CN111899587B - 基于vr和ar的半导体微纳加工工艺实训系统及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于VR和AR的半导体微纳加工工艺实训系统及其用途。所述半导体微纳加工工艺实训系统包括微纳加工课件单元，以及与所述微纳加工课件单元通过互联网连接的支撑硬件单元和支撑软件单元，所述微纳加工课件单元包括半导体微纳加工技术中的安全防护模块、原材料模块、工艺原理模块、半导体设备模块、工艺设计模块和工艺操作模块。本发明利用VR/AR技术，通过构建半导体微纳加工过程的虚拟场景，能实现半导体微纳加工工艺技术的教学、训练、模拟操作与考核评估，可支持多人同时在线学习，信息实时共享，有利于扩大半导体工艺人员的培训规模和效率，具有操作安全、交互感强烈、沉浸式体验、成本低、效率高等特点。

Description

基于VR和AR的半导体微纳加工工艺实训系统及其用途

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及基于虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术的半导体微纳米加工工艺模拟实训系统，具体涉及半导体器件工艺操作的教学、训练和考核评估等。

背景技术

在人工智能和5G技术高速发展的大背景下，电子设备已经融入人们生活的方方面面。半导体器件的研发速度与生产规模往往决定了电子信息行业的产业升级速度和产值规模。目前半导体核心器件的制程已经达到5nm，台积电、三星等半导体公司正在开发3nm工艺技术。半导体器件的微纳加工工艺是一个极其复杂的过程，通常涉及光刻、刻蚀、剥离、氧化、注入、减薄抛光、划片以及键合等多种工艺；而且半导体的微纳加工技术属于目前世界上最先进的加工方式，其精度为亚纳米量级。与此同时，半导体微纳加工设备庞大、复杂和昂贵(少则上百万元，多则到几亿元，如ASML的光刻机价值1.2亿美元)，工艺环境要求严格，生产原料、试剂和高纯特种气体的供应标准高。因此，半导体器件的微纳加工工艺技术培训受到场地、设备、条件以及授课人员水平等方方面面的限制，同时在培训以及工艺实践过程中，由于学员知识储备不够全面，操作不够熟练，危险化学试剂的违规使用或者设备的操作失误屡有发生，导致财产损失甚至危害人身安全，这些客观原因限制了半导体工艺人员培训水平的提高、成本的减少及规模的扩大。而中国世界上消费半导体芯片最多的国家，2018年以来中国半导体加工的增长幅度最大，目前中国大陆已经成为全球半导体第二大产能分布地区，而我国现有人才存量40万人，人才缺口将达32万人。因此，急需加大力度，培养半导体制造技术人才。目前，半导体技术的相关人员教育和培训，通常通过学校知识教育和工厂实地教学进行，然而这种方式耗时间长、成本高、体验差、效率低，同时存在风险。

最近，利用VR(虚拟现实)或AR(增强现实)技术，将虚拟场景与现实场景相互融合，给用户带来超越现实的感知体验，具有沉浸性、交互性和构想性等特点。目前，VR/AR技术已应用于医学、娱乐、航天、室内设计、房产开发、游戏、地理、教育、水文地质、维修、培训实训、能源领域等。然而，目前尚无结合VR/AR技术的半导体微纳加工VR/AR实训平台和相关技术课件。

发明内容

本发明的主要目的在于一种基于虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术的半导体微纳加工工艺实训系统及其用途，旨在解决目前半导体工艺培训规模小、成本高以及资源有限等限制因素，为学员提供沉浸式的学习、训练和评估环境。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种基于虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术的半导体微纳加工工艺实训系统，其包括微纳加工课件单元，以及与所述微纳加工课件单元通过互联网连接的支撑硬件单元和支撑软件单元，其中，所述微纳加工课件单元包括半导体微纳加工技术中的安全防护模块、原材料模块、工艺原理模块、半导体设备模块、工艺设计模块和工艺操作模块。

在一些优选实施例中，所述微纳加工课件单元至少用以学习、训练和考核光刻工艺、刻蚀工艺、各类材料生长工艺、氧化工艺、注入工艺、减薄抛光和划片工艺中的至少任一种。

在一些优选实施例中，所述支撑硬件单元包括主控台、VR服务器、客户端和教学现场录像单元。

在一些优选实施例中，所述支撑软件单元包括中央控制单元、互联网数据单元、登录单元、图像和音频处理单元、智能讲解单元和考核评估单元。

本发明实施例还提供了前述基于VR和AR的半导体微纳加工工艺实训系统于半导体微纳加工领域中的用途。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

