劉瑤 陸翔

摘要：近年來(lái)微電子產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，對(duì)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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的規(guī)劃建設(shè)和實(shí)驗(yàn)體系的改革，包括覆蓋完整集成電路設(shè)計(jì)一制造一測(cè)試流程的三大實(shí)驗(yàn)室的建立，實(shí)驗(yàn)課程群的融合創(chuàng)新和分層體系，綜合研發(fā)性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的加強(qiáng)以廈引入開(kāi)放式、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的教學(xué)模式。這些措施為提高學(xué)生的綜合實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)；實(shí)驗(yàn)體系；教學(xué)改革

2018年的政府工作報(bào)告首度把集成電路列為加快制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)需要推動(dòng)的五大產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵詞首位。國(guó)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(guó)際先進(jìn)水平，一批企業(yè)進(jìn)入國(guó)際第一梯隊(duì)，產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。目前我國(guó)集成電路設(shè)計(jì)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(jì)、制造、設(shè)備、材料等多個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)重匱乏。2022年我國(guó)微電子集成電路全行業(yè)人才需求達(dá)74.45萬(wàn)人左右。然而截至2019年年底，相關(guān)從業(yè)人員只有51.19萬(wàn)人，全行業(yè)人才缺口達(dá)20多萬(wàn)人。2020年國(guó)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(shí)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(guó)，響應(yīng)新工科建設(shè)提出的“地方高校要對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)揮支撐作用”，響應(yīng)國(guó)家對(duì)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(kāi)始從傳統(tǒng)的以應(yīng)用電子方向?yàn)橹鞯膶I(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(guò)程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的建立與改革難度要遠(yuǎn)大于理論教學(xué)。對(duì)于實(shí)踐性強(qiáng)的微電子專業(yè)，實(shí)驗(yàn)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(duì)理論知識(shí)的理解，并能在實(shí)驗(yàn)中靈活運(yùn)用相關(guān)理論，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用、設(shè)計(jì)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(wú)其他高校的電子類學(xué)科擁有微電子相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。而桂林電子科技大學(xué)的微電子實(shí)驗(yàn)建設(shè)偏重于通信射頻集成電路設(shè)計(jì)、測(cè)試封裝以及微電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，廣西師范大學(xué)只開(kāi)設(shè)了集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，兩所高校對(duì)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(shí)驗(yàn)并無(wú)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(guò)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(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的微電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)及教學(xué)體系，從而為我國(guó)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(huì)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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)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(jì)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(jì)”“集成電路制造技術(shù)”等理論課程，從而為微電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的建立打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。2018年以來(lái)，我校預(yù)留面積約1000m2左右、投入1500余萬(wàn)元建設(shè)電子專業(yè)微電子方向相關(guān)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室。其中最具特色的是建立了廣西區(qū)內(nèi)第一個(gè)微電子工藝潔凈室（約400m2，包括千級(jí)潔凈度的黃光區(qū)和萬(wàn)級(jí)潔凈度的白光區(qū)），并購(gòu)買了全套先進(jìn)工藝設(shè)備，例如紫外光刻機(jī)、甩膠勻膠機(jī)、等離子清洗機(jī)、反應(yīng)離子刻蝕機(jī)、高溫氧化擴(kuò)散爐、電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)等半導(dǎo)體工藝制造設(shè)備，金相顯微鏡、臺(tái)階儀、半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀等檢測(cè)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(dòng)變溫霍爾效應(yīng)測(cè)試儀、寬光譜穆勒矩陣變溫橢偏儀等，從而能實(shí)現(xiàn)從硅圓片清洗到最后制造出器件或簡(jiǎn)單芯片以及性能測(cè)試的完整硅平面工藝。另外，購(gòu)置了單晶少子壽命測(cè)試儀、四探針測(cè)試系統(tǒng)、電容電壓特性測(cè)試儀、數(shù)字存儲(chǔ)半導(dǎo)體特性圖示儀、霍爾效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)等半導(dǎo)體檢測(cè)設(shè)備各10套，以此建立了半導(dǎo)體物理與器件實(shí)驗(yàn)室。同時(shí)，把已開(kāi)設(shè)的FPCA和VHDL實(shí)驗(yàn)納入集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系作為前序課程，并以此為基礎(chǔ)購(gòu)買了高性能的服務(wù)器集群、各類集成電路EDA設(shè)計(jì)軟件，構(gòu)建了集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室。至此，規(guī)劃并建立了以半導(dǎo)體物理與器件實(shí)驗(yàn)室、集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室、微電子工藝潔凈室為三大核心實(shí)驗(yàn)室的微電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，如下圖所示。

