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“中兴事件”、“华为事件”相继爆发,中美贸易战旷日持久,集成电路对于国家综合国力的重要性不言而喻。当前集成电路高校教学重视理论,缺少实践机会,与真实集成电路人才的需求脱节。出现这一现象的原因可以归结为三点:第一、集成电路发展迅速,根据“摩尔定律”,集成电路的集成度每两年就要翻一番,先进技术层出不穷,而学校还是沿用几年甚至十几年前的理论进行指导,即使有实践环境,也是很多年前的旧设备、旧工艺,与真实的集成电路制造严重脱节。第二、集成电路设备昂贵,相关设施在实验操作过程中(比如扎探针)容易损坏,工艺线要保证无尘和稳定,即使学校组织学生进行企业实践,企业也很难让学生进行真正意义的实践操作。第三、由于仪器设备成本高、占用空间大,因此实物实训需要的设备数量有限,学生根本无法做到人手一台设备;同时,实验设备复杂多样,实物实训具有很大的危险性,实验通常也需要很长的时间进行调试,这使得人员与设备的安全性型无法保证。

因此,本项目提出使用虚拟现实技术,以“理、虚、实”一体化的教学方式,构建虚拟现实软件及云平台等,向学生提供能随时随地进行虚拟现实的实验条件,让学生在虚拟环境中开展实验,弥补实际实验实训中的不足,提高实训效果。

本实验项目依托复旦大学微电子学院和北京博达微科技有限公司联合进行项目的开发。

复旦大学微电子学院具有优秀的办学基础,前身是1958年我国半导体物理学的开拓者之一谢希德教授创办的半导体物理专业。1984年设立博士点,1988年,“微电子学与固体电子学”被评为国家重点学科。1992年“专用集成电路与系统”国家重点实验室获批,具备国际一流的软硬件设计环境。为带动电子信息学科发展,复旦大学积极响应“国家急需,世界一流”号召,2013年4月作为试点单位成立了复旦大学微电子学院。现有办学面积7.66万平方米,是复旦大学积极发展工科“先行先试”的首个改革试点单位。学校给予了微电子学院充分的资源保障和有力的支持。作为2013-2014年复旦大学学科建设的一号工程,聘请了国内外著名专家学者组成了强有力领导核心,组织了国内外知名学者对人才培养、学科发展以及产学合作进行了多次讨论,为示范性微电子学院的建设奠定了坚实基础。

在人才培养基础上,复旦大学微电子学院是首批国家集成电路人才培养基地之一(2003年)、国家首批工程博士培养点(2011年)、国家集成电路人才国际培训(上海)基地(2014年)以及首批国家示范性微电子学院(2015年)。复旦微电子学院研究平台现在有科技部国家重点实验室,工信部国家集成电路创新中心,教育部集成电路攻关大平台,发改委集成电路产教融合创新平台。拥有一支精诚团结、精深造诣、丰富产业经验、以服务国家战略发展为己任的教师队伍,具有丰富的集成电路方面人才培养经验和雄厚的产学联合基础。在复旦大学微电子学科不断发展的过程中,培养了一大批集成电路技术骨干、高层管理人才,培养了如马俊如、叶甜春、陈向东、赵宇航、陈军宁、刘伟平、张顺茂、周红等为中国集成电路产业做出杰出贡献的高端人才。

在人才培养合作经验上,复旦大学微电子学院具有优秀的产学合作培养人才基础,与中国内地规模最大、技术最先进的集成电路晶圆代工企业--中芯国际集成电路制造有限公司、武汉新芯、清华大学、北京大学、及中科院微电子所合作成立“集成电路先导技术研究院”。与上海华力微电子有限公司以及中科院下属集成电路相关研究机构中科院微电子研究所、中科院上海微系统所、中科院上海高等研究院都有着开放共享的密切合作关系。与上海集成电路技术与产业促进中心(ICC)及上海集成电路研发中心(ICRD)有限公司也在长三角集成电路设计与制造协同创新中心框架下签署了战略合作协议。同时与区域骨干集成电路企业例如复旦微电子集团股份有限公司、上海华虹集成电路有限责任公司、杭州中天微系统有限公司等就共同深化集成电路行业紧缺创新人才培养模式改革达成了不同内容方向的共建协议。

