微电子学课程群实验教学改革探索

目前我国高校微电子培养的规模上已取得很大的突破。一些地方本科院校也逐渐开展了微电子学人才培养工作。微电子学专业对于大部分高校还是比较新的专业，具有一定的特殊性，在实际人才培养中还存在很多困难和课题。 其中主突出的课题是实践教学环节的开展，主要存在3个问题:①实验室建设和管理水平停留在较低水平，无法满足实际教学需要，这是一些院校中普遍存在的现象，亟待改进;②实验实践内容组织分散，缺少系统化，达不到实践能力培养的要求；③实践教学过程管理松散，实践教学考核随意，缺乏科学性。 本文将阐述作者在工作单位常州工学院开展的微电子学实践教学改革与实践探索。常州工学院地处长江三角洲经济带，周边沪宁杭地区微电子产业非常发达，微电子技术人才需求量大，因此我校从2004年开设了电子科学与技术专业，方向为微电子学方向。人才培养规格为具有扎实的理论基础和宽广的知识面，掌握微电子学的基本理论和基本方法，具备集成电路分析与设计、集成电路设计工程项目管理、集成电路测试、系统集成与应用，新型半导体器件、半导体材料的设计与制造，半导体新工艺研发及测试的必备知识和能力、具有创新意识的复合型工程应用技术人才。在专业开办初期几年，笔者与同事在教学中认识到微电子学课程群实践教学改革的迫切性，在“用型本科微电子人才培养模式创新实验基地”教学改革的项目的支持下，针对以上3个问题，开展了一系列的实践教学改革，进行了有益的探索。 2.1　科学合理建设高水平的微电子学专业实验室 “工欲善其事，必先利其器”。 微电子学的专业实验室建设是对很多高校来说还是有一定困难的[2]。主要原因是微电子工艺方面的实验设备昂贵，升级换代快，日常维护成本高，但是又必须开展这方面的实验，所以在建设实验室时我们采取如下措施。 (1) 加强虚拟化，创建高水平的实验仿真设计工作站。工艺材料和半导体器件以及集成电路的仿真都可以在虚拟实验工作站完成，既解决工艺设备昂贵问题，又具有很高的灵活性。随着高性能服务器的采购成本不断下降，当前一台DELL PowerEdge 720的服务器采购价在人民币3万元左右，以我校集成电路设计实验为例，通过4台服务器组建Linux集群，通过客户端可以提供80人登录仿真能力，投入成本在可承受范围。现在的设计工具套件功能非常强大。根据微电子课程群实验教学要求，采用SentaurusTCAD和Silvaco用于工艺和器件仿真参数提取；利用Cadence定制集成电路设计套件完成模拟集成电路的设计和仿真等实验，利用Synopsys设计工具完成数字集成系统的设计和仿真，并使用MentorGraphics 的Calibre工具进行参数提取和设计规则检查等。这些都是目前工业界的主流设计工具，可以通过大学计划签订正式协议获得使用版权。通过与国内半导体代工厂签订保密协议，获得中芯国际、上华CSMC的工艺库，可以完成工艺器件、模拟集成电路设计、数字集成设计的从前端到后端的完整的流程。为了防止学生之间抄袭，保证实验数据安全，尽量不要让多个学生使用公共账号登陆，给每个学生分配一个独立的帐号，在整个大学期间每个学生的数据(包括毕业设计相关文件)都自动保存在自己的帐号里，因此需要安排专门的Linux工作站系统管理人员负责系统的日常维护和运行，我们是通过编写特定的管理程序来提高效率。为了提高实验室设备利用率，还可以通过虚拟网络连到自习教室，便于学生课余使用，真正做到了实验室开放。这样的虚拟设计工作站既便与集中管理，又便于升级，非常灵活[3]。 (2)依托实验中心平台，合理规划硬件实验设备的建设，注重资源共享。微电子学是一门实践动手能力要求很高的学科。虚拟工作站可以让学生了解系统的工作原理，但是还需要学生加强真实工作环境的对系统的感性认知，否则学生会产生“仿而不真”或“虚而不实”的疑虑。因此,部分实验特别是专业基础阶段仍然需要在真实实验平台来完成。我们借助学院的省级电工电子实验中心的丰富的实验设备完成电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、信号与系统基础课程群的实验。专业方向课程群平台教学阶段，我们相应建设了半导体器件与工艺实验室、集成电路测试实验室。半导体器件与工艺实验室拥有马弗炉、高精度恒温箱、探针台、超声波清洗设备、显影系统、平面工艺实验系统与平面工艺参数测试系统，其中平面工艺实验系统开展硼扩、磷扩、氧化、清洗、光刻、金属化等实验，平面工艺参数测试系统开展方块电阻、I-V测试、膜厚度测试及其他器件参数测试，实验课程系统配有完善的实验教材和讲义，帮助学生完成微电子器件和工艺课程群的实验教学；通过共享利用光电中心的磁控溅射系统完成半导体薄膜实验。