微電子專業實驗室的建設與探索

婁永樂， 柴長春， 樊永祥， 康海燕

（西安電子科技大學微電子學院，西安710071）

0 引 言

隨著全球半導體產業向中國大陸轉移，微電子和集成電路產業成為我國高新技術產業發展的重中之重，是典型的知識、技術、人才和資本密集的高科技產業，對人才的依賴尤為突出［1-3］。李克強總理在2018年的政府工作報告中指出：要加快強國建設，推動集成電路、第五代移動通信等產業發展。目前，我國集成電路設計和微電子器件與工藝方向的人才總量不足，急缺具備工程實踐能力、能夠解決工程應用問題的工程型、創新型人才，但現有條件下培養的人才普遍缺乏實踐經驗和工程化能力，遠遠不能滿足正在快速實現跨越式發展的集成電路產業對人才的需求［4-7］。為此，根據國務院2011 年4 號文件《進一步鼓勵軟件產業和集成電路產業發展的若干政策》［8］和科技部2017 年4月發布的《國家高新技術產業開發區“十三五”發展規劃》的精神，應該進一步加強微電子和集成電路人才的能力培養，加強其實踐能力和創新能力的訓練，進而提高我國微電子和集成電路人才培養的質量和規模。

高校實驗室是培養學生實踐能力和綜合素質的重要基地，也是提高學生創新能力的必要場所［9-13］。國內各高校對本科生基礎實驗室的建設都十分重視，實驗課程不斷更新，力求與理論課程結合更加緊密，但教學效果并不理想，實驗課程內容與社會需求脫節較大，隨著微電子技術的高速發展，這種脫節現象愈加明顯，產、學、研之間斷層嚴重。建設高水平的微電子專業實驗室可以有效彌補高校課程與微電子產業需求之間的斷層，為社會輸送高質量的工程型、創新型人才。本文主要圍繞微電子專業實驗室的建設意義、結構體系、人才隊伍建設以及目前取得的成效展開討論。

1 微電子專業實驗室的建設意義與規劃

微電子科學與工程專業和集成電路專業的畢業生，應具備基礎理論知識、實踐技能和創新意識，能從事相關領域的科學研究、技術開發、工程設計、技術應用及管理等工作。這兩個專業的人才培養有兩大特色：①理論與實踐結合密切，對實驗教學設施的要求高，建設成本高，如工藝實驗室和高端測試實驗室需要超凈實驗室環境；②創新性強，摩爾定律決定了集成電路規模每一年半翻一番，這就意味著集成電路技術的更新速度比其他任何專業領域都快。而實踐技能和創新意識的培養均依托于專業實驗課程的支撐，在此背景下，微電子專業實驗室的建設尤為重要。

我校是國內最早開展微電子專業人才培養和科學研究的單位之一，1957 年開始微電子科學與技術的研究工作，1959 年開始本科招生，1997 年成為國家重點學科，2003 年成為全國首批9 所國家集成電路人才培養基地之一（科技部專項資助的5 所之一），2007 年國家級重點實驗室正式掛牌，2015 年獲批首批9 家國家示范性微電子學院建設單位之一，2017 年獲得了微電子科學與工程的工程教育認證，2018 年獲得首批國家虛擬仿真實驗教學項目。微電子專業實驗室的結構體系如圖1 所示，可滿足4 個層次的人才培養：專業基礎實驗室可培養學生的儀器操作能力和元器件測試能力，超凈工藝實驗室可培養學生的生產制造能力，EDA實驗中心可培養學生的集成電路設計能力，創新實踐實驗室和虛擬仿真實驗中心可培養學生的創新創造能力。微電子專業實驗室可以支撐每年1 500 余人的實驗教學以及創新實驗項目的開設，在國務院發布的《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》以及教育部“雙萬計劃”的指導下，未來2 年內，微電子專業實驗室的建設將對虛擬仿真實驗適度傾斜，進一步完善現有的實踐教學體系，穩步提升實驗教學質量。

圖1 實驗室結構體系

2 專業技能實驗和創新實驗平臺的特點

我校微電子專業實驗平臺不僅包含微電子科學與工程專業和集成電路專業的核心理論課程的配套的實驗，還增加了許多擴展實驗用以拓寬學生的視野和創新能力。實驗平臺涵蓋了設計與仿真、工藝與測試、自主創新等實驗項目，包含仿真—生長—測試的完整流程，成為完整的專業實驗體系，可有效引導學生動手和思考，提升學生的實踐能力和創新能力。

2.1 專業基礎實驗室

專業基礎實驗室主要用于開展核心理論課程的配套實驗教學，學生通過調試實驗儀器獲得直觀的物理現象，并對之進行分析和計算，從而加深對理論課中抽象的定義和物理概念的理解。其教學目的是培養學生對儀器的操作能力和實驗數據的分析能力，通過實踐提高對相關理論課程的認知和理解。