为保证该实训平台的高效运行，本发明提供了一种沉浸式的VR/AR实训平台和课件系统，利用VR/AR技术，通过构建半导体微纳加工过程的虚拟场景，克服空间、设备、环境以及原材料供应等各个方面的制约，节约了成本，避免了不必要的麻烦与危险。同时，本发明的半导体微纳加工实训平台能实现半导体微纳加工工艺技术的教学、训练、模拟操作与考核评估，可支持多人同时在线学习，信息实时共享，有利于扩大半导体工艺人员的培训规模和效率。与传统的学校知识教育和工厂实地教学相比，本发明的实训系统具有操作安全、交互感强烈、沉浸式体验、成本低、效率高等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一典型实施案例中基于VR和AR的半导体微纳加工工艺实训系统的整体架构图；

图2是本发明实施例1中安全防护模块超净间进出以超净服穿戴流程示意图；

图3是本发明实施例2中安全防护模块拟模消防演习流程示意图；

图4是本发明实施例3中原材料模块固体材料观察学习流程示意图；

图5是本发明实施例4中设备模块光刻设备学习流程示意图；

图6是本发明实施例5中工艺原理模块刻蚀工艺学习流程示意图；

图7是本发明实施例6中工艺设计模块刻工艺编辑器使用流程示意图；

图8是本发明实施例7中工艺操作模块光刻工艺操作学习流程示意图；

图9为本发明一典型实施案例中VR一体机形式中设备与网络连接示意图；

图10为本发明一典型实施案例中虚拟场景CAVE系统形式中设备与网络连接示意图；

图11为本发明一典型实施案例中AR智能眼镜形式中设备与网络连接示意图；

图12为本发明一典型实施案例中客户端设备架构图；

图13为本发明一典型实施案例中VR一体机形式中客户端设备组成示意图；

图14为本发明一典型实施案例中虚拟场景CAVE系统形式中客户端设备组成示意图；

图15为本发明一典型实施案例中AR智能眼镜形式中客户端设备组成示意图。

具体实施方式

鉴于目前半导体技术的教育和培训中面临的耗时间长、成本高、体验差、效率低和风险高的问题，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要是提供基于VR/AR技术的半导体微纳加工工艺实训平台包括安全防护模块、原材料模块、工艺原理模块、半导体设备模块、工艺设计模块、工艺操作模块等课件模块。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例的一个方面提供了一种基于VR和AR的半导体微纳加工工艺实训系统，其包括微纳加工课件单元，以及与所述微纳加工课件单元通过互联网连接的支撑硬件单元和支撑软件单元，其中，所述微纳加工课件单元包括半导体微纳加工技术中的安全防护模块、原材料模块、工艺原理模块、半导体设备模块、工艺设计模块和工艺操作模块等六个方面的教学、训练和测评。

在一些优选实施例中，所述微纳加工课件单元能够用以学习、训练和考核光刻工艺、刻蚀工艺、各类材料生长工艺、氧化工艺、注入工艺、减薄抛光和划片等半导体器件制备过程中的常用工艺，但不限于此。

进一步的，该课件系统提供了半导体微纳加工技术中原材料、半导体设备、工艺原理与设计、工艺模拟操作等课件。

在一些优选实施例中，该实训平台包括硬件部分和软件部分。所述硬件设备包括主控台、VR服务器、客户端设备(虚拟现实CAVE系统、VR头盔或者AR智能眼镜)和教学现场录像系统。所述软件部分包括：控制系统、图像和音频处理系统、半导体工艺课件系统和考核评估系统；所述课件系统由安全防护模块、原材料模块、工艺原理模块、半导体设备模块、半导体器件加工工艺设计模块、工艺操作模块。

在一些优选实施例中，为保证该系统的高效运行，其支撑软件包括：中央控制系统、互联网数据系统、登录系统、图像和音频处理系统、智能讲解系统、考核评估系统；其支撑硬件设备包括主控台、VR服务器、客户端设备(虚拟现实CAVE系统、VR头盔或者AR智能眼镜)和教学现场录像系统。

在一些优选实施例中，所述安全防护模块的教学、训练和考核内容包含但不限于超净间进出准则、超净服饰穿戴、化学药品存储、使用安全准则、危险情况急救处理，设备操作、保养安全准则、设备报警处置方案、超净间消防安全模拟等。

在一些优选实施例中，所述原材料模块的教学、训练和考核内容包括但不限于固体物料、试剂与特种气体的性能参数、使用方法、使用条件以及不同厂商来源的性能比较等。

在一些优选实施例中，所述工艺原理模块的课程采用三维模型、三维动画、语音讲解中的至少一种方式剖析光刻工艺、刻蚀工艺、各类材料生长工艺、氧化工艺、注入工艺、键合工艺、减薄抛光和划片等半导体器件制备过程中的常用工艺的原理。

