原創(chuàng) 李思輝 東芳 中國(guó)科學(xué)報(bào)

2025年01月03日 07:50 北京

文 ｜ 《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 記者 李思輝 通訊員 東芳

劉勝院士（中）與團(tuán)隊(duì)成員在一起。武漢大學(xué)供圖

初冬時(shí)節(jié)，珞珈山青磚黛瓦，疊翠流金。走進(jìn)武漢大學(xué)校園東北角的實(shí)驗(yàn)室，龐大的“薄膜生長(zhǎng)缺陷跨時(shí)空尺度原位/實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)控實(shí)驗(yàn)裝置”（以下簡(jiǎn)稱薄膜生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置）正在高速運(yùn)行。

該裝置由“進(jìn)樣腔”“高真空環(huán)形機(jī)械手傳樣腔”等多個(gè)腔體和“超快飛秒雙模成像系統(tǒng)”“超快電子成像系統(tǒng)”等多個(gè)構(gòu)件組成，占地面積20多平方米。湊近細(xì)看，整個(gè)裝置宛如一座復(fù)雜的精密元器件森林。

“現(xiàn)在及未來(lái)，就是它發(fā)揮作用的時(shí)候了！”中國(guó)科學(xué)院院士、武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院院長(zhǎng)劉勝對(duì)這套裝置頗有信心。過(guò)去五六年，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)把大量時(shí)間和精力傾注于此，因?yàn)椤皩?shí)在太重要了、太緊迫了”。

這套自主研制的薄膜生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，由武漢大學(xué)牽頭，聯(lián)合華中科技大學(xué)、清華大學(xué)天津高端裝備研究院、華南理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所和微電子研究所等多家單位，歷時(shí)5年完成。權(quán)威專家在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》上撰文評(píng)價(jià)，該裝置對(duì)解決我國(guó)薄膜生長(zhǎng)核心技術(shù)“卡脖子”問(wèn)題具有重要意義，有效促進(jìn)了寬禁帶等半導(dǎo)體材料與器件領(lǐng)域的學(xué)科發(fā)展與進(jìn)步。

在劉勝看來(lái)，這一切都得益于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持，“如果沒(méi)有國(guó)家自然科學(xué)基金的支持，大家只能小敲小打；正是因?yàn)橛辛藝?guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目，才有了后面的故事”。

小敲小打解決不了問(wèn)題

2012年，美國(guó)波士頓大學(xué)，在薄膜生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置前，劉勝和學(xué)生合了張影。彼時(shí)，薄膜生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的研制技術(shù)被少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)掌握，技術(shù)壁壘重重，在國(guó)外出差的劉勝心里暗暗較勁，一定要攻克這項(xiàng)研制技術(shù)。

“薄膜生長(zhǎng)”如果采用傳統(tǒng)的化學(xué)沉積方式，容易產(chǎn)生污染和缺陷，影響半導(dǎo)體的質(zhì)量和性能。解決這個(gè)問(wèn)題需要借助薄膜生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，但國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期不掌握相關(guān)裝置的研制技術(shù)，只能靠買，而關(guān)鍵的核心技術(shù)往往是買不來(lái)的。能不能自主研發(fā)？劉勝帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了一系列基礎(chǔ)研發(fā)工作。國(guó)內(nèi)同行也開(kāi)展了一些相關(guān)研究。經(jīng)過(guò)幾年的探索，大家發(fā)現(xiàn)，光靠某幾個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)零零碎碎的小敲小打不足以解決問(wèn)題，而且這類研發(fā)周期長(zhǎng)、投入巨大的研究很難爭(zhēng)取到社會(huì)投資，唯有借助國(guó)家科研投入、開(kāi)展協(xié)同攻關(guān)才能盡快破題。

這一重要科學(xué)研究的迫切需求受到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的關(guān)注。2018年4月，由劉勝領(lǐng)銜的國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目薄膜生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置正式啟動(dòng)。

從無(wú)到“優(yōu)”難度巨大

薄膜生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的研制對(duì)場(chǎng)地要求高——震動(dòng)小、電磁場(chǎng)低、干擾少?？茖W(xué)家團(tuán)隊(duì)繞著武漢大學(xué)所在的珞珈山勘測(cè)了一圈，“山頂上、山洞里都尋了個(gè)遍”，最終發(fā)現(xiàn)位于學(xué)校東北角的廢棄學(xué)生澡堂最合適。此前這個(gè)地方準(zhǔn)備作為另一項(xiàng)研究的用地，那項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人主動(dòng)把地塊讓出來(lái)，支持薄膜生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的研制，為后面的工作打下了基礎(chǔ)。

