微納米加工工藝數(shù)據(jù)庫的設(shè)計研究

張 楠，王敏銳

（1.蘇州大學(xué)，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(jié)構(gòu)的寬光譜高效太陽能電池關(guān)鍵科學(xué)問題研究”、“低維等離子體系統(tǒng)的量子調(diào)制及應(yīng)用研究”和江蘇省重大成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目“第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵材料-氮化稼（GaN）晶片開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”過程中涉及大量的微納米結(jié)構(gòu)和器件的加工工藝研究，這些項(xiàng)目的工藝研究之間存在大量的共有工藝技術(shù)。然而，由于沒有統(tǒng)一的加工工藝數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，大量數(shù)據(jù)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(xiàn)象，致使經(jīng)常出現(xiàn)已有的通用加工工藝進(jìn)行沒必要的重復(fù)研究開發(fā)的工作，而加工工藝研究往往是項(xiàng)目研究中最費(fèi)時費(fèi)力和花費(fèi)最大環(huán)節(jié)，造成研究時間和研究經(jīng)費(fèi)的極大浪費(fèi)，降低研究效率。另外，還存在實(shí)驗(yàn)結(jié)果和原始數(shù)據(jù)無法對應(yīng)，每一組重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，都可能分析得到或驗(yàn)證一些現(xiàn)象和成果。但是隨著時間的推移，后來人很難從某個實(shí)驗(yàn)文件中，看出其中得到了什么樣的結(jié)論。對管理者而言，不能從全局和總體上把握各個小組或?qū)嶒?yàn)的進(jìn)度，只能通過匯報，開會才能進(jìn)行交流。紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)記錄已很難滿足當(dāng)前科研的發(fā)展為此，極需建設(shè)一個好的微納米加工工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在上述背景下，本系統(tǒng)采用當(dāng)今Web開發(fā)的先進(jìn)技術(shù)，形成直觀的數(shù)據(jù)庫管理功能，研究設(shè)計一套應(yīng)用性強(qiáng)的微納米加工工藝數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

系統(tǒng)建設(shè)統(tǒng)一的微納結(jié)構(gòu)和器件的加工工藝專題數(shù)據(jù)庫，包括原始數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)整合集成數(shù)據(jù)庫、運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫、典型問題數(shù)據(jù)庫、異常信息數(shù)據(jù)庫等，實(shí)現(xiàn)對微納米器件加工工藝原始數(shù)據(jù)的有效收集、整理和提煉形成一批共有加工技術(shù)工藝，方便加工工藝數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)查詢，方便項(xiàng)目相關(guān)人員匯總總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，安排開展進(jìn)一步的研究工作；實(shí)現(xiàn)加工工藝共享，避免各課題間共性工藝的重復(fù)開發(fā)；積累足夠的微納加工工藝原始數(shù)據(jù)和共性工藝技術(shù)，依據(jù)這些積累，開發(fā)工藝模擬模型和圖形化應(yīng)用環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)器件設(shè)計模擬和工藝模擬之間相互關(guān)聯(lián)，為開展微納結(jié)構(gòu)與器件的研究提供加工工藝參考和工藝模擬，減少費(fèi)時費(fèi)錢的通用微納加工工藝的重復(fù)研究，加快研究進(jìn)程，達(dá)到降低研究成本和提高研究效率的作用。

2 系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 建設(shè)原則及建設(shè)思路

2.1.1 數(shù)據(jù)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(fā)過程中投入大量精力和費(fèi)用獲得的成果，只有依據(jù)“誰參與建設(shè)誰受益”的數(shù)據(jù)互利共享原則，數(shù)據(jù)庫的原始數(shù)據(jù)采集才能盡量精確完整；另一方面，加工工藝數(shù)據(jù)庫建設(shè)是一個需要長期資金投入的工作，如果不能最終走向產(chǎn)業(yè)化，數(shù)據(jù)庫建設(shè)將無法持續(xù)進(jìn)行，只有采取數(shù)據(jù)互利共享原則才能保證數(shù)據(jù)庫的持續(xù)建設(shè)。