北京博达微科技有限公司作为国内知名的集成电路EDA企业,拥有近百家全球领先的半导体公司,大学和科研单位为客户,成功将人工智能算法应用在集成电路测试和相关环节,所发表的学术文章荣获2018年度IEEEDATE大会最佳论文(国际四大顶级EDA会议之一),并荣获2019年度中国IC设计成就奖之年度创新EDA公司。博达微科技有限公司是国内少有的将集成电路工业经验应用在高校教学领域的公司之一,公司自主研发的微纳电子教学套件教学套件已经在国内外20多所院校应用,包括:清华大学,北京大学、复旦大学、南京大学、首尔国立大学,韩国建国大学,中科院微电子所,华东师范大学,北方工业大学,南京邮电大学,南方科技大学,等多家领先院校,大大推动了国内高校的集成电路教学与真实产业人才需求相结合。

在本次集成电路12英寸晶圆测试虚拟现实(VR)实验中,学生可以通过虚拟实验掌握以下知识点:

1)掌握集成电路12英寸晶圆的工业级测量方法

2)掌握集成电路典型器件(场效应晶体管、双极型晶体管、二极管、电阻、电容、变容器等)的工业级测量方法

3)掌握集成电路300毫米探针台的使用方法4)掌握集成电路典型测试设备(如:源测量单元(SourceMeasureUnit,

SMU)、LCR表)的使用方法

知识点数量:27(个)

集成电路12寸晶圆测试实验是集成电路产业链中不可或缺的一部分,为学生学习专业基础和专业课程起到承前启后的作用,该实验对应的知识点可以概括为:

(1)测量器件相关知识点:晶圆(Wafer)、N型场效应晶体管(NMOS)、横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)、半耗尽绝缘体上硅(PDSOI)、NPN型双极性晶体管(BJTNPN)、二极管(Diode)、电阻(Resistor)、电容(Capacitor)、变容器(Varactor)、结型场效应晶体管(JFET)、薄膜晶体管(TFT)、静态随机存取存储器(StaticRandom-AccessMemory,SRAM)、环形振荡器(RingOscillator)、鳍型场效应晶体管(FinFET)、全耗尽绝缘体上硅(FDSOI)、氮化镓(GaN)。

(2)测量仪器相关知识点:300毫米探针台、Chuck、探针、源测量单元(SourceMeasureUnit,SMU)、LCR表

(3)测量过程相关知识点:控制器、晶圆地图、显微镜、扎探针、IV测量、CV测量

用目的:通过引入集成电路12英寸晶圆测试虚拟现实(VR)实验,在理论教学和实物实训之间搭建起一个过渡的“桥梁”,有效解决理论教学与实物实训难以有效融合的问题,提升相关知识与实训操作的效率和效果,优化学生的学习体验。云平台聚合了完备的教学功能,学生可通过云平台进行学习、下载实验指导书,完成实验报告等,实现教学过程的“闭环控制”和教学效果的“形成性评价”,使教学资源更生动、教学活动更丰富、教学管理更高效、效果评估更科学准确,充分体现出教育信息化的发展方向。

实施过程:

(1)老师首先进行集成电路晶圆测试相关理论教学,并且,老师在云平台上传相关数字化资料(如微课、视频、文献等),学生首先通过云平台进行理论知识的个性化学习。老师可以进行相关设定,比如:学生只有通过理论知识的检测,才能认为已经掌握了相关实验理论,才能进入之后的环节。

