楊爽　金偉　周靜

［摘 要］ 對焦國家中國芯開發(fā)戰(zhàn)略，自主設(shè)計開發(fā)光刻-刻蝕虛擬仿真實驗。實驗以芯片生產(chǎn)過程中的光刻-刻蝕工藝作為代表，通過虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行設(shè)備建模、光路模擬、微觀粒子運動演示等，將無法觸及的設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的光刻-刻蝕工藝影響、轉(zhuǎn)瞬即逝的微觀實驗現(xiàn)象直觀化展示給實驗者，利用“練習(xí)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(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)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(yǎng)打下基礎(chǔ)。

［關(guān)鍵詞］ 光刻-刻蝕；虛擬仿真；實驗設(shè)計；教學(xué)改革

［基金項目］ 2022年度武漢理工大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目“材料物理實習(xí)課程教學(xué)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(xué)基金杰出青年基金“復(fù)合介質(zhì)材料高頻介電損耗的界面序構(gòu)調(diào)控”（2021CFA067）；2022年湖北省教育廳國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃（省級）“Cu3Mo2O9/MoO3p-n異質(zhì)結(jié)納米復(fù)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(xué)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(yīng)研究；周 靜（1970—），女，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，博士，武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授（通信作者），主要從事介電、壓電、鐵電功能陶瓷及其復(fù)合材料研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)是實現(xiàn)圖案從掩膜版向特定基底轉(zhuǎn)移的精密加工技術(shù)，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(lǐng)域中均有涉及，具有廣泛的適用性［1-2］。然而，光刻-刻蝕相關(guān)設(shè)備昂貴、維護(hù)成本高昂、加工環(huán)境要求苛刻，難以在高校中開展實踐教學(xué)［3-4］。僅通過理論教學(xué)，學(xué)生無法充分了解設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)及抽象運行過程，不能體驗工藝過程對結(jié)果的復(fù)雜影響［5］。

利用虛擬仿真技術(shù)可以將無法觸及的設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、抽象復(fù)雜的光刻原理和刻蝕原理、轉(zhuǎn)瞬即逝的微觀實驗現(xiàn)象、工藝流程、操作技能等，以沉浸式、交互式的形式，準(zhǔn)確、生動、形象地展現(xiàn)出來，便于學(xué)生對知識的掌握［6-8］。立足學(xué)科優(yōu)勢，對接武漢光谷萬億級光電子產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展對半導(dǎo)體相關(guān)行業(yè)人才的培養(yǎng)需求，基于“固體物理”“半導(dǎo)體物理與器件”“新能源材料與技術(shù)”等理論課程教學(xué)內(nèi)容與實踐需求，武漢理工大學(xué)開展了光刻-刻蝕虛擬仿真實驗建設(shè)。本文將從實驗總體設(shè)計思路、實驗對學(xué)生的要求、實驗內(nèi)容設(shè)計和實驗特色三方面闡述光刻-刻蝕虛擬仿真實驗的設(shè)計情況，并對其實施后對教學(xué)的影響進(jìn)行分析。

一、實驗設(shè)計

（一）實驗總體設(shè)計思路

首先，了解虛擬仿真實驗的受眾，明確相關(guān)基礎(chǔ)理論課程對實驗的需求焦點，從而合理設(shè)計實驗內(nèi)容，實現(xiàn)理論與實踐的結(jié)合［9］。具有相關(guān)學(xué)科理論知識背景的實驗者，能夠掌握典型半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)和材料制備加工基本技能，但缺少實踐經(jīng)驗，無法真正理解光刻-刻蝕具體加工過程及相關(guān)影響因素。因此，本實驗一方面設(shè)計了工廠漫游環(huán)節(jié)，讓實驗者能夠?qū)Π雽?dǎo)體相關(guān)背景及加工全過程形成感性認(rèn)識；另一方面，在虛擬仿真實驗中設(shè)置了不同的實驗情境，允許實驗者試錯并觀察實驗結(jié)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(jié)果的影響情況。對于相關(guān)學(xué)科理論知識薄弱的學(xué)生，通過實驗原理、設(shè)備拆解、考試等功能板塊的有機結(jié)合，使實驗者能夠通過實驗平臺學(xué)習(xí)光刻-刻蝕的基本原理知識、技術(shù)要求、設(shè)備結(jié)構(gòu)，并能隨時對知識的掌握情況進(jìn)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(fù)雜。本實驗去掉不同器件制程中的重復(fù)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(xùn)教學(xué)的主要內(nèi)容，著重考查學(xué)生對典型設(shè)備、工藝、原理、影響因素的掌握與靈活運用情況，以及對結(jié)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(shè)計2～4課時為宜。實驗還設(shè)計了“練習(xí)模式”和“考試模式”，使得實驗者可以有練習(xí)過程，根據(jù)自身需求充分探索，又能夠減少后臺數(shù)據(jù)運行負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)保存質(zhì)量。

