帝國觀察_02： 高校科研的基礎設施（一）_風聞

本篇記錄一些個人教育經歷裏的觀察，涉及到自己使用參與過的一些高校、實驗室，討論科研傳統的積累問題，角度比較小。

1. Machine shop

我的導師某次聊天的時候曾科普，50年代公立大學體系建設初期，大概都是每個州設立兩所旗艦大學，一所主文理(Science and Art)， 一所主農工(Agriculture and Mechanical)。在普遍的一些公立大學（Univ. of xx ， xx state Univ.， xx 代指州名），很常見的一個標配是物理系和工程系設置的 Machine shop 和 Electrical shop 制度，分別是機械加工和電子裝配工作坊。規模有大有小，一般機械加工坊設備大、比較佔地方；電子裝配坊以零配件供應為主，佔地少，甚至有些學校沒有這個配置。

這種機械加工坊，有點像國內高校的金工實習基地，但是為服務科研而設。其設備有新有舊，可以看到上世紀老古董的機牀，有些還在用，當然根據系裏經費的情況，新設備還是有很先進的。物理系一般對這個作坊的需求很大，尤其那些原子、分子和光學（AMO）的研究組，需要大量自己設計實驗台。這種機械加工作坊一般接收課題組下單，根據圖紙加工，當然因為距離近，可以頻繁討論遇到的問題。

好(壕)一些的大學的科系，作坊規模較大，至少養活着5人以上的全職Staff。在每年的研究生新生培訓課裏，會有一節是作坊的主管來介紹大概的設備、使用的規範。然後再暑假的時候，開設一兩週的訓練，大概能保證學生操作一些基本的車牀。這樣在以後的科研需要的時候，Staff 團隊忙不過來的時候，他們會把小的部件授權給課題組的學生自己動手去做。當然，成套的大部件需要很長的工時，Staff會全責去操作，到時候完工，收費也是按照工時來算的。

電子裝配工作坊提供常用的導線、焊槍、電阻等等，當然還會有成套的不同螺釘螺帽和各種工具。對於歷史沿革比較舊一點的系，多數實驗室自己的工具箱就可以佔據好幾間屋子，裏面會收滿測控、搭台所需的一切工具。這些耗材通常都會常買常補充，保證隨時手裏有料。

一般物理、電氣（EE or ECE）、化學系都會設置這兩個工作坊，或者簡略版/二合一版的工作坊。不過在我來光電方向後，很多導師奉行“造不如買”的原則，凡是一切能花錢解決的問題都不是問題。有一位老師在課堂上就講“When you have a choice of time or money, always spend money and save time”。當然這個哲學背後的原因是這些老師都有海量的經費，但是同時，他又會説“You have to spend money to get more money ”，大概是“科研就是一台絞肉機”的另一個版本吧。

2. Clean room

所謂半導體CMOS標準流程操作的全部工序，在高校的不同等級的Clean room（淨化間）裏面多數都能實現，做到與工業界無縫銜接。這樣的淨化間的用户，有材料系、化學系、物理系、生物系、EE系裏的MEMs方向，以及下一代產業核心的光電方向。

一般來説，物理系如果有比較大的實驗凝聚態方向，都會有一箇中小規模的淨化間，配置簡單的桌上光刻機，顯影台、酒精（溶液）台、酸性試劑台等操作枱，台階儀、橢圓偏振儀、反射儀等測試儀器，有錢的物理系，還會有一台幹刻機，當然便宜的老式金屬濺射設備等等的也會有，而且不一定會放在淨化間。

比較齊全、正式的淨化間當然都是EE系的，尤其半導體器件方向是重度用户，裏面的儀器都會更專業，立式光刻機至少會在兩台以上吧。以UT系統為例，Austin, Dallas, Huston, Arlington, El paso等各UT系統的學校EE系都有相當規模的淨化間（很有意思的是，這幾個雖然學生可以相互使用，距離也就三四個小時的車程，但是相互之間的費用完全不一樣，當然是Austin最壕，價格最平易近人）。相比於物理系能搭建的淨化間，EE的這些淨化間都會規格等級高一些，最明顯的區別就是能夠養活一兩台掃描電鏡(SEM)。窮一點的會在SEM上加一台Nabity的電子束曝光系統，有錢的會買一台專門的電子束曝光機（E-beam aligner）。常見Raith比較新，JEOL比較老舊，但是JEOL機子精度更高一些，~2nm的線寬很容易調到，載片台的移動精度能夠保證陣列排版的時候沒有“針腳不合”的問題(stitching，專業翻譯不清楚)。

在需求比較大的時候，淨化間就不是一個系或者一個學校的用户規模了，這時候會成立區域的微電子或者納米制造加工中心。典型的就是Austin的淨化間，是以微電子研究中心的形式運行的。它接受附近各州的學術用户，以及附近的公司用户。學術用户的費用明顯會更感人一些。另一個例子是Univ. of New Mexico 與Sandia國家實驗室合作運行的聯合高科技材料中心。這種聯合中心與學院級的淨化間的區別最明顯的是養得起一個分子束外延生長(MBE)組，在新材料特性、半導體激光器的工藝上，MBE目前的重要性還是越來越高的。

上述的作坊和淨化間的運行模式，我自己能夠體會到的兩個最明顯的效果，一是對學生的全面培養。畢業生一般都能夠接觸甚至超越業界的工藝、課題，畢業之後圓滿銜接工業界，武藝超羣者走教職方向，皆水到渠成。當然，越是優秀的工藝間，越是激烈的競爭和無休止的肝，至少Austin 的淨化間週末和夜間都是能看到忙碌的人影的（其中部分是因為非本校的用户必須連續肝一兩週再回去）。二是這些基礎設施，都是燒錢的傢伙，那些壓縮泵、空氣壓縮機、去離子水、空氣流通等等的設備，都是全天候一年365天不停運轉的，當然也有一個強大的Staff團隊來維護（年薪$80k起步吧）。

值得一提的是，UC系統的各大淨化間，通常也會將專業團隊調試出來的配方分享出來，給像我這樣的小用户提供了大量的優秀參考素材，畢竟小規模淨化間的老幹刻機子常常需要自己重新調配出一個配方，動輒一個月。