集成电路工艺原理范文
时间:2023-11-06 17:54:47
导语:如何才能写好一篇集成电路工艺原理,这就需要搜集整理更多的资料和文献,欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文,供你借鉴。
篇1
作者简介:汤乃云(1976-),女,江苏盐城人,上海电力学院电子科学与技术系,副教授。(上海?200090)
基金项目:本文系上海自然科学基金(B10ZR1412400)、上海市科技创新行动计划地方院校能力建设项目(10110502200)资助的研究成果。
中图分类号:G642.0?????文献标识码:A?????文章编号:1007-0079(2012)29-0046-01
微电子产业的快速发展急需大量的高质量集成电路人才。优秀的集成电路设计工程师需要具备一定工艺基础,集成电路工艺设计和操作人员更需要熟悉工艺原理及技术,以便获得性能优越、良率高的集成电路芯片。因此“集成电路工艺原理”是微电子专业、电子科学与技术专业和其他相关专业一门重要的专业课程,其主要内容是介绍VLSI制造的主要工艺方法与原理,培养学生掌握半导体关键工艺方法及其原理,熟悉集成电路芯片制作的工艺流程,并具有一定工艺设计及分析、解决工艺问题的能力。课程的实践性、技术性很强,需要大量的实践课程作为补充。但是超大规模集成电路的制造设备价格昂贵,环境条件要求苛刻,运转与维护费用很大,国内仅有几所大学拥有供科研、教学用的集成电路工艺线或工艺试验线,很多高校开设的实验课程仅为最基本的半导体平面工艺实验,仅可以实现氧化、扩散、光刻和淀积等单步工艺,而部分学校仅能开设工艺原理理论课程。所以,如何在理论教学的模式下,理论联系实践、提高教学质量,通过课程建设和教学改革,改善集成电路工艺原理课程的教学效果是必要的。如何利用多种可能的方法开展工艺实验的教学、加强对本专业学生科学实验能力和实际工作能力以及专业素质的培养、提高微电子工艺课程的教学质量,是教师所面临的紧迫问题。
一、循序渐进,有增有减,科学安排教学内容
1.选择优秀教材
集成电路的复杂性一直以指数增长的速度不断增加,同时国内的集成电路工艺技术与发达国家和地区差距较大,故首先考虑选用引进的优秀国外教材。本课程首选教材是国外电子与通信教材系列中美国James D.Plummer著的《硅超大规模集成电路工艺技术—理论、实践与模型》中文翻译本。这本教材的内容丰富、全面介绍了集成电路制造过程中的各工艺步骤;同时技术先进,该书包含了集成电路工艺中一些前沿技术,如用于亚0.125μm工艺的最新技术、浅槽隔离以及双大马士革等工艺。另外,该书与其他硅集成电路工艺技术的教科书相比,具有显著的两个优点:其一是在书中第一章就介绍了一个完整的工艺过程。在教学过程中,一开始就对整个芯片的全部制造过程进行全面的介绍,有且与学生正确建立有关后续章节中将要讨论的各个不同的特定工艺步骤之间的相互联系;其二是贯穿全书的从实际工艺中提取的“活性”成分及工艺设计模拟实例。这些模拟实例有助于清楚地显示如氧化层的生长过程、掺杂剂的浓度分布情况或薄膜淀积的厚度等工艺参数随着时间推进的发展变化,有助于学生真正认识和理解各种不同工艺步骤之间极其复杂的相互作用和影响。同时通过对这些模拟工具的学习和使用,有助于理论联系实际,提高实践教学效果。因而本教材是一本全面、先进和可读性强的专业书籍。
2.科学安排教学内容
如前所述,本课程的目的是使学生掌握半导体芯片制造的工艺和基本原理,并具有一定的工艺设计和分析能力。本课程仅32学时,而教材分11章,共602页,所以课堂授课内容需要精心选择。一方面,选择性地使用教材内容。对非关键工艺,如第1章的半导体器件,如PN二极管、双极型晶体管等知识已经在前续基础课程“半导体物理2”和“半导体器件3”中详细介绍,所以在课堂上不进行讲授。另一方面,合理安排教材内容的讲授次序。教材在讲授晶片清洗后即进入光刻内容,考虑工艺流程的顺序进行教学更有利于学生理解,没有按照教条的章节顺序,教学内容改变为按照清洗、氧化、扩散、离子注入、光刻、薄膜淀积、刻蚀、后端工艺、工艺集成等顺序进行。
另一方面,关注集成电路工艺的最新进展,及时将目前先进、主流的工艺技术融入课程教学中,如在课堂教学中介绍INTEL公司即将投产的采用了22nm工艺的代号为“Ivy Bridge”的处理器等。同时,积极邀请企业工程师或专家开展专题报告,将课程教学和行业工艺技术紧密结合,提高学生的积极性及主动性,提高教学效果。
3.引导自主学习
半导体产业正飞速发展,需要随时跟踪集成电路制造工艺的发展动态、技术前沿以及遇到的挑战,给学生布置若干集成电路工艺发展前沿与技术动态相关的专题,让学生自行查阅、整理资料,每一专题选派同学在课堂上给大家讲解。例如,在第一章讲解集成电路工艺发展历史时,要求同学前往国际半导体产业规划网站,阅读最新年份的国际半导体技术发展路线图,完成如最小特征指标、工作电压等相关技术指数的整理并作图说明发展趋势等。这样一方面激发了学生的求知欲,另一方面培养学生自我学习提高专业知识的能力。
二、丰富教学手段,进行多样化、形象化教学
篇2
关键词:现代;光纤通信;光电集成;路集成电路;设计分析
中图分类号:TP311 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2016)24-0042-02
Abstract: in today's society is the information of the rapidly developing society, all kinds of high and new technology emerges unceasingly, the communication system is particularly important, communication system and the integrated circuit has been inseparable. How to make use of integrated circuit technology to design high performance integrated circuit of the electronic information technology industry is an urgent need to solve the problem. This article will briefly introduced the optical fiber communication optoelectronic integrated circuit design and analysis process.
Key words: modern; optical fiber communication; photoelectric integration; road integrated circuit; design and analysis
随着国家的发展,社会的进步,人类的生活已经离不开通信方式了,各种各样的交流活动都是需要通讯的传递的。不管我们通过何种方式、何种途径,只要将我们想要传递的信息传递到另外一个地方,就是称为通信。古代所传递信息的方式方法也是多种多样的。但是它们相对来说特别落后,时间也会非常地久。而现代的通信方式中,电话通信是应用最广泛的一种。
1 什么是光纤通信
近几年来,随着技术的进步,电信管理体制的改革以及电信市场的全面开放,光纤通信的发展呈现了一番全新的景象。所谓光纤通信就是一种以光线为传媒的通信方式,利用广播实现信息的传送。光纤通讯就是以光导纤维作为信号传输介质的通讯系统。具有抗干扰性好,超高带宽等特点。
如今社会我们使用的光纤通信有许多的优点,例如,它可以传输频带宽、通信容量大;传输损耗低、中继距离长;线径细、重量轻,原料为石英,节省金属材料,这样一来,节约了许多资源和能源,有利于资源合理地开发和使用;绝缘、抗电磁干扰性能强;还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点,同时它也可以用在特殊环境或者军事行动中。
光纤通信的原理是:在发送端首先要把传送的信息变成电信号,然后调制到激光器发出的激光束上,使光的强度随电信号的幅度变化而变化,并通过光纤发送出去;在接收端,检测器收到光信号后把它变换成电信号,经解调后恢复原信息。
随着信息技术传输速度日益更新,光纤技术已得到广泛的重视和应用。在多微机电梯系统中,光纤的应用充分满足了大量的数据通信正确、可靠、高速传输和处理的要求。光纤技术在电梯上的应用,大大提高了整个控制系统的反应速度,使电梯系统的并联群控性能有了明显提高。电梯上所使用的光纤通信装置主要由光源、光电接收器和光纤组成。
2 集成电路的实现
集成工艺技术也就是在最近的一二十年取得了飞速的发展。随着元器件尺寸大小的不断减小,集成电路的集成速度也在不断地提高。发展迅速的集成电路工艺技术为通信系统的发展奠定了坚实的基础。当下,利用光电集成电路实现的光的发射和接收装置已经被各个实验室所广泛使用。光电集成电路在单片上集成的光和电元件越来越多了,这就是光电集成电路速度越来越快的原因。
3 光纤通信现状
