1. 建设背景

集成电路是信息产业发展的基础,它对增强国家综合实力,加强国家信息安全至关重要,是各国产业竞争、科技竞争、综合实力竞争的战略制高点。特别是近期,受到以美国为首的西方国家的技术封锁禁运,导致“卡脖子”问题。

产业发展,人才先行。集成电路是高技术型产业,因此集成电路人才的培养无疑是产业发展的重中之重。然而,集成电路设计、制造、封装和测试等人才储备的不足一直以来都阻碍着我国集成电路产业的发展。如何培养集成电路方向的人才,是解决这一问题的重中之重。2020年12月30日国务院学位委员会、教育部正式下达文件(学位2020[30]号),设立集成电路为一级学科,也充分体现了国家层面对于集成电路人才培养的重视。

本方案就是基于上述背景,为学校提供一站式综合建设方案。

2. 建设目标与思路

2.1 重视课程建设:实现课程、师资和实训条件同步建设

由于集成电路学科是一个知识体系复杂,涉及领域众多的学科,单纯采购实训设备,很难有效的开展相关课程,学生的知识层次也很难直接进行实验实训环节,需要先有很好的理论基础才能事半功倍。故针对本项目,我们采用课程、师资培训和实训条件同步建设的思路开展,提供完整的教材、配套课程和详细的培训方案,以便能发挥最大效率。

2.2 重视产业资源:搭建实习、就业、中高本贯通通道

集成电路学科具有很强的产业属性,学生在学校学到的知识和技能最终需要落地到产业中进行实践。集成电路产业大多是重资产投入,学校的实训设施需要与产业接轨。故针对本项目,我们的建设要重点考虑学生最终的就业和出口问题,做好与产业的对接工作,以学校现有实训基地为基础,引入产业级生产设备,在学校建设生产性实训基地。引入当地集成电路企业,与企业生产并轨运行,支撑产教融通课程体系。

2.3 重视专业成果产出:实现重要成果指标的全覆盖

在建设过程中,要充分考虑可能的项目产出,重点关注专业指标与专业的长期发展。具体包括:做好文化建设;积极探索申请产业学院、行业产教融合共同体的可能;做好师资培训,与建设院校共同承接国培省培任务,做好1+X证书培训,做好产业职业技能培训;做好产业对接;支持包括职业能力比赛,教学能力比赛等各项赛事;积极申报各类项目,如示范性虚拟仿真实训基地,教学资源库建设,精品课程与一流课程建设,产学合作协同育人与就业育人项目;积极探索论文和教材产出,编写教材、科研论文和教改论文。

3. 建设内容

根据集成电路相关专业的课程标准,拟规划六个实验室,满足该专业的实验实训需求,同步完成课程和实验实训室的建设,总计支持1004学时的课程。

半导体物理器件工艺基础实验室

集成电路设计实验室

集成电路制造封装“虚实联动”实训室

半导体物理材料器件电路一体化测试实验室

集成电路ATE产业测试生产实训室

集成电路FPGA/SOC“一校一芯”应用实验室

3.1 半导体物理器件工艺基础实验室

本实训室是集成电路基础实验室,主要覆盖《微电子和集成电路导论》、《半导体物理》、《半导体器件》和《微电子工艺》四门课程的教学、实验和实训任务。在实验室设计上,采用基础教学、互动教学、基础实验环节和综合实验环节四位一体的模式。

基础教学:以理论讲解为主,特别的,在讲解过程中,应用辅助教学软件,如载流子的扩散漂移运动等,让学生更加容易理解。

互动教学:从基础教学直接进行实验实践实训环节,对于学生有较高的要求,不利于学生直接将理论知识应用在实践中。故,我们在基础教学之后,增加互动教学环节,以老师带领学生进行实验为主,也可称为“半实验教学”,例如:制作一个集成电路级别的MOSFET,需要氧化、光刻、刻蚀、离子注入等多个环节的过程,老师实时演示讲解,学生同步进行操作,让学生可以更加快速的理解基础知识的同时,为学生后面自主进行实验实训环节打下基础。

