微電子實驗教學(xué)平臺和教學(xué)體系的構(gòu)建與改革

劉瑤 陸翔

摘要：近年來微電子產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，對高校創(chuàng)新型微電子專業(yè)人才的培養(yǎng)提出了更高的要求。本文在調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，介紹了我校近幾年微電子實驗教學(xué)平臺的規(guī)劃建設(shè)和實驗體系的改革，包括覆蓋完整集成電路設(shè)計一制造一測試流程的三大實驗室的建立，實驗課程群的融合創(chuàng)新和分層體系，綜合研發(fā)性、設(shè)計性實驗教學(xué)內(nèi)容的加強以廈引入開放式、團(tuán)隊協(xié)作的教學(xué)模式。這些措施為提高學(xué)生的綜合實踐能力、培養(yǎng)高素質(zhì)人才打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：微電子；實驗教學(xué)平臺；實驗體系；教學(xué)改革

2018年的政府工作報告首度把集成電路列為加快制造強國建設(shè)需要推動的五大產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵詞首位。國務(wù)院印發(fā)的《集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展綱要》明確提出，2030年集成電路產(chǎn)業(yè)鏈主要環(huán)節(jié)達(dá)到國際先進(jìn)水平，一批企業(yè)進(jìn)入國際第一梯隊，產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。目前我國集成電路設(shè)計和微電子工藝等方面的人才缺口巨大，人才結(jié)構(gòu)明顯失衡，高端人才在集成電路設(shè)計、制造、設(shè)備、材料等多個環(huán)節(jié)嚴(yán)重匱乏。2022年我國微電子集成電路全行業(yè)人才需求達(dá)74.45萬人左右。然而截至2019年年底，相關(guān)從業(yè)人員只有51.19萬人，全行業(yè)人才缺口達(dá)20多萬人。2020年國務(wù)院印發(fā)的“若干政策”中提出在集成電路人才培養(yǎng)中，要緊密結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求及時調(diào)整課程設(shè)置和教學(xué)方式，因此微電子集成電路專業(yè)教育改革迫在眉睫。

作為“一帶一路”樞紐區(qū)域和東盟總部的廣西，它的最高學(xué)府廣西大學(xué)立足廣西服務(wù)全國，響應(yīng)新工科建設(shè)提出的“地方高校要對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級發(fā)揮支撐作用”，響應(yīng)國家對微電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的人才需求，其電子專業(yè)于2018年開始從傳統(tǒng)的以應(yīng)用電子方向為主的專業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向高端新興的微電子、光電子兩大方向組成的專業(yè)結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)型的過程中，實驗教學(xué)體系的建立與改革難度要遠(yuǎn)大于理論教學(xué)。對于實踐性強的微電子專業(yè)，實驗課程是教學(xué)的重要組成，須與理論教學(xué)相輔相成，有效地促進(jìn)和加深學(xué)生對理論知識的理解，并能在實驗中靈活運用相關(guān)理論，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用、設(shè)計和創(chuàng)新能力以及研發(fā)性思維模式。廣西壯族自治區(qū)內(nèi)的高校中，除了桂林電子科技大學(xué)和廣西師范大學(xué)，并無其他高校的電子類學(xué)科擁有微電子相關(guān)的實驗教學(xué)平臺。而桂林電子科技大學(xué)的微電子實驗建設(shè)偏重于通信射頻集成電路設(shè)計、測試封裝以及微電子基礎(chǔ)實驗，廣西師范大學(xué)只開設(shè)了集成電路設(shè)計實驗，兩所高校對微電子教學(xué)體系中的另一重要模塊——半導(dǎo)體工藝制造與器件實驗并無涉及。因此，我校在專業(yè)改革轉(zhuǎn)型的大方向下，從2018年至今，通過探索和改革，建立了合理完善、綜合性、有層次的具有特色和國內(nèi)先進(jìn)水平的微電子實驗教學(xué)平臺及教學(xué)體系，從而為我國在集成電路產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展之際，更多、更有效地培養(yǎng)出一批社會急需、具有工程和創(chuàng)新能力的微電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)人才。

