分子束外延制备薄膜虚拟仿真实验教学探索

吴海飞 余国祥 俞立先 梁奇锋 方泽波 高晓辉 李春鹤 张丽英

(绍兴文理学院 数理信息学院，浙江 绍兴 312000)

0 引言

分子束外延(英文缩写为“MBE”)作为一种高端制膜技术，可实现原子级精确可控的超薄单晶及量子结构的生长，是目前半导体功能材料的主要制备手段之一，推动了以超薄层微结构材料为基础的新一代半导体科学技术的发展,对于集成电路产业的发展至关重要[1-4].该技术的学习与实践对物理、微电子等专业学生的实践能力和创新意识的培养作用显著.然而，分子束外延设备价格昂贵、实验周期长、零失误的操作要求等，致使分子束外延技术很难在本科生教学中普及.随着信息技术的迅速发展，虚拟仿真技术近年来被不断引入到高校实验教学中[5-8].教育部先后出台[2012]5号文件《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》和[2018]6号文件《教育信息化2.0行动计划》，强调了教育信息化的重要性[9-11].我校以“物理与电子省重点建设实验示范中心”“浙江省物理实验教学示范中心”为平台，利用浙江省高校高水平创新团队多年来的科研积淀，依托本校浙江省特聘专家及软件制作团队，以分子束外延实体设备为参考，自主开发了国内首个分子束外延制备薄膜虚拟仿真实验教学系统.

1 分子束外延制备薄膜虚拟仿真实验教学系统介绍

1.1 技术手段

分子束外延制备薄膜虚拟仿真教学系统以实体设备为参考，如图1所示.利用3D MAX建模技术，U3D仿真软件和UNITY WEBGL增强现实等行业最新的现代化信息技术，逼真再现了分子束外延制备薄膜(包括烘烤获得超高真空、基底准备、进样、传样、基底原位清洁、源束流定标、RHEED实时监测下薄膜外延生长)的整个实验过程，提供了三维沉浸式仿真实验场景，并利用Post-Processing和Highlighting System等技术实现了高度完善的烘焙效果与光影渲染.特别设计了半透明显示模式，在该模式下学生可通过旋转缩放，多角度、多层次观察腔体内部各部件间的协同操作过程，使实验过程更形象直观.基底清洁过程中杂质原子扩散与脱附演示、薄膜沉积过程动画展示，生动展现了无法直接观察的微观物理过程，加深了学生对物理机理的理解.利用控制变量法仿真不同生长温度、源束流强度下外延薄膜的RHEED实时位监测结果，再现了真实科研实验过程.

图1 (a)分子束外延实体设备;(b)分子束外延虚拟仿真设备;(c)反射高能电子衍射(RHEED)实时监测下外延制备薄膜3D虚拟仿真图

1.2 实验内容和教学方法

本实验构建了实验预习、基础性实验、设计性实验、创新性实验四大递进式实验模块，如图2所示.课外，要求学生在任务卡指引下学习相关基础知识，观看介绍视频和引导视频，了解实验内容、实验要求、实验目的、实验注意事项，掌握分子束外延的基本原理及基础知识，并完成预习闯关题.课内，要求学生在3D沉浸式分子束外延虚拟仿真实验系统中，通过基础性实验模块的超高真空获得和单质Sn薄膜制备环节的操作实践，学会获得清洁基底表面、获得超高真空的方法，掌握分子束外延制备薄膜的基本操作流程并学会利用反射高能电子衍射(RHEED)结果分析外延薄膜的生长模式、表面结构、生长速率.在此基础上，要求实验小组在给定的实验材料、实验条件及具体要求下，协力完成复杂化合物PbTe薄膜制备方案的设计并进行实验方案的虚拟仿真，培养学生针对一定复杂的问题，能通过团队合作开展分析、调研、寻求问题解决方法、探究实验方案优化设计的综合能力.对于优秀学生，将选拔进入创新性实验模块的“虚实结合科研实践”，进行进一步的课余拓展.此模块中学生将重新自主组队，每个小组自主拟定课题，进行文献调研，完成文献综述、实验设计方案，并递交系统，教师进行线上线下点评，优化实验设计方案，并指导学生进行实体实验.小组整理实验数据，教师对实验数据综合分析，并指导撰写科研论文，选拔优异小组申报大学生科技创新项目，参加挑战杯、科技创新竞赛等.整个实验过程采用了“课前线上、课内线上线下、课余线下”形式多样、丰富多彩的混合实验教学模式，以任务为驱动、问题为导向的团队协作互动式实验教学方法，充分体现了“以学生为中心”教学理念.

