集成無源工藝可視化和動態化在微電子專業工程教學中的應用

強 天，姜巖峰

(江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122)

微電子是一門實用性、綜合性很強的工程學科、優勢學科，其中包括半導體器件物理、集成電路工藝、集成電路及系統的設計與測試等內容，涉及了電磁學、固體物理學、材料科學、電子線路等多個領域的研究[1-2]。在微電子專業新工科建設背景下[3]，應改革以往重理論、輕實踐的教學方式，將教育的中心轉移到提升學生的工程創新能力上，培養出創新型、多元化、高素質的卓越工程人才[4]。

1 集成無源工藝發展現狀

集成無源工藝是微電子專業學習中不可或缺的內容，集成無源器件的設計以射頻集成電路中常用的濾波器、耦合器、功率分配器、共用器、天線等器件為主。這種工藝通過制作各種電阻、電容、電感元件以及低電感接地板和連接無源元件的傳輸線走線來完成電路設計。作為連接宏觀無源器件設計仿真與微觀微納米加工工藝的橋梁，集成無源工藝在合適的載體襯底材料中的制造工藝能滿足所要求的元件性能和精度指標，不復雜，需要的掩模數較少(一般為 5～9張)。

對于集成無源加工技術中涉及的基本微納米加工工藝學習，如曝光、顯影、鍍膜、擴散、刻蝕等，有助于學生理解微電子學科后續的理論和專業課程。但當前微電子專業課程中對于微納米加工工藝的教學內容主要集中在半導體物理理論教學和器件性能參數的公式計算上，對于微納米加工工藝流程和仿真模型建立的教學內容涉獵不足。

由于微納米加工工藝實踐機會少，而且課本中的學習內容和當前微電子發展所亟待解決的科學問題以及所面臨的困境不能產生相應聯系，學生的學習積極性會降低。本研究嘗試在集成無源工藝的講授中適時融入可視化、動態化的工藝流程、微納米電鏡圖片、3D建模仿真模型，讓學生看得見加工工藝流程，學得懂基本微納米工藝，用得會3D建模仿真軟件，以期為微電子專業課程中涉及微納米加工工藝的工程教學提供可行的參考方案。

2 微電子專業工程教育面臨的問題

2.1 平臺及師資力量存在差異性

高校平臺資源匹配不均，教師資源存在差異性，對課程的理解程度及講解深度參差不齊，使得學生的接受程度也不盡不同，有的學生理解較為深刻，有的學生理解較為淺顯。

2.2 基礎課程內容比較抽象，學生理解困難

半導體物理、固體物理等課程是微電子專業方向的基礎和重中之重，但課程內容抽象，理解難度大，學生抽象思維能力不足，導致學生對該課程的興趣降低，考試成績不理想。

2.3 傳統教學呆板化

傳統教學方式對于微電子學科來說已經無法滿足時代要求，而且該學科的操作性和實踐性強。日益發展的科研水平與教學模式對可視化和動態化的要求逐漸提升，需要對教育方式進行改革創新。

2.4 人文素質教育缺失

傳統理工科教學模式往往重理工輕人文，忽視了人文素養在理工科學習及應用中所占的比重及產生的深遠影響。長此以往，導致理工科學生只專注搞科研，忽視了產學研的鏈條式發展，學生走上工作崗位后無法很好地融入團隊建設與協作。

2.5 傳統教學模式對設備操作的依賴性不利于成本控制

若高校平臺資源或師資資源分配不足，大量實驗將會被擱置，只能陷入被動式教學，學生接受程度低，興趣減弱。傳統教學模式中對設備操作的依賴性不利于成本控制，受制約因素影響較大。

3 集成無源工藝可視化和動態化在微電子專業工程教學中的應用

為突出微電子專業中微納米加工工藝的重點，即有源器件加工工藝、無源器件加工工藝、傳感器器件加工工藝，搭建了模擬仿真教學平臺，讓學生能夠高效接受并理解課程教學內容。以集成無源加工工藝為例，將其可視化和動態化應用到微電子專業工程教學中，并結合微納米電鏡圖片對工藝流程和關鍵工藝進行詳盡展示，然后通過軟件3D建模仿真對加工工藝流程進行模擬和結果驗證，以完成對集成無源器件的設計。

3.1 讓學生看得見

利用軟件將集成無源加工工藝的流程進行動畫展示，逐步講解流程，降低工藝流程的抽象化程度，以便學生理解，提高學生的學習興趣，同時也能降低設備成本。工藝中涉及曝光、顯影、鍍膜、擴散、刻蝕等基礎微納米加工步驟，清晰明了，讓學生看得見。

3.2 讓學生學得懂

對集成無源工藝中的關鍵加工工藝進行微納米電鏡圖片剖析，將微觀世界的加工工藝進行宏觀展示，給學生以直觀的印象，便于學生理解該課程的重難點，讓學生學得懂。

3.3 讓學生用得會

3D建模仿真軟件是學習微納米加工工藝的有效工具。集成無源加工工藝可以通過HFSS、ADS、CST等多種3D建模仿真軟件進行輔助學習和理解。建模過程等同于加工過程，對于集成無源器件的精確建模需要理解其加工工藝。軟件仿真結果的優異性能夠反映出學生對加工流程的理解程度，在此過程中可提升動手實踐能力和團隊協作能力，讓學生有章可循，有據可查。