微電子專業(yè)實踐培養(yǎng)的問題分析及方法探索

姚育成 呂輝 楊道虹 耿亮 李勁

摘要在“新工科”背景下，本文在調研基礎上分析了微電子專業(yè)實踐培養(yǎng)的問題，結合我校微電子專業(yè)實踐平臺建設和教學，討論了微電子分層次專業(yè)實驗內容設置、校外校內實習和分散式校企聯合培養(yǎng)等實踐教學內容和方法，為培養(yǎng)芯片產業(yè)人才服務。

關鍵詞 實踐培養(yǎng) 微電子 校企合作

中圖分類號：G642文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.13.021

Analysis and Method Exploration of the Practical Training of Microelectronics

YAO Yucheng[1]， LV Hui[1]， YANG Daohong[2]， GENG Liang[1]， LI Jing[1]

（[1]School of Science， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068；[2]Hubei Semiconductor Association， Wuhan， Hubei 430068）

AbstractUnder the background of the emerging engineering education，the microelectronics practical training problems were analyzed based on the investigation. The microelectronics hierarchical professional experiment content setting，practical training inand outthecampusand distributeduniversity-enterprise trainingwerediscussedcombining withourschoolmicroelectronicspracticalteachingandpracticeplatformconstruction.Itcanservethetalentcultivation of chip industry.

Keywordspractical training； microelectronics； university-enterprise

1微電子專業(yè)實踐要求及其重要性

微電子技術是基于半導體工藝的微電子器件及電路系統集成的技術。隨著集成度的提高，芯片設計和工藝的聯系越來越緊密，工藝技術的基礎地位更加凸顯，[1]設計和工藝的一體化實踐訓練成為芯片制造工程師和系統集成設計工程師的共同要求。

微電子專業(yè)基礎涉及抽象的物理知識和概念，偏重于微米、納米級物理效應的研究，知識體系復雜，如果沒有實驗教學相結合，學生很難理解抽象的物理效應和實際的半導體器件和工藝之間的聯系，也無法調動學生的學習興趣和積極性。[2]缺乏設計和工藝一體化實踐，學生無法理解工藝對半導體器件特性及電路集成的極限影響，理論設計也就變成了空中樓閣，微電子制造工藝等專業(yè)核心知識學習和能力培養(yǎng)更是直接基于實踐，離開實驗的工藝學習則完全是無源之水，根本無法達到知識能力培養(yǎng)的要求。因此科學足量的實踐訓練內容和科學的實踐培養(yǎng)方法是微電子創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)的基本保證。

2目前微電子專業(yè)實踐培養(yǎng)存在的問題

2.1校外實習環(huán)境要求高，規(guī)?；袑嵙曤y以落到實處

實踐訓練一個最重要的方式就是實習，學生通過在企業(yè)生產線參觀和操作，達到綜合實踐能力訓練目的。但微電子專業(yè)相關的集成電路、微電子器件等生產環(huán)境為超凈環(huán)境，生產環(huán)境的控制要求極高，生產現場的人員人數及出入都要符合一定標準。因此，相關企業(yè)的微電子生產工藝線通常不允許大批學生到現場進行參觀學習，加上企業(yè)技術保密等因素，學生能有機會在企業(yè)遠遠的隔著玻璃墻走馬觀花已算不錯，集體性實習操作無法實現。[3]根據我們組織的學生到武漢新芯集成電路制造有限公司和武漢天馬微電子股份有限公司認知實習的情況看，大規(guī)模學生到企業(yè)進行生產實習不夠現實，學生實習主要以參觀通道參觀為主。因此如果沒有相應的補充措施，實習訓練就無法落到實處，達不到實踐能力培養(yǎng)的要求。

