陳蓉：成為“規則改變者”

發布時間：2023-04-14 20:08 原文鏈接：陳蓉：成為“規則改變者”

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起初，投身科學研究的陳蓉也沒有想到，自己如今會與產業界發生如此不可分割的緊密聯系。

“在我們這個領域，從基礎研究到真正的產業應用，至少要經歷10到20年的時間，這是必須要走的路。”華中科技大學教授陳蓉告訴《中國科學報》。回國12年來，她深耕微納制造基礎研究，努力在納米尺度上擦亮“中國創造”的品牌。

今年，陳蓉獲得第二十五屆求是杰出青年成果轉化獎，她開創性地提出了選擇性原子層沉積方法，實現微納結構上“一步法”對準生長介電材料，為多家高新技術企業提供原創新技術方案。她的諸多ZL被國際領頭企業請求合作，一系列技術服務于國內微電子、能源催化等行業。

走向產業應用的10年

陳蓉最具代表性的成果之一——選擇性原子層沉積方法，是在提出大約10年后，應用于產業。

20年前在斯坦福大學讀博士時，陳蓉與導師開始探索原子層沉積方法，她們當時的目標也并非直接瞄準產業應用。

那段時間，芯片從65納米走向45納米的過程中引入了高介電薄膜材料應用于前道工序，雖摒棄了二氧化硅的缺陷，但需要復雜的制備工藝。材料、成本和效率，仍是制約芯片發展的重大挑戰。

“當芯片尺寸不斷縮小時，作為介電材料的二氧化硅不斷變薄，量子隧穿效應越來越明顯，到了45nm必須引入高k柵介質。”陳蓉回憶道，當時科學界和產業界都在嘗試各種辦法解決問題。

與此同時，在芯片的先進制程把芯片從大做小過程中，實際上是芯片晶體管柵極寬度由大變小，通常會采用自上而下、逐層制造的方法，但當尺度到了十幾甚至幾納米時，出現一個極難克服的技術瓶頸——在層與層之間光刻對準的精度降低，工藝產品良率較低。

對于材料的問題，陳蓉與導師的“路子”是引入新材料，不過，“新”同時也意味著諸多不確定性。比如，在進行“刻蝕”（半導體制造工藝中一種相當重要的步驟）時，由于材料的變化，刻蝕的過程和效果都可能發生“意外”，原來的腐蝕性物質如何改變也未可知。

經過持續鉆研、深入研究，陳蓉在國際上首次提出正性和負性互補的自組裝分子模板，實現圖形結構的自下而上沉積制造，通過選擇性沉積方法一步實現自對準生長，避免了復雜的高介電薄膜材料的刻蝕步驟，應用于半導體增材制造工藝，提升場效應管通道流動特性、微機電系統海量存儲芯片長效使用壽命。

“減少了過去多次反復光刻的步驟，可一次光刻定義的細微圖案化結構，讓成千上萬晶體管在特定位置處該聯通要聯通，該阻隔則阻隔。”陳蓉說。

憑借該成果，陳蓉獲得美國半導體研究協會Simon Karecki青年科學家獎，該成果發表在《先進材料》等領域內國際頂級期刊中，得到了學術界的廣泛關注。

學術與產業需不斷對話

原子層沉積方法正式被產業關注，是在10年后的2011年，陳蓉回國加入了華中科技大學，一天，她收到了一封郵件，是企業向她爭取該ZL的許可請求。陳蓉意識到，這在未來肯定是一項非常重要的技術。

在華中科技大學，陳蓉帶領團隊率先開展原子層沉積方法研究，在國外研究的自組裝分子模板輔助的區域選擇性沉積制造的基礎上，進一步提出表面能驅動的區域“自定位”生長機制，提升了三維納米結構在指定區域堆疊生長的精度和可控性，該成果填補國內空白，受到三星、臺積電、東電等半導體行業研究人員高度評價和跟蹤研究，成為國際領先。

