光刻-刻蝕虛擬仿真實驗的設計與實施

楊爽　金偉　周靜

［摘 要］ 對焦國家中國芯開發戰略，自主設計開發光刻-刻蝕虛擬仿真實驗。實驗以芯片生產過程中的光刻-刻蝕工藝作為代表，通過虛擬仿真技術進行設備建模、光路模擬、微觀粒子運動演示等，將無法觸及的設備內部結構、復雜的光刻-刻蝕工藝影響、轉瞬即逝的微觀實驗現象直觀化展示給實驗者，利用“練習模式”和“考試模式”讓實驗者充分開展實驗探索，通過不同模擬情境激發學生學習興趣。實驗解決了光刻-刻蝕實驗在高校難以開展的問題，為綜合型人才培養打下基礎。

［關鍵詞］ 光刻-刻蝕；虛擬仿真；實驗設計；教學改革

［基金項目］ 2022年度武漢理工大學教育教學改革研究項目“材料物理實習課程教學體系和運行模式研究與實踐”（W2022004）；2021年湖北省科技廳湖北省自然科學基金杰出青年基金“復合介質材料高頻介電損耗的界面序構調控”（2021CFA067）；2022年湖北省教育廳國家大學生創新創業訓練計劃（省級）“Cu3Mo2O9/MoO3p-n異質結納米復合材料的制備及其胺敏性能研究”（S202210497046）

［作者簡介］ 楊 爽（1988—），女，黑龍江哈爾濱人，博士，武漢理工大學材料科學與工程學院實驗師，主要從事過渡金屬氧化物納米功能材料研究；金 偉（1983—），女，湖北咸寧人，博士，武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室副研究員，主要從事功能材料及物理效應研究；周 靜（1970—），女，內蒙古烏蘭察布人，博士，武漢理工大學材料科學與工程學院教授（通信作者），主要從事介電、壓電、鐵電功能陶瓷及其復合材料研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）17-0041-05［收稿日期］ 2022-11-28

引言

光刻與刻蝕技術是實現圖案從掩膜版向特定基底轉移的精密加工技術，在集成電路制造、太陽能電池的制備、智能傳感器件等上述的諸多領域中均有涉及，具有廣泛的適用性［1-2］。然而，光刻-刻蝕相關設備昂貴、維護成本高昂、加工環境要求苛刻，難以在高校中開展實踐教學［3-4］。僅通過理論教學，學生無法充分了解設備內部結構及抽象運行過程，不能體驗工藝過程對結果的復雜影響［5］。

利用虛擬仿真技術可以將無法觸及的設備內部結構、抽象復雜的光刻原理和刻蝕原理、轉瞬即逝的微觀實驗現象、工藝流程、操作技能等，以沉浸式、交互式的形式，準確、生動、形象地展現出來，便于學生對知識的掌握［6-8］。立足學科優勢，對接武漢光谷萬億級光電子產業集群發展對半導體相關行業人才的培養需求，基于“固體物理”“半導體物理與器件”“新能源材料與技術”等理論課程教學內容與實踐需求，武漢理工大學開展了光刻-刻蝕虛擬仿真實驗建設。本文將從實驗總體設計思路、實驗對學生的要求、實驗內容設計和實驗特色三方面闡述光刻-刻蝕虛擬仿真實驗的設計情況，并對其實施后對教學的影響進行分析。

一、實驗設計

（一）實驗總體設計思路

首先，了解虛擬仿真實驗的受眾，明確相關基礎理論課程對實驗的需求焦點，從而合理設計實驗內容，實現理論與實踐的結合［9］。具有相關學科理論知識背景的實驗者，能夠掌握典型半導體器件結構和材料制備加工基本技能，但缺少實踐經驗，無法真正理解光刻-刻蝕具體加工過程及相關影響因素。因此，本實驗一方面設計了工廠漫游環節，讓實驗者能夠對半導體相關背景及加工全過程形成感性認識；另一方面，在虛擬仿真實驗中設置了不同的實驗情境，允許實驗者試錯并觀察實驗結果，在趣味探索過程中掌握知識，從而了解不同工藝對實驗結果的影響情況。對于相關學科理論知識薄弱的學生，通過實驗原理、設備拆解、考試等功能板塊的有機結合，使實驗者能夠通過實驗平臺學習光刻-刻蝕的基本原理知識、技術要求、設備結構，并能隨時對知識的掌握情況進行自檢。

其次，不同器件制造過程中所用到的光刻-刻蝕工序不一，具體流程煩瑣、復雜。本實驗去掉不同器件制程中的重復步驟，化繁為簡，選取最具有普遍性和代表性的光刻-刻蝕工藝作為虛擬實訓教學的主要內容，著重考查學生對典型設備、工藝、原理、影響因素的掌握與靈活運用情況，以及對結果的綜合分析能力。

