陈蓉：成为“规则改变者”

发布时间：2023-04-14 20:08 原文链接：陈蓉：成为“规则改变者”

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起初，投身科学研究的陈蓉也没有想到，自己如今会与产业界发生如此不可分割的紧密联系。

“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年的时间，这是必须要走的路。”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求是杰出青年成果转化奖，她开创性地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ZL被国际领头企业请求合作，一系列技术服务于国内微电子、能源催化等行业。

走向产业应用的10年

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。

20年前在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，她们当时的目标也并非直接瞄准产业应用。

那段时间，芯片从65纳米走向45纳米的过程中引入了高介电薄膜材料应用于前道工序，虽摒弃了二氧化硅的缺陷，但需要复杂的制备工艺。材料、成本和效率，仍是制约芯片发展的重大挑战。

“当芯片尺寸不断缩小时，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45nm必须引入高k栅介质。”陈蓉回忆道，当时科学界和产业界都在尝试各种办法解决问题。

与此同时，在芯片的先进制程把芯片从大做小过程中，实际上是芯片晶体管栅极宽度由大变小，通常会采用自上而下、逐层制造的方法，但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。

对于材料的问题，陈蓉与导师的“路子”是引入新材料，不过，“新”同时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，刻蚀的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未可知。

经过持续钻研、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，实现图形结构的自下而上沉积制造，通过选择性沉积方法一步实现自对准生长，避免了复杂的高介电薄膜材料的刻蚀步骤，应用于半导体增材制造工艺，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联通要联通，该阻隔则阻隔。”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，该成果发表在《先进材料》等领域内国际顶级期刊中，得到了学术界的广泛关注。

学术与产业需不断对话

原子层沉积方法正式被产业关注，是在10年后的2011年，陈蓉回国加入了华中科技大学，一天，她收到了一封邮件，是企业向她争取该ZL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，在国外研究的自组装分子模板辅助的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，该成果填补国内空白，受到三星、台积电、东电等半导体行业研究人员高度评价和跟踪研究，成为国际领先。

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，突破了大比表面积微纳颗粒和大尺寸柔性基底表面的批量化和快速制造装备，并具有自主知识产权。在行业龙头企业取得应用。

今天，面对行业和企业提出的难题，陈蓉应对时已颇为成熟。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，都需要有一个学习过程。”陈蓉以原子层沉积方法为例讲到，一开始，陈蓉在引入新材料时，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，“这确实很重要，但对产业来说，它当下最为急需的是降本增效”。

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放在了华中科技大学无锡研究院，在她看来，这使得他们提供科学技术服务的同时，更得到了学习，“企业使用这个平台，肯定希望发展未来的产品，我们也更加理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，“当前光刻机所用的卡尔·蔡司镜头，在100多年前，卡尔·蔡司开始专注于研发镜头体系，那时我们还处在清朝，他们有着长期的研发积累，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里特别急迫的问题，并不现实，他们的优势更多是在从0到1的基础研究上，这需要长时间的科研积累才能有所用，但一旦应用了，就或许成为“规则改变者”。

来自斯坦福大学的熏陶

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，可以在3个完全不同的研究方向和风格中寻找自己最感兴趣的。陈蓉首先选择的是基础研究课题组，第二个则是偏向应用的。

“那时，我觉得，如果我能看到自己的研究最终被用在了产品里，或是被别人了解，我会很有成就感。”这也是第一次，陈蓉感受到科学研究带来的幸福。最终，她选择了Bent教授课题组，也经历了Bent教授从拿到tenure到现在成为美国工程院院士，斯坦福大学副教务长。

“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，她起初参与的就是来自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的时候，逐渐建立起了产业的意识，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，我国的产业步伐走得很快，已经进入了无人区，必须要依靠自主研发了。自主研发需要产学研的共同努力，陈蓉非常认同国家提出的“有组织的科研”组织模式。

“尤其在应用基础研究领域，要把‘我擅长的’‘我想做的’与国家需要的联系在一起。”陈蓉说，一方面科研人员觉得重要，而产业觉得不重要；另一方面，企业通过看论文研发新技术，结果未必如愿，这些都会致使成果转化效率低。“国际上成熟的做法是在更早期，甚至在项目规划时，双方就共同参与进来，由企业或是产业联盟牵头，产学研合作将更加紧密，提高成果转化效率。”

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，还正加紧组织国际会议、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。”