基于基礎研究成果，陳蓉團隊研發了原子精度沉積制造工藝技術和配套裝備，突破了大比表面積微納顆粒和大尺寸柔性基底表面的批量化和快速制造裝備，并具有自主知識產權。在行業龍頭企業取得應用。

今天，面對行業和企業提出的難題，陳蓉應對時已頗為成熟。然而，最初，她也走過不少彎路。

“事實上，雙方的目標和話語體系并不同，都需要有一個學習過程。”陳蓉以原子層沉積方法為例講到，一開始，陳蓉在引入新材料時，關注材料的環境友好性，可減少生產過程中的損耗，對于科研而言，這是創新，“這確實很重要，但對產業來說，它當下最為急需的是降本增效”。

為減少“無疾而終”的合作，陳蓉非常樂意與產業界交流，她把科技成果轉化技術放在了華中科技大學無錫研究院，在她看來，這使得他們提供科學技術服務的同時，更得到了學習，“企業使用這個平臺，肯定希望發展未來的產品，我們也更加理解他們關注什么樣的技術指標，幫助我們迭代方法、改進研究。”

扎根科研與產業一線多年，陳蓉更愿意稱自己的工作為應用基礎研究，這類研究需要長期積累。

陳蓉常給學生舉例，“當前光刻機所用的卡爾·蔡司鏡頭，在100多年前，卡爾·蔡司開始專注于研發鏡頭體系，那時我們還處在清朝，他們有著長期的研發積累，才有了今天。”

在她看來，科研成果轉化需要耐心，大學教授突然要解決產業里特別急迫的問題，并不現實，他們的優勢更多是在從0到1的基礎研究上，這需要長時間的科研積累才能有所用，但一旦應用了，就或許成為“規則改變者”。

來自斯坦福大學的熏陶

陳蓉選擇貼近產業的研究方向，來自一次沒有征兆的“心動”。

在斯坦福大學讀博士的第一學期，學校允許學生有3次換研究組的機會，可以在3個完全不同的研究方向和風格中尋找自己最感興趣的。陳蓉首先選擇的是基礎研究課題組，第二個則是偏向應用的。

“那時，我覺得，如果我能看到自己的研究最終被用在了產品里，或是被別人了解，我會很有成就感。”這也是第一次，陳蓉感受到科學研究帶來的幸福。最終，她選擇了Bent教授課題組，也經歷了Bent教授從拿到tenure到現在成為美國工程院院士，斯坦福大學副教務長。

“老師很愿意與企業打交道，斯坦福大學也比較‘接地氣’，通過一些體制機制推動科研成果產業化。”陳蓉說，她起初參與的就是來自美國國家自然科學基金和半導體聯盟共同資助的項目，這讓她在與企業研發人員交流的時候，逐漸建立起了產業的意識，關心產業端最具挑戰性的難題是什么，基礎研究還需如何突破等。

回國12年來，陳蓉深深感到，近年來，我國的產業步伐走得很快，已經進入了無人區，必須要依靠自主研發了。自主研發需要產學研的共同努力，陳蓉非常認同國家提出的“有組織的科研”組織模式。

“尤其在應用基礎研究領域，要把‘我擅長的’‘我想做的’與國家需要的聯系在一起。”陳蓉說，一方面科研人員覺得重要，而產業覺得不重要；另一方面，企業通過看論文研發新技術，結果未必如愿，這些都會致使成果轉化效率低。“國際上成熟的做法是在更早期，甚至在項目規劃時，雙方就共同參與進來，由企業或是產業聯盟牽頭，產學研合作將更加緊密，提高成果轉化效率。”

作為選擇性原子層沉積方法的最早提出者，陳蓉除了繼續攻克難題外，還正加緊組織國際會議、建立國際標準，“由我國主導制定標準，將大大提升我國原子層沉積領域的話語權和影響力。”