新工科背景下激光技术与集成电路的交叉融合及学科建设路径探索

一、引言

随着我国经济社会与科技水平的深度发展，高端技术领域对人才知识架构的复合性提出了更高要求。以光刻机为例，这类集光学系统设计、精密机械制造、微电子工艺等多学科于一体的尖端设备，其研发与迭代已无法依靠单一学科人才独立完成——从极紫外光源的激光物理机制研究，到纳米级光刻精度的机械控制，再到芯片制程的半导体工艺优化，每一个环节都需要跨学科知识的协同创新。这种产业实践的现实需求，本质上折射出全球集成电路产业正面临的共性技术挑战，也迫切要求高等教育打破传统学科壁垒，构建以交叉融合为特征的新型人才培养体系。

从全球产业演进视角看，当前集成电路技术正经历着历史性变革。芯片制程持续向 3nm 及更先进节点演进，集成度呈现指数级增长态势，但传统技术路径已逼近物理极限。根据国际半导体技术路线图（ITRS,2020）[1]，当芯片制程进入 7nm 以下节点后，传统光刻、刻蚀等制造工艺的成本效益比急剧下降，工艺稳定性控制难度呈几何级增长，亟需引入新型技术突破物理约束。与此同时，美国半导体工业协会（SIA）与半导体研究联盟（SRC）联合发布的《微电子和先进封装技术路线图》[2]亦指出，基于特征尺寸缩小的传统半导体技术已接近发展瓶颈，新技术节点推进速度显著放缓，异构集成与跨学科技术融合成为产业破局的关键方向。

激光技术在集成电路芯片制造领域优势显著，其无机械接触、具备纳米级加工精度、热影响范围小且能量密度可控[3-5]。在先进制程中，激光技术助力极紫外光刻（EUV）推动制程向 3nm 及以下节点迈进[6,7]。例如，通过激光等离子体光源（LPP-EUV）可产生 13.5nm 极紫外光，满足 7nm 以下节点量产需求[8]。在先进封装领域，硅通孔（TSV）激光制孔技术实现了 3D 封装垂直互连，连线距离能缩短至几十微米，有效降低了延时与功耗[9,10]；激光解键合技术能在室温下实现超薄晶圆免力脱胶，降低破片率且无应力损伤，适用于 Chiplet 工艺中的临时键合/解键合流程[11,12]。利用激光划片与隐形切割（SD）技术对蓝宝石、硅晶圆等脆性材料进行非接触加工，可减少微裂纹、缩小划片槽宽度，提升芯片产出效率与可靠性[13,14]。激光退火技术能高效激活源漏极掺杂杂质，精确控制温度与时间以抑制短沟道效应，满足 45nm 以下节点超浅结工艺需求[15,16]。此外，激光技术激光技术助力异构集成可降低单节点投入，为突破传统摩尔定律物理极限、降低制造成本提供关键支撑[17,18]。从上述数据不难发现，面向集成电路的激光应用属于目前激光产业技术“制高点”之一，是激光技术未来发展的重要趋势[19]。

因此，在集成电路产业面临技术瓶颈与转型压力，激光技术成为突破关键的背景下，于光学工程专业中引入集成电路相关教育，在集成电路专业中加入激光技术相关课程，对两个专业建设具有不可忽视的重要意义。单一学科知识体系已难以满足产业对技术创新和复合型人才的需求。光学工程中的激光技术与集成电路学科的交叉融合，通过构建跨学科知识体系，为创新人才培养提供了新范式。这种学科交叉融合模式，有助于培养兼具激光加工技术与集成电路设计制造能力的复合型人才，为产业持续发展注入创新动力。

