论文部分内容阅读
摘 要： 微电子工艺原理是微电子技术专业的一门核心课程。该课程具有知识面宽、理论与实践并重、应用性强的特点，采用传统教学模式不可避免地存在诸多弊端，作者经过多年教学实践，从教学内容、教学方法和考核方式等多方面提出了改进措施，提高了课程质量和学生专业素质。
关键词： 微电子工艺 教学改进 课程质量
一、引言
《微电子工艺原理》这门课主要讲述以硅为基础的集成电路制造的工艺原理及工艺种类，其目标是培养具有一定理论基础，了解技术前沿，能够设计工艺流程，分析并解决工艺实际问题的应用型创新人才[1]。这一目标的实现直接取决于该课程的教学效果。由于本课程具有涉及知识面广、综合性强、理论与实践结合紧密的特点，采用传统教学模式不可避免地存在诸多问题[2]，主要有：内容繁杂，教师难以合理安排教学进度；教学方法单一，学生理解和掌握知识困难；工艺设备昂贵，学生实验需求不能满足；学生学习兴趣和学习主动性不高；学生创新能力较弱；学生靠死记硬背应付考试等。因此，更新教学理念和进行多元化教学改进才能解决这些问题，提高课程教学质量。
二、教学改进措施
（一）教学内容安排
1.优选最新教材
本课程选用的教材是国外电子与通讯教材系列中美国Michael Quirk与Julian Serda合著的《半导体制造技术》中文翻译本[3]。该书有三个优点：一是内容丰富。既讲述关键工艺技术、设备及可靠性，又介绍半导体制造相关的基础技术信息和集成电路装配与封装的后道工艺概况。二是直观形象。书中提供了大量精美的图片、图表和具体翔实的数据。三是便于学习。书中概念描述清晰，内容简洁有序，每章都有重点内容小结、关键术语和大量复习题，方便学生课后复习和教师进行研究性教学。
2.科学选择教学内容
就半导体制造相关的基础技术，如第2、5和8章主要介绍半导体制造中的化学品，可拣少量重点内容课堂讲解，其余留给学生课后自学。对关键工艺的原理，如第10章硅氧化后杂质的再分布和四类电荷的可靠性，以及第17章中的掺杂扩散工艺，教材中缺少这些重要内容或介绍过于简单，需做必要的补充。
3.合理安排讲课次序
次序整体遵循微电子产品生产流程，即半导体基础技术（第1、2、4～8章）、器件及工艺模型概况（第3、9章）、各单项工艺（第10～18章）和后道检测与封装工艺（第19、20章）。其中，单项工艺按照加工特点，即氧化（第10章）与掺杂（第17章）、光刻（第13～15章）与刻蚀（第16章）、淀积（第11章）与金属化（第12章）、化学机械平坦化（第18章）的顺序讲解。
（二）课堂教学方法
1.启发式教学法
学起于思，思源于疑。采用研究性教学方法[4]，实现教学思路由“知识点讲解型”到“以问题为导向型”的转变，考虑如何突出问题和情景的教学设计，让学生对新课的内容进行探究，使他们体会到知识创造过程中所需的创新思维和科研素养。具体讲解时先从整体上介绍课程间知识点的关联性，然后尽量联系学生已有知识，进行新旧知识的类比与对比，帮助学生消化理解新内容。如讲解CVD（第11章淀积）工艺原理时，可与中学阶段所学液相化学反应比较，从原料、反应条件、反应过程、反应结果及工艺设备等几方面进行设问，让学生探索、归纳和总结，从而将抽象难以理解的物理原理简单化，实现知识建构。再者，对有争议的学术问题，要介绍各方观点，诱导学生思考，培养学生创新思维。
2.案例教学法
