片、3D建模仿真模型，让学生看得见加工工艺流程，学得懂基本微纳米工艺，用得会3D建模仿真软件，以期为微电子专业课程中涉及微纳米加工工艺的工程教学提供可行的参考方案。

2 微电子专业工程教育面临的问题

2.1 平台及师资力量存在差异性

高校平台资源匹配不均，教师资源存在差异性，对课程的理解程度及讲解深度参差不齐，使得学生的接受程度也不尽不同，有的学生理解较为深刻，有的学生理解较为浅显。

2.2 基础课程内容比较抽象，学生理解困难

半导体物理、固体物理等课程是微电子专业方向的基础和重中之重，但课程内容抽象，理解难度大，学生抽象思维能力不足，导致学生对该课程的兴趣降低，考试成绩不理想。

2.3 传统教学呆板化

传统教学方式对于微电子学科来说已经无法满足时代要求，而且该学科的操作性和实践性强。日益发展的科研水平与教学模式对可视化和动态化的要求逐渐提升，需要对教育方式进行改革创新。

2.4 人文素质教育缺失

传统理工科教学模式往往重理工轻人文，忽视了人文素养在理工科学习及应用中所占的比重及产生的深远影响。长此以往，导致理工科学生只专注搞科研，忽视了产学研的链条式发展，学生走上工作岗位后无法很好地融入团队建设与协作。

2.5 传统教学模式对设备操作的依赖性不利于成本控制

若高校平台资源或师资资源分配不足，大量实验将会被搁置，只能陷入被动式教学，学生接受程度低，兴趣减弱。传统教学模式中对设备操作的依赖性不利于成本控制，受制约因素影响较大。

3 集成无源工艺可视化和动态化在微电子专业工程教学中的应用

为突出微电子专业中微纳米加工工艺的重点，即有源器件加工工艺、无源器件加工工艺、传感器器件加工工艺，搭建了模拟仿真教学平台，让学生能够高效接受并理解课程教学内容。以集成无源加工工艺为例，将其可视化和动态化应用到微电子专业工程教学中，并结合微纳米电镜图片对工艺流程和关键工艺进行详尽展示，然后通过软件3D建模仿真对加工工艺流程进行模拟和结果验证，以完成对集成无源器件的设计。

3.1 让学生看得见

利用软件将集成无源加工工艺的流程进行动画展示，逐步讲解流程，降低工艺流程的抽象化程度，以便学生理解，提高学生的学习兴趣，同时也能降低设备成本。工艺中涉及曝光、显影、镀膜、扩散、刻蚀等基础微纳米加工步骤，清晰明了，让学生看得见。

3.2 让学生学得懂

对集成无源工艺中的关键加工工艺进行微纳米电镜图片剖析，将微观世界的加工工艺进行宏观展示，给学生以直观的印象，便于学生理解该课程的重难点，让学生学得懂。

3.3 让学生用得会

3D建模仿真软件是学习微纳米加工工艺的有效工具。集成无源加工工艺可以通过HFSS、ADS、CST等多种3D建模仿真软件进行辅助学习和理解。建模过程等同于加工过程，对于集成无源器件的精确建模需要理解其加工工艺。软件仿真结果的优异性能够反映出学生对加工流程的理解程度，在此过程中可提升动手实践能力和团队协作能力，让学生有章可循，有据可查。