微電子工藝技術教學改革措施

時間:2022-01-14 08:45:27

導語:微電子工藝技術教學改革措施一文來源于網友上傳,不代表本站觀點,若需要原創文章可咨詢客服老師,歡迎參考。

微電子工藝技術教學改革措施

摘要:以“立德樹人”和“新工科”理念為指導,樹立以學生為中心,優化課程知識體系結構,將虛擬仿真、項目式教學和校企協作育人等教學模式有機融入課程體系建設,構建鏈條式的課程知識地圖和由價值觀塑造、知識傳授和能力培養組成的閉合回路,打破了傳統觀念束縛和時空限制,推進現代信息技術和產業與微電子工藝教學的深度融合,提升學生知識應用和工程實踐能力,培養專業責任感和家國情懷。

關鍵詞:課程改革;新工科;課程思政;微電子工藝技術

1傳統培養模式存在的問題

微電子工藝技術是實現半導體器件和集成電路的制備技術,主要包括襯底制備、外延生長、氧化、擴散、離子注入、薄膜淀積、光刻和刻蝕等單項工藝,以及針對不同器件和電路開發的完整工藝流程。由于涉及物理、化學和機械電子等多學科,內容繁雜,涉及面廣[3-4]?!拔㈦娮庸に嚰夹g”課程是一門注重實踐操作的綜合型課程。受傳統觀念和實驗條件的限制,傳統培養模式存在以下問題:

1.1教學內容陳舊,未來技術引領乏力

眾所周知,微電子技術的發展長期遵循摩爾定律,即工藝節點大約每隔兩年更新一代。隨著特征尺寸進入納米時代,新技術、新方法不斷涌現[5],例如浸沒式光刻、極紫外(EUV)光源等。當前5nm工藝節點已進入量產,而微電子工藝的教材內容還處在亞微米時代,嚴重滯后于技術發展,缺乏對未來技術的引領。

1.2價值引領不夠,專業使命有待提高

當前,學生不是以興趣和個人志向,而是以就業難易程度選擇專業,未形成明確的價值導向,不能將國家需求與個人發展緊密結合,投身集成電路行業的內動力不足。因此,如何在課程教學過程中融入思政教育,樹立正確的價值觀,提升學生的專業使命和歷史責任感,這也當前集成電路人才培養亟待解決的問題。

1.3實踐訓練不足,解決問題能力不強

由于集成電路行業的高投入,普通高校難以搭建較為先進、完整的集成電路制造工藝平臺。同時,受超凈室和設備臺套數限制,且工藝實驗過程涉及易燃易爆氣體、強酸強堿和高溫高壓,開展實踐教學困難重重[6]。盡管通過工藝視頻和現場觀摩等環節可提升學生的直觀感受,仍難以達到對專業知識的深入理解和綜合運用,造成理論與實踐相互脫節。因此,需要領軍企業和行業的大力支持與持續投入,產教深度融合。然而,當前的產教融合尚處在間歇階段,融而不深,合而不暢,以需求為導向的集成電路人才培養模式還不夠健全,學生解決問題和適應未來變化的能力不強。

1.4授課方式單一,多元考核模式缺乏

微電子工藝的革新為計算機技術提供了超強的算力。同樣,計算機和網絡技術的發展也極大地促進了教學模式的多樣化。然而,目前的半導體工藝技術課程仍以教師講授為主,未能突破傳統觀念束縛和時空限制,實現以“學生為中心”的全方位、多元化的互動教學新模式。對學生的考查也主要體現在期末的理論知識考試,缺乏對創新思維、實踐能力和專業綜合素質的過程考核,使得學生僅僅關注理論學習,而忽略了專業綜合素質的培養。

2改革思路及具體措施

針對傳統培養模式存在的問題,以及國家對集成電路人才“保量提質”的重大需求,本課程緊密結合專業特色,將虛擬仿真、項目式教學和產學研合作育人等教學模式有機融入課程建設體系,形成“學生中心、產出導向、持續改進”的教育教學理念。深挖課程思政元素,培養學生家國情懷和專業使命,將價值觀塑造、知識傳授和能力培養融為一體,實現“學生中心”的互動教學新模式。課程改革的具體措施體現在以下幾個方面:

2.1優化課程體系結構,重視知識理解應用

由于“微電子工藝技術”課程涉及物理、化學和機械電子等多學科,內容龐雜,知識點散亂。為此,課程團隊仔細梳理學科知識體系,厘清知識點和課程間的邏輯關系,構建鏈條式、進階式的課程知識地圖。鑒于硅基CMOS工藝在當前集成電路中的核心地位,以當前主流的CMOS工藝為脈絡,通過Intel14nm工藝的CPU為導引,引出“微電子工藝技術”的教學內容和行業地位。將晶圓制備、氧化、擴散與離子注入、光刻刻蝕、薄膜淀積與金屬化等單項工藝穿插于主脈絡。以循序漸進、理論聯系實際的學習規律為主線,整合優質教學資源,將學科前沿和行業最新動態實時融入課程內容,構建如圖1所示的四層知識體系架構。通過理論講授-虛擬仿真-工程實踐-綜合設計-理論分析的閉合環路學習,實現知識傳授和能力培養的雙重目的。經過前三個層次的反復、交叉學習,學生對微電子工藝技術的基本模塊和完整工藝流程有了清晰地認識和理解。在此基礎上,以最新學術成果為導向,構建項目式、進階式課程綜合實驗,促使學生完成知識吸收、內部消化和創造性輸出過程,提升學生專業素養和創新精神。圖1微電子工藝技術的四層體系結構

