吳海飛 余國祥 俞立先 梁奇鋒 方澤波 高曉輝 李春鶴 張麗英

(紹興文理學(xué)院 數(shù)理信息學(xué)院，浙江 紹興 312000)

0 引言

分子束外延(英文縮寫為“MBE”)作為一種高端制膜技術(shù)，可實現(xiàn)原子級精確可控的超薄單晶及量子結(jié)構(gòu)的生長，是目前半導(dǎo)體功能材料的主要制備手段之一，推動了以超薄層微結(jié)構(gòu)材料為基礎(chǔ)的新一代半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對于集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要[1-4].該技術(shù)的學(xué)習與實踐對物理、微電子等專業(yè)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)作用顯著.然而，分子束外延設(shè)備價格昂貴、實驗周期長、零失誤的操作要求等，致使分子束外延技術(shù)很難在本科生教學(xué)中普及.隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)近年來被不斷引入到高校實驗教學(xué)中[5-8].教育部先后出臺[2012]5號文件《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》和[2018]6號文件《教育信息化2.0行動計劃》，強調(diào)了教育信息化的重要性[9-11].我校以“物理與電子省重點建設(shè)實驗示范中心”“浙江省物理實驗教學(xué)示范中心”為平臺，利用浙江省高校高水平創(chuàng)新團隊多年來的科研積淀，依托本校浙江省特聘專家及軟件制作團隊，以分子束外延實體設(shè)備為參考，自主開發(fā)了國內(nèi)首個分子束外延制備薄膜虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng).

1 分子束外延制備薄膜虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)介紹

1.1 技術(shù)手段

分子束外延制備薄膜虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)以實體設(shè)備為參考，如圖1所示.利用3D MAX建模技術(shù)，U3D仿真軟件和UNITY WEBGL增強現(xiàn)實等行業(yè)最新的現(xiàn)代化信息技術(shù)，逼真再現(xiàn)了分子束外延制備薄膜(包括烘烤獲得超高真空、基底準備、進樣、傳樣、基底原位清潔、源束流定標、RHEED實時監(jiān)測下薄膜外延生長)的整個實驗過程，提供了三維沉浸式仿真實驗場景，并利用Post-Processing和Highlighting System等技術(shù)實現(xiàn)了高度完善的烘焙效果與光影渲染.特別設(shè)計了半透明顯示模式，在該模式下學(xué)生可通過旋轉(zhuǎn)縮放，多角度、多層次觀察腔體內(nèi)部各部件間的協(xié)同操作過程，使實驗過程更形象直觀.基底清潔過程中雜質(zhì)原子擴散與脫附演示、薄膜沉積過程動畫展示，生動展現(xiàn)了無法直接觀察的微觀物理過程，加深了學(xué)生對物理機理的理解.利用控制變量法仿真不同生長溫度、源束流強度下外延薄膜的RHEED實時位監(jiān)測結(jié)果，再現(xiàn)了真實科研實驗過程.

圖1 (a)分子束外延實體設(shè)備;(b)分子束外延虛擬仿真設(shè)備;(c)反射高能電子衍射(RHEED)實時監(jiān)測下外延制備薄膜3D虛擬仿真圖

