微电子实验教学平台和教学体系的构建与改革

刘瑶 陆翔

摘要：近年来微电子产业高速发展，对高校创新型微电子专业人才的培养提出了更高的要求。本文在调研分析的基础上，介绍了我校近几年微电子实验教学平台的规划建设和实验体系的改革，包括覆盖完整集成电路设计一制造一测试流程的三大实验室的建立，实验课程群的融合创新和分层体系，综合研发性、设计性实验教学内容的加强以厦引入开放式、团队协作的教学模式。这些措施为提高学生的综合实践能力、培养高素质人才打下基础。

关键词：微电子；实验教学平台；实验体系；教学改革

2018年的政府工作报告首度把集成电路列为加快制造强国建设需要推动的五大产业关键词首位。国务院印发的《集成电路产业发展纲要》明确提出，2030年集成电路产业链主要环节达到国际先进水平，一批企业进入国际第一梯队，产业实现跨越式发展。目前我国集成电路设计和微电子工艺等方面的人才缺口巨大，人才结构明显失衡，高端人才在集成电路设计、制造、设备、材料等多个环节严重匮乏。2022年我国微电子集成电路全行业人才需求达74.45万人左右。然而截至2019年年底，相关从业人员只有51.19万人，全行业人才缺口达20多万人。2020年国务院印发的“若干政策”中提出在集成电路人才培养中，要紧密结合产业发展需求及时调整课程设置和教学方式，因此微电子集成电路专业教育改革迫在眉睫。

作为“一带一路”枢纽区域和东盟总部的广西，它的最高学府广西大学立足广西服务全国，响应新工科建设提出的“地方高校要对区域经济发展和产业转型升级发挥支撑作用”，响应国家对微电子技术和产业的人才需求，其電子专业于2018年开始从传统的以应用电子方向为主的专业结构转向高端新兴的微电子、光电子两大方向组成的专业结构。在转型的过程中，实验教学体系的建立与改革难度要远大于理论教学。对于实践性强的微电子专业，实验课程是教学的重要组成，须与理论教学相辅相成，有效地促进和加深学生对理论知识的理解，并能在实验中灵活运用相关理论，培养学生的应用、设计和创新能力以及研发性思维模式。广西壮族自治区内的高校中，除了桂林电子科技大学和广西师范大学，并无其他高校的电子类学科拥有微电子相关的实验教学平台。而桂林电子科技大学的微电子实验建设偏重于通信射频集成电路设计、测试封装以及微电子基础实验，广西师范大学只开设了集成电路设计实验，两所高校对微电子教学体系中的另一重要模块——半导体工艺制造与器件实验并无涉及。因此，我校在专业改革转型的大方向下，从2018年至今，通过探索和改革，建立了合理完善、综合性、有层次的具有特色和国内先进水平的微电子实验教学平台及教学体系，从而为我国在集成电路产业高速发展之际，更多、更有效地培养出一批社会急需、具有工程和创新能力的微电子产业技术人才。

