开放式半导体微纳加工平台的开放管理模式探讨

王 英，程秀兰，马 玲，付学成，瞿敏妮，沈赟靓

（上海交通大学 先进电子材料与器件校级平台，上海 200240）

随着我国对集成电路技术需求的不断增加，集成电路产品的进口额已经连续4 年超过2000 亿美元，相关的半导体工艺技术的开发也得到国家以及高校、科研院所、企事业单位的广泛重视。近年来，虽然我国在半导体工艺开发能力和技术水平上有了很大提升和进步，但很多核心技术仍未完全掌握。特别是中兴、华为事件的发生，为我国半导体行业敲响了警钟，提升集成电路产品的国产化率已经成为重要课题[1-2]。在进口产品替代及高新技术开发需求的带动下，国家在政策和资金上都给予了大力支持，这不仅表现在产业上，在高校及科研院所的基础研究领域也加大了投入力度，很多重点高校及科研院所都建立或计划建立各类基于半导体工艺技术的微纳加工实验室及开放平台，但由于半导体工艺技术的特殊性，对实验室的管理也提出了新的挑战[3-6]。

上海交通大学先进电子材料与器件平台于2014年底成立，拥有100–1000 级洁净室1510 m2，建有一条面向硅、玻璃、有机基底且能向下完全兼容的6 英寸半导体级微纳加工实验线、一条3 英寸非硅微纳加工实验线和一个光电材料与器件实验室，是典型的以半导体工艺技术为基础的公共研发服务平台。在平台建设过程中，根据实际情况不断借鉴国内外类似实验室的管理经验，探索我国高校及科研院所微纳加工开放平台的建设和管理。

1 半导体微纳加工实验室开放平台的特点

1.1 实验场所特点

与普通的实验室要求不同，用于半导体微纳加工的实验室对温度、湿度及洁净度都具有严格的要求，特别是随着加工线宽的逐渐减小，实验场所的洁净度已经成为影响器件合格率的关键因素[7-8]。

因此对于半导体微纳加工平台来说既要保证实验场所的洁净度，满足半导体工艺器件的要求，又要能够开放平台，允许不同的工艺加工人员进入，以满足学校及科研院所对人才培养和科研发展的需要。如何解决这一矛盾是开放平台的重中之重，这对实验室的管理提出了严峻的挑战[9]。

1.2 设备工艺特点

（1）涉及范围广。半导体微纳加工平台主要涉及从清洗、光刻、刻蚀、扩散、镀膜、后道等多步工艺及相关设备，平台主要工艺与相关设备见表1。这些相关设备不仅对实验室厂务系统具有较高的要求，同时在日常管理中也涉及酸碱排放、有机排放、废液处理、废气处理、气体供应、特气安全、排风、换气到温度、湿度、洁净度等问题，任何不稳定因素都可能对最终的工艺造成不可预估的影响。因此设备的日常维护和管理对工艺的影响不容忽视。

表1 半导体微纳加工平台主要工艺与相关设备

（2）工艺间关联性强。与普通的测试平台不同，对于半导体工艺平台，通常所进行的工艺加工都涉及多步相关工艺，各工艺间既有其独立的特点，又相互关联，对于复杂的结构加工可能会涉及十几步甚至几十步相关工艺，每一道工序都会对下一道工序产生影响，这也使得工艺的复杂程度随着相关工艺步骤的增加而呈指数型增加。

（3）加工周期相对较长。通常的加工都会涉及多台设备和多步工艺，对于公共平台，由于用户较多，因此会面临各步骤工艺在时间上无法做到无缝衔接，导致加工周期会有所延长。

（4）问题分析复杂。对于工艺过程中出现的问题，单步工艺相对比较容易分析和解决，对于多步工艺中出现的问题，要逐步倒推，可能在某一步中表现出的问题，是上一步或者上几步工艺造成的问题，因此分析起来相对复杂。

1.3 物资需求特点

（1）材料需求面广、专业化强。半导体微纳加工平台日常运行需要大量的化学品（包括危化品、剧毒品等）、材料易耗品、贵金属、特种气体等材料，因此系统合理的材料管理，是半导体微纳加工平台安全运行的保障，洁净室常用物资分类见图1。