（二）實驗面向?qū)W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(xué)生，要求學(xué)生較系統(tǒng)的完成“固體物理”“半導(dǎo)體物理與器件”“半導(dǎo)體制造技術(shù)”“新能源材料與器件”等專業(yè)理論課程的學(xué)習(xí)，已掌握晶體材料制備與改性、半導(dǎo)體器件的基本理論，掌握材料制備的基本方法、典型設(shè)備結(jié)構(gòu)與工作原理、材料或器件的表征及應(yīng)用，對晶體材料“組成—結(jié)構(gòu)—電學(xué)性能”之間基本關(guān)系也有一定認(rèn)識。

（三）實驗內(nèi)容設(shè)計

1.“練習(xí)模式”與“考試模式”。在進(jìn)入實驗頁面時，系統(tǒng)會提示實驗者選擇“練習(xí)模式”或“考試模式”。在“練習(xí)模式”下，實驗者可自由挑選某一步驟學(xué)習(xí)，錯誤操作不計入最終實驗分?jǐn)?shù)且系統(tǒng)會給出提示與解析，給予實驗者即時反饋。實驗者在“練習(xí)模式”下充分嘗試并體驗不同實驗情境，了解相關(guān)工藝的要求以及參數(shù)設(shè)置對結(jié)果的影響，從而在探索中學(xué)習(xí)、總結(jié)。在“考試模式”下，實驗者只能按照正確步驟開展實驗，系統(tǒng)不再給出具體錯誤提示與解析，系統(tǒng)僅記錄實驗者操作情況并給出相應(yīng)分?jǐn)?shù)，生成實驗報告，作為實驗學(xué)習(xí)結(jié)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(jìn)行充分的實驗探索。而這兩種模式充分發(fā)揮了虛擬仿真實驗的便捷性與安全性優(yōu)勢，為實驗者提供個性化的學(xué)習(xí)選擇，“實驗?zāi)Ｊ健痹试S實驗者充分探索，在不同實驗情境中觀察實驗現(xiàn)象，從而直觀了解工藝對實驗結(jié)果的影響，分析、總結(jié)實踐經(jīng)驗，便于及時查缺補漏；“考試模式”允許實驗者檢驗學(xué)習(xí)成果，反饋學(xué)習(xí)情況。

2.實驗內(nèi)容設(shè)計。在實驗的內(nèi)容設(shè)計中，重點在于讓學(xué)生明確光刻-刻蝕工藝作用，掌握正、負(fù)膠選取原則，理解光刻-刻蝕工藝的影響因素，讓實驗者在進(jìn)行芯片性能分析、改善與設(shè)計過程中能夠有意識地將相關(guān)因素納入考量，為后續(xù)實踐與工作創(chuàng)新打下基礎(chǔ)。以涂膠步驟為例，實驗系統(tǒng)為實驗者提出光刻膠目標(biāo)厚度、掩膜版與目標(biāo)圖形圖案等要求，實驗者根據(jù)要求選擇光刻膠種類、黏度、涂膠工藝參數(shù)等內(nèi)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(dǎo)致實驗失敗。

對準(zhǔn)曝光是光刻工藝中的重要過程，涉及的知識點包括對準(zhǔn)曝光的作用、光源與關(guān)鍵尺寸（CD）分辨率之間的對應(yīng)關(guān)系、曝光劑量對光刻結(jié)果的影響等。為使實驗者直觀看到光刻機的對準(zhǔn)曝光過程，系統(tǒng)搭建光刻機模型并呈現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)機器運行時光路變化等細(xì)節(jié)，彌補了傳統(tǒng)理論或?qū)嵺`教學(xué)方式難以將微觀、瞬時過程及設(shè)備運行機制展現(xiàn)出來的缺憾。系統(tǒng)在此設(shè)置了兩個考察點：一是實驗者需要根據(jù)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(fù)膠留膜率與曝光劑量關(guān)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(dǎo)致實驗失敗。

在實際生產(chǎn)中，光刻是制程中唯一可返廠的工藝，系統(tǒng)模擬實際生產(chǎn)中的光刻結(jié)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?qū)嶒炚卟僮鞑煌尸F(xiàn)不同結(jié)果，如正常、浮膠、針孔等。若選擇返廠，系統(tǒng)回到第一個步驟重新開始實驗；若選擇不返廠，則進(jìn)行刻蝕步驟并根據(jù)刻蝕后圖案結(jié)果的正確性給出相應(yīng)分?jǐn)?shù)。晶圓圖案檢查是本實驗的難點，實驗者要綜合利用所學(xué)知識，準(zhǔn)確地評價結(jié)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(guān)性的認(rèn)識，在實踐中學(xué)會考慮芯片性能分析與芯片工藝設(shè)計相關(guān)因素間的關(guān)系，從而具備進(jìn)一步進(jìn)行芯片設(shè)計、開發(fā)的創(chuàng)新能力。

