微电子工艺技术教学改革措施

上传:whly2005 2022-01-14 08:45:27 版权声明 举报文章

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摘要:以“立德树人”和“新工科”理念为指导,树立以学生为中心,优化课程知识体系结构,将虚拟仿真、项目式教学和校企协作育人等教学模式有机融入课程体系建设,构建链条式的课程知识地图和由价值观塑造、知识传授和能力培养组成的闭合回路,打破了传统观念束缚和时空限制,推进现代信息技术和产业与微电子工艺教学的深度融合,提升学生知识应用和工程实践能力,培养专业责任感和家国情怀。

关键词:课程改革;新工科;课程思政;微电子工艺技术

1传统培养模式存在的问题

微电子工艺技术是实现半导体器件和集成电路的制备技术,主要包括衬底制备、外延生长、氧化、扩散、离子注入、薄膜淀积、光刻和刻蚀等单项工艺,以及针对不同器件和电路开发的完整工艺流程。由于涉及物理、化学和机械电子等多学科,内容繁杂,涉及面广[3-4]。“微电子工艺技术”课程是一门注重实践操作的综合型课程。受传统观念和实验条件的限制,传统培养模式存在以下问题:

1.1教学内容陈旧,未来技术引领乏力

众所周知,微电子技术的发展长期遵循摩尔定律,即工艺节点大约每隔两年更新一代。随着特征尺寸进入纳米时代,新技术、新方法不断涌现[5],例如浸没式光刻、极紫外(EUV)光源等。当前5nm工艺节点已进入量产,而微电子工艺的教材内容还处在亚微米时代,严重滞后于技术发展,缺乏对未来技术的引领。

1.2价值引领不够,专业使命有待提高

当前,学生不是以兴趣和个人志向,而是以就业难易程度选择专业,未形成明确的价值导向,不能将国家需求与个人发展紧密结合,投身集成电路行业的内动力不足。因此,如何在课程教学过程中融入思政教育,树立正确的价值观,提升学生的专业使命和历史责任感,这也当前集成电路人才培养亟待解决的问题。

1.3实践训练不足,解决问题能力不强

由于集成电路行业的高投入,普通高校难以搭建较为先进、完整的集成电路制造工艺平台。同时,受超净室和设备台套数限制,且工艺实验过程涉及易燃易爆气体、强酸强碱和高温高压,开展实践教学困难重重[6]。尽管通过工艺视频和现场观摩等环节可提升学生的直观感受,仍难以达到对专业知识的深入理解和综合运用,造成理论与实践相互脱节。因此,需要领军企业和行业的大力支持与持续投入,产教深度融合。然而,当前的产教融合尚处在间歇阶段,融而不深,合而不畅,以需求为导向的集成电路人才培养模式还不够健全,学生解决问题和适应未来变化的能力不强。

1.4授课方式单一,多元考核模式缺乏

微电子工艺的革新为计算机技术提供了超强的算力。同样,计算机和网络技术的发展也极大地促进了教学模式的多样化。然而,目前的半导体工艺技术课程仍以教师讲授为主,未能突破传统观念束缚和时空限制,实现以“学生为中心”的全方位、多元化的互动教学新模式。对学生的考查也主要体现在期末的理论知识考试,缺乏对创新思维、实践能力和专业综合素质的过程考核,使得学生仅仅关注理论学习,而忽略了专业综合素质的培养。

2改革思路及具体措施

针对传统培养模式存在的问题,以及国家对集成电路人才“保量提质”的重大需求,本课程紧密结合专业特色,将虚拟仿真、项目式教学和产学研合作育人等教学模式有机融入课程建设体系,形成“学生中心、产出导向、持续改进”的教育教学理念。深挖课程思政元素,培养学生家国情怀和专业使命,将价值观塑造、知识传授和能力培养融为一体,实现“学生中心”的互动教学新模式。课程改革的具体措施体现在以下几个方面:

2.1优化课程体系结构,重视知识理解应用

由于“微电子工艺技术”课程涉及物理、化学和机械电子等多学科,内容庞杂,知识点散乱。为此,课程团队仔细梳理学科知识体系,厘清知识点和课程间的逻辑关系,构建链条式、进阶式的课程知识地图。鉴于硅基CMOS工艺在当前集成电路中的核心地位,以当前主流的CMOS工艺为脉络,通过Intel14nm工艺的CPU为导引,引出“微电子工艺技术”的教学内容和行业地位。将晶圆制备、氧化、扩散与离子注入、光刻刻蚀、薄膜淀积与金属化等单项工艺穿插于主脉络。以循序渐进、理论联系实际的学习规律为主线,整合优质教学资源,将学科前沿和行业最新动态实时融入课程内容,构建如图1所示的四层知识体系架构。通过理论讲授-虚拟仿真-工程实践-综合设计-理论分析的闭合环路学习,实现知识传授和能力培养的双重目的。经过前三个层次的反复、交叉学习,学生对微电子工艺技术的基本模块和完整工艺流程有了清晰地认识和理解。在此基础上,以最新学术成果为导向,构建项目式、进阶式课程综合实验,促使学生完成知识吸收、内部消化和创造性输出过程,提升学生专业素养和创新精神。图1微电子工艺技术的四层体系结构

