微纳米加工工艺数据库的设计研究

张 楠，王敏锐

（1.苏州大学，苏州 215123；2.中科院苏州纳米所，苏州 215125）

0 引言

在开展973课题“基于纳米结构的宽光谱高效太阳能电池关键科学问题研究”、“低维等离子体系统的量子调制及应用研究”和江苏省重大成果转化项目“第三代半导体产业发展关键材料-氮化稼（GaN）晶片开发及产业化”过程中涉及大量的微纳米结构和器件的加工工艺研究，这些项目的工艺研究之间存在大量的共有工艺技术。然而，由于没有统一的加工工艺数据管理系统，大量数据存储分散，并且信息不完整。各课题组之间存在信息交流不畅的现象，致使经常出现已有的通用加工工艺进行没必要的重复研究开发的工作，而加工工艺研究往往是项目研究中最费时费力和花费最大环节，造成研究时间和研究经费的极大浪费，降低研究效率。另外，还存在实验结果和原始数据无法对应，每一组重要的实验数据，都可能分析得到或验证一些现象和成果。但是随着时间的推移，后来人很难从某个实验文件中，看出其中得到了什么样的结论。对管理者而言，不能从全局和总体上把握各个小组或实验的进度，只能通过汇报，开会才能进行交流。纸质实验记录已很难满足当前科研的发展为此，极需建设一个好的微纳米加工工艺数据库系统，在上述背景下，本系统采用当今Web开发的先进技术，形成直观的数据库管理功能，研究设计一套应用性强的微纳米加工工艺数据库管理系统。

1 系统建设目标

系统建设统一的微纳结构和器件的加工工艺专题数据库，包括原始数据存储数据库、数据整合集成数据库、运行状态数据库、典型问题数据库、异常信息数据库等，实现对微纳米器件加工工艺原始数据的有效收集、整理和提炼形成一批共有加工技术工艺，方便加工工艺数据的关联查询，方便项目相关人员汇总总结实验结果，安排开展进一步的研究工作；实现加工工艺共享，避免各课题间共性工艺的重复开发；积累足够的微纳加工工艺原始数据和共性工艺技术，依据这些积累，开发工艺模拟模型和图形化应用环境，并实现器件设计模拟和工艺模拟之间相互关联，为开展微纳结构与器件的研究提供加工工艺参考和工艺模拟，减少费时费钱的通用微纳加工工艺的重复研究，加快研究进程，达到降低研究成本和提高研究效率的作用。

2 系统的设计

2.1 建设原则及建设思路

2.1.1 数据互利共享原则

一方面，加工工艺是各科研人员在长期的研发过程中投入大量精力和费用获得的成果，只有依据“谁参与建设谁受益”的数据互利共享原则，数据库的原始数据采集才能尽量精确完整；另一方面，加工工艺数据库建设是一个需要长期资金投入的工作，如果不能最终走向产业化，数据库建设将无法持续进行，只有采取数据互利共享原则才能保证数据库的持续建设。

2.1.2 专业通用性原则

微纳加工工艺数据库主要针对微纳米结构和器件的制备研究领域，加工工艺作为微纳米技术研究的核心部分之一，对微纳米技术的研究进程具有重要影响。由于不同的微纳结构和器件才有不同的加工路线，这决定了微纳加工工艺具有很强的专业性特性，但是在这些工艺经过整理集成可以形成更进一步的共性加工工艺，方便后来研究者的微纳结构和工艺的研究开发，这又决定了微纳加工工艺数据库具有通用性。

2.1.3 以数据为中心、关联同步的原则

在开展微纳米技术研究中，微纳结构和微纳器件的制备过程是多变的，但是制备过程中的单步工艺往往是相对稳定的。为此，工艺数据库的建立要遵循以单步工艺数据为中心的原则，对各种信息的数据进行整合和集约化处理，建立同步动态关联模型，实现有效的工艺数据管理，提炼和抽象出相对稳定的共性工艺模型。