在一些优选实施例中，所述半导体设备模块的教学、训练和考核内容包括但不限于设备性能参数、设备操作流程、设备使用技巧和设备报警紧急处理方案。所述半导体设备模块根据不同的工艺分类，构建了构建半导体微纳加工使用的清洗器皿和清洗设备、匀胶机、光刻机、刻蚀机、材料生长设备、封装设备、检测设备、注入设备、热处理设备、氧化设备、抛光减薄设备和划片设备，每一类设备至少有一种型号。

在一些优选实施例中，所述工艺设计模块的教学、训练和考核包括但不限于工艺参数的选择、工艺流程的设计和优化、不同工艺方案的对比；进一步地，所述工艺设计模块还提供工艺编辑器，能够快速编辑或导入工艺流程，其作用包括但不限于预估工艺的时长、验证工艺可行性、共享工艺流程等。

在一些优选实施例中，所述工艺操作模块的课程以安全防护模块、原材料模块、工艺原理模块、半导体设备模块和工艺设计模块等五个模块为基础，对工艺的实际操作进行教学与实训；进一步地，所述工艺操作模块的教学、训练和考核内容包括但不限于清洗、匀胶、光刻、刻蚀、氧化、注入、材料生长、减薄抛光、引线、划片以及键合等单步或多步工艺操作。

在一些优选实施例中，所述支撑硬件单元主要包括主控台、VR服务器、客户端设备(如虚拟现实CAVE系统、VR头盔或者AR智能眼镜等)和教学现场录像单元。

进一步的，所述硬件支撑部分中，所述客户端设备与主控台通过互联网相连接，互联网可采用国内一切联网形式。所述主控台至少能够接收与保存多个客户端的数据，且能够向多个客户端直接发出指令，同时，所述主控台能够实现满足不同客户端之间数据的实时共享。

进一步的，所述客户端可以采用含有VR/AR技术的CAVE系统、VR客户端、AR客户端中的至少任意一种。例如，可以采用CAVE系统、VR头盔以及AR智能眼镜等目前国内现有VR/AR技术的产品。

进一步的，在本申请的支撑硬件方面，其客户端可以采用CAVE系统、VR一体机以及AR智能眼镜等目前国内现有VR/AR技术的产品。

进一步的，所述CAVE系统可以包括投影机、显示屏、音响系统、3D眼镜、定位器、环境安全检测装置等中的至少任意一种，但不限于此。

进一步的，虚拟现实CAVE系统可以满足他人现场观看培训过程。

进一步的，所述VR客户端包含的设备有：(1)VR眼镜或VR头盔，其至少能够提供虚拟现实或增强现实的视觉体验，并捕捉头部动作；(2)VR手柄、手套或输入笔，包含输入按钮，并能够捕捉手部移动；(3)眼球追踪系统，其至少能够捕捉眼球聚焦的位置，并记录和回传用户视线数据；(4)定位器，其至少用以通过光学追踪的方式捕捉用户的行为；(5)数据传输系统，其至少通过无线路由器或宽带连接等现有网络连方式，将动作捕捉、视线捕捉以及用户输入的数据与主控台实时传输。

进一步的，客户端设备的摄像头与定位器能够识别用户的各种手势，用于实现各种交互操作。

进一步的，所述AR客户端包括：(1)AR智能眼镜，其至少能够识别周围事物，实时定位，并扩展现实环境，显示虚拟模型；(2)设备与器械模型，至少用以辅助教学，并作为AR智能眼镜识别的实体。

进一步的，所述客户端还包括加装虹膜识别和指纹识别系统，至少用以保护用户的个人信息与隐私。

进一步的，所述主控台还包括大型计算机设备和多个显示装置(如显示屏)，至少能够为用户提供远程服务、记录设备运行数据和监控软件运行。

在一些优选实施例中，所述VR服务器包括数据监控装置、课件编辑调试装置和存储介质。

在一些优选实施例中，所述教学现场录像单元包括教学录制装置和录制监控装置，至少能够对实训过程加以记录与回放，以便对实训过程进行复盘；同时，在测试评估过程中录像系统能够对测试过程实时监控，并记录测试过程与结果。

在一些优选实施例中，所述支撑软件单元包括中央控制单元、互联网数据单元、登录单元、图像和音频处理单元、智能讲解单元和考核评估单元。

进一步的，所述登录单元至少能够识别用户身份，并根据身份分配相应权限。

进一步的，所述登录单元采取的登录方式包括账户密码登录、指纹识别或虹膜识别二次验证登录中的任一种。例如，可以通过账户密码登录，也可通过指纹识别或虹膜识别进行二次验证，以确保隐私安全。

