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[摘 要] 微电子材料与器件主要介绍微电子领域中相关材料、器件以及工艺技术，是一门应用性较强的课程。总结课程教学现状和所存在的问题，并从教学内容、教学手段和考核方式三个方面对课程教学改革进行探讨。
[关 键 词] 微电子材料与器件;教学改革;教学内容;教学手段;考核方式
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2020）18-0128-02
一、引言
在当今所处的信息时代，集成电路对经济发展、社会进步和国家安全的重要性是不言而喻的。然而，集成电路制造极其复杂，仅有少数几个国家掌握高端芯片的制造技术及相关设备。我国的集成电路制造仍与世界尖端水平存在一定的差距，关键技术和高端设备受制于人。芯片高度依赖进口的情况未来可能影响到国家的信息安全、经济安全和国防安全。因此，集成电路的自主可控是产业发展的目标。近年来，国家相继出台了一系列的文件和政策鼓励集成电路产业的发展，并成立大基金投资和扶持相关企业。在创新驱动发展战略的时代背景下，集成电路产业必将进入高速发展期。同时，产业对相关人才的需求量也会明显增加。
微电子材料与器件是我校材料科学与工程专业开设的一门专业限选课，主要介绍硅材料以及硅基器件在微电子领域中的制造工艺，也涉及化合物半导体材料与器件的相关内容。该门课程有别于传统的理论课，应用性较强，更贴近于实践。目的是让学生了解和掌握微电子材料与器件的工艺原理、工艺设备和工艺流程，提高学生分析和解决实际问题的能力，为学生在相关领域的就业和深造奠定良好的基础。本文通过笔者多年在微电子材料与器件课程的教学经历，针对课程教学现状、专业特点和微电子领域发展情况，在教学内容、教学手段和考核方式上提出了一些教学改革的思路和意见。
二、课程现状及教学所存在的问题
微电子材料与器件面向材料科学与工程专业大学三年级学生，课程结合了各高校微电子科学与技术专业广泛开展的半导体物理与器件和集成电路工艺的授课内容，但又有别于这两门课程。微电子材料与器件安排了一部分学时讲授半导体材料与器件，但这块内容比半导体物理与器件中的相关知识点更为深入。同时，课程也安排了较大比重的学时讲授微电子器件和集成电路的制造工艺。与集成电路工艺相比，课程不仅关注传统硅基器件的工艺，还覆盖了化合物半导体器件和新型微电子器件的工艺。在教学过程中，该课程仍存在一些问题。
（一）教学内容涉及面广，无合适教材
微电子材料与器件教学内容涵盖材料、器件和工艺，其中涉及物理、化学、材料、电子、机械等主要领域，更与许多理科和工科的细分学科密切相关，涉及面广，交叉性强。目前，很难调选出一本教材能够符合课程的教学大纲和学生的知识结构。而且，微电子器件和工艺技术发展迅速，知识更新较快，而现有教材内容较为陈旧，多为介绍二十年前的器件结构和工艺技术，无法紧跟研究前沿和产业尖端。
（二）学生知识储备不够，实践经验欠缺
微电子材料与器件开设在大学第五学期。首先，虽然学生已学习材料科学基础、半导体物理学、材料制备技术等专业课程，但对微电子器件相关知识的认识不够深入。其次，材料专业的学生在电子技术、真空技术、光学等方面的知识非常薄弱，对一些知识点的掌握较为吃力。最后，尽管学生已修几门材料相关的实验课程，少数学生也参加了科研训练计划，但在实践层面上对材料制备方法及其设备的了解不够，分析和解决实际问题的能力欠缺。而课程中器件工艺部分的知识恰恰与实际结合非常紧密。因此，学生无法体会到某些工艺创新的精妙之处，反而觉得远离他们的认知，难以消化相关内容。
（三）课堂气氛沉闷，学生积极性不高
