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淺析微電子實驗室建設(shè)的指導(dǎo)思想論文
當(dāng)前，全球微電子技術(shù)及產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，22nm節(jié)點技術(shù)已量產(chǎn)，以微電子集成電路為核心的電子信息產(chǎn)業(yè)已成為全球第一大產(chǎn)業(yè)，而我國的微電子技術(shù)及產(chǎn)業(yè)同國外比還有較大的差距，集成電路設(shè)計和微電子工藝方面的人才比較匱乏。當(dāng)前和今后一段時期是我國微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略機遇期和攻堅期，2014年6月我國發(fā)布了《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》以加快推進我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并明確指出“重點支持集成電路制造領(lǐng)域”。因此，為適應(yīng)該領(lǐng)域技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的人才需求，亟須加強對微電子和集成電路相關(guān)專業(yè)本科生的工藝實驗與工程實踐能力的訓(xùn)練，培養(yǎng)其創(chuàng)新和實踐能力。
高校實驗室是培養(yǎng)創(chuàng)新和實踐能力重要基地，也是開展教學(xué)、科研、生產(chǎn)實踐三結(jié)合的重要場所，特別是對于實踐性強的微電子學(xué)科，實驗室在教學(xué)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。因此，建設(shè)專業(yè)的實驗室并開展實踐與創(chuàng)新相結(jié)合的實驗教學(xué)，才能更多、更有效地培養(yǎng)滿足社會急需的微電子技術(shù)人才。
1微電子實驗室建設(shè)指導(dǎo)思想
微電子實驗室建設(shè)及人才的培養(yǎng)是以國家對微電子技術(shù)人才的需求為目的，以滿足社會經(jīng)濟快速發(fā)展的需要。近10多年來是我國微電子和集成電路產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展時期，2000年和2011年國家先后出臺了《鼓勵軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干政策》、《進一步鼓勵軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干政策》，到2014年發(fā)布了《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》。在政策導(dǎo)向下，高校微電子專業(yè)實驗的建設(shè)成就也十分顯著。但是，我國的微電子技術(shù)及產(chǎn)業(yè)同國外比還有較大的差距，這其中縮小差距重要的一點是縮小微電子實驗室技術(shù)的差距。因此，對于高校微電子專業(yè)實驗室的建設(shè)發(fā)展還需進一步的改革創(chuàng)新。
微電子實驗室建設(shè)應(yīng)以《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》為導(dǎo)則，明確國家教育改革戰(zhàn)略目標(biāo)和戰(zhàn)略主題是優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)，豐富社會實踐，強化能力培養(yǎng)，要著力提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實踐能力、創(chuàng)新能力。
在實驗室建設(shè)的措施實施上，一是貫徹實施《高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程》，進一步推動高校實驗室建設(shè)和實驗教學(xué)改革，促進優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享，提升高等學(xué)校辦學(xué)水平，加強學(xué)生動手能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，全面提高教育質(zhì)量；二是貫徹實施《卓越工程師教育培養(yǎng)計劃》，面向微電子產(chǎn)業(yè)，按通用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)強化培養(yǎng)學(xué)生的工程和創(chuàng)新能力。
2微電子實驗室建設(shè)
適應(yīng)國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和我國電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展以及社會對微電子專業(yè)人才的大量需求，從2002年起我校就對微電子實驗室進行了改造，并持續(xù)進行了升級換代建設(shè)，截止到目前共計投入了800余萬元的建設(shè)經(jīng)費。我校的微電子實驗室建設(shè)主要包括2方面的內(nèi)容，一是微電子設(shè)計實驗室建設(shè)，二是微電子工藝實驗室建設(shè)。目前，微電子實驗室可滿足每年500人的實驗教學(xué)規(guī)模以及高水平實驗項目的開設(shè)。學(xué)生在此完成集成電路芯片設(shè)計、制造的整個過程，并對制造的芯片進行測試和分析。