光纤通信技术的发展带动了光纤产业的进步。想要实现光发射与光电集成电路是非常容易的,但是想要实现高速系统的混合集成是非常困难的。由于毫米波信号是狭窄的,所以可以使用混合集成工艺来实现毫米波系统,我们可以这样来设计集成电路及其组成部分,使其波段上的输入和输出阻抗保持在大约50欧姆左右,即使用50欧姆的传输线来连接元器件和集成电路。此外,例如激光驱动、时钟恢复、数据判决、复接、光接收放大等各种类型的模拟、数字、混合集成电路依然可以轻松实现,这是因为电路也可以设计成输入输出是50欧姆的阻抗。想要利用混合方法实现高速光发射机与接收机的真正困难所在是激光二极管和光检测器的阻抗不是50欧姆。尤其是激光二极管,他的非线性无法进行混合集成的。没有合适的匹配网络将基带数据信号从激光二极管连接到驱动器或者从光检测器连接到前置放大器上,就会大大地降低了系统的操作性能。这样相比利用光发送和光接收的集成电路来实现是十分简便的。利用光集成电路实现光发射和接收不仅可靠性高而且成本低。但是用光电集成电路也是具有一定的挑战性的,制作光元件和电子电路所需要的材料是存在一定的差别的。现在制造高速光发射和接受光电集成电路在光传输系统中是十分必要的。这个设计工艺的难点在于要形成材料,即适合制造光电器件和电子电路所需要的制作材料,此外还要设计出光电集成电路。现实很残酷,大家仍需努力。
4 光电集成电路
光发射机光电集成电路一般是由同一底上的激光二极管和驱动电路构成的。集成电路其中包括了电子元器件结构的生长、激光、激光二极管、电阻器、晶体管等电子元件的制造,其中光电元件和金属化连接是比较困难的。在外延生长的衬底上,大概需要三个工序来集成光电集成电路,分别为制作激光二极管、制作电子电路、进行光电元件之间的连接。首先要制作激光二极管,激光二极管的P型区域欧姆接触层通过 蒸发形成金属状态,随后利用光刻法来生成激光二极管的大概区间,然后进行湿法刻蚀形成接触激光二极管的N区区间,最后在活性离子刻蚀体系中完成刻蚀过程,直到遇到AGAAS层后停止刻蚀过程。AGAAS层能隔离电子电路机构和激光结构,形成一种薄膜电阻,从而形成第一金属层和空气桥两个连接层。我们通常采用空气桥连接激光二极管的P区,采用第一金属层连接激光二极管的N区,这样就能很好地实现激光二极管和电子电路层的连接。这就实现了一个量子激光器的光电集成电路了。制作光电集成电路的芯片也是存在一定的难度的,目前端面反射激光镜的干腐蚀技术尚未成熟,只能用解离的方法来完成,所以说集成激光驱动器电路还有很大的空间有待开发。
光电集成电路分别是由光检测器、前置放大器以及主放大器构成的,这其中包括数据判决器、时钟恢复和分接电路。光检测器的集成是光电集成电路中最重要的一个部分,而金属-半导体-金属光检测器(MSM)因为只需要少步骤的追加工艺,和如名字一般较为实惠且广泛的材料在雪崩类型光电检测器和p-i-n被广泛运用的同时也被单片集成光接收机广泛的使用着。
在设计中第一级为基本放大单元,是共源放大电路且带有源负载,电阻的反馈由电压并联负反馈,电平位移级使用的是两级源级跟随器,它被接入到后面,与此同时,又需要引进一个肖特基二极管,这样就起到了一个降低反馈点的直流电平所特需的水平的作用,达到了这样一个效果后,在偏低压的条件下,电路同样可以正常工作。
5 主要工艺流程
第一步,我们要准备好充足的材料,对材料进行结构和参数方面的设计计算,并确定材料的外延生长,来确定集成方式及集成所需要的元器件。第二步,对PD台面进行腐蚀,首先腐蚀掉INP层露出HEMT的帽层,把MSM保留在芯片上,即通过把PD台面以外的PD层材料腐蚀掉来露出HEMT层。第三步就是进行器件的隔离工作,仍然使用台面腐蚀的办法将HEMT和PD元器件之间隔离起来,想要实现比较好的隔离效果就一定要准确的腐蚀到半绝缘衬底上。最后就是保护芯片的工作了,在芯片表面沉淀一层介质,这样不仅保护了芯片表面还成为了源漏的辅助剥离介质。
6 结束语
光纤通信技术作为通信产业中的支柱,是我们现如今社会中使用最多的通信方式。即使在现在的社会当中,光纤通信技术得到了十分稳定有效的发展,但是现在科技发展如此之快,越来越多的新技术涌现出来,我国的通信技术水平也得到了明显的改善与提高,光纤通信的使用范围和价值也在悄悄地扩张。但是光纤通信技术为了迎合网络时代,必须有更高层次的发展,才能占据市场的主流地位。我相信随着光通信技术更加深入地发展,光纤通信一定会对整个通信行业甚至社会的进步起到举足轻重的作用。
参考文献:
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篇3
关键词:版图设计;集成电路;教学与实践
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2014)06-0153-02
目前,集成电路设计公司在招聘新版图设计员工时,都希望找到已经具备一定工作经验的,并且熟悉本行业规范的设计师。但是,IC设计这个行业圈并不大,招聘人才难觅,不得不从其他同行业挖人才或通过猎头公司。企业不得不付出很高的薪资,设计师才会考虑跳槽,于是一些企业将招聘新员工目标转向了应届毕业生或在校生,以提供较低薪酬聘用员工或实习方式来培养适合本公司的版图师。一些具备版图设计知识的即将毕业学生就进入了IC设计行业。但是,企业通常在招聘时或是毕业生进入企业一段时间后发现,即使是懂点版图知识的新员工,电路和工艺的知识差强人意,再就是行业术语与设计软件使用不够熟练、甚至不懂。这就要求我们在版图教学时渗入电路与工艺等知识,使学生明确其中紧密关联关系,树立电路、工艺以及设计软件为版图设计服务的理念。
一、企业对IC版图设计的要求分析
集成电路设计公司在招聘版图设计员工时,除了对员工的个人素质和英语的应用能力等要求之外,大部分是考查专业应用的能力。一般都会对新员工做以下要求:熟悉半导体器件物理、CMOS或BiCMOS、BCD集成电路制造工艺;熟悉集成电路(数字、模拟)设计,了解电路原理,设计关键点;熟悉Foundry厂提供的工艺参数、设计规则;掌握主流版图设计和版图验证相关EDA工具;完成手工版图设计和工艺验证[1,2]。另外,公司希望合格的版图设计人员除了懂得IC设计、版图设计方面的专业知识,还要熟悉Foundry厂的工作流程、制程原理等相关知识[3]。正因为其需要掌握的知识面广,而国内学校开设这方面专业比较晚,IC版图设计工程师的人才缺口更为巨大,所以拥有一定工作经验的设计工程师,就成为各设计公司和猎头公司争相角逐的人才[4,5]。
二、针对企业要求的版图设计教学规划
1.数字版图设计。数字集成电路版图设计是由自动布局布线工具结合版图验证工具实现的。自动布局布线工具加载准备好的由verilog程序经过DC综合后的网表文件与Foundry提供的数字逻辑标准单元版图库文件和I/O的库文件,它包括物理库、时序库、时序约束文件。在数字版图设计时,一是熟练使用自动布局布线工具如Encounter、Astro等,鉴于很少有学校开设这门课程,可以推荐学生自学或是参加专业培训。二是数字逻辑标准单元版图库的设计,可以由Foundry厂提供,也可由公司自定制标准单元版图库,因此对于初学者而言设计好标准单元版图使其符合行业规范至关重要。
2.模拟版图设计。在模拟集成电路设计中,无论是CMOS还是双极型电路,主要目标并不是芯片的尺寸,而是优化电路的性能,匹配精度、速度和各种功能方面的问题。作为版图设计者,更关心的是电路的性能,了解电压和电流以及它们之间的相互关系,应当知道为什么差分对需要匹配,应当知道有关信号流、降低寄生参数、电流密度、器件方位、布线等需要考虑的问题。模拟版图是在注重电路性能的基础上去优化尺寸的,面积在某种程度上说仍然是一个问题,但不再是压倒一切的问题。在模拟电路版图设计中,性能比尺寸更重要。另外,模拟集成电路版图设计师作为前端电路设计师的助手,经常需要与前端工程师交流,看是否需要版图匹配、布线是否合理、导线是否有大电流流过等,这就要求版图设计师不仅懂工艺而且能看懂模拟电路。
3.逆向版图设计。集成电路逆向设计其实就是芯片反向设计。它是通过对芯片内部电路的提取与分析、整理,实现对芯片技术原理、设计思路、工艺制造、结构机制等方面的深入洞悉。因此,对工艺了解的要求更高。反向设计流程包括电路提取、电路整理、分析仿真验证、电路调整、版图提取整理、版图绘制验证及后仿真等。设计公司对反向版图设计的要求较高,版图设计工作还涵盖了电路提取与整理,这就要求版图设计师不仅要深入了解工艺流程;而且还要熟悉模拟电路和数字标准单元电路工作原理。
三、教学实现
1.数字版图。数字集成电路版图在教学时,一是掌握自动布局布线工具的使用,还需要对UNIX或LINUX系统熟悉,尤其是一些常用的基本指令;二是数字逻辑单元版图的设计,目前数字集成电路设计大都采用CMOS工艺,因此,必须深入学习CMOS工艺流程。在教学时,可以做个形象的PPT,空间立体感要强,使学生更容易理解CMOS工艺的层次、空间感。逻辑单元版图具体教学方法应当采用上机操作并配备投影仪,教师一边讲解电路和绘制版图,一边讲解软件的操作、设计规则、画版图步骤、注意事项,学生跟着一步一步紧随教师演示学习如何画版图,同时教师可适当调整教学速度,适时停下来检查学生的学习情况,若有错加以纠正。这样,教师一个单元版图讲解完毕,学生亦完成一个单元版图。亦步亦趋、步步跟随,学生的注意力更容易集中,掌握速度更快。课堂讲解完成后,安排学生实验以巩固所学。逻辑单元版图教学内容安排应当采用目前常用的单元,并具有代表性、扩展性,使学生可以举一反三,扩展到整个单元库。具体单元内容安排如反相器、与非门/或非门、选择器、异或门/同或门、D触发器与SRAM等。在教授时一定要注意符合行业规范,比如单元的高度、宽度的确定要符合自动布局布线的要求;单元版图一定要最小化,如异或门与触发器等常使用传输门实现,绘制版图时注意晶体管源漏区的合并;大尺寸晶体管的串并联安排合理等。