1 微电子实验教学平台的构建

近几年，我校电子学科在专业转型方面不断探索，培养计划逐步向微电子相关课程倾斜，新增了“微电子器件与工艺”“集成电路原理”“射频电路原理”“VHDL与FPCA设计”“集成电路制造技术”等理论课程，从而为微电子实验教学体系的建立打下了坚实的理论基础。2018年以来，我校预留面积约1000m2左右、投入1500余万元建设电子专业微电子方向相关的教学实验室。其中最具特色的是建立了广西区内第一个微电子工艺洁净室（约400m2，包括千级洁净度的黄光区和万级洁净度的白光区），并购买了全套先进工艺设备，例如紫外光刻机、甩胶匀胶机、等离子清洗机、反应离子刻蚀机、高温氧化扩散炉、电子束蒸发镀膜机等半导体工艺制造设备，金相显微镜、台阶仪、半导体参数测试仪等检测设备，并结合高端科研设备如磁控溅射、低压CVD、全自动变温霍尔效应测试仪、宽光谱穆勒矩阵变温椭偏仪等，从而能实现从硅圆片清洗到最后制造出器件或简单芯片以及性能测试的完整硅平面工艺。另外，购置了单晶少子寿命测试仪、四探针测试系统、电容电压特性测试仪、数字存储半导体特性图示仪、霍尔效应测试系统等半导体检测设备各10套，以此建立了半导体物理与器件实验室。同时，把已开设的FPCA和VHDL实验纳入集成电路设计实验教学体系作为前序课程，并以此为基础购买了高性能的服务器集群、各类集成电路EDA设计软件，构建了集成电路设计实验室。至此，规划并建立了以半导体物理与器件实验室、集成电路设计实验室、微电子工艺洁净室为三大核心实验室的微电子实验教学平台，如下图所示。

2 建立分层次、合理完整的微电子学实验教学体系

依托已建成的微电子实验教学平台，并紧密结合微电子方向理论教学体系，规划并建立了从易到难、从基础验证到综合设计研发性实验的分层次实验教学体系。对微电子课程群中的每门核心课程都开设实验或实践，整个实践环节不低于整个课程的40%，以实践能力驱动人才培养。每个实验室承载相应的实验教学内容，物尽其用，提高使用率。具体实验教学体系的建设方案如上图所示。

2.1设置专业基础实验课程，训练学生的基本实验技能

在大三第一学期，基于“半导体物理”和“微电子器件与工艺”的理论教学，开设半导体物理与器件实验课程。实验内容主要涵盖半导体材料与器件的主要性能评价参数、电学特性的表征和测试技术的应用。通过该实验教学，学生能深入理解半导体材料的物理特性，掌握微电子器件参数测试技术，为设计具有特定功能的器件和电路准备条件。同时，基于“集成电路原理”“VHDL与FPCA设计”等理论教学，对集成电路自顶向下的设计有了初步的掌握后，先开设基于FPCA和VHDL的验证设计实验，为后续的专用集成电路设计打下基础。

2.2开展进阶实验课程，培养学生的实践应用能力

大三第二学期，在掌握VHDL设计后，进一步通过两周的集成电路实验实训，使用各类EDA工具完成数字集成电路与模拟集成电路从前端系统功能设计向后端版图设计、参数提取和设计规则检查的全功能实验内容，并以此为基础，开展微电子制造工艺实践教学的单项基础实验，使学生能掌握包括清洗、光刻、刻蚀、氧化扩散、镀膜、物理与电学性能检测等的每道关键工序。

2.3随着专业知识的深入，开展综合性研发性专业实验

在熟练掌握微电子工艺单项实验后，以半导体器件和集成电路（IC）设计为主线，围绕设计、工艺制造以及器件特性检测技术，把各单项工艺以及测试表征实验项目的内容整合在一起，利用微电子超净工艺线开展特定半导体器件（如二极管、双极晶体管和CMOS管）及简单IC的综合研制工艺实验，并在超静间进行制造后的各项参数与性能测试分析。通过案例式的综合实验技能训练，增强了学生对各单项实验知识的融会贯通，使实验内容从复杂抽象走向简单视觉化，能更形象直观地感受器件和IC如何被制造出来，激发学生的学习兴趣和积极性。因此，该实验体系涵盖了除封装工艺以外的所有实验项目，功能齐全。通过该实验体系的教学，学生可全面掌握半导体基本原理、集成电路设计与仿真、工艺版图设计与仿真、集成电路基本制造工艺方法、半导体测试分析方法等专业技能。

3 科学组织实验内容．加强课程群实验内容的有机结合

微电子学的特点是专业跨度大，涉及物理学、信息科学、电子材料与器件等多个学科，因此要按照人才培养的能力目标这条主线来规划实验内容。课程群的各实验课程设置需强调连续性和内在逻辑联系性。