进一步的，所述登录单元包括登录模块、账号密码/指纹/虹膜输入模块、账号密码验/指纹/虹膜证模块、身份选择模块和身份验证模块，所述账号密码输入/指纹/虹膜模块用于学员或老师输入个人的账号密码或者指纹、虹膜等生物特征，所述账号密码验证模块用于对学员或老师输入的账号密码或者指纹、虹膜等生物特征进行验证，所述身份选择模块用于学员或老师选择身份，所述身份验证模块用于对学员或老师进行身份认证。

进一步的，在本申请的支撑软件方面，所述中央控制单元设置于所述主控台内部，至少用以根据用户需求提供相应的权限及远程服务，并对整个系统进行监控、维护和升级更新，是整个软件的基础。

进一步的，所述智能讲解单元包括显示装置备和音响装置，至少能够根据用户的行为采取相应的互动讲解方式。

进一步的，所述智能讲解单元依托显示设备和音响设备，根据用户的行为和语音输入采取相应的互动讲解方式，更加智能化和人性化，给用户以更好的培训体验。

进一步的，在智能讲解系统中，预设了虚拟助教，该虚拟助教可以按照事先录入的程序对设备使用和工艺操作进行演示和讲解。在学员实施操作时，虚拟助教会对学员进行监督，并指出错误加以纠正。

进一步的，智能讲解系统会在需要讲解的地方设置交互选项，学员可以使用手柄上的交互按钮或者特定的手势触发讲解程序。

进一步的，所述互联网数据单元依托主控台与网络，其至少用以记录、传输、存储、处理和删除用户数据，并对用户数据加以分析，为系统优化提供依据；同时该互联网数据单元通过数据传输的方式为用户提供远程服务和数据共享，允许多名教师与学员同时在线，以提高培训效果和效率。

进一步的，所述图像和音频处理单元至少用以在VR客户端上对教师和学员的影像和音频进行实时处理，以及，在AR客户端上能够识别周围的人和事物，并能够对人和物附加相应的文字、语音和动画描述。

进一步的，所述考核评估单元至少用以在对学员在培训课程中的操作进行实时监控，并由智能讲解单元纠正错误，同时还能够根据预先设定，对学员在安全防护、设备使用、工艺原理、工艺操作进行一系列的测试，并给出测评结果。

进一步的，安全防护模块包括超净服的穿戴，超净间进出准则，化学药品存储与使用准则，违规操作及意外危险的处理，超净间消防安全模拟。

进一步的，在原材料模块中，展示微纳加工所使用的各种固体物料、化学药剂和特种气体，并介绍各种材料的性能数据和用途。

进一步的，固体物料包括半导体制备过程中所使用的各种衬底、靶材和晶体等等。

进一步的，化学试剂包括半导体制备过程中所使用的光刻胶、显影液、有机和无机清洗液、粘附剂以及化学腐蚀试剂等等。

进一步的，特种气体包括半导体微纳加工所用到的高纯氧气、氮气、氩气、氢气、氯气以及氯化物、氟化物、烷类和其他特种气体。

进一步的，工艺原理模块介绍了光刻工艺、刻蚀工艺、各类材料生长工艺、氧化工艺、注入工艺、键合工艺、减薄抛光和划片等半导体器件制备过程中的常用工艺的原理。通过三维模型和动画，配合语音讲解，让学员更直观的了解各类工艺的基本原理。

进一步的，设备模块包括清洗器皿和清洗设备，不同种类的匀胶机、光刻机、刻蚀机、材料生长设备、封装设备、检测设备、注入设备、热处理设备、氧化设备、抛光减薄设备和划片设备。详细介绍了各种设备的性能特点、工作原理、操作方法以及安全准则等。该模块包含各种设备的仿真模型，可以使用手柄上相应按钮和或特定手势与设备互动，模拟设备操作及运行过程。

进一步的，针对AR设备，可以制作一定比例缩小的设备模型。AR眼镜前端的摄像头能够识别相应的模型，并可以通过用户的手势或语音输入，展示设备的各项性能和内部结构。

进一步的，工艺设计模块通过三维动画实例与语音讲解，对工艺设计的原则、技巧、光刻板绘制以及各个工艺间的相互配合关系进行详细剖析。

进一步的，工艺设计模块提供工艺编辑器，学员将工艺流程按照半导体器件设计原则导入工艺编辑器，系统通过计算生成整个工艺流程的实操动画，并对工艺设计的合理性进行评估和反馈。

