原創(chuàng) 李思輝 東芳 中國科學報

2025年01月03日 07:50 北京

文 ｜ 《中國科學報》 記者 李思輝 通訊員 東芳

劉勝院士（中）與團隊成員在一起。武漢大學供圖

初冬時節(jié)，珞珈山青磚黛瓦，疊翠流金。走進武漢大學校園東北角的實驗室，龐大的“薄膜生長缺陷跨時空尺度原位/實時監(jiān)測與調(diào)控實驗裝置”（以下簡稱薄膜生長實驗裝置）正在高速運行。

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

“現(xiàn)在及未來，就是它發(fā)揮作用的時候了！”中國科學院院士、武漢大學動力與機械學院院長劉勝對這套裝置頗有信心。過去五六年，他帶領(lǐng)團隊把大量時間和精力傾注于此，因為“實在太重要了、太緊迫了”。

這套自主研制的薄膜生長實驗裝置，由武漢大學牽頭，聯(lián)合華中科技大學、清華大學天津高端裝備研究院、華南理工大學、中國科學院半導體研究所和微電子研究所等多家單位，歷時5年完成。權(quán)威專家在《激光與光電子學進展》上撰文評價，該裝置對解決我國薄膜生長核心技術(shù)“卡脖子”問題具有重要意義，有效促進了寬禁帶等半導體材料與器件領(lǐng)域的學科發(fā)展與進步。

在劉勝看來，這一切都得益于國家自然科學基金項目的支持，“如果沒有國家自然科學基金的支持，大家只能小敲小打；正是因為有了國家重大科研儀器研制項目，才有了后面的故事”。

小敲小打解決不了問題

2012年，美國波士頓大學，在薄膜生長實驗裝置前，劉勝和學生合了張影。彼時，薄膜生長實驗裝置的研制技術(shù)被少數(shù)發(fā)達國家和地區(qū)掌握，技術(shù)壁壘重重，在國外出差的劉勝心里暗暗較勁，一定要攻克這項研制技術(shù)。

“薄膜生長”如果采用傳統(tǒng)的化學沉積方式，容易產(chǎn)生污染和缺陷，影響半導體的質(zhì)量和性能。解決這個問題需要借助薄膜生長實驗裝置，但國內(nèi)長期不掌握相關(guān)裝置的研制技術(shù)，只能靠買，而關(guān)鍵的核心技術(shù)往往是買不來的。能不能自主研發(fā)？劉勝帶領(lǐng)團隊開展了一系列基礎(chǔ)研發(fā)工作。國內(nèi)同行也開展了一些相關(guān)研究。經(jīng)過幾年的探索，大家發(fā)現(xiàn)，光靠某幾個科學家團隊零零碎碎的小敲小打不足以解決問題，而且這類研發(fā)周期長、投入巨大的研究很難爭取到社會投資，唯有借助國家科研投入、開展協(xié)同攻關(guān)才能盡快破題。

這一重要科學研究的迫切需求受到了國家自然科學基金委員會的關(guān)注。2018年4月，由劉勝領(lǐng)銜的國家重大科研儀器研制項目薄膜生長實驗裝置正式啟動。

從無到“優(yōu)”難度巨大

薄膜生長實驗裝置的研制對場地要求高——震動小、電磁場低、干擾少。科學家團隊繞著武漢大學所在的珞珈山勘測了一圈，“山頂上、山洞里都尋了個遍”，最終發(fā)現(xiàn)位于學校東北角的廢棄學生澡堂最合適。此前這個地方準備作為另一項研究的用地，那項研究的負責人主動把地塊讓出來，支持薄膜生長實驗裝置的研制，為后面的工作打下了基礎(chǔ)。

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

“拿了國家那么多錢，壓力很大，但動力也很足。”劉勝告訴《中國科學報》，“從0到1”的創(chuàng)新雖然很難，但是很有挑戰(zhàn)性，科研越是進入“無人區(qū)”，越是要有不懼艱難的開拓精神，絕不能辜負國家的信任。

為方便工作，劉勝全家搬進了武漢大學校內(nèi)的教師公寓。每天除了睡覺，他基本上都待在實驗室和辦公室。

據(jù)團隊成員回憶，那幾年，劉老師和大家一起沒日沒夜地干，克服了疫情帶來的不便并破解了很多大大小小的難題。最困難的時候，大家住在實驗室里干通宵。

功夫不負有心人。2023年9月1日，由3位院士領(lǐng)銜的國家自然科學基金委員會項目驗收專家組，一致同意薄膜生長實驗裝置項目通過結(jié)題驗收，并認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實驗裝置能夠?qū)⒐琛⑺{寶石等襯底放入進樣腔，通過“高真空環(huán)形機械手”將襯底轉(zhuǎn)運至功能不同的腔體，完成襯底的預處理、薄膜生長、等離子體清洗等過程。裝置真空互聯(lián)，避免人為因素及外部環(huán)境對生長材料造成不良影響，顯著提高了生長材料的質(zhì)量，同時引入超快激光，對整個“薄膜生長”過程中的缺陷進行監(jiān)測和調(diào)控。