2.模拟版图。模拟集成电路版图设计更注重电路的性能实现,经常需要与前端电路设计工程师交流。因此,版图教学时教师须要求学生掌握模拟集成电路的基本原理,学生能识CMOS模拟电路,与前端电路工程师交流无障碍。同时也要求学生掌握工艺对模拟版图的影响,熟练运用模拟版图的晶体管匹配、保护环、Dummy晶体管等关键技术。在教学方法上,依然采用数字集成电路版图的教学过程,实现教与学的同步。在内容安排上,一是以运算放大器为例,深入讲解差分对管、电流镜、电容的匹配机理,版图匹配时结构采用一维还是二维,具体是如何布局的,以及保护环与dummy管版图绘制技术。二是以带隙基准电压源为例,深入讲解N阱CMOS工艺下双极晶体管PNP与电阻匹配的版图绘制技术。在教学时需注意晶体管与电阻并联拆分的合理性、电阻与电容的类型与计算方法以及布线的规范性。
3.逆向版图设计。逆向集成电路版图设计需要学生掌握数字标准单元的命名规范、所有标准单元电路结构、常用模拟电路的结构以及芯片的工艺,要求学生熟悉模拟和数字集成单元电路。这样才可以在逆向提取电路与版图时,做到准确无误。教学方法同样还是采用数字集成电路版图教学流程,达到学以致用。教学内容当以一个既含数字电路又含模拟电路的芯片为例。为了提取数字单元电路,需讲解foundry提供的标准单元库里的单元电路与命名规范。在提取单元电路教学时,说明数字电路需要归并同类图形,例如与非门、或非门、触发器等,同样的图形不要分析多次。强调学生注意电路的共性、版图布局与布线的规律性,做到熟能生巧。模拟电路的提取与版图绘制教学要求学生掌握模拟集成电路常用电路结构与工作原理,因为逆向设计软件提出的元器件符号应该按照易于理解的电路整理,使其他人员也能看出你提取电路的功能,做到准确通用规范性。
集成电路版图设计教学应面向企业,按照企业对设计工程师的要求来安排教学,做到教学与实践的紧密结合。从教学开始就向学生灌输IC行业知识,定位准确,学生明确自己应该掌握哪些相关知识。本文从集成电路数字版图、模拟版图和逆向设计版图这三个方面就如何开展教学可以满足企业对版图工程师的要求展开探讨,安排教学有针对性。在教学方法与内容上做了分析探讨,力求让学生在毕业后可以顺利进入IC行业做出努力。
参考文献:
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篇4
关键词:ULSI Low-K介质 Cu互连
中图分类号:TN47 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2013)04(c)-0119-02
如今,半导体工业飞速发展,人们对于电子产品的功能和体积也提出了进一步的要求,因而,提高集成电路的集成度、应用新式材料和新型布线系统以缩小产品体积、提高产品稳定性势在必行。根据Moore定律,IC上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。日益减小的导线宽度和间距与日益提升的晶体管密度促使越来越多的人把目光投向了低介电常数材料在ULSI中的应用。另一方面,金属铝(Al)是芯片中电路互连导线的主要材料,然而,由表1可知,金属铜(Cu)的电阻率比金属铝(Al)低40%左右,且应用Al会产生更明显的互联寄生效应。因而应用金属铜(Cu)代替金属铝(Al)作为互连导线主要材料就成为集成电路工艺发展的必然方向[1]。(如表1)
1 低介电常数材料(Low-K)
一直以来,有着极好热稳定性、抗湿性的二氧化硅(SiO2)是金属互连线路间使用的主要绝缘材料。如今,低介电常数材料(Low-K)因其优良特性,逐步在IC产业被推广应用。
Low-K材料基本可以分为无机聚合物与有机聚合物这两大类,常见Low-K材料有:纳米多孔SiO2、SiOF氟硅玻璃(FSG)、SiOC碳掺杂的氧化硅(Black Diamond)、SiC:N氮掺杂的碳化硅HSQ(Hydrogen Silsesquioxane)、空气隙。Low-K材料制备及其介电常数值见表2。
现阶段的研究认为,通过降低材料的自身极性与增加材料中的空隙密度是主要的两种降低材料介电常数的方法。首先,从降低材料自身极性的方法来看,包括降低材料中电子极化率(electronic polarizability),离子极化率(ionic polarizability)以及分子极化率(dioplar polarizability)等方法[2]。
此外,由Debye方程:(式中为材料介电常数,为真空介电常数,与分别为电子极化和分子形变极化,N为分子密度),不难看出,可以通过增加材料中的空隙密度从而达到降低材料的分子密度,这就是降低介电常数的第二种方法。
针对上文所述的第一种方法中,在SiO2中掺杂F元素制成SiOF(亦即FSG,见表2)的方法在0.18μm技术工艺中得到了广泛的应用。而且,人们发现,通过在SiO2中掺杂C元素能够在降低材料的介电常数上获得更好的效果。其原理是:利用了材料中形成,以Si-C和C-C键为基础的低极性网络结构,达到了降低材料介电常数的效果。基于此项的研究,诸如无定形碳薄膜的研究,已可以将材料的介电常数降低到3.0或更低[3]。
2 互连线材料――铜(Cu)
随着集成电路(IC)的发展,电路特征尺寸不断缩小,芯片内部连线密度不断提高,金属布线层数急速增加(见图3),随之而来的是器件门延迟的相对缩小和互连延迟的相对增加,增加的互连线电阻R和寄生电容C使互连线的时间常数RC大幅度的提高(见图4)。互连中的电阻(R)和电容(C)所产生的寄生效应(Parasitic effects)越来越明显。
在深亚微米(0.25μm及其以下)工艺下,互连延迟已经超过门延迟成为制约各项性能的主要瓶颈[4]。由于互连寄生效应,电路的性能将受到严重的影响,如功耗增加、信号失真、连线间以及层间的串扰噪音(crosstalk noise)等。因而寻找并采用低阻率金属以代替金属铝便成为集成工艺发展的必然方向,此举通过减小互连线串联电阻,可达到有效减少互连线RC延迟的目的。
Cu是目前采用最广泛的互连材料,它有Al所不能比拟的优良性质。在抗电迁移率、熔点、热功率等方面,Cu比其他金属有更好的综合特性。更重要的是Cu的电阻率仅为Al的60%(见表1),这样能有效地降低时延。
然而,Cu互连线的引入也带了许多新的问题。
首先,其带来了许多新的可靠性问题,原因有:(1)新技术的被迫引用。Cu互连工艺的发展道路并不平坦,光刻和污染的问题使得Cu互连的应用进展缓慢[5]。为了防止和解决Cu的污染和难以刻蚀的问题,Cu互连关键工艺中需要引入阻挡层、化学机械抛光(CMP)平坦化、专门的通孔技术与通孔材料,以及残余杂质的清洁等工艺。(2)Al(Cu)有稳定的界面,而铜却没有稳定的界面[6]。对Al(Cu)合金而言,颗粒边界的激活能为0.80~0.96 eV,与界面或内部相比是最小的,故Al(Cu)中,颗粒边界扩散占主导地位。同理,Cu中界面扩散占主导地位。(3)加工后不同的连线结构。Al连线工艺是平面工艺;而Cu互连工艺则是全新的3D微结构。
此外,Cu互连工艺还引人了新的失效机理,就是电化学失效机理,它可能导致Cu金属连线间的短路[7]。对于Cu互连工艺多层互连,信号的失真、连线间的信号串扰等也是尚待解决的问题。
对于Cu互连系统而言,Cu的可靠性只是一个重要方面,它还包括Low-k介质层、Cu与介质层的集成等可靠性问题。
不过,双大马士革工艺(Dual Dama scene)和CMP技术的出现使得Cu互连工艺得到了突破性的发展。
近年来,Yos Shacham-Diamand等人提出了银(Ag)互连技术[8]。在相互传输延迟的性能方面,采用Ag比Cu互连导电材料有7%的改进。以Ag为导线的器件可承受比Cu为导线器件更密集的电路排列,还可进一步减少所需金属层数目,以进一步减少生产成本。然而,Ag互连无论是在电迁移、应力迁移方面,还是在与其他材料的粘附性、集成兼容性等,都远远不及Cu互连[9]。因此Ag互连技术目前不具备大规模代替Cu互连技术的条件。
4 结语
Low-K介质与Cu互连技术的出现推动了对集成电路产业的发展。本文对Low-K介质与Cu连线的原理与应用现状进行了分析,得出今后IC产业中绝缘介质材料与互连引线材料的发展趋势:(1)具有介电常数低,热稳定性好,耐酸碱,易于图形化和腐蚀,机械强度大,可靠性高,击穿场强高,热导率高等特性的Low-K介质将会得到更加广泛的应用。(2)基于大马士革结构的互连技术及相关技术的改进与发展,使得Cu互连技术取代传统Al互连技术成为目前主导的互连技术。Ag互连技术由于技术尚未成熟暂时不能大规模取代Cu互连技术。