进一步的，工艺编辑器能够调用原材料模块和设备模块，每一步工艺都能够选择所使用设备与材料，并能够设定工艺参数以及工艺环境。

进一步的，工艺操作模块可以实现清洗、匀胶、光刻、刻蚀、氧化、注入、材料生长、减薄抛光、引线以、划片以及键合等单步工艺操作；也可以在工艺设计模块的基础上完成多步工艺甚至器件完整工艺的操作流程。

进一步的，操作过程中过长的等待时间可以人为选择跳过或者倍速，以节约培训时间。

进一步的，学员穿使用VR设备，可交互物体在学员视野中央时会有高亮显示，学员可以通过转动视角、移动手柄和点击手柄上的按钮进行交互操作。而使用AR设备时可以通过各种特定手势以及AR智能眼镜上的按键进行交互。交互操作包括拾取、放置、挥动、投掷、开关门、点击按钮、拨动开关、旋转旋钮、镊子夹取、液体或粉末倾倒和仔细观察等等。关键步骤操作成功后会有提示音效，而操作失误会被系统指出。

进一步的，工艺操作模块中模拟了一个功能完备的超净间，各个工艺在不同的仿真工艺间中完成。学员可按照提示以及各个工艺间的进出规范往来于各个工艺间之间。

进一步的，虚拟人物的行走可以通过手柄控制，也可以在足够大的安全的空间内，通过VR设备上的惯性测量单元以及定位设备，捕捉人的实际行走行为，并在虚拟场景中加以体现。

进一步的，工艺操作模块分为教学模式和练习模式。

教学模式通过各种案例演示操作步骤以及安全准则，学员可以根据动画示例、文字与语音提示进行相应的操作。教学模式的重点在于让学员了解仪器与设备的使用规范，熟悉各种操作的实施方式和手法，掌握各个工艺的操作流程。

训练模式中学员可以选择预设的单个工艺或工艺流程，也可以自定义工艺流程。在学员自行操作中通过手柄的振动反馈增强操作的体验感；而训练过程中的一些违规和危险操作也会通过画面、音效和振动反馈予以提示与纠正。完成训练后系统会根据训练的完成度和操作的正确性给予评分。

进一步的，在VR终端上，图像和音频处理系统可以对教师和学员的影像和音频进行实时处理。图像处理系统将教师和学员的影响转换为VR模型显示在VR场景中，通过可穿戴VR设备的运动感知功能将人物VR模型与人的动作同步，实现人与设备以及人与人之间的实时交互。音频处理系统将教师和学员的语音实时传输至场景中，保证教师和学员之间的相互交流。

进一步的，在AR终端上，图像处理系统能够识别周围的人和事物，并能够对人和物附加相应的文字、语音和动画描述。音频处理系统不仅能够识别用户的语音指令，做出对应的反馈，还能够传输音频信号，保证实时语音交流。

进一步的，培训模式分为单机模式和联网模式，单机模式中课程的讲解由虚拟助教单独进行，联网模式中课程的讲解可以由教师单独进行，也可以由教师和虚拟助教相互配合进行。

进一步的，测评系统不仅可以对学员在培训课程中的操作进行实时监控，并由智能讲解系统纠正错误，同时还能够根据预先设定，对学员在安全防护、设备使用、工艺原理、工艺操作进行一系列的测试，并给出测评结果。

进一步的，测试过程既可由教师可根据学员实际操作打分，也可由系统智能评定打分，亦可两者相互综合，给出最终成绩。

进一步的，所述基于VR和AR的半导体微纳加工工艺实训系统具有半导体微纳加工工艺学习、训练和考核测评等功能。半导体微纳加工课件系统是整个系统的内容核心，涵盖了半导体微纳加工工艺技术各个方面的知识和技能。

进一步的，所述基于VR和AR的半导体微纳加工工艺实训系统能够在虚拟空间中提供不同种类的仿真匀胶机、光刻机、刻蚀机、材料生长设备、封装设备、检测设备、注入设备、热处理设备、氧化设备和抛光减薄设备。

进一步的，所述基于VR和AR的半导体微纳加工工艺实训系统能够提供接近乎真实超净间的培训环境。

进一步的，所述基于VR和AR的半导体微纳加工工艺实训系统支持多人同时在线学习，具有共享性与互动性的特点。

进一步的，所述基于VR和AR的半导体微纳加工工艺实训系统架构科学合理且开放灵活；依托先进的VR技术和互联网技术，将复杂的半导体微纳加工工艺整合成完整的训练系统，其软硬件可以与时俱进，不断更新升级，内容与功能能够阶梯式扩展。