图1 洁净室常用物资分类

（2）质量要求高。所有物资均要求符合洁净室的要求及半导体工艺的要求，否则对工艺和器件将造成不可弥补的质量问题，因此必须严格控制进入洁净室的各类物资的品质，对于不满足要求的物资必须禁止进入洁净室。

（3）安全防护标准高。由于半导体微纳加工平台在运行过程中需要使用大量的危险化学品和特种气体等，且整个实验室处于一个相对独立的空间，一旦出现危险，人员不易撤离，因此在安全防护和监测方面的要求更为全面和严格，相关的防护用品和监测设备要求必须到位。

（4）废弃物处理难度大。洁净室运行每天产生大量的化学废液、空瓶及固体废弃物（如硅片、玻璃、带有污染物的废弃物），这些废弃物在分类、存放和回收方面都有严格的规定，需要通过专业的废液及废弃物处理公司进行处理，这就要求在洁净室内部做好分类、存放和管理工作[10]。

1.4 研发方向特点

对于开放的公共服务平台，用户来源的广泛性决定了工艺研发方向具有多样性的特点。特别是随着当今微纳技术的快速发展，微纳加工技术不仅局限于传统的电子及半导体器件等学科和领域，而且已经逐渐

延伸到包括化学、生物、物理、材料等多个学科领域，这就对开放的微纳加工平台提出了挑战，我校微纳加工平台支持的各学科领域见图2。

图2 半导体微纳加工平台支持的各学科领域

半导体微纳加工平台不仅要面对同一领域的不同用户需求，还要面对不同领域用户的科研需求，因此也对平台的研发能力提出了挑战。

1.5 人员特点

（1）用户特点：进入平台实验室的人员具有组成复杂、人数较多的特点，半导体微纳加工平台历年新增用户的数量见图3。开放式平台要求用户参与度高，特别是对于微纳加工工艺，需要用户在工艺过程中全程参与，但由于半导体工艺对洁净度的要求较高，越多的人员进入，对实验室的洁净度越不利。有研究表明，颗粒物产生的来源主要包括人员、设备、工艺过程、物资、洁净室运行等，其中，人员是产生微尘的主要来源，约占总量的70%，因此控制进入洁净室人员的数量及加强进入洁净室人员的管理是平台正常运行管理的关键之一。

图3 半导体微纳加工平台历年新增用户数量

（2）半导体微纳加工平台管理人员特点：平台管理人员专业化程度要求高，专业面要求广。由于半导体工艺的复杂性和前沿性，因此要求设备工艺管理人员有较强的专业性，不仅能够进行设备的基本操作和维护，同时还要具有科学精神，能够帮助用户分析在工艺中出现的问题。实验室管理人员需要熟悉洁净室、物资、设备、工艺、人员等方面的特点，了解实验室管理及安全方面的关键问题，从而能够综合判断和设计实验室及人员管理方案，使平台能够兼顾工艺开发和开放。

2 半导体微纳加工实验室开放平台管理模式的优化

由于开放式半导体微纳加工实验室的特点既不同于相对封闭的企业式研发平台，也不同于一般高校开放式的分析测试平台，这就决定了该类实验室在管理方面的特殊性和复杂性，因此也要求实验室管理模式有所创新和突破。

2.1 管理规范化

开放式半导体微纳加工平台的规范化管理是平台运行的基本保障。规范化管理包括平台实验室日常维护管理规范化、设备管理规范化、人员管理规范化、物资管理规范化、安全管理规范化、工艺管理规范化等几大部分，各部分之间既相互配合也相互制约，不仅要确定好各个环节的重要关联节点，还要认真细化到每个具体的细节和相关步骤，同时要做到责任到人，从而才能保障平台正常运行。目前，有实验室探索5S、7S 法在开放式实验室中的应用，并取得了一定的效果[11-12]，也为我们进一步规范化管理提供了参考和借鉴。