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篇5
关键词:电子科学与技术;课程建设;实践创新能力
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2017)25-0103-02
电子科学与技术作为信息技术发展的基石,伴随着计算机技术、数字技术、移动通信技术、多媒体技术和W络技术的出现得到了迅猛的发展,从初期的小规模集成电路(SSI)发展到今天的巨大规模集成电路(GSI),成为使人类社会进入了信息化时代的先导技术。电子科学与技术专业是国家重点扶植的学科,本专业作为信息领域的核心学科,培养国家急需的电子科学与技术专业高级人才。
在新的历史条件下,开展电子科学与技术专业课程建设的改革与实践研究是非常必要的,这对于培养出具有知识、能力、素质协调发展的微电子技术应用型创新创业人才具有重要的指导意义和战略意义。本文依据电子科学与技术专业本科生课程建设的实际情况,详细分析了本专业在课程建设过程中存在的问题,提出了关于电子科学与技术专业课程建设的几点改革方案,并进行了一定的探索性实践。
一、目前课程建设中存在的一些问题
1.在课程设置方面,与行业发展结合不紧密,缺乏专业特色和课程群的建设,课程之间缺少有效地衔接,难以满足当前人才培养的需求。本专业的课程设置应当以培养具有扎实的微电子技术领域理论基础和工程实践能力,能从事超大规模集成电路设计、半导体器件和集成电路工艺制造以及相关电子信息技术应用工作的高级工程技术人才和创新创业人才为培养目标来进行课程建设。
2.在创新实践教学方面,存在重理论教学和课堂教学,缺乏必要的实践环节,尤其是创新实践环节的教学,相关实践和实验教学手段和教学方法过于单一,仅在教师课堂教学讲授范例和实验过程的基础上,指导学生进行课程实验,学生按照课程实验手册上的具体步骤逐一进行操作,完成课程所要求的实验。单一的实验和实践教学方式难以提升学生的创新实践和动手能力,更难以实现对所学知识的实践和灵活运用,难以满足当前强调以实践为主,培养实践型创新人才的要求。
二、课程建设改革的目的与任务
结合集成电路行业未来的发展趋势以及电子科学与技术专业总体就业前景和对人才的需求结构。根据我国电子科学与技术产业的现状和发展需求,通过对电子科学与技术专业的课程建设进行改革,重点强调工程实训与创新实践,在课程教学中体现“激发兴趣、夯实基础、引导创新、全面培养”的教学方针。重新规划专业培养方案和课程设置,以集成电路工艺与设计为重点,设置课程群,构建新的科学的课程体系,突出特色,强化能力培养。
三、课程建设改革的具体内容
人才培养目标以厚基础、宽口径、重实践、偏工程为宗旨,培养具有扎实的微电子技术领域理论基础和工程实践能力,能从事超大规模集成电路设计、半导体器件和集成电路工艺制造以及相关电子信息技术应用工作的高级工程技术人才和创新创业人才。以大规模集成电路设计、制造和工艺、电子器件和半导体材料、光电子技术应用等方面为专业特色进行课程建设改革,具体的改革内容如下。
1.课程设置。首先,根据本专业人才培养目标要求按需设课,明确设课目的,并注意专业通识课、专业基础课、专业限选课和专业任选课之间的衔接与学时比例,加强集成电路设计与集成电路工艺方面的课程设置,突出微电子技术方向的特色,明确专业的发展目标和方向,将相关课程设置为课程群,通过相关课程的有效衔接,突出能力培养。其次,随着电子科学与技术的不断发展,注重本专业课程设置的不断更新和调整。
2.教学方式。首先,加强对青年教师的培养和训练,注重讲课、实验、考试及课下各个环节的相互结合,即课堂与课下相结合,讲课与实验相结合,平时与考试相结合。其次,讲课中注重讲解和启发相结合,板书和多媒体相结合;实验中注重方法和原理相结合,知识和能力相结合;考试中注重面上与重点相结合,概念与计算相结合,开卷与闭卷相结合,重点开展课程的网络化建设,将相关实验课程的教学录像上网,通过网络教学加强学生的实验实践能力培养和提高。第三,注重双语课程的开设与优秀经典教材的使用相结合,双语课程与国际该课程接轨。
四、结语
科学与技术专业课程建设应当围绕电子科学与技术专业应用型人才的培养和专业特色,通过制订适用集成电路人才培养目标的培养方案、课程设置、实验体系和教学计划,突出集成电路工艺与设计实践环节,进而有效地提高实验和实践教学质量,为培养具有实践创新能力的科技创新型人才奠定了基础。
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Reform and Exploration of Course Construction of Electronic Science and Technology
CHEN Li-ying
(School of Electronics and Information Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)
篇6
关键词:电子科学与技术;集成电路设计;平台建设;IC产业
中图分类号:G642 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2014)08-0270-03
国家教育部于2007年正式启动了高等学校本科教学质量与教学改革工程(简称“质量工程”),其建设的重要内容之一就是使高校培养的理工科学生具有较强的实践动手能力,更好地适应社会和市场的需求[1]。为此,我校作为全国独立学院理事单位于2007年6月通过了ISO2000:9001质量管理体系认证[2],同时确立了“质量立校、人才强校、文化兴校”三大核心战略,深入推进内涵式发展,全面提高人才培养质量。对于质量工程采取了多方面多角度的措施:加强教学改革项目工程;鼓励参加校内学生创新项目立项,(大学生创新基金项目);积极参加国家、省级等电子设计大赛;有针对性地对人才培养方案进行大幅度的调整,增大课程实验学时,实验学时占课程的比例从原来的15%提高到25%以上,并且对实验项目作了改进,提高综合性和设计性实验的比重;同时增加专业实践课程,强调学生的应用能力和创新能力;课程和毕业设计更注重选题来源,题目比以前具有更强的针对性,面向专业,面向本地就业市场。不仅如此,学院还建立了创业孵化中心、建立了实验中心等。通过这些有效的措施,努力提高学生的综合素质、创新和应用能力。除了学校对电子信息类专业整体进行统筹规划和建设外,各个二级学院都以“质量工程”建设为出发点和立足点,从专业工程的角度出发,努力探索各个专业新的发展思路和方向。由于集成电路设计是高校电子科学与技术、微电子学等相关专业的主要方向,因此与之相关的课程和平台建设成为该专业工程探索的重点。通过对当前国内外高校该专业方向培养方案分析,设置的课程主要强调模拟/数字电路方向,相应的课程体系为此服务,人才培养方案设置与之相对应的理论和实践教学体系;同时建立相应的实习、实践教学平台。由此,依据电子科学与技术专业的特点,结合本专业学生的层次和专业面向,同时依据本地的人才需求深度和广度,对以往的人才培养方案进行革新,建立面向中山IC产业的集成电路设计专业应用型的设计平台。另外,从课程体系出发,强化IC设计的模拟集成电路后端版图设计和验证,使学生在实践教学环节中得到实际的训练。通过这些改革既可有效地帮助学生迅速融入IC设计业,也为进入IC制造行业提高层次到新高度。
一、软件设计平台在集成电路设计业的重要性
自从1998年高等学校扩大招生以来,高校规模发展很快,在校大学生的人数比十五年前增长了10倍。高校的基础设施和设备的投入呈现不断增长的趋势,学校的办学条件不断改善,同时,各个高校对实验室的建设也在持续增大,然而在实验室建设的过程中,尽管投入的资金量在不断增大,但出现的现象是重视专业仪器和设备的投入,忽视专业设计软件的购置,这可能是由于长期以来形成的重有形实体、轻无形设计软件,然而这种意识给专业发展必将带来不利影响。对于IC专业来说,该专业主要面向集成电路的生产、测试和设计,其中集成电路设计业是最具活力、最有增长效率的一块,即使是在国际金融危机的2009年,中国的IC设计业不仅没有像半导体行业那样同比下降10%,反而逆势增长9.1%;在2010年,国际金融危机刚刚缓和,中国IC设计业的同比增速又快速攀升到45%;2011年全行业销售额为624.37亿元,2012年比2012年增长8.98%达到680.45亿元,集成电路行业不仅增长速度快,发展前景好,而且可以满足更多的高校学生就业和创业。为了满足IC设计行业的要求,必须建设该行业需求的集成电路软件设计平台。众所周知集成电路行业制造成本相对较高,这就要求设计人员在设计电路产品时尽量做到一次流片成功,而要实现这种目标需要建设电路设计验证的平台,即集成电路设计专业软件设计平台。通过软件平台可以实现:电路原理拓扑图的构建及参数仿真和优化、针对具体集成电路工艺尺寸生产线的版图设计和验证、对版图设计的实际性能进行仿真并与电路原理图仿真对照、提供给制造厂商具体的GDSII版图文件。软件平台实际上已经达到验证的目的,因此,对于集成电路设计专业的学生或工作人员来说,软件设计平台的建设特别重要,如果没有软件设计平台也就无法培养出真正的IC设计人才。因此,在培养具有专业特色的应用型人才的号召下,学院不断加大实验室建设[3],从电子科学与技术专业角度出发,建设IC软件设计平台,为本地区域发展和行业发展服务。
