微納米加工工藝數據庫的設計研究

張 楠，王敏銳

（1.蘇州大學，蘇州 215123；2.中科院蘇州納米所，蘇州 215125）

0 引言

在開展973課題“基于納米結構的寬光譜高效太陽能電池關鍵科學問題研究”、“低維等離子體系統的量子調制及應用研究”和江蘇省重大成果轉化項目“第三代半導體產業發展關鍵材料-氮化稼（GaN）晶片開發及產業化”過程中涉及大量的微納米結構和器件的加工工藝研究，這些項目的工藝研究之間存在大量的共有工藝技術。然而，由于沒有統一的加工工藝數據管理系統，大量數據存儲分散，并且信息不完整。各課題組之間存在信息交流不暢的現象，致使經常出現已有的通用加工工藝進行沒必要的重復研究開發的工作，而加工工藝研究往往是項目研究中最費時費力和花費最大環節，造成研究時間和研究經費的極大浪費，降低研究效率。另外，還存在實驗結果和原始數據無法對應，每一組重要的實驗數據，都可能分析得到或驗證一些現象和成果。但是隨著時間的推移，后來人很難從某個實驗文件中，看出其中得到了什么樣的結論。對管理者而言，不能從全局和總體上把握各個小組或實驗的進度，只能通過匯報，開會才能進行交流。紙質實驗記錄已很難滿足當前科研的發展為此，極需建設一個好的微納米加工工藝數據庫系統，在上述背景下，本系統采用當今Web開發的先進技術，形成直觀的數據庫管理功能，研究設計一套應用性強的微納米加工工藝數據庫管理系統。

1 系統建設目標

系統建設統一的微納結構和器件的加工工藝專題數據庫，包括原始數據存儲數據庫、數據整合集成數據庫、運行狀態數據庫、典型問題數據庫、異常信息數據庫等，實現對微納米器件加工工藝原始數據的有效收集、整理和提煉形成一批共有加工技術工藝，方便加工工藝數據的關聯查詢，方便項目相關人員匯總總結實驗結果，安排開展進一步的研究工作；實現加工工藝共享，避免各課題間共性工藝的重復開發；積累足夠的微納加工工藝原始數據和共性工藝技術，依據這些積累，開發工藝模擬模型和圖形化應用環境，并實現器件設計模擬和工藝模擬之間相互關聯，為開展微納結構與器件的研究提供加工工藝參考和工藝模擬，減少費時費錢的通用微納加工工藝的重復研究，加快研究進程，達到降低研究成本和提高研究效率的作用。

2 系統的設計

2.1 建設原則及建設思路

2.1.1 數據互利共享原則

一方面，加工工藝是各科研人員在長期的研發過程中投入大量精力和費用獲得的成果，只有依據“誰參與建設誰受益”的數據互利共享原則，數據庫的原始數據采集才能盡量精確完整；另一方面，加工工藝數據庫建設是一個需要長期資金投入的工作，如果不能最終走向產業化，數據庫建設將無法持續進行，只有采取數據互利共享原則才能保證數據庫的持續建設。

2.1.2 專業通用性原則

微納加工工藝數據庫主要針對微納米結構和器件的制備研究領域，加工工藝作為微納米技術研究的核心部分之一，對微納米技術的研究進程具有重要影響。由于不同的微納結構和器件才有不同的加工路線，這決定了微納加工工藝具有很強的專業性特性，但是在這些工藝經過整理集成可以形成更進一步的共性加工工藝，方便后來研究者的微納結構和工藝的研究開發，這又決定了微納加工工藝數據庫具有通用性。

2.1.3 以數據為中心、關聯同步的原則

在開展微納米技術研究中，微納結構和微納器件的制備過程是多變的，但是制備過程中的單步工藝往往是相對穩定的。為此，工藝數據庫的建立要遵循以單步工藝數據為中心的原則，對各種信息的數據進行整合和集約化處理，建立同步動態關聯模型，實現有效的工藝數據管理，提煉和抽象出相對穩定的共性工藝模型。

