创建培养微电子人才教学实验基地的探索与实践

　　摘要：介绍了四川大学微电子学实验室的建设成果及微电子学专业教学改革的实践措施。

　　关键词：微电子学；实验室建设；教学改革；

　　1微电子技术的发展背景

　　美国工程技术界在评出20世纪世界最伟大的20项工程技术成就中第5项——电子技术时指出：“从真空管到半导体，集成电路已成为当代各行各业智能工作的基石”。微电子技术发展已进入系统集成(SOC—SystemOnChip)的时代。集成电路作为最能体现知识经济特征的典型产品之一，已可将各种物理的、化学的和生物的敏感器(执行信息获取功能)和执行器与信息处理系统集成在一起，从而完成从信息获取、处理、存储、传输到执行的系统功能。这是一个更广义的系统集成芯片，可以认为这是微电子技术又一次革命性变革。因而势必大大地提高人们处理信息和应用信息的能力，大大地提高社会信息化的程度。集成电路产业的产值以年增长率≥15%的速度增长，集成度以年增长率46%的速率持续发展，世界上还没有一个产业能以这样的速度持续地发展。2001年以集成电路为基础的电子信息产业已成为世界第一大产业。微电子技术、集成电路无处不在地改变着社会的生产方式和人们的生活方式。我国信息产业部门准备充分利用经济高速发展和巨大市场的优势，精心规划，重点扶持，力争通过10年或略长一段时间的努力，使我国成为世界上的微电子强国。为此，未来十年是我国微电子技术发展的关键时期。在2010年我国微电子行业要实现下列四个目标：

　　(1)微电子产业要成为国民经济发展新的重要增长点和实现关键技术的跨越。形成2950亿元的产值，占GDP的1.6%、世界市场的4%，国内市场的自给率达到30%，并且能够拉动2万多亿元电子工业产值。从而形成了500~600亿元的纯利收入。

　　(2)国防和国家安全急需的关键集成电路芯片能自行设计和制造。

　　(3)建立起能够良性循环的集成电路产业发展、科学研究和人才培养体系。

　　(4)微电子科学研究和产业的标志性成果达到当时的国际先进水平。

　　在这一背景下，随着国内外资本在微电子产业的大量投入和社会对微电子产品需求的急骤增加，社会急切地需要大量的微电子专门人才，仅上海市在21世纪的第一个十年，就需要微电子专门人才25万人左右，而目前尚不足2万人。也正是在这一背景下，1999年以来，全国高校中新开办的微电子学专业就有数十个。2002年8月教育部全国电子科学与技术专业教学指导委员会在贵阳工作会议上公布的统计数据表明，相当多的高校电子科学与技术专业都下设了微电子学方向。微电子技术人才的培养已成为各高校电子信息人才培养的重点。

　　2微电子学专业实验室建设的紧迫性

　　我国高校微电子学专业大部分由半导体器件或半导体器件物理专业转来，这些专业的设立可追溯到20世纪50年代后期。办学历史虽长，但由于多年来财力投入严重不足，而微电子技术发展迅速，国内大陆地区除极个别学校外，其实验教学条件很难满足要求。高校微电子专业实验室普遍落后的状况，已成为制约培养合格微电子专业人才的瓶颈。

　　四川大学微电子学专业的发展同国内其它院校一样走过了一条曲折的道路。1958年设立半导体物理方向(专门组)，在其后的40年中，专业名称几经变迁，于1998年调整为微电子学。由于社会需求强劲，1999年微电子学专业扩大招生数达90多人，是以往招生人数的2倍。当时，我校微电子学专业的办学条件与微电子学学科发展的要求形成了强烈反差：实验室设施陈旧、容量小，教学大纲中必需的集成电路设计课程和相应实验几乎是空白；按照新的教学计划，实施新课程和实验的时间紧迫，基本设施严重不足；教师结构不合理，专业课程师资缺乏。

　　在关系到微电子学专业能否继续生存的关键时期，学校组织专家经过反复调研、论证，及时在全校启动了“523实验室建设工程”。该工程计划在3~5年时间内，筹集2~3亿资金，集中力量创建5个适应多学科培养创新人才的综合实验基地；重点建设20个左右基础(含专业及技术基础)实验中心(室)；调整组合、合理配置、重点改造建设30个左右具有特色的专业实验室。“523实验室建设工程”的启动，是四川大学面向21世纪实验教学改革和实验室建设方面的一个重要跨越。学校将微电子学专业实验室的建设列入了“523实验室建设工程”首批重点支持项目，2000年12月开始分期拨款275万元，开始了微电子学专业实验室的建设。怎样将有限的资金用好，建设一个既符合微电子学专业发展方向，又满足本科专业培养目标要求的微电子学专业实验室成为我们学科建设的重点。

　　3实验室建设项目的实施

　　3.1整体规划和目标的确立

　　微电子技术的发展要求我们的实验室建设规划、实验教改方案、人才培养目标必须与其行业发展规划一致，既要脚踏实地，实事求是，又必须要有前瞻性。尤其要注意国际化人才的培养。微电子的人才培养若不能实现国际化，就不能说我们的人才培养是成功的。

