探尋膜法的力量 訪天津大學(xué)化工學(xué)院教授、第十七屆中國(guó)青年科技獎(jiǎng)獲得者王拓

撰文/王懿霖 攝影/袁麗

REPORTER'S

NOTES

人物素描

經(jīng)過(guò)了一個(gè)暑期的沉淀，校園里又熱鬧起來(lái)。早晨8點(diǎn)剛過(guò)，記者來(lái)到了天津大學(xué)化工學(xué)院。“這些設(shè)備都是我們自己設(shè)計(jì)建造的?！睂?shí)驗(yàn)室內(nèi)，一位老師一邊指導(dǎo)學(xué)生，一邊指著正在運(yùn)行中的設(shè)備對(duì)記者說(shuō)。

這位老師名叫王拓，今年40歲，是天津大學(xué)化工學(xué)院的教授、博士生導(dǎo)師。王拓的科研項(xiàng)目圍繞“薄膜的氣相沉積”展開(kāi)，其主要應(yīng)用是芯片制造與光解水制氫。

前一段時(shí)間，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)青年科技人才培養(yǎng)和使用的若干措施》，有針對(duì)性地出臺(tái)了一些支持青年科技人才成長(zhǎng)發(fā)展的“硬舉措”，包括加強(qiáng)思想政治引領(lǐng)、強(qiáng)化職業(yè)早期支持、突出大膽使用、促進(jìn)國(guó)際化發(fā)展、構(gòu)建長(zhǎng)效機(jī)制等多個(gè)方面。

黨的十八大以來(lái)，我國(guó)青年科技人才規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2012年至2021年期間，我國(guó)研究與試驗(yàn)發(fā)展人員數(shù)量由416.7萬(wàn)人增長(zhǎng)到858.1萬(wàn)人，增加441.4萬(wàn)人，年均增長(zhǎng)7.67%。同期，自然科學(xué)領(lǐng)域博士畢業(yè)生總?cè)藬?shù)超過(guò)45萬(wàn)人，年均增長(zhǎng)率4.73%。近年來(lái)，我國(guó)博士后每年進(jìn)站人數(shù)都超過(guò)2.5萬(wàn)人，其中80%集中在自然科學(xué)領(lǐng)域。國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃參研人員中，45歲以下占比達(dá)80%以上。國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)叱晒瓿扇说钠骄挲g已低于45歲。

“教授”越來(lái)越年輕，對(duì)于這一點(diǎn)記者感受頗深。在“高端訪談”這個(gè)欄目開(kāi)設(shè)之初，受訪的主角大部分是奮斗多半生的“老專家”。而這幾年，記者采訪的“70后”和“80后”比例越來(lái)越高，甚至在許多項(xiàng)目中“90后”也正在獨(dú)自挑起大梁。

1987年，由錢(qián)學(xué)森等老一輩科學(xué)家提議設(shè)立的“中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)青年科技獎(jiǎng)”是目前“中國(guó)青年科技獎(jiǎng)”的前身，旨在造就一批進(jìn)入世界科技前沿的青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人，表彰獎(jiǎng)勵(lì)在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和科技創(chuàng)新中取得突出成就的青年科技人才。

今年年初，王拓就獲此殊榮。

“現(xiàn)下國(guó)內(nèi)的科研氛圍非常好，大家都在努力，我想我獲獎(jiǎng)是因?yàn)槲宜芯康谋容^契合目前的發(fā)展方向，而且更側(cè)重于實(shí)際應(yīng)用?！彪x開(kāi)實(shí)驗(yàn)室，王拓邊走邊對(duì)記者說(shuō)，“做化工專業(yè)最重要的就是解決生產(chǎn)制造中的實(shí)際問(wèn)題。”

“解決實(shí)際問(wèn)題?！甭?tīng)起來(lái)是一個(gè)再普通不過(guò)的“小”目標(biāo)，可在科研過(guò)程中，這幾乎可以稱為“夢(mèng)想”。許多科研人員奮斗一生，也許都出不了一件成果。對(duì)此，王拓也十分認(rèn)同，他坦言，“科研中的變數(shù)實(shí)在太多了。”

王拓目前努力的方向是芯片制造和光解水制氫，當(dāng)被問(wèn)到“選擇這兩個(gè)領(lǐng)域是因?yàn)樗鼈儽容^熱門(mén)”時(shí)，王拓笑著對(duì)記者搖了搖頭，然后講起了自己的經(jīng)歷。