此外，實驗的顆粒度過大易使實驗者疲勞，降低精神集中度，設計2～4課時為宜。實驗還設計了“練習模式”和“考試模式”，使得實驗者可以有練習過程，根據自身需求充分探索，又能夠減少后臺數據運行負擔，提高數據保存質量。

（二）實驗面向學生要求

目前本實驗項目主要面向材料類、微電子或信息類的大三或大四年級學生，要求學生較系統的完成“固體物理”“半導體物理與器件”“半導體制造技術”“新能源材料與器件”等專業理論課程的學習，已掌握晶體材料制備與改性、半導體器件的基本理論，掌握材料制備的基本方法、典型設備結構與工作原理、材料或器件的表征及應用，對晶體材料“組成—結構—電學性能”之間基本關系也有一定認識。

（三）實驗內容設計

1.“練習模式”與“考試模式”。在進入實驗頁面時，系統會提示實驗者選擇“練習模式”或“考試模式”。在“練習模式”下，實驗者可自由挑選某一步驟學習，錯誤操作不計入最終實驗分數且系統會給出提示與解析，給予實驗者即時反饋。實驗者在“練習模式”下充分嘗試并體驗不同實驗情境，了解相關工藝的要求以及參數設置對結果的影響，從而在探索中學習、總結。在“考試模式”下，實驗者只能按照正確步驟開展實驗，系統不再給出具體錯誤提示與解析，系統僅記錄實驗者操作情況并給出相應分數，生成實驗報告，作為實驗學習結果的最終檢測。

線下實驗中，由于實驗時長和實驗條件的限制，對實驗過程的容錯率較低，實驗者往往難以真正進行充分的實驗探索。而這兩種模式充分發揮了虛擬仿真實驗的便捷性與安全性優勢，為實驗者提供個性化的學習選擇，“實驗模式”允許實驗者充分探索，在不同實驗情境中觀察實驗現象，從而直觀了解工藝對實驗結果的影響，分析、總結實踐經驗，便于及時查缺補漏；“考試模式”允許實驗者檢驗學習成果，反饋學習情況。

2.實驗內容設計。在實驗的內容設計中，重點在于讓學生明確光刻-刻蝕工藝作用，掌握正、負膠選取原則，理解光刻-刻蝕工藝的影響因素，讓實驗者在進行芯片性能分析、改善與設計過程中能夠有意識地將相關因素納入考量，為后續實踐與工作創新打下基礎。以涂膠步驟為例，實驗系統為實驗者提出光刻膠目標厚度、掩膜版與目標圖形圖案等要求，實驗者根據要求選擇光刻膠種類、黏度、涂膠工藝參數等內容。錯誤的選擇可能造成光刻圖案錯誤、光刻膠層過厚等問題，最終導致實驗失敗。

對準曝光是光刻工藝中的重要過程，涉及的知識點包括對準曝光的作用、光源與關鍵尺寸（CD）分辨率之間的對應關系、曝光劑量對光刻結果的影響等。為使實驗者直觀看到光刻機的對準曝光過程，系統搭建光刻機模型并呈現設備內部結構，呈現機器運行時光路變化等細節，彌補了傳統理論或實踐教學方式難以將微觀、瞬時過程及設備運行機制展現出來的缺憾。系統在此設置了兩個考察點：一是實驗者需要根據特征尺寸要求選擇曝光光源的種類、波長和描述符；二是實驗者需要通過正膠/負膠留膜率與曝光劑量關系，合理選擇曝光時間。錯誤的選擇可能造成光刻精度不符合要求、光刻膠清洗不凈等問題，最終導致實驗失敗。

在實際生產中，光刻是制程中唯一可返廠的工藝，系統模擬實際生產中的光刻結果檢查過程，要求實驗者在這一步驟中，正確評價晶圓圖案情況，并選擇是否讓晶圓返廠。晶圓圖案會因實驗者操作不同而呈現不同結果，如正常、浮膠、針孔等。若選擇返廠，系統回到第一個步驟重新開始實驗；若選擇不返廠，則進行刻蝕步驟并根據刻蝕后圖案結果的正確性給出相應分數。晶圓圖案檢查是本實驗的難點，實驗者要綜合利用所學知識，準確地評價結果，分析光刻-刻蝕過程的影響因素，及時糾錯。通過這一過程，深化實驗者對工藝與性能相關性的認識，在實踐中學會考慮芯片性能分析與芯片工藝設計相關因素間的關系，從而具備進一步進行芯片設計、開發的創新能力。

（四）教學方法與實驗方法

教學過程中，教師有機結合各種教學新形式，綜合運用講授法、討論法、練習法、啟發法等教學方法，推進實驗各階段有序進行。例如，同時利用武漢理工大學網絡教學平臺進行授課，提供線下VR設備體驗，進一步提高學生沉浸感，激發學生學習興趣。此外，利用情境法、模型法、觀察法和逆向思維法等實驗方法，幫助學生理解實驗原理，方便學生充分觀察、體驗實驗過程，提高學生的思考、總結能力。

