微电子专业系列课程建设与教学改革总结报告

微电子专业系列课程建设与教学改革总结报告近年来国内的集成电路（以下简称：IC）产业迎来了蓬勃发展时期，社会对IC人才在数量和质量两方面都提出了更高的要求。在四川地区，IntelIC封装厂（投资3.7亿美元）、乐山菲尼克斯IC生产线（投资2亿美元）、美国芯源（MPS）公司的IC研发、设计和封装测试（投资0.12亿美元）、中芯国际IC封装厂（投资1.7亿美元），以及众多IC设计公司的建立，都需要大量高质量的与国际接轨的IC人才。“微电子专业系列课程建设与教学改革”项目正是在国内微电子行业和四川省IC产业的这种新的需求背景下进行的。本项目于2000年10月，由四川省教育厅立项为“四川省高等教育面向21世纪教改项目”。在省教育厅的正确指导下，电子科技大学对项目高度重视，严密组织实施，经过课题组11位教师（2位教授博导、5位副教授、1位讲师、3位助教）4年多的辛勤劳动，重点针对提高本科生培养质量，取得如下显著成果：在课程方面，本项目新开本科生新课程5门、显著改进本科生专业基础课1门、新开大型综合性本科生实验课1门、新开本科生专业实验7个、正式出版教材2本，编写实验指导教材8本。先后获得校教学成果奖一等奖2项、校实验教学成果二等奖1项、校教学成果奖三等奖1项（参见附件2）。在教改方面，本项目在电子科大成都学院（原电子科大-国腾微电子学院），一方面，制定并实施了一套全新的课程设置方案，着力培养微电子与电子系统复合性人才；另一个面，在国内首创探索了“因材施教，实践一年”的新的本科生教育方式。以下从系列专业课程建设、教学改革、创新点和成果应用情况几个方面对项目进行总结。第一部分微电子专业系列课程建设本项目“微电子专业系列课程建设”针对两方面的学科建设需求。其一，顺应国家半导体IC产业发展，我校于2002年起，获国家教育部批准设立“集成电1路设计与集成系统专业”（以下简称：“IC设计”专业）。该新专业需要一批起支撑作用的专业骨干课程。其二，我校微电子技术专业，自1956年建校时开办以来，以IC为代表的专业技术迅猛发展，尽管在课程设置方面，也不断有一些调整，但是，距离行业发展和用人单位的需求仍有相当大的差距。在专业课和专业基础课方面，更是存在课程老化问题。例如：在本项目立项的2000年时的专业课和专业基础课设置与改革开放之初1978年（77级）的课程设置比较，没有太大的区别。而在这期间，硅IC技术己经完整地走完了从中、小规模（SS、MS）到大规模（LS），再到超大规模（VLSI）和超超大规模（ULSI）历程。可见，微电子技术老专业的课程更新也是十分急迫需要的。本项目下列课程和实验形成了“IC设计专业”新专业的专业主干课程；使“微电子技术”老专业的专业课门数增加了30%，本科生专业实验数增加70%；具体情况如下：（一）新开设本科生课程5门①《IC设计与制造》“IC设计”、微电子技术专业C类必修课，学时：56，学分：3.5。与传统的《IC工艺》课不同，该课程，要求学生在掌握IC各工序工艺原理的同时还要掌握IC版图设计技能，熟悉掌握IC版图平面与芯片工艺剖面关系，形成学生的IC工艺与版图完整的设计能力。具体内容参见附件3。②《电子设计自动化》“IC设计”、微电子技术专业C类必修课，学时：48，学分：3。该课程应用了四川省重点科技攻关项目“8位RISC单片机VLSI芯片”成果（2002-2004）；开设的目的是使学生掌握采用HDL进行数字电路设计的方法，学会基本的VHDL的语句和编程，初步掌握自顶向下数字电路与系统设计的能力。具体内容参见附件4。2③《超大规模集成电路（VLSI）设计》“IC设计”、微电子技术专业C类必修课，C类必修课，学时：48，学分：3。该课程应用了四川省重点科技攻关项目“VLSI芯片多目标支持设计技术”成果（2001-2003）；开设的目的是使学生掌握大规模集成电路设计方法，学会基本的VerilogHDL的语句和编程，初步掌握使用EDA工具进行VLSI自动布局布线，（APR）技术。