2.2堅持立德樹人思想,培養學生家國情懷

本課程始終以“專業育人、德育樹人”為中心,利用微電子工藝技術與產業界連接緊密、實踐性強的特點,通過在發展歷程和關鍵工藝模塊部分有機穿插歷史和現實故事,培養學生質疑精神和家國情懷。以優秀校友投身航天事業的發展經歷為例,發揮榜樣力量,培養學生樹立遠大理想,為“中國芯”而努力奮斗。同時,從華為芯片禁令、麒麟系列芯片發布等熱點新聞中提煉思政元素,并將其有機融入課程教學內容,構建專業知識的“思政網”,激發學生專業使命和勇于創新的奮斗精神。例如,在講授光刻刻蝕工藝模塊時,組織學生分組調研核心技術和設備的發展現狀,通過組內研討與分享匯報,指出我國微電子技術發展的機遇與挑戰。經過思政元素的“調味”,激發學生投身奉獻集成電路行業的熱忱,構筑突破封鎖、自主創新的“強芯夢”價值觀。

2.3實踐教學虛實結合,校企導師聯合培養

集成電路是國家戰略性產業,行業人才缺口巨大,為滿足集成電路產業對高素質人才的需求,招生規模逐年擴大。然而受超凈室和設備臺套數限制,按傳統實驗教學模式,無法合理安排實驗。因此,本課程將虛擬現實和計算機輔助設計技術作為實驗教學的有益補充,采取虛實結合,著力解決實踐教學面臨的困難與挑戰,提高課程教學的質量與效果。使用TCAD軟件,編撰氧化、擴散與離子注入、光刻刻蝕、薄膜淀積等關鍵模塊和工藝集成的仿真實驗。以集成電路工藝實驗室的真實環境和設備為基礎,以器件工藝實驗為依托,利用虛擬現實技術真實再現半導體工藝制備的真實場景[7],開發了集成核心工藝步驟、開放式的微電子工藝虛擬仿真實驗平臺,核心工藝的部分框架如圖2所示。通過深挖實驗現象背后的微觀機制,學生不僅能夠深入理解集成電路芯片的完整工藝過程,而且能夠找出影響器件和電路仿真結果的關鍵因素。圖2此外,工藝實驗室開發了清洗、氧化、光刻、刻蝕、擴散、薄膜淀積與金屬化等相關工藝流程,編寫了實驗教程和操作規程,讓學生通過實際操作和工藝實踐,親身感受微電子工藝制備的工作環境和工藝流程。圖3為學生開展虛擬仿真和現場實驗的照片。學生在掌握基礎理論和關鍵工藝后,通過產學研合作和校企聯合,開展工藝工程實踐。由資深工藝工程師對集成電路制造的實踐課題進行剖析,并結合理論深入分析,使學生獲得在課堂和實驗室無法獲得的工藝技能,加深對基本概念、基本原理和核心技術的理解。通過構建“虛擬仿真-工藝實踐-理論分析”虛實結合、理論聯系實際的實踐教學平臺,培養學生動手實踐和解決問題的能力。此外,通過與企業工程師的溝通交流,學生也了解到行業對集成電路人才的具體需求,主動構建專業理論和工程實際相結合的知識體系。

2.4注重學習過程考核,創建多維評價體系

課程以“學生中心,產出導向”為指導,開展全過程、多維度評價。將過程評價與終結評價相結合,注重基礎知識、創新思維和實踐能力的考核,課程的總體評價如圖4所示。在課堂教學中,利用雨課堂、智慧樹、中國大學MOOC等現代網絡技術和開放資源,通過課前預習、隨堂測試、課后作業等多種手段監測學生學習過程,及時反饋學習效果。實踐教學通過虛擬仿真平臺交互式評分、實踐操作評分和實驗報告等多種考核模式,實現對實驗教學的全過程評價。課程綜合設計結合當前微電子技術的學術前沿,設計新型半導體器件結構和相應的制備工藝流程,并基于模擬仿真工具進行分析和優化,采用組內學生研討、組間互評和指導教師點評相結合的方式,強化溝通交流??傊?,本課程從基礎知識理解、工藝實驗設計和圖4課程教學的總體評價創新思維等多角度考查,使考核評價環節更加客觀、全面和可靠。同時,重視學生的認知、技能和情感等綜合素質的評價,充分調動學生興趣和參與課程建設的積極性。經過十年的課程建設和三年的教學改革,依據學生反饋意見和建議不斷完善,本課程的教學效果明顯提升。自2020年起,集成電路核心工藝的虛擬仿真平臺面向青海民族大學和天津市職業技術師范大學免費開放。目前,已累積服務校內外學生超3000人次,校內外師生普遍反映:本課程內容緊湊、時長合理、難度適宜,虛擬仿真實驗的互動過程激發了學生的學習興趣,促進理論與實踐的融合,并強化了線下工藝實際操作能力,實現不同教學手段的優勢互補,提高了微電子工藝課程的整體教學效果,學生解決復雜工程問題的能力明顯提高。

3結語

通過教學改革,課程在價值觀塑造、知識傳授與能力培養,以及教學模式革新等方面取得了顯著成效。通過將虛擬仿真、項目式教學和產學研協作育人等教學模式有機融入課程體系,強化了專業知識的深入理解和綜合運用,提高了學生動手實踐能力,增強了學生的專業使命、工匠精神和家國情懷,為“微電子工藝技術”課程教學和集成電路人才培養的新模式提供了有益的參考。

參考文獻:

[1]教育部.教育部等七部門關于加強集成電路人才培養的意見,2016.

[2]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究,2017(03):1-6.

作者:謝生 蘭馗博 徐江濤 劉強 韓旭 單位:天津大學微電子學院 天津市成像與感知微電子技術重點實驗