微电子与集成电路测试实验室建设方案

一、项目建设背景

集成电路是我国进口金额**的物品，我国所需的集成电路75%以上仍然依赖进口，高端集成电路几乎100%依赖进口。2019年**季度集成电路进口金额为646.45亿美金，是我国逆差**的行业，远远高于石油、铁矿石等。随着中美贸易摩擦的不断升级，集成电路再一次被推向贸易战争的风口。

《中国集成电路产业人才白皮书（2017-2018）》显示，截至2017年底，我国集成电路产业现有人才存量约为40万人，人才缺口达32万人，尤其缺乏高层次复合型工程技术人才。2018年，我国高校毕业生人数795万人，其中集成电路相关学科毕业生仅2万人左右。

李克强总理在2018年的政府工作报告中指出：要加快强国建设，推动集成电路、第五代移动通信等产业发展。在此大环境下，教育报国的首要任务是快速提升人才培养质量，根据“新工科”人才培养体系要求，从产业需求出发，我国急需培养一批能开展理论研究、芯片设计、系统集成以及研发管理的复合型人才，这就对本科生专业基础教学实践课程提出了新要求。

集成电路人才培养有两大特色：一是理论与实践的结合密切，对实验教学设施的要求高，建设成本高，如工艺实验室和高端测试实验室需要超净实验室环境；二是创新性强，摩尔定律决定了集成电路规模每一年半翻一番，这就决定了集成电路技术的更新速度比其它任何专业领域都快。

为此，根据国务院2011年4号文件《进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》和《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010－2020年）》的精神，应该进一步加强微电子和集成电路人才的实践能力和创新能力培养。

2015年教育部、国家发改委、科技部、工业和信息化部、财政部、国家外专局等六部门联合下文，正式批复西安电子科技大学成为首批国家示范性微电子学院建设的九所高校之一，批复意见指出：要加快培养集成电路产业急需的工程型人才，示范性微电子学院要坚持以人才培养为中心，加快培养集成电路设计、制造、封装测试及其装备、材料等方向的工程型人才；深入开展产学合作协同育人，加强与区域内集成电路领域骨干企业、产业化基地和地方政府等方面的合作，共建高水平的学生实习实践基地，建立产学合作协同育人的长效机制。

本项目将在现有的教学实验室的基础上，重点加强微电子专业和集成电路专业的基础实验室和创新实验室的建设，为进一步提高我校微电子和集成电路人才培养质量和规模提供条件。在此大环境下，教育报国的首要任务是快速提升人才培养质量，根据“新工科”人才培养体系要求，从产业需求出发，我国急需培养一批能开展理论研究、芯片设计、系统集成以及研发管理的复合型人才，这就对本科生专业基础教学实践课程提出了新要求。

二、项目建设思路

（一）教学改革需求

随着半导体行业的发展，新型的半导体工艺和技术快速涌现，半导体实验课程中要求学生掌握的测试手段和仪器使用方法也随之发生了巨大的改变。为了适应半导体技术发展的需要并打通产学研之间的壁垒，半导体基础实验室和工艺实验室拟对专业实验课程进行全面的升级和改造。

实现教学方式和教学内容与现代先进半导体产业技术方案的要求完美衔接，达到通过新的专业实验课程体系培养出来的学生在毕业后走向工作岗位的过程当中，对现代半导体产业设计、生产过程中运用的工具、手段和方法不再陌生，具备快速上手的能力，符合用人单位对新型微电子人才的需求。

本次升级改造的主要内容包括两个方面，其一是对课程的整体教学过程、实验方法进行重新调整和设计；其二是根据专业实验课程教学内容和方式重新规划定义实验设备、软件、附件和被测件，将与行业脱轨或被行业淘汰的教学专用型实验设备进行淘汰或升级。

根据半导体业界的测量手段，对现有的实验内容进行彻底的改造，使用通用仪表仪器对实验课程进行重新设计，既保证了学生对业界常用设备的掌握，又保证了设备的复用率，并且可以作为现有半导体实验课程的丰富和补充，填补半导体实验教学中对元器件评价手段的不足。

这些设备具有高精度、高灵活性、软件定义、自动化和通用化等特征，因此新的实验体系既可以支撑本科实验教学向行业前端看齐，又可以支撑学生的创新创业训练，为学生参加竞赛和暑期双创实践周提供有力支持。

（二）实验室建设目标

通过对基础实验室现状的分析，我们整体的建设思路是在当前的实验室建设的基础上进行改进和完善，引进与产业无缝接轨的先进设备，规划“互联网+”背景下的微电子与集成电路专业基础实验综合平台，实现基础实验与创新实验的结合，线上和线下的实验的结合，虚拟实验和实体实验的结合，培养学生的实验能力与创新能力，最终实现学生由“要我学”到“我要学”的转变。

