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)長期不掌握相關裝置的研制技術(shù)，只能靠買，而關鍵的核心技術(shù)往往是買不來的。能不能自主研發(fā)？劉勝帶領團隊開展了一系列基礎研發(fā)工作。國內(nèi)同行也開展了一些相關研究。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注。2018年4月，由劉勝領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。

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，國際上的相關技術(shù)不斷更新，設備研制要從無到“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?！眲俑嬖V《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?、藍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?！睘榱丝吹竭@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)鏈大致可分為設計、制造和封裝三大環(huán)節(jié)。在芯片設計和制造環(huán)節(jié)，我國與先進國家仍存在差距，但在劉勝帶隊攻關的芯片封裝領域，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，劉勝團隊領銜完成的“高密度高可靠電子封裝關鍵技術(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?，F(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，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)借助先進設施設備實現(xiàn)技術(shù)上的提升，尤其是在一些關鍵技術(shù)上力爭“做到極致”?？傊?，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，可以多在交叉領域、新領域?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