2.1.4 标准先行原则

标准化是打破数据信息技术壁垒和数据隔阂的基本前提。只有在数据库的网络建设、系统集成、信息采集等方面充分考虑标准化才能更好的实现工艺数据库在中科院研究所间的集成共享。

2.1.5 讲求实效、安全保密原则

工艺数据库建设首先要从实际出发，服务于目前开展的973重大研究计划的研究工作，提供研究效率和降低研究成本。同时要制定、执行严格的安全保密措施，防止网络攻击、突发性数据灾难、病毒侵害、数据泄密等。

2.2 系统体系架构设计

系统采用三层体系架构，分为表示层、业务层和数据层。用JSP,Servlet,EJB和数据库技术实现，有效地帮助专题数据库的管理和对外开放的功能。业其中，业务层是本系统的核心部分：主要包括科研信息管理业务组件、加工工艺管理业务组件、工艺整合模拟业务组件。

2.3 系统数据库设计

数据库拟采用SQL Server 2005，实现微纳加工平台工艺专题数据库的开发及应用。数据库字段设计如表1所例。数据流程图如图1所示。

表1 工艺基本信息表table_process

图1 系统的数据流程图

针对973课题“基于纳米结构的宽光谱高效太阳能电池关键科学问题研究”、“低维等离子体系统的量子调制及应用研究”和江苏省重大成果转化项目“第三代半导体产业发展关键材料-氮化稼（GaN）晶片开发及产业化”等重大课题形成重大课题专题数据库。其中不但有采集现有重大课题数据的功能，还需设计后续建库功能，针对未来可能形成的重大课题随时可以添加新专题数据，如图2所示。

图2 专题数据库数据流图

2.4 系统功能模块设计

2.4.1 微纳加工平台工艺专题数据库

微纳加工平台工艺专题数据库以各台设备为采集主体，上载设备采购、安装、调试过程资料，针对各种工艺流程数据以统一规范的标准进行整理、采集。如图3所示。

图3 项目信息管理系统及微纳光电器件加工工艺专题数据库系统架构

2.4.2 工艺数据可视化图表

实现对各专题数据库中数据进行加工、分析，生成各类统计图表，形成工艺过程可视化展示。供院所管理者宏观调控。

2.4.3 专题数据库共享模块

设计专题数据库共享功能模块，通过权限的管理和设置，在数据库使用用户中实现一定范围内资料的共享。

工艺数据共享方式：数据库采用登录认证形式，设立3种等级的用户角色，不同等级享受不同层次的工艺数据共享。3种等级及其享受的权利分别是：1级普通用户级，主要享受查询来源于公共资源的加工工艺数据及文献和研究所允许对外公开的普通工艺数据，此用户等级一般授予所内普通用户及中科院的兄弟单位；2级共性工艺使用用户级，享受1级用户享受的资源外，还享受重大科研计划和项目实施过程中形成的一些共性工艺及对共性工艺的仿真模拟功能，此用户等级一般授予参与建设本工艺数据库的各课题组和中科院内经特别允许的人员；3级特种工艺使用用户级，享受前2级用户享受的资源外，还享受一些特殊工艺、保密工艺的查询及特色工艺的模拟仿真功能，此用户等级一般授予该工艺的直接创造者、所内主要负责人和经过相关负责人员特别批准的人。

2.4.4 科研信息管理业务模块

完成科研项目实施过程中的项目管理、课题管理、实验管理、人员管理、信息系统管理的业务处理；加工工艺管理业务组件完成工艺数据的采集标引、数据维护、数据查询发布、数据共享管理业务的处理；工艺整合模拟业务组件完成对工艺数据库中的工艺的整合、工艺的仿真模拟和图形化的业务处理。