1 微電子實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建

近幾年，我校電子學(xué)科在專業(yè)轉(zhuǎn)型方面不斷探索，培養(yǎng)計劃逐步向微電子相關(guān)課程傾斜，新增了“微電子器件與工藝”“集成電路原理”“射頻電路原理”“VHDL與FPCA設(shè)計”“集成電路制造技術(shù)”等理論課程，從而為微電子實驗教學(xué)體系的建立打下了堅實的理論基礎(chǔ)。2018年以來，我校預(yù)留面積約1000m2左右、投入1500余萬元建設(shè)電子專業(yè)微電子方向相關(guān)的教學(xué)實驗室。其中最具特色的是建立了廣西區(qū)內(nèi)第一個微電子工藝潔凈室（約400m2，包括千級潔凈度的黃光區(qū)和萬級潔凈度的白光區(qū)），并購買了全套先進(jìn)工藝設(shè)備，例如紫外光刻機、甩膠勻膠機、等離子清洗機、反應(yīng)離子刻蝕機、高溫氧化擴散爐、電子束蒸發(fā)鍍膜機等半導(dǎo)體工藝制造設(shè)備，金相顯微鏡、臺階儀、半導(dǎo)體參數(shù)測試儀等檢測設(shè)備，并結(jié)合高端科研設(shè)備如磁控濺射、低壓CVD、全自動變溫霍爾效應(yīng)測試儀、寬光譜穆勒矩陣變溫橢偏儀等，從而能實現(xiàn)從硅圓片清洗到最后制造出器件或簡單芯片以及性能測試的完整硅平面工藝。另外，購置了單晶少子壽命測試儀、四探針測試系統(tǒng)、電容電壓特性測試儀、數(shù)字存儲半導(dǎo)體特性圖示儀、霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)等半導(dǎo)體檢測設(shè)備各10套，以此建立了半導(dǎo)體物理與器件實驗室。同時，把已開設(shè)的FPCA和VHDL實驗納入集成電路設(shè)計實驗教學(xué)體系作為前序課程，并以此為基礎(chǔ)購買了高性能的服務(wù)器集群、各類集成電路EDA設(shè)計軟件，構(gòu)建了集成電路設(shè)計實驗室。至此，規(guī)劃并建立了以半導(dǎo)體物理與器件實驗室、集成電路設(shè)計實驗室、微電子工藝潔凈室為三大核心實驗室的微電子實驗教學(xué)平臺，如下圖所示。

2 建立分層次、合理完整的微電子學(xué)實驗教學(xué)體系

依托已建成的微電子實驗教學(xué)平臺，并緊密結(jié)合微電子方向理論教學(xué)體系，規(guī)劃并建立了從易到難、從基礎(chǔ)驗證到綜合設(shè)計研發(fā)性實驗的分層次實驗教學(xué)體系。對微電子課程群中的每門核心課程都開設(shè)實驗或?qū)嵺`，整個實踐環(huán)節(jié)不低于整個課程的40%，以實踐能力驅(qū)動人才培養(yǎng)。每個實驗室承載相應(yīng)的實驗教學(xué)內(nèi)容，物盡其用，提高使用率。具體實驗教學(xué)體系的建設(shè)方案如上圖所示。

2.1設(shè)置專業(yè)基礎(chǔ)實驗課程，訓(xùn)練學(xué)生的基本實驗技能

在大三第一學(xué)期，基于“半導(dǎo)體物理”和“微電子器件與工藝”的理論教學(xué)，開設(shè)半導(dǎo)體物理與器件實驗課程。實驗內(nèi)容主要涵蓋半導(dǎo)體材料與器件的主要性能評價參數(shù)、電學(xué)特性的表征和測試技術(shù)的應(yīng)用。通過該實驗教學(xué)，學(xué)生能深入理解半導(dǎo)體材料的物理特性，掌握微電子器件參數(shù)測試技術(shù)，為設(shè)計具有特定功能的器件和電路準(zhǔn)備條件。同時，基于“集成電路原理”“VHDL與FPCA設(shè)計”等理論教學(xué)，對集成電路自頂向下的設(shè)計有了初步的掌握后，先開設(shè)基于FPCA和VHDL的驗證設(shè)計實驗，為后續(xù)的專用集成電路設(shè)計打下基礎(chǔ)。