2.1.4 標準先行原則

標準化是打破數據信息技術壁壘和數據隔閡的基本前提。只有在數據庫的網絡建設、系統集成、信息采集等方面充分考慮標準化才能更好的實現工藝數據庫在中科院研究所間的集成共享。

2.1.5 講求實效、安全保密原則

工藝數據庫建設首先要從實際出發，服務于目前開展的973重大研究計劃的研究工作，提供研究效率和降低研究成本。同時要制定、執行嚴格的安全保密措施，防止網絡攻擊、突發性數據災難、病毒侵害、數據泄密等。

2.2 系統體系架構設計

系統采用三層體系架構，分為表示層、業務層和數據層。用JSP,Servlet,EJB和數據庫技術實現，有效地幫助專題數據庫的管理和對外開放的功能。業其中，業務層是本系統的核心部分：主要包括科研信息管理業務組件、加工工藝管理業務組件、工藝整合模擬業務組件。

2.3 系統數據庫設計

數據庫擬采用SQL Server 2005，實現微納加工平臺工藝專題數據庫的開發及應用。數據庫字段設計如表1所例。數據流程圖如圖1所示。

表1 工藝基本信息表table_process

圖1 系統的數據流程圖

針對973課題“基于納米結構的寬光譜高效太陽能電池關鍵科學問題研究”、“低維等離子體系統的量子調制及應用研究”和江蘇省重大成果轉化項目“第三代半導體產業發展關鍵材料-氮化稼（GaN）晶片開發及產業化”等重大課題形成重大課題專題數據庫。其中不但有采集現有重大課題數據的功能，還需設計后續建庫功能，針對未來可能形成的重大課題隨時可以添加新專題數據，如圖2所示。

圖2 專題數據庫數據流圖

2.4 系統功能模塊設計

2.4.1 微納加工平臺工藝專題數據庫

微納加工平臺工藝專題數據庫以各臺設備為采集主體，上載設備采購、安裝、調試過程資料，針對各種工藝流程數據以統一規范的標準進行整理、采集。如圖3所示。

圖3 項目信息管理系統及微納光電器件加工工藝專題數據庫系統架構

2.4.2 工藝數據可視化圖表

實現對各專題數據庫中數據進行加工、分析，生成各類統計圖表，形成工藝過程可視化展示。供院所管理者宏觀調控。

2.4.3 專題數據庫共享模塊

設計專題數據庫共享功能模塊，通過權限的管理和設置，在數據庫使用用戶中實現一定范圍內資料的共享。

工藝數據共享方式：數據庫采用登錄認證形式，設立3種等級的用戶角色，不同等級享受不同層次的工藝數據共享。3種等級及其享受的權利分別是：1級普通用戶級，主要享受查詢來源于公共資源的加工工藝數據及文獻和研究所允許對外公開的普通工藝數據，此用戶等級一般授予所內普通用戶及中科院的兄弟單位；2級共性工藝使用用戶級，享受1級用戶享受的資源外，還享受重大科研計劃和項目實施過程中形成的一些共性工藝及對共性工藝的仿真模擬功能，此用戶等級一般授予參與建設本工藝數據庫的各課題組和中科院內經特別允許的人員；3級特種工藝使用用戶級，享受前2級用戶享受的資源外，還享受一些特殊工藝、保密工藝的查詢及特色工藝的模擬仿真功能，此用戶等級一般授予該工藝的直接創造者、所內主要負責人和經過相關負責人員特別批準的人。

2.4.4 科研信息管理業務模塊

完成科研項目實施過程中的項目管理、課題管理、實驗管理、人員管理、信息系統管理的業務處理；加工工藝管理業務組件完成工藝數據的采集標引、數據維護、數據查詢發布、數據共享管理業務的處理；工藝整合模擬業務組件完成對工藝數據庫中的工藝的整合、工藝的仿真模擬和圖形化的業務處理。