專業基礎實驗室占地面積300 余m2，包含半導體物理效應測試、材料特性測試、器件參數測試和集成電路工藝檢測等方面的儀器設備，合計280 臺套，已開設實驗項目37 個，與之配套的理論課程分別為《半導體物理I》《半導體物理II》《半導體器件物理I》《半導體器件物理II》和《集成電路制造技術》。專業基礎實驗課程的學時數為60 學時，學生可以根據專業方向和理論課程的開課情況選擇不同的實驗項目。實驗課程中學生2 人一組，共同完成一項實驗，實驗教師僅負責講解實驗內容和實驗儀器的使用方法，學生在課堂上使用儀器采集數據，課后通過理論計算和畫圖分析等方法獲得實驗結果，既鍛煉了動手能力，又加強了對專業理論知識的理解。

2.2 EDA實驗中心

在集成電路出現初期，電路的設計和布線均由工程師手工繪制完成，隨著半導體技術的發展，集成電路上元件數目急劇增加，設計時長和試錯成本均呈指數增長，手工繪制電路和布線的弊端日益明顯。要有效提高集成電路的設計效率，就要在電路設計和布線階段采用可測性設計，也就是電子設計自動化（Electronic design automation，EDA）。設計者在EDA軟件平臺上，用硬件描述語言VerilogHDL 完成設計文件，然后由計算機自動完成邏輯編譯、簡化、分割、綜合、優化、布局、布線和仿真，以及對目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等。因其高效率和高可靠性，EDA平臺迅速成為工業界廣泛使用的設計工具，也成為高校培養集成電路人才不可或缺的實驗工具。

EDA實驗中心占地面積770 m2，共有2 臺服務器，150 臺計算機，50 套FPGA板卡，80 臺intel Galileo嵌入式平臺，30 臺ARC 嵌入式平臺，60 個Cadance 授權端口，60 個Synopsys 授權端口和60 個Mentor 授權端口，具有性能先進的電子電路和集成電路設計等的軟件和硬件條件，包含系統級設計，功能驗證，IC 綜合及布局布線，模擬、混合信號及射頻IC 設計，IC 物理驗證，PCB設計和硬件仿真建模等，可支撐的理論課程有《硬件描述語言》《C語言程序設計》《數字電路與邏輯設計》《射頻電路基礎》《模擬集成電路》《數字集成電路》《專用集成電路設計》等，可開展EDA 實踐、課程設計和畢業設計等實踐課程。EDA 實驗中心主要開展各種電子電路和集成電路的邏輯設計、結構設計、電路設計、版圖設計、仿真驗證和基礎開發的實驗課程，其目的是使學生掌握集成電路設計的基本原理和完整流程，熟練使用集成電路設計的軟硬件工具，打通“產、學、研”之間的壁壘，為學生日后深造和就業打下牢固基礎。

2.3 超凈工藝實驗室

集成電路的制造過程就是通過氧化、光刻、擴散、外延、退火等工藝步驟，把電容、電阻、二極管、晶體管等元器件以及它們之間的連接線全部集成在同一塊半導體襯底上，成為具有特定功能的電路模塊，并將之封裝在管殼內。上述工藝步驟是半導體元器件以及集成電路制造的典型工藝，具有環境清潔度極高，設備昂貴，維護費用高等特點，國內目前僅有百余家企業具有可量產的工藝生產線，凈化級別為百級，而具有超凈工藝實驗室的高校則少之又少，學生對集成電路制造工藝的了解僅限于理論課上，在實際操作部分幾乎空白［14］。超凈工藝實驗室的缺失不僅限制了學生的動手能力和團隊合作能力，工藝和設計創新能力。

在此背景下，我校的集成電路實驗中心建設了超凈工藝實驗室，該實驗室具備典型的Si 基平面工藝的前序工藝設備與實驗儀器，實驗室面積約1 800 m2，凈化級別為千級至萬級，其中60 多m2的光刻間為百級至千級。超凈工藝實驗室包括了清洗、氧化、光刻、擴散、蒸發、濺射、合金、CVD、測試等Si 平面工藝的主要前部工序，設備總價值超過1 200 萬元，可供相關專業的學生進行實驗教學和畢業設計，每年接納學生能力為1 200 人次左右。超凈工藝實驗室的授課方式為分組授課，實驗過程與企業工藝線的生產過程相近，在理論課程《集成電路制造技術》學習完成后，以小組為單位，輪流參與到每一步實驗工序中，完成從Si 片到半導體器件或集成電路的制造過程。整個實驗過程的完成不僅需要理論支持，還需要學生具備獨立思考、團隊配合以及操作和校正儀器設備的能力，在實驗進行過程中，如果學生提出了新的工藝方法，在條件允許的前提下，實驗教師會輔助學生探索和完成新工藝，進而鼓勵和提高學生的創新能力。目前，微電子學院是國內擁有較完整的“超凈工藝實驗室”的少數高校之一，為微電子科學與工程專業和集成電路專業的人才培養，特別是工藝實踐能力的培養提供了保障。