这些实验主要是以演示为主，学生通过教师演示会直观地了解实验实验内容的工作原理，因此实验设备通常以一至两套为宜。 2.2　科学组织实验内容，加强课程群实验内容内在逻辑性和系统性 微电子学的特点是专业跨度大，涉及物理学、电子材料与器件、信息处理科学等学科，可开展的实验内容很多[4]。因此在实验内容上要科学规划，既要针对人才培养的核心能力要求来组织，又要加强实验内容内在的逻辑性和系统性，即按照人才培养的能力目标这条主线贯穿实验组织过程，这样可以确保人才实践能力得到有效的训练，而不能本末倒置，按照拥有仪器设备来组织内容的[5]。本专业的微电子课程群包含“模拟集成电路设计” “数字集成电路设计” “集成电路测试原理”等课程，以“模拟集成电路设计”的实验内容安排为例，这门课程的目标是要求学生掌握MOS晶体管的模型，基本电路单元的静态传输特性和瞬态分析、基本偏置电路设计、层次化设计、版图设计、基本数字单元的设计等基本分析和设计能力。因此在实验安排上我们分别安排了如下实验：MOS-IV曲线特性、反相器的瞬态和传输特性、基于参数倍乘的基准自偏置电路的设计与仿真、层次化设计、二级运算放大器的设计与仿真、D触发器的设计与仿真、基本数字单元的版图设计等实验。这些实验内容涵由易入难，承前启后，系统涵盖了模拟集成电路设计基本的能力要求；同样以“数字集成电路设计”课程为例，我们八位全加器设计例，分别设计基于VerilogHDL的八位全加器的设计与仿真、全加器的设计的逻辑综合、全加设计门级后仿真、形式性验证、布局布线、时序分析等实验，这些实验基本是按照现在数字系统设计中的主要流程开展的，也是数字系统设计必须掌握的内容，前后相互联系，自成系统。同样在“集成电路测试原理”课程实验组织中我们也是按照这种思路安排实验的，分别安排了模拟电路和数字电路的测试方案，为了增加实验的直观体验，我们专门设计并封装带测试引脚的运算放大器用于开展静态测试、直流增益、交流小信号增益、交流特性测试等实验。通过逐年的内容微调该课程群实验内容已趋于系统完善，显著地提高了实验教学的效果。 2.3　严格规范实验教学管理过程，科学量化实验考核 实验教学一个理论联系实际的完整的教学环节，因此必须规范实验的管理过程才能达到实验教学的目的。从笔者的教学经验来看，目前的实验教学中长期存在一个普遍问题：很多学生实验前不做实验预习工作，因此不清楚实验的目的和内容，只能机械地对照实验指导书按步骤操作，不能把实验内容和课堂所学的理论内容联系起来，相当一部分学生甚至不会判断实验结果正确与否，对实验指导老师的提问左顾而言他，答非所问，实验报告基本上是复制一部分实验指导书内容加上计算机拷屏结果，没有任何分析计算过程和心得总结，这样的实验教学根本无法达到教学目标，所以必须从实验管理过程和考核结果上进行改革。 针对实验教学暴露出来的问题，常州工学院电子科学与技术专业提出严格规范实验教学管理过程，科学量化实验考核的改革措施。学生实验前必须充分预习实验内容，进行随机抽查，对验证性实验能明确预测实验结果，对创新型实验要制定完整的实验方案。实行每人一个独立帐号，保护数据，防止拷贝抄袭。系统设定计时系统，记录实验完成的时间，作为实验考核的参考。实验的考核上分别对实验预习、实验答辩、实验报告分别进行量化，实验答辩的权重提升到实验总成绩的60%，实验报告成绩为30%，实验预习为10%,特别是突出了实验答辩的重要性，所有实验都要必须进行现场答辩，提出两到三个问题，根据回答问题情况和试验结果演示情况确定答辩成绩，实验答辩成绩具有一票否决性，即只要实验答辩成绩不及格，本实验总评不及格，这样有效促使学生在实验过程中主动思考，做到理论联系实际，避免了实验中的抄袭现象和盲目性，从根本上提高了实验开展质量。 实验教学是微电子学课程群的重要教学环节，实验教学的质量决定人才培养质量。常州工学院电子科学与技术专业经过几年实践探索，在实验教学平台搭建、实验内容组织、实验教学过程管理与考核3个方面提出具有本专业特色的实验教学体系，取得显著实践教学改革成效。

文章来源：《微电子学与计算机》 网址: http://www.wdzxyjsjzz.cn/qikandaodu/2020/0904/384.html