微电子工艺虚实融合式教学研究与实践

摘  要：该文深入探讨微电子工艺教学中的虚实融合教学模式，旨在通过构建虚拟仿真平台与微纳电子技术支撑平台，打破传统教学中对高端实验设备的依赖，实现理论教学与实践操作的深度融合。通过引入沉浸式VR技术，为学生创造一个近乎真实的微电子工艺学习环境，不仅提高教学效果，还降低教学成本。该教学模式注重学生创新思维与实践能力的培养，使学生在虚拟环境中反复练习，深入理解复杂工艺流程，掌握前沿技术动态。这一创新教学模式不仅提升学生解决复杂工艺问题的能力，还为国家微电子工艺高素质科技人才培养提供有效途径。

关键词：微电子工艺;虚实融合;虚拟仿真平台;沉浸式教学;器件制备

中图分类号：G642.4      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2025）05-0120-04

Abstract： This paper delves into the virtual-real integrated teaching model in Microelectronics Process education， aiming to achieve a profound integration of theoretical teaching and practical operation by constructing a highly integrated virtual simulation platform and a micro/nano-electronics technology support platform. By introducing immersive VR technology， a nearly authentic learning environment for Microelectronics Processis created， which not only significantly enhances teaching effectiveness but also reduces teaching costs. This teaching model emphasizes the cultivation of students' innovative thinking and practical abilities， enabling them to repeatedly practice in a virtual environment， deeply understand complex process flows， and grasp cutting-edge technological trends. This innovative teaching model not only elevates students' abilities to solve complex process problems and engineering literacy but also provides an effective pathway for cultivating a large number of high-quality technological talents in the field of microelectronics process for the country.

Keywords： Microelectronics Process; virtual-real integration; virtual simulation platform; immersion program; device fabrication

芯片技术作为现代信息技术的核心与国家的战略基石，其发展水平直接关乎国家科技竞争力与产业安全。在芯片研发的全链条中，设计、制造与封装测试三大环节紧密相连，共同构筑了芯片产业的坚固基石。其中，芯片制造技术，尤其是先进制程芯片工艺技术，因其高度复杂性和技术壁垒，成为了我国科技自立自强道路上亟待突破的关键“卡脖子”难题[1-3]。

在芯片制造技术中，先进工艺设备无疑是推动技术进步的强大引擎，它们以高精度、高效率著称，是实现芯片性能飞跃的物理基础。然而，值得注意的是，除了硬件设备的先进性外，高素质的专业人才更是工艺研发与创新不可或缺的灵魂[4-6]。这些人才需具备深厚的理论基础、敏锐的创新思维以及丰富的实践经验，能够在复杂多变的工艺环境中不断探索与优化，推动芯片制造技术迈向新的高度。

然而，从高等教育与职业培训的角度来看，当前微电子工艺实践教学面临着诸多挑战。首要问题便是高端实验设备的稀缺与高昂成本，这些设备不仅价格昂贵，并且往往难以大规模复制，限制了教学资源的普及与扩展。此外，实验耗材的消耗巨大、成本高昂，使得大规模、常态化的实验教学难以维系。再者，芯片制造对实验环境有着极为严苛的要求，如高真空度等，这不仅增加了实验的难度与复杂度，也延长了实验周期，进一步制约了实践教学的有效开展[7-8]。

鉴于此，开发并应用数字化的教学资源和手段显得尤为迫切与重要。通过构建虚拟实验室、模拟仿真平台等数字化工具，可以模拟真实的芯片制造工艺环境，让学生在无须直接接触昂贵设备的情况下，就能进行深入的工艺学习与实验探索。这种教学模式不仅能够大幅降低教学成本，提高资源利用效率，还能有效弥补传统实践教学中的不足，为培养大规模、高素质的微电子工艺人才提供强有力的支撑[8-10]。但是虚拟仿真平台也存在真实感不足、结果过于理想化、规则意识淡薄等情况[8]，迫切需要开展微电子工艺虚拟仿真与实践操作融合式教学研究。

一  课程平台建设情况与特色

（一）  课程简介

微纳制备与表征技术课程共48个学时，旨在建立微纳器件制备与表征的微观图景，打造具有较高工程素养的合格人才。该课程在大三下学期启动，此阶段学生已完成了高等数学、大学物理及半导体器件物理等基础课程的学习，这些前序课程为学生提供了坚实的理论基础与分析工具，为后续深入学习微纳制备与表征技术奠定了稳固的基石。通过本课程的系统学习，学生将能够熟练掌握微纳加工的关键步骤，理解并应用多种先进的表征手段，为后续集成电路设计等课程奠定坚实的工艺基础，促进理论知识与工程实践的深度融合。

课程内容体系严谨，覆盖了理论教学与实践教学两大核心环节。理论教学部分共28学时，划分为器件原理、制备工艺、性能表征三大知识板块，旨在为学生构建坚实的理论基础与系统的知识体系。而实践教学环节则安排了20学时，侧重于将理论课程中的知识与方法融会贯通，通过引导学生亲手参与氮化镓功率开关器件的设计构思、精细制备及性能测试等全流程操作，实现理论知识向实践技能的有效转化，增强学生的动手能力与问题解决能力。

