陳蓉：成為“規(guī)則改變者”

韓揚眉

陳蓉。圖片|華中科技大學(xué)官網(wǎng)

起初，投身科學(xué)研究的陳蓉沒有想到，自己如今與產(chǎn)業(yè)界有如此不可分割的聯(lián)系。

“在我們這個領(lǐng)域，從基礎(chǔ)研究到真正的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用至少要經(jīng)歷10到20年。這是必須走的路。”華中科技大學(xué)教授陳蓉告訴記者。回國12年來，她深耕微納制造基礎(chǔ)研究，努力在納米尺度上擦亮“中國創(chuàng)造”的品牌。

今年，陳蓉獲得第二十五屆中國科協(xié)求是杰出青年成果轉(zhuǎn)化獎。她開創(chuàng)性提出了選擇性原子層沉積方法，實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)上“一步法”對準生長介電材料，為多家高新技術(shù)企業(yè)提供原創(chuàng)新技術(shù)方案。她的諸多專利被國際頭部企業(yè)所青睞，一系列技術(shù)服務(wù)于國內(nèi)微電子、能源催化等行業(yè)。

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(yīng)用于產(chǎn)業(yè)界的。

20年前在美國斯坦福大學(xué)讀博士時，陳蓉與導(dǎo)師開始探索原子層沉積方法。她們當時的目標并非直接瞄準產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

那段時間，芯片制造從65納米走向45納米的過程中引入了高介電薄膜材料并應(yīng)用于前道工序。材料、成本和效率仍是制約芯片發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。

“芯片尺寸不斷縮小，作為介電材料的二氧化硅不斷變薄，量子隧穿效應(yīng)越來越明顯，到了45納米必須引入高k柵介質(zhì)。”陳蓉回憶，當尺度到了十幾甚至幾納米時，出現(xiàn)一個極難克服的技術(shù)瓶頸——在層與層之間光刻對準的精度降低，工藝產(chǎn)品良率較低。

當時科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界都在嘗試用各種辦法解決問題。陳蓉與導(dǎo)師的“路子”是引入新材料。不過，“新”也意味著諸多不確定性。比如，在進行“刻蝕”（半導(dǎo)體制造工藝中一種相當重要的步驟）時，由于材料的變化，刻蝕過程和效果都可能發(fā)生“意外”，原來的腐蝕性物質(zhì)如何改變也不可知。

經(jīng)過深入研究，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(xiàn)圖形結(jié)構(gòu)自下而上沉積制造，通過選擇性沉積方法一步實現(xiàn)自對準生長，省略了復(fù)雜高介電薄膜材料的刻蝕步驟。將其應(yīng)用于半導(dǎo)體增材制造工藝，可提升場效應(yīng)管通道流動特性、微機電系統(tǒng)海量存儲芯片長效使用壽命。

“減少了過去多次反復(fù)光刻的步驟，可一次光刻定義的細微圖案化結(jié)構(gòu)，讓成千上萬晶體管在特定位置處該連通的連通、該阻隔的則阻隔。”陳蓉說。

憑借該成果，陳蓉獲得美國半導(dǎo)體研究協(xié)會Simon Karecki青年科學(xué)家獎。該成果發(fā)表于《先進材料》等領(lǐng)域內(nèi)國際期刊，得到了學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。

原子層沉積方法正式被產(chǎn)業(yè)界關(guān)注是在2011年。陳蓉回國加入華中科技大學(xué)后，有一天她收到了一封郵件，是企業(yè)向她爭取該專利的許可請求。陳蓉意識到，這在未來肯定是一項非常重要的技術(shù)。

基于基礎(chǔ)研究成果，陳蓉團隊研發(fā)了原子精度沉積制造工藝技術(shù)和配套裝備，實現(xiàn)了大比表面積微納顆粒、大尺寸柔性基底表面的批量化和快速制備，并具有自主知識產(chǎn)權(quán)，在行業(yè)龍頭企業(yè)獲得應(yīng)用。