2.2開展進(jìn)階實驗課程，培養(yǎng)學(xué)生的實踐應(yīng)用能力

大三第二學(xué)期，在掌握VHDL設(shè)計后，進(jìn)一步通過兩周的集成電路實驗實訓(xùn)，使用各類EDA工具完成數(shù)字集成電路與模擬集成電路從前端系統(tǒng)功能設(shè)計向后端版圖設(shè)計、參數(shù)提取和設(shè)計規(guī)則檢查的全功能實驗內(nèi)容，并以此為基礎(chǔ)，開展微電子制造工藝實踐教學(xué)的單項基礎(chǔ)實驗，使學(xué)生能掌握包括清洗、光刻、刻蝕、氧化擴散、鍍膜、物理與電學(xué)性能檢測等的每道關(guān)鍵工序。

2.3隨著專業(yè)知識的深入，開展綜合性研發(fā)性專業(yè)實驗

在熟練掌握微電子工藝單項實驗后，以半導(dǎo)體器件和集成電路（IC）設(shè)計為主線，圍繞設(shè)計、工藝制造以及器件特性檢測技術(shù)，把各單項工藝以及測試表征實驗項目的內(nèi)容整合在一起，利用微電子超凈工藝線開展特定半導(dǎo)體器件（如二極管、雙極晶體管和CMOS管）及簡單IC的綜合研制工藝實驗，并在超靜間進(jìn)行制造后的各項參數(shù)與性能測試分析。通過案例式的綜合實驗技能訓(xùn)練，增強了學(xué)生對各單項實驗知識的融會貫通，使實驗內(nèi)容從復(fù)雜抽象走向簡單視覺化，能更形象直觀地感受器件和IC如何被制造出來，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。因此，該實驗體系涵蓋了除封裝工藝以外的所有實驗項目，功能齊全。通過該實驗體系的教學(xué)，學(xué)生可全面掌握半導(dǎo)體基本原理、集成電路設(shè)計與仿真、工藝版圖設(shè)計與仿真、集成電路基本制造工藝方法、半導(dǎo)體測試分析方法等專業(yè)技能。

3 科學(xué)組織實驗內(nèi)容．加強課程群實驗內(nèi)容的有機結(jié)合

微電子學(xué)的特點是專業(yè)跨度大，涉及物理學(xué)、信息科學(xué)、電子材料與器件等多個學(xué)科，因此要按照人才培養(yǎng)的能力目標(biāo)這條主線來規(guī)劃實驗內(nèi)容。課程群的各實驗課程設(shè)置需強調(diào)連續(xù)性和內(nèi)在邏輯聯(lián)系性。

在集成電路設(shè)計實驗中，以FPCA和VHDL的驗證性實驗和VHDL語言的學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，利用Cadence定制套件完成模擬集成電路的設(shè)計與仿真，利用Synopsys定制套件完成數(shù)字集成電路的設(shè)計與仿真，并使用MentorCraplucs進(jìn)行參數(shù)提取和設(shè)計規(guī)則檢查，從而實現(xiàn)一整套前端到后端完整的由易至難、層層疊進(jìn)的實驗流程。模擬集成電路和數(shù)字集成電路分別集中實訓(xùn)一周，均采用實現(xiàn)一個具體的涵蓋所有設(shè)計流程的電路系統(tǒng)來做到實驗內(nèi)容之間的相互聯(lián)系、自成系統(tǒng)。而通過集成電路設(shè)計和仿真過的部分器件和IC可利用半導(dǎo)體工藝實驗進(jìn)行制作：由最初的學(xué)習(xí)單項工藝技術(shù)再到利用微電子超凈工藝生產(chǎn)線研制性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求的半導(dǎo)體器件和簡單IC，最終對制作出來的器件和IC性能進(jìn)行測試與分析。通過這些設(shè)計、驗證、制造和測試各個實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的有機結(jié)合，學(xué)生能系統(tǒng)掌握微電子專業(yè)核心課程及深入理解課程之間的聯(lián)系，經(jīng)歷了一個完整的集成電路設(shè)計－制造－測試流程，擺脫了微電子專業(yè)學(xué)生以往普遍面臨的“進(jìn)不去門，動不了手”的尷尬局面，見證了從抽象的設(shè)計思想到一顆實物芯片的巨大轉(zhuǎn)變。