该实验平台最终达到以下目的：

（1）通过引进先进的设备，实现教学实验与产业无缝接轨。微电子与集成电路综合测试实验室构建计划对实验设备进行全面的升级，改造与更新，实现现实世界与虚拟世界的互联，以及对实验资源的远程访问、监测与智能控制，有效地支持人机交互、人与物品之间的交互，实现传统实验教学方式向系统性、生动性、开放性的创新型工业工程实践教学方式的转变。

（2）通过搭建“积木式”的实验环境，实现培养学生对待实验的兴趣以及创新能力的目的。搭建“积木式”的实验环境，学生必须根据所要达成的实验目的，选取合适的实验设备，并在充分了解实验原理的基础上，对多个实验设备进行正确的连线，这个实验环境的搭建过程本身就培养了学生的动手实践能力。构建全新的“积木式”的实验环境要完全打破传统的固定实验环境模式，全面实现培养学生创新能力的目的。

（3）通过微电子实验综合平台改革，实现理论课程和实验的同步更新的目的。微电子与集成电路专业本身具有工程实践性与更新换代速度快的特点，因此，通过综合实验平台的改革的契机，彻底优化、更新与摒弃部分落后的理论课程与实验课程，实现理论课程和实验的同步更新，并适当的将基础实验与创新实验进行结合，在培养学生的同时，提高实验教师队伍的业务水平。

（4）发挥引领和辐射作用，服务兄弟院校和业界公司。微电子实验综合平台改革完成后，可以利用课余及寒暑假为兄弟院校等开设有微电子和集成电路专业的高校进行教师和学生的实验授课或培训，也可以与英特尔、三星、紫光国芯等半导体和集成电路公司进行合作，为业界公司做员工培训。

（三）实验室建设内容

为革新培养方法，Tektronix、Keithley将与高校携手，共同梳理半导体集成电路行业前端需求，并为客户实地制定实验教学提升方案，使实践教学与理论教学在行业牵引下同步提升。同时根据产业前沿的工程内容和实验方法，与各大企业相互配合，围绕行业热点（新材料，新器件、新工艺），共同开发创新实验课程，不断补充和丰富现有实验内容。为改善培养条件，Tektronix协助用户搭建基于高精度通用仪表的微电子综合实验平台，利用高灵活性的软件平台和通用仪表，组合出多种实验测量场景，使本科生教学所用仪表环境与行业前端水平保持一致。

本项目将在现有的实验教学体系基础上，对实验中心整体进行重新规划和建设，实现实践教育与产业链之间打通和覆盖，成为名副其实的国内**、与产业发展相契合的高质量实践教学平台，为进一步提高我校微电子和集成电路人才培养质量和规模提供条件。主要得实现方法为：

1、以高精度通用仪表为核心，搭建先进的模块化实验环境围绕通用仪表和可定制的上位机软件，构建专业、精确度高、通用的微电子实验综合实验平台具有灵活、复用率高且与产业能够实现无缝接轨的特点。该实验平台采用能够重复利用的通用仪表与可定制的高灵活性的软件平台，搭配型号不同的专业实验设备就能够实现多种不同的实验环境的构建。结合工程教育认证要求，培养学生在解决复杂微电子工程问题的能力，构建面向应用场景的理论验证、现代工具使用、问题分析的综合能力，构建深层次理实一体实验平台。

微电子与集成电路实验平台仪器配置表

在实验设备上，核心通用测试仪器采用源表、示波器和信号源。以吉时利源表为例，在集成电路产业界有非常广泛的应用。从简单的通用源表到复杂的半导体参数分析仪，这些设备从材料，到器件，再到工艺和集成电路设计验证，从研发到生产制造，都有非常广泛的使用。

源表具有四象限输出能力，如图1所示，可以高精度的输出正、负电压和正负、电流，同时还具备极高精度的测量能力（微伏级电压和皮安级电流测试能力），可以有效表征半导体材料和器件在直流特性上的微小差别。

其操作原理简单清晰，与理论结合度较高，学生可以通过原理自己设计实验步骤，选择参数，以及处理数据。在高校微电子实验平台中引用源表，不仅可以达到提高测试精度和一致性的目的，同时还能与产业测试方式保持一致，提升学生兴趣并锻炼动手能力。

图1、源表外观以及它的四象限输出能力

示波器是电子测试测量行业通用的测试仪表，主要用于表征电压电流信号的动态特性，是测量半导体器件的开关特性，特征频率和分析其他复杂高频动态特性时最常用的设备。配合高压差分探头和电流探头，还可以用于高压、大电流的功率器件特性表征，在性能上具备良好的可扩展性。熟练掌握示波器的使用，对学生在电子行业解决复杂工程问题，提升动手能力有非常重要的帮助。

早期数字电路、模拟电路实验通常以50MHz示波器为主，用于测量低频率交流特性。随着实验内容的加深，以及与产业实际应用结合度的提升，越来越高的测试需求逐渐出现。比如开设射频器件的测试，高速数字电路的测试，混合信号器件的测试课程，都可能在学生实验室使用到500MHz以上频率的中端示波器。

