1.集成电路制造工艺

(1)实验原理：

集成电路制造工艺的原理是将多个电子元件集成在一个芯片上，通过制造、测试和封装等步骤，形成完整的电路板。这个过程中需要精确控制各种工艺参数，以保证电路板的质量和性能。随着技术的不断进步，集成电路制造工艺也在不断发展和改进，为现代电子设备的性能提升和小型化做出了重要贡献。

该实验分为晶圆片前期加工→前工序加工流程→后工序加工流程→半导体电参数测试等四部分流程。

图1集成电路制造工艺流程

1.晶圆片前期加工

主要包括以下四点：

(1)直拉法制取硅锭：

首先，把高纯度的多晶硅原料放入高纯石英坩埚，通过石墨加热器产生的高温将其熔化；然后，对熔化的硅液稍做降温，使之产生一定的过冷度，再用一根跟铅笔大小和形状差不多的、末端装有籽晶的棒被缓慢地下放到熔融状态的硅中。待籽晶与熔体熔和后，棒以逆时针方向旋转，坩埚以顺时针方向旋转，棒每分钟1.5毫米的速度慢慢地向上拉籽晶，晶体便会在籽晶下端生长，近似圆柱体状的硅晶棒就能在下方形成。

图2直拉法制取硅锭

(2)打磨硅锭

利用内圆切割机或外圆切割机切断单晶硅锭的头部、尾部及超规格部分，将单晶硅锭分段成切片设备可处理的长度，然后在改进后的M131W磨床进行纵向往返式地打磨掉表面不平整处。

图3打磨硅锭

(3)切割硅锭成晶圆片

利用内圆切割机或线切割机，以主平边为基准，将硅锭切成具有几何尺寸地薄晶片。

(4)物理抛光

图4物理抛光

2.前工序加工流程

集成电路前工序加工流程的实验原理主要涉及将电子元件和电路结构集成到半导体材料上的过程。这个过程包括多个步骤，如光刻、刻蚀、掺杂、薄膜沉积等。这些步骤需要精确控制各种工艺参数，如光照时间、温度、压力、材料种类和浓度等，以保证电路结构的精度和质量。

图5前工序加工流程

3.后工序加工流程

后工序加工流程的实验原理是通过热处理、晶圆片针测、晶圆片切割和芯片封装等环节，对制造好的芯片进行全面的质量检测和评估，以确保其质量和性能符合要求。同时，还需要进行一系列其他的工作，以保证生产出的芯片能够满足大规模生产的需求，并为最终产品的质量和性能提供保障。

图6后工序加工流程

4.半导体电参数测试

半导体电参数测试的实验原理主要是基于半导体材料的电学特性，通过在半导体材料上施加不同的电信号，测量其响应的电信号特征，以评估半导体材料的电学性能和参数，具体实验步骤包括连接好测量平台、连接电源线、开启电源线、开启电源预热、将样品固定、开启恒流电源、计算特定电流、微调电流表、测量10次温度修正和获得实验结果等。

图7半导体电参数测试

2.扭转式MEMS磁传感器虚拟工艺流程

扭转式MEMS磁传感器制造工艺主要涉及光刻、刻蚀、薄膜沉积、晶圆键合、晶圆减薄工艺等MEMS器件主流工艺，且整体包含5次光刻工艺。实验内容分为两个方面：一是，对光刻工艺进行细化，具体展现光刻工艺的涂胶、曝光、显影等工序；二是，对扭转式MEMS磁传感器的整体制造流程按照自底向上的实际流片顺序进行工艺呈现及解说，最终展现MEMS扭转可动的谐振结构以及位于谐振结构上的金属线圈布线。

图8扭转式MEMS磁传感器虚拟工艺流程

随着电子信息技术的发展，集成电路制造工艺和MEMS磁传感器技术已经成为现代电子设备中不可或缺的部分。集成电路制造工艺是制造微小型电子器件的核心技术，而MEMS磁传感器则被广泛应用于各种领域，如磁场测量、电流检测、运动检测等。为了更好地让学生了解和掌握这两个领域的知识和技术、强化人才培养体系，利用现代信息技术，我们设计了集成电路制造工艺与扭转式MEMS磁传感器仿真应用实验。本实验教学目标主要有以下几点：