二、建设面向中山本地市场IC应用平台
近年来,学校从自身建设的实际情况出发,减少因实验经费紧张带来的困境,积极推动学院集成电路设计专业方向的人才培养。教学单位根据集成电路设计的模块特点确定合适的软件设计平台,原理拓扑图的前端电路仿真采用PSPICE软件工具,熟悉电路仿真优化过程;后端采用L-EDIT版图软件工具,应用实际生产厂家的双极或CMOS工艺线来设计电路的版图,并进行版图验证。这种处理方法虽然暂时性解决前端和后端电路及版图仿真的问题,但与真正的系统设计集成电路相对出入较大,不利于形成IC的系统设计能力。2010年12月国家集成电路设计深圳产业化基地中山园区成立,该园区对集成电路设计人才的要求变得非常迫切,客观上推进了学院对IC产业的人才培养力度,建立面向中山IC产业的专业应用型设计平台变得刻不容缓[4],同时,新的人才培养方案也应声出台,促进了具有一定深度的教学改革。
1.软件平台建设。从目前集成电路设计软件使用的广泛性和系统性来看,建设面向市场的应用平台,应该是学校所使用的与实际设计公司或其他单位的软件一致,使得所培养的IC设计人才能与将来的就业工作实现无缝对接,从而提高市场对所培养的集成电路设计人才的认可度,同时也可大大提高学生对专业设计的能力和信心[5]。遵循这个原则,选择Cadence软件作为建设平台设计软件,这不仅因为该公司是全球最大的电子设计技术、程序方案服务和设计服务供应商,EDA软件产品涵盖了电子设计的整个流程,包括系统级设计,功能验证,IC综合及布局布线,模拟、混合信号及射频IC设计,全定制集成电路设计,IC物理验证,PCB设计和硬件仿真建模,而且通过大学计划合作,可以大幅度的降低购置软件所需资金,从而从根本上解决学校实验室建设软件费用昂贵的问题。另外,从中山乃至珠三角其他城市的IC行业中,各个单位都普遍采用该系统设计软件,而且选用该软件更有利于刚刚起步的中山集成电路设计,也更加有利于该产业的标准化和专业化,乃至进一步的发展和壮大。
2.针对中山IC产业设计。定位于面向本地产业的IC应用型人才,就必须以中山IC产业为培养特色人才的出发点。中山目前有一批集成电路代工生产和设计的公司,主要有中山市奥泰普微电子有限公司、芯成微电子公司、深电微电子科技有限公司、木林森股份有限公司等,能进行IC设计、工艺制造和测试封装,主要生产功率半导体器件和IC、应用于家电等消费电子、节能照明等。日前奥泰普公司的0.35微米先进工艺生产线预计快速投产,该单位的发展对本地IC人才需求有极大的推动力,推动学生学习微电子专业的积极性,而这些也有力地支持本地IC企业的长远发展。因此,建立面向本地集成电路产业的软件设计平台,有利于专业人才的培养、准确定位,并形成了本地优势和特色。
3.教学实践改革。为了提高人才培养质量,形成专业特色,必须对人才培养方案进行修改。在人才培养方案中通过增加实践教学环节的比例,实验项目中除了原有验证性的实验外、还增加了综合性或设计性的实验,这种变化将有助于学生从被动实验学习到主动实验的综合和设计,提高学生对知识的灵活运用和动手能力,从而为培养应用型的人才打下良好的基础。除此之外,与集成电路代工企业及芯片应用公司建立合作关系。学生在学习期间到这些单位进行在岗实习和培训,可以将所学的专业理论知识应用于实际生产当中去,形成无缝对接;而从单位招聘人才角度上来说,可以节约人力资源培训成本,招到单位真正需要的岗位人才。因此,合作双方在找到相互需求的基础上,形成有效的合作机制。①课程改革。针对独立学院培养应用型人才的特点,除了培养方案上增加多元化教育课程之外,主要是强调实践教学的改革,增加综合实验课程,如:《现代电子技术综合设计》计32学时、《微电子学综合实验》计40学时、《EDA综合实验》为32学时、《集成电路设计实验》为40学时,其相应的课程学时数从以验证性实验为主的16个学时,增加到现在32学时以上的带有综合性或设计性实验的综合实践课程。这种变化不仅是实践教学环节的课时加大,而且是实验项目的改进,也是实践综合能力的增强,有利于学生形成专业应用能力。②与单位联合的IC设计基地。IC设计基地主要立足于两个方面:一是立足于本地IC企业或设计公司;二是立足于IC代工和集成电路设计应用。前者主要利用本地资源就近的优势,学生参观、实习都比较方便,同时也有利于学校与用人单位之间的良好沟通,提高双方的认可度和赞同感。如:中山市奥泰普微电子有限公司、木林森股份有限公司等。后者从生产角度和设计应用出发,带领学生到IC代工企业参观,初步了解集成电路的生产过程,企业的架构、规划和发展远景。也可根据公司的人才需要,选派部分学生到公司在岗实习[6]。如:深圳方正微电子有限公司、广州南科集成电子有限公司等。通过这些方式不仅可以增强学生对专业知识的应用能力,而且有利于学生对IC单位的深入了解,为本校专业应用型人才找到一种行之有效的就业之路。
三、集成电路设计平台的实效性
从2002年创办电子科学与技术专业以来,学校特别重视集成电路相关的实验室建设。从初期的晶体管器件和集成块性能测量,硅片的少子寿命、C-V特性、方阻等测量,发展到探针台的芯片级的性能测试,在此期间为了满足更多的学生实验、兴趣小组和毕业设计的要求,微电子实验室的已经过三次扩张和升级,其建设规模和实验水平得到了大幅度的提升。另外,为培养本科学生集成电路的设计能力,提高应用性能力,学校还建立了集成电路CAD实验室,以电路原理图仿真设计为重点,着重应用L-Edit版图软件工具,进行基本的集成电路版图设计及验证,对提升学生集成电路设计应用能力取得了一定的效果。目前,为了大力提高本科教学质量,提升办学水平,重点对实践课程和IC软件设计平台进行了改革。学校开设了专门实践训练课程,如:集成电路设计实验。从以前的16学时课内验证设计实验提升为32学时独立的集成电路设计实验实践课程,内容从以验证为主的实验转变为以设计和综合为主的实验,整体应用设计水平进行了大幅度的提升,有利于培养学生的应用和动手能力。不仅如此,对集成电路的设计软件也进行了升级,从最初的用Pspice和Hspice软件进行电路图仿真,L-Edit软件工具的后端版图设计,升级为应用系统的专业软件平台设计工具Cadence进行前后端的设计仿真验证等,并采用开放实验室模式,使得学生的系统设计能力得到一定程度的提升,提高了系统认识和项目设计能力。通过IC系统设计软件平台的建设和实践教学课程改革,使得学生对电子科学与技术专业的性质和内容了解更加全面,对专业知识学习的深度和广度也得到进一步提高,从而增强了专业学习的兴趣,提高了自信心。此外,其他专业的学生也开始转到本专业,从事集成电路设计学习,并对集成电路流片产生浓厚的兴趣。除此之外,学生利用自己在外实践实习的机会给学校引进研究性的开发项目,这些都为本专业的发展形成很好的良性循环。在IC设计平台的影响下,本专业继续报考硕士研究生的学生特别多,约占学生比例的45%左右。经过这几年的努力,2003、2004、2005、2006级都有学生在硕士毕业后分别被保送或考上电子科技大学、华南理工大学、复旦大学、香港城市大学的博士。从这些学生的反馈意见了解到,他们对学校在IC设计平台建设评价很高,对他们进一步深造起到了很好的帮助作用。不仅如此,已经毕业在本行业工作的学生也对IC设计平台有很好的评价:通过该软件设计平台不仅熟悉了集成电路设计的工艺库、集成电路工艺流程和相应的工艺参数,而且也熟悉版图的设计,这对于从事IC代工工作起到很好的帮助作用。现在已经有多届毕业的学生在深圳方正微电子公司、中山奥泰普微电子有限公司工作。另外,还有许多学生从事集成电路应用设计工作,主要分布于中山LED照明产业等。
通过IC软件设计平台建设,配合以实践教学改革,使得学生所学理论知识和实际能力直接与市场实现无缝对接,培养了学生的创新意识和实践动手能力,增强了学生的自信心。另外,利用与企业合作的生产实习,可以使得学生得到更好的工作锻炼,为将来的工作打下良好的基础。实践证明,建设面向中山IC产业的集成电路设计实践教学平台,寻求高校与公司更紧密的新的合作模式,符合我校人才培养发展模式方向,对IC设计专业教学改革,培养满足本地区乃至整个社会的高素质应用型人才,具有特别重要的作用。
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篇7
关键词:工程需求;集成电路设计;实践;验证
中图分类号:G647 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2013)44-0089-02
