微电子专业实验室的建设与探索

娄永乐， 柴长春， 樊永祥， 康海燕

（西安电子科技大学微电子学院，西安710071）

0 引 言

随着全球半导体产业向中国大陆转移，微电子和集成电路产业成为我国高新技术产业发展的重中之重，是典型的知识、技术、人才和资本密集的高科技产业，对人才的依赖尤为突出［1-3］。李克强总理在2018年的政府工作报告中指出：要加快强国建设，推动集成电路、第五代移动通信等产业发展。目前，我国集成电路设计和微电子器件与工艺方向的人才总量不足，急缺具备工程实践能力、能够解决工程应用问题的工程型、创新型人才，但现有条件下培养的人才普遍缺乏实践经验和工程化能力，远远不能满足正在快速实现跨越式发展的集成电路产业对人才的需求［4-7］。为此，根据国务院2011 年4 号文件《进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》［8］和科技部2017 年4月发布的《国家高新技术产业开发区“十三五”发展规划》的精神，应该进一步加强微电子和集成电路人才的能力培养，加强其实践能力和创新能力的训练，进而提高我国微电子和集成电路人才培养的质量和规模。

高校实验室是培养学生实践能力和综合素质的重要基地，也是提高学生创新能力的必要场所［9-13］。国内各高校对本科生基础实验室的建设都十分重视，实验课程不断更新，力求与理论课程结合更加紧密，但教学效果并不理想，实验课程内容与社会需求脱节较大，随着微电子技术的高速发展，这种脱节现象愈加明显，产、学、研之间断层严重。建设高水平的微电子专业实验室可以有效弥补高校课程与微电子产业需求之间的断层，为社会输送高质量的工程型、创新型人才。本文主要围绕微电子专业实验室的建设意义、结构体系、人才队伍建设以及目前取得的成效展开讨论。

1 微电子专业实验室的建设意义与规划

微电子科学与工程专业和集成电路专业的毕业生，应具备基础理论知识、实践技能和创新意识，能从事相关领域的科学研究、技术开发、工程设计、技术应用及管理等工作。这两个专业的人才培养有两大特色：①理论与实践结合密切，对实验教学设施的要求高，建设成本高，如工艺实验室和高端测试实验室需要超净实验室环境；②创新性强，摩尔定律决定了集成电路规模每一年半翻一番，这就意味着集成电路技术的更新速度比其他任何专业领域都快。而实践技能和创新意识的培养均依托于专业实验课程的支撑，在此背景下，微电子专业实验室的建设尤为重要。

我校是国内最早开展微电子专业人才培养和科学研究的单位之一，1957 年开始微电子科学与技术的研究工作，1959 年开始本科招生，1997 年成为国家重点学科，2003 年成为全国首批9 所国家集成电路人才培养基地之一（科技部专项资助的5 所之一），2007 年国家级重点实验室正式挂牌，2015 年获批首批9 家国家示范性微电子学院建设单位之一，2017 年获得了微电子科学与工程的工程教育认证，2018 年获得首批国家虚拟仿真实验教学项目。微电子专业实验室的结构体系如图1 所示，可满足4 个层次的人才培养：专业基础实验室可培养学生的仪器操作能力和元器件测试能力，超净工艺实验室可培养学生的生产制造能力，EDA实验中心可培养学生的集成电路设计能力，创新实践实验室和虚拟仿真实验中心可培养学生的创新创造能力。微电子专业实验室可以支撑每年1 500 余人的实验教学以及创新实验项目的开设，在国务院发布的《国家中长期教育改革和发展规划纲要》以及教育部“双万计划”的指导下，未来2 年内，微电子专业实验室的建设将对虚拟仿真实验适度倾斜，进一步完善现有的实践教学体系，稳步提升实验教学质量。

图1 实验室结构体系

2 专业技能实验和创新实验平台的特点

我校微电子专业实验平台不仅包含微电子科学与工程专业和集成电路专业的核心理论课程的配套的实验，还增加了许多扩展实验用以拓宽学生的视野和创新能力。实验平台涵盖了设计与仿真、工艺与测试、自主创新等实验项目，包含仿真—生长—测试的完整流程，成为完整的专业实验体系，可有效引导学生动手和思考，提升学生的实践能力和创新能力。

2.1 专业基础实验室

专业基础实验室主要用于开展核心理论课程的配套实验教学，学生通过调试实验仪器获得直观的物理现象，并对之进行分析和计算，从而加深对理论课中抽象的定义和物理概念的理解。其教学目的是培养学生对仪器的操作能力和实验数据的分析能力，通过实践提高对相关理论课程的认知和理解。