4 探索綜合性、開放性、教研結(jié)合的實驗教學(xué)模式

在原有傳統(tǒng)的半導(dǎo)體物理與器件驗證性實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上，新增了雙極型晶體管開關(guān)時間和雙極型晶體管特征頻率測量兩個實驗項目，需自主搭建測試電路系統(tǒng)并進(jìn)行測試分析，從而促進(jìn)學(xué)生綜合能動性設(shè)計的能力。

在微電子工藝實驗中，實施開放性實驗教學(xué)。學(xué)生在掌握單項工藝技術(shù)后，以團(tuán)隊的形式（每組不超過8人）自主進(jìn)行器件與IC綜合研制實驗方案的選擇，小組成員分工合作，每位成員分別完成一道工序，最后完成一整套從硅片清洗直至器件和IC性能測試的生產(chǎn)全過程；同時開展課外實踐教學(xué)，組織學(xué)生去參觀國內(nèi)晶圓廠最先進(jìn)的微電子工藝線。開放性的流片實驗和參觀生產(chǎn)線相結(jié)合，一方面使學(xué)生了解和接觸國內(nèi)最先進(jìn)的設(shè)備和工藝水平，另一方面能培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力。

由于微電子技術(shù)高速發(fā)展的特點，實驗教學(xué)還需與科學(xué)研究緊密結(jié)合，推動實驗教學(xué)的內(nèi)容和形式與國內(nèi)外科技同步發(fā)展。依據(jù)本校電子專業(yè)的科研發(fā)展方向，把微電子實驗教學(xué)與第三代半導(dǎo)體材料發(fā)光器件、光量子芯片、納米發(fā)電機與自驅(qū)動系統(tǒng)集成等密切相關(guān)的研究領(lǐng)域結(jié)合起來，相關(guān)科研團(tuán)隊教師在微電子實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上對本科生開放一些科研儀器設(shè)備，指導(dǎo)本科生進(jìn)行創(chuàng)新性實驗和課題研究，使教學(xué)與科研資源共享。具體完成形式包括：（1）開設(shè)實踐必修課“導(dǎo)師課程”：從大二下學(xué)期開始相關(guān)科研團(tuán)隊教師指導(dǎo)學(xué)生確定科研課題，以完成學(xué)術(shù)論文并投稿來獲取課程學(xué)分；（2）組織學(xué)生申報并指導(dǎo)微電子及相關(guān)學(xué)科的大創(chuàng)項目或畢業(yè)設(shè)計。這種教學(xué)模式使學(xué)生緊跟微電子技術(shù)發(fā)展前沿，全面培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)、科學(xué)創(chuàng)新意識和跨學(xué)科研究能力，進(jìn)一步提升實驗教學(xué)質(zhì)量，實現(xiàn)教研相長。

結(jié)語

2018年開始啟動從傳統(tǒng)電子學(xué)科向微電子方向的實驗教學(xué)轉(zhuǎn)型，在過程中先后經(jīng)歷了微電子方向?qū)嶒灲虒W(xué)平臺的規(guī)劃，建立了國內(nèi)一流的微電子三大教學(xué)實驗室；構(gòu)建了科學(xué)且完善的實驗內(nèi)容及實驗體系，加強綜合性、設(shè)計性、科教融合實驗項目，使學(xué)生深入掌握微電子技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)理論知識和全套實驗設(shè)計制造開發(fā)能力；建立完善的開放性實驗管理制度，形成科學(xué)、規(guī)范的實驗教學(xué)方法。這些成果為培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實、知識面廣、實踐能力強、綜合素質(zhì)高的微電子專業(yè)人才打下了堅實的基礎(chǔ)，可滿足我國國民經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)對微電子人才的迫切需求。

作者簡介：劉瑤（1982-），女，漢族，湖南部陽人，博士，講師，物理實驗中，心副主任，研究方向：寬禁帶半導(dǎo)體材料光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)研究。