2.2學校一般性實驗經費投入，無法滿足微電子工藝實踐培養(yǎng)需要

微電子實驗內容主要是基于半導體材料和半導體物理的微電子器件和電路集成的設計、制造和封裝相關技術和工藝實踐，[5]與傳統的電路板焊接、電子設備組裝等電子實訓已不屬于同一層次，實驗條件要求大大提高，設備昂貴，同時就要較高的運行維護費用，一般教學設備投入無法滿足微電子工藝實踐培養(yǎng)的需要。國內高校走訪調研結果顯示，除了部分擁有國家示范微電子學院的高校外，其他高校缺乏完整的微電子工藝實踐平臺，開不出微電子工藝實驗課。微電子工藝、微電子器件等教學只能停留在課堂教學階段，此類實踐性要求高的課程無法達到良好的教學效果，同時也影響了所學理論知識的深入理解。

2.3實驗條件的不足，造成實踐內容設置的方向性偏離

因為缺乏實驗平臺，大部分高校微電子實驗集中在集成電路設計和簡單的半導體器件性能測試，微電子人才培養(yǎng)中也不自覺的存在重設計、輕工藝的方向性偏離。[5]部分將本應起輔助作用的虛擬仿真作為工藝實驗全部，加上企業(yè)實習的難度，使學生始終沒有微電子工藝設備和工藝過程的實際感受。從頭到尾都是書本及屏幕里的實驗教學無法使學生產生工程認知，難以激發(fā)學生的興趣及潛能，達不到學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的要求。

3微電子實踐平臺建設的探索

3.1區(qū)域資源整合，形成微電子專業(yè)實驗條件

微電子專業(yè)實驗平臺是專業(yè)實踐有效開展的基礎，微電子專業(yè)實驗平臺包括設計、工藝和測試三個方面，開展微電子工藝實驗不僅要求光刻、鍍膜、刻蝕等昂貴工藝設備，同時要求潔凈工藝環(huán)境和硅片、光刻膠、清洗液、鍍膜靶材、工藝及輔助氣體等耗材，實驗平臺建設和運行費用極高，學校一般性實驗經費投入，難以完成。國內高校走訪調研結果顯示，即使國建有國家示范微電子學院的高校，在微電子專業(yè)實驗開設過程中也存在運行和維護費用問題，因此根據實際條件進行區(qū)域資源整合是建設微電子專業(yè)實驗平臺的最佳方法。通過區(qū)域內多所高校和企業(yè)合作，共同打造微電子專業(yè)實驗、實訓平臺，如在一個中心城市區(qū)域內，根據現有基礎條件和要求，政府推動由多所高校和企業(yè)在一個高?；蚱髽I(yè)打造微電子實驗、實訓共享平臺，這樣既能夠解決了實驗平臺的有無問題，又可以提高平臺使用效率，降低平臺單位使用成本，同時實現良好的學生實踐培養(yǎng)和企業(yè)員工培訓服務。

3.2虛擬仿真和工藝實操相結合，提高實驗平臺效率及實驗安全性

微電子工藝實驗需要環(huán)境條件、實驗設備和大量耗材，成本高。在等離子增強氣相化學沉積、反應離子刻蝕等工藝實驗環(huán)節(jié)存在硅烷等危險氣體，風險高，學生不具備操作。適當配置部分工藝實驗環(huán)節(jié)的虛擬仿真實驗，為學生提供虛擬的實驗訓練平臺，同時補充該實驗的教師操作，學生觀摩體驗內容，在保證教學效果的基礎上既可以大大節(jié)約實驗成本，又提高了實驗安全性。本校微電子工藝實驗在PECVD薄膜沉浸和反應離子刻蝕等特殊實驗環(huán)節(jié)設置虛擬仿真，同時設置了教師操作，學生觀摩，教學效果良好。

3.3擴大校企合作，形成企業(yè)學生實踐活動雙選平臺

企業(yè)一線實習實踐始終是學生實踐培養(yǎng)的最好方法。因為微電子類企業(yè)生產的特殊性，學生集中性實習條件企業(yè)無法提供，因此分散化企業(yè)實習實踐是實踐培養(yǎng)的良好形式。一般企業(yè)接收數量在2-5人，因此實現大部分學生能夠進入企業(yè)需要比較龐大的合作企業(yè)群，共同打造好校企聯合培養(yǎng)推薦平臺。