总体来说，微电子材料与器件课堂气氛较为沉闷，学生课堂讨論的参与度和积极性不高，缺乏对课程学习的兴趣。笔者认为，其原因主要来自三个方面：（1）教师主要以讲授法授课，并配合PPT对课程内容进行讲解。授课方式和内容稍显枯燥，不够生动，难以吸引学生的注意力。（2）教学内容涉及较广，学生的知识储备与教学内容不匹配，学生无法透彻理解授课内容。为应付考核，学生只能通过死记硬背的方法学习课程。（3）课程的应用性较强，多数内容会涉及工业化生产层面。该部分内容与学生日常接触的事物相距较远，学生不太关心，也表现出极少的兴趣。
（四）实践教学资源匮乏
实践教学是辅助微电子材料与器件课堂教学的有效手段，能够帮助学生直观了解材料与器件的制备流程和工艺技术。然而，一整套硅基MOS器件的工艺设备价格昂贵，少有高校拥有如此条件供学生进行相关实践性学习。此外，由于集成电路需要在洁净环境中生产，相关企业的标准化管理方式难以让学生进入生产核心区域，去了解生产工艺过程。所以，实践教学资源匮乏在某种程度上使教学效果有所下降。
三、课程教学改革与实践
（一）优化教学内容
根据课程教学目标，结合专业的实际情况和前沿科技的发展情况，笔者重新对教学内容进行梳理和优化，主要分成三部分内容。第一部分内容主要包括传统的硅基微电子器件和工艺。其中，在硅基微电子器件方面，笔者充分了解了本专业的半导体物理学和半导体材料课程的教学情况，基于这两门课的相关内容之上，将器件的知识点进行延伸，使学生所学知识与课程内容之间建立较好的衔接关系，又为学生学习工艺相关的内容进行知识铺垫。在硅基微电子工艺方面，本课程会涵盖集成电路制造中前道工艺相关内容。除此之外，为紧跟集成电路产业前进步伐，本课程还按时间线讲授MOS场效应晶体管工艺中的各项技术改进和创新以解决器件的短沟道效应。第二部分内容主要包括基于半导体化合物的电子器件及其工艺技术。以GaAs和GaN为代表的III-V族半导体微波器件和功率器件已实现产业化并趋向成熟，其市场规模将在未来几年高速增长。学生在本课程中应掌握这类器件的相关知识，为更多的就业机会做好准备。第三部分内容主要包括基于新材料和新工作原理的逻辑器件和存储器件及其制备方法。这部分内容可让学生了解微电子材料和器件最为前沿的发展情况，也为有意继续深造的学生在选择材料专业相关的研究方向时提供参考。基于以上授课内容，课程以笔者上课讲义和自编资料为教学材料，并选取合适的专著作为参考书。这样，学生通过从传统微电子材料和器件到新型微电子材料和器件的学习，从经典的微电子工艺到先进的微电子工艺的学习，可对微电子材料和器件有个全面且较为系统的认识。 （二）丰富教学手段
为提升课堂教学效果，激发学生的学习积极性，笔者从以下四个方面对教学方式进行改革：（1）利用贴近生活的事物或热议的话题进行每一章节的课程导入，利用浅显易懂的类比讲解物理概念和物理过程。例如：利用近一年来笔记本和手机高功率充电器的小型化来导入基于化合物半导体功率器件的课程内容，利用相机镜头的光圈与景深的关系类比光刻机的焦深与数值孔径的关系。这样的方式更容易使课程内容吸引学生的注意力，也更容易使课程内容被学生理解。（2）利用视频资源辅助课程内容讲解。课程中微电子制造工艺的相关内容涉及复杂的工业化设备以及设备中复杂的物理化学过程。视频内容能够清楚直观地表现出实际工艺过程，有助于学生加深这些知识点的印象，在一定程度上弥补缺少实践教学资源所带来的影响。（3）利用专题讲解厘清知识脉络。由于课程内容涉及面非常广，学生自身对知识点的归纳和总结方面存在一定的难度，时常感觉理不清头绪。笔者将部分内容归纳总结，以专题的形式进行讲解，使相关内容的知识脉络更为清晰，更具有逻辑性。（4）利用学生口头报告提高课程参与度。笔者就课程中的某一类新型器件或某一个问题，安排学生以组为单位进行口头报告并展开师生讨论。这样有助于活跃课堂气氛，提高学习效率并加深课程内容的理解。