2.1微電子設(shè)計實驗室建設(shè)
微電子設(shè)計實驗室主要開展超大規(guī)模集成電路設(shè)計以及微電子器件仿真和工藝模擬的實驗教學(xué)。教學(xué)目的是使學(xué)生掌握超大規(guī)模集成電路設(shè)計的基本原理和方法，初步掌握用于集成電路設(shè)計的電子設(shè)計自動化EDA(electronicdesignautomation)軟件工具的使用，以及掌握用于半導(dǎo)體工藝流程模擬和微電子器件仿真的工藝計算機輔助設(shè)計TCAD(technologycom-puteraideddesign)軟件工具的使用。我校共計投資300余萬元用于微電子設(shè)計教學(xué)實驗室建設(shè)，建立了配備40臺SUNBlade工作站、面積100m2的專用教室，并專門建立了EDA、TCAD軟件校內(nèi)共享第二層交換網(wǎng)絡(luò)，多個實驗室可以同時使用授權(quán)EDA、TCAD軟件。
微電子設(shè)計教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)包括以下內(nèi)容：
一是開設(shè)VHDL(高速硬件描述語言）程序?qū)嶒�，要求學(xué)生編寫邏輯電路的VHDL代碼，對程序代碼進行仿真綜合。目的使學(xué)生掌握運用VHDL語言進行邏輯電路設(shè)計的技能。
二是開設(shè)FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列）實驗，要求學(xué)生將綜合后的網(wǎng)表文件下載到FPGA器件中，對設(shè)計的電路進行硬件驗證。目的是使學(xué)生掌握電子設(shè)計的FPGA物理實現(xiàn)方法，以及應(yīng)用示波器等調(diào)試儀器對電路進行診斷排錯的技巧。
三是開設(shè)ASICAPR(專用集成電路自動布局布線）版圖設(shè)計實驗，要求學(xué)生將通過硬件驗證過的電路設(shè)計，借助半定制的ASIC設(shè)計EDA工具，結(jié)合代工廠提供的標(biāo)準(zhǔn)單元庫，進行自動布局布線，得到所設(shè)計電路的物理版圖。目的是使學(xué)生掌握電子設(shè)計的AISC實現(xiàn)方法。
四是開設(shè)工藝模擬和器件仿真實驗，要求學(xué)生通過TCAD軟件的學(xué)習(xí)熟悉集成電路制造工藝流程，并指定產(chǎn)生的器件結(jié)構(gòu)，在滿足制造設(shè)備的能力和精度下（即給定工藝參數(shù)范圍內(nèi)），讓學(xué)生設(shè)計實驗并加以仿真實現(xiàn)。
2.2微電子工藝實驗室建設(shè)
微電子技術(shù)的發(fā)展是以集成電路制造技術(shù)工藝節(jié)點為標(biāo)志，遵循摩爾定律，變化日新月異。雖然理想的工程教育要求教學(xué)最新最前沿的技術(shù)，但是不斷升級換代，昂貴的實驗設(shè)備費用是任何高校都負擔(dān)不起的。況且，每一代集成電路制造技術(shù)的工藝流程都具有類似性，因此，單純追求工藝先進性的實驗教學(xué)是沒有必要的。所以，結(jié)合實際教學(xué)資源情況，建設(shè)主流、典型工藝技術(shù)的工藝實驗線，并開展理論聯(lián)系實踐的實驗教學(xué)是微電子工藝實驗室建設(shè)的重點。
我校先后投入500余萬元建設(shè)微電子工藝教學(xué)實驗室，建立了面積300m2的凈化室，具有主流CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體）工藝和具有代表性的雙極工藝完整流程，最小工藝線寬為1^m。并且，由于工藝設(shè)備條件的限制，因地制宜地開發(fā)了鋁柵CMOS工藝。這2類工藝實驗課程的學(xué)時數(shù)都為40學(xué)時，學(xué)生根據(jù)專業(yè)方向選擇具體工藝類型。
微電子工藝實驗課程的目的是培養(yǎng)學(xué)生具有一定的工藝設(shè)計和分析能力，并通過實踐掌握集成電路制造工藝流程。
首先，通過TCAD軟件的學(xué)習(xí)熟悉集成電路制造工藝流程，按指定器件結(jié)構(gòu)設(shè)計實驗并加以仿真實現(xiàn)。并且，TCAD軟件是基于物理的器件仿真，不僅能夠得到最終的電學(xué)特性，還可以了解器件工作時內(nèi)部物理機制，能夠直觀分析器件內(nèi)部能帶、電場、電流以及載流子等的分布和變化，有助于學(xué)生分析工藝參數(shù)的變化對器件物理特性影響，從而最終導(dǎo)致電學(xué)參數(shù)的改變，從而有利于學(xué)生深入理解工藝原理與器件機理的聯(lián)系。
然后，根據(jù)設(shè)計的器件尺寸參數(shù)，采用L-edit圖形編輯器進行器件版圖設(shè)計，并且選用已設(shè)計的器件單元來設(shè)計簡單的集成電路，如倒向器、或非門、與非門等電路。最后是進行工藝實驗實踐環(huán)節(jié)，采用設(shè)計的版圖制作掩膜版。微電子工藝實驗課程的工程化能力要求也主要體現(xiàn)在這一環(huán)節(jié)，一方面是工程化的理念，另一方面就是相應(yīng)的實踐能力。在這一過程既要培養(yǎng)實際操作能力，更要培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力，分析工藝過程中的原因以及造成芯片測試參數(shù)與設(shè)計參數(shù)差別的原因。
