趙曉輝

科技創(chuàng)新人才逐漸成為經(jīng)濟增長的第一推動力,培養(yǎng)創(chuàng)新型人才也成為當(dāng)前教育改革的主要任務(wù)。利用開放的教學(xué)體系以及先進的教學(xué)平臺開展實驗教學(xué),是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新意識的重要手段,可以更好地培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)實踐能力,在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中起著關(guān)鍵的作用[1]。

隨著電子器件向小型化、集成化、低功耗發(fā)展,微型電子元器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子電力、通信、交通、國防、清潔能源等多個行業(yè)領(lǐng)域,其市場需求也呈現(xiàn)出快速增長趨勢。因此,以電子薄膜制備技術(shù)為主的微電子器件制備引起了如機械、能源、化工、計算機、通信、光電子、物理電子等多個學(xué)科學(xué)生的濃厚興趣。針對學(xué)生學(xué)科背景的差異,在設(shè)計電子薄膜實驗方案過程中力求工作原理簡單直觀、器件制備成功率較高、器件性能可靠性好并易于測試和表征。該項研究在薄膜傳感器實驗教學(xué)中通過改進課程設(shè)計,并根據(jù)學(xué)生的選擇申請變更或補充,使學(xué)生的學(xué)習(xí)由被動接受變?yōu)橹鲃舆x擇[2],提高學(xué)生對課程的興趣,強化學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能,為建立創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系奠定基礎(chǔ)。本文從實驗原理、實驗內(nèi)容、數(shù)據(jù)測試與分析及考核評價方式等方面詳細闡述了該實驗項目的創(chuàng)新設(shè)計。

1 實驗原理

實驗的目的是讓學(xué)生理解薄膜溫度傳感器的工作原理,熟悉電子薄膜制備的基本設(shè)備,了解真空的獲得和測量技術(shù),掌握蒸發(fā)和濺射鍍膜技術(shù),熟悉薄膜傳感器的圖形化工藝,掌握薄膜溫度傳感器性能表征及可靠性分析的方法,了解薄膜制備技術(shù)和圖形化工藝對器件性能的影響因素。

薄膜溫度傳感器測溫原理可以表述如下：當(dāng)兩種不同材料的導(dǎo)體組成閉合回路,導(dǎo)體兩端存在溫度梯度時,回路中就會有電流通過,此時兩端之間會產(chǎn)生熱電動勢,這就是塞貝克效應(yīng)。薄膜溫度傳感器正是利用賽貝克效應(yīng),制備兩種不同成分的均質(zhì)導(dǎo)體,兩種導(dǎo)體的結(jié)點置于溫度較高的熱端,溫度較低的冷端處于某個恒定的溫度下,通過儀表測量冷端產(chǎn)生的熱電動勢,并根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系得到熱端的溫度值。其工作原理如圖1所示。

標準的溫度傳感器熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系已經(jīng)明確并制成熱電偶分度表以供查詢轉(zhuǎn)換。在該實驗中,學(xué)生將采用不同的薄膜制備方法,分別采用不同的絕緣襯底(如硅片、石英、玻片、聚酰亞胺等),制備兩種不同的導(dǎo)體材料(如銅、銀、鋁、鎳、氧化銦錫(ITO)等),并通過硬質(zhì)掩膜完成器件的圖形化,形成薄膜溫度傳感器。傳感器冷端溫度設(shè)定為室溫,通過測量不同熱端溫度條件下傳感器所產(chǎn)生的電動勢,確定熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系。

課程設(shè)計充分考慮了不同學(xué)科學(xué)生背景知識的差異性,在前期的實驗原理介紹中增加了常識性內(nèi)容介紹,擴大學(xué)科覆蓋面,打破學(xué)系之間、專業(yè)之間、課程之間的界限,實現(xiàn)彼此協(xié)調(diào)融合,相互合作,共享資源[3]。同時,采用多媒體動畫等形象化教學(xué)方式[4-5]向?qū)W生展示真空泵的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和工作原理,真空計的結(jié)構(gòu)等,加深了學(xué)生對相關(guān)理論知識的理解。

圖1 薄膜溫度傳感器工作原理

2 薄膜溫度傳感器的制備

傳感器的制備過程主要分為以下兩個部分。

1)采用磁控濺射發(fā)制備導(dǎo)體薄膜A。學(xué)生分組后熟悉真空鍍膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及熟悉操作步驟,安裝靶材,將導(dǎo)體A的掩膜板固定于基片上,放置在靶材正上方,開啟真空系統(tǒng)并對真空進行測量。對基片加熱和預(yù)濺射后,開啟濺射電壓,濺射制備導(dǎo)體薄膜A。在制備過程中觀察輝光放電的產(chǎn)生和現(xiàn)象,并記錄真空度的變化。制備完成后,關(guān)閉真空系統(tǒng),取樣并測量導(dǎo)體薄膜A的電阻。通過實驗時同步的濺射原理介紹,引導(dǎo)學(xué)生觀察靶材和基片擺放位置,使學(xué)生對濺射的機理和基本過程有了直觀的理解。在固定硬質(zhì)掩膜形成圖形化過程中講解相關(guān)的半導(dǎo)體器件圖形化工藝,使學(xué)生對相關(guān)行業(yè)的具體工作獲得感性認識。