（四）教學(xué)方法與實驗方法

教學(xué)過程中，教師有機結(jié)合各種教學(xué)新形式，綜合運用講授法、討論法、練習(xí)法、啟發(fā)法等教學(xué)方法，推進(jìn)實驗各階段有序進(jìn)行。例如，同時利用武漢理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺進(jìn)行授課，提供線下VR設(shè)備體驗，進(jìn)一步提高學(xué)生沉浸感，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)生理解實驗原理，方便學(xué)生充分觀察、體驗實驗過程，提高學(xué)生的思考、總結(jié)能力。

二、實驗特色

（一）問題導(dǎo)向的綜合性實驗

實驗屬于綜合性實驗，以問題為導(dǎo)向進(jìn)行實驗設(shè)計，推進(jìn)實驗者實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［10］。系統(tǒng)隨機設(shè)置晶圓污染情況、光刻膠厚度、目標(biāo)圖案形狀、尺寸、待刻蝕物質(zhì)等實驗情景和實驗?zāi)繕?biāo)，學(xué)生實驗過程不同，結(jié)果也不同。著重考查學(xué)生對知識的掌握與靈活運用能力，以及對結(jié)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(fā)學(xué)習(xí)興趣

實驗設(shè)置的“練習(xí)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(jù)所學(xué)知識分析問題并找到原因。不同實驗情境和隨機設(shè)置的實驗問題增加了實驗過程中的挑戰(zhàn)度，激發(fā)了實驗者的學(xué)習(xí)興趣，這也是本實驗的亮點［11］。

（三）教學(xué)指引完善，易上手

實驗過程中，有必要的操作指引與明確標(biāo)識，使實驗者能夠順利進(jìn)行實驗。此外，教學(xué)引導(dǎo)視頻、在線咨詢、論壇、系統(tǒng)操作提示等教學(xué)指導(dǎo)資源豐富，方便實驗者快速理解實驗內(nèi)容，上手學(xué)習(xí)。此外，用游戲的體驗方式開展實驗，有芯片輸送機器人和導(dǎo)航機器人進(jìn)行晶圓運送和相關(guān)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(xùn)軟件生硬的操作體驗，提高了用戶認(rèn)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(chǎn)場景細(xì)節(jié)。如：加設(shè)天車系統(tǒng)、布置通風(fēng)口，以及不同的設(shè)備對燈光要求不同，光刻機、顯影機、清洗機等要放在黃光區(qū)，離子刻蝕機放在白光區(qū)，并且光刻機要單獨隔離。設(shè)備、工廠模型仿真設(shè)計，參考真實設(shè)備外部及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，仿真模擬設(shè)備的輸入面板，設(shè)備運行參考真實設(shè)備運行規(guī)律，綜合運用Unity3D、3D Studio Max、Visual Studio等技術(shù)手段，提高場景的可觀性與真實性，進(jìn)而確保實驗者在設(shè)備操作過程中的沉浸感。此外，對于微觀、瞬時的實驗現(xiàn)象，利用模型法通過獨立畫中畫進(jìn)行放大展示，生動直觀。

三、實驗實施對教學(xué)的影響

一方面，光刻-刻蝕虛擬仿真實驗及時補充相關(guān)教學(xué)資源，豐富課堂教學(xué)模式。另一方面，相比于線下實驗過程難以記錄、評價依據(jù)單一的問題，虛擬仿真實驗系統(tǒng)可以通過隨機考試、實驗實訓(xùn)、實驗報告等實現(xiàn)多角度考核，評價體系更加完善［13］。教師可從后臺監(jiān)督學(xué)生的實驗情況，并隨時調(diào)取信息以便后續(xù)教學(xué)結(jié)果分析與改進(jìn)。此外，教學(xué)資源及信息管理便捷、高效，便于進(jìn)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(jīng)對接“實驗空間—國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享服務(wù)平臺”，實驗面向社會開放使用，目前已有萬余訪問量，校內(nèi)外受益使用者近千人，4所高校依托本實驗系統(tǒng)進(jìn)行課程教學(xué)，我校依托該項目與其他高校間積極開展相關(guān)教學(xué)交流。

結(jié)語

本文設(shè)計的光刻-刻蝕虛擬仿真實驗立足學(xué)校學(xué)科優(yōu)勢，對接社會相關(guān)行業(yè)人才需求，利用虛擬仿真技術(shù)將無法觸及的設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，復(fù)雜的光刻-刻蝕工藝影響，轉(zhuǎn)瞬即逝的微觀實驗現(xiàn)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(zhǔn)確、生動、形象地展現(xiàn)出來，解決了高校中由于設(shè)備昂貴、數(shù)量稀少、場地及環(huán)境條件等因素限制而無法開展相關(guān)實驗的問題。該實驗通過問題導(dǎo)向和探究式體驗激發(fā)實驗者的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)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(guān)教學(xué)資源，豐富了課堂教學(xué)模式，具有良好的實用性與開發(fā)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