综上所述，本发明利用VR/AR技术，通过构建半导体微纳加工过程的虚拟场景，能实现半导体微纳加工工艺技术的教学、训练、模拟操作与考核评估，可支持多人同时在线学习，信息实时共享，有利于扩大半导体工艺人员的培训规模和效率，具有操作安全、交互感强烈、沉浸式体验、成本低、效率高等特点。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及若干较佳实施例，对本发明的技术方案进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为半导体微纳加工工艺VR/AR实训平台的整体框架结构。

实施例1超净服穿戴以及超净间进出

如图2所示，学员穿戴好VR设备，登录进入实训系统，进入安全防护模块，选择进出超净间。按照系统提示通过第一更衣室门禁，将外套脱下放至衣柜中，之后进入第二更衣室。根据动画示例穿着超净服，其顺序为：戴一次性手套，戴一次性发网，戴一次性口罩，穿超净服，戴超净帽，穿超净鞋。穿戴完成后在镜子前整理超净服，确保穿着规范。之后按照语音提示进入风淋间，按规定风淋后，离开风淋间。

实施例2模拟消防演习

如图3所示，学员穿戴好VR设备，登录进入实训系统，进入安全防护模块，选择消防演习。根据系统提示，先观察超净间空间三维模型以及逃生路线。熟悉逃生路线后，选择演习开始。在警报响起后，根据系统提示的逃生路线迅速离开超净间。

实施例3材料观察

如图4所示，学员穿戴好VR设备，登录进入实训系统，进入原材料模块，场景切换至材料储藏室。找到衬底储藏柜并打开，取出样品盒，通过VR手柄交互按钮拿出虚拟镊子，使用镊子从样品盒中夹起四寸单晶硅衬底观察。将四寸单晶硅衬底移至视野中央，一秒钟后衬底上方自动展开其属性参数，包括：半径、厚度、导电类型、掺杂元素及掺杂浓度、电阻率范围、少子寿命、晶粒大小、含碳量和含氧量等等。观察结束后将衬底放回至样品盒中，再将样品盒放回原处，关闭柜门。

实施例4光刻设备学习

如图5所示，学员穿戴好VR设备，登录进入实训系统，进入设备模块，选择光刻机，场景切换至光刻间。找到虚拟助教，使用VR手柄上的交互按钮点击助教身边的交流按钮进入对话。短暂对话后弹出设备预览界面，界面显示了不同设备的简略信息。在众多光刻设备中选择MA6光刻机，之后跟随助教引导至MA6光刻机处，再将视角中心移至助教处，点击助教身旁的讲解按钮，开始设备讲解课程。另外当视角中心移至设备不同的部位会在该部位触发高亮显示并出现“讲解”交互选项，点击讲解，触发助教对该高亮部分的单独讲解。首次讲解结束后，解锁助教身边的操作选项，点击操作选项，在助教的指引下，使用VR手柄的交互功能，开始设备的试操作。学习结束后推开虚拟光刻间的门离开光刻间进入主界面。

实施例5刻蚀工艺原理讲解

如图6所示，学员和教师穿戴好VR设备，登录进入实训系统，在教师的组织下进入工艺设计模块，场景切换至工艺设计教室。老师打开教学界面，选择RIE(反应离子刻蚀)原理，展开RIE原理三维模型，并开始讲解。通过VR手柄上相应的交互按钮，可以对模型进行拖动、旋转、放大、缩小以及三维动画播放。讲解过程中学生可以通过VR手柄上的交互按钮举手提问，师生间通过语音系统相互交流。课程结束后，教师点击讲台上的“结束教学”选项，所有人传送离开教室，进入主界面。

实施例6器件工艺设计

如图7所示，学员穿戴好VR设备，登录进入实训系统，进入工艺设计模块，选择工艺编辑器。学员将自己设计的工艺依次导入编辑器中，等待系统生成相应的三维动画和评估报告。若报告中指出工艺设计的不合理，点击“纠正”选项，三维动画跳转至该工艺步骤，由虚拟助教讲解工艺的不合理之处，并给出修改意见。

实施例7光刻工艺操作实训

如图8所示，学员和教师穿戴好VR设备，登录进入实训系统，教师根据课程安排选择系统中的光刻课程，并组织学员进入工艺操作模块，场景切换至仿真超净间。在教师的组织下，学员按照规定进入仿真超净间更衣室，并穿戴好超净服，风淋后进入超净间内部。教师通过VR手柄与仿真设备的交互功能，对每个工艺步骤的操作加以演示。