2.1.2 專業(yè)通用性原則

微納加工工藝數(shù)據(jù)庫主要針對微納米結(jié)構(gòu)和器件的制備研究領(lǐng)域，加工工藝作為微納米技術(shù)研究的核心部分之一，對微納米技術(shù)的研究進(jìn)程具有重要影響。由于不同的微納結(jié)構(gòu)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(qiáng)的專業(yè)性特性，但是在這些工藝經(jīng)過整理集成可以形成更進(jìn)一步的共性加工工藝，方便后來研究者的微納結(jié)構(gòu)和工藝的研究開發(fā)，這又決定了微納加工工藝數(shù)據(jù)庫具有通用性。

2.1.3 以數(shù)據(jù)為中心、關(guān)聯(lián)同步的原則

在開展微納米技術(shù)研究中，微納結(jié)構(gòu)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(wěn)定的。為此，工藝數(shù)據(jù)庫的建立要遵循以單步工藝數(shù)據(jù)為中心的原則，對各種信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和集約化處理，建立同步動態(tài)關(guān)聯(lián)模型，實(shí)現(xiàn)有效的工藝數(shù)據(jù)管理，提煉和抽象出相對穩(wěn)定的共性工藝模型。

2.1.4 標(biāo)準(zhǔn)先行原則

標(biāo)準(zhǔn)化是打破數(shù)據(jù)信息技術(shù)壁壘和數(shù)據(jù)隔閡的基本前提。只有在數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、系統(tǒng)集成、信息采集等方面充分考慮標(biāo)準(zhǔn)化才能更好的實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)庫在中科院研究所間的集成共享。

2.1.5 講求實(shí)效、安全保密原則

工藝數(shù)據(jù)庫建設(shè)首先要從實(shí)際出發(fā)，服務(wù)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(zhí)行嚴(yán)格的安全保密措施，防止網(wǎng)絡(luò)攻擊、突發(fā)性數(shù)據(jù)災(zāi)難、病毒侵害、數(shù)據(jù)泄密等。

2.2 系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)采用三層體系架構(gòu)，分為表示層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層。用JSP,Servlet,EJB和數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)，有效地幫助專題數(shù)據(jù)庫的管理和對外開放的功能。業(yè)其中，業(yè)務(wù)層是本系統(tǒng)的核心部分：主要包括科研信息管理業(yè)務(wù)組件、加工工藝管理業(yè)務(wù)組件、工藝整合模擬業(yè)務(wù)組件。

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫擬采用SQL Server 2005，實(shí)現(xiàn)微納加工平臺工藝專題數(shù)據(jù)庫的開發(fā)及應(yīng)用。數(shù)據(jù)庫字段設(shè)計如表1所例。數(shù)據(jù)流程圖如圖1所示。

表1 工藝基本信息表table_process

圖1 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程圖

針對973課題“基于納米結(jié)構(gòu)的寬光譜高效太陽能電池關(guān)鍵科學(xué)問題研究”、“低維等離子體系統(tǒng)的量子調(diào)制及應(yīng)用研究”和江蘇省重大成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目“第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵材料-氮化稼（GaN）晶片開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”等重大課題形成重大課題專題數(shù)據(jù)庫。其中不但有采集現(xiàn)有重大課題數(shù)據(jù)的功能，還需設(shè)計后續(xù)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(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 專題數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)流圖

2.4 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

2.4.1 微納加工平臺工藝專題數(shù)據(jù)庫

微納加工平臺工藝專題數(shù)據(jù)庫以各臺設(shè)備為采集主體，上載設(shè)備采購、安裝、調(diào)試過程資料，針對各種工藝流程數(shù)據(jù)以統(tǒng)一規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整理、采集。如圖3所示。

圖3 項(xiàng)目信息管理系統(tǒng)及微納光電器件加工工藝專題數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構(gòu)