2.4 創新實踐實驗室

創新實踐實驗室以學生課外科技學術活動為載體，以專設的創新實踐實驗室和其他實驗室為平臺，按照動員、培訓、選拔、訓練、項目實施與驗收等程序有計劃地開展創新實踐活動，承擔學科競賽和創新創業項目培育工作，培養和提高學生的創新意識與能力。

創新實踐實驗室占地面積200 余m2，包含EDA開發平臺、示波器、低噪聲電源、數控高精度電源、集成電路可測性設計、DSP實驗平臺、可編程直交流仿真電源、集成電路物理驗證平臺、可開發機器人、FPGA 開發套件、人工智能等儀器和實驗平臺，采取開放式管理模式，學生可以通過申請和授權全天24 h 使用實驗室，鼓勵學生以團隊或個人的形式完成創新研究。創新實踐實驗室是支持本科生探索和創新，學生探索和創新的過程本質上是進行研究性學習和創造，鼓勵本科生根據自己的研究成果，撰寫專利和論文。同時創新實踐實驗室與校內導師合作，鼓勵學有余力的學生直接參與科學研究，引導學生進入科學前沿，了解科學發展動態，通過發現問題、激發創新思維、獨立完成課題等過程，積極主動地探索新的知識領域，從而體驗到一種全新的研究性學習的樂趣。為了鼓勵本科生進行創新活動，微電子學院成立了本科生研究資助計劃，為本科生提供實現自己創新的機會，設立“創新基金”，支持學生進行創新、創業，并在技術、管理等方面提供支持。

3 虛擬仿真實驗平臺的功能與特點

理論與實際相結合是微電子和集成電路專業的一個鮮明特點，但受儀器價格昂貴、環境要求苛刻、具有一定的危險性等條件的限制，導致很多創造性和驗證性的實驗無法面向全體學生開展，學生只能從課堂上了解這些實驗的原理和結果，無法觀察其實驗現象。“集成電路設計與制造虛擬仿真實驗教學中心”利用飛速發展的計算機和互聯網技術，讓學生近距離的觀察和學習一些具有時間性、可變性、距離性、抽象性的物理現象，使那些抽象、枯燥、難懂的學習內容以直觀的形式表現出來，大大增強學生的思維能力和創新能力。在集成電路實驗教學體系中，通過借助虛擬仿真實驗平臺，將基礎類實驗、專業基礎實驗、專業實驗、課程設計、EDA 實踐、工藝實踐、生產實習和畢業設計環環相扣、有機銜接，構建出具有鮮明特色的專業實踐教學體系。如圖2 所示，虛擬仿真實驗平臺由“工藝”“器件”和“集成電路設計”三大模塊組成，各個模塊既有自身的側重，又相互聯系支撐，共同通過虛擬仿真、多媒體、網絡通信等技術手段，強化理論教學效果，提高工程實踐能力和創新能力，在提高人才培養質量的過程中發揮重要作用，與真實實驗中專業基礎實驗層、EDA 應用層、綜合訓練層和研究創新層遙相呼應，互為補充，涵蓋了集成電路產業技術鏈的主要環節，兼顧工藝、器件、電路等多方面的培養要求，具有綜合性、實用性和創新性等鮮明特色。

圖2 集成電路設計與制造虛擬仿真實驗教學中心架構圖

以集成電路器件模擬理論的教學為例，虛擬仿真實驗能夠將看不見摸不著的微電子抽象概念形象化、可視化。例如，采用仿真軟件，對集成器件進行虛擬實驗，通過輸入器件結構和參數，最終得到器件的電學特性、寄生參數等；借助該虛擬仿真實驗，可更直觀地學習集成器件的原理及特性；引導學生逐步探索物理現象的本質，大大增強對所學知識的理解和掌握。器件虛擬仿真是在虛擬環境中完成器件設計，并剖析影響器件性能的主要因素，使學生直觀地理解半導體器件的工作原理，掌握優化設計和機理分析方法，很好地解決了抽象到具體，理論到實踐的環節，彌補了工程實踐的薄弱環節。2018 年4 月，虛擬仿真實驗中心的器件仿真課程“氮化鎵發光二極管工藝制造與光電特性虛擬仿真實驗”被教育部認定為示范性虛擬仿真實驗教學項目。以集成電路工藝仿真模擬的教學為例，工藝虛擬仿真要求學生在真實實驗前先對工藝過程進行模擬，通過集成電路工藝的動態實現過程，揭示集成電路芯片內部結構特征及工藝參數變化規律，培養學生對半導體工藝制造流程的認識，虛實結合，為實際操作實習打下良好基礎。集成電路設計仿真要求學生在虛擬平臺完成數字、模擬、射頻等集成電路芯片設計及驗證，讓學生掌握集成電路設計流程和虛擬仿真方法。