（三）改进考核方式
课程考核是评价教学质量和衡量学习效果的一种方式，同时也能够对学生的学习行动起到导向和激励作用。所以，根据教学目标、课程特点和学生学情，制定科学合理的考核方式对教学过程是十分重要的。在微电子材料和器件课程中，以往的平时考核区分度不大，未能很好地体现学生的学习情况;而期末考试占比较大，且部分题目较为死板。为鼓励学生重视课程的学习过程，真正学懂、学透课程内容，笔者增加平时成绩占比（总成绩的40%），将口头汇报、课堂发言、课堂讨论、课外作业和课外调查一系列任务和表现纳入平时考核，并严格执行相关考核方式，促使学生积极参与课堂教学，投入课外时间进行自学，通过平时的积累来掌握课程内容和提升自身能力;减小期末成绩占比（总成绩的60%），提高期末试题的灵活性和开放性，考查学生运用知识分析问题和解决问题的能力。
四、结语
微电子材料和器件我校材料专业为大学三年级学生所开设的一门限选课。该课程主要存在教学内容涉及面广、学生知识储备不够、课堂气氛沉闷和实践资源缺乏这四个方面的问题。针对以上问题，笔者提出了通过优化教学内容、丰富教学手段和改进考核方式对课程进行教学改革，从而使学生掌握课程内容，提高他们分析和解决实际问题的能力，为学生在相关领域的就业和深造奠定良好的基础。
参考文献：
[1]张芳，任大庆，张纳.浅谈《半导体物理与器件》课程的教学改革[J].教育教学论坛，2019（23）：133-134.
[2]李琦，赵秋明，段吉海.工程教育背景下“集成电路工艺”的教学探索[J].中国电力教育，2011（1）：72-73.
[3]NeamenDA.半导体物理与器件（第四版）[M].赵毅强，姚素英，史再峰，等，译.北京：电子工业出版社，2018.
[4]QuirkM，SerdaJ.半导体制造技术[M].韩郑生等译.北京：电子工业出版社，2004.
[5]张渊.半导体制造工艺（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2015.
編辑 赵瑞峰
[关 键 词] 微电子材料与器件;教学改革;教学内容;教学手段;考核方式
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2020）18-0128-02
一、引言
在当今所处的信息时代，集成电路对经济发展、社会进步和国家安全的重要性是不言而喻的。然而，集成电路制造极其复杂，仅有少数几个国家掌握高端芯片的制造技术及相关设备。我国的集成电路制造仍与世界尖端水平存在一定的差距，关键技术和高端设备受制于人。芯片高度依赖进口的情况未来可能影响到国家的信息安全、经济安全和国防安全。因此，集成电路的自主可控是产业发展的目标。近年来，国家相继出台了一系列的文件和政策鼓励集成电路产业的发展，并成立大基金投资和扶持相关企业。在创新驱动发展战略的时代背景下，集成电路产业必将进入高速发展期。同时，产业对相关人才的需求量也会明显增加。
微电子材料与器件是我校材料科学与工程专业开设的一门专业限选课，主要介绍硅材料以及硅基器件在微电子领域中的制造工艺，也涉及化合物半导体材料与器件的相关内容。该门课程有别于传统的理论课，应用性较强，更贴近于实践。目的是让学生了解和掌握微电子材料与器件的工艺原理、工艺设备和工艺流程，提高学生分析和解决实际问题的能力，为学生在相关领域的就业和深造奠定良好的基础。本文通过笔者多年在微电子材料与器件课程的教学经历，针对课程教学现状、专业特点和微电子领域发展情况，在教学内容、教学手段和考核方式上提出了一些教学改革的思路和意见。
二、课程现状及教学所存在的问题