二、激光技术与集成电路交叉融合的学科建设路径

激光技术与集成电路交叉融合学科建设应包含课程体系优化、实践平台搭建、师资队伍建设三个方面，下面将对其进行具体阐述。

2.1 优化课程体系

在集成电路产业面临技术瓶颈、激光技术成为突破关键的背景下，集成电路和激光技术两个学科的交叉融合对学科建设意义深远，而课程体系优化则是实现深度融合的核心路径。通过构建系统且具有前瞻性的交叉课程体系，能够有效整合学科资源，培养适应产业发展需求的复合型人才，进而推动学科建设迈向新高度。传统的课程体系中，集成电路与激光技术分属不同学科领域，课程内容相对独立，导致学生知识结构单一，难以应对跨学科的复杂问题。优化后的课程体系应打破这种壁垒，构建“光学-激光技术-集成电路”三位一体的交叉课程结构。在光学工程专业课程体系中，除了传统的光学原理、激光原理等基础课程外，可增设集成电路制造工艺、半导体器件物理、光刻技术原理等核心课程。例如，在《半导体器件物理》课程中，详细讲解集成电路中晶体管的工作原理与制造工艺，使学生理解激光技术在晶体管尺寸缩小、性能提升过程中发挥的作用。同时，设置激光与集成电路交叉课程模块，如《激光光刻技术与应用》《激光微纳加工与集成电路制造》等。以《激光光刻技术与应用》为例，课程将深入剖析激光等离子体光源（LPP-EUV）在极紫外光刻中的应用原理，以及如何通过优化激光参数提升光刻分辨率，让学生系统掌握激光技术在集成电路光刻环节的关键技术与应用场景。

在集成电路专业课程体系中，同样需要融入激光技术相关课程。除了电路设计、集成电路版图设计等传统课程外，增加激光原理、激光加工技术、激光检测技术等课程。如《激光加工技术》课程，会围绕激光划片、激光退火、激光解键合等在集成电路制造中的应用展开教学，使学生掌握利用激光技术解决集成电路制造工艺难题的方法。此外，开设交叉融合课程，如《集成电路激光封装技术》，将激光技术与集成电路先进封装工艺相结合，讲解硅通孔（TSV）激光制孔、激光焊接等技术在 3D 封装中的应用，拓宽学生的知识视野，培养其跨学科思维。

2.2 搭建实践平台

优化课程体系的核心在于构建多层次、递进式的实践教学体系，而“激光-集成电路”交叉实践平台的建设则是这一体系的关键支撑。实践平台应配备EUV光刻模拟系统、飞秒激光加工设备、芯片封装测试仪器等先进设备，通过功能分区实现教学资源的高效利用。其中，基础实验区聚焦于学生基础技能培养，可配置激光加工设备、集成电路制造工艺实验平台等基础仪器，学生可在此完成激光聚焦、光刻胶曝光、硅片清洗等标准化操作，系统掌握激光参数调试、半导体材料处理等基础工艺；综合实训区可以集成电路制造全流程为导向，通过串联激光光刻、刻蚀、薄膜沉积等工序，让学生在模拟产线环境中完成从芯片设计到封装测试的完整流程实践，从而深化学生对跨学科技术协同应用的理解；创新研发区则面向前沿技术探索，依托飞秒激光微纳加工系统、高精度检测设备等，支持学生开展激光诱导材料改性、新型封装结构开发等跨学科创新项目，推动学术研究与产业需求的深度对接。

结论

随着我国经济社会与科技水平的深度发展，高端技术领域对人才知识架构的复合性提出了更高要求。在新工科背景下，激光技术与集成电路的交叉融合是光学工程与集成电路学科发展的必然趋势。通过优化“光学-激光技术-集成电路”三位一体的课程体系、搭建“基础实验-综合实训-创新研发”多层次实践平台，以及建立“内培外引-产教融合”的师资建设机制，可实现学科资源的深度整合与创新人才的定向培养，切实满足集成电路产业对跨学科技术人才的迫切需求。未来需持续跟踪产业技术动态，在课程内容更新、设备迭代升级、校企合作深化等方面完善学科建设方案，进一步拓展交叉融合的广度与深度，为我国集成电路产业的高质量发展提供坚实的人才与技术支撑。

参考文献：

[1]International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS). https://irds. ieee.org/images/files/pdf/2020/2020IRDS_ES.pdf.

[2]Microelectronics and Advanced Packaging Technologies Roadmap. https://srcmapt.org/

[3]Smith, J. et al. "Nanoscale Precision in Laser - Assisted Semiconductor Manufacturing." Journal of Microelectronics, 2022, 45(3): 234 - 245.

[4]Johnson, A. et al. "Minimizing Thermal Effects in Laser Processing for Integrated Circuits." IEEE Transactions on Electron Devices, 2021, 68(5): 2012 - 2020.

通信作者：杨阳，男，教授，博导

该论文由四川大学“人工智能赋能创新型实践教育综合改革研究专项”资助