開放式半導(dǎo)體微納加工平臺的開放管理模式探討

王 英，程秀蘭，馬 玲，付學成，瞿敏妮，沈赟靚

（上海交通大學 先進電子材料與器件校級平臺，上海 200240）

隨著我國對集成電路技術(shù)需求的不斷增加，集成電路產(chǎn)品的進口額已經(jīng)連續(xù)4 年超過2000 億美元，相關(guān)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)的開發(fā)也得到國家以及高校、科研院所、企事業(yè)單位的廣泛重視。近年來，雖然我國在半導(dǎo)體工藝開發(fā)能力和技術(shù)水平上有了很大提升和進步，但很多核心技術(shù)仍未完全掌握。特別是中興、華為事件的發(fā)生，為我國半導(dǎo)體行業(yè)敲響了警鐘，提升集成電路產(chǎn)品的國產(chǎn)化率已經(jīng)成為重要課題[1-2]。在進口產(chǎn)品替代及高新技術(shù)開發(fā)需求的帶動下，國家在政策和資金上都給予了大力支持，這不僅表現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)上，在高校及科研院所的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域也加大了投入力度，很多重點高校及科研院所都建立或計劃建立各類基于半導(dǎo)體工藝技術(shù)的微納加工實驗室及開放平臺，但由于半導(dǎo)體工藝技術(shù)的特殊性，對實驗室的管理也提出了新的挑戰(zhàn)[3-6]。

上海交通大學先進電子材料與器件平臺于2014年底成立，擁有100–1000 級潔凈室1510 m2，建有一條面向硅、玻璃、有機基底且能向下完全兼容的6 英寸半導(dǎo)體級微納加工實驗線、一條3 英寸非硅微納加工實驗線和一個光電材料與器件實驗室，是典型的以半導(dǎo)體工藝技術(shù)為基礎(chǔ)的公共研發(fā)服務(wù)平臺。在平臺建設(shè)過程中，根據(jù)實際情況不斷借鑒國內(nèi)外類似實驗室的管理經(jīng)驗，探索我國高校及科研院所微納加工開放平臺的建設(shè)和管理。

1 半導(dǎo)體微納加工實驗室開放平臺的特點

1.1 實驗場所特點

與普通的實驗室要求不同，用于半導(dǎo)體微納加工的實驗室對溫度、濕度及潔凈度都具有嚴格的要求，特別是隨著加工線寬的逐漸減小，實驗場所的潔凈度已經(jīng)成為影響器件合格率的關(guān)鍵因素[7-8]。

因此對于半導(dǎo)體微納加工平臺來說既要保證實驗場所的潔凈度，滿足半導(dǎo)體工藝器件的要求，又要能夠開放平臺，允許不同的工藝加工人員進入，以滿足學校及科研院所對人才培養(yǎng)和科研發(fā)展的需要。如何解決這一矛盾是開放平臺的重中之重，這對實驗室的管理提出了嚴峻的挑戰(zhàn)[9]。

1.2 設(shè)備工藝特點

（1）涉及范圍廣。半導(dǎo)體微納加工平臺主要涉及從清洗、光刻、刻蝕、擴散、鍍膜、后道等多步工藝及相關(guān)設(shè)備，平臺主要工藝與相關(guān)設(shè)備見表1。這些相關(guān)設(shè)備不僅對實驗室廠務(wù)系統(tǒng)具有較高的要求，同時在日常管理中也涉及酸堿排放、有機排放、廢液處理、廢氣處理、氣體供應(yīng)、特氣安全、排風、換氣到溫度、濕度、潔凈度等問題，任何不穩(wěn)定因素都可能對最終的工藝造成不可預(yù)估的影響。因此設(shè)備的日常維護和管理對工藝的影響不容忽視。