具体内容参见附件5。④《新型半导体材料与器件》“IC设计”、微电子技术专业D类选修课，学时：32，学分：2。该课程应用了八.五国家重点科技攻关“HEMT器件研究”成果（1991-1995）；开设的目的是使学生掌握化合物半导体中载流子的瞬态输运、二维电子气、超晶格、异质结、杂质和缺陷等基础理论；了解化合物半导体材料的制备技术和新型的超高频、超高速器件（HEMT、HBT、RTD）工作原理。具体内容参见附件6。⑤《微电子前沿—VLSI中的可重构技术》“IC设计”、微电子技术专业D类选修课，学时：16，学分：1。该课程应用了国家863科技攻关VLSISOC专项“可编程逻辑器件核开发”成果（2003.1-2003.12）；开设的目的是使学生了解集成电路中的可重构芯片技术；掌握各种可编程逻辑器件的工作原理和单片可编程逻辑系统SoPC的基本概念。特别要通过对可编程逻辑器件的演变历程的了解掌握各种可编程逻辑器件的区别与联系，从而为熟悉地选用可编程逻辑器件构造电子系统，开发VLSI芯片打好基础。具体内容参见附件7。（二）显著改进本科生专业基础课《半导体物理》1门。对历史悠久的专业基础课《半导体物理》教学内容做到了系统、全面改进。及时把教学改革、教学研究成果（多媒体网页和电子教案）和学科最新发展成3果（如低维结构的激子研究动态、宽带隙半导体）引入教学；对于基础性与先进性，经典与现代的关系处理得当。该课程改进有以下两点突出特点：（1）多媒体网页《半导体物理课件》这是针对经典专业课程之一《半导体物理》而开发的多媒体网页，是现代化手段和教学方法的改革，具备一定规模，并能经常保持更新。它包含了较为完整的教学信息，由电子教案、习题与解答、实验资料、教学大纲、重点难点、关键词查询和动画欣赏等几大板块构成。其中，在线电子教案中动态嵌入的反映抽象物理过程与原理的动画成为该课件的一项重要特色。网页课件既是独立的在线网络教材，也是课堂教学的现代化延伸和多样化表现形式。（2）电子教案所有教学内容全部采用教师自编的电子教案，内容浓缩了教师们多年的教案精髓；同时，在电子教案中引入动画，形象生动地动态展示抽象的概念和过程，充分体现了现代化教学手段的优势。具体内容参见附件8。（三）新开设本科生大型综合性实验课程1门首先，本项目在学校学科建设经费中立项（学校投入55万元），将利用率不高的两条IC工艺流水线改造成了本科生IC工艺实验平台。再进一步，本项目将工艺实验平台又与学校211建设项目“大规模集成电路设计中心”（学校投入550万元）和“四川省VLSI设计重点实验室”（学校投入5万元）的资源整合起来开出了《集成电路设计与制造综合性实验》课程。该综合性实验课程内容针对IC设计、工艺制造和探针测试（中测）全流程。本科生动手进行IC版图设计、芯片制造诸工序实验并通过探针测试芯片验证设计与工艺流片结果。通过实验过程，学生对IC设计与制造有了全面的认识和体会。该综合性实验具体新开出三个学生实验，即：实验1.“集成电路工艺全流程实验”；实验2.“集成电路芯片测试实验”；实验3.“集成电路版图设计”。具体内容参见附件9.4（四）新开设本科生专业实验7项以下两项实验针对超大规模集成电路（VLSI）设计，得到学校学科建设经费20万元资助。①《现场可编程门阵列（FPGA）》实验现场可编程门阵列（FPGA）是数字电路的硬件实现形式之一，该实验使本科生能够通过FPGA验证自己的VHDL数字电路设计，掌握数字集成电路设计的硬件仿真验证方法。具体内容参见附件10。②《大规模集成电路设计与验证实验》该实验使本科生有机会使用大型电子设计自动化EDA软件，Cadence,实践VLSI芯片设计，并测试验证自己的IC芯片设计，以熟悉VLSI芯片设计全流程，掌握芯片测试方法。具体内容参见附件11。以下5项实验主要针对《半导体物理》、《固体物理》和《微电子器件》等专业基础课，得到学校学科建设经费25万元资助。