1.观看实验简介和教学引导视频，让学生了解集成电路产业在国民经济发展中的重要作用，强化自身基础知识学习，注重实践能力的培养。

2.引导学生学习和掌握集成电路制造工艺和扭转式MEMS磁传感器的原理和应用：通过实验操作和模拟仿真，学生可以深入理解集成电路制造工艺和MEMS磁传感器的设计、制造、测试等方面的知识，提高对这两个领域的综合认识。

3.培养实践能力和创新意识：实验中，学生需要进行实际操作和数据分析，培养实践能力和解决问题的能力。同时，通过自主设计实验方案和选择实验材料，学生可以培养独立思考和创新意识。

4.培养科学思维和实验技能：实验中，学生需要观察实验现象、记录实验数据并进行分析，培养科学思维能力和实验技能。同时，通过实验评估和反馈，学生可以了解自己的实验结果和不足之处，进一步提高实验技能。

5.探索集成电路制造工艺与MEMS磁传感器的结合应用：实验中，学生可以了解集成电路制造工艺与MEMS磁传感器技术的结合应用，探索未来电子信息技术领域的发展趋势和应用前景。

包括单晶硅生长炉、M131WB万能外圆磨床、晶圆切片机、化学气相淀积、光刻机、光刻胶、显影机、显影液、湿法刻蚀机、离子注入机、半导体芯片退火炉、半导体参数测试仪、探针台、晶圆划片机和IC封装机等实验仪器。

（一）实验教学过程及实验目的

本项目根据实际实验环境以及实际教学应用，利用现代科学技术，构建微电子虚拟实验环境，以集成电路制造工艺和扭转式MEMS磁传感器虚拟工艺流程为主线，将设备使用、工序流程、制作工艺及知识点等内容进行整合和模拟。使学生能够在计算机环境中进行实验操作，提高了实验效率、安全性和可重复性，为学生提供了更广阔的学习和应用空间。

在实验教学过程中，采用线上线下混合教学模式，以教师为课程主导，以学生为教学主体的教学理念，实现线上虚拟仿真应用实验与线下课堂教学的一体化教学。系统实验中通过晶圆片前期加工、前工序加工、后工序加工、半导体测量计算和扭转式MEMS实验等虚拟实操的方式实现本次课程的教学目标。

本次虚拟仿真应用实验的目的有以下四点：

1.理解集成电路制造四大工艺流程，掌握沉积机、光胶机、四探针电阻率测试仪等设备的使用及工作原理。

2.深化学生对MEMS技术的认识，增强学生对MEMS加工流程的感官体验。

3.学会使用仿真工具进行电路设计、制造工艺仿真以及系统性能评估，研究传感器的灵敏度、精度、响应时间等关键指标，为实际应用提供理论依据。

4.引导学生的实践操作能力，培养学生的创新思维能力，增强学生自主设计和优化传感器制造工艺和电路设计的研究兴趣。

（二）实验方法

1.按要求选择实验内容以及实验模式

2.分流程模块进行操作实验，针对性的学习单个模块的内容

3.按照界面提示，完成实验全过程体验

4.实验数据后台自动记录，并通过实验成绩单展示实验效果

(1)集成电路制造工艺实验

集成电路制造工艺流程分为：晶圆片前期加工、前工序加工流程、后工序加工流程和半导体电参数测试四个部分。

1)晶圆片前期加工：

晶圆切割，其目的是将单晶硅棒切割成薄片，即晶圆。切割晶圆的工艺通常采用线锯或者切割盘等工具进行，切割后的晶圆表面要求光滑无划痕。

晶圆清洗，其目的是去除晶圆表面的污垢和杂质。

2)前工序加工流程：

硅提炼及提纯：将沙石原料放入一个温度约为2000℃，并且有碳源存在的电弧熔炉中，得到纯度约为98%的纯硅，又称作冶金级硅。然后将其与气态的氯化氢进行氯化反应，生成液态的硅烷，再通过蒸馏和化学还原工艺，得到高纯度的多晶硅，纯度高达99.999999999%。