集成电路设计是学科交叉特性显著的一个学科,且其发展日新月异,技术更新非常快,而其主要的更新点体现在工艺水平、设计思想和设计手段上。例如,在设计SOC等大规模集成电路时,设计者首先要全方位地把握系统的主体框架,另外还要注重各个环节中的细节,有效利用EDA软件来精确地实现设计并验证其正确性。目前大多数高校开设的集成电路设计课程融入了多媒体教学,但多媒体教学多局限于PPT课件教学,虽然在教学内容上与过去的板书教学相比得到了很大的扩充,但从教学体系上说对于工程化设计流程的介绍缺乏连贯性、完整性,各个知识点的介绍相对来说较为孤立,学生对所学知识的理解无法融会贯通,对工程化设计的理解停留在概念的层面上。目前课程安排中普遍采用理论教学为主,存在实践环节过少、实践环节不成完备体系等问题。学生工程实践能力不能得到有效提升,用人单位需要花大量的时间和人力对应届学生进行培训;学生容易产生挫折情绪,不能快速适应岗位需求。本教改通过对目前国内急需集成电路设计人才的现状的思考,对集成电路设计课程的教学进行改革,实施以工程需求为导向,以工程界典型数字集成电路设计和验证流程为主线的闭环式教学。在国家急需系统级集成电路设计实用型工程人才的指导思想下,在工科院校要培养能为社会所用工程人才的办学宗旨下,以开发学生潜力、提高学生自主学习积极性为目的,结合用人单位的用人需求,我院集成电路设计课程尝试闭环教育,即课程的章节设置参照工程界数字集成电路系统的典型设计流程,知识内容涵盖从设计到流片生产甚至测试的每一个环节,而每一个重要环节都有工程实验与之相对应,形成完备的闭环知识体系。本教改项目闭环教育可分为理论教育环节和实验教育环节。
一、理论教育环节
闭环教育中的理论教育以工程界大型数字集成电路设计的典型流程为教学切入点,然后以该流程为主线介绍各个阶段涉及的理论知识和可供使用的EDA软件,每次进入下一设计阶段的讲解前,都会重新链接至流程图,见图1所示。反复出现的设计流程图,一方面可以加深学生对设计流程的印象;另一方面针对当前内容在流程中出现的位置,突出当前设计阶段与系统设计的整体关联,加强学生对各个设计阶段的设计目的、设计方法、EDA软件中参数设定偏重点的理解。这种教育方法区别于传统的单纯的由点及面的教育方法,避免出现只见树木不见森林的情况,能够在注重细节的同时加强整体观念。
二、实践教育环节
实践教育环节主要是指与理论教育相配套结合的系列实验。针对每个设计阶段都安排相应的较为全面的实验,与该阶段的理论知识形成闭环。而且,所有的实验基本可按照从系统设计开始到流片、测试的完整设计流程串接起来。
图1 大型数字集成电路设计的典型流程
实验指导书撰写了前端设计内容,在数字集成电路系统初期的系统分析、功能模块划分、具体硬件语言描述编译阶段,加入以硬件语言描述、编译、仿真为偏重的上机实验,目的是学习良好的系统全局观,掌握过硬的代码编写能力,并将设计下载至FPGA中作为初步的硬件设计验证手段;撰写了后端设计内容,采用Cadence公司的自动布局布线器SE进行布局布线,介绍面向数字化集成电路的标准化单元概念及其相关工艺库文件的作用,着重讲授从网表到版图的转化过程以及需要注意的问题,如电源网络的合理布局、时钟网络的时序匹配及平衡扇出等方面的考虑。利用版图编辑器Virtuoso Layout进行版图验证,介绍标准单元版图与定制版图的区别、版图设计与工艺制程的关系,重点在于使学生在对版图建立感性认识的同时对IP保护有更深层次的理解。Verilog仿真器进行版图后仿真实验,强调版图寄生参数对系统功能、时序的影响,后仿真时序文件反标的含义;明确后仿真对于保证设计正确性的意义;培养认真负责的验证思想。
实践教育环节大致分为前端设计阶段、后端设计阶段、测试阶段。
1.前端设计阶段。在数字集成电路系统初期的系统分析、功能模块划分、具体硬件语言描述编译阶段,加入以硬件语言描述、编译、仿真为偏重的上机实验,目的是学习良好的系统全局观,掌握过硬的代码编写能力,并将设计下载至FPGA中作为初步的硬件设计验证手段。
2.后端设计阶段。针对数字集成电路的特点,安排面向MPW流片的实验,介绍将电路转化为高可靠性版图的主要步骤。该实验分三个阶段:①采用Cadence公司的自动布局布线器SE进行布局布线,介绍面向数字化集成电路的标准化单元概念及其相关工艺库文件的作用,着重讲授从网表到版图的转化过程以及需要注意的问题,如电源网络的合理布局、时钟网络的时序匹配及平衡扇出等方面的考虑;②版图编辑器Virtuoso Layout进行版图验证,介绍标准单元版图与定制版图的区别、版图设计与工艺制程的关系,重点在于使学生在对版图建立感性认识的同时对IP保护有更深层次的理解;③Verilog仿真器进行版图后仿真实验,强调版图寄生参数对系统功能和时序的影响、后仿真时序文件反标的含义,明确后仿真对于保证设计正确性的意义,培养认真负责的验证思想。
篇8
关键词:微电子工艺,整合教学,生产实习
The combination of Microelectronics processing course/experiment/production practice
Wang Wei, Tian Li, Fu Qiang
Harbin Institute of Technology, Harbin, 150001, China
Abstract: This paper presents a new teaching mode for the course “Microelectronics processing”. According to the character of this course, the teaching mode, the content, the teaching materials and teaching method were adjusted. The teaching modes were improved by the combination of practice and theory. With this new teaching mode, the Microelectronics processing course/experiment/production practices were offered for the undergraduates. The preliminary results indicated that the students and other leading teachers under the same course group held the positive attitudes towards this new teaching mode. The teaching evaluation result is “A+”.
Key words: Microelectronics processing; improved teaching mode; production practice
20世纪80年代初,J. M. 德克特勒首次提出了“最终的整合目标”这一概念,它成为整合学业理论的基础[1]。最初,这一理论被应用在欧洲大学为适应教学大纲的学业整合方面。整合教学实际上是一种以能力为导向的教学方法[2],它力图通过整合来发展学生的能力,使学生能在某一情境中调动所学知识、技能,以及其他资源来完成目标。近年来,整合教学受到普遍关注,整合教学法已被应用于各层次的教学实践,在国内高校中也开始出现应用整合教学法进行专业课教学的报道[3,4]。
“微电子工艺”“微电子系列实验”“生产实习”是微电子课程群中教学内容相近,教学形式不同的3门专业课程,我校对其进行了整合教学研究,提出了新的教学模式,编写了涵盖这3种形式教学内容的教材,设计了教学方案,并进行了初步实施及评价。
1 微电子工艺课程分析
1.1 原课程安排
“微电子工艺”是当前高校电子类本科专业的核心课程,其教学目的是使学生掌握硅集成电路芯片制造工艺的基本原理和方法,了解微电子产品制造关键技术及其发展方向。而“微电子系列实验”和“生产实习”是与“微电子工艺”课程内容关联性很强的实践教学环节。“微电子系列实验”是独立设置的实验课程,其教学目的是使学生掌握硅芯片关键工艺的实验、检测技术和常用仪器的使用方法。“生产实习”则是通过组织学生到现代化企业参观学习,在工艺线上直接参与生产实践[5],使之了解微电子产品的生产过程,行业发展动态,从而提高他们解决问题的能力及综合素质。本质上,这3门课程是教学形式不同,但教学内容相近的一个课程模块。在当前的教学大纲中,这3门课程都是独立开设的,通常在大三上学期分别开出40学时的工艺课、20学时的系列实验和4周的生产实习。因此,“微电子工艺”课堂教学和实践教学结合的较为松散,总学时数也偏多。
1.2 教学现状分析
“微电子工艺”具有涉及知识面宽,综合性强,理论与实践结合紧密的特点。若只采取课堂教学,对毫无实践经验的学生而言,课程涉及的技术性内容繁杂,知识点多且分散,全面理解学习内容的难度大。在为2009级学生开出本课程之后进行了问卷调查。其中“对工艺课知识的理解程度”这一问题,在58张答卷中只有1人选择“能全部理解”,约60%的学生选择“大部分理解”(如图1所示)。
在对微电子课程群中其他相关,如“微电子器件原理”“集成电路设计”等课程主讲教师进行的调研中,普遍认为若将各自独立开设的“微电子工艺”“微电子系列实验”和“生产实习”作为一个课程模块进行整合教学,穿插授课,更有利于学生学习。
2 课程整合研究
2.1 课程整合
首先在培养计划上将“微电子工艺”“微电子系列实验”和“生产实习”整合为课堂/实验/实习一个微电子工艺课程模块,该课程模块的教学目标为:培养熟知国内外先进微电子关键工艺,并具有一定工艺设计、分析,以及解决实际工艺问题能力的人才。