1.2 實驗內(nèi)容和教學(xué)方法

本實驗構(gòu)建了實驗預(yù)習、基礎(chǔ)性實驗、設(shè)計性實驗、創(chuàng)新性實驗四大遞進式實驗?zāi)K，如圖2所示.課外，要求學(xué)生在任務(wù)卡指引下學(xué)習相關(guān)基礎(chǔ)知識，觀看介紹視頻和引導(dǎo)視頻，了解實驗內(nèi)容、實驗要求、實驗?zāi)康?、實驗注意事項，掌握分子束外延的基本原理及基礎(chǔ)知識，并完成預(yù)習闖關(guān)題.課內(nèi)，要求學(xué)生在3D沉浸式分子束外延虛擬仿真實驗系統(tǒng)中，通過基礎(chǔ)性實驗?zāi)K的超高真空獲得和單質(zhì)Sn薄膜制備環(huán)節(jié)的操作實踐，學(xué)會獲得清潔基底表面、獲得超高真空的方法，掌握分子束外延制備薄膜的基本操作流程并學(xué)會利用反射高能電子衍射(RHEED)結(jié)果分析外延薄膜的生長模式、表面結(jié)構(gòu)、生長速率.在此基礎(chǔ)上，要求實驗小組在給定的實驗材料、實驗條件及具體要求下，協(xié)力完成復(fù)雜化合物PbTe薄膜制備方案的設(shè)計并進行實驗方案的虛擬仿真，培養(yǎng)學(xué)生針對一定復(fù)雜的問題，能通過團隊合作開展分析、調(diào)研、尋求問題解決方法、探究實驗方案優(yōu)化設(shè)計的綜合能力.對于優(yōu)秀學(xué)生，將選拔進入創(chuàng)新性實驗?zāi)K的“虛實結(jié)合科研實踐”，進行進一步的課余拓展.此模塊中學(xué)生將重新自主組隊，每個小組自主擬定課題，進行文獻調(diào)研，完成文獻綜述、實驗設(shè)計方案，并遞交系統(tǒng)，教師進行線上線下點評，優(yōu)化實驗設(shè)計方案，并指導(dǎo)學(xué)生進行實體實驗.小組整理實驗數(shù)據(jù)，教師對實驗數(shù)據(jù)綜合分析，并指導(dǎo)撰寫科研論文，選拔優(yōu)異小組申報大學(xué)生科技創(chuàng)新項目，參加挑戰(zhàn)杯、科技創(chuàng)新競賽等.整個實驗過程采用了“課前線上、課內(nèi)線上線下、課余線下”形式多樣、豐富多彩的混合實驗教學(xué)模式，以任務(wù)為驅(qū)動、問題為導(dǎo)向的團隊協(xié)作互動式實驗教學(xué)方法，充分體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”教學(xué)理念.

圖2 遞進式實驗?zāi)K示意圖

1.3 實驗評價體系

為提高學(xué)生學(xué)習的主動性和積極性，實驗采用了闖關(guān)晉級遞進式過程性評價方式，系統(tǒng)對每個實驗?zāi)K的操作軌跡均進行即時記錄與評分，且設(shè)定了晉級要求，達到晉級要求后，系統(tǒng)將自動提示成功晉級，否則要求重做此模塊實驗，學(xué)生可在主界面的過程性評價欄目中點擊查看每個實驗?zāi)K具體的得失分情況，以便進行目標性糾錯.實驗成績由實驗預(yù)習、基礎(chǔ)性實驗、設(shè)計性實驗和實驗報告四大部分構(gòu)成，各部分成績均采用百分制和加權(quán)系數(shù)計分，總成績≤100分.具體為：

(1)實驗預(yù)習(100分，加權(quán)系數(shù)13.5%).系統(tǒng)對預(yù)習模塊中每個知識點根據(jù)內(nèi)容難易程度設(shè)置了在線學(xué)習時間，即時跟蹤記錄學(xué)生的學(xué)習軌跡并計分，預(yù)習相關(guān)任務(wù)及基礎(chǔ)知識學(xué)習共計50分，系統(tǒng)自動提示尚未操作(學(xué)習)的任務(wù).系統(tǒng)隨機抽取的10道預(yù)習闖關(guān)題，每題5分，共計50分.預(yù)習模塊成績≥85分者，可晉級到基礎(chǔ)性實驗?zāi)K.

(2)基礎(chǔ)性實驗(100分，加權(quán)系數(shù)40.5%).基礎(chǔ)性實驗?zāi)K中超高真空獲得設(shè)置了10項任務(wù)、6個關(guān)鍵性問題；單質(zhì)Sn薄制備設(shè)置了15項任務(wù)、5個關(guān)鍵性問題.根據(jù)難易及復(fù)雜程度，對各個任務(wù)和問題給定了分數(shù)和評分標準.基礎(chǔ)性實驗?zāi)K成績≥75分者，可晉級到設(shè)計性實驗?zāi)K.