(2)学生通过先进集成电路12英寸晶圆测试虚拟现实体验设备进行自主学习和体验,学生通过了解实验目的,VR 操作方式等环节,进入真实实验状态。虚拟体验平台能够以真实的实验环境、真实的实验任务、真实的实验设备等,让学生能以第一视角体验与交互模式对集成电路晶圆测试和相关流程进行体验和分析,完成实验的预设项目。同时,体验设备会对学生的操作(如是否按照实验步骤操作、是否符合操作规范)等进行形成性评价。

(3)集成电路12英寸晶圆测试虚拟现实能够自动记录、跟踪、评价学生虚拟仿真的过程与结果。教师通过云平台可以查看学生虚拟现实实训表现及各步骤的操作情况,并对学生输出的实验报告进行批改。当评价合格后,学生或有机会进行实物实训演练。

(4)实物实验(如条件允许),在学校内部和相关集成电路合作公司,学生可以进行真实的实验,可以通过视频、照片等记录实物实验的过程与结果。

实施结果:通过“理、虚、实”一体化的教学方式,不仅大幅度提高理论与实验教学的效果,提高学生对集成电路晶圆测试的认知,牢记集成电路12英寸晶圆测试的相关步骤,保证学生操作正确、规范,大幅提高学生实验的正确性,弥补实验在教学资源,设备,流程方面的不足。

(1)实验方法描述:

1.学生前往一站式微纳电子教学实验综合服务云平台,进行预习、下载实验指导书

2.学生将基础实验设备进行连接,并佩戴VR设备,如

3.VR体验设备模拟集成电路晶圆测试实验场景

4.学生根据步骤完成实验流程,如下图所示

5.完成实验后,学生书写实验报告,完成本节课程的相关内容。

(2)学生交互性操作步骤说明:

1.打开探针台

2.打开控制器

3.打开晶圆地图

4.打开显微镜

5.打开Chuck护板

6.抽出Chuck

7.打开晶圆盒

8.取晶圆

9.放晶圆到Chuck上

10.Chuck推回原位

关闭Chuck护板

12.开放性实验主要步骤1:移动晶圆

13.开放性实验主要步骤2:调节显微镜

开放性实验主要步骤3:扎探针

15.开放性实验主要步骤4:探针台与测试设备相连

16.开放性实验主要步骤5:完成测试过程

17.开发性实验主要步骤6:测试结果分析

(1)是否记录每步实验结果:是

(2)实验结果与结论要求:实验报告

(3)其他描述:

学生在完成相应的实验项目后,需记录实验数据,给出结果并输出个性化分析报告。同时,达到以下目的:

1)掌握集成电路12英寸晶圆的工业级测量方法

2)掌握集成电路典型器件(场效应晶体管、双极型晶体管、二极管、电阻、电容、变容器等)的工业级测量方法

3)掌握集成电路300毫米探针台的使用方法4)掌握集成电路典型测试设备(如:源测量单元(SourceMeasureUnit,SMU)、LCR表)的使用方法

(1)说明客户端到服务器的带宽要求(需提供测试带宽服务)至少1M/s

(2)说明能够提供的并发响应数量(需提供在线排队提示服务)

至少100人

(1)计算机操作系统和版本要求WINDOWS 7以上

(2)其他计算终端操作系统和版本要求无

是否支持移动端:是

(1)计算机硬件配置要求

GPU:NVIDIA®GeForce®GTX970、AMDRadeonR9290同等或更高配置CPU:Intel®Core™i5-4590/AMD FX™8350 同等或更高配置

RAM:4GB或以上

视频输出:HDMI1.4、DisplayPort1.2或以上USB端口:1x USB 2.0 或以上端口

(2)其他计算终端硬件配置要求

相关实验
团队成员
周鹏|教授/博导
负责人

Tel:021-65642198

Email:pengzhou@fudan.edu.cn

研究方向:新型二维层状半导体电子器件与特性研究;下一代CMOS兼容非易失存储器研究

个人主页:https://sme.fudan.edu.cn/65/3b/c31276a353595/page.htm