2.4.5 工藝數據信息的元數據標準化加工模塊

實現微納米光電器件加工工藝數據信息的元數據標準化加工。無論是手工采集的數據還是自動采集的數據，均采用專題數據庫系統平臺的基于XML的元數據模型，元數據包括封裝信息、保存描述信息、描述性信息和內容信息中的表征信息四部分。但是眾所周知，目前對大批量XML文檔實施精確檢索的難題還沒有解決，因此將XML文檔中的標簽映射數據庫中相應字段，以實現對XML文檔中的信息進行精確檢索，實現對工藝數據的標引和工藝數據采集的標準化。另外，通過映射機制還有利于與未遵循相同元數據方案的數據庫聯合檢索，為跨庫檢索功能的實現奠定基礎。

2.4.6 數據庫功能擴展模塊

包括原始數據存儲數據庫、數據整合集成數據庫、運行狀態數據庫、典型問題數據庫、異常信息數據庫，并可以迅速部署新的重大項目數據庫，支持行業標準和通用編程接口。

2.4.7 系統實現特征

部署、開發和維護的有效性；系統運行的健壯性和可靠性；具備失敗恢復的能力；能夠同時支持數百個用戶；具備很高的安全性；數據的高可用性；系統費用隨系統規模的增長而線性增長；不斷進行技術升級，以滿足不斷涌現的需求。

3 系統擬達到的預期效果

完善的記錄和積累重大科學研究計劃項目實施過程中產生的微納結構和器件加工工藝研究的大量原始數據。實現數據的對這些原始數據的有效管理和加工集成，方便項目相關人員匯總總結實驗結果，安排開展進一步的研究工作，加快研究項目的研究進展；提供微納米加工工藝數據庫系統1套，包括：原始數據存儲數據庫、數據整合集成數據庫、運行狀態數據庫、典型問題數據庫、異常信息數據庫等。實現加工工藝共享，避免各課題間共性工藝的重復開發，降低研究成本，提高研究效率。

在微納米加工工藝數據庫錄入加工工藝原始數據12000條以上，數據量多于3000Mb，數據正確完整。能夠實現上網共享數據量占總數據量的80%以上。系統可根據選擇字段生成動態可視化圖標15個以上。

開發工藝模擬模型和圖形化應用環境，并實現器件設計模擬和工藝模擬之間相互關聯，為開展微納結構與器件的研究提供加工工藝參考和工藝模擬，通用微納加工工藝的重復研究，加快研究進程。

逐步在中科院研究所間及研究所和企業間實現數據共享，為合作單位提供必要的微納結構和器件制備通用工藝，減少科研的重復投入。

4 總結與展望

本文通過對微納米加工工藝數據庫的設計研究，并依托中科院納米加工平臺和分析測試分析平臺，探索建設能夠開發工藝模擬模型和圖形化應用環境，并實現器件設計模擬和工藝模擬之間相互關聯的微納米加工工藝數據庫，為合作單位提供必要的微納結構和器件制備通用工藝，減少科研的重復投入的數據采集阻力，以獲得盡可能準確完善的工藝數據。并實現收集積累所有的實驗數據或其他材料，方便數據的提煉和參考查閱。工藝數據庫能夠將所有相關信息進行關聯，從而快速的檢索到自己所需要了解的全部信息。實驗數據，結果，分析一目了然。減少重復性實驗和工作,使科研工作不過度依賴于個人。

在科研工作中，有了一個適合的數據庫管理系統，一方面后來者查詢非常方便,可以得到全部，完整的相關信息，無論學習還是驗證都非常方便。另一方面可以避免重復性實驗,每次實驗前,都可以參考以前的實驗條件，對后來者幫助極大,因為他很容易通過與前面實驗的對比進行分析。對管理者每次總結，匯報時不需要再次安排任務，所有資料都在數據庫中，心中自然能夠很好的把握整個項目的狀況或流程。管理軟件中最關鍵的就是數據庫的設計，是基礎，關鍵，但科研有它的特殊性，每個項目，每個研究領域，研究的對象都大不相同，因此數據格式，對象都無法統一，很難指望一個商業軟件能夠直接用到科研領域中。非常需要單獨對科研領域進行數據管理系統的開發，本文所設計的微納米加工工藝數據庫本這邊建庫、邊應用、邊完善的原則，已經取得了初步效果，方便了微納米加工工藝查詢、關聯、整合提煉和數據集成，服務科研，加快科研進程。

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