微电子材料与器件面向材料科学与工程专业大学三年级学生，课程结合了各高校微电子科学与技术专业广泛开展的半导体物理与器件和集成电路工艺的授课内容，但又有别于这两门课程。微电子材料与器件安排了一部分学时讲授半导体材料与器件，但这块内容比半导体物理与器件中的相关知识点更为深入。同时，课程也安排了较大比重的学时讲授微电子器件和集成电路的制造工艺。与集成电路工艺相比，课程不仅关注传统硅基器件的工艺，还覆盖了化合物半导体器件和新型微电子器件的工艺。在教学过程中，该课程仍存在一些问题。
（一）教学内容涉及面广，无合适教材
微电子材料与器件教学内容涵盖材料、器件和工艺，其中涉及物理、化学、材料、电子、机械等主要领域，更与许多理科和工科的细分学科密切相关，涉及面广，交叉性强。目前，很难调选出一本教材能够符合课程的教学大纲和学生的知识结构。而且，微电子器件和工艺技术发展迅速，知识更新较快，而现有教材内容较为陈旧，多为介绍二十年前的器件结构和工艺技术，无法紧跟研究前沿和产业尖端。
（二）学生知识储备不够，实践经验欠缺
微电子材料与器件开设在大学第五学期。首先，虽然学生已学习材料科学基础、半导体物理学、材料制备技术等专业课程，但对微电子器件相关知识的认识不够深入。其次，材料专业的学生在电子技术、真空技术、光学等方面的知识非常薄弱，对一些知识点的掌握较为吃力。最后，尽管学生已修几门材料相关的实验课程，少数学生也参加了科研训练计划，但在实践层面上对材料制备方法及其设备的了解不够，分析和解决实际问题的能力欠缺。而课程中器件工艺部分的知识恰恰与实际结合非常紧密。因此，学生无法体会到某些工艺创新的精妙之处，反而觉得远离他们的认知，难以消化相关内容。
（三）课堂气氛沉闷，学生积极性不高
总体来说，微电子材料与器件课堂气氛较为沉闷，学生课堂讨論的参与度和积极性不高，缺乏对课程学习的兴趣。笔者认为，其原因主要来自三个方面：（1）教师主要以讲授法授课，并配合PPT对课程内容进行讲解。授课方式和内容稍显枯燥，不够生动，难以吸引学生的注意力。（2）教学内容涉及较广，学生的知识储备与教学内容不匹配，学生无法透彻理解授课内容。为应付考核，学生只能通过死记硬背的方法学习课程。（3）课程的应用性较强，多数内容会涉及工业化生产层面。该部分内容与学生日常接触的事物相距较远，学生不太关心，也表现出极少的兴趣。
（四）实践教学资源匮乏
实践教学是辅助微电子材料与器件课堂教学的有效手段，能够帮助学生直观了解材料与器件的制备流程和工艺技术。然而，一整套硅基MOS器件的工艺设备价格昂贵，少有高校拥有如此条件供学生进行相关实践性学习。此外，由于集成电路需要在洁净环境中生产，相关企业的标准化管理方式难以让学生进入生产核心区域，去了解生产工艺过程。所以，实践教学资源匮乏在某种程度上使教学效果有所下降。
三、课程教学改革与实践
（一）优化教学内容
根据课程教学目标，结合专业的实际情况和前沿科技的发展情况，笔者重新对教学内容进行梳理和优化，主要分成三部分内容。第一部分内容主要包括传统的硅基微电子器件和工艺。其中，在硅基微电子器件方面，笔者充分了解了本专业的半导体物理学和半导体材料课程的教学情况，基于这两门课的相关内容之上，将器件的知识点进行延伸，使学生所学知识与课程内容之间建立较好的衔接关系，又为学生学习工艺相关的内容进行知识铺垫。在硅基微电子工艺方面，本课程会涵盖集成电路制造中前道工艺相关内容。除此之外，为紧跟集成电路产业前进步伐，本课程还按时间线讲授MOS场效应晶体管工艺中的各项技术改进和创新以解决器件的短沟道效应。第二部分内容主要包括基于半导体化合物的电子器件及其工艺技术。以GaAs和GaN为代表的III-V族半导体微波器件和功率器件已实现产业化并趋向成熟，其市场规模将在未来几年高速增长。学生在本课程中应掌握这类器件的相关知识，为更多的就业机会做好准备。第三部分内容主要包括基于新材料和新工作原理的逻辑器件和存储器件及其制备方法。这部分内容可让学生了解微电子材料和器件最为前沿的发展情况，也为有意继续深造的学生在选择材料专业相关的研究方向时提供参考。基于以上授课内容，课程以笔者上课讲义和自编资料为教学材料，并选取合适的专著作为参考书。这样，学生通过从传统微电子材料和器件到新型微电子材料和器件的学习，从经典的微电子工艺到先进的微电子工艺的学习，可对微电子材料和器件有个全面且较为系统的认识。 （二）丰富教学手段