图2 递进式实验模块示意图

1.3 实验评价体系

为提高学生学习的主动性和积极性，实验采用了闯关晋级递进式过程性评价方式，系统对每个实验模块的操作轨迹均进行即时记录与评分，且设定了晋级要求，达到晋级要求后，系统将自动提示成功晋级，否则要求重做此模块实验，学生可在主界面的过程性评价栏目中点击查看每个实验模块具体的得失分情况，以便进行目标性纠错.实验成绩由实验预习、基础性实验、设计性实验和实验报告四大部分构成，各部分成绩均采用百分制和加权系数计分，总成绩≤100分.具体为：

(1)实验预习(100分，加权系数13.5%).系统对预习模块中每个知识点根据内容难易程度设置了在线学习时间，即时跟踪记录学生的学习轨迹并计分，预习相关任务及基础知识学习共计50分，系统自动提示尚未操作(学习)的任务.系统随机抽取的10道预习闯关题，每题5分，共计50分.预习模块成绩≥85分者，可晋级到基础性实验模块.

(2)基础性实验(100分，加权系数40.5%).基础性实验模块中超高真空获得设置了10项任务、6个关键性问题；单质Sn薄制备设置了15项任务、5个关键性问题.根据难易及复杂程度，对各个任务和问题给定了分数和评分标准.基础性实验模块成绩≥75分者，可晋级到设计性实验模块.

(3)设计性实验(100分，加权系数36%).小组在系统中递交PbTe薄膜制备方案后，系统自动测评设计方案步骤的完整性和逻辑性(20分)；组间线上互评设计方案(30分)；教师线上线下点评设计方案(50分).

(4)实验报告(100分，加权系数10%).实验报告要求包括实验目的、实验原理、实验仪器、实验内容和步骤、实验结果讨论与分析，并叙述实验过程中遇到的问题及相应解决问题的方法.

2 实验项目特色

2.1 产教融合得到有效落实

分子束外延技术是具有操控原子尺度体系的先进技术，在半导体产业具有巨大的应用潜力，已逐步成为高新技术企业制备先进材料的一种重要手段.本实验室所处的绍兴市，目前是浙江省集成电路产业的布局地，正努力成长为除南京外长三角另一个集成电路制造中心.预计到2025年，绍兴市集成电路产业将形成1000亿产值，成为国家级集成电路产业园示范区.目前集成电路标杆企业中芯国际投资建设的芯片制造及封装测试生产基地已经投产，其他先进半导体制造企业如长电科技等都在不断入驻，代表着绍兴市已经具备了国内领先、国际一流的集成电路产业生态，未来对相关产业人才的缺口极大.本项目作为我校和中芯(绍兴)共建集成电路产业学院的一项特色内容，今年已经开展首批80多名中芯工程师的分子束外延技术培训，教学内容的先进性和实用性得到了企业的肯定.双方按协议每年将继续培训员工达300人次左右，未来还将共同开发多门集成电路制造的虚拟仿真课程.通过本项目的教学，也帮助物理、微电子以及新能源材料与器件等专业学生初步掌握了解先进半导体材料制备的能力，其素质的提升为学生未来发展打下了良好的基础.本实验项目突破了传统封闭式教学的缺陷，通过虚拟仿真的教学方式将前沿的教学内容向先进研发企业推送并服务于企业员工培训和亟须人才的培养，同时课程教学内容的设置和优化也不断得到企业的反馈指导，使产教融合的理念真正落实到了具体的教学活动中.