表1 半導(dǎo)體微納加工平臺主要工藝與相關(guān)設(shè)備

（2）工藝間關(guān)聯(lián)性強。與普通的測試平臺不同，對于半導(dǎo)體工藝平臺，通常所進行的工藝加工都涉及多步相關(guān)工藝，各工藝間既有其獨立的特點，又相互關(guān)聯(lián)，對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)加工可能會涉及十幾步甚至幾十步相關(guān)工藝，每一道工序都會對下一道工序產(chǎn)生影響，這也使得工藝的復(fù)雜程度隨著相關(guān)工藝步驟的增加而呈指數(shù)型增加。

（3）加工周期相對較長。通常的加工都會涉及多臺設(shè)備和多步工藝，對于公共平臺，由于用戶較多，因此會面臨各步驟工藝在時間上無法做到無縫銜接，導(dǎo)致加工周期會有所延長。

（4）問題分析復(fù)雜。對于工藝過程中出現(xiàn)的問題，單步工藝相對比較容易分析和解決，對于多步工藝中出現(xiàn)的問題，要逐步倒推，可能在某一步中表現(xiàn)出的問題，是上一步或者上幾步工藝造成的問題，因此分析起來相對復(fù)雜。

1.3 物資需求特點

（1）材料需求面廣、專業(yè)化強。半導(dǎo)體微納加工平臺日常運行需要大量的化學品（包括?；?、劇毒品等）、材料易耗品、貴金屬、特種氣體等材料，因此系統(tǒng)合理的材料管理，是半導(dǎo)體微納加工平臺安全運行的保障，潔凈室常用物資分類見圖1。

圖1 潔凈室常用物資分類

（2）質(zhì)量要求高。所有物資均要求符合潔凈室的要求及半導(dǎo)體工藝的要求，否則對工藝和器件將造成不可彌補的質(zhì)量問題，因此必須嚴格控制進入潔凈室的各類物資的品質(zhì)，對于不滿足要求的物資必須禁止進入潔凈室。

（3）安全防護標準高。由于半導(dǎo)體微納加工平臺在運行過程中需要使用大量的危險化學品和特種氣體等，且整個實驗室處于一個相對獨立的空間，一旦出現(xiàn)危險，人員不易撤離，因此在安全防護和監(jiān)測方面的要求更為全面和嚴格，相關(guān)的防護用品和監(jiān)測設(shè)備要求必須到位。

（4）廢棄物處理難度大。潔凈室運行每天產(chǎn)生大量的化學廢液、空瓶及固體廢棄物（如硅片、玻璃、帶有污染物的廢棄物），這些廢棄物在分類、存放和回收方面都有嚴格的規(guī)定，需要通過專業(yè)的廢液及廢棄物處理公司進行處理，這就要求在潔凈室內(nèi)部做好分類、存放和管理工作[10]。

1.4 研發(fā)方向特點

對于開放的公共服務(wù)平臺，用戶來源的廣泛性決定了工藝研發(fā)方向具有多樣性的特點。特別是隨著當今微納技術(shù)的快速發(fā)展，微納加工技術(shù)不僅局限于傳統(tǒng)的電子及半導(dǎo)體器件等學科和領(lǐng)域，而且已經(jīng)逐漸

延伸到包括化學、生物、物理、材料等多個學科領(lǐng)域，這就對開放的微納加工平臺提出了挑戰(zhàn)，我校微納加工平臺支持的各學科領(lǐng)域見圖2。

圖2 半導(dǎo)體微納加工平臺支持的各學科領(lǐng)域

半導(dǎo)體微納加工平臺不僅要面對同一領(lǐng)域的不同用戶需求，還要面對不同領(lǐng)域用戶的科研需求，因此也對平臺的研發(fā)能力提出了挑戰(zhàn)。

1.5 人員特點

（1）用戶特點：進入平臺實驗室的人員具有組成復(fù)雜、人數(shù)較多的特點，半導(dǎo)體微納加工平臺歷年新增用戶的數(shù)量見圖3。開放式平臺要求用戶參與度高，特別是對于微納加工工藝，需要用戶在工藝過程中全程參與，但由于半導(dǎo)體工藝對潔凈度的要求較高，越多的人員進入，對實驗室的潔凈度越不利。有研究表明，顆粒物產(chǎn)生的來源主要包括人員、設(shè)備、工藝過程、物資、潔凈室運行等，其中，人員是產(chǎn)生微塵的主要來源，約占總量的70%，因此控制進入潔凈室人員的數(shù)量及加強進入潔凈室人員的管理是平臺正常運行管理的關(guān)鍵之一。