2010年，王拓從美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校博士畢業(yè)，隨后便進(jìn)入到美國(guó)一家半導(dǎo)體設(shè)備集團(tuán)工作。“這是一家全球排名十分靠前、專業(yè)做半導(dǎo)體設(shè)備的公司，而我的主要工作是做薄膜沉積研發(fā)?！蓖跬卣f(shuō)，之所以留在美國(guó)工作，是因?yàn)槟菚r(shí)國(guó)內(nèi)并沒(méi)有類似的平臺(tái)，“我在學(xué)校時(shí)就一直在做這方面的學(xué)習(xí)和研究，要‘轉(zhuǎn)行’的話確實(shí)不太甘心?！睘榱藢W(xué)以致用，王拓留在了美國(guó)，但是那段時(shí)間他總覺(jué)得不踏實(shí)，“就是沒(méi)有歸屬感吧，心里無(wú)時(shí)無(wú)刻都在想著回國(guó)、回家?！奔m結(jié)了大概一年左右的時(shí)間，王拓還是決定遵從自己的內(nèi)心，辭職回到國(guó)內(nèi)，回到他的家鄉(xiāng)天津。

“回來(lái)了就踏實(shí)了。”王拓回憶說(shuō)，對(duì)于國(guó)內(nèi)平臺(tái)的選擇，他沒(méi)有絲毫猶豫，“天大是首選更是唯一的選擇，什么身份啊、待遇啊，都沒(méi)考慮過(guò)，回來(lái)做普通教師也好?！?/p>

相比自己的發(fā)展前路，王拓其實(shí)更在意科研方向?；貒?guó)后，他發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)在芯片化工領(lǐng)域的研究熱情不高，大部分企業(yè)還在依賴進(jìn)口?！翱蒲凶钪匾倪€是應(yīng)用，在當(dāng)時(shí)那種情況下，我就必須得換個(gè)出口，因?yàn)榧夹g(shù)不能荒廢了?！庇谑?，王拓將目光瞄準(zhǔn)到新能源領(lǐng)域。“聽(tīng)起來(lái)好像兩個(gè)關(guān)系不大，但其實(shí)都會(huì)用到我所研究的半導(dǎo)體薄膜。”王拓向記者介紹說(shuō)，利用化工的技術(shù)手段制作出的半導(dǎo)體薄膜，不僅可以應(yīng)用到集成電路芯片上，還可以用于太陽(yáng)能電池，“在太陽(yáng)光的照射下，半導(dǎo)體薄膜產(chǎn)生電子和空穴，我們可以通過(guò)氧化還原反應(yīng)將水分解為氫氣和氧氣，這種綠色的制氫方法未來(lái)也許會(huì)成為一個(gè)重要的能量來(lái)源途徑?！背碎_(kāi)發(fā)綠色能源，王拓還帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)邁向二氧化碳還原技術(shù)，“畢竟要實(shí)現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)，僅靠新能源還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，二氧化碳的循環(huán)利用也是十分必要而且重要的?！?/p>

潛心耕耘，靜待花開(kāi)。10年間，王拓認(rèn)準(zhǔn)自己的目標(biāo)，風(fēng)雨兼程，義無(wú)反顧。在談及科研期間難忘的經(jīng)歷時(shí)，王拓思考了一下，“每個(gè)項(xiàng)目都有難點(diǎn)，現(xiàn)在回憶起來(lái)那些場(chǎng)景依然歷歷在目，不過(guò)這在科研過(guò)程中都是家常便飯?！闭f(shuō)著，他笑著用手摸了摸頭，“你看，我這頭發(fā)就是熬夜寫(xiě)項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)熬白的。”

