光刻-刻蚀虚拟仿真实验的设计与实施
杨爽金伟周静
［摘要］对焦国家中国芯开发战略，自主设计开发光刻-刻蚀虚拟仿真实验。实验以芯片生产过程中的光刻-刻蚀工艺作为代表，通过虚拟仿真技术进行设备建模、光路模拟、微观粒子运动演示等，将无法触及的设备内部结构、复杂的光刻-刻蚀工艺影响、转瞬即逝的微观实验现象直观化展示给实验者，利用“练习模式”和“考试模式”让实验者充分开展实验探索，通过不同模拟情境激发学生学习兴趣。实验解决了光刻-刻蚀实验在高校难以开展的问题，为综合型人才培养打下基础。
［关键词］光刻-刻蚀；虚拟仿真；实验设计；教学改革
［基金项目］2022年度武汉理工大学教育教学改革研究项目“材料物理实习课程教学体系和运行模式研究与实践”（W2022004）；2021年湖北省科技厅湖北省自然科学基金杰出青年基金“复合介质材料高频介电损耗的界面序构调控”（2021CFA067）；2022年湖北省教育厅国家大学生创新创业训练计划（省级）“Cu3Mo2O9/MoO3p-n异质结纳米复合材料的制备及其胺敏性能研究”（S202210497046）
［中图分类号］G642.0［文献标识码］A［文章编号］1674-9324（2023）17-0041-05［收稿日期］2022-11-28
光刻与刻蚀技术是实现图案从掩膜版向特定基底转移的精密加工技术，在集成电路制造、太阳能电池的制备、智能传感器件等上述的诸多领域中均有涉及，具有广泛的适用性［1-2］。然而，光刻-刻蚀相关设备昂贵、维护成本高昂、加工环境要求苛刻，难以在高校中开展实践教学［3-4］。仅通过理论教学，学生无法充分了解设备内部结构及抽象运行过程，不能体验工艺过程对结果的复杂影响［5］。
利用虚拟仿真技术可以将无法触及的设备内部结构、抽象复杂的光刻原理和刻蚀原理、转瞬即逝的微观实验现象、工艺流程、操作技能等，以沉浸式、交互式的形式，准确、生动、形象地展现出来，便于学生对知识的掌握［6-8］。立足学科优势，对接武汉光谷万亿级光电子产业集群发展对半导体相关行业人才的培养需求，基于“固体物理”“半导体物理与器件”“新能源材料与技术”等理论课程教学内容与实践需求，武汉理工大学开展了光刻-刻蚀虚拟仿真实验建设。本文将从实验总体设计思路、实验对学生的要求、实验内容设计和实验特色三方面阐述光刻-刻蚀虚拟仿真实验的设计情况，并对其实施后对教学的影响进行分析。
一、实验设计
（一）实验总体设计思路
首先，了解虚拟仿真实验的受众，明确相关基础理论课程对实验的需求焦点，从而合理设计实验内容，实现理论与实践的结合［9］。具有相关学科理论知识背景的实验者，能够掌握典型半导体器件结构和材料制备加工基本技能，但缺少实践经验，无法真正理解光刻-刻蚀具体加工过程及相关影响因素。因此，本实验一方面设计了工厂漫游环节，让实验者能够对半导体相关背景及加工全过程形成感性认识；另一方面，在虚拟仿真实验中设置了不同的实验情境，允许实验者试错并观察实验结果，在趣味探索过程中掌握知识，从而了解不同工艺对实验结果的影响情况。对于相关学科理论知识薄弱的学生，通过实验原理、设备拆解、考试等功能板块的有机结合，使实验者能够通过实验平台学习光刻-刻蚀的基本原理知识、技术要求、设备结构，并能随时对知识的掌握情况进行自检。
其次，不同器件制造过程中所用到的光刻-刻蚀工序不一，具体流程烦琐、复杂。本实验去掉不同器件制程中的重复步骤，化繁为简，选取最具有普遍性和代表性的光刻-刻蚀工艺作为虚拟实训教学的主要内容，着重考查学生对典型设备、工艺、原理、影响因素的掌握与灵活运用情况，以及对结果的综合分析能力。
此外，实验的颗粒度过大易使实验者疲劳，降低精神集中度，设计2～4课时为宜。实验还设计了“练习模式”和“考试模式”，使得实验者可以有练习过程，根据自身需求充分探索，又能够减少后台数据运行负担，提高数据保存质量。
（二）实验面向学生要求
目前本实验项目主要面向材料类、微电子或信息类的大三或大四年级学生，要求学生较系统的完成“固体物理”“半导体物理与器件”“半导体制造技术”“新能源材料与器件”等专业理论课程的学习，已掌握晶体材料制备与改性、半导体器件的基本理论，掌握材料制备的基本方法、典型设备结构与工作原理、材料或器件的表征及应用，对晶体材料“组成—结构—电学性能”之间基本关系也有一定认识。
（三）实验内容设计
1.“練习模式”与“考试模式”。在进入实验页面时，系统会提示实验者选择“练习模式”或“考试模式”。在“练习模式”下，实验者可自由挑选某一步骤学习，错误操作不计入最终实验分数且系统会给出提示与解析，给予实验者即时反馈。实验者在“练习模式”下充分尝试并体验不同实验情境，了解相关工艺的要求以及参数设置对结果的影响，从而在探索中学习、总结。在“考试