2.4.2 工藝數(shù)據(jù)可視化圖表

實(shí)現(xiàn)對各專題數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、分析，生成各類統(tǒng)計圖表，形成工藝過程可視化展示。供院所管理者宏觀調(diào)控。

2.4.3 專題數(shù)據(jù)庫共享模塊

設(shè)計專題數(shù)據(jù)庫共享功能模塊，通過權(quán)限的管理和設(shè)置，在數(shù)據(jù)庫使用用戶中實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)資料的共享。

工藝數(shù)據(jù)共享方式：數(shù)據(jù)庫采用登錄認(rèn)證形式，設(shè)立3種等級的用戶角色，不同等級享受不同層次的工藝數(shù)據(jù)共享。3種等級及其享受的權(quán)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(shù)據(jù)及文獻(xiàn)和研究所允許對外公開的普通工藝數(shù)據(jù)，此用戶等級一般授予所內(nèi)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(xiàng)目實(shí)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(shè)本工藝數(shù)據(jù)庫的各課題組和中科院內(nèi)經(jīng)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(chuàng)造者、所內(nèi)主要負(fù)責(zé)人和經(jīng)過相關(guān)負(fù)責(zé)人員特別批準(zhǔn)的人。

2.4.4 科研信息管理業(yè)務(wù)模塊

完成科研項(xiàng)目實(shí)施過程中的項(xiàng)目管理、課題管理、實(shí)驗(yàn)管理、人員管理、信息系統(tǒng)管理的業(yè)務(wù)處理；加工工藝管理業(yè)務(wù)組件完成工藝數(shù)據(jù)的采集標(biāo)引、數(shù)據(jù)維護(hù)、數(shù)據(jù)查詢發(fā)布、數(shù)據(jù)共享管理業(yè)務(wù)的處理；工藝整合模擬業(yè)務(wù)組件完成對工藝數(shù)據(jù)庫中的工藝的整合、工藝的仿真模擬和圖形化的業(yè)務(wù)處理。

2.4.5 工藝數(shù)據(jù)信息的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化加工模塊

實(shí)現(xiàn)微納米光電器件加工工藝數(shù)據(jù)信息的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化加工。無論是手工采集的數(shù)據(jù)還是自動采集的數(shù)據(jù)，均采用專題數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)平臺的基于XML的元數(shù)據(jù)模型，元數(shù)據(jù)包括封裝信息、保存描述信息、描述性信息和內(nèi)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(shí)施精確檢索的難題還沒有解決，因此將XML文檔中的標(biāo)簽映射數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)字段，以實(shí)現(xiàn)對XML文檔中的信息進(jìn)行精確檢索，實(shí)現(xiàn)對工藝數(shù)據(jù)的標(biāo)引和工藝數(shù)據(jù)采集的標(biāo)準(zhǔn)化。另外，通過映射機(jī)制還有利于與未遵循相同元數(shù)據(jù)方案的數(shù)據(jù)庫聯(lián)合檢索，為跨庫檢索功能的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

2.4.6 數(shù)據(jù)庫功能擴(kuò)展模塊

包括原始數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)整合集成數(shù)據(jù)庫、運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫、典型問題數(shù)據(jù)庫、異常信息數(shù)據(jù)庫，并可以迅速部署新的重大項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫，支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和通用編程接口。

2.4.7 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)特征

部署、開發(fā)和維護(hù)的有效性；系統(tǒng)運(yùn)行的健壯性和可靠性；具備失敗恢復(fù)的能力；能夠同時支持?jǐn)?shù)百個用戶；具備很高的安全性；數(shù)據(jù)的高可用性；系統(tǒng)費(fèi)用隨系統(tǒng)規(guī)模的增長而線性增長；不斷進(jìn)行技術(shù)升級，以滿足不斷涌現(xiàn)的需求。