2.2坚持立德树人思想,培养学生家国情怀

本课程始终以“专业育人、德育树人”为中心,利用微电子工艺技术与产业界连接紧密、实践性强的特点,通过在发展历程和关键工艺模块部分有机穿插历史和现实故事,培养学生质疑精神和家国情怀。以优秀校友投身航天事业的发展经历为例,发挥榜样力量,培养学生树立远大理想,为“中国芯”而努力奋斗。同时,从华为芯片禁令、麒麟系列芯片等热点新闻中提炼思政元素,并将其有机融入课程教学内容,构建专业知识的“思政网”,激发学生专业使命和勇于创新的奋斗精神。例如,在讲授光刻刻蚀工艺模块时,组织学生分组调研核心技术和设备的发展现状,通过组内研讨与分享汇报,指出我国微电子技术发展的机遇与挑战。经过思政元素的“调味”,激发学生投身奉献集成电路行业的热忱,构筑突破封锁、自主创新的“强芯梦”价值观。

2.3实践教学虚实结合,校企导师联合培养

集成电路是国家战略性产业,行业人才缺口巨大,为满足集成电路产业对高素质人才的需求,招生规模逐年扩大。然而受超净室和设备台套数限制,按传统实验教学模式,无法合理安排实验。因此,本课程将虚拟现实和计算机辅助设计技术作为实验教学的有益补充,采取虚实结合,着力解决实践教学面临的困难与挑战,提高课程教学的质量与效果。使用TCAD软件,编撰氧化、扩散与离子注入、光刻刻蚀、薄膜淀积等关键模块和工艺集成的仿真实验。以集成电路工艺实验室的真实环境和设备为基础,以器件工艺实验为依托,利用虚拟现实技术真实再现半导体工艺制备的真实场景[7],开发了集成核心工艺步骤、开放式的微电子工艺虚拟仿真实验平台,核心工艺的部分框架如图2所示。通过深挖实验现象背后的微观机制,学生不仅能够深入理解集成电路芯片的完整工艺过程,而且能够找出影响器件和电路仿真结果的关键因素。图2此外,工艺实验室开发了清洗、氧化、光刻、刻蚀、扩散、薄膜淀积与金属化等相关工艺流程,编写了实验教程和操作规程,让学生通过实际操作和工艺实践,亲身感受微电子工艺制备的工作环境和工艺流程。图3为学生开展虚拟仿真和现场实验的照片。学生在掌握基础理论和关键工艺后,通过产学研合作和校企联合,开展工艺工程实践。由资深工艺工程师对集成电路制造的实践课题进行剖析,并结合理论深入分析,使学生获得在课堂和实验室无法获得的工艺技能,加深对基本概念、基本原理和核心技术的理解。通过构建“虚拟仿真-工艺实践-理论分析”虚实结合、理论联系实际的实践教学平台,培养学生动手实践和解决问题的能力。此外,通过与企业工程师的沟通交流,学生也了解到行业对集成电路人才的具体需求,主动构建专业理论和工程实际相结合的知识体系。

2.4注重学习过程考核,创建多维评价体系

课程以“学生中心,产出导向”为指导,开展全过程、多维度评价。将过程评价与终结评价相结合,注重基础知识、创新思维和实践能力的考核,课程的总体评价如图4所示。在课堂教学中,利用雨课堂、智慧树、中国大学MOOC等现代网络技术和开放资源,通过课前预习、随堂测试、课后作业等多种手段监测学生学习过程,及时反馈学习效果。实践教学通过虚拟仿真平台交互式评分、实践操作评分和实验报告等多种考核模式,实现对实验教学的全过程评价。课程综合设计结合当前微电子技术的学术前沿,设计新型半导体器件结构和相应的制备工艺流程,并基于模拟仿真工具进行分析和优化,采用组内学生研讨、组间互评和指导教师点评相结合的方式,强化沟通交流。总之,本课程从基础知识理解、工艺实验设计和图4课程教学的总体评价创新思维等多角度考查,使考核评价环节更加客观、全面和可靠。同时,重视学生的认知、技能和情感等综合素质的评价,充分调动学生兴趣和参与课程建设的积极性。经过十年的课程建设和三年的教学改革,依据学生反馈意见和建议不断完善,本课程的教学效果明显提升。自2020年起,集成电路核心工艺的虚拟仿真平台面向青海民族大学和天津市职业技术师范大学免费开放。目前,已累积服务校内外学生超3000人次,校内外师生普遍反映:本课程内容紧凑、时长合理、难度适宜,虚拟仿真实验的互动过程激发了学生的学习兴趣,促进理论与实践的融合,并强化了线下工艺实际操作能力,实现不同教学手段的优势互补,提高了微电子工艺课程的整体教学效果,学生解决复杂工程问题的能力明显提高。

3结语

通过教学改革,课程在价值观塑造、知识传授与能力培养,以及教学模式革新等方面取得了显著成效。通过将虚拟仿真、项目式教学和产学研协作育人等教学模式有机融入课程体系,强化了专业知识的深入理解和综合运用,提高了学生动手实践能力,增强了学生的专业使命、工匠精神和家国情怀,为“微电子工艺技术”课程教学和集成电路人才培养的新模式提供了有益的参考。

参考文献:

[1]教育部.教育部等七部门关于加强集成电路人才培养的意见,2016.

[2]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究,2017(03):1-6.

作者:谢生 兰馗博 徐江涛 刘强 韩旭 单位:天津大学微电子学院 天津市成像与感知微电子技术重点实验