基础实验环节:在进入实践实训环境前,学生需要通过实验进一步了解基础教学和互动教学中所讲的内容,故需要学生自主进行器件和工艺的实验,并进一步理解背后的理论知识。

综合实验环节:为了培养学生的综合素质,增加48学时的综合环节,将工艺和器件课程结合形成从工艺制造到最终电学特性测量的工艺器件联合分析实验,同时,增加产业应用,微纳电子器件建模与参数提取是产业界典型的工作岗位,是器件课程主要的实训环节,采用真实产业数据,标准产业方法,让器件课程可以与产业接轨。本实验⽬的是让学⽣可以更加深⼊的了解产业真实情况,通过器件建模和参数提取过程,完成从数据测量到⽣成PDK的重要⼀环。让学生可以充分调动自身的潜能,充分理解集成电路器件工艺等基础知识,为后续集成电路专业核心课程打下良好的基础。

1)课程清单

《半导体物理与器件教学》

《微电子工艺教学》

《半导体物理与器件分析实验》

《微电子工艺实验》

《先进节点工艺器件联合分析实验》

《微纳电子器件建模与参数提取实验》

备注:具体课程清单请见附件1。

2)设备清单

集成电路基础教师机系统

多功能实验基础平台

实验用半导体参数分析仪

远程前置放大器

基础数据通信板卡

源测试单元(SMU)板卡

LCR测量单元板卡

微纳电子器件仿真板卡

半导体工艺仿真板卡

器件工艺联动模型板卡

微纳电子器件模型板卡

器件教学模型板卡

工艺教学模型板卡

27寸显示器

备注:具体设备参数请见附件2。

3.2 集成电路设计实验室

本部分为集成电路设计实验室,以机房的形式呈现,学生在电脑前完成数字集成电路设计实验、模拟集成电路设计实验和集成电路版图设计实验等常见的集成电路设计课程,并增加了半导体工艺包(PDK)设计的实验环节。由于设计课程较难,全部课程都会提供详实的实验教材、资源、课题、源代码和工程实例,本实实验室的建设包括从软硬件到原始代码、原始工程、各个学校的上课示范视频、师资培训在内的全套内容。

课程清单

《模拟集成电路设计实验》

《数字集成电路设计实验》

《集成电路版图设计实验》

《半导体工艺包(PDK)设计实验》

备注:具体课程清单请见附件1。

设备清单

数字集成电路设计实验平台

模拟集成电路设计实验平台

集成电路版图设计实验平台

半导体工艺包设计实验平台

备注:具体设备参数请见附件2。

3.3 集成电路制造封装“虚实联动”实训室

针对集成电路制造和封测实体线建设成本较高、虚拟仿真实验真实性较差的现状,我们拟采用已在全国多所知名院校开展的“虚实联动”实验教学思路进行建设,让学生有沉浸式体验,在教室内体验Foundry先进工艺场景和封测场景。同时,内部嵌入EDA仿真器(如器件SPICE、工艺TCAD等),让学生不仅是流程性实训,仿真器实时仿真,能够让学生任意调节设备参数,实时看到各个过程的制造结果(例如:可以任意调节氧化炉的氧化时间和氧化温度,实时仿真,氧化结果包括二位界面图、掺杂浓度、电特性等定量参数,从而让学生知道氧化是否合格),提高实训过程的真实性。

“虚实联动”实验教学设备具有如下先进性:所有材料都来自于一线产业界,教学产品的研发节点已经到达5nm,与当前产业主流集成电路制程一致。并且,基于Gate-All-Around结构的3nm节点的相关产品可以进行升级,保证所有实验设备的先进性。具体表现为:

1)真实工业场景

基于国内先进Foundry生产线,实现14nm工艺的真实场景,所覆盖的场景内容包括自动化天车系统、EUV光刻机等,真实与工业界接轨。

2)真实工业数据

基于工业界真实数据,可以实现对5nm FinFET器件等主流器件的真实模拟,并逐步获取3nm GAA结构的真实数据,与现在主流工业节点的数据节点一致。

3)工业级仿真器

融合各类集成电路仿真器板卡,嵌入集成电路EDA商用仿真器芯片,具有较强的算力,可以实时调节参数仿真。基于工业级器件、工艺和电路仿真器,可以进行真实器件特性和工艺特性的模拟,让学生实验过程可以调整任意设置和参数,避免传统虚拟仿真所带来的只能进行流程实训的问题,从而为学生体验更加真实的实操环境。

由于集成电路发展遵循摩尔定律,每18个月集成度就要翻一番,所以,集成电路相关的实验器材会存在老旧和被淘汰的风险。通过“虚实联动”技术,所有实验设施可以定期升级,与工业级的水平一致,让学生所学到的东西能有可持续性。

1)课程清单

《生产实习:芯片工艺制造生产实习》

《封装实训:传统与先进封装技能实训》

《设备实习:芯片制造设备认识实习》

备注:具体课程清单请见附件1。

2)设备清单

制备线实景操作板卡

封装线实景操作板卡

半导体设备实景操作板卡

VR头戴式设备套装及高性能主机

55寸显示器

备注:具体设备参数请见附件2。

3.4 半导体物理材料器件电路一体化测试实验室

半导体材料、工艺、器件、电路测试基础技能培养是集成电路专业的基础,为学时后续学习半导体物理与器件分析、微电子工艺打下基础,本实验室的建设让学生从零开始理解测试,将测试底层逻辑模块(源+表)开放,用于《半导体集成电路测试技术基础实训》课程的教学。

涵盖五大基础测试应用场景:

半导体材料测试:单晶硅、多晶硅、第三代半导体

半导体物理效应测试:四探针测电阻率、少子寿命、霍尔效应、PN结特性、肖特基势垒、光电效应

半导体工艺测试

分立器件测试:无源器件、光电器件、二极管、BJT、MOSFET

集成电路测试:数字、模拟、数模混合、传感器

1)课程清单

《半导体集成电路测试技术基础实训》

《集成电路设计验证测试实训》

备注:具体课程清单请见附件1。

2)设备清单

半导体材料工艺器件电路一体化测试机

集成电路设计验证测试板卡

55寸显示器

备注:具体设备参数请见附件2。

3.5 集成电路ATE产业测试生产实训室

集成电路测试是集成电路产业链中的重要一环,在集成电路测试的实训室建设中,依托产业中真实使用的自动化测试设备(ATE)进行基地建设

1)课程清单

《测试实训:晶圆测试与成品分选技能实训》

《分立器件与集成电路参数化测试实验》

《产业级ATE自动化成品集成电路测试实训》

2)设备清单

数模混合ATE测试系统(含器件测试平台)

数模混合ATE测试系统开发软件(含晶圆测试及成品分选软件)

测试实训平台套装

生产用重力式成品芯片分选机(注:如无产业订单生产需求,建议不配,ATE测试机本身已具备分选机的教学功能)

55寸显示器

3.6 集成电路FPGA/SOC“一校一芯”应用实验室

FPGA开发应用是数字集成电路设计的重要一环,也是集成电路应用课程的核心内容之一,同时是24年全国大学生集成电路创新创业大赛唯一国产FPGA赛道。紫光同创FPGA,国产自主产权千万门级高性能FPGA芯片,且人工智能与集成电路相结合的应用也是当前的热点。在本环节中,融合其他交叉学科,应用人工智能和机器学习相关方法,解决集成电路在上述设计、制造、封装、测试等环节的实际问题,如集成电路设计优化问题、集成电路成品率问题、集成电路智能量测问题等。

1)课程清单

《FPGA与SOC开发应用实践》

《人工智能与集成电路应用实验》

备注:具体课程清单请见附件1。

2)设备清单

双开发板FPGA/SOC教学竞赛一体化实验箱

人工智能与集成电路应用模型板卡