单晶硅生长：采用直拉法，将高纯度的多晶硅放在石英坩埚中，并用石墨加热器加热至1400℃ 左右，通过籽晶引导，从硅熔化物中向上拉出，按籽晶晶格排列的方向不断地生长，最终形成单晶硅棒。

晶圆成型：将单晶硅棒按适当的尺寸进行切割，然后进行研磨，将凹凸的切痕磨掉。再用化学机械拋光工艺将其至少一面光滑如镜，晶圆片制造就完成。

3)后工序加工流程：

晶圆切割，其目的是将单晶硅棒切割成薄片，即晶圆。切割晶圆的工艺通常采用线锯或者切割盘等工具进行，切割后的晶圆表面要求光滑无划痕。

晶圆清洗，其目的是去除晶圆表面的污垢和杂质。

光刻，其目的是将半导体电路转移到半导体芯片上。

蚀刻，其目的是将半导体电路从半导体芯片表面制作出来。

离子注入，其目的是将半导体电路中的电子元件制作出来。

扩散，其目的是将半导体电路中的电子元件联结起来。

封装，其目的是将半导体芯片封装起来，以保护半导体芯片不受外界环境的影响。

4)半导体电参数测试：

准备阶段：了解半导体电参数的基本知识，包括电参数的种类、测试原理、测试方法等；熟悉测试仪器的使用方法；准备相关样品，并进行预处理。

样品制备：根据测试样品的类型和测试要求，进行必要的样品制备工作，包括研磨、切割、抛光等。

安装样品：将制备好的样品安装在测试仪器中，确保样品牢固、稳定，并避免样品表面出现划痕、污垢等。

设置测试参数：根据测试样品的类型和测试要求，设置相应的测试参数，如电压、电流、频率等。

开始测试：启动测试仪器，按照预设的测试程序进行测试。在测试过程中要密切关注测试数据的变化，并及时记录。

数据记录与分析：将测试过程中记录的数据进行分析，提取有用的信息，如半导体材料的电阻率、载流子浓度等。

结果展示与报告撰写：将测试结果进行展示，撰写相应的测试报告，包括测试样品的基本信息、测试数据、分析结果等。

清理现场：在完成测试后，要及时清理现场，包括清理测试仪器、整理实验台等，保持实验室的整洁和卫生。

(2)扭转式磁传感器仿真应用实验

1)实验内容：扭转式MEMS磁传感器制造工艺主要涉及光刻、刻蚀、薄膜沉积、晶圆键合、晶圆减薄工艺等MEMS器件主流工艺，且整体包含5次光刻工艺。实验内容分为两个方面：一是，对光刻工艺进行细化，具体展现光刻工艺的涂胶、曝光、显影等工序；二是，对扭转式MEMS磁传感器的整体制造流程按照自底向上的实际流片顺序进行工艺呈现及解说，最终展现MEMS扭转可动的谐振结构以及位于谐振结构上的金属线圈布线。

2)扭转式MEMS磁传感器制造工艺基本示意图（剖面）：

图1 完整工艺流程

图2 图1中的第一步到第二步的详细工艺（即一步光刻及刻蚀工艺流程） 图1展示了较为完整的生产流程，从硅片和绝缘玻璃片到最后释放结构的流程图，而图2则详细地介绍了图1中步骤（1）到步骤（2）的光刻及刻蚀步骤。其中，图2（a）、（b）、（c）分别为涂胶、曝光、显影，图2（d）、（e）分别为刻蚀、去胶。

图1中的MEMS器件制造流程具体介绍如下：

（1）取一低电阻率的P型重掺杂硅片，作为MEMS器件结构的结构晶圆。[选择实验桌上的动画模型播放模型动画]