2)采用電阻式蒸發(fā)制備導(dǎo)體薄膜B。將導(dǎo)體B的掩膜板固定于基片上,調(diào)整位置使其與已經(jīng)制備的導(dǎo)體薄膜A形成清晰的結(jié)點。結(jié)合溫度傳感器的工作原理,使學(xué)生進一步明確制備工藝對器件性能可能造成的影響,從而更加明確在實驗過程中需要注意的實驗細節(jié)。將樣品和蒸發(fā)鍍料放入電阻式蒸發(fā)系統(tǒng),開啟真空系統(tǒng)并對真空進行測量。在實驗過程中記錄真空度隨時間的變化,并通過講授使學(xué)生初步掌握機械泵和擴散泵的工作原理。基片加熱后,逐漸增加加熱電流對鍍料進行加熱蒸發(fā),制備導(dǎo)體薄膜B。制備完成后,關(guān)閉真空系統(tǒng),取樣并測量導(dǎo)體薄膜B的電阻及整個器件的電阻。在介紹蒸發(fā)鍍膜時,將鎢蒸發(fā)舟及蒸發(fā)鍍料等實驗材料分發(fā)給學(xué)生傳遞并觀察,并打開真空腔體,帶領(lǐng)學(xué)生觀察鍍料和基片擺放位置,通過講解電阻加熱使鍍料熔融蒸發(fā),使學(xué)生對蒸發(fā)鍍膜的基本過程形成了客觀具體的印象。這種結(jié)合具體實驗場景對物理現(xiàn)象進行解釋,使得原本枯燥的課堂教學(xué)變得生動有趣,增加了學(xué)生的興趣。

傳感器制備完成后,利用光學(xué)顯微鏡觀察傳感器表面形貌和結(jié)構(gòu),使學(xué)生對電子薄膜的致密度、微觀缺陷、厚度分布及均勻性獲得直觀的認識。通過對導(dǎo)體薄膜A和B的形貌進行對比,獲得了解蒸發(fā)和濺射兩種薄膜制備方法的特點和差異。通過對比可以加深學(xué)生對薄膜制備過程和制備原理的理解,實現(xiàn)將書本上的理論知識與具體實踐緊密結(jié)合。

3 數(shù)據(jù)測試與分析

采用熱烘槍在產(chǎn)生局部100～280℃的不同溫度,對所制備的薄膜溫度傳感器中導(dǎo)體薄膜A與薄膜B的結(jié)點處 (即熱端)進行加熱。同時采用數(shù)字電表的探針分別與導(dǎo)體薄膜A與薄膜B的另一端 (即冷端)相連,對產(chǎn)生的熱電動勢進行測量。同時通過室內(nèi)溫度計讀取室溫以計算熱端和冷端的溫差?？疾鞂鞲衅鳠犭妱觿蓦S溫度的變化情況,并通過查閱相關(guān)資料獲得材料的賽貝克系數(shù),計算不同溫度下傳感器所應(yīng)產(chǎn)生的標準電動勢。兩組數(shù)據(jù)進行對比分析傳感器性能偏離理想狀況的程度,并結(jié)合薄膜制備過程及圖形化過程中的各個環(huán)節(jié)分析傳感器制備技術(shù)對其性能的影響。搭建的測試平臺如圖2所示。

圖2 薄膜溫度傳感器熱電動勢測試系統(tǒng)

