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微电子学专业实验室建设的探索与实践

作者:admin 更新时间:2018年08月20日 10:02:50

  介绍了微电子学专业的历史、现状和发展方向,详细阐述了微电子学专业实验室的建设规划和内容。针对微电子学专业的特点,微电子学实验室建设的主要内容包括两个方面:建立微电子设计中心和重建微电子器件和工艺实验室。并开设了两大实验系列:集成电路设计综合实验和微电子器件工艺综合实验。该实验室的建立达到了微电子学专业教学大纲的要求,有利于提高学生的实践能力和创新精神。


  关键词:微电子学;实验室建设;实践教学;


  作者;毛建波等


  1引言


  微电子学是在物理学、电子学、材料科学、计算机科学、集成电路设计制造学等多种学科和超净、超纯、超精细加工技术基础上发展起来的一门新兴学科,也是一门极为活跃的学科,正在不断生长新的学科分支,构成一系列新的学科群,是发展现代高新技术和国民经济现代化的重要基础。微电子学主要研究半导体器件物理与固体物理,电子材料与固体电子器件,超大规模集成电路的设计与制造技术,微电子系统与微机械以及计算机辅助设计制造等。


  我国微电子学专业的设立可以追溯到1956年。1956年由北京大学、复旦大学、南京大学、吉林大学和厦门大学联合在北京大学创办了第一个半导体物理专业。此后,由这个专业培养的许多毕业生都成为我国微电子领域的权威。20世纪70年代,半导体专业迎来了第二个发展高峰。随着市场对半导体器件需求量的增加,尤其是对集成电路需求量的增加,促进了国内半导体工业的发展以及对专业人才的需求,全国很多高校都先后增加了半导体专业。但是,到了20世纪80年代,由于国内市场受到进口元器件的冲击,中国半导体行业陷入低谷。有些高校的半导体专业取消或者和其他专业合并。进入20世纪90年代,由于微型计算机的发展和普及以及通信等信息产业的发展,市场对集成电路芯片的需求量越来越大,国家加大了对微电子行业的支持力度,微电子专业的毕业生供不应求,微电子专业的发展迎来了第三个高峰。


  微电子专业的建设和微电子技术的发展是密不可分,为了能适应高速发展的微电子技术,微电子专业的课程和实验内容都要不断的调整和更新。微电子专业的发展方向可以分为以下三个方面:


  (1)目前,微电子器件的尺寸已经达到纳米量级,器件尺寸继续缩小将遇到很多物理问题和技术挑战,这就需要微电子专业培养的人才能够进行理论基础研究,在理论基础上进行新器件、新结构、新工艺和新材料的研究与开发。


  (2)随着集成度的不断提高,集成电路已经向系统芯片(SOC)发展,这就要求微电子专业培养的人才不仅能从事IC设计,还能从事SOC设计,研究SOC的设计方法。


  (3)微电子与其他学科结合诞生新的学科和产业增长点是21世纪的重要发展方向。例如,将光电子和微电子结合起来构成了集成光电子学;机械材料力学和微电子结合出现了微机械电子学(MEMS);进入纳米领域后又发展为纳米电子学等等。因此,要求微电子专业培养的学生能适应这种跨学科、多学科结合发展的要求[1]。


  2实验室建设


  实验室是实践教学的基地,实验室建设是专业建设的重要组成部分。2001年,为适应国际半导体工业和我国电子信息产业的飞速发展以及市场对微电子专业人才的大量需求,按照教育部的专业划分,重新组建成立了微电子学专业,并于2001年起,按教育部高等学校微电子学专业教学培养规格进行招生和实施教学。多年来,该专业为我国的半导体工业输送了大量的专业人才,包括上百名的研究生。


  但是由于多年来资金投入不足,微电子学专业实验室设备陈旧、设施较差,有些课程的实验如微电子工艺、微电子器件测试、集成电路设计等无法开出,严重影响了学生实践能力的培养,也不利于学生对理论知识的掌握[2]。这种情况引起了学校和学院的高度重视,从2000年起,先后投入300多万元专项资金用于微电子学专业实验室的建设。为了把有限的资金用好,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,我们制定了实验室建设的总体目标:在原有实验室基础上,分期分批投入,稳打稳扎,瞄准国际国内先进水平,充分发挥本专业特色,建设一流的实验实习和科研开发基地[3]。微电子学实验室建设的主要内容包括两个方面:


