帝国观察_02： 高校科研的基础设施（一）

本篇记录一些个人教育经历里的观察，涉及到自己使用参与过的一些高校、实验室，讨论科研传统的积累问题，角度比较小。

1. Machine shop

我的导师某次聊天的时候曾科普，50年代公立大学体系建设初期，大概都是每个州设立两所旗舰大学，一所主文理(Science and Art)， 一所主农工(Agriculture and Mechanical)。在普遍的一些公立大学（Univ. of xx ， xx state Univ.， xx 代指州名），很常见的一个标配是物理系和工程系设置的 Machine shop 和 Electrical shop 制度，分别是机械加工和电子装配工作坊。规模有大有小，一般机械加工坊设备大、比较占地方；电子装配坊以零配件供应为主，占地少，甚至有些学校没有这个配置。

这种机械加工坊，有点像国内高校的金工实习基地，但是为服务科研而设。其设备有新有旧，可以看到上世纪老古董的机床，有些还在用，当然根据系里经费的情况，新设备还是有很先进的。物理系一般对这个作坊的需求很大，尤其那些原子、分子和光学（AMO）的研究组，需要大量自己设计实验台。这种机械加工作坊一般接收课题组下单，根据图纸加工，当然因为距离近，可以频繁讨论遇到的问题。

好(壕)一些的大学的科系，作坊规模较大，至少养活着5人以上的全职Staff。在每年的研究生新生培训课里，会有一节是作坊的主管来介绍大概的设备、使用的规范。然后再暑假的时候，开设一两周的训练，大概能保证学生操作一些基本的车床。这样在以后的科研需要的时候，Staff 团队忙不过来的时候，他们会把小的部件授权给课题组的学生自己动手去做。当然，成套的大部件需要很长的工时，Staff会全责去操作，到时候完工，收费也是按照工时来算的。

电子装配工作坊提供常用的导线、焊枪、电阻等等，当然还会有成套的不同螺钉螺帽和各种工具。对于历史沿革比较旧一点的系，多数实验室自己的工具箱就可以占据好几间屋子，里面会收满测控、搭台所需的一切工具。这些耗材通常都会常买常补充，保证随时手里有料。

一般物理、电气（EE or ECE）、化学系都会设置这两个工作坊，或者简略版/二合一版的工作坊。不过在我来光电方向后，很多导师奉行“造不如买”的原则，凡是一切能花钱解决的问题都不是问题。有一位老师在课堂上就讲“When you have a choice of time or money, always spend money and save time”。当然这个哲学背后的原因是这些老师都有海量的经费，但是同时，他又会说“You have to spend money to get more money ”，大概是“科研就是一台绞肉机”的另一个版本吧。

2. Clean room

所谓半导体CMOS标准流程操作的全部工序，在高校的不同等级的Clean room（净化间）里面多数都能实现，做到与工业界无缝衔接。这样的净化间的用户，有材料系、化学系、物理系、生物系、EE系里的MEMs方向，以及下一代产业核心的光电方向。

一般来说，物理系如果有比较大的实验凝聚态方向，都会有一个中小规模的净化间，配置简单的桌上光刻机，显影台、酒精（溶液）台、酸性试剂台等操作台，台阶仪、椭圆偏振仪、反射仪等测试仪器，有钱的物理系，还会有一台干刻机，当然便宜的老式金属溅射设备等等的也会有，而且不一定会放在净化间。

比较齐全、正式的净化间当然都是EE系的，尤其半导体器件方向是重度用户，里面的仪器都会更专业，立式光刻机至少会在两台以上吧。以UT系统为例，Austin, Dallas, Huston, Arlington, El paso等各UT系统的学校EE系都有相当规模的净化间（很有意思的是，这几个虽然学生可以相互使用，距离也就三四个小时的车程，但是相互之间的费用完全不一样，当然是Austin最壕，价格最平易近人）。相比于物理系能搭建的净化间，EE的这些净化间都会规格等级高一些，最明显的区别就是能够养活一两台扫描电镜(SEM)。穷一点的会在SEM上加一台Nabity的电子束曝光系统，有钱的会买一台专门的电子束曝光机（E-beam aligner）。常见Raith比较新，JEOL比较老旧，但是JEOL机子精度更高一些，~2nm的线宽很容易调到，载片台的移动精度能够保证阵列排版的时候没有“针脚不合”的问题(stitching，专业翻译不清楚)。

在需求比较大的时候，净化间就不是一个系或者一个学校的用户规模了，这时候会成立区域的微电子或者纳米制造加工中心。典型的就是Austin的净化间，是以微电子研究中心的形式运行的。它接受附近各州的学术用户，以及附近的公司用户。学术用户的费用明显会更感人一些。另一个例子是Univ. of New Mexico 与Sandia国家实验室合作运行的联合高科技材料中心。这种联合中心与学院级的净化间的区别最明显的是养得起一个分子束外延生长(MBE)组，在新材料特性、半导体激光器的工艺上，MBE目前的重要性还是越来越高的。

上述的作坊和净化间的运行模式，我自己能够体会到的两个最明显的效果，一是对学生的全面培养。毕业生一般都能够接触甚至超越业界的工艺、课题，毕业之后圆满衔接工业界，武艺超群者走教职方向，皆水到渠成。当然，越是优秀的工艺间，越是激烈的竞争和无休止的肝，至少Austin 的净化间周末和夜间都是能看到忙碌的人影的（其中部分是因为非本校的用户必须连续肝一两周再回去）。二是这些基础设施，都是烧钱的家伙，那些压缩泵、空气压缩机、去离子水、空气流通等等的设备，都是全天候一年365天不停运转的，当然也有一个强大的Staff团队来维护（年薪$80k起步吧）。

值得一提的是，UC系统的各大净化间，通常也会将专业团队调试出来的配方分享出来，给像我这样的小用户提供了大量的优秀参考素材，毕竟小规模净化间的老干刻机子常常需要自己重新调配出一个配方，动辄一个月。