专业基础实验室占地面积300 余m2，包含半导体物理效应测试、材料特性测试、器件参数测试和集成电路工艺检测等方面的仪器设备，合计280 台套，已开设实验项目37 个，与之配套的理论课程分别为《半导体物理I》《半导体物理II》《半导体器件物理I》《半导体器件物理II》和《集成电路制造技术》。专业基础实验课程的学时数为60 学时，学生可以根据专业方向和理论课程的开课情况选择不同的实验项目。实验课程中学生2 人一组，共同完成一项实验，实验教师仅负责讲解实验内容和实验仪器的使用方法，学生在课堂上使用仪器采集数据，课后通过理论计算和画图分析等方法获得实验结果，既锻炼了动手能力，又加强了对专业理论知识的理解。

2.2 EDA实验中心

在集成电路出现初期，电路的设计和布线均由工程师手工绘制完成，随着半导体技术的发展，集成电路上元件数目急剧增加，设计时长和试错成本均呈指数增长，手工绘制电路和布线的弊端日益明显。要有效提高集成电路的设计效率，就要在电路设计和布线阶段采用可测性设计，也就是电子设计自动化（Electronic design automation，EDA）。设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言VerilogHDL 完成设计文件，然后由计算机自动完成逻辑编译、简化、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，以及对目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等。因其高效率和高可靠性，EDA平台迅速成为工业界广泛使用的设计工具，也成为高校培养集成电路人才不可或缺的实验工具。

EDA实验中心占地面积770 m2，共有2 台服务器，150 台计算机，50 套FPGA板卡，80 台intel Galileo嵌入式平台，30 台ARC 嵌入式平台，60 个Cadance 授权端口，60 个Synopsys 授权端口和60 个Mentor 授权端口，具有性能先进的电子电路和集成电路设计等的软件和硬件条件，包含系统级设计，功能验证，IC 综合及布局布线，模拟、混合信号及射频IC 设计，IC 物理验证，PCB设计和硬件仿真建模等，可支撑的理论课程有《硬件描述语言》《C语言程序设计》《数字电路与逻辑设计》《射频电路基础》《模拟集成电路》《数字集成电路》《专用集成电路设计》等，可开展EDA 实践、课程设计和毕业设计等实践课程。EDA 实验中心主要开展各种电子电路和集成电路的逻辑设计、结构设计、电路设计、版图设计、仿真验证和基础开发的实验课程，其目的是使学生掌握集成电路设计的基本原理和完整流程，熟练使用集成电路设计的软硬件工具，打通“产、学、研”之间的壁垒，为学生日后深造和就业打下牢固基础。

2.3 超净工艺实验室

集成电路的制造过程就是通过氧化、光刻、扩散、外延、退火等工艺步骤，把电容、电阻、二极管、晶体管等元器件以及它们之间的连接线全部集成在同一块半导体衬底上，成为具有特定功能的电路模块，并将之封装在管壳内。上述工艺步骤是半导体元器件以及集成电路制造的典型工艺，具有环境清洁度极高，设备昂贵，维护费用高等特点，国内目前仅有百余家企业具有可量产的工艺生产线，净化级别为百级，而具有超净工艺实验室的高校则少之又少，学生对集成电路制造工艺的了解仅限于理论课上，在实际操作部分几乎空白［14］。超净工艺实验室的缺失不仅限制了学生的动手能力和团队合作能力，工艺和设计创新能力。

在此背景下，我校的集成电路实验中心建设了超净工艺实验室，该实验室具备典型的Si 基平面工艺的前序工艺设备与实验仪器，实验室面积约1 800 m2，净化级别为千级至万级，其中60 多m2的光刻间为百级至千级。超净工艺实验室包括了清洗、氧化、光刻、扩散、蒸发、溅射、合金、CVD、测试等Si 平面工艺的主要前部工序，设备总价值超过1 200 万元，可供相关专业的学生进行实验教学和毕业设计，每年接纳学生能力为1 200 人次左右。超净工艺实验室的授课方式为分组授课，实验过程与企业工艺线的生产过程相近，在理论课程《集成电路制造技术》学习完成后，以小组为单位，轮流参与到每一步实验工序中，完成从Si 片到半导体器件或集成电路的制造过程。整个实验过程的完成不仅需要理论支持，还需要学生具备独立思考、团队配合以及操作和校正仪器设备的能力，在实验进行过程中，如果学生提出了新的工艺方法，在条件允许的前提下，实验教师会辅助学生探索和完成新工艺，进而鼓励和提高学生的创新能力。目前，微电子学院是国内拥有较完整的“超净工艺实验室”的少数高校之一，为微电子科学与工程专业和集成电路专业的人才培养，特别是工艺实践能力的培养提供了保障。