圖3 半導(dǎo)體微納加工平臺歷年新增用戶數(shù)量

（2）半導(dǎo)體微納加工平臺管理人員特點：平臺管理人員專業(yè)化程度要求高，專業(yè)面要求廣。由于半導(dǎo)體工藝的復(fù)雜性和前沿性，因此要求設(shè)備工藝管理人員有較強的專業(yè)性，不僅能夠進行設(shè)備的基本操作和維護，同時還要具有科學精神，能夠幫助用戶分析在工藝中出現(xiàn)的問題。實驗室管理人員需要熟悉潔凈室、物資、設(shè)備、工藝、人員等方面的特點，了解實驗室管理及安全方面的關(guān)鍵問題，從而能夠綜合判斷和設(shè)計實驗室及人員管理方案，使平臺能夠兼顧工藝開發(fā)和開放。

2 半導(dǎo)體微納加工實驗室開放平臺管理模式的優(yōu)化

由于開放式半導(dǎo)體微納加工實驗室的特點既不同于相對封閉的企業(yè)式研發(fā)平臺，也不同于一般高校開放式的分析測試平臺，這就決定了該類實驗室在管理方面的特殊性和復(fù)雜性，因此也要求實驗室管理模式有所創(chuàng)新和突破。

2.1 管理規(guī)范化

開放式半導(dǎo)體微納加工平臺的規(guī)范化管理是平臺運行的基本保障。規(guī)范化管理包括平臺實驗室日常維護管理規(guī)范化、設(shè)備管理規(guī)范化、人員管理規(guī)范化、物資管理規(guī)范化、安全管理規(guī)范化、工藝管理規(guī)范化等幾大部分，各部分之間既相互配合也相互制約，不僅要確定好各個環(huán)節(jié)的重要關(guān)聯(lián)節(jié)點，還要認真細化到每個具體的細節(jié)和相關(guān)步驟，同時要做到責任到人，從而才能保障平臺正常運行。目前，有實驗室探索5S、7S 法在開放式實驗室中的應(yīng)用，并取得了一定的效果[11-12]，也為我們進一步規(guī)范化管理提供了參考和借鑒。

2.2 管理模式創(chuàng)新

對于開放式半導(dǎo)體微納加工平臺，在工藝開發(fā)的同時還要兼顧不同用戶群體的需求，特別對于高校型的開放平臺，面向多學科多層次的用戶群體，用戶專業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜，因此不僅要求管理的規(guī)范化，而且也要求管理模式要有所創(chuàng)新和突破，以滿足高校開放型平臺安全高效的運行[13-14]。同時，對于高校開放式的微納加工平臺在滿足工藝需求的同時，還要承擔和滿足學校對科研及人才培養(yǎng)的需求，因此在管理過程中要想辦法把人才培養(yǎng)結(jié)合到平臺的日常管理過程中，建立從課程、培訓(xùn)、管理到工藝開發(fā)的一系列培訓(xùn)及管理流程，不斷提高平臺管理人員及用戶的水平和素質(zhì)，為充分發(fā)揮平臺的工藝技術(shù)水平及人才培養(yǎng)功能奠定良好的基礎(chǔ)。半導(dǎo)體微納加工實驗室開放平臺管理模式見圖4。