（2）对该硅片进行光刻、刻蚀以形成MEMS器件空腔（第1次光刻）。[点击光刻机上的按钮播放机器效果（切换“光刻”“刻蚀”背景设备机器运行）]

（3）取一片Pyrex玻璃晶圆，作为MEMS器件结构的衬底晶圆。[选择实验桌上的模型播放取模型晶圆片动画]

（4）对该玻璃晶圆进行金属层沉积、光刻及刻蚀，以形成MEMS器件结构衬底的衬底金属电极（第2次光刻）。[点击沉积机上的按钮播放机器效果(切换“沉积、光刻及刻蚀”背景设备机器运行)]

（5）将之前的硅片（带有空腔结构）和玻璃片（带有金属电极）利用键合设备键合在一起形成一个整体。[点击键合机上的按钮播放机器效果]

（6）对该硅-玻璃键合晶圆的硅片一侧进行CMP化学机械拋光，减薄至指定的MEMS器件结构层厚度。[点击减薄机上的按钮播放机器效果]

（7）在减薄后的硅-玻璃键合晶圆的硅片一侧，进行绝缘层的沉积、光刻及刻蚀工艺，形成硅片特定位置的绝缘区（第3次光刻）。[点击沉积机上的按钮播放机器效果(切换“沉积、光刻及刻蚀”背景设备机器运行)]

（8）进而，在减薄后的硅-玻璃键合晶圆的硅片一侧，进行金属层的沉积、光刻及刻蚀工艺，形成MEMS器件结构的金属线圈（第4次光刻）。[点击沉积机上的按钮播放机器效果(切换“沉积、光刻及刻蚀”背景设备机器运行)]

最后，进行MEMS器件的可动结构的光刻和刻蚀（第5次光刻），目的是形成作为MEMS磁传感器的谐振敏感单元（该过程通常称为结构释放）。[点击光刻机上的按钮播放机器效果(切换“光刻”“刻蚀”背景设备机器运行)]

本次虚拟仿真应用实验设计了不同的实验环节与实验环境，不同的实验流程会产生多个分支结果，学生根据系统中的提示，完成所有环节的模拟实验。实验要求学生根据专业理论知识，掌握集成电路制造工艺和扭转式MEMS磁传感器的工作原理和作用。

其中，在集成电路制造工艺的半导体电参数实验过程中，要求学生学会电流电压法、特定电压法以及九宫旋转法三种测量方法并根据查表及公式计算出样品的特定电流，无论学生选择哪一种测量方法，若数值计算错误，则无法进入下进一步实验步骤中。若学生无法推进下一步实验时，教师可进行指导。最后，进行10次测量温度修正，得到最终实验效果。

图9集成电路制造工艺-半导体电参数测试

在扭转式MEMS磁传感器虚拟工艺流程实验中，要求学生根据课程知识储备，按照系统提示，完成九个操作步骤，深化学生对MEMS技术的认识，增强学生对MEMS加工流程的感官体验，最终完成MEMS器件的可动机构的光刻和刻蚀，形成作为MEMS磁传感器的结构释放。

图10扭转式MEMS磁传感器虚拟工艺

(1)具备扎实的电子信息工程基础知识和专业技能，能够熟练掌握集成电路设计、制造、测试等方面的知识和技能。这是顺利进行实验的基础，要求学生能够熟悉集成电路的制造过程，以及如何使用相关的设备和材料。

(2)具备较强的创新能力和实践能力，能够独立进行集成电路设计、制造、测试等方面的研究和开发工作。实验中需要学生能够根据实际需求进行创新设计，并能够独立完成实验操作和数据分析。

(3)具备良好的团队合作精神和沟通能力，能够与不同领域的专业人员进行有效的合作和交流。实验中需要学生能够与其他同学合作，共同完成实验任务，同时需要能够清晰地表达自己的思路和想法。

(4)具备较强的职业素养和社会责任感，能够适应快速变化的市场需求和技术发展趋势，为社会和企业做出贡献。实验中需要学生能够认真对待实验任务，积极学习新知识，提高自己的综合素质，以便更好地适应未来的工作需求。