(3)設(shè)計性實驗(100分，加權(quán)系數(shù)36%).小組在系統(tǒng)中遞交PbTe薄膜制備方案后，系統(tǒng)自動測評設(shè)計方案步驟的完整性和邏輯性(20分)；組間線上互評設(shè)計方案(30分)；教師線上線下點評設(shè)計方案(50分).

(4)實驗報告(100分，加權(quán)系數(shù)10%).實驗報告要求包括實驗?zāi)康摹嶒炘?、實驗儀器、實驗內(nèi)容和步驟、實驗結(jié)果討論與分析，并敘述實驗過程中遇到的問題及相應(yīng)解決問題的方法.

2 實驗項目特色

2.1 產(chǎn)教融合得到有效落實

分子束外延技術(shù)是具有操控原子尺度體系的先進技術(shù)，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)具有巨大的應(yīng)用潛力，已逐步成為高新技術(shù)企業(yè)制備先進材料的一種重要手段.本實驗室所處的紹興市，目前是浙江省集成電路產(chǎn)業(yè)的布局地，正努力成長為除南京外長三角另一個集成電路制造中心.預(yù)計到2025年，紹興市集成電路產(chǎn)業(yè)將形成1000億產(chǎn)值，成為國家級集成電路產(chǎn)業(yè)園示范區(qū).目前集成電路標桿企業(yè)中芯國際投資建設(shè)的芯片制造及封裝測試生產(chǎn)基地已經(jīng)投產(chǎn)，其他先進半導(dǎo)體制造企業(yè)如長電科技等都在不斷入駐，代表著紹興市已經(jīng)具備了國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流的集成電路產(chǎn)業(yè)生態(tài)，未來對相關(guān)產(chǎn)業(yè)人才的缺口極大.本項目作為我校和中芯(紹興)共建集成電路產(chǎn)業(yè)學(xué)院的一項特色內(nèi)容，今年已經(jīng)開展首批80多名中芯工程師的分子束外延技術(shù)培訓(xùn)，教學(xué)內(nèi)容的先進性和實用性得到了企業(yè)的肯定.雙方按協(xié)議每年將繼續(xù)培訓(xùn)員工達300人次左右，未來還將共同開發(fā)多門集成電路制造的虛擬仿真課程.通過本項目的教學(xué)，也幫助物理、微電子以及新能源材料與器件等專業(yè)學(xué)生初步掌握了解先進半導(dǎo)體材料制備的能力，其素質(zhì)的提升為學(xué)生未來發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ).本實驗項目突破了傳統(tǒng)封閉式教學(xué)的缺陷，通過虛擬仿真的教學(xué)方式將前沿的教學(xué)內(nèi)容向先進研發(fā)企業(yè)推送并服務(wù)于企業(yè)員工培訓(xùn)和亟須人才的培養(yǎng)，同時課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置和優(yōu)化也不斷得到企業(yè)的反饋指導(dǎo)，使產(chǎn)教融合的理念真正落實到了具體的教學(xué)活動中.

2.2 實驗項目建設(shè)可持續(xù)拓展

為使本實驗項目在形式和內(nèi)容、深度與廣度上不斷突破并擴大其影響力，真正做到實驗的可持續(xù)改進，我們在教學(xué)系統(tǒng)中搭建了共建共享的分子束外延材料數(shù)據(jù)庫平臺，該平臺以“半導(dǎo)體元素”“半導(dǎo)體材料”為“窗口按鈕”，通過開源共建的方式，集企業(yè)、高校與科研院所等多方自愿共享的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，附文獻鏈接等方式方便相關(guān)從業(yè)研究者快速精準獲得MBE薄膜制備經(jīng)驗參數(shù)，促進行業(yè)技術(shù)人員與科研工作者間的交流，加快技術(shù)創(chuàng)新，有助于產(chǎn)、學(xué)、研交叉融合.

