文｜《中国科学报》 记者 韩扬眉
起初，投身科学研究的陈蓉没有想到，自己如今与产业界有如此不可分割的联系。“在我们这个领域，从基础研究到真正的产业应用至少要经历10到20年。这是必须走的路。”华中科技大学教授陈蓉告诉《中国科学报》。回国12年来，她深耕微纳制造基础研究，努力在纳米尺度上擦亮“中国创造”的品牌。今年，陈蓉获得第二十五届中国科协求是杰出青年成果转化奖。她开创性提出了选择性原子层沉积方法，实现微纳结构上“一步法”对准生长介电材料，为多家高新技术企业提供原创新技术方案。她的诸多专利被国际头部企业所青睐，一系列技术服务于国内微电子、能源催化等行业。
陈蓉最具代表性的成果之一 ——选择性原子层沉积方法，是在提出大约10年后应用于产业界的。20年前在美国斯坦福大学读博士时，陈蓉与导师开始探索原子层沉积方法。她们当时的目标并非直接瞄准产业应用。那段时间，芯片制造从65纳米走向45纳米的过程中引入了高介电薄膜材料并应用于前道工序。材料、成本和效率仍是制约芯片发展的重大挑战。“芯片尺寸不断缩小，作为介电材料的二氧化硅不断变薄，量子隧穿效应越来越明显，到了45纳米必须引入高k栅介质。”陈蓉回忆，当尺度到了十几甚至几纳米时，出现一个极难克服的技术瓶颈——在层与层之间光刻对准的精度降低，工艺产品良率较低。当时科学界和产业界都在尝试用各种办法解决问题。陈蓉与导师的“路子”是引入新材料。不过，“新”也意味着诸多不确定性。比如，在进行“刻蚀”（半导体制造工艺中一种相当重要的步骤）时，由于材料的变化，刻蚀过程和效果都可能发生“意外”，原来的腐蚀性物质如何改变也不可知。经过深入研究，陈蓉在国际上首次提出正性和负性互补的自组装分子模板，实现图形结构自下而上沉积制造，通过选择性沉积方法一步实现自对准生长，省略了复杂高介电薄膜材料的刻蚀步骤。将其应用于半导体增材制造工艺，可提升场效应管通道流动特性、微机电系统海量存储芯片长效使用寿命。“减少了过去多次反复光刻的步骤，可一次光刻定义的细微图案化结构，让成千上万晶体管在特定位置处该连通的连通、该阻隔的则阻隔。”陈蓉说。凭借该成果，陈蓉获得美国半导体研究协会Simon Karecki青年科学家奖。该成果发表于《先进材料》等领域内国际期刊，得到了学术界广泛关注。
原子层沉积方法正式被产业界关注是在2011年。陈蓉回国加入华中科技大学后，有一天她收到了一封邮件，是企业向她争取该专利的许可请求。陈蓉意识到，这在未来肯定是一项非常重要的技术。在华中科技大学，陈蓉带领团队率先开展原子层沉积方法研究。团队在国外研究的自组装分子模板辅助区域选择性沉积制造的基础上，进一步提出表面能驱动的区域“自定位”生长机制，提升了三维纳米结构在指定区域堆叠生长的精度和可控性。该研究填补国内空白，受到三星、台积电、东电电子等半导体企业研究人员的高度评价并被跟踪研究，成为国际领先成果。基于基础研究成果，陈蓉团队研发了原子精度沉积制造工艺技术和配套装备，实现了大比表面积微纳颗粒、大尺寸柔性基底表面的批量化和快速制备，并具有自主知识产权，在行业龙头企业获得应用。如今面对行业和企业提出的难题，陈蓉应对已颇为成熟。然而，最初她也走过不少弯路。“事实上，双方的目标和话语体系并不同，都需要一个学习过程。”陈蓉以原子层沉积方法为例告诉记者，一开始引入新材料时，她关注材料的环境友好性，可减少生产过程中的损耗。对于科研而言，这是创新，“确实很重要。但对产业来说，当下最急需的是降本增效”。为减少“无疾而终”的合作，陈蓉非常乐意与产业界交流。她把科技成果转化技术平台放在了华中科技大学无锡研究院。在她看来，“企业使用这个平台，肯定希望发展未来的产品，而这则有助于我们了解他们关注什么样的技术指标，帮助我们迭代方法、改进研究”。扎根科研与产业一线多年，陈蓉更愿意称自己的工作为应用基础研究。这类研究需要长期积累。陈蓉常给学生举例，“当前光刻机使用的是卡尔·蔡司镜头。100多年前，我们还处在清朝时，卡尔·蔡司开始专注于研发镜头体系。它经过长期的研发积累，才有了今天。”在她看来，科研成果转化需要耐心。大学教授突然要解决产业特别急迫的问题并不现实，他们的优势更多是在“从0到1”的基础研究上，而这需要长时间的科研积累才能有所用，一旦应用了或许就会成为“规则改变者”。
陈蓉选择贴近产业的研究方向，来自一次没有征兆的“心动”。在斯坦福大学读博士的第一学期，学校允许学生有3次换研究组的机会，在3个完全不同的研究方向和风格中寻找自己最感兴趣的地方。陈蓉首先选择的是基础研究课题组，其次则偏向应用。“那时我觉得，如果能看到自己的研究最终被用在产品上，或是被别人了解，我会很有成就感。”这是陈蓉第一次感受到科学研究带来的幸福。最终，她选择了Stacey Bent教授课题组，也见证了Bent从拿到终身教授到成为美国工程院院士、斯坦福大学副教务长的过程。“老师很愿意与企业打交道，斯坦福大学也比较‘接地气’，通过一些体制机制推动科研成果产业化。”陈蓉说。她起初参与的是美国国家自然科学基金和半导体联盟共同资助的项目，这让她在与企业研发人员交流时逐渐建立起了产业意识，关心产业端最具挑战性的难题是什么、基础研究还需如何突破等。回国12年来，陈蓉深深感到，近年来我国产业化步伐走得很快，已经进入了无人区，必须依靠自主研发。自主研发需要产学研共同努力，陈蓉非常认同国家提出的“有组织的科研”模式。“尤其在应用基础研究领域，要把‘我擅长的’‘我想做的’与国家需要联系在一起。”陈蓉说，一方面，科研人员觉得重要，而产业界却觉得不重要；另一方面，企业通过看论文研发新技术，结果未必如愿。这都会导致成果转化效率低。“国际上成熟的做法是在早期，甚至在项目规划时，就由企业或产业联盟牵头，双方共同参与，这样产学研合作将更加紧密，成果转化效率进一步提高。”作为选择性原子层沉积方法的最早提出者，陈蓉除了继续攻克难题外，还加紧组织国际会议、建立国际标准。“由我国主导制定标准，将大大提升我国原子层沉积领域的话语权和影响力。”
《中国科学报》 (2023-04-17 第4版 转移转化)编辑 | 方圆
排版 | 郭刚
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