微電子實驗教學平臺和教學體系的構建與改革

劉瑤 陸翔

摘要：近年來微電子產業(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。本文在調研分析的基礎上，介紹了我校近幾年微電子實驗教學平臺的規(guī)劃建設和實驗體系的改革，包括覆蓋完整集成電路設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、設計性實驗教學內容的加強以廈引入開放式、團隊協(xié)作的教學模式。這些措施為提高學生的綜合實踐能力、培養(yǎng)高素質人才打下基礎。

關鍵詞：微電子；實驗教學平臺；實驗體系；教學改革

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需要推動的五大產業(yè)關鍵詞首位。國務院印發(fā)的《集成電路產業(yè)發(fā)展綱要》明確提出，2030年集成電路產業(yè)鏈主要環(huán)節(jié)達到國際先進水平，一批企業(yè)進入國際第一梯隊，產業(yè)實現跨越式發(fā)展。目前我國集成電路設計和微電子工藝等方面的人才缺口巨大，人才結構明顯失衡，高端人才在集成電路設計、制造、設備、材料等多個環(huán)節(jié)嚴重匱乏。2022年我國微電子集成電路全行業(yè)人才需求達74.45萬人左右。然而截至2019年年底，相關從業(yè)人員只有51.19萬人，全行業(yè)人才缺口達20多萬人。2020年國務院印發(fā)的“若干政策”中提出在集成電路人才培養(yǎng)中，要緊密結合產業(yè)發(fā)展需求及時調整課程設置和教學方式，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，它的最高學府廣西大學立足廣西服務全國，響應新工科建設提出的“地方高校要對區(qū)域經濟發(fā)展和產業(yè)轉型升級發(fā)揮支撐作用”，響應國家對微電子技術和產業(yè)的人才需求，其電子專業(yè)于2018年開始從傳統(tǒng)的以應用電子方向為主的專業(yè)結構轉向高端新興的微電子、光電子兩大方向組成的專業(yè)結構。在轉型的過程中，實驗教學體系的建立與改革難度要遠大于理論教學。對于實踐性強的微電子專業(yè)，實驗課程是教學的重要組成，須與理論教學相輔相成，有效地促進和加深學生對理論知識的理解，并能在實驗中靈活運用相關理論，培養(yǎng)學生的應用、設計和創(chuàng)新能力以及研發(fā)性思維模式。廣西壯族自治區(qū)內的高校中，除了桂林電子科技大學和廣西師范大學，并無其他高校的電子類學科擁有微電子相關的實驗教學平臺。而桂林電子科技大學的微電子實驗建設偏重于通信射頻集成電路設計、測試封裝以及微電子基礎實驗，廣西師范大學只開設了集成電路設計實驗，兩所高校對微電子教學體系中的另一重要模塊——半導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先進水平的微電子實驗教學平臺及教學體系，從而為我國在集成電路產業(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)新能力的微電子產業(yè)技術人才。

1 微電子實驗教學平臺的構建

近幾年，我校電子學科在專業(yè)轉型方面不斷探索，培養(yǎng)計劃逐步向微電子相關課程傾斜，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設計”“集成電路制造技術”等理論課程，從而為微電子實驗教學體系的建立打下了堅實的理論基礎。2018年以來，我校預留面積約1000m2左右、投入1500余萬元建設電子專業(yè)微電子方向相關的教學實驗室。其中最具特色的是建立了廣西區(qū)內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)），并購買了全套先進工藝設備，例如紫外光刻機、甩膠勻膠機、等離子清洗機、反應離子刻蝕機、高溫氧化擴散爐、電子束蒸發(fā)鍍膜機等半導體工藝制造設備，金相顯微鏡、臺階儀、半導體參數測試儀等檢測設備，并結合高端科研設備如磁控濺射、低壓CVD、全自動變溫霍爾效應測試儀、寬光譜穆勒矩陣變溫橢偏儀等，從而能實現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、數字存儲半導體特性圖示儀、霍爾效應測試系統(tǒng)等半導體檢測設備各10套，以此建立了半導體物理與器件實驗室。同時，把已開設的FPCA和VHDL實驗納入集成電路設計實驗教學體系作為前序課程，并以此為基礎購買了高性能的服務器集群、各類集成電路EDA設計軟件，構建了集成電路設計實驗室。至此，規(guī)劃并建立了以半導體物理與器件實驗室、集成電路設計實驗室、微電子工藝潔凈室為三大核心實驗室的微電子實驗教學平臺，如下圖所示。

2 建立分層次、合理完整的微電子學實驗教學體系

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

2.1設置專業(yè)基礎實驗課程，訓練學生的基本實驗技能

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

2.2開展進階實驗課程，培養(yǎng)學生的實踐應用能力

大三第二學期，在掌握VHDL設計后，進一步通過兩周的集成電路實驗實訓，使用各類EDA工具完成數字集成電路與模擬集成電路從前端系統(tǒng)功能設計向后端版圖設計、參數提取和設計規(guī)則檢查的全功能實驗內容，并以此為基礎，開展微電子制造工藝實踐教學的單項基礎實驗，使學生能掌握包括清洗、光刻、刻蝕、氧化擴散、鍍膜、物理與電學性能檢測等的每道關鍵工序。