2.4.5 工艺数据信息的元数据标准化加工模块

实现微纳米光电器件加工工艺数据信息的元数据标准化加工。无论是手工采集的数据还是自动采集的数据，均采用专题数据库系统平台的基于XML的元数据模型，元数据包括封装信息、保存描述信息、描述性信息和内容信息中的表征信息四部分。但是众所周知，目前对大批量XML文档实施精确检索的难题还没有解决，因此将XML文档中的标签映射数据库中相应字段，以实现对XML文档中的信息进行精确检索，实现对工艺数据的标引和工艺数据采集的标准化。另外，通过映射机制还有利于与未遵循相同元数据方案的数据库联合检索，为跨库检索功能的实现奠定基础。

2.4.6 数据库功能扩展模块

包括原始数据存储数据库、数据整合集成数据库、运行状态数据库、典型问题数据库、异常信息数据库，并可以迅速部署新的重大项目数据库，支持行业标准和通用编程接口。

2.4.7 系统实现特征

部署、开发和维护的有效性；系统运行的健壮性和可靠性；具备失败恢复的能力；能够同时支持数百个用户；具备很高的安全性；数据的高可用性；系统费用随系统规模的增长而线性增长；不断进行技术升级，以满足不断涌现的需求。

3 系统拟达到的预期效果

完善的记录和积累重大科学研究计划项目实施过程中产生的微纳结构和器件加工工艺研究的大量原始数据。实现数据的对这些原始数据的有效管理和加工集成，方便项目相关人员汇总总结实验结果，安排开展进一步的研究工作，加快研究项目的研究进展；提供微纳米加工工艺数据库系统1套，包括：原始数据存储数据库、数据整合集成数据库、运行状态数据库、典型问题数据库、异常信息数据库等。实现加工工艺共享，避免各课题间共性工艺的重复开发，降低研究成本，提高研究效率。

在微纳米加工工艺数据库录入加工工艺原始数据12000条以上，数据量多于3000Mb，数据正确完整。能够实现上网共享数据量占总数据量的80%以上。系统可根据选择字段生成动态可视化图标15个以上。

开发工艺模拟模型和图形化应用环境，并实现器件设计模拟和工艺模拟之间相互关联，为开展微纳结构与器件的研究提供加工工艺参考和工艺模拟，通用微纳加工工艺的重复研究，加快研究进程。

逐步在中科院研究所间及研究所和企业间实现数据共享，为合作单位提供必要的微纳结构和器件制备通用工艺，减少科研的重复投入。

4 总结与展望

本文通过对微纳米加工工艺数据库的设计研究，并依托中科院纳米加工平台和分析测试分析平台，探索建设能够开发工艺模拟模型和图形化应用环境，并实现器件设计模拟和工艺模拟之间相互关联的微纳米加工工艺数据库，为合作单位提供必要的微纳结构和器件制备通用工艺，减少科研的重复投入的数据采集阻力，以获得尽可能准确完善的工艺数据。并实现收集积累所有的实验数据或其他材料，方便数据的提炼和参考查阅。工艺数据库能够将所有相关信息进行关联，从而快速的检索到自己所需要了解的全部信息。实验数据，结果，分析一目了然。减少重复性实验和工作,使科研工作不过度依赖于个人。

在科研工作中，有了一个适合的数据库管理系统，一方面后来者查询非常方便,可以得到全部，完整的相关信息，无论学习还是验证都非常方便。另一方面可以避免重复性实验,每次实验前,都可以参考以前的实验条件，对后来者帮助极大,因为他很容易通过与前面实验的对比进行分析。对管理者每次总结，汇报时不需要再次安排任务，所有资料都在数据库中，心中自然能够很好的把握整个项目的状况或流程。管理软件中最关键的就是数据库的设计，是基础，关键，但科研有它的特殊性，每个项目，每个研究领域，研究的对象都大不相同，因此数据格式，对象都无法统一，很难指望一个商业软件能够直接用到科研领域中。非常需要单独对科研领域进行数据管理系统的开发，本文所设计的微纳米加工工艺数据库本这边建库、边应用、边完善的原则，已经取得了初步效果，方便了微纳米加工工艺查询、关联、整合提炼和数据集成，服务科研，加快科研进程。

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