4微電子專業(yè)實踐教學探索

4.1分層次設置實驗內容，形成完整的專業(yè)實驗體系

4.1.1跟隨課程，設置專業(yè)基礎實驗

作為電子信息類人才培養(yǎng)，模擬電子技術、數字電子技術、半導體物理，半導體器件等隨課程設置基礎學習和認知實驗，提高學生對理論知識的理解和基礎半導體器件的認識能力。微電子專業(yè)實驗突出在半導體物理和半導體器件原理、結構、和性能測試等內容，通過實驗同學可以驗證相關專業(yè)理論，加深對半導體器件設計理論的認識，提高理解、思維能力和實驗能力，為進一步的學習打下堅實的基礎。

4.1.2隨著專業(yè)知識深入，開展綜合性專業(yè)實驗

隨著微電子工藝學和集成電路設計等專業(yè)理論內容的學習，集中設置集成電路設計和微電子工藝綜合實驗。完成集成電路或器件邏輯設計、版圖設計，以三極管或MOS管等微電子器件為例，集中完成氧化、光刻、刻蝕、擴散、薄膜沉積等晶圓制造的主要制作工藝實驗，結合工藝過程，配置微電子工藝中測及成測等環(huán)節(jié)所必需的顯微結構測試、膜厚測試和半導體特性測試等測試實驗。通過綜合實驗，使學生掌握集成電路設計原理，熟悉EDA工具，通過親手完成半導體器件制造的整個工藝流程，充分理解和掌握半導體器件及制造工藝特點，培養(yǎng)學生對半導體器件原理研究的興趣，促進學生將來從事半導體工藝物理方面的研究。

4.1.3設立大學生專業(yè)競賽實訓

目前國家級集成電路設計大賽已具有較大規(guī)模。實驗內容設計時，靈活設置賽課實踐內容，以集成電路設計大賽為目標引導，設立了大學生集成電路設計大賽實訓項目和集成電路設計大賽校賽。學生根據自己興趣自愿報名，組成團隊參加自主選擇指導老師，在指導老師幫助下完成創(chuàng)新實踐計劃項目，作為集成電路設計大賽區(qū)賽及國賽的實訓和選拔。學生通過參加一系列競賽課項目，提高了學習積極性和主動性，提高了分析問題和解決問題的能力。

4.1.4設立大學生創(chuàng)新實踐項目

創(chuàng)新設計型實驗是鍛煉學生創(chuàng)新能力的最有效方法。整合校企合作實訓、技術研究合作和專業(yè)競賽等實際項目內容，根據實際條件合理取舍，形成設計型項目實驗內容，將集成電路和微電子專業(yè)學生交叉組合形成若干實驗小組，以項目小組的形式開展集成電路或微電子器件設計，利用無掩膜光刻實現項目小組設計作品的流片實驗、最終完成設計作品的相關性能測試。通過項目作品的自主設計、流片操作，極大提高了學生的創(chuàng)新設計能力和動手操作能力，實現綜合創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)。