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，以半導體器件和集成電路（IC）設計為主線，圍繞設計、工藝制造以及器件特性檢測技術，把各單項工藝以及測試表征實驗項目的內容整合在一起，利用微電子超凈工藝線開展特定半導體器件（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，并在超靜間進行制造后的各項參數與性能測試分析。通過案例式的綜合實驗技能訓練，增強了學生對各單項實驗知識的融會貫通，使實驗內容從復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)學生的學習興趣和積極性。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，學生可全面掌握半導體基本原理、集成電路設計與仿真、工藝版圖設計與仿真、集成電路基本制造工藝方法、半導體測試分析方法等專業(yè)技能。

3 科學組織實驗內容．加強課程群實驗內容的有機結合

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

在集成電路設計實驗中，以FPCA和VHDL的驗證性實驗和VHDL語言的學習為基礎，利用Cadence定制套件完成模擬集成電路的設計與仿真，利用Synopsys定制套件完成數字集成電路的設計與仿真，并使用MentorCraplucs進行參數提取和設計規(guī)則檢查，從而實現一整套前端到后端完整的由易至難、層層疊進的實驗流程。模擬集成電路和數字集成電路分別集中實訓一周，均采用實現一個具體的涵蓋所有設計流程的電路系統(tǒng)來做到實驗內容之間的相互聯系、自成系統(tǒng)。而通過集成電路設計和仿真過的部分器件和IC可利用半導體工藝實驗進行制作：由最初的學習單項工藝技術再到利用微電子超凈工藝生產線研制性能指標滿足設計要求的半導體器件和簡單IC，最終對制作出來的器件和IC性能進行測試與分析。通過這些設計、驗證、制造和測試各個實驗教學環(huán)節(jié)的有機結合，學生能系統(tǒng)掌握微電子專業(yè)核心課程及深入理解課程之間的聯系，經歷了一個完整的集成電路設計－制造－測試流程，擺脫了微電子專業(yè)學生以往普遍面臨的“進不去門，動不了手”的尷尬局面，見證了從抽象的設計思想到一顆實物芯片的巨大轉變。

4 探索綜合性、開放性、教研結合的實驗教學模式

在原有傳統(tǒng)的半導體物理與器件驗證性實驗教學的基礎上，新增了雙極型晶體管開關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)并進行測試分析，從而促進學生綜合能動性設計的能力。

在微電子工藝實驗中，實施開放性實驗教學。學生在掌握單項工藝技術后，以團隊的形式（每組不超過8人）自主進行器件與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性能測試的生產全過程；同時開展課外實踐教學，組織學生去參觀國內晶圓廠最先進的微電子工藝線。開放性的流片實驗和參觀生產線相結合，一方面使學生了解和接觸國內最先進的設備和工藝水平，另一方面能培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力。

由于微電子技術高速發(fā)展的特點，實驗教學還需與科學研究緊密結合，推動實驗教學的內容和形式與國內外科技同步發(fā)展。依據本校電子專業(yè)的科研發(fā)展方向，把微電子實驗教學與第三代半導體材料發(fā)光器件、光量子芯片、納米發(fā)電機與自驅動系統(tǒng)集成等密切相關的研究領域結合起來，相關科研團隊教師在微電子實驗教學的基礎上對本科生開放一些科研儀器設備，指導本科生進行創(chuàng)新性實驗和課題研究，使教學與科研資源共享。具體完成形式包括：（1）開設實踐必修課“導師課程”：從大二下學期開始相關科研團隊教師指導學生確定科研課題，以完成學術論文并投稿來獲取課程學分；（2）組織學生申報并指導微電子及相關學科的大創(chuàng)項目或畢業(yè)設計。這種教學模式使學生緊跟微電子技術發(fā)展前沿，全面培養(yǎng)學生的綜合素質、科學創(chuàng)新意識和跨學科研究能力，進一步提升實驗教學質量，實現教研相長。

結語

2018年開始啟動從傳統(tǒng)電子學科向微電子方向的實驗教學轉型，在過程中先后經歷了微電子方向實驗教學平臺的規(guī)劃，建立了國內一流的微電子三大教學實驗室；構建了科學且完善的實驗內容及實驗體系，加強綜合性、設計性、科教融合實驗項目，使學生深入掌握微電子技術領域相關理論知識和全套實驗設計制造開發(fā)能力；建立完善的開放性實驗管理制度，形成科學、規(guī)范的實驗教學方法。這些成果為培養(yǎng)基礎扎實、知識面廣、實踐能力強、綜合素質高的微電子專業(yè)人才打下了堅實的基礎，可滿足我國國民經濟發(fā)展和國防建設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：寬禁帶半導體材料光學和電學性質研究。