　　基于这样的考虑，在调查研究的基础上，我们将实验室建设整体规划和目标确定为：建立国内一流的由微电子器件平面工艺与器件参数测试综合实验及超大规模集成电路芯片设计综合实验两个实验系列构成的微电子学专业实验体系，既满足微电子学专业教学大纲要求，又适应当今国际微电子技术及其教学发展需求的多功能的、开放性的微电子教学实验基地。我们的目标是：

　　(1)建立有特色的教学体系——微电子工艺与设计并举，强化理论基础、强化综合素质、强化能力培养。

　　(2)保证宽口径的同时，培养专业技能。

　　(3)建立开放型实验室，适应跨学科人才的培养。

　　(4)在全国微电子学专业的教学中具有一定的先进性。

　　实践中我们认识到，要实现以上目标、完成实验室建设，必须以教学体系改革、教材建设为主线开展工作。

　　3.2重组实验教学课程体系，培养学生的创新能力和现代工业意识

　　实验课程体系建设的总体思路是培养创造性人才。实验的设置要让学生成为实验的主角和与专业基础理论学习相联系的主动者，能激发学生的创造性，有专业知识纵向和横向自主扩展和创新的余地。因此该实验体系将是开放式的、有层次的和与基础课及专业基础课密切配合的。实验教学的主要内容包括必修、选修和自拟项目。我们反复认真研究了教育部制定的本科微电子学专业培养大纲及国际上对微电子学教学提出的最新基本要求。根据专业的特点，充分考虑目前国内大力发展集成电路生产线(新建线十条左右)和已成立近百家集成电路设计公司对人才的强烈需求，为新的微电子专业教学制定出由以下两个实验系列构成的微电子学专业实验体系。

　　(1)微电子器件平面工艺与器件参数测试综合实验。

　　这是微电子学教学的重要基础内容，也是我校微电子学教学中具有特色的实验课程。这一实验系列将使学生了解和初步掌握微电子器件的主要基本工艺，工艺参数的控制方法和工艺质量控制的主要检测及分析方法，深刻地了解成品率在微电子产品生产中的重要性。同时，半导体材料特性参数的测试分析系列实验是配合“半导体物理”和“半导体材料”课程而设置的基本实验，通过整合，实时地与器件工艺实验配合，虽增加了实验教学难度，却使学生身临其境直观地掌握了工艺对参数的影响、参数反馈对工艺的调整控制、了解半导体重要参数的测试方法并加深对其相关物理内涵的深刻理解。这样的综合实验，对于学生深刻树立产品成品率，可靠性和生产成本这一现代工业的重要意识是必不可少的。

　　(2)超大规模集成电路芯片设计综合实验。

　　这是微电子学教学的重点基础之一。教学目的是掌握超大规模集成电路系统设计的基本原理和规则，初步掌握先进的超大规模集成电路设计工具。该系列的必修基础实验共80学时，与之配套的讲授课程为“超大规模集成电路设计基础”。除此而外，超大规模集成电路测试分析和系统开发实验不仅是与“超大规模集成电路原理”和“电路系统”课程套配，使学生更深刻的理解和掌握集成电路的特性；同时也是与前一系列实验配合使学生具备自拟项目和独立创新的理论及实验基础。

　　3.3优化设施配置，争取项目最佳成效

　　由于项目实施的时间紧迫、资金有限。我们非常谨慎地对待每一项实施步骤。力图实现设施的优化配置，使项目产生最佳效益。最终较好地完成了集成电路设计实验体系和器件平面工艺实验体系的实施。具体内容包括：

　　(1)集成电路设计实验体系。集成电路设计实验室机房的建立——购买CADENCE系统软件(IC设计软件)、ZENILE集成电路设计软件；集成电路设计实验课程体系由EDA课程及实验、FPGA课程及实验、PSPICE电路模拟及实验、VHDL课程及实验、ASIC课程及实验、IC设计课程及实验等组成。

　　(2)器件平面工艺实验体系和相关参数测试分析实验。结合原有设备新购并完善平面工艺实验系统，包括：硼扩、磷扩、氧化、清洗、光刻、金属化等；与平面工艺同步的平面工艺参数测试，包括：方块电阻、C-V测试(高频和准静态)、I-V测试、Hall测试、膜厚测试(ELLIPSOMETRY)及其它器件参数测试(实时监控了解器件参数，反馈控制工艺参数)；器件、半导体材料物理测试设备，如载流子浓度、电阻率、少子寿命等。