泰克MDO3000系列示波器，支持4通道模拟信号、1通道射频信号（频谱仪功能）与16通道数字信号测试，可已进行复杂的混合信号多域测试分析。最高支持5GHz采样率和1GHz带宽，11.6寸真彩触摸屏，提供网络接口，可以进行远程控制，代表未来示波器的发展方向。

信号源在测试中用于产生标准信号，可以为待测件提供多种信号激励，用于测试器件在不同激励条件下的响应模式。中高端信号源除了可以输出标准波形外还具备自定义波形输出功能，可以输出复杂的波形序列或者任意波形。

高频率信号源在射频器件的带宽测试，频率特性测试等方面有广泛的应用。泰克AFG31251，具备250MHz正弦和125MHz脉冲输出能力，带有触摸屏和网络接口，提供波形编辑和显示能力。可以满足绝大多数半导体器件和集成电路动态测试的需求，是新一代高性能信号源的代表。

通用测试仪器可以灵活搭建多种实验环境，而目前在用的实验仪器，多数专用仪器，每套仪器只能用于一个实验，无法共用，因此每个实验都要采购一定数量的专用仪器；结合目前产业界的测试方法，将通用测试仪器仪表进行组合，设计被测样品和电路，使用源表搭配夹具可以完成的微电子专业实验课程内容，多个实验可以共用同一套测试仪器，不仅极大提高了实验仪器的使用效率，也极大的节约了实验室空间。

图2、基于高精度通用仪表的微电子综合实验平台

2、以产业测试方法为依据，培养学生解决复杂工程问题的能力以微电子经典基础实验“四探针法测量半导体材料的电阻率”与“半导体分立器件直流IV特性测试实验系统”改革前后的效果为例进行说明，如表1所示。

可以明显看出，高精度的源表作为通用设备在不同的实验中均发挥着重要的作用，与可定制的上位机软件、专业设备进行不同的组合就可以实现不同的、灵活的实验环境的搭建，这种新型的实验平台充分体现了设备的高重复利用率与实验环境搭配的灵活性。

表1、微电子专业经典基础实验改革前后效果对比图

在创新实验中，如图3所示的太阳能电池测试系统，利用通用源表、上位机软件、光源就完全可以实现光伏材料测试系统的搭建，这种模块化的实验环境构建不仅能够提升设备的利用率以及环境搭建的灵活性，而且大大地降低了实验的成本。创新型实验既能够满足学生的创新需求，又能对提升教师队伍业务能力水平起到积极的推动作用。

图3、太阳能电池测试实验系统

实验平台中的通用仪表采用产业通用的设备，测试精度高，且可以在多个实验中重复利用，既能够节省成本，又可以提高实验平台搭建的灵活度。新的微电子实验平台可以采用开放的货架形式，学生根据不同的实验要求，选择合适的通用设备与专业设备，根据实验原理搭建整个测试环境，这种以通用仪表为核心的实验新平台，对于学生动手能力以及创新能力的培养具有积极的推动作用。由于这些试验设备与产业测试保持了高度一致，未来开设创新实验课程时，可以直接将产业测试内容搬运到学校实验室中，例如现代光电器件实验（图4），半导体特征参数提取实验（图5），器件可靠性试验等等。

图4、创新实验：激光器件的LIV特性测试

图5、创新实验：半导体特征参数提取

3、以产业应用为导向，实现实验教学与产业测试的无缝对接微电子专业本身具有更新换代速度快的特点，为了使实验教学与产业无缝接轨，主要通过两种方式实现。

• 其一：以通用仪表为核心的实验平台中，实验教学内容涉及新材料、新器件，并引入前沿新材料、新器件的性能表征与设计验证的完整工具和方法熟悉行业测试标准和测试方法，了解可靠性测试和失效分析的机理，学习功率器件的动态特性测试方法，最终实现基础实验教学与科研接轨的同时，实现实验教学与产业无缝接轨。

• 其二：以通用仪表为核心的实验平台都采用产业标准的通用仪器，标准样片，以及与产业一致的测试方法，并对接现代半导体生产、工艺、研发的标准作业流程。在实验测试数据处理环节，将实验数据与行业测试规范所提供的数据进行比对，并分析测试结果的误差来源。

三、实验平台简介

（1）平台简介

平台特点

• 采用高精度分析仪器，与企业及科研测试方法无缝衔接；

• 课程涵盖内容广泛，设计材料、器件、集成电路等多方面内容；

• 开放度高，方便学生探究原理和系统应用；

• 可拓展性强，学生可在既有测试的基础条件下开展新测试方法的开发与验证。系统平台配置

可完成实验内容

（2）集成电路实验室效果图

（3）微电子综合应用创新实验室效果图

文章版权属于泰克所有