（二）  氮化镓功率半导体虚拟仿真平台特色

1  军事应用特色鲜明

氮化镓功率开关器件以其高功率密度、高效率和高频率特性，在军用雷达系统、通信设备和探测器领域用途非常广泛。其高功率密度、高频工作能力和优异的抗辐射性能，使雷达系统能够远距离探测目标，提升探测精度和效率。同时，氮化镓功率开关器件也用于军事通信设备，增强信号传输的稳定性和可靠性。此外，在红外及紫外探测器中，氮化镓材料的应用也提高了探测器的灵敏度和响应速度，为军事侦察和预警提供了有力支持。基于氮化镓功率开关器件设计制备，构建了特色鲜明的氮化镓功率半导体虚拟仿真平台，专注于军事应用教育，寓教于乐中激发强军爱国情怀，实现思政与技术的深度融合。

2  实景建模

该虚拟仿真平台在构建过程中，深度集成了我们学院顶尖的微纳电子技术支撑平台的资源与优势，实现了从宏观实验室空间布局到微观精密设备细节的精细实景建模。从宏观层面看，平台的虚拟实验室布局精准映射了现实空间的每一个细节，包括实验台的设置、仪器设备的摆放等，均力求一比一再现，从而营造出极强的真实感。而在微观层面，则是对精密设备的内部构造、操作流程乃至细微的物理现象进行了深入细致的模拟，确保学员在虚拟环境中也能获得与实际操作相媲美的直观感受。这种实景建模的策略极大地增强了学习的直观性与互动性，使原本可能枯燥乏味的理论知识学习过程变得生动有趣。学员在虚拟环境中，不仅能够通过直观的观察与操作加深对理论知识的理解与记忆，还能在模拟操作中提前熟悉实践流程，对即将进行的实验操作形成初步的认知与预期。

3  可扩展性强

虚拟仿真平台在设计之初便前瞻性地融入了高度的可扩展性考量，创造性地结合了桌面版本与VR沉浸版本，以满足多样化的学习需求。桌面版本凭借云计算技术的强大支撑，实现了无地域限制的远程访问。通过互联网的广泛覆盖，这一版本能够迅速、高效地发布至庞大的学生群体，大大降低了使用的门槛，只需配备基础计算机设施的学生均可便捷接入。此版本不仅操作界面友好，且其可扩展架构使得系统能够灵活集成海量的教学资源，包括但不限于视频教程、案例分析及实验数据集等，从而极大地丰富了学习的深度与广度。进一步而言，其强大的可拓展性不仅体现在资源的丰富性上，更在于对个性化学习路径的支持。系统能够根据学生的学习进度、能力水平及兴趣偏好，智能推荐相关学习资源与训练任务，实现了因材施教的教育理想。这种大规模可定制化的教学体验，为教育资源的均衡化分配提供了强有力的技术支撑，确保即使在不同地域、不同硬件条件下，学生也能享受到同等优质的学习机会与体验。长远来看，这将有力促进微电子工艺领域教育公平与质量的双重提升。

4  沉浸式教学

VR版虚拟仿真平台为微电子工艺教学带来了变革。该平台提供了一个精心构建的高度沉浸式实验环境，让学生仿佛置身于真实的微电子工艺超净室之中。通过先进的虚拟现实技术，平台不仅实现了交互性的飞跃，还以虚拟的方式精准还原了实体操作场景，彻底打破了传统教学中对昂贵且稀缺工艺设备的依赖。在氮化镓功率开关器件制备这一综合性实验中，VR版本更是大显身手，它不仅让复杂的制备流程变得直观易懂，还允许学生在虚拟空间中自由探索、反复实践，直至熟练掌握关键技能。更重要的是，VR版平台推动了教学考核模式的创新，将传统的“做实验—写报告”单一模式，转变为基于数据的多样化全过程交互与评价体系。学生在实验中的每一步操作、每一个决策都会被实时记录并分析，形成个性化的学习反馈，帮助教师更精准地评估学生的学习成效，同时也激励学生主动探索、积极参与，实现了从“被动接受”到“主动探究”的转变。

5  研究式学习模式

氮化镓功率半导体虚拟仿真平台内置研究式学习模式，这一模式深刻贯彻了以学生为中心的教育理念，为学生提供了一个高度互动且贴近科研实践的仿真训练环境。在该模式下，学生被赋予了在既定框架内自由探索与创造的权利，特别是在器件结构设计、工艺流程开发以及测试系统构建等关键环节上。

具体到光刻工艺这一核心步骤，学生能够依据自身对氮化镓材料特性及器件性能需求的理解，独立设计复杂的光刻版图，这些版图通过精密的计算机辅助设计软件绘制完成后，可无缝对接至虚拟仿真平台中。在仿真系统内，学生可直观观察到自己设计的光刻图形如何在虚拟环境中被精确复制，这一过程不仅锻炼了学生的设计创新能力，还加深了对光刻技术原理及其在实际生产中重要性的认识。在实现材料图形化的过程中，学生面临多种技术路径的选择，如经典的薄膜沉积—光刻—刻蚀流程，或是更为灵活的光刻—薄膜沉积—剥离方法。每种方法的选择与应用，都要求学生综合考虑材料特性、工艺兼容性、成本效益等多方面因素，这一过程极大地促进了学生批判性思维与问题解决能力的培养。