2 建立分層次、合理完整的微電子學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

依托已建成的微電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，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(yàn)證到綜合設(shè)計(jì)研發(fā)性實(shí)驗(yàn)的分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。對(duì)微電子課程群中的每門核心課程都開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`，整個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)不低于整個(gè)課程的40%，以實(shí)踐能力驅(qū)動(dòng)人才培養(yǎng)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)室承載相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，物盡其用，提高使用率。具體實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課程，訓(xùn)練學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)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(kāi)設(shè)半導(dǎo)體物理與器件實(shí)驗(yàn)課程。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要涵蓋半導(dǎo)體材料與器件的主要性能評(píng)價(jià)參數(shù)、電學(xué)特性的表征和測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)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(cè)試技術(shù)，為設(shè)計(jì)具有特定功能的器件和電路準(zhǔn)備條件。同時(shí)，基于“集成電路原理”“VHDL與FPCA設(shè)計(jì)”等理論教學(xué)，對(duì)集成電路自頂向下的設(shè)計(jì)有了初步的掌握后，先開(kāi)設(shè)基于FPCA和VHDL的驗(yàn)證設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，為后續(xù)的專用集成電路設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

2.2開(kāi)展進(jìn)階實(shí)驗(yàn)課程，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力

大三第二學(xué)期，在掌握VHDL設(shè)計(jì)后，進(jìn)一步通過(guò)兩周的集成電路實(shí)驗(yàn)實(shí)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(jì)向后端版圖設(shè)計(jì)、參數(shù)提取和設(shè)計(jì)規(guī)則檢查的全功能實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并以此為基礎(chǔ)，開(kāi)展微電子制造工藝實(shí)踐教學(xué)的單項(xiàng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能掌握包括清洗、光刻、刻蝕、氧化擴(kuò)散、鍍膜、物理與電學(xué)性能檢測(cè)等的每道關(guān)鍵工序。

2.3隨著專業(yè)知識(shí)的深入，開(kāi)展綜合性研發(fā)性專業(yè)實(shí)驗(yàn)

在熟練掌握微電子工藝單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)后，以半導(dǎo)體器件和集成電路（IC）設(shè)計(jì)為主線，圍繞設(shè)計(jì)、工藝制造以及器件特性檢測(cè)技術(shù)，把各單項(xiàng)工藝以及測(cè)試表征實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容整合在一起，利用微電子超凈工藝線開(kāi)展特定半導(dǎo)體器件（如二極管、雙極晶體管和CMOS管）及簡(jiǎn)單IC的綜合研制工藝實(shí)驗(yàn)，并在超靜間進(jìn)行制造后的各項(xiàng)參數(shù)與性能測(cè)試分析。通過(guò)案例式的綜合實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)各單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)知識(shí)的融會(huì)貫通，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容從復(fù)雜抽象走向簡(jiǎn)單視覺(jué)化，能更形象直觀地感受器件和IC如何被制造出來(lái)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。因此，該實(shí)驗(yàn)體系涵蓋了除封裝工藝以外的所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，功能齊全。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)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(jì)與仿真、工藝版圖設(shè)計(jì)與仿真、集成電路基本制造工藝方法、半導(dǎo)體測(cè)試分析方法等專業(yè)技能。

3 科學(xué)組織實(shí)驗(yàn)內(nèi)容．加強(qiáng)課程群實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的有機(jī)結(jié)合

微電子學(xué)的特點(diǎn)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(gè)學(xué)科，因此要按照人才培養(yǎng)的能力目標(biāo)這條主線來(lái)規(guī)劃實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。課程群的各實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置需強(qiáng)調(diào)連續(xù)性和內(nèi)在邏輯聯(lián)系性。