2.4 创新实践实验室

创新实践实验室以学生课外科技学术活动为载体，以专设的创新实践实验室和其他实验室为平台，按照动员、培训、选拔、训练、项目实施与验收等程序有计划地开展创新实践活动，承担学科竞赛和创新创业项目培育工作，培养和提高学生的创新意识与能力。

创新实践实验室占地面积200 余m2，包含EDA开发平台、示波器、低噪声电源、数控高精度电源、集成电路可测性设计、DSP实验平台、可编程直交流仿真电源、集成电路物理验证平台、可开发机器人、FPGA 开发套件、人工智能等仪器和实验平台，采取开放式管理模式，学生可以通过申请和授权全天24 h 使用实验室，鼓励学生以团队或个人的形式完成创新研究。创新实践实验室是支持本科生探索和创新，学生探索和创新的过程本质上是进行研究性学习和创造，鼓励本科生根据自己的研究成果，撰写专利和论文。同时创新实践实验室与校内导师合作，鼓励学有余力的学生直接参与科学研究，引导学生进入科学前沿，了解科学发展动态，通过发现问题、激发创新思维、独立完成课题等过程，积极主动地探索新的知识领域，从而体验到一种全新的研究性学习的乐趣。为了鼓励本科生进行创新活动，微电子学院成立了本科生研究资助计划，为本科生提供实现自己创新的机会，设立“创新基金”，支持学生进行创新、创业，并在技术、管理等方面提供支持。

3 虚拟仿真实验平台的功能与特点

理论与实际相结合是微电子和集成电路专业的一个鲜明特点，但受仪器价格昂贵、环境要求苛刻、具有一定的危险性等条件的限制，导致很多创造性和验证性的实验无法面向全体学生开展，学生只能从课堂上了解这些实验的原理和结果，无法观察其实验现象。“集成电路设计与制造虚拟仿真实验教学中心”利用飞速发展的计算机和互联网技术，让学生近距离的观察和学习一些具有时间性、可变性、距离性、抽象性的物理现象，使那些抽象、枯燥、难懂的学习内容以直观的形式表现出来，大大增强学生的思维能力和创新能力。在集成电路实验教学体系中，通过借助虚拟仿真实验平台，将基础类实验、专业基础实验、专业实验、课程设计、EDA 实践、工艺实践、生产实习和毕业设计环环相扣、有机衔接，构建出具有鲜明特色的专业实践教学体系。如图2 所示，虚拟仿真实验平台由“工艺”“器件”和“集成电路设计”三大模块组成，各个模块既有自身的侧重，又相互联系支撑，共同通过虚拟仿真、多媒体、网络通信等技术手段，强化理论教学效果，提高工程实践能力和创新能力，在提高人才培养质量的过程中发挥重要作用，与真实实验中专业基础实验层、EDA 应用层、综合训练层和研究创新层遥相呼应，互为补充，涵盖了集成电路产业技术链的主要环节，兼顾工艺、器件、电路等多方面的培养要求，具有综合性、实用性和创新性等鲜明特色。

图2 集成电路设计与制造虚拟仿真实验教学中心架构图

以集成电路器件模拟理论的教学为例，虚拟仿真实验能够将看不见摸不着的微电子抽象概念形象化、可视化。例如，采用仿真软件，对集成器件进行虚拟实验，通过输入器件结构和参数，最终得到器件的电学特性、寄生参数等；借助该虚拟仿真实验，可更直观地学习集成器件的原理及特性；引导学生逐步探索物理现象的本质，大大增强对所学知识的理解和掌握。器件虚拟仿真是在虚拟环境中完成器件设计，并剖析影响器件性能的主要因素，使学生直观地理解半导体器件的工作原理，掌握优化设计和机理分析方法，很好地解决了抽象到具体，理论到实践的环节，弥补了工程实践的薄弱环节。2018 年4 月，虚拟仿真实验中心的器件仿真课程“氮化镓发光二极管工艺制造与光电特性虚拟仿真实验”被教育部认定为示范性虚拟仿真实验教学项目。以集成电路工艺仿真模拟的教学为例，工艺虚拟仿真要求学生在真实实验前先对工艺过程进行模拟，通过集成电路工艺的动态实现过程，揭示集成电路芯片内部结构特征及工艺参数变化规律，培养学生对半导体工艺制造流程的认识，虚实结合，为实际操作实习打下良好基础。集成电路设计仿真要求学生在虚拟平台完成数字、模拟、射频等集成电路芯片设计及验证，让学生掌握集成电路设计流程和虚拟仿真方法。