圖4 半導(dǎo)體微納加工實驗室開放平臺管理模式示意圖

2.3 技術(shù)水平提高

在滿足基本的微納加工工藝需求的情況下，由于高校及科研院所對高水平科研成果的追求，也要求平臺在相應(yīng)的工藝技術(shù)方面不斷提升，因此對設(shè)備和人員提出了較高的要求。一方面是設(shè)備的補充、更新和改造，另一方面是人員能力的培養(yǎng)和提升。在設(shè)備方面要不斷挖掘設(shè)備的工藝能力，提前做好工藝儲備，同時根據(jù)用戶工藝開發(fā)的需求開發(fā)新的工藝，并固化為標準的工藝，從而形成系統(tǒng)的開發(fā)能力。此外，對現(xiàn)有設(shè)備進行可能的更新和改造，并根據(jù)技術(shù)的發(fā)展不斷健全和升級設(shè)備，從而提升設(shè)備的工藝開發(fā)能力。對于設(shè)備工藝管理人員要加強培訓(xùn)和培養(yǎng)，不僅要具有專業(yè)的水平和能力，還要不斷提升自身的技術(shù)水平，跟蹤科技前沿，了解最新的技術(shù)發(fā)展方向，從而滿足各學科科研開發(fā)的需求。

2.4 設(shè)備使用合理化

開放式平臺面臨著工藝復(fù)雜、用戶專業(yè)水平不一、課題方向眾多的問題，不同的用戶群體對同一臺設(shè)備往往具有不同的工藝要求，且多步工藝流程間的時間銜接和協(xié)調(diào)也對器件的成品率和設(shè)備使用效率有著重要的影響[15]。因此合理安排設(shè)備工藝類型和工藝流程是提高設(shè)備使用效率、縮短研發(fā)周期、改善用戶體驗的重要手段。對同種設(shè)備同種工藝集中進行加工可以有效縮短工藝時間，對于多步工藝可以采用多用戶并行的方案提高設(shè)備使用效率。

2.5 專業(yè)隊伍建設(shè)

半導(dǎo)體微納加工技術(shù)在工藝方面一直面臨人員緊缺問題，特別是近年來隨著國家投入力度的加大，有更多的工藝技術(shù)人才進入企業(yè)。作為開放式加工平臺，人員的專業(yè)化程度直接影響平臺的技術(shù)水平和研發(fā)能力，因此如何獲得專業(yè)化人才是開放式平臺面臨的重要問題。一方面要改善管理模式，吸引有經(jīng)驗的畢業(yè)生和企業(yè)界人才來平臺工作，給有經(jīng)驗的人員更多的政策支持和發(fā)展空間，以能力為導(dǎo)向，不以學歷作為唯一標準。同時要加強自身內(nèi)部的人才培養(yǎng)，對現(xiàn)有的人員要加強培訓(xùn)，提供更多的學習和提高的機會，穩(wěn)定隊伍，從而形成人才梯隊，以保障平臺的持續(xù)發(fā)展。

2.6 工藝標準化

開放式加工平臺由于每天面對不同的用戶群體和工藝需求，同一臺設(shè)備要有多種工藝進行加工。能夠向用戶提供什么樣的工藝技術(shù)、如何評價設(shè)備的工藝能力和工藝的穩(wěn)定性是平臺技術(shù)能力的體現(xiàn)，因此建立一整套標準的工藝評價體系是非常重要的。工藝標準化是解決這一問題的重要手段。針對不同設(shè)備的各種工藝要建立標準的工藝庫，從工藝參數(shù)、工藝曲線、工藝表征手段、表征結(jié)果等多方面入手，建立標準文檔，做到有案可查，有數(shù)據(jù)可依，從而提升用戶的技術(shù)開發(fā)效率以及平臺的技術(shù)開發(fā)與繼承能力。

3 結(jié)語

面對大型半導(dǎo)體設(shè)備總價值高、專業(yè)性強的特點，開放式微納加工平臺建設(shè)是發(fā)展和提高我國半導(dǎo)體工藝技術(shù)水平的重要途徑。特別是在高校及科研院所建立完整的微納加工實驗線，不僅可以引導(dǎo)高新技術(shù)研發(fā)方向，也可以使多學科在平臺的基礎(chǔ)上形成交叉系統(tǒng)，培養(yǎng)高精尖的專業(yè)人才，這不僅有利于提升我國科技發(fā)展水平，也對打破發(fā)達國家的壟斷，解決“卡脖子”問題有著重要的意義。