首先准备好有预设图形的单晶硅片，进入有机清洗间，移动VR手柄，使仿真手置于玻璃器皿处，点击手柄上的按钮取出清洗器皿，按照规定将硅片放入器皿中，并使用VR手柄取出清洗液，倾倒在器皿中，再将硅片连同器皿一起放入超声清洗机中清洗，超声清洗结束后按规定的操作流程与时间，用高纯水二次清洗，最后用氮气枪将清洗好的硅片吹干，放入片盒中。该过程中，正确的操作会有高亮显示，提示用户可以继续进行；错误的操作会引起手柄振动反馈，提醒用户需要多加小心。相关的操作数据会被记录和储存。学员在教师演示后自行练习。

清洗后教师带领学员进入匀胶间，根据工艺需求，从冷藏柜中取出相应的光刻胶。根据硅片的大小，选择合适的基座安装在匀胶机上，转动VR头盔，将匀胶机的设定界面移到视野中央，并按照工艺标准设定匀胶机转速、匀胶时间等参数。使用VR手柄的交互功能将硅片放置在基座上，点击匀胶机上抽真空按钮使硅片固定。用一次性滴管吸取足量的光刻胶滴在硅片中央，点击匀胶机上的开始按钮启动匀胶机。等待过程中移动到匀胶机旁边的热板前，设定热板温度和烘烤时间，待匀胶结束后破真空取下硅片，并将其放在热板上烘烤，烘烤结束后使用蘸有酒精的棉签去胶边。最后将硅片放入片盒中，并装入遮光袋中防止光刻胶提前曝光。该过程中，正确的操作会有高亮显示，提示用户可以继续进行；错误的操作会引起手柄振动反馈，提醒用户需要多加小心。相关的操作数据会被记录和储存。匀胶过程中光刻胶用量，滴胶是否正确，烘烤时间是否正确等因素对匀胶质量的影响都能够在硅片上表现出来。学员在教师演示后自行练习。

匀胶后教师带领学员进入光刻间。光刻间中的光刻机默认为待机状态。光刻机在使用时先要按规定选用合适硅片大小的基座，使用VR手柄取出并安装好基座，之后对显微系统调零。准备工作完成后将光刻板从储物柜中取出，安装在光刻机上，并设定好光刻模式与时间。从片盒中取出已经完成涂胶的硅片，至于基座上，点击加载键将硅片固定在基座上，并将基座推入光刻机内。降下显微镜，观察硅片上的预设图形，并使图形中的标记与光刻板上的标记对准，确认无误后选择曝光。完成曝光后按规定取出硅片放入片盒中，之后取下光刻板，并对显微系统归零。该过程中，正确的操作会有高亮显示，提示用户可以继续进行；错误的操作会引起手柄振动反馈，提醒用户需要多加小心。相关的操作数据会被记录和储存。学员在教师演示后自行练习。

光刻结束后在水槽中调配适量显影液并准备适量纯水，计时器设定合适的时间。将硅片浸入显影液中同时按下计时器，计时结束后取出硅片浸入水中重新开始计时，计时结束后吹干硅片，放入片盒中，完成显影。该过程中，正确的操作会有高亮显示，提示用户可以继续进行；错误的操作会引起手柄振动反馈，提醒用户需要多加小心。相关的操作数据会被记录和储存。学员在教师演示后自行练习。

每个学员都安排有一位虚拟助教，为保证课堂不至于太过混乱，学员仅能与自己的虚拟助教互动，他人的虚拟助教均不可见。学员在自行操作中可以举手向教师提问，也可通过互动选项向虚拟助教提问。同时虚拟助教也会指出学员在操作中存在的问题，并给出解决方案。

工艺结束后，学员在老师带领下回到第二更衣室，按规定脱下超净服，离开超净间进入主界面。

实施例8基于CAVE系统的培训观摩

在空间足够大的室内搭建CAVE系统，采用超大环绕式显示屏与立体音响系统。学员穿戴好VR设备，登入半导体微纳加工实训平台展开培训，CAVE系统显示屏和音响系统与学员VR头盔中的影像和音效同步放映。观摩人员在观摩区域佩戴CAVE系统配套的VR眼镜进行观看，亦会有身临其境的感觉。

实施例9基于AR眼镜的学习模式

类似地，上述实例大部分可由AR眼镜替代完成。学员佩戴好AR智能眼镜，利用AR眼镜上的摄像头和动作捕捉系统，能够完成诸如转动视角、放大观察、拾取放置、拆解剖分、点击按钮等等各种交互操作。在实训室中放置模型、图案以及二维码，通过AR眼镜对环境的识别和扩充功能，将存储在软件内部的关于模型、图案以及二维码的相关信息展开，做到虚拟与现实的交融。而且由于AR技术的实时定位与地图功能，可以使多人共同与同一虚拟模型交互，而且教学双方相互可见，增强了教学过程中人与人之间的互动。