2.2 管理模式创新

对于开放式半导体微纳加工平台，在工艺开发的同时还要兼顾不同用户群体的需求，特别对于高校型的开放平台，面向多学科多层次的用户群体，用户专业领域复杂，因此不仅要求管理的规范化，而且也要求管理模式要有所创新和突破，以满足高校开放型平台安全高效的运行[13-14]。同时，对于高校开放式的微纳加工平台在满足工艺需求的同时，还要承担和满足学校对科研及人才培养的需求，因此在管理过程中要想办法把人才培养结合到平台的日常管理过程中，建立从课程、培训、管理到工艺开发的一系列培训及管理流程，不断提高平台管理人员及用户的水平和素质，为充分发挥平台的工艺技术水平及人才培养功能奠定良好的基础。半导体微纳加工实验室开放平台管理模式见图4。

图4 半导体微纳加工实验室开放平台管理模式示意图

2.3 技术水平提高

在满足基本的微纳加工工艺需求的情况下，由于高校及科研院所对高水平科研成果的追求，也要求平台在相应的工艺技术方面不断提升，因此对设备和人员提出了较高的要求。一方面是设备的补充、更新和改造，另一方面是人员能力的培养和提升。在设备方面要不断挖掘设备的工艺能力，提前做好工艺储备，同时根据用户工艺开发的需求开发新的工艺，并固化为标准的工艺，从而形成系统的开发能力。此外，对现有设备进行可能的更新和改造，并根据技术的发展不断健全和升级设备，从而提升设备的工艺开发能力。对于设备工艺管理人员要加强培训和培养，不仅要具有专业的水平和能力，还要不断提升自身的技术水平，跟踪科技前沿，了解最新的技术发展方向，从而满足各学科科研开发的需求。

2.4 设备使用合理化

开放式平台面临着工艺复杂、用户专业水平不一、课题方向众多的问题，不同的用户群体对同一台设备往往具有不同的工艺要求，且多步工艺流程间的时间衔接和协调也对器件的成品率和设备使用效率有着重要的影响[15]。因此合理安排设备工艺类型和工艺流程是提高设备使用效率、缩短研发周期、改善用户体验的重要手段。对同种设备同种工艺集中进行加工可以有效缩短工艺时间，对于多步工艺可以采用多用户并行的方案提高设备使用效率。

2.5 专业队伍建设

半导体微纳加工技术在工艺方面一直面临人员紧缺问题，特别是近年来随着国家投入力度的加大，有更多的工艺技术人才进入企业。作为开放式加工平台，人员的专业化程度直接影响平台的技术水平和研发能力，因此如何获得专业化人才是开放式平台面临的重要问题。一方面要改善管理模式，吸引有经验的毕业生和企业界人才来平台工作，给有经验的人员更多的政策支持和发展空间，以能力为导向，不以学历作为唯一标准。同时要加强自身内部的人才培养，对现有的人员要加强培训，提供更多的学习和提高的机会，稳定队伍，从而形成人才梯队，以保障平台的持续发展。

2.6 工艺标准化

开放式加工平台由于每天面对不同的用户群体和工艺需求，同一台设备要有多种工艺进行加工。能够向用户提供什么样的工艺技术、如何评价设备的工艺能力和工艺的稳定性是平台技术能力的体现，因此建立一整套标准的工艺评价体系是非常重要的。工艺标准化是解决这一问题的重要手段。针对不同设备的各种工艺要建立标准的工艺库，从工艺参数、工艺曲线、工艺表征手段、表征结果等多方面入手，建立标准文档，做到有案可查，有数据可依，从而提升用户的技术开发效率以及平台的技术开发与继承能力。

3 结语

面对大型半导体设备总价值高、专业性强的特点，开放式微纳加工平台建设是发展和提高我国半导体工艺技术水平的重要途径。特别是在高校及科研院所建立完整的微纳加工实验线，不仅可以引导高新技术研发方向，也可以使多学科在平台的基础上形成交叉系统，培养高精尖的专业人才，这不仅有利于提升我国科技发展水平，也对打破发达国家的垄断，解决“卡脖子”问题有着重要的意义。