  一方面:建立微电子设计中心,主要开展超大规模集成电路设计的实验教学,这是微电子学教学的重点内容[4]。教学目的是使学生掌握超大规模集成电路设计的基本原理和方法,包括全定制设计方法和基于FPGA/CPLD的设计方法,初步掌握用于集成电路设计的EDA(ElectronicDesignAutomation)软件工具的使用。该实验系列对应的教学课程包括“超大规模集成电路设计”、“硬件描述语言HDL”、“集成电路版图设计”等。


  另一方面:重建微电子器件和工艺实验室。在实验室原有的基础上,通过购置新的设备,开设微电子工艺、器件参数测试、电子材料制备与测试等实验系列,这是微电子学教学的重要基础内容[5]。该实验系列使学生了解和初步掌握微电子器件的基本工艺原理、工艺参数的控制方法、微电子器件特性参数的测试分析方法、电子材料制备与测试的方法。该实验系列对应的教学课程包括“半导体器件物理”、“微电子工艺”、“电子材料”、“薄膜技术”等。


  3实验室建设项目的实施


  3.1EDA实验室建设


  建立微电子设计中心的主要任务是建立EDA实验室,主要开展全定制集成电路设计和基于FPGA/CPLD的集成电路设计的实验教学。全定制集成电路设计,特别是其后端的物理版图设计,这是微电子学专业的办学重要特色和人才培养重点方向;而基于FPGA/CPLD的集成电路设计采用硬件描述语言,可以快速地开发出功能强大的芯片,这是数字集成电路设计和应用的发展方向。


  EDA实验室的计算机网络系统采用一台浪潮英信服务器NF260作为Windows服务器,内装Windows2000Server网络操作系统;一台SUNUltra60图形工作站作为EDA软件的License服务器以及指导教师用机;100台宏基AcerPowerS210PC机(P42.6G,256M内存,GeForce4MX440-8X显卡,17寸纯平显示器)作为学生用机。另外,我们还购置了15台配置较高的PC机(P43.0G/HT,1G内存,GeForce45200显卡,19寸纯平显示器)、数字示波器、投影仪、大幅面扫描仪和彩色喷绘仪等设备,作为实验教学和科研开发使用。在软件方面,我们先后和中电华大电子公司、美国MentorGraphics公司合作,配备了华大“九天”IC设计系统以及Mentor公司的ModelSim、ICStation、Calibre等EDA软件,并针对不同EDA软件的功能和集成电路设计实验教学的特点,开设了集成电路前端设计以及后端版图设计的实验,收到了良好的教学效果[6]。


  3.2微电子器件和工艺实验室建设


  相对于EDA实验室的建设来说,微电子器件和工艺实验室的建设更加复杂。因为一条实际的集成电路工艺生产线投资均在亿元以上,所以绝大多数高校的微电子专业只能购买一些精度较低的工艺制造设备和参数测试仪器,主要用于教学和实验,同时兼顾科研的需要。


  随着计算机信息技术的发展,实验教学的手段发


  生了很大的改变。以前的一些实验必须通过实际操作才能实现,现在完全可以通过计算机模拟、仿真或虚拟现实的方法来进行实验研究[7]。因此,在微电子器件和工艺实验室的建设过程中,我们考虑从“软硬件”两个方面来规划和建设:一方面,购置必要的仪器设备,如光刻机、化学机械抛光设备、磁控溅射设备、扩散炉,氧化炉等配套设备,建立传统的实验室;另一方面,购置微电子器件仿真和工艺模拟软件进行器件参数和工艺特性的分析研究。我们购买了的业界广泛采用的TCAD(TechnologyComputerAidedDesign)软件,该软件是世界著名的ISE(IntegratedSystemsEngineering)公司的产品,它不仅可以准确快捷地进行半导体工艺流程模拟和器件仿真,对于各种新兴及特殊器件,例如深亚微米器件、绝缘硅(SOI)、SiGe、功放高压器件、异质结、光电器件、量子器件及纳米器件等,也都可以进行精确有效的仿真模拟。此外,我们还开展了微电子工艺的CAI实验教学,以生动直观、交互式的多媒体教学形式加深学生对课程内容的理解。


  4结语


  微电子学实验室的建设是一项复杂的系统工程,也是一项长期的、艰巨的任务。随着微电子学专业教学改革的进一步深入,微电子学实验室的建设也在逐步前进。经过几年来的实践,已取得了一些阶段性的成果,但和我们制定的建设目标还有不小的差距,仍然需要不断总结经验,勇于进行新的探索和实践,才能圆满完成实验室的建设任务。