2.3實驗教學(xué)資源建設(shè)
2.3.1實驗教材編寫
微電子設(shè)計實驗開設(shè)的難點之一是實驗步驟繁多，學(xué)生操作起來較為困難。其原因是國內(nèi)外缺乏針對本科學(xué)生的實驗指導(dǎo)書，而EDA工具廠商提供的操作指南過于繁瑣，本科學(xué)生難以掌握。為配合上述實驗的開展，課程組組織相關(guān)有實際ASIC設(shè)計經(jīng)驗的教師編寫了《VLSI自動布局布線（APR)設(shè)計實驗指導(dǎo)書》實驗教材，從操作原理、操作步驟、數(shù)據(jù)管理、報告撰寫等方面對學(xué)生進行指導(dǎo)，力求做到學(xué)生通過閱讀實驗教材就能按圖索驥，自行完成實驗流程。因此在教材的編寫上，不厭其詳，采用了大量的EDA工具實際操作的截面圖，力爭反映出每一個操作細節(jié)。
對于微電子工藝實驗，由于實驗內(nèi)容根據(jù)學(xué)校實驗工藝線實際條件開設(shè)，實驗內(nèi)容一是要具有代表性，二是要根據(jù)實際情況建立工藝流程。因此，也沒有現(xiàn)成的教材或?qū)嶒炛笇?dǎo)書可供選擇。課程組組織具有豐富工藝實踐經(jīng)驗的教師，根據(jù)實驗室設(shè)備條件編寫了對應(yīng)的、適用的《微電子器件設(shè)計與制造綜合性實驗指導(dǎo)書》實驗教材。
多媒體資料制作教學(xué)信息載體的多樣化，包括文字、圖片、音頻、視頻、網(wǎng)絡(luò)等載體，這是現(xiàn)代教學(xué)發(fā)展的必然趨勢。實驗教學(xué)多媒體資料可以充分調(diào)動教學(xué)要素，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，融教與學(xué)為一體。
為了讓學(xué)生對集成電路設(shè)計和微電子制造工藝有直觀的認(rèn)識。課程組結(jié)合實際的實驗實踐教學(xué)過程，制作了全程相關(guān)單項工藝原理、流程及設(shè)備操作視頻演示多媒體資料。多媒體資料將動畫、聲音、圖形、圖像、文字、視頻等進行合理的處理，做到圖文聲像并茂。由于微電子實驗課程是與實際聯(lián)系很緊密的課程，形象化教學(xué)素材十分豐富，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對提高教學(xué)效果、教學(xué)質(zhì)量非常有益。同時制作器件、集成電路電路的設(shè)計、仿真視頻演示多媒體資料，讓學(xué)生能快速熟悉設(shè)計軟件并理解設(shè)計方法。在熟悉微電子器件基本理論和集成電路制造工藝的基礎(chǔ)上，掌握器件和集成電路的設(shè)計方法，最后通過實驗操作制作芯片并測試。
3微電子實驗室建設(shè)成效
充分發(fā)揮了以學(xué)生為主的教學(xué)形式，完成從設(shè)計到實驗制作再到測試驗證整個過程。每個學(xué)生都設(shè)計了各自結(jié)構(gòu)的器件，因此在器件制作過程中，每個學(xué)生就會切實關(guān)注每步工藝對器件性能的影響，在實際工藝過程中的操作鍛煉了動手能力，在實踐過程中了解哪些工藝因素可能對器件造成影響。微電子實驗教學(xué)將理論與實踐結(jié)合、創(chuàng)新與實踐結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題、解決問題的能力。
微電子實驗采用理論聯(lián)系實際的方式在國內(nèi)首次實現(xiàn)了“微電子工藝原理”課程的完整實驗教學(xué)，并因此而獲得2004年四川省教學(xué)成果二等獎。此外，我校“電子科學(xué)與技術(shù)”在2012年全國學(xué)科評估中排名全國第一，其中微電子實驗教學(xué)是本學(xué)科本科教學(xué)的重要組成部分。
我校微電子實驗室除了滿足每年本校500人的實驗教學(xué)外，還向其他高�；蚨墝W(xué)院開設(shè)微電子實驗課程，如西南交通大學(xué)和電子科技大學(xué)成都學(xué)院，起到了教學(xué)資源共享，以及輻射帶動作用。
4結(jié)束語
建設(shè)功能完備、運行良好的微電子教學(xué)實驗室，提供優(yōu)質(zhì)的教學(xué)平臺，才能更好地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造潛力，鍛煉實踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。微電子實驗室的建設(shè)是一項復(fù)雜并需要與時倶進的系統(tǒng)工程，我校微電子實驗室經(jīng)過多年的發(fā)展取得了一些階段性成果，但還需不斷探索和實踐，建立綜合性、開放式、有層次的具有特色和國內(nèi)先進水平的微電子技術(shù)實驗基地，以滿足在我國集成電路產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展之際，更多、更有效地培養(yǎng)滿足社會急需的微電子專業(yè)人才。
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