案例教学法强调学以致用，在应用中学习。除第九章CMOS反相器加工流程的案例外，各单项工艺均安排了一些典型案例，将所要学习的知识、操作、技能等融入实例中，通过对实例的分析、讨论、演示、学生练习及总结等环节，加深学生对概念、工艺原理和设备的理解，使知识融会贯通。如讲解溅射和蒸发镀膜（第12章金属化）时，假如平整硅片表面覆盖一层致密排列的直径约几微米的氧化硅球，采用两种工艺对该衬底镀膜并去掉氧化硅球的结果会怎样呢？课堂情况表明，由于所选案例典型有趣，学生兴致高昂，讨论热烈，说出了多种可能性。结果是溅射镀膜为低真空，分子平均自由程小，分子呈不规则运动，在小球表面都能沉积，最终将得到球壳阵列。蒸发镀膜一般为高真空，分子平均自由程大，呈直线运动，将得到类三角阵列（在球阵列缝隙内形成）。经过讨论，学生理解了两种常用PVD工艺的原理与设备差异，加深了记忆。
3.多媒体教学法
现有教材中只用简图描述工艺原理、步骤和设备等，缺乏可视化教学资源，不免枯燥乏味。多媒体课件融图形、文字、动画、视频等为一体，图文并茂，视听结合，令抽象的知识形象化，富有吸引力。如果根据教学内容选用合适的教学媒介，那么可使课堂变得轻松、生动，调动学生多种感官，提高学生对所讲授知识的理解和掌握能力。如在讲授第四章硅片制备步骤时，笔者从网上下载了美国硅谷的音乐视频短片，先从头到尾播放一遍，然后依次定格动画片段，分别展开讲述。
4.项目教学法
松绑教育理论认为[5]，教学应该是师生共同参与的、动态的、双向的信息传播过程，而不是教师一言堂的“填鸭式”教育。为此，笔者拿出3～5学时（本门共48理论课时）进行项目驱动教学，所选项目为各章节内容的开放性思考题或者工艺技术前沿相关的小课题。活动方式是，将全班同学分为若干小组，由小组成员共同拟定备课主题并分工协作，上网收集资料准备课件，每组选派代表上台讲授，展开讨论互动，总结评比。这样的方式将课堂延伸到了课外，培养了学生的团队意识、独立学习和调研资料能力。此外，很多学生从大二开始跟随不同研究方向的老师做科创项目，期间接触到了各种微电子工艺设备，比如干法/湿法清洗仪、退火炉、各种CVD和PVD镀膜机、光刻机等，可安排他们介绍实验设备操作经验及做实验的心得体会，同学之间的交流往往会引起共鸣，令教学效果更佳。
（三）考核方式
采用多环节综合评判，包括平时作业、课堂表现（回答问题、讨论情况等）、专题报告和期末考试等，以考核促进教学。其中，期末考试是学生复习指挥棒，占比重应当较高。为避免试卷出现题型不丰富和结构不合理等问题削弱评价效果，笔者加强了试题库建设，推行教考分离。为激励学生独立思考，试卷适当增加了一些开放性考题。
综上，针对本课程存在的一些教学问题，笔者进行了多元化教学改进，其与传统教学的对比如表1所示。实践证明，改进后的教学效果反应良好，加深了学生对课程内容的理解和掌握，提高了学生的专业素质，为他们今后的职业生涯奠定了基础。
三、结语
经过多年实践，在《微电子工艺原理》课程教学中，笔者对教学内容、教学方式和考核方式进行了改进，突破了传统枯燥乏味的“填鸭式”教学模式，积极引入了研究型教学的理念和现代多种教学方法，实现了教学质量的提高，培养了学生的创新能力和综合素质。教学改进是一个不断探索、不断推进的过程，相信在各方共同努力下，本课程的教学将日趋成熟、完善。
参考文献：
[1]王金婵，孟庆端，张晓红，田葳.半导体制造技术教学方法探讨.科技创新导报，2011，33，138-139.
[2]赵建勋，侯建华.集成电路原理与制造工艺课程的教学改进.长春教育学院学报，2014，30，63-64.
[3]MichaelQuirk，JulianSerda，著.韩郑生，等译.《半导体制造技术》.北京：电子工业出版社，2013.5.
[4]肖丙刚，王秀敏，赵吉祥.研究性教学在“微电子学导论”课程中的探索与实践.中国电力教育，2009，19，71-72.
