光刻-刻蚀虚拟仿真实验的设计与实施

［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）

［作者简介］ 杨 爽（1988—），女，黑龙江哈尔滨人，博士，武汉理工大学材料科学与工程学院实验师，主要从事过渡金属氧化物纳米功能材料研究；金 伟（1983—），女，湖北咸宁人，博士，武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室副研究员，主要从事功能材料及物理效应研究；周 静（1970—），女，内蒙古乌兰察布人，博士，武汉理工大学材料科学与工程学院教授（通信作者），主要从事介电、压电、铁电功能陶瓷及其复合材料研究。

［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

引言

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.“练习模式”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“考试模式”下，实验者只能按照正确步骤开展实验，系统不再给出具体错误提示与解析，系统仅记录实验者操作情况并给出相应分数，生成实验报告，作为实验学习结果的最终检测。

线下实验中，由于实验时长和实验条件的限制，对实验过程的容错率较低，实验者往往难以真正进行充分的实验探索。而这两种模式充分发挥了虚拟仿真实验的便捷性与安全性优势，为实验者提供个性化的学习选择，“实验模式”允许实验者充分探索，在不同实验情境中观察实验现象，从而直观了解工艺对实验结果的影响，分析、总结实践经验，便于及时查缺补漏；“考试模式”允许实验者检验学习成果，反馈学习情况。

2.实验内容设计。在实验的内容设计中，重点在于让学生明确光刻-刻蚀工艺作用，掌握正、负胶选取原则，理解光刻-刻蚀工艺的影响因素，让实验者在进行芯片性能分析、改善与设计过程中能够有意识地将相关因素纳入考量，为后续实践与工作创新打下基础。以涂胶步骤为例，实验系统为实验者提出光刻胶目标厚度、掩膜版与目标图形图案等要求，实验者根据要求选择光刻胶种类、黏度、涂胶工艺参数等内容。错误的选择可能造成光刻图案错误、光刻胶层过厚等问题，最终导致实验失败。

对准曝光是光刻工艺中的重要过程，涉及的知识点包括对准曝光的作用、光源与关键尺寸（CD）分辨率之间的对应关系、曝光剂量对光刻结果的影响等。为使实验者直观看到光刻机的对准曝光过程，系统搭建光刻机模型并呈现设备内部结构，呈现机器运行时光路变化等细节，弥补了传统理论或实践教学方式难以将微观、瞬时过程及设备运行机制展现出来的缺憾。系统在此设置了两个考察点：一是实验者需要根据特征尺寸要求选择曝光光源的种类、波长和描述符；二是实验者需要通过正胶/负胶留膜率与曝光剂量关系，合理选择曝光时间。错误的选择可能造成光刻精度不符合要求、光刻胶清洗不净等问题，最终导致实验失败。

在实际生产中，光刻是制程中唯一可返厂的工艺，系统模拟实际生产中的光刻结果检查过程，要求实验者在这一步骤中，正确评价晶圆图案情况，并选择是否让晶圆返厂。晶圆图案会因实验者操作不同而呈现不同结果，如正常、浮胶、针孔等。若选择返厂，系统回到第一个步骤重新开始实验；若选择不返厂，则进行刻蚀步骤并根据刻蚀后图案结果的正确性给出相应分数。晶圆图案检查是本实验的难点，实验者要综合利用所学知识，准确地评价结果，分析光刻-刻蚀过程的影响因素，及时纠错。通过这一过程，深化实验者对工艺与性能相关性的认识，在实践中学会考虑芯片性能分析与芯片工艺设计相关因素间的关系，从而具备进一步进行芯片设计、开发的创新能力。

（四）教学方法与实验方法

教学过程中，教师有机结合各种教学新形式，综合运用讲授法、讨论法、练习法、启发法等教学方法，推进实验各阶段有序进行。例如，同时利用武汉理工大学网络教学平台进行授课，提供线下VR设备体验，进一步提高学生沉浸感，激发学生学习兴趣。此外，利用情境法、模型法、观察法和逆向思维法等实验方法，帮助学生理解实验原理，方便学生充分观察、体验实验过程，提高学生的思考、总结能力。

二、实验特色

（一）问题导向的综合性实验

实验属于综合性实验，以问题为导向进行实验设计，推进实验者实践能力和创新能力的培养［10］。系统随机设置晶圆污染情况、光刻胶厚度、目标图案形状、尺寸、待刻蚀物质等实验情景和实验目标，学生实验过程不同，结果也不同。着重考查学生对知识的掌握与灵活运用能力，以及对结果的综合分析与解决问题的能力，这也是本实验的难点。

（二）探究式体验，激发学习兴趣

实验设置的“练习模式”和“考试模式”给予实验者自由探究空间，实验者通过实验提示与实验报告记录看到错误操作，根据所学知识分析问题并找到原因。不同实验情境和随机设置的实验问题增加了实验过程中的挑战度，激发了实验者的学习兴趣，这也是本实验的亮点［11］。

（三）教学指引完善，易上手

实验过程中，有必要的操作指引与明确标识，使实验者能够顺利进行实验。此外，教学引导视频、在线咨询、论坛、系统操作提示等教学指导资源丰富，方便实验者快速理解实验内容，上手学习。此外，用游戏的体验方式开展实验，有芯片输送机器人和导航机器人进行晶圆运送和相关知识讲解。每次步骤操作都会有人机交互反馈，避免了以往的实训软件生硬的操作体验，提高了用户认可度［12］。

（四）虚拟仿真程度高，沉浸式体验感好

模拟真实场景，还原芯片生产场景细节。如：加设天车系统、布置通风口，以及不同的设备对灯光要求不同，光刻机、显影机、清洗机等要放在黄光区，离子刻蚀机放在白光区，并且光刻机要单独隔离。设备、工厂模型仿真设计，参考真实设备外部及内部结构，仿真模拟设备的输入面板，设备运行参考真实设备运行规律，综合运用Unity3D、3D Studio Max、Visual Studio等技术手段，提高场景的可观性与真实性，进而确保实验者在设备操作过程中的沉浸感。此外，对于微观、瞬时的实验现象，利用模型法通过独立画中画进行放大展示，生动直观。

三、实验实施对教学的影响

一方面，光刻-刻蚀虚拟仿真实验及时补充相关教学资源，丰富课堂教学模式。另一方面，相比于线下实验过程难以记录、评价依据单一的问题，虚拟仿真实验系统可以通过随机考试、实验实训、实验报告等实现多角度考核，评价体系更加完善［13］。教师可从后台监督学生的实验情况，并随时调取信息以便后续教学结果分析与改进。此外，教学资源及信息管理便捷、高效，便于进行资源共享，为校间合作与校企合作提供更多便利。目前，本实验已经对接“实验空间—国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台”，实验面向社会开放使用，目前已有万余访问量，校内外受益使用者近千人，4所高校依托本实验系统进行课程教学，我校依托该项目与其他高校间积极开展相关教学交流。

结语

本文设计的光刻-刻蚀虚拟仿真实验立足学校学科优势，对接社会相关行业人才需求，利用虚拟仿真技术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，以及光刻-刻蚀工艺流程、操作技能，以沉浸式、交互式的形式，准确、生动、形象地展现出来，解决了高校中由于设备昂贵、数量稀少、场地及环境条件等因素限制而无法开展相关实验的问题。该实验通过问题导向和探究式体验激发实验者的学习兴趣，培养了实验者综合分析问题、解决问题的能力。实验界面友好、便于信息化管理，很好地补充了相关教学资源，丰富了课堂教学模式，具有良好的实用性与开发前景。