4.2加強校企協同，構建多樣化實踐教學模式

4.2.1融合實踐項目，構建校外-校內實習模式

微電子專業(yè)企業(yè)大規(guī)模生產實習不能深入落地是客觀事實，通過校外企業(yè)參觀實習和校內綜合項目實驗操作落實實習實訓，使學生生產實習落到實處，實現學生綜合實踐能力培養(yǎng)。以我校集成電路和微電子專業(yè)學生為例，實習分為企業(yè)參觀實習和校內項目設計和操作兩部分：首先到長江存儲、武漢新芯集成電路制造有限公司、天馬微電子股份有限公司等企業(yè)實地參觀生產環(huán)境、生產設備和生產過程，開設介紹微電子行業(yè)基本生產技術和行業(yè)發(fā)展動態(tài)等內容的專題講座，使學生對現代工業(yè)生產方式、本行業(yè)生產常用儀器設備及自動化程度、目前發(fā)展的先進設備和工藝水平及微電子行業(yè)的國內外現狀與發(fā)展等產生系統了解。然后依托校內芯片設計與工藝實驗中心集成電路設計和微電子工藝實驗平臺，對整合的項目實驗內容，以項目小組的形式進行作品完成設計作品、制造工藝操作和相關性能測試，利用校內相對簡單和自動化程度低的工藝實驗平臺，完成無法在企業(yè)完成的實操訓練。通過參觀實習和項目設計、工藝實驗一體化，既保證了學生對工業(yè)生產的整體認知，又解決學生企業(yè)生產線實習無法深入落地問題。

4.2.2分散化聯合實踐培養(yǎng)，實現實習就業(yè)一體化

隨著國內用工環(huán)境變化和模式發(fā)展，學生實踐能力培養(yǎng)開始展現發(fā)達國家特點。微電子企業(yè)雖然無法針對大規(guī)模短時間的學生實習提供條件，但對小數量、針對性強、長時間的學生企業(yè)實習具有較強需求。為了便于學生企業(yè)實踐良好開展，開展校企合作班形式的實習實踐模式。學校積極和相關企業(yè)建立產學研合作，以此為基礎建立一定數量的合作企業(yè)群，企業(yè)和學生通過雙向選擇形成多樣化，分散形式的校企合作班群。學校從應用型課程的授課形式和選修課程的靈活設置保障學生實習實訓的時間，學生與不同企業(yè)形成小型化校企合作班群實現實習就業(yè)一體化。我校成立芯片產業(yè)學院，并積極的與長江存儲、天馬微電子、芯動科技、長飛光纖光纜股份有限公司、敏芯半導體股份有限公司等十余家企業(yè)建立合作關系，目前已有部分學生參與分散化聯合實踐培養(yǎng)，不僅提高了學生實踐能力，同時增強了就業(yè)能力。

4.3學生進企業(yè)，企業(yè)導師進課堂的教學模式

聘請集成電路設計、封裝和測試等領域工程師或企業(yè)家為企業(yè)合作導師，由企業(yè)導師完成部分課程和畢業(yè)設計等實踐教學內容。通過企業(yè)導師講授和指導，調動學生結合實際綜合分析能力。通過處理生產中接觸到的實際問題讓學生理解現有生產技術及個人如何適應微電子產業(yè)發(fā)展，讓學生感受到微電子產業(yè)及該產業(yè)人才應具備的專業(yè)素養(yǎng)。我校依托芯片產業(yè)學院，聘請了長江存儲、長飛光纖光纜股份有限公司、敏芯半導體股份有限公司等半導體企業(yè)12位企業(yè)工程師和高管為兼職教授。通過企業(yè)導師一學年的授課實踐情況看，大幅度提高了學生對相關技術的理解和專業(yè)知識學習的積極性。

5小結

新經濟發(fā)展形勢下，微電子等專業(yè)人才的快速高質量培養(yǎng)是產業(yè)發(fā)展的迫切要求。創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)是目前微電子專業(yè)人才培養(yǎng)面臨的難題。論文討論了微電子專業(yè)實驗內容和校外校內聯合實習、分散式實習方法，本校兩屆學生的培養(yǎng)實踐顯示出在提高學生創(chuàng)新實踐能力方面具有較好效果。

依托項目：基于校企合作班的光電專業(yè)學生實踐培養(yǎng)模式研究（2016034）；基于服務湖北省地方區(qū)域經濟的集成電路產業(yè)人才培養(yǎng)探索與實踐；集成電路專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)一體化實踐教學培養(yǎng)模式研究

參考文獻

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