正如王拓所說(shuō)，科研中的變數(shù)實(shí)在太多了，但好在他始終堅(jiān)持自己，并沒(méi)有受環(huán)境影響而迷茫?！按蠹叶贾溃髞?lái)由于美國(guó)的對(duì)華限制，國(guó)產(chǎn)芯片急需破局，甚至到現(xiàn)在好多人還以為這是電子信息領(lǐng)域的問(wèn)題，其實(shí)真正卡住的很多是化工領(lǐng)域的技術(shù)?！币欢螘r(shí)間以來(lái)，許多芯片制造企業(yè)的主管找到王拓，他們非常著急，有的甚至連生產(chǎn)線都停了，只等著王拓為他們出方案、出技術(shù)?！八麄兘o我們下了‘命令’，每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)要完成什么，列得非常清楚，壓力大也沒(méi)辦法，困難時(shí)期，大家一起上吧?！苯鉀Q實(shí)際問(wèn)題，是王拓的目標(biāo)理想，所以無(wú)論有多難，他也會(huì)義無(wú)反顧。更或許，在他的選項(xiàng)里就沒(méi)有“放棄”這兩個(gè)字，他說(shuō)，堅(jiān)韌、抗壓是一個(gè)科研人員應(yīng)該具備的基本素質(zhì)。

言談中，記者總能感受到王拓身上的樂(lè)觀和自信，說(shuō)起困難他總是一笑而過(guò)，說(shuō)起前景他難掩興奮。無(wú)論環(huán)境如何變化，無(wú)論經(jīng)歷多少失敗，他從未放棄，因?yàn)樗麍?jiān)信科學(xué)，更堅(jiān)信自己。

EXCLUSIVE

DIALOGUE

獨(dú)家對(duì)話

記者：很多人以為芯片是電子信息技術(shù)，但其實(shí)它與化工關(guān)系也非常緊密，您能簡(jiǎn)單介紹一下嗎？

王拓：芯片的制造是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要微電子、物理、機(jī)械、材料、化學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)。而對(duì)于芯片制造來(lái)說(shuō)，其本質(zhì)上運(yùn)用的很多是化工技術(shù)，例如沉積、蝕刻。

制造芯片可以理解為在晶圓片上不斷累加圖案，這些圖案縱向連接，可達(dá)100多層，大概包含數(shù)百個(gè)步驟，而其中最為關(guān)鍵的大概有以下幾個(gè)，沉積是制造芯片的第一步，通常是將材料薄膜沉積到晶圓上。材料可以是導(dǎo)體、絕緣體或半導(dǎo)體；光刻膠涂覆，進(jìn)行光刻前，首先要在晶圓上涂覆光敏材料“光刻膠”或“光阻”，然后將晶圓放入光刻機(jī)；曝光，在掩模版上制作需要印刷的圖案藍(lán)圖。晶圓放入光刻機(jī)后，光束會(huì)通過(guò)掩模版投射到晶圓上。光刻機(jī)內(nèi)的光學(xué)元件將圖案縮小并聚焦到光刻膠涂層上。在光束的照射下，光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，光罩上的圖案由此印刻到光刻膠涂層；計(jì)算光刻，光刻期間產(chǎn)生的物理、化學(xué)效應(yīng)可能造成圖案形變，因此需要事先對(duì)掩模版上的圖案進(jìn)行調(diào)整，確保最終光刻圖案的準(zhǔn)確；烘烤與顯影，晶圓離開(kāi)光刻機(jī)后，要進(jìn)行烘烤及顯影，使光刻的圖案永久固定；刻蝕，顯影完成后，使用氣體等材料去除多余的空白部分，形成3D電路圖案；計(jì)量和檢驗(yàn)，芯片生產(chǎn)過(guò)程中，始終對(duì)晶圓進(jìn)行計(jì)量和檢驗(yàn)，確保沒(méi)有誤差。檢測(cè)結(jié)果反饋至光刻系統(tǒng)，進(jìn)一步優(yōu)化、調(diào)整設(shè)備；離子注入，在去除剩余的光刻膠之前，可以用正離子或負(fù)離子轟擊晶圓，對(duì)部分圖案的半導(dǎo)體特性進(jìn)行調(diào)整。

記者：除了制作半導(dǎo)體芯片，您所研究的薄膜氣相沉積還可以應(yīng)用到哪些方面？

王拓：想要了解薄膜氣相沉積的應(yīng)用，首先要大致了解這個(gè)技術(shù)。薄膜氣相沉積是一個(gè)典型的化工過(guò)程，主要包括主流體的流動(dòng)、前驅(qū)體分子的傳質(zhì)/表面吸附/反應(yīng)與脫附，以及加熱裝置向基底的傳熱等過(guò)程。目前來(lái)看，半導(dǎo)體芯片和太陽(yáng)能電池是薄膜沉積技術(shù)最大的應(yīng)用領(lǐng)域。