4 加強微電子專業實驗室人才隊伍建設

實驗課程是本科生能力培養過程中的重要部分，實驗隊伍的專業素養、實驗技能、創新創造能力和管理能力是影響實驗課程質量的核心因素，也是實驗室建設的基礎。由于實驗教師職稱評審困難，崗位職責和考核標準不明確，導致實驗崗位吸引不到優秀人才，大多數高校都存在實驗隊伍的人員數量不穩定，職稱結構不合理，專職實驗教師老齡化等問題［15，16］。為了打破此僵局，進一步提高實驗體系教師隊伍的水平和能力，學校以及實驗室推出多種措施并獲得初步成效。

（1）引進具有博士學位的教師，給予其正式編制，并開設獨立的職稱評審通道。此舉措推出后，僅半年時間，實驗室就引進了3 位具有博士學位的年輕教師，其中一位具有工程背景，曾在企業參與過多項重大項目的研究，年輕老師的引進有效提升了實驗師資隊伍的整體實力，為實驗室建設注入新的活力。

（2）鼓勵實驗教師去其他優秀院校參觀學習，派遣青年教師赴國內外培訓。近年來，實驗室多次組織青年實驗教師參觀和學習了國內各高校的微電子實驗室，并積極參加與高校實驗室建設相關的研討會，學習兄弟院校的建設經驗，融會貫通地運用至本校實驗平臺的建設中。

（3）為促進實驗教學的內容和形式符合產業發展的需求，實驗室聘請國內外集成電路知名企業專家做兼職教師，邀請其前來為學生授課、舉辦學術講座或進行專項培訓。

（4）舉辦青年教師講課競賽和實驗技能競賽，使青年實驗教師的教學水平不斷提升。

5 微電子專業實驗室建設成果

微電子專業實驗室的建設以提高學生的綜合能力和素質為目的，實踐表明，學生的創新創業能力、實驗教學建設和資源共享方面取得了顯著的成效。

在微電子專業實驗平臺的支撐下，僅2018 年，我校微電子和集成電路的本科生獲得了第四屆“互聯網＋”大學生創新創業大賽全國金獎；全國大學生嵌入式系統專題邀請賽全國一等獎；美國大學生數學建模競賽國際一等獎等獎項。同時，獲批2018 ～2019 年國家級大學生創新創業訓練計劃22 項，省級大學生創新創業訓練計劃28 項，培育2019 年國家級大學生創新創業訓練計劃項目立項39 項。“氮化鎵發光二極管工藝制造與光電特性”獲國家首批虛擬仿真實驗項目；“面向國家急需，構建“三位一體”集成電路人才培養模式的改革與實踐”獲2018 年國家教學成果一等獎；集成電路設計與集成系統特色專業教學團隊獲批陜西普通高校省級教學團隊；與國微集團聯合共建科研教學融合實驗室；與振華永光公司、深圳振華公司建立校外實踐基地；與芯原微電子公司合作開設《模擬集成電路設計》課程；與Intel、Synopsys、Cadence、NI、海思等公司聯合舉辦“微電之光”集成電路技能暑期訓練營，為本科生的創新創業能力提供了良好的平臺和優質的發展空間。

經過多年的建設與發展，我校微電子專業實驗室的影響力逐步增強，服務范圍日益擴大。實驗室完成了僅面向微電子科學與工程專業和集成電路專業到面向全校所有相關專業的轉變；同時，實驗室完成了從面向本校到面向全國具有集成電路專業的高校（如，西北大學、西安理工大學、陜西科技大學、西安郵電大學、西安科技大學等）和相關企事業單位（航天771 所、中電20 所、Intel公司、原總裝備部等）提供實踐教學及培訓服務的轉變。隨著師資水平的提升，我校微電子專業實驗室的輻射范圍將進一步擴大，起到教學資源共享和帶動作用。

6 結 語

微電子專業實驗室是微電子和集成電路人才培養過程中不可或缺的重要部分，是電子科學與技術學科建設的硬件支撐，微電子專業實驗室的建設在學生創新創業能力方面的培養已經初見成效。隨著集成電路最小線寬的不斷縮小，科研水平和工業化能力的不斷提高，微電子專業實驗室的建設也應不斷探索和改革，建設成開放、全面、與前沿科技接軌的實驗基地，成為科研人才和工程人才成長的沃土，為國家培養出更多優秀的微電子和集成電路領域的人才。