劉勝坦言，2018年項(xiàng)目立項(xiàng)之后的5年是他壓力最大的5年。一方面，芯片技術(shù)作為國(guó)際科技博弈的焦點(diǎn)，地位越來(lái)越重要，迫切性越來(lái)越突出；另一方面，國(guó)際上的相關(guān)技術(shù)不斷更新，設(shè)備研制要從無(wú)到“優(yōu)”，難度巨大。那幾年，一向以愛(ài)運(yùn)動(dòng)、精力好著稱的劉勝血壓高了起來(lái)。

“拿了國(guó)家那么多錢，壓力很大，但動(dòng)力也很足?！眲俑嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“從0到1”的創(chuàng)新雖然很難，但是很有挑戰(zhàn)性，科研越是進(jìn)入“無(wú)人區(qū)”，越是要有不懼艱難的開(kāi)拓精神，絕不能辜負(fù)國(guó)家的信任。

為方便工作，劉勝全家搬進(jìn)了武漢大學(xué)校內(nèi)的教師公寓。每天除了睡覺(jué)，他基本上都待在實(shí)驗(yàn)室和辦公室。

據(jù)團(tuán)隊(duì)成員回憶，那幾年，劉老師和大家一起沒(méi)日沒(méi)夜地干，克服了疫情帶來(lái)的不便并破解了很多大大小小的難題。最困難的時(shí)候，大家住在實(shí)驗(yàn)室里干通宵。

功夫不負(fù)有心人。2023年9月1日，由3位院士領(lǐng)銜的國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)項(xiàng)目驗(yàn)收專家組，一致同意薄膜生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置項(xiàng)目通過(guò)結(jié)題驗(yàn)收，并認(rèn)為該成果具有突出的原創(chuàng)性。

據(jù)介紹，這套自主研制的薄膜生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置能夠?qū)⒐?、藍(lán)寶石等襯底放入進(jìn)樣腔，通過(guò)“高真空環(huán)形機(jī)械手”將襯底轉(zhuǎn)運(yùn)至功能不同的腔體，完成襯底的預(yù)處理、薄膜生長(zhǎng)、等離子體清洗等過(guò)程。裝置真空互聯(lián)，避免人為因素及外部環(huán)境對(duì)生長(zhǎng)材料造成不良影響，顯著提高了生長(zhǎng)材料的質(zhì)量，同時(shí)引入超快激光，對(duì)整個(gè)“薄膜生長(zhǎng)”過(guò)程中的缺陷進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)控。

努力看到更多風(fēng)景

當(dāng)?shù)孛襟w報(bào)道，薄膜生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置順利通過(guò)驗(yàn)收后，劉勝特地從老家湖北黃梅縣買了甲魚和黃鱔，邀請(qǐng)團(tuán)隊(duì)全體成員吃飯慶祝。

劉勝說(shuō)：“這一天，我終于看到了一些風(fēng)景。”為了看到這些“風(fēng)景”，他準(zhǔn)備的時(shí)間其實(shí)遠(yuǎn)不止5年。

劉勝29歲取得美國(guó)斯坦福大學(xué)博士學(xué)位，32歲獲美國(guó)總統(tǒng)教授獎(jiǎng)。20世紀(jì)90年代，已經(jīng)是美國(guó)知名大學(xué)終身教授的劉勝?zèng)Q定帶著妻子回國(guó)，和其他科學(xué)家一道開(kāi)展前沿研究，致力于扭轉(zhuǎn)我國(guó)芯片封裝技術(shù)受制于人的局面。他領(lǐng)銜自主研制的薄膜生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置是其中具有代表性的工作之一。

據(jù)悉，芯片產(chǎn)業(yè)鏈大致可分為設(shè)計(jì)、制造和封裝三大環(huán)節(jié)。在芯片設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)，我國(guó)與先進(jìn)國(guó)家仍存在差距，但在劉勝帶隊(duì)攻關(guān)的芯片封裝領(lǐng)域，目前我國(guó)已占據(jù)行業(yè)技術(shù)制高點(diǎn)，處于并跑乃至領(lǐng)跑位置。

在2021年11月召開(kāi)的國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，劉勝團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜完成的“高密度高可靠電子封裝關(guān)鍵技術(shù)及成套工藝”項(xiàng)目榮獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，標(biāo)志著我國(guó)高密度、高可靠電子封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有、由傳統(tǒng)封裝向先進(jìn)封裝的轉(zhuǎn)變。