[5]张瑞，姚凌江，吴向文.运用混合式立体化教学模式培养应用型创新人才.现代教育技术，2010，20，77-81.
基金项目：扬州大学教改基金资助项目（YZUJX2015-20B）
关键词： 微电子工艺 教学改进 课程质量
一、引言
《微电子工艺原理》这门课主要讲述以硅为基础的集成电路制造的工艺原理及工艺种类，其目标是培养具有一定理论基础，了解技术前沿，能够设计工艺流程，分析并解决工艺实际问题的应用型创新人才[1]。这一目标的实现直接取决于该课程的教学效果。由于本课程具有涉及知识面广、综合性强、理论与实践结合紧密的特点，采用传统教学模式不可避免地存在诸多问题[2]，主要有：内容繁杂，教师难以合理安排教学进度；教学方法单一，学生理解和掌握知识困难；工艺设备昂贵，学生实验需求不能满足；学生学习兴趣和学习主动性不高；学生创新能力较弱；学生靠死记硬背应付考试等。因此，更新教学理念和进行多元化教学改进才能解决这些问题，提高课程教学质量。
二、教学改进措施
（一）教学内容安排
1.优选最新教材
本课程选用的教材是国外电子与通讯教材系列中美国Michael Quirk与Julian Serda合著的《半导体制造技术》中文翻译本[3]。该书有三个优点：一是内容丰富。既讲述关键工艺技术、设备及可靠性，又介绍半导体制造相关的基础技术信息和集成电路装配与封装的后道工艺概况。二是直观形象。书中提供了大量精美的图片、图表和具体翔实的数据。三是便于学习。书中概念描述清晰，内容简洁有序，每章都有重点内容小结、关键术语和大量复习题，方便学生课后复习和教师进行研究性教学。
2.科学选择教学内容
就半导体制造相关的基础技术，如第2、5和8章主要介绍半导体制造中的化学品，可拣少量重点内容课堂讲解，其余留给学生课后自学。对关键工艺的原理，如第10章硅氧化后杂质的再分布和四类电荷的可靠性，以及第17章中的掺杂扩散工艺，教材中缺少这些重要内容或介绍过于简单，需做必要的补充。
3.合理安排讲课次序
次序整体遵循微电子产品生产流程，即半导体基础技术（第1、2、4～8章）、器件及工艺模型概况（第3、9章）、各单项工艺（第10～18章）和后道检测与封装工艺（第19、20章）。其中，单项工艺按照加工特点，即氧化（第10章）与掺杂（第17章）、光刻（第13～15章）与刻蚀（第16章）、淀积（第11章）与金属化（第12章）、化学机械平坦化（第18章）的顺序讲解。
（二）课堂教学方法
1.启发式教学法
学起于思，思源于疑。采用研究性教学方法[4]，实现教学思路由“知识点讲解型”到“以问题为导向型”的转变，考虑如何突出问题和情景的教学设计，让学生对新课的内容进行探究，使他们体会到知识创造过程中所需的创新思维和科研素养。具体讲解时先从整体上介绍课程间知识点的关联性，然后尽量联系学生已有知识，进行新旧知识的类比与对比，帮助学生消化理解新内容。如讲解CVD（第11章淀积）工艺原理时，可与中学阶段所学液相化学反应比较，从原料、反应条件、反应过程、反应结果及工艺设备等几方面进行设问，让学生探索、归纳和总结，从而将抽象难以理解的物理原理简单化，实现知识建构。再者，对有争议的学术问题，要介绍各方观点，诱导学生思考，培养学生创新思维。
2.案例教学法