③《MOS结构高频C-V特性测量实验》该实验课程开设的目的是利用以大型精密测试设备Keithly82WINC-V测试系统为核心的实验，分析监控集成电路制造工艺的材料和器件。具体内容参见附件12。④《三角波电压扫描法测SiO2层中可动离子密度》该实验课程开设的目的是使学生直观认识SiO2层中可动离子，掌握MIS结构和MOS晶体管可靠性物理及失效机理作基本分析的能力。具体内容参见附件13。⑤《高频光电导衰减法测量硅（锗）单晶少子寿命》该实验课程开设的目的是使学生直观认识“半导体中的非平衡少数载流子的存在时间”这一基本半导体器件物理概念。有助于加深学生对半导体器件与IC的物理本质的认识。具体内容参见附件14。⑥《霍尔效应测试》5该实验课程开设的目的是使学生直观认识“半导体霍尔效应”这一基本半导体物理概念。掌握迁移率这一重要半导体材料和器件参数的测试方法。具体内容参见附件15。⑦《椭偏法测薄膜厚度和折射率》该实验课程开设的目的是使学生掌握半导体器件和IC制造工艺中必须进行的固体薄膜参数测试方法。具体内容参见附件16。（五）正式出版教材2本①《电子设计自动化快速入门教程》，作者：李平，157页，19万字，高等教育出版社，2003.7（参见附件17）。电子设计自动化的核心是硬件描述语言HDL，VHDL是在电子系统设计中应用较多的HDL，此前已有一些教材，但是，我们在研究工作和教学工作中发现，己有教材一般均条理不甚清楚，较为繁杂，篇幅太长，难以在较少学时数内使学生基本掌握VHDL。本项目教材条理清楚，深入浅出，特别针对本科生教学需求，受到学生普遍好评。本项目教材除作为本科生课堂教材外，还作为研究生班教材和大量本科生、研究生毕业论文写作的重要参考书。②《化合物半导体材料与器件》，作者：谢孟贤，刘诺，33.7万字，高等学校电子信息类规划教材，电子科技大学出版社，2000.9（参见附件18）。该教材是国内第一本系统反映化合物材料与器件的前沿发展的正式教材。介绍了化合物半导体中载流子的瞬态输运、二维电子气、超晶格、异质结等先进的基础理论和基本概念以及化合物半导体材料的制备技术。重点阐述了近年来新出现的新型的超高频、超高速器件（HEMT、HBT、RTD）等重要的微电子技术新的发展方向。（六）编写实验教材（实验指导书）8本，共153页。具体内容参见附件7-14。第二部分教学改革一、全新的课程设置方案根据IC行业和用人单位需要，在电子科大成都学院“IC设计”专业制定并6实施了一套全新的课程设置方案。该方案显著地区别于“微电子技术”老专业的课程设置方案，显著增加了通讯、单片机等电路与系统课程，着眼于培养微电子与电子系统的复合人才。参见附件19。二、因材施教的新的教育方式择优选择部分品学兼优的学生，在第三年级，到公司、研究所等单位进行“实践一年”，第四年级重新回到学校学习。即用“实践一年”取代了以前的为时半年的“毕业设计”及“生产实习”等实践环节。该方案受到学生本人、学生家长的普遍欢迎。参见附件20。第三部分成果创新点①新开设5门IC设计相关本科生新课程和8项相关实验由此形成了“IC设计与集成系统”新专业（2002年新开设）的支撑性主干课程；使“微电子技术”老专业（1956年开设）的专业课门数增加了30%，本科生专业实验数增加70%。新课程和实验均以科研为基础，如硬件描述语言电路与IC设计、学生多目标芯片投片实验等，很好地体现了高等教育的前沿性。②结合专业特点，创新地提出并实现《IC设计与制造综合性实验》由此使全学院本科生都能亲自设计、制作、测试IC芯片，从而使本科生的培养质量显著提高；实现了与国际先进的培养方式相同，在国内处于领先水平。③专业课程设置和本科生培养方式的首创探索制定并实施了一套全新课程设置方案，有利于培养用人单位急需的兼备微电子与电路系统知识的复合性人才。在国内首创：“因材施教，实践一年”新教学模式。受到学生本人、学生家长普遍欢迎。④教材建设与现代教育技术应用出版了2本新教材；设计制作1项多媒体网页，新法教学。7第四部分应用情况本项目成果应用情