記者：應(yīng)用在太陽(yáng)能電池上，其大致原理是什么？目前是否已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)？

王拓：在光電化學(xué)能源轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中，如果薄膜電極能實(shí)現(xiàn)光能到化學(xué)能的直接、高效轉(zhuǎn)化，則可利用太陽(yáng)能獲得氫氣或還原二氧化碳，助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和碳達(dá)峰的目標(biāo)。目前，薄膜電極的活性、穩(wěn)定性尚無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。在薄膜的氣相沉積中，傳遞過(guò)程對(duì)沉積反應(yīng)及薄膜性質(zhì)起著決定性作用。如何根據(jù)載氣流動(dòng)、前驅(qū)體傳質(zhì)、表面反應(yīng)等基本原理，精確調(diào)控半導(dǎo)體薄膜的均勻性、致密性、缺陷結(jié)構(gòu)、電子傳輸結(jié)構(gòu)，是提升薄膜的光電化學(xué)性能，從而構(gòu)建高效、穩(wěn)定薄膜電極急需解決的核心問(wèn)題。

記者：該技術(shù)的難點(diǎn)和關(guān)鍵是什么？

王拓：制備均勻、致密且性質(zhì)可控的高質(zhì)量薄膜，關(guān)鍵在于掌握前驅(qū)體分子的傳質(zhì)、吸附及反應(yīng)規(guī)律。薄膜沉積過(guò)程中流場(chǎng)分布不均造成的局部前驅(qū)體濃度不均及基底表面溫度梯度，成為了影響薄膜沉積過(guò)程及薄膜質(zhì)量的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)我們的努力，目前已經(jīng)探明了流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)前驅(qū)體傳質(zhì)及基底表面溫度梯度的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)并研制了流型可控的薄膜沉積系統(tǒng)，獲得了高濃度表面吸附位點(diǎn)（如羥基），促進(jìn)了前驅(qū)體分子的均勻吸附與致密成核，實(shí)現(xiàn)了薄膜的可控沉積，構(gòu)建了高效、穩(wěn)定的光電化學(xué)水分解制氫薄膜電極系統(tǒng)。

記者：在該領(lǐng)域，您還獲得了哪些突破？

王拓：幾年間，我們圍繞薄膜氣相沉積做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，積累了許多成果及應(yīng)用，其主要有以下三個(gè)方面。首先是，我們不僅闡明了繞流流態(tài)對(duì)流場(chǎng)均勻性及沉積過(guò)程的影響規(guī)律，獲得了致密的保護(hù)層薄膜，還解決了光解水制氫體系中活性與穩(wěn)定性相制衡的問(wèn)題。針對(duì)硅等高活性半導(dǎo)體易腐蝕的問(wèn)題，在原子沉積腔體內(nèi)構(gòu)建了均勻的載氣流場(chǎng)，沉積了致密的無(wú)孔洞二氧化鈦保護(hù)層薄膜，使高活性半導(dǎo)體耐受高腐蝕性電解液，并揭示了保護(hù)層中電荷在晶界間的隧穿傳輸機(jī)制，光電產(chǎn)氫穩(wěn)定性超過(guò)200小時(shí)。

其次是，揭示了層流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)傳質(zhì)與傳熱速率的調(diào)控機(jī)制，厘清了前驅(qū)體表面吸附過(guò)程對(duì)鈍化層缺陷的影響機(jī)制，構(gòu)筑了高效的界面間電荷傳輸通道。針對(duì)保護(hù)層與基底晶格失配形成的缺陷，探明了載氣流動(dòng)形式對(duì)沉積反應(yīng)的影響規(guī)律，使沉積過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鬏d氣決定的傳質(zhì)控制，獲得了缺陷結(jié)構(gòu)可控的氧化鋁及無(wú)定形硅薄膜作為界面鈍化層，電極的光—?dú)淠芰哭D(zhuǎn)化效率突破15%。

最后是，探明了大容量薄膜沉積反應(yīng)器中擾流結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的等效放大規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了基于工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)硅片的薄膜電極模組化放大。設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)緊湊的圓盤(pán)形擾流結(jié)構(gòu)，減弱失穩(wěn)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，基于此創(chuàng)制了流場(chǎng)均勻的大容量原子沉積系統(tǒng)，將光電極的面積由1cm2放大至標(biāo)準(zhǔn)156mm硅片的243cm2，具備了模組化放大的條件。