2.2 实验项目建设可持续拓展

为使本实验项目在形式和内容、深度与广度上不断突破并扩大其影响力，真正做到实验的可持续改进，我们在教学系统中搭建了共建共享的分子束外延材料数据库平台，该平台以“半导体元素”“半导体材料”为“窗口按钮”，通过开源共建的方式，集企业、高校与科研院所等多方自愿共享的经验数据，附文献链接等方式方便相关从业研究者快速精准获得MBE薄膜制备经验参数，促进行业技术人员与科研工作者间的交流，加快技术创新，有助于产、学、研交叉融合.

3 实验项目建设效果

分子束外延制备薄膜虚拟仿真实验项目目前为我校物理学专业“低维材料实验”、微电子科学与工程专业“集成电路工艺实验”、新能源材料与器件专业“新能源材料与器件组装”课程的必修实验.自实验开展以来，本校学生的培养质量得到了显著提高，基于分子束外延薄膜制备，本校相关专业本科生已获国家大学生创新创业训练计划4项，省级科研项目2项，以学生一作发表核心期刊及以上科研论文3篇，其中SCII区论文一篇，在各类学科竞赛中获省级奖项多项.2019年该项目获浙江省“十三五”高校虚拟仿真实验教学项目的支持，完成了分子束外延制备薄膜虚拟仿真实验在线教学平台建设，面向高校及企业共享开放，应用过程中取得了良好的效果，展现出显著的示范引领作用.实验系统受到了国内高校分子束外延专家、半导体行业专家、分子束外延设备制造专家的一致好评.

4 展望与规划

4.1 持续建设与更新

(1)拓展项目内容.在现有软件基础上，开发X光电子能谱(XPS)、紫外光电电子能谱(UPS)等薄膜原位测试功能模块；聚焦前沿科研进展，不断完善分子束外延薄膜制备数据库；针对企业工程师用户需求，开发操作进阶模块.

(2)提升用户体验.根据高校师生和企业的使用反馈，调整和优化界面，综合应用人机交互、人工智能和智能三维重建技术，提升学习的便捷性和交互性，提高项目的趣味性和挑战性.

(3)优化项目平台.保障虚拟仿真实验教学平台的稳定性，根据推广计划进行服务器升级和带宽扩容，以满足多班级大量用户的并发访问.

4.2 面向高校的教学推广应用计划

(1)共建共享.省内高校如浙江大学、湖州师范学院在分子束外延科研和教学上与本团队有着紧密的合作和联系，在项目的开发中给出了宝贵的反馈意见.目前项目成果已在这些学校应用，今后将用于更多专业和班级的教学.

(2)共享共用.分子束外延虚拟仿真实验可满足国内多所高校的微电子、材料等专业对分子束外延实验的本科教学需求.通过共享与开放，既有助于相关学校创新人才的培养，又能促进本项目的持续完善.

(3)交流推广.通过举办交流研讨会等形式，与兄弟院校探讨项目建设思路、经验和成果，推广和优化虚拟仿真教学资源.

4.3 面向社会的推广与持续服务计划

以中芯国际(绍兴)培训合作为示范，围绕分子束外延虚拟仿真实验，针对企业生产需求，拓展相关模块，打造更受欢迎的工程师培训服务，进而推广本项目至更多的长三角集成电路产业中心.通过在多个高校和企业的教学和培训推广，举办高校和企业共同参与的应用交流会，促进校校合作、校企交流和产研融合，使所在省重点实验教学示范中心成为国内分子束外延虚拟仿真实验的教学和学术交流中心.今后5年内预计服务人数将达4万人次.