3 系統(tǒng)擬達(dá)到的預(yù)期效果

完善的記錄和積累重大科學(xué)研究計劃項(xiàng)目實(shí)施過程中產(chǎn)生的微納結(jié)構(gòu)和器件加工工藝研究的大量原始數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的對這些原始數(shù)據(jù)的有效管理和加工集成，方便項(xiàng)目相關(guān)人員匯總總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，安排開展進(jìn)一步的研究工作，加快研究項(xiàng)目的研究進(jìn)展；提供微納米加工工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)1套，包括：原始數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)整合集成數(shù)據(jù)庫、運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫、典型問題數(shù)據(jù)庫、異常信息數(shù)據(jù)庫等。實(shí)現(xiàn)加工工藝共享，避免各課題間共性工藝的重復(fù)開發(fā)，降低研究成本，提高研究效率。

在微納米加工工藝數(shù)據(jù)庫錄入加工工藝原始數(shù)據(jù)12000條以上，數(shù)據(jù)量多于3000Mb，數(shù)據(jù)正確完整。能夠?qū)崿F(xiàn)上網(wǎng)共享數(shù)據(jù)量占總數(shù)據(jù)量的80%以上。系統(tǒng)可根據(jù)選擇字段生成動態(tài)可視化圖標(biāo)15個以上。

開發(fā)工藝模擬模型和圖形化應(yīng)用環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)器件設(shè)計模擬和工藝模擬之間相互關(guān)聯(lián)，為開展微納結(jié)構(gòu)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(fù)研究，加快研究進(jìn)程。

逐步在中科院研究所間及研究所和企業(yè)間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為合作單位提供必要的微納結(jié)構(gòu)和器件制備通用工藝，減少科研的重復(fù)投入。

4 總結(jié)與展望

本文通過對微納米加工工藝數(shù)據(jù)庫的設(shè)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(shè)能夠開發(fā)工藝模擬模型和圖形化應(yīng)用環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)器件設(shè)計模擬和工藝模擬之間相互關(guān)聯(lián)的微納米加工工藝數(shù)據(jù)庫，為合作單位提供必要的微納結(jié)構(gòu)和器件制備通用工藝，減少科研的重復(fù)投入的數(shù)據(jù)采集阻力，以獲得盡可能準(zhǔn)確完善的工藝數(shù)據(jù)。并實(shí)現(xiàn)收集積累所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或其他材料，方便數(shù)據(jù)的提煉和參考查閱。工藝數(shù)據(jù)庫能夠?qū)⑺邢嚓P(guān)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而快速的檢索到自己所需要了解的全部信息。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果，分析一目了然。減少重復(fù)性實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，一方面后來者查詢非常方便,可以得到全部，完整的相關(guān)信息，無論學(xué)習(xí)還是驗(yàn)證都非常方便。另一方面可以避免重復(fù)性實(shí)驗(yàn),每次實(shí)驗(yàn)前,都可以參考以前的實(shí)驗(yàn)條件，對后來者幫助極大,因?yàn)樗苋菀淄ㄟ^與前面實(shí)驗(yàn)的對比進(jìn)行分析。對管理者每次總結(jié)，匯報時不需要再次安排任務(wù)，所有資料都在數(shù)據(jù)庫中，心中自然能夠很好的把握整個項(xiàng)目的狀況或流程。管理軟件中最關(guān)鍵的就是數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，是基礎(chǔ)，關(guān)鍵，但科研有它的特殊性，每個項(xiàng)目，每個研究領(lǐng)域，研究的對象都大不相同，因此數(shù)據(jù)格式，對象都無法統(tǒng)一，很難指望一個商業(yè)軟件能夠直接用到科研領(lǐng)域中。非常需要單獨(dú)對科研領(lǐng)域進(jìn)行數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的開發(fā)，本文所設(shè)計的微納米加工工藝數(shù)據(jù)庫本這邊建庫、邊應(yīng)用、邊完善的原則，已經(jīng)取得了初步效果，方便了微納米加工工藝查詢、關(guān)聯(lián)、整合提煉和數(shù)據(jù)集成，服務(wù)科研，加快科研進(jìn)程。

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