　　(3)与实验室硬件建设配套的软件建设和环境建设。实验室环境建设、实验室岗位设置、实验课程的系统开设、向相关学院及专业提出已建实验室开放计划、制定各项管理制度。

　　在实验室的阶段建设中，我们分步实施、边建边用、急用优先，在建设期内就使实验室发挥出了良好的使用效益。

　　3.4强化管理，实行教师负责制

　　新的实验室必须要有全新的管理模式。新建实验室和实验课程的管理将根据专业教研室的特点，采取教研室主任和实验室主任统一协调下的教师责任制。在两大实验板块的基础上，根据实验内容的布局进一步分为4类(工艺及测试，物理测试，设计和集成电路参数测试，系统开发)进行管理。原则上，实验设施的管理及实验科目的开放由相应专业理论课的教师负责，在项目的建立阶段，将按前述的分工实施责任制，其责任的内容包括：组织设备的安装调试，设备使用规范细则的制定，实验指导书的编写等。根据专业建设的规划，在微电子实验室建设告一段落后，主管责任教师将逐步由较年青的教师接任。主管责任教师的责任包括：设备的维护和保养，使用规范和记录执行情况的监督，组织对必修和选修科目实验指导书的更新，组织实验室开放及辅导教师的安排，完善实验室开放的实施细则等。

　　实验课将是开放式的。结合基础实验室的开放经验和微电子专业实验的特点，要求学生在完成实验计划和熟悉了设备使用规范细则的条件下，对其全面开放。对非微电子专业学生的开放，采取提前申请，统一完成必要的基础培训后再安排实验的方式。同时将针对一些专业的特点编写与之相适应的实验教材。

　　4取得初步成果

　　微电子学专业实验室通过近3年来的建设运行，实现或超过了预期建设目标，成效显著，于2002年成功申报为&quot；四川省重点建设实验室&quot；。现将取得的初步成果介绍如下：

　　(1)在微电子实验室建设的促进下，为适应新条件下的实验教学，我们调整了教材的选用范围。微电子学专业主干课教材立足选用国外、国内的优秀教材，特别是国外能反映微电子学发展现状及方向的先进教材，我们已组织教师编撰了能反映国际上集成电路发展现状的《集成电路原理》，选用了最新出版教材《大规模集成电路设计》，并编撰、重写及使用了《集成电路设计基础实验》、《超大规模集成电路设计实验》、《平面工艺实验》、《微电子器件原理》、《微电子器件工艺原理》等教材。

　　在重编实验教材时，改掉了&quot；使用说明&quot；式的教材编写模式。力图使实验教材能配合实验教学培养目标，启发学生的想象力和创造力，尤其是诱发学生的原发性创新能力乃至创新冲动。

　　(2)对本科微电子学的教学计划、教学大纲和教材进行了深入研究和大幅度调整，并充分考虑了实验课与理论课的有机结合。坚持并发展了我校微电子专业在器件工艺实验上的特色和优势，通过对实验课及其内容进行整合更新，使实验更具综合性。如将过去的单一平面工艺实验与测试分析技术有机的结合，将原来相互脱节的芯片工艺、参数测试、物理测试等有机地整合在一起，以便充分模拟真实芯片工艺流程。使学生在独立制造出半导体器件的同时，能对工艺控制进行实时综合分析。

　　(3)引入了国际上最通用、最先进的超大规模集成电路系统设计教学软件(如CADENCE等)，使学生迅速地掌握超大规模集成电路设计的先进基本技术，激发其创造性。为了保证这一教学目的的实现，我们对

　　专业的整体教学计划做了与之配合的调整。在第5学期加强了电子线路系统设计(如EDA、PSPICE等)的课程和实验内容。在教学的第4学年又预留了足够的学时，作为学生进一步掌握这一工具的选修题目的综合训练。

　　(4)所有的实验根据专业基础课的进度分段对各年级学生随时开放。学生根据已掌握的专业理论知识和实验指导书选择实验项目，提出实验路线。鼓励学生对可提供的实验设施作自拟的整合，促进学生对实验课程的全身心的投入。

　　在实验成绩的评定上，不简单地看实验结果的正确与否，同时注重实验方案的合理性和创造性，注重是否能对实验现象有较敏锐的观察、分析和处理能力。

　　(5)通过送出去的办法，把教师和实验人员送到器件公司、设计公司培训，并积极开展了校内、校际间的进修培训。推促教师在专业基础和实验两方面交叉教学，提高了教师队伍的综合素质。

　　(6)将集成电路设计实验室建设成为电子信息类本科生的生产实习基地，为此，我们参加了中芯国际等公司的多项目晶圆计划。

　　加入了国内外EDA公司的大学计划，以利于实验室建设发展和提高教学质量，如华大公司支持微电子实验室建设，赠送人民币1100万元软件(RFIC，SOC等微电子前沿技术)已进入实验教学。

　　5结语

　　实践证明，微电子学实验室的建成，不仅保证了微电子学专业办学所需要的基础条件，培养了学生的创新能力，而且提高了四川大学在IT业的国内影响和地位。学生对专业的信心和就业优势明显增强。近几年，毕业生一直保持行业内的高就业率，每年供需比都大于1∶5，特别是学生在外资、合资微电子企业受欢迎度大大增加。该专业人才引进的吸引力也在上升，联合办学的优势特别明显。

　　在学校的大力支持下，“微电子专业实验室建设项目”的实施，对我校微电子学专业的迅速发展影响是巨大的、深远的。随着我校“微电子专业实验室”的进一步运行和完善，我们相信，将微电子专业实验室办成国内一流和培养国际化微电子人才的目标一定会实现。本文来自《上饶师范学院学报》杂志