案例教学法强调学以致用，在应用中学习。除第九章CMOS反相器加工流程的案例外，各单项工艺均安排了一些典型案例，将所要学习的知识、操作、技能等融入实例中，通过对实例的分析、讨论、演示、学生练习及总结等环节，加深学生对概念、工艺原理和设备的理解，使知识融会贯通。如讲解溅射和蒸发镀膜（第12章金属化）时，假如平整硅片表面覆盖一层致密排列的直径约几微米的氧化硅球，采用两种工艺对该衬底镀膜并去掉氧化硅球的结果会怎样呢？课堂情况表明，由于所选案例典型有趣，学生兴致高昂，讨论热烈，说出了多种可能性。结果是溅射镀膜为低真空，分子平均自由程小，分子呈不规则运动，在小球表面都能沉积，最终将得到球壳阵列。蒸发镀膜一般为高真空，分子平均自由程大，呈直线运动，将得到类三角阵列（在球阵列缝隙内形成）。经过讨论，学生理解了两种常用PVD工艺的原理与设备差异，加深了记忆。
3.多媒体教学法
现有教材中只用简图描述工艺原理、步骤和设备等，缺乏可视化教学资源，不免枯燥乏味。多媒体课件融图形、文字、动画、视频等为一体，图文并茂，视听结合，令抽象的知识形象化，富有吸引力。如果根据教学内容选用合适的教学媒介，那么可使课堂变得轻松、生动，调动学生多种感官，提高学生对所讲授知识的理解和掌握能力。如在讲授第四章硅片制备步骤时，笔者从网上下载了美国硅谷的音乐视频短片，先从头到尾播放一遍，然后依次定格动画片段，分别展开讲述。
4.项目教学法
松绑教育理论认为[5]，教学应该是师生共同参与的、动态的、双向的信息传播过程，而不是教师一言堂的“填鸭式”教育。为此，笔者拿出3～5学时（本门共48理论课时）进行项目驱动教学，所选项目为各章节内容的开放性思考题或者工艺技术前沿相关的小课题。活动方式是，将全班同学分为若干小组，由小组成员共同拟定备课主题并分工协作，上网收集资料准备课件，每组选派代表上台讲授，展开讨论互动，总结评比。这样的方式将课堂延伸到了课外，培养了学生的团队意识、独立学习和调研资料能力。此外，很多学生从大二开始跟随不同研究方向的老师做科创项目，期间接触到了各种微电子工艺设备，比如干法/湿法清洗仪、退火炉、各种CVD和PVD镀膜机、光刻机等，可安排他们介绍实验设备操作经验及做实验的心得体会，同学之间的交流往往会引起共鸣，令教学效果更佳。
（三）考核方式
采用多环节综合评判，包括平时作业、课堂表现（回答问题、讨论情况等）、专题报告和期末考试等，以考核促进教学。其中，期末考试是学生复习指挥棒，占比重应当较高。为避免试卷出现题型不丰富和结构不合理等问题削弱评价效果，笔者加强了试题库建设，推行教考分离。为激励学生独立思考，试卷适当增加了一些开放性考题。
综上，针对本课程存在的一些教学问题，笔者进行了多元化教学改进，其与传统教学的对比如表1所示。实践证明，改进后的教学效果反应良好，加深了学生对课程内容的理解和掌握，提高了学生的专业素质，为他们今后的职业生涯奠定了基础。
三、结语
经过多年实践，在《微电子工艺原理》课程教学中，笔者对教学内容、教学方式和考核方式进行了改进，突破了传统枯燥乏味的“填鸭式”教学模式，积极引入了研究型教学的理念和现代多种教学方法，实现了教学质量的提高，培养了学生的创新能力和综合素质。教学改进是一个不断探索、不断推进的过程，相信在各方共同努力下，本课程的教学将日趋成熟、完善。
参考文献：
[1]王金婵，孟庆端，张晓红，田葳.半导体制造技术教学方法探讨.科技创新导报，2011，33，138-139.
[2]赵建勋，侯建华.集成电路原理与制造工艺课程的教学改进.长春教育学院学报，2014，30，63-64.
[3]MichaelQuirk，JulianSerda，著.韩郑生，等译.《半导体制造技术》.北京：电子工业出版社，2013.5.
[4]肖丙刚，王秀敏，赵吉祥.研究性教学在“微电子学导论”课程中的探索与实践.中国电力教育，2009，19，71-72.
[5]张瑞，姚凌江，吴向文.运用混合式立体化教学模式培养应用型创新人才.现代教育技术，2010，20，77-81.
基金项目：扬州大学教改基金资助项目（YZUJX2015-20B）