4 加强微电子专业实验室人才队伍建设

实验课程是本科生能力培养过程中的重要部分，实验队伍的专业素养、实验技能、创新创造能力和管理能力是影响实验课程质量的核心因素，也是实验室建设的基础。由于实验教师职称评审困难，岗位职责和考核标准不明确，导致实验岗位吸引不到优秀人才，大多数高校都存在实验队伍的人员数量不稳定，职称结构不合理，专职实验教师老龄化等问题［15，16］。为了打破此僵局，进一步提高实验体系教师队伍的水平和能力，学校以及实验室推出多种措施并获得初步成效。

（1）引进具有博士学位的教师，给予其正式编制，并开设独立的职称评审通道。此举措推出后，仅半年时间，实验室就引进了3 位具有博士学位的年轻教师，其中一位具有工程背景，曾在企业参与过多项重大项目的研究，年轻老师的引进有效提升了实验师资队伍的整体实力，为实验室建设注入新的活力。

（2）鼓励实验教师去其他优秀院校参观学习，派遣青年教师赴国内外培训。近年来，实验室多次组织青年实验教师参观和学习了国内各高校的微电子实验室，并积极参加与高校实验室建设相关的研讨会，学习兄弟院校的建设经验，融会贯通地运用至本校实验平台的建设中。

（3）为促进实验教学的内容和形式符合产业发展的需求，实验室聘请国内外集成电路知名企业专家做兼职教师，邀请其前来为学生授课、举办学术讲座或进行专项培训。

（4）举办青年教师讲课竞赛和实验技能竞赛，使青年实验教师的教学水平不断提升。

5 微电子专业实验室建设成果

微电子专业实验室的建设以提高学生的综合能力和素质为目的，实践表明，学生的创新创业能力、实验教学建设和资源共享方面取得了显著的成效。

在微电子专业实验平台的支撑下，仅2018 年，我校微电子和集成电路的本科生获得了第四届“互联网＋”大学生创新创业大赛全国金奖；全国大学生嵌入式系统专题邀请赛全国一等奖；美国大学生数学建模竞赛国际一等奖等奖项。同时，获批2018 ～2019 年国家级大学生创新创业训练计划22 项，省级大学生创新创业训练计划28 项，培育2019 年国家级大学生创新创业训练计划项目立项39 项。“氮化镓发光二极管工艺制造与光电特性”获国家首批虚拟仿真实验项目；“面向国家急需，构建“三位一体”集成电路人才培养模式的改革与实践”获2018 年国家教学成果一等奖；集成电路设计与集成系统特色专业教学团队获批陕西普通高校省级教学团队；与国微集团联合共建科研教学融合实验室；与振华永光公司、深圳振华公司建立校外实践基地；与芯原微电子公司合作开设《模拟集成电路设计》课程；与Intel、Synopsys、Cadence、NI、海思等公司联合举办“微电之光”集成电路技能暑期训练营，为本科生的创新创业能力提供了良好的平台和优质的发展空间。

经过多年的建设与发展，我校微电子专业实验室的影响力逐步增强，服务范围日益扩大。实验室完成了仅面向微电子科学与工程专业和集成电路专业到面向全校所有相关专业的转变；同时，实验室完成了从面向本校到面向全国具有集成电路专业的高校（如，西北大学、西安理工大学、陕西科技大学、西安邮电大学、西安科技大学等）和相关企事业单位（航天771 所、中电20 所、Intel公司、原总装备部等）提供实践教学及培训服务的转变。随着师资水平的提升，我校微电子专业实验室的辐射范围将进一步扩大，起到教学资源共享和带动作用。

6 结 语

微电子专业实验室是微电子和集成电路人才培养过程中不可或缺的重要部分，是电子科学与技术学科建设的硬件支撑，微电子专业实验室的建设在学生创新创业能力方面的培养已经初见成效。随着集成电路最小线宽的不断缩小，科研水平和工业化能力的不断提高，微电子专业实验室的建设也应不断探索和改革，建设成开放、全面、与前沿科技接轨的实验基地，成为科研人才和工程人才成长的沃土，为国家培养出更多优秀的微电子和集成电路领域的人才。