二、實驗特色

（一）問題導向的綜合性實驗

實驗屬于綜合性實驗，以問題為導向進行實驗設計，推進實驗者實踐能力和創新能力的培養［10］。系統隨機設置晶圓污染情況、光刻膠厚度、目標圖案形狀、尺寸、待刻蝕物質等實驗情景和實驗目標，學生實驗過程不同，結果也不同。著重考查學生對知識的掌握與靈活運用能力，以及對結果的綜合分析與解決問題的能力，這也是本實驗的難點。

（二）探究式體驗，激發學習興趣

實驗設置的“練習模式”和“考試模式”給予實驗者自由探究空間，實驗者通過實驗提示與實驗報告記錄看到錯誤操作，根據所學知識分析問題并找到原因。不同實驗情境和隨機設置的實驗問題增加了實驗過程中的挑戰度，激發了實驗者的學習興趣，這也是本實驗的亮點［11］。

（三）教學指引完善，易上手

實驗過程中，有必要的操作指引與明確標識，使實驗者能夠順利進行實驗。此外，教學引導視頻、在線咨詢、論壇、系統操作提示等教學指導資源豐富，方便實驗者快速理解實驗內容，上手學習。此外，用游戲的體驗方式開展實驗，有芯片輸送機器人和導航機器人進行晶圓運送和相關知識講解。每次步驟操作都會有人機交互反饋，避免了以往的實訓軟件生硬的操作體驗，提高了用戶認可度［12］。

（四）虛擬仿真程度高，沉浸式體驗感好

模擬真實場景，還原芯片生產場景細節。如：加設天車系統、布置通風口，以及不同的設備對燈光要求不同，光刻機、顯影機、清洗機等要放在黃光區，離子刻蝕機放在白光區，并且光刻機要單獨隔離。設備、工廠模型仿真設計，參考真實設備外部及內部結構，仿真模擬設備的輸入面板，設備運行參考真實設備運行規律，綜合運用Unity3D、3D Studio Max、Visual Studio等技術手段，提高場景的可觀性與真實性，進而確保實驗者在設備操作過程中的沉浸感。此外，對于微觀、瞬時的實驗現象，利用模型法通過獨立畫中畫進行放大展示，生動直觀。

三、實驗實施對教學的影響

一方面，光刻-刻蝕虛擬仿真實驗及時補充相關教學資源，豐富課堂教學模式。另一方面，相比于線下實驗過程難以記錄、評價依據單一的問題，虛擬仿真實驗系統可以通過隨機考試、實驗實訓、實驗報告等實現多角度考核，評價體系更加完善［13］。教師可從后臺監督學生的實驗情況，并隨時調取信息以便后續教學結果分析與改進。此外，教學資源及信息管理便捷、高效，便于進行資源共享，為校間合作與校企合作提供更多便利。目前，本實驗已經對接“實驗空間—國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺”，實驗面向社會開放使用，目前已有萬余訪問量，校內外受益使用者近千人，4所高校依托本實驗系統進行課程教學，我校依托該項目與其他高校間積極開展相關教學交流。

結語

本文設計的光刻-刻蝕虛擬仿真實驗立足學校學科優勢，對接社會相關行業人才需求，利用虛擬仿真技術將無法觸及的設備內部結構，復雜的光刻-刻蝕工藝影響，轉瞬即逝的微觀實驗現象，以及光刻-刻蝕工藝流程、操作技能，以沉浸式、交互式的形式，準確、生動、形象地展現出來，解決了高校中由于設備昂貴、數量稀少、場地及環境條件等因素限制而無法開展相關實驗的問題。該實驗通過問題導向和探究式體驗激發實驗者的學習興趣，培養了實驗者綜合分析問題、解決問題的能力。實驗界面友好、便于信息化管理，很好地補充了相關教學資源，豐富了課堂教學模式，具有良好的實用性與開發前景。

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Design and Implementation of? Photolithography Etching Virtual Simulation Experiment

YANG Shuanga， JIN Weib， ZHOU Jingb

（a. School of Materials Science and Engineering， b. State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China）

Abstract： Focus on the strategy for the development of national chip，A photolithography etching virtual simulation experiment was designed and developed independently. As the representative， the photolithography etching process in the field of chip production was implied. By means of virtual simulation technology， equipment modeling， light path simulation， micro particle movement demonstration， the internal structure of equipment? the complex impacts of photolithography etching technology， fleeting microscopic experiment phenomenons could be shown visually. The design of “practice mode” and “test mode” helped experimenters to carry out the experiments as they want， and learning through different simulated situations could further stimulate students interests in learning. The experiment solved the difficulty in implementing photolithography etching experiment in colleges， and laid the foundation for comprehensive cultivation of talents.

Key words： photolithography etching， virtual simulation， experiment design， teaching reform