在以往的薄膜傳感器實驗中,由于學(xué)生對設(shè)備操作的不熟悉,在實驗各個環(huán)節(jié)容易失誤等因素,導(dǎo)致制備的器件性能很不穩(wěn)定,甚至失效,器件性能測試分析環(huán)節(jié)無法有效地開展,影響了學(xué)生的興趣和熱情。而薄膜溫度傳感器最大的特點是器件性能容差性較高,不同組的學(xué)生測量獲得了導(dǎo)體薄膜A和B的電阻,盡管每組的測量值都存在一定的差異 (一般電阻值在80～110Ω之間),但只要兩種導(dǎo)體薄膜在結(jié)點處形成有效連通,即使薄膜的均勻性和附著力較差,在后續(xù)的熱電動勢測量過程中,只要保證冷端的溫度在室溫附近,而熱端的溫度在采用熱烘槍進行加熱一段時間后達到平衡,仍然能夠觀測到穩(wěn)定的熱電動勢輸出。這樣的設(shè)計大大增強了學(xué)生對實驗的興趣。同時在實驗教學(xué)過程中,啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維,通過構(gòu)建實驗小組的方式鼓勵學(xué)生與老師、學(xué)生與學(xué)生之間互動,實現(xiàn) “教-學(xué)-做”一體化[6],使學(xué)生在領(lǐng)悟知識的基礎(chǔ)上進一步創(chuàng)新。由于不同組之間所選擇的導(dǎo)體材料和襯底不同,最后所制備的薄膜傳感器的性能也會存在差異。通過對比性能并結(jié)合器件物理理論分析原因,可以更好地加深對溫度傳感器熱電動勢形成的物理機制的理解。在此基礎(chǔ)上,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維,鼓勵學(xué)生結(jié)合現(xiàn)實生活和工業(yè)生產(chǎn)中存在的技術(shù)需求,提出薄膜溫度傳感器可能應(yīng)用的領(lǐng)域及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和性能的改進方案[7],以實際應(yīng)用為中心,在老師的引導(dǎo)下,學(xué)生通過獨立思考、討論、交流等形式,對器件設(shè)計進行思考和創(chuàng)新[8-9]。這種問題驅(qū)動和案例教學(xué)相結(jié)合的方式對培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、分析和解決問題的能力獨立思考能力和邏輯思維能力非常有效,并在實踐中取得了較好的教學(xué)效果。

實驗教學(xué)實踐中學(xué)生獲得的實驗數(shù)據(jù)如圖3所示?？梢钥闯?薄膜溫度傳感器的性能非常穩(wěn)定,電動勢隨溫差的變化線性度很高。

圖3 薄膜溫度傳感器熱電動勢隨溫差的變化

通過上述教學(xué)方式的改進,不僅增加了學(xué)生對課程的興趣,而且培養(yǎng)了學(xué)生利用知識進行創(chuàng)新型思考的能力,使得學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐能力得到了較好的鍛煉和培養(yǎng)。

4 考核評價體系

為鼓勵學(xué)生的創(chuàng)新精神,我們也對實驗課程的考核評價體系進行了相應(yīng)的改革。在實驗任務(wù)書中淡化實驗步驟要求,鼓勵學(xué)生自行思考,大膽提問,勇于重新設(shè)計實驗方案。鼓勵學(xué)生進行探索實踐,緊密結(jié)合相關(guān)產(chǎn)業(yè)和行業(yè)研發(fā)熱點,設(shè)計巧妙但難度較大的實驗方案給予更高的分數(shù)加權(quán),在保障實驗教學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在最終的實驗結(jié)果考核時,通過學(xué)生自評,小組互評,教師評價,對實驗完成效果及實施的過程進行多維度的綜合評價[10-11]。在實驗講述過程中,鼓勵學(xué)生對現(xiàn)有的實驗裝置進行技術(shù)改造和升級,以及參與編寫新的實驗項目大綱和實驗指導(dǎo)書[12]。對于實驗中出現(xiàn)的部分異常實驗現(xiàn)象,列出解決異常問題需要查閱的參考資料,讓學(xué)生通過查閱資料,觀看相關(guān)課件及相互交流來解決問題[13]。通過這樣的方式,進一步突出了學(xué)生的主體作用。教師在介紹基本方法和概念,監(jiān)督操作規(guī)范性之余,更多是積極鼓勵學(xué)生進行創(chuàng)新性思考[14],提高了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

通過實驗設(shè)計的改革,使學(xué)生掌握了電子薄膜及元器件制備的主要方法,了解了薄膜器件性能的主要測試手段以及薄膜結(jié)構(gòu)與性能的聯(lián)系,從而使學(xué)生對整個電子薄膜的制備、測試分析和性能表征獲得了較為全面的認識。同時通過與產(chǎn)業(yè)行業(yè)發(fā)展實際相結(jié)合,改善實驗教學(xué)與社會實際應(yīng)用脫節(jié)的現(xiàn)象,并且培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力,提高學(xué)生適應(yīng)社會能力以及就業(yè)能力。

5 結(jié)束語

為滿足多學(xué)科學(xué)生對微電子薄膜器件制備技術(shù)的興趣,對薄膜制備技術(shù)實驗課程的設(shè)計和教學(xué)方式進行了創(chuàng)新,運用多種薄膜制備技術(shù)及圖形化方法,鼓勵學(xué)生創(chuàng)新性設(shè)計具體實驗方案,制備薄膜溫度傳感器。并通過對溫度傳感器性能的測試表征加強對器件物理理論的理解。實踐表明實驗教學(xué)效果良好,吸引了不同學(xué)科背景學(xué)生的興趣和關(guān)注。學(xué)生對實驗課的態(tài)度也更加積極,綜合實驗?zāi)芰τ辛嗣黠@提高,創(chuàng)新思維更加活躍。

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