通过对原课程内容分析,将微电子工艺课程模块中3部分内容都进行了优化(如图2所示)。该课程模块由一个课程组在大三上学期连续穿插教学,以避免教学内容的重复。因此,可以在不压缩教学内容、不降低教学效果的前提下,将授课学时数定为:讲课40学时/实验16学时/生产实习3周,与原课时数相比有了较大缩减。
课程组在原微电子工艺课程讲义基础上,结合微电子工艺学发展现状,编写了涵盖3种教学形式、内容的教材:《集成电路制造技术—原理与工艺》。该教材已于2010年9月由电子工业出版社出版,并基于此教材制作了多媒体课件。
2.2教学模式的整合
课程组设计了微电子工艺课程模块的整合教学模式(如图3所示)。整个教学过程是师生共同参与的、动态的、双向的信息传播过程。
课堂教学采取讲课为主,自学讨论为辅的形式,课后穿插参观微电子生产线等实践教学环节。教师讲授教材各单元、章节中的重点、难点,课堂上设置问答等少量的“教”“学”互动形式。其他内容采取:教师首先提出问题,再组织学生在课堂上自学,然后展开讨论,最后进行归纳总结。这既调动了学生的学习积极性,又能提高学习效率。为避免出现只有部分学习积极性高的学生参与课堂讨论的现象,教师随机抽取学生回答问题,并作为平时成绩记录。在课堂学习阶段,组织学生参观微电子生产工艺线,让他们在实际生产情景中理解课堂讲授的相关内容。
课堂教学之后进入实验和晶体管制作实践教学阶段。实验项目是针对关键工艺参数进行测试,以及有关芯片性能测量设置的实验,因此将其穿插在晶体管芯片制作过程中进行。
3 整合教学的初步实施及评价
受原教学计划限制,在2011年秋季学期末,主要开出了整合后的微电子工艺课程模块课堂教学部分,其他内容在2012年春季学期初开出。
3.1 对教材的评价
采用新编的《集成电路制造技术—原理与工艺》教材和多媒体课件进行了课堂教学。课程结束后进行的问卷调查表明,学生对新编教材和课件的满意度较高(如图4所示)。
另外,从电子工业出版社的统计结果来看,尽管该教材是受众面很小的专业课教材,但自2010年9月出版至今,已售出4 000余册,被国内数十家高校选作微电子工艺或集成电路工艺基础等课程的教材使用。由此可以说该教材得到了同行的普遍认可。
3.2 课堂教学方法及评价
在以整合教学模式进行的“微电子工艺”课堂教学实践中,每次课的前几分钟都进行了提问,以便督促学生在课后复习,并引出本次课教学内容;课堂上讲授了基本单项工艺的原理、模型、物理基础,以及基本方法等重要内容;而对于大量工艺技术与设备等内容,先提出问题,再组织学生自学后讨论,最后进行归纳总结;对学生回答问题和讨论发言都作为平时成绩进行记录。在课堂教学期间,组织学生参观了哈工大微电子平面工艺线,以利于他们对基本工艺方法与设备等内容的理解。
从课程结束后所作的问卷调查可知,学生喜欢的教学方式与实际所采用的授课方式大体一致(如图5所示)。学生对本课程的评教结果为“A+”。而且,微电子课程群后续课程主讲教师也反映:这届学生的微电子工艺基础知识较扎实。
3.3 实践教学及评价
微电子工艺的实验和实习是在我校微电子实验室进行的。首先开设了“高纯水制备”“微电子清洗”两个讲座;然后学生自制了晶体管,进行了工艺实验;最后,组织学生参观了哈尔滨晶体管有限公司的器件生产工艺线。
在图2中,把晶体管制作划分为了6个关键工序。因此,学生自制晶体管也分为6个组,要求每个组负责一个关键工序:确定工艺条件、进行工艺操作、解决出现的问题、记录工艺现象、条件、参数等。这样尽管学生人数较多(全系64人),也能保证每名学生都参与到自制晶体管和相关的生产管理过程中来。另外,鼓励学生在完成自己组工作之外参与其他组的工作。在整个实践教学过程中学生积极性很高,充分发挥出各自的综合能力。
从学生递交的总结报告来看,这次微电子工艺实践教学效果很好,学生们普遍认为:提高了动手能力,学会了分析、解决问题的方法,更重要的是培养了团队意识和团队合作能力。对今后的学习与工作都有较大帮助。
4 结束语
我校对“微电子工艺”“微电子系列实验”和“生产实习”这3门教学形式不同,内容相近课程进行的教学整合研究表明:在专业课程教学改革中,将课堂教学和实践教学整合为一个专业课程模块,建立统一的课程体系,编写涵盖理论与实践2方面内容的教材,由一个课程组进行连续穿插授课,这种整合教学模式是可行的,教学效果良好,同时又减少了授课学时数。
参考文献
[1] 张瑞,姚凌江,吴向文.运用混合式立体化教学模式培养应用型创新人才[J].现代教育技术,2010,20(1):77-81
[2] 汪凌.整合教学法:为了学生素质的发展[J].全球教育展望,2007,36(10):3-7.
[3] 张园.整合教学法在模拟电子技术教学中的应用[J].科教文汇.2011.10(下):58-59.
[4] 桂峰,孙静亚,梁娟.“环境监测”课程理论与实验教学整合初步研究[J].科教文汇,2010,12(下):54,65.
篇9
【关键词】数模转换器 零点误差 满刻度误差 积分非线性误差 微分非线性误差 电源电压抑制比
1 概述
TLC5615是一款电压输出型的10位数模转换器,带有高阻态缓冲参考输入端,输出电压是参考电压的两倍,单电源5V条件下工作,数字控制部分是由3线的串行总线组成,CMOS兼容端口很容易与标准的微处理器、微控制器配套使用。TLC5615接收16位数据字,产生模拟输出信号。数字输入端带有施密特触发器可防止噪声干扰。数字通信协议包括SPITM、QSPITM、MicrowireTM标准。TLC5615内部包括一个16位移位寄存器,上电复位模块,10位DAC寄存器,数字控制逻辑模块和跟踪获取模块等几部分。主要完成将16位串行数字数据转换为模拟信号,参考电压为2.048V,电压输出模拟信号是参考电压的2倍4.096V。
2 测试技术
半导体集成电路的测试是集成电路研制、生产过程中不可或缺的重要环节,通过对器件功能及静态参数、动态参数的测试,可以筛选出功能、性能不满足要求的器件,以保证产品质量。在电路的研制过程中通过对器件的测试,可以验证设计版图的正确性,找出存在的问题,并为设计更改提供依据,也为工艺开发提供指导性意见。本电路属于数模转换电路,测试难度大,测试方法复杂,主要包括功能测试、静态参数测试、动态参数测试,而静态参数的测试是数模转换电路测试的关键。目前国内、国际上一些大型ATE测试设备均能实现数模转换器电路的测试。下面以Teradyne公司的J750测试系统为平台介绍一下TLC5615型数模转换电路的测试。
2.1 功能测试
功能测试是首先根据电路的工作原理编制系统可识别的二进制的功能测试码点,然后根据电路工作时序,通过J750测试系统对功能测试码点进行时序调制,再应用J750测试系统上任意波形发生器模块产生斜波信号施加到电路数据输入端,通过电源模块给电路电源施加电压,通过电压电流单元模块给其它输入端施加输入信号,捕捉输出的模拟信号,通过比较器与期望的模拟信号进行比较,从而判定器件工作是否正常,实现器件的功能测试。工作时序如图1所示。
2.2 静态参数测试
本电路的静态参数主要包括INL积分非线性误差,DNL微分非线性误差,EZS零点误差、EG增益误差和PSSR电源电压抑制比。
2.2.1 获得斜波曲线
首先是给DAC数字输入端施加一个低频率的“斜波台阶”信号,即从全0码到全1码,重复施加一定次数(比如8次,16次等)的某个输入数码后,再重复施加相同次数的下一个输入数码,最终形成一个比较均匀“宽度”的台阶数据信号;然后设置高精度数字化仪表的采样速率与DAC转换速率相等,运行向量,使数字化仪表采集DAC每一个输入数码对应的模拟输出值,最后将数字化仪表存储的数字量按比例因子转换成实际的电压值,得到的应该是“斜波台阶”电压数据,去除每个“台阶”两端跳跃的、不稳定的电压值,将每个“台阶”中间的电压值进行平均,最终得到一条测试转换曲线,如图2所示,并由此计算出DAC的静态参数值。
2.2.3 PSSR电源电压抑制比的计算
PSSR电源电压抑制比的计算是通过测试电源电压在4.5V和5.5V时的零点误差和满刻度误差计算出来的。即:
PSSRZS(零点)=EZS(VDD=5.5V)-EZS(VDD=4.5V)
PSSRFS(满刻度点)=EG(VDD=5.5V)-EG(VDD=4.5V)
2.3 动态参数测试
动态参数主要包括信噪失真比和跟时序有关的交流的参数。
信噪失真比是指基波分量与噪声及谐波分量总和的比值。该参数的测试是在输入满刻度码的情况下,在参考输入端施加1VPP+2.048DC幅值、1KHz频率的正弦波信号,对模拟输出的正弦波通过傅里叶变换,计算出信噪失真比。其他交直流参数的测试与数字电路测试原理和方法一致,这里不再赘述。
3 结束语
较详细的介绍了一款电压型10位数模转换器电路在J750测试系统上的测试,重点研究了几种静态参数的测试和计算方法,为测试系统上数模转换器电路的测试提供了参考方法。
参考文献
[1]National Semiconductor Corporation All rights reserved,Nicholas “Nick” Gray,2004.
[2]Datasheet,Texas Instruments Incorporated,2000.