在集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，以FPCA和VHDL的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和VHDL語(yǔ)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(jì)與仿真，利用Synopsys定制套件完成數(shù)字集成電路的設(shè)計(jì)與仿真，并使用MentorCraplucs進(jìn)行參數(shù)提取和設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，從而實(shí)現(xiàn)一整套前端到后端完整的由易至難、層層疊進(jìn)的實(shí)驗(yàn)流程。模擬集成電路和數(shù)字集成電路分別集中實(shí)訓(xùn)一周，均采用實(shí)現(xiàn)一個(gè)具體的涵蓋所有設(shè)計(jì)流程的電路系統(tǒng)來(lái)做到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之間的相互聯(lián)系、自成系統(tǒng)。而通過(guò)集成電路設(shè)計(jì)和仿真過(guò)的部分器件和IC可利用半導(dǎo)體工藝實(shí)驗(yàn)進(jìn)行制作：由最初的學(xué)習(xí)單項(xiàng)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(jì)要求的半導(dǎo)體器件和簡(jiǎn)單IC，最終對(duì)制作出來(lái)的器件和IC性能進(jìn)行測(cè)試與分析。通過(guò)這些設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、制造和測(cè)試各個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的有機(jī)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(gè)完整的集成電路設(shè)計(jì)－制造－測(cè)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(dòng)不了手”的尷尬局面，見(jiàn)證了從抽象的設(shè)計(jì)思想到一顆實(shí)物芯片的巨大轉(zhuǎn)變。

4 探索綜合性、開(kāi)放性、教研結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

在原有傳統(tǒng)的半導(dǎo)體物理與器件驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，新增了雙極型晶體管開(kāi)關(guān)時(shí)間和雙極型晶體管特征頻率測(cè)量?jī)蓚€(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，需自主搭建測(cè)試電路系統(tǒng)并進(jìn)行測(cè)試分析，從而促進(jìn)學(xué)生綜合能動(dòng)性設(shè)計(jì)的能力。

在微電子工藝實(shí)驗(yàn)中，實(shí)施開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生在掌握單項(xiàng)工藝技術(shù)后，以團(tuán)隊(duì)的形式（每組不超過(guò)8人）自主進(jìn)行器件與IC綜合研制實(shí)驗(yàn)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(cè)試的生產(chǎn)全過(guò)程；同時(shí)開(kāi)展課外實(shí)踐教學(xué)，組織學(xué)生去參觀國(guó)內(nèi)晶圓廠最先進(jìn)的微電子工藝線。開(kāi)放性的流片實(shí)驗(yàn)和參觀生產(chǎn)線相結(jié)合，一方面使學(xué)生了解和接觸國(guó)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(duì)協(xié)作能力。

由于微電子技術(shù)高速發(fā)展的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)還需與科學(xué)研究緊密結(jié)合，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和形式與國(guó)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(shí)驗(yàn)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(jī)與自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成等密切相關(guān)的研究領(lǐng)域結(jié)合起來(lái)，相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)教師在微電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上對(duì)本科生開(kāi)放一些科研儀器設(shè)備，指導(dǎo)本科生進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)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(kāi)設(shè)實(shí)踐必修課“導(dǎo)師課程”：從大二下學(xué)期開(kāi)始相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)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(lái)獲取課程學(xué)分；（2）組織學(xué)生申報(bào)并指導(dǎo)微電子及相關(guān)學(xué)科的大創(chuàng)項(xiàng)目或畢業(yè)設(shè)計(jì)。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(shí)和跨學(xué)科研究能力，進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)教研相長(zhǎng)。

結(jié)語(yǔ)

2018年開(kāi)始啟動(dòng)從傳統(tǒng)電子學(xué)科向微電子方向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)型，在過(guò)程中先后經(jīng)歷了微電子方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)平臺(tái)的規(guī)劃，建立了國(guó)內(nèi)一流的微電子三大教學(xué)實(shí)驗(yàn)室；構(gòu)建了科學(xué)且完善的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)體系，加強(qiáng)綜合性、設(shè)計(jì)性、科教融合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)和全套實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制造開(kāi)發(fā)能力；建立完善的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)管理制度，形成科學(xué)、規(guī)范的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。這些成果為培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面廣、實(shí)踐能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的微電子專業(yè)人才打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，可滿足我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)對(duì)微電子人才的迫切需求。

作者簡(jiǎn)介：劉瑤（1982-），女，漢族，湖南部陽(yáng)人，博士，講師，物理實(shí)驗(yàn)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。