3 實驗項目建設(shè)效果

分子束外延制備薄膜虛擬仿真實驗項目目前為我校物理學(xué)專業(yè)“低維材料實驗”、微電子科學(xué)與工程專業(yè)“集成電路工藝實驗”、新能源材料與器件專業(yè)“新能源材料與器件組裝”課程的必修實驗.自實驗開展以來，本校學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量得到了顯著提高，基于分子束外延薄膜制備，本校相關(guān)專業(yè)本科生已獲國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃4項，省級科研項目2項，以學(xué)生一作發(fā)表核心期刊及以上科研論文3篇，其中SCII區(qū)論文一篇，在各類學(xué)科競賽中獲省級獎項多項.2019年該項目獲浙江省“十三五”高校虛擬仿真實驗教學(xué)項目的支持，完成了分子束外延制備薄膜虛擬仿真實驗在線教學(xué)平臺建設(shè)，面向高校及企業(yè)共享開放，應(yīng)用過程中取得了良好的效果，展現(xiàn)出顯著的示范引領(lǐng)作用.實驗系統(tǒng)受到了國內(nèi)高校分子束外延專家、半導(dǎo)體行業(yè)專家、分子束外延設(shè)備制造專家的一致好評.

4 展望與規(guī)劃

4.1 持續(xù)建設(shè)與更新

(1)拓展項目內(nèi)容.在現(xiàn)有軟件基礎(chǔ)上，開發(fā)X光電子能譜(XPS)、紫外光電電子能譜(UPS)等薄膜原位測試功能模塊；聚焦前沿科研進展，不斷完善分子束外延薄膜制備數(shù)據(jù)庫；針對企業(yè)工程師用戶需求，開發(fā)操作進階模塊.

(2)提升用戶體驗.根據(jù)高校師生和企業(yè)的使用反饋，調(diào)整和優(yōu)化界面，綜合應(yīng)用人機交互、人工智能和智能三維重建技術(shù)，提升學(xué)習的便捷性和交互性，提高項目的趣味性和挑戰(zhàn)性.

(3)優(yōu)化項目平臺.保障虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的穩(wěn)定性，根據(jù)推廣計劃進行服務(wù)器升級和帶寬擴容，以滿足多班級大量用戶的并發(fā)訪問.

4.2 面向高校的教學(xué)推廣應(yīng)用計劃

(1)共建共享.省內(nèi)高校如浙江大學(xué)、湖州師范學(xué)院在分子束外延科研和教學(xué)上與本團隊有著緊密的合作和聯(lián)系，在項目的開發(fā)中給出了寶貴的反饋意見.目前項目成果已在這些學(xué)校應(yīng)用，今后將用于更多專業(yè)和班級的教學(xué).

(2)共享共用.分子束外延虛擬仿真實驗可滿足國內(nèi)多所高校的微電子、材料等專業(yè)對分子束外延實驗的本科教學(xué)需求.通過共享與開放，既有助于相關(guān)學(xué)校創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，又能促進本項目的持續(xù)完善.

(3)交流推廣.通過舉辦交流研討會等形式，與兄弟院校探討項目建設(shè)思路、經(jīng)驗和成果，推廣和優(yōu)化虛擬仿真教學(xué)資源.

4.3 面向社會的推廣與持續(xù)服務(wù)計劃

以中芯國際(紹興)培訓(xùn)合作為示范，圍繞分子束外延虛擬仿真實驗，針對企業(yè)生產(chǎn)需求，拓展相關(guān)模塊，打造更受歡迎的工程師培訓(xùn)服務(wù)，進而推廣本項目至更多的長三角集成電路產(chǎn)業(yè)中心.通過在多個高校和企業(yè)的教學(xué)和培訓(xùn)推廣，舉辦高校和企業(yè)共同參與的應(yīng)用交流會，促進校校合作、校企交流和產(chǎn)研融合，使所在省重點實驗教學(xué)示范中心成為國內(nèi)分子束外延虛擬仿真實驗的教學(xué)和學(xué)術(shù)交流中心.今后5年內(nèi)預(yù)計服務(wù)人數(shù)將達4萬人次.