如今面對行業(yè)和企業(yè)提出的難題，陳蓉應(yīng)對已頗為成熟。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，都需要一個學(xué)習(xí)過程。”陳蓉以原子層沉積方法為例告訴記者，一開始引入新材料時，她關(guān)注材料的環(huán)境友好性，可減少生產(chǎn)過程中的損耗。對于科研而言，這是創(chuàng)新，“確實很重要。但對產(chǎn)業(yè)來說，當下最急需的是降本增效”。

為減少“無疾而終”的合作，陳蓉非常樂意與產(chǎn)業(yè)界交流。她把科技成果轉(zhuǎn)化技術(shù)平臺放在了華中科技大學(xué)無錫研究院。在她看來，“企業(yè)使用這個平臺，肯定希望發(fā)展未來的產(chǎn)品，而這則有助于我們了解他們關(guān)注什么樣的技術(shù)指標，幫助我們迭代方法、改進研究”。

扎根科研與產(chǎn)業(yè)一線多年，陳蓉更愿意稱自己的工作為應(yīng)用基礎(chǔ)研究。這類研究需要長期積累。

陳蓉常給學(xué)生舉例：“當前光刻機使用的是卡爾·蔡司鏡頭。100多年前，我們還處在清朝時，卡爾·蔡司開始專注于研發(fā)鏡頭體系。它經(jīng)過長期的研發(fā)積累，才有了今天。”

在她看來，科研成果轉(zhuǎn)化需要耐心。大學(xué)教授突然要解決產(chǎn)業(yè)特別急迫的問題并不現(xiàn)實，他們的優(yōu)勢更多是在“從0到1”的基礎(chǔ)研究上，而這需要長時間的科研積累才能有所用，一旦應(yīng)用了或許就會成為“規(guī)則改變者”。

陳蓉選擇貼近產(chǎn)業(yè)的研究方向，來自一次沒有征兆的“心動”。

在斯坦福大學(xué)讀博士的第一學(xué)期，學(xué)校允許學(xué)生有3次換研究組的機會，在3個完全不同的研究方向和風(fēng)格中尋找自己最感興趣的地方。陳蓉首先選擇的是基礎(chǔ)研究課題組，其次則偏向應(yīng)用。

“那時我覺得，如果能看到自己的研究最終被用在產(chǎn)品上，或是被別人了解，我會很有成就感。”這是陳蓉第一次感受到科學(xué)研究帶來的幸福。最終，她選擇了Stacey Bent教授課題組，也見證了Bent從拿到終身教授到成為美國工程院院士、斯坦福大學(xué)副教務(wù)長的過程。

“老師很愿意與企業(yè)打交道，斯坦福大學(xué)也比較‘接地氣’，通過一些體制機制推動科研成果產(chǎn)業(yè)化。”陳蓉說。她起初參與的是美國國家自然科學(xué)基金和半導(dǎo)體聯(lián)盟共同資助的項目，這讓她在與企業(yè)研發(fā)人員交流時逐漸建立起了產(chǎn)業(yè)意識，關(guān)心產(chǎn)業(yè)端最具挑戰(zhàn)性的難題是什么、基礎(chǔ)研究還需如何突破等。

回國12年來，陳蓉深深感到，近年來我國產(chǎn)業(yè)化步伐走得很快，已經(jīng)進入了無人區(qū)，必須依靠自主研發(fā)。自主研發(fā)需要產(chǎn)學(xué)研共同努力，陳蓉非常認同國家提出的“有組織的科研”模式。

“尤其在應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，要把‘我擅長的’‘我想做的’與國家需要聯(lián)系在一起。”陳蓉說，一方面，科研人員覺得重要，而產(chǎn)業(yè)界卻覺得不重要；另一方面，企業(yè)通過看論文研發(fā)新技術(shù)，結(jié)果未必如愿，這都會導(dǎo)致成果轉(zhuǎn)化效率低。“國際上成熟的做法是在早期，甚至在項目規(guī)劃時，就由企業(yè)或產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟牽頭，雙方共同參與，這樣產(chǎn)學(xué)研合作將更加緊密，成果轉(zhuǎn)化效率進一步提高。”

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

◎ 來源｜中國科學(xué)報