在集成电路设计实验中，以FPCA和VHDL的验证性实验和VHDL语言的学习为基础，利用Cadence定制套件完成模拟集成电路的设计与仿真，利用Synopsys定制套件完成数字集成电路的设计与仿真，并使用MentorCraplucs进行参数提取和设计规则检查，从而实现一整套前端到后端完整的由易至难、层层叠进的实验流程。模拟集成电路和数字集成电路分别集中实训一周，均采用实现一个具体的涵盖所有设计流程的电路系统来做到实验内容之间的相互联系、自成系统。而通过集成电路设计和仿真过的部分器件和IC可利用半导体工艺实验进行制作：由最初的学习单项工艺技术再到利用微电子超净工艺生产线研制性能指标满足设计要求的半导体器件和简单IC，最终对制作出来的器件和IC性能进行测试与分析。通过这些设计、验证、制造和测试各个实验教学环节的有机结合，学生能系统掌握微电子专业核心课程及深入理解课程之间的联系，经历了一个完整的集成电路设计－制造－测试流程，摆脱了微电子专业学生以往普遍面临的“进不去门，动不了手”的尴尬局面，见证了从抽象的设计思想到一颗实物芯片的巨大转变。

4 探索综合性、开放性、教研结合的实验教学模式

在原有传统的半导体物理与器件验证性实验教学的基础上，新增了双极型晶体管开关时间和双极型晶体管特征频率测量两个实验项目，需自主搭建测试电路系统并进行测试分析，从而促进学生综合能动性设计的能力。

在微电子工艺实验中，实施开放性实验教学。学生在掌握单项工艺技术后，以团队的形式（每组不超过8人）自主进行器件与IC综合研制实验方案的选择，小组成员分工合作，每位成员分别完成一道工序，最后完成一整套从硅片清洗直至器件和IC性能测试的生产全过程；同时开展课外实践教学，组织学生去参观国内晶圆厂最先进的微電子工艺线。开放性的流片实验和参观生产线相结合，一方面使学生了解和接触国内最先进的设备和工艺水平，另一方面能培养学生的团队协作能力。

由于微电子技术高速发展的特点，实验教学还需与科学研究紧密结合，推动实验教学的内容和形式与国内外科技同步发展。依据本校电子专业的科研发展方向，把微电子实验教学与第三代半导体材料发光器件、光量子芯片、纳米发电机与自驱动系统集成等密切相关的研究领域结合起来，相关科研团队教师在微电子实验教学的基础上对本科生开放一些科研仪器设备，指导本科生进行创新性实验和课题研究，使教学与科研资源共享。具体完成形式包括：（1）开设实践必修课“导师课程”：从大二下学期开始相关科研团队教师指导学生确定科研课题，以完成学术论文并投稿来获取课程学分；（2）组织学生申报并指导微电子及相关学科的大创项目或毕业设计。这种教学模式使学生紧跟微电子技术发展前沿，全面培养学生的综合素质、科学创新意识和跨学科研究能力，进一步提升实验教学质量，实现教研相长。

结语

2018年开始启动从传统电子学科向微电子方向的实验教学转型，在过程中先后经历了微电子方向实验教学平台的规划，建立了国内一流的微电子三大教学实验室；构建了科学且完善的实验内容及实验体系，加强综合性、设计性、科教融合实验项目，使学生深入掌握微电子技术领域相关理论知识和全套实验设计制造开发能力；建立完善的开放性实验管理制度，形成科学、规范的实验教学方法。这些成果为培养基础扎实、知识面广、实践能力强、综合素质高的微电子专业人才打下了坚实的基础，可满足我国国民经济发展和国防建设对微电子人才的迫切需求。

作者简介：刘瑶（1982-），女，汉族，湖南部阳人，博士，讲师，物理实验中，心副主任，研究方向：宽禁带半导体材料光学和电学性质研究。