为提升课堂教学效果，激发学生的学习积极性，笔者从以下四个方面对教学方式进行改革：（1）利用贴近生活的事物或热议的话题进行每一章节的课程导入，利用浅显易懂的类比讲解物理概念和物理过程。例如：利用近一年来笔记本和手机高功率充电器的小型化来导入基于化合物半导体功率器件的课程内容，利用相机镜头的光圈与景深的关系类比光刻机的焦深与数值孔径的关系。这样的方式更容易使课程内容吸引学生的注意力，也更容易使课程内容被学生理解。（2）利用视频资源辅助课程内容讲解。课程中微电子制造工艺的相关内容涉及复杂的工业化设备以及设备中复杂的物理化学过程。视频内容能够清楚直观地表现出实际工艺过程，有助于学生加深这些知识点的印象，在一定程度上弥补缺少实践教学资源所带来的影响。（3）利用专题讲解厘清知识脉络。由于课程内容涉及面非常广，学生自身对知识点的归纳和总结方面存在一定的难度，时常感觉理不清头绪。笔者将部分内容归纳总结，以专题的形式进行讲解，使相关内容的知识脉络更为清晰，更具有逻辑性。（4）利用学生口头报告提高课程参与度。笔者就课程中的某一类新型器件或某一个问题，安排学生以组为单位进行口头报告并展开师生讨论。这样有助于活跃课堂气氛，提高学习效率并加深课程内容的理解。
（三）改进考核方式
课程考核是评价教学质量和衡量学习效果的一种方式，同时也能够对学生的学习行动起到导向和激励作用。所以，根据教学目标、课程特点和学生学情，制定科学合理的考核方式对教学过程是十分重要的。在微电子材料和器件课程中，以往的平时考核区分度不大，未能很好地体现学生的学习情况;而期末考试占比较大，且部分题目较为死板。为鼓励学生重视课程的学习过程，真正学懂、学透课程内容，笔者增加平时成绩占比（总成绩的40%），将口头汇报、课堂发言、课堂讨论、课外作业和课外调查一系列任务和表现纳入平时考核，并严格执行相关考核方式，促使学生积极参与课堂教学，投入课外时间进行自学，通过平时的积累来掌握课程内容和提升自身能力;减小期末成绩占比（总成绩的60%），提高期末试题的灵活性和开放性，考查学生运用知识分析问题和解决问题的能力。
四、结语
微电子材料和器件我校材料专业为大学三年级学生所开设的一门限选课。该课程主要存在教学内容涉及面广、学生知识储备不够、课堂气氛沉闷和实践资源缺乏这四个方面的问题。针对以上问题，笔者提出了通过优化教学内容、丰富教学手段和改进考核方式对课程进行教学改革，从而使学生掌握课程内容，提高他们分析和解决实际问题的能力，为学生在相关领域的就业和深造奠定良好的基础。
参考文献：
[1]张芳，任大庆，张纳.浅谈《半导体物理与器件》课程的教学改革[J].教育教学论坛，2019（23）：133-134.
[2]李琦，赵秋明，段吉海.工程教育背景下“集成电路工艺”的教学探索[J].中国电力教育，2011（1）：72-73.
[3]NeamenDA.半导体物理与器件（第四版）[M].赵毅强，姚素英，史再峰，等，译.北京：电子工业出版社，2018.
[4]QuirkM，SerdaJ.半导体制造技术[M].韩郑生等译.北京：电子工业出版社，2004.
[5]张渊.半导体制造工艺（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2015.
編辑 赵瑞峰