2023年9月，集成了超快激光、超快光學(xué)成像、超快電子成像、真空互聯(lián)等創(chuàng)新技術(shù)，在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位的薄膜生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)結(jié)題驗(yàn)收，意味著我國(guó)在薄膜單晶生長(zhǎng)領(lǐng)域走入世界前列。

2023年11月，60歲的劉勝當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院院士。他告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，自己是趕上了院士制度改革的好政策，運(yùn)氣不錯(cuò)。他直言，對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，瞄準(zhǔn)國(guó)家重大戰(zhàn)略需求和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要做出更多開(kāi)創(chuàng)性成果，努力看到更多風(fēng)景，才是最重要的。

“自主研制的薄膜生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)有了，中國(guó)科學(xué)家不必再用羨慕的眼光去國(guó)外與這類裝置合影了。現(xiàn)在及未來(lái)，就是它發(fā)揮作用的時(shí)候了！”劉勝說(shuō)。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：接下來(lái)，薄膜生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置將在助力我國(guó)芯片制造上發(fā)揮哪些重要作用？

劉勝：重點(diǎn)是通過(guò)“產(chǎn)學(xué)研用”聯(lián)動(dòng)，把它更多地應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)中。

比如，我們做芯片封裝，在先進(jìn)工藝裝備被發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷的背景下，經(jīng)過(guò)10多年“產(chǎn)學(xué)研用”校所企聯(lián)合攻關(guān)，與行業(yè)內(nèi)科研單位、龍頭企業(yè)組建了國(guó)家集成電路封測(cè)產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，實(shí)現(xiàn)了高密度、高可靠電子封裝從無(wú)到有、由傳統(tǒng)封裝向先進(jìn)封裝的轉(zhuǎn)變；實(shí)現(xiàn)了高密度、高可靠電子封裝技術(shù)的自主化；研制成功的300多類產(chǎn)品，覆蓋通信、汽車等12個(gè)行業(yè)，使我國(guó)電子封裝行業(yè)更具國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力……這些都說(shuō)明一個(gè)道理，科技創(chuàng)新特別是重大裝備研制的創(chuàng)新，需要有產(chǎn)業(yè)意識(shí)，注重應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)中。

眼下，我國(guó)一些芯片制造企業(yè)做得不錯(cuò)，但部分技術(shù)參數(shù)還不盡如人意，與發(fā)達(dá)國(guó)家的一些大企業(yè)相比還有差距。下一步，我們將開(kāi)展更密切的“產(chǎn)學(xué)研用”合作，讓更多企業(yè)借助先進(jìn)設(shè)施設(shè)備實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的提升，尤其是在一些關(guān)鍵技術(shù)上力爭(zhēng)“做到極致”。總之，薄膜生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置將更多地在產(chǎn)業(yè)鏈上用起來(lái)，產(chǎn)生更大價(jià)值。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：可否結(jié)合團(tuán)隊(duì)五年如一日研制薄膜生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的過(guò)程，給廣大青年科研人員一些建議？

劉勝：做科研不能只為了發(fā)論文，而應(yīng)該努力面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，多做一些國(guó)家迫切需要的研究。此外，在選擇研究方向的時(shí)候，可以多在交叉領(lǐng)域、新領(lǐng)域?qū)で笸黄?，不必一窩蜂地奔著熱點(diǎn)去“卷”。

記得當(dāng)年我從斯坦福大學(xué)畢業(yè)時(shí)，曾問(wèn)我的導(dǎo)師——我畢業(yè)后應(yīng)該做點(diǎn)什么研究？導(dǎo)師說(shuō)：“如果我知道，我就去做了，干嗎告訴你？”我一直記得他的話，一定要努力做那些其他人沒(méi)做或者很少人做的事情。不斷交叉融合、不斷創(chuàng)新，就能找到一些盡量少“卷”，但又很值得去做的研究。

科學(xué)研究不妨在國(guó)家和社會(huì)需求的范圍內(nèi)去“求異”，另辟蹊徑看風(fēng)景。比如，過(guò)去我國(guó)百分之八九十的裝備和材料靠進(jìn)口，很多東西都來(lái)自國(guó)外。經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展到一定階段，國(guó)家自主創(chuàng)新的需求與日俱增，如何實(shí)現(xiàn)先進(jìn)裝備、先進(jìn)材料的自主可控，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代乃至國(guó)產(chǎn)超越，是一個(gè)擺在我們面前的大課題。

現(xiàn)在的年輕人知識(shí)結(jié)構(gòu)更豐富、眼界視野更開(kāi)闊，創(chuàng)新突破的機(jī)會(huì)也更多，前景無(wú)限。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》

審核編輯 黃宇