本发明一典型实施案例中VR一体机形式中设备与网络连接示意图请参阅图9，虚拟场景CAVE系统形式中设备与网络连接示意图请参阅图10，AR智能眼镜形式中设备与网络连接示意图请参阅图11。本发明一典型实施案例中客户端设备架构图请参阅图12，VR一体机形式中客户端设备组成示意图请参阅图13，本发明一典型实施案例中虚拟场景CAVE系统形式中客户端设备组成示意请参阅图14，AR智能眼镜形式中客户端设备组成示意图请参阅图15。

本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。

在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。

在本发明案通篇中，在将组合物描述为具有、包含或包括特定组份之处或者在将过程描述为具有、包含或包括特定过程步骤之处，预期本发明教示的组合物也基本上由所叙述组份组成或由所叙述组份组成，且本发明教示的过程也基本上由所叙述过程步骤组成或由所叙述过程步骤组组成。

应理解，各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要，只要本发明教示保持可操作即可。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。

此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。

尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (8)

1.一种基于VR和AR的半导体微纳加工工艺实训系统，其特征在于包括微纳加工课件单元，以及与所述微纳加工课件单元通过互联网连接的支撑硬件单元和支撑软件单元，

其中，所述微纳加工课件单元包括半导体微纳加工技术中的安全防护模块、原材料模块、工艺原理模块、半导体设备模块、工艺设计模块和工艺操作模块，所述半导体设备模块包括构建半导体微纳加工使用的清洗器皿和清洗设备、匀胶机、光刻机、刻蚀机、材料生长设备、封装设备、检测设备、注入设备、热处理设备、氧化设备、抛光减薄设备或划片设备，所述工艺设计模块还包括工艺编辑器，能够快速编辑或导入工艺流程，至少用以预估工艺的时长、验证工艺可行性或共享工艺流程，所述工艺操作模块的课程以安全防护模块、原材料模块、工艺原理模块、半导体设备模块和工艺设计模块为基础，对工艺的实际操作进行教学与实训；

所述支撑硬件单元包括主控台、VR服务器、客户端和教学现场录像单元，其中客户端包括含有VR/AR技术的CAVE系统、VR头显、AR眼镜中的至少任意一种；

所述支撑软件单元包括中央控制单元、互联网数据单元、登录单元、图像和音频处理单元、智能讲解单元和考核评估单元，所述考核评估单元至少用以在对学员在培训课程中的操作进行实时监控，并由智能讲解单元纠正错误，同时还能够根据预先设定，对学员在安全防护、设备使用、工艺原理、工艺操作进行一系列的测试，并给出测评结果。

2.根据权利要求1所述的基于VR和AR的半导体微纳加工工艺实训系统，其特征在于：所述安全防护模块的教学、训练和考核内容包含超净间进出准则、超净服饰穿戴、化学药品存储、使用安全准则、危险情况急救处理、设备操作、保养安全准则、设备报警处置方案或超净间消防安全模拟。

3.根据权利要求1所述的基于VR和AR的半导体微纳加工工艺实训系统，其特征在于：所述原材料模块的教学、训练和考核内容包括固体物料、试剂与特种气体的性能参数、使用方法、使用条件以及不同厂商来源的性能比较。

4.根据权利要求1所述的基于VR和AR的半导体微纳加工工艺实训系统，其特征在于：所述工艺原理模块的课程采用三维模型、三维动画、语音讲解中的至少一种方式剖析光刻工艺、刻蚀工艺、各类材料生长工艺、氧化工艺、注入工艺、键合工艺、减薄抛光或划片工艺的原理。

5.根据权利要求1所述的基于VR和AR的半导体微纳加工工艺实训系统，其特征在于：所述半导体设备模块的教学、训练和考核内容包括设备性能参数、设备操作流程、设备使用技巧和设备报警紧急处理方案。

6.根据权利要求1所述的基于VR和AR的半导体微纳加工工艺实训系统，其特征在于：所述工艺设计模块的教学、训练和考核包括工艺参数的选择、工艺流程的设计和优化、不同工艺方案的对比。

7.根据权利要求1所述的基于VR和AR的半导体微纳加工工艺实训系统，其特征在于：所述工艺操作模块的教学、训练和考核内容包括清洗、匀胶、光刻、刻蚀、氧化、注入、材料生长、减薄抛光、引线、划片或键合。

8.权利要求1-7中任一项所述的基于VR和AR的半导体微纳加工工艺实训系统于半导体微纳加工领域中的用途。

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