努力看到更多風景

當?shù)孛襟w報道，薄膜生長實驗裝置順利通過驗收后，劉勝特地從老家湖北黃梅縣買了甲魚和黃鱔，邀請團隊全體成員吃飯慶祝。

劉勝說：“這一天，我終于看到了一些風景。”為了看到這些“風景”，他準備的時間其實遠不止5年。

劉勝29歲取得美國斯坦福大學博士學位，32歲獲美國總統(tǒng)教授獎。20世紀90年代，已經(jīng)是美國知名大學終身教授的劉勝決定帶著妻子回國，和其他科學家一道開展前沿研究，致力于扭轉(zhuǎn)我國芯片封裝技術(shù)受制于人的局面。他領(lǐng)銜自主研制的薄膜生長實驗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、制造和封裝三大環(huán)節(jié)。在芯片設(shè)計和制造環(huán)節(jié)，我國與先進國家仍存在差距，但在劉勝帶隊攻關(guān)的芯片封裝領(lǐng)域，目前我國已占據(jù)行業(yè)技術(shù)制高點，處于并跑乃至領(lǐng)跑位置。

在2021年11月召開的國家科學技術(shù)獎勵大會上，劉勝團隊領(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”項目榮獲國家科學技術(shù)進步獎一等獎，標志著我國高密度、高可靠電子封裝技術(shù)實現(xiàn)了從無到有、由傳統(tǒng)封裝向先進封裝的轉(zhuǎn)變。

2023年9月，集成了超快激光、超快光學成像、超快電子成像、真空互聯(lián)等創(chuàng)新技術(shù)，在國際上處于領(lǐng)先地位的薄膜生長實驗裝置通過結(jié)題驗收，意味著我國在薄膜單晶生長領(lǐng)域走入世界前列。

2023年11月，60歲的劉勝當選為中國科學院院士。他告訴《中國科學報》，自己是趕上了院士制度改革的好政策，運氣不錯。他直言，對科學家來說，瞄準國家重大戰(zhàn)略需求和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要做出更多開創(chuàng)性成果，努力看到更多風景，才是最重要的。

“自主研制的薄膜生長實驗裝置已經(jīng)有了，中國科學家不必再用羨慕的眼光去國外與這類裝置合影了。現(xiàn)在及未來，就是它發(fā)揮作用的時候了！”劉勝說。

《中國科學報》：接下來，薄膜生長實驗裝置將在助力我國芯片制造上發(fā)揮哪些重要作用？

劉勝：重點是通過“產(chǎn)學研用”聯(lián)動，把它更多地應用到產(chǎn)業(yè)中。

比如，我們做芯片封裝，在先進工藝裝備被發(fā)達國家壟斷的背景下，經(jīng)過10多年“產(chǎn)學研用”校所企聯(lián)合攻關(guān)，與行業(yè)內(nèi)科研單位、龍頭企業(yè)組建了國家集成電路封測產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，實現(xiàn)了高密度、高可靠電子封裝從無到有、由傳統(tǒng)封裝向先進封裝的轉(zhuǎn)變；實現(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個行業(yè)，使我國電子封裝行業(yè)更具國際競爭力……這些都說明一個道理，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，注重應用到產(chǎn)業(yè)中。

眼下，我國一些芯片制造企業(yè)做得不錯，但部分技術(shù)參數(shù)還不盡如人意，與發(fā)達國家的一些大企業(yè)相比還有差距。下一步，我們將開展更密切的“產(chǎn)學研用”合作，讓更多企業(yè)借助先進設(shè)施設(shè)備實現(xiàn)技術(shù)上的提升，尤其是在一些關(guān)鍵技術(shù)上力爭“做到極致”。總之，薄膜生長實驗裝置將更多地在產(chǎn)業(yè)鏈上用起來，產(chǎn)生更大價值。

《中國科學報》：可否結(jié)合團隊五年如一日研制薄膜生長實驗裝置的過程，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，而應該努力面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，多做一些國家迫切需要的研究。此外，在選擇研究方向的時候，可以多在交叉領(lǐng)域、新領(lǐng)域?qū)で笸黄疲槐匾桓C蜂地奔著熱點去“卷”。

記得當年我從斯坦福大學畢業(yè)時，曾問我的導師——我畢業(yè)后應該做點什么研究？導師說：“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。

科學研究不妨在國家和社會需求的范圍內(nèi)去“求異”，另辟蹊徑看風景。比如，過去我國百分之八九十的裝備和材料靠進口，很多東西都來自國外。經(jīng)濟社會發(fā)展到一定階段，國家自主創(chuàng)新的需求與日俱增，如何實現(xiàn)先進裝備、先進材料的自主可控，實現(xiàn)國產(chǎn)替代乃至國產(chǎn)超越，是一個擺在我們面前的大課題。

現(xiàn)在的年輕人知識結(jié)構(gòu)更豐富、眼界視野更開闊，創(chuàng)新突破的機會也更多，前景無限。

《中國科學報》

審核編輯 黃宇