作者简介
于祥苓(1976-) ,女,辽宁省葫芦岛市人,蒙古族。大学本科学历。现为中国电子科技集团公司第四十七研究所高级工程师。主要从事集成电路测试技术研究。
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关键词: 集成电路测试; 自动测试设备; 测试向量; 向量生成
中图分类号: TN964?34 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2014)06?0122?03
Analysis of IC test principle and vector generation method
集成电路测试(IC测试)主要的目的是将合格的芯片与不合格的芯片区分开,保证产品的质量与可靠性。随着集成电路的飞速发展,其规模越来越大,对电路的质量与可靠性要求进一步提高,集成电路的测试方法也变得越来越困难。因此,研究和发展IC测试,有着重要的意义。而测试向量作为IC测试中的重要部分,研究其生成方法也日渐重要。
1 IC测试
1.1 IC测试原理
IC测试是指依据被测器件(DUT)特点和功能,给DUT提供测试激励(X),通过测量DUT输出响应(Y)与期望输出做比较,从而判断DUT是否符合格。图1所示为IC测试的基本原理模型。
根据器件类型,IC测试可以分为数字电路测试、模拟电路测试和混合电路测试。数字电路测试是IC测试的基础,除少数纯模拟IC如运算放大器、电压比较器、模拟开关等之外,现代电子系统中使用的大部分IC都包含有数字信号。
数字IC测试一般有直流测试、交流测试和功能测试。
1.2 功能测试
功能测试用于验证IC是否能完成设计所预期的工作或功能。功能测试是数字电路测试的根本,它模拟IC的实际工作状态,输入一系列有序或随机组合的测试图形,以电路规定的速率作用于被测器件,再在电路输出端检测输出信号是否与预期图形数据相符,以此判别电路功能是否正常。其关注的重点是图形产生的速率、边沿定时控制、输入/输出控制及屏蔽选择等[1]。
功能测试分静态功能测试和动态功能测试。静态功能测试一般是按真值表的方法,发现固定型(Stuck?at)故障[2]。动态功能测试则以接近电路工作频率的速度进行测试,其目的是在接近或高于器件实际工作频率的情况下,验证器件的功能和性能。
功能测试一般在ATE(Automatic Test Equipment)上进行,ATE测试可以根据器件在设计阶段的模拟仿真波形,提供具有复杂时序的测试激励,并对器件的输出进行实时的采样、比较和判断。
1.3 交流参数测试
交流(AC)参数测试是以时间为单位验证与时间相关的参数,实际上是对电路工作时的时间关系进行测量,测量诸如工作频率、输入信号输出信号随时间的变化关系等。常见的测量参数有上升和下降时间、传输延迟、建立和保持时间以及存储时间等。交流参数最关注的是最大测试速率和重复性能,然后为准确度。
1.4 直流参数测试
直流测试是基于欧姆定律的,用来确定器件参数的稳态测试方法。它是以电压或电流的形式验证电气参数。直流参数测试包括:接触测试、漏电流测试、转换电平测试、输出电平测试、电源消耗测试等。
直流测试常用的测试方法有加压测流(FVMI)和加流测压(FIMV)[3],测试时主要考虑测试准确度和测试效率。通过直流测试可以判明电路的质量。如通过接触测试判别IC引脚的开路/短路情况、通过漏电测试可以从某方面反映电路的工艺质量、通过转换电平测试验证电路的驱动能力和抗噪声能力。
直流测试是IC测试的基础,是检测电路性能和可靠性的基本判别手段。
1.5 ATE测试平台
ATE(Automatic Test Equipment)是自动测试设备,它是一个集成电路测试系统,用来进行IC测试。一般包括计算机和软件系统、系统总线控制系统、图形存储器、图形控制器、定时发生器、精密测量单元(PMU)、可编程电源和测试台等。
系统控制总线提供测试系统与计算机接口卡的连接。图形控制器用来控制测试图形的顺序流向,是数字测试系统的CPU。它可以提供DUT所需电源、图形、周期和时序、驱动电平等信息。
2 测试向量及其生成
测试向量(Test Vector)的一个基本定义是:测试向量是每个时钟周期应用于器件管脚的用于测试或者操作的逻辑1和逻辑0数据。这一定义听起来似乎很简单,但在真实应用中则复杂得多。因为逻辑1和逻辑0是由带定时特性和电平特性的波形代表的,与波形形状、脉冲宽度、脉冲边缘或斜率以及上升沿和下降沿的位置都有关系。
2.1 ATE测试向量
在ATE语言中,其测试向量包含了输入激励和预期存储响应,通过把两者结合形成ATE的测试图形。这些图形在ATE中是通过系统时钟上升和下降沿、器件管脚对建立时间和保持时间的要求和一定的格式化方式来表示的。格式化方式一般有RZ(归零)、RO(归1)、NRZ(非归零)和NRZI(非归零反)等[4]。
图2为RZ和R1格式化波形,图3为NRZ和NRZI格式化波形。
RZ数据格式,在系统时钟的起始时间T0,RZ测试波形保持为“0”,如果在该时钟周期图形存储器输出图形数据为“1”,则在该周期的时钟周期期间,RZ测试波形由“0”变换到“1”,时钟结束时,RZ测试波形回到“0”。若该时钟周期图形存储器输出图形数据为“0”,则RZ测试波形一直保持为“0”,在时钟信号周期内不再发生变化。归“1”格式(R1)与RZ相反。
非归“0”(NRZ)数据格式,在系统时钟起始时间T0,NRZ测试波形保持T0前的波形,根据本时钟周期图形文件存储的图形数据在时钟的信号沿变化。即若图形文件存储数据为“1”,那么在相应时钟边沿,波形则变化为“1”。NRZI波形是NRZ波形的反相。
在ATE中,通过测试程序对时钟周期、时钟前沿、时钟后沿和采样时间的定义,结合图形文件中存储的数据,形成实际测试时所需的测试向量。
ATE测试向量与EDA设计仿真向量不同,而且不同的ATE,其向量格式也不尽相同。以JC?3165型ATE为例,其向量格式如图4所示。
ATE向量信息以一定格式的文件保存,JC?3165向量文件为 *.MDC文件。在ATE测试中,需将*.MDC文件通过图形文件编译器,编译成测试程序可识别的*.MPD文件。在测试程序中,通过装载图形命令装载到程序中。
图4 ATE测试向量格式
2.2 ATE测试向量的生成
对简单的集成电路,如门电路,其ATE测试向量一般可以按照ATE向量格式手工完成。而对于一些集成度高,功能复杂的IC,其向量数据庞大,一般不可能依据其逻辑关系直接写出所需测试向量,因此,有必要探寻一种方便可行的方法,完成ATE向量的生成。
在IC设计制造产业中,设计、验证和仿真是不可分离的。其ATE测试向量生成的一种方法是,从基于EDA工具的仿真向量(包含输入信号和期望的输出),经过优化和转换,形成ATE格式的测试向量。
依此,可以建立一种向量生成方法。利用EDA工具建立器件模型,通过建立一个Test bench仿真验证平台,对其提供测试激励,进行仿真,验证仿真结果,将输入激励和输出响应存储,按照ATE向量格式,生成ATE向量文件。其原理如图5所示。
2.3 测试平台的建立
(1) DUT模型的建立
① 164245模型:在Modelsim工具下用Verilog HDL语言[5],建立164245模型。164245是一个双8位双向电平转换器,有4个输入控制端:1DIR,1OE,2DIR,2OE;4组8位双向端口:② 缓冲器模型:建立一个8位缓冲器模型,用来做Test bench与164245之间的数据缓冲,通过在Test bench总调用缓冲器模块,解决Test bench与164245模型之间的数据输入问题。
(2) Test bench的建立
依据器件功能,建立Test bench平台,用来输入仿真向量。
通过Test bench 提供测试激励,经过缓冲区接口送入DUT,观察DUT输出响应,如果满足器件功能要求,则存储数据,经过处理按照ATE图形文件格式产生*.MDC文件;若输出响应有误,则返回Test bench 和DUT模型进行修正。其原理框图可表示如图6所示。
(3) 仿真和验证
通过Test bench 给予相应的测试激励进行仿真,得到预期的结果,实现了器件功能仿真,并获得了测试图形。图7和图8为部分仿真结果。
在JC?3165的*.MDC图形文件中,对输入引脚,用“1”和“0”表示高低电平;对输出引脚,用“H”和“L”表示高低电平;“X”则表示不关心状态。由于在仿真时,输出也是“0”和“1”,因此在验证结果正确后,对输出结果进行了处理,分别将“0”和“1”转换为“L”和“H”,然后放到存储其中,最后生成*.MDC图形文件。
3 结 论
本文在Modelsim环境下,通过Verilog HDL语言建立一个器件模型,搭建一个验证仿真平台,对164245进行了仿真,验证了164245的功能,同时得到了ATE所需的图形文件,实现了预期所要完成的任务。
随着集成电路的发展,芯片设计水平的不断提高,功能越来越复杂,测试图形文件也将相当复杂且巨大,编写出全面、有效,且基本覆盖芯片大多数功能的测试图形文件逐渐成为一种挑战,在ATE上实现测试图形自动生成已不可能。因此,有必要寻找一种能在EDA工具和ATE测试平台之间的一种灵活通讯的方法。
目前常用的一种方法是,通过提取EDA工具产生的VCD仿真文件中的信息,转换为ATE测试平台所需的测试图形文件[6],这需要对VCD文件有一定的了解,也是进一步的工作。
参考文献
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[2] 时万春.现代集成电路测试技术[M].北京:化学工业出版社,2006.
[3] 谭永良,伍广钟,崔华醒,等.自动测试设备加流测压及加压测流的设计[J]电子技术,2011(1):68?69.
[4] 北京集成泰思特测试技术有限公司.JC?3165测试系统使用手册[M].北京:北京集成泰思特测试技术有限公司,2009.
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