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陳蓉：與原子共舞 | 探索者

2022/08/05
導(dǎo)讀
底部的世界大有可為，陳蓉堅(jiān)信這一點(diǎn)
    
8.5
知識(shí)分子The Intellectual

陳蓉，華中科技大學(xué)教授，2021年 “科學(xué)探索獎(jiǎng)” 先進(jìn)制造領(lǐng)域獲獎(jiǎng)人。

獲獎(jiǎng)理由：肯定她在原子制造的高精度定位、一致性和高效率方面的貢獻(xiàn)，支持她在集成電路先進(jìn)制程的原子尺度協(xié)同制造方向進(jìn)行探索。


編者按


陳蓉所從事的先進(jìn)制造，或者納米科技，是僅存在于毫米的百萬(wàn)分之一里。騰挪在原子的微小空間，肉眼不可見(jiàn)，手指觸不著，其如何斑駁絢爛、光怪陸離，多數(shù)時(shí)候只能靠腦袋去想、去猜。甚至光想還不夠，作為實(shí)驗(yàn)科學(xué)家，難的地方還在于要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的操控。可讓原子乖乖聽(tīng)話，哪那么容易。在如何把一件事做到極致方面，陳蓉應(yīng)該是比較有發(fā)言權(quán)的。她的做事風(fēng)格，用一個(gè)詞形容，就是精益求精。追求極致的道路可以是永無(wú)止境的，但另一方面，作為技術(shù)專家和政策建言者，懂得尊重自然和經(jīng)濟(jì)規(guī)律的限制，又體現(xiàn)了她實(shí)事求是、腳踏實(shí)地的一面。


撰文 | 邸利會(huì)

責(zé)編 | 錢煒


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科學(xué)之外，旅游是陳蓉為數(shù)不多的愛(ài)好。博士畢業(yè)不久的一個(gè)夏天，她曾來(lái)到阿拉斯加，目睹巨大的冰山在面前崩裂、翻轉(zhuǎn)，沉入大海，掀起的巨浪差點(diǎn)把乘坐的小舟打翻；她也曾游蕩在四下無(wú)人的荒蠻之地，近距離與體型碩大的黑熊四目相對(duì) ......

“人類在自然面前確實(shí)很渺小?！?回憶起這些有趣的經(jīng)歷，陳蓉對(duì)我說(shuō)。

這種對(duì)宏大自然力量的敬畏，與陳蓉的科研工作——對(duì)物質(zhì)最小單元的精準(zhǔn)操控，形成有趣的對(duì)照。在實(shí)驗(yàn)室里，她所沉浸的是另一個(gè)斑斕的世界。這個(gè)世界是如此的小，只有毫米的百萬(wàn)分之一，卻也足夠地大，別有一番洞天。

圖1 2007年陳蓉在阿拉斯加，將身體隱藏在散落的冰塊后面 | 受訪者供圖



1


底部的世界

無(wú)論是演講，還是講課，陳蓉喜歡引用物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）的著名演講——“There’s Plenty of Room at the Bottom” 作為開(kāi)場(chǎng)。這句英文意譯過(guò)來(lái)也可以是，“底部的世界大有可為” 。

早在斯坦福讀書時(shí)，陳蓉就知道，她的碩士導(dǎo)師 R. Fabian Pease 在1985年和學(xué)生將英國(guó)作家狄更斯《雙城記》的第一頁(yè)，用電子束縮小1/25,000后，刻到了200x200平方微米的塑料上。這種密度大概相當(dāng)于在一個(gè)針尖上打印出了大英百科全書。

當(dāng)然，除了 “刻” 以外，費(fèi)曼在演講中還預(yù)見(jiàn)了另一種制造模式—— “長(zhǎng)”。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是讓原子自下向上的生長(zhǎng)，如同搭積木那樣。這也是陳蓉20多年來(lái)所潛心研究的問(wèn)題。

“費(fèi)曼教授的核心觀點(diǎn)是，一個(gè)個(gè)原子的制造并不違反物理原則，理論上是可以做得到的?！?陳蓉向我解釋道。

20年前，她和博士導(dǎo)師 Stacey F. Bent 教授開(kāi)始探索、發(fā)展名為 “原子層沉積”（atomic layer deposition, ALD）的制造技術(shù)。作為一種逐層添加原子的高精度薄膜制造方法，ALD可以作為 “自下而上” 原子制造的代表，在芯片制造、柔性電子、電池、尾氣催化等方面均有應(yīng)用。

博士畢業(yè)在英特爾待了幾年后，2011年，陳蓉回到了位于武漢的華中科技大學(xué)，組建了新的實(shí)驗(yàn)室和研究組。如今，在幾百平米的潔凈間里，擺放著各種 “奇形怪狀” 的儀器設(shè)備。這些都是她回國(guó)后帶領(lǐng)學(xué)生一起搭建的。這里也是他們與原子 “共舞” 的試驗(yàn)場(chǎng)。

圖2 陳蓉在操控精密的原子層沉積相關(guān)設(shè)備儀器 | 受訪者供圖


向我解釋 “原子層沉積” 這個(gè)概念，陳蓉頗費(fèi)了一番周折。

根本的困難在于，我們?nèi)粘Ｉ罱佑|到的事物，都處在宏觀的世界里。從宏觀到微觀，不只是縮小幾百萬(wàn)倍那么簡(jiǎn)單，更重要的是，主宰其中的物理規(guī)律變成了與牛頓力學(xué)迥然有別的量子力學(xué)。

“中間最難的地方就是要想辦法通過(guò)我們的這些調(diào)控建立起微觀和宏觀之間的聯(lián)系。最后其實(shí)難的，我覺(jué)得也就是這一點(diǎn)?！?陳蓉解釋說(shuō)。

在原子層沉積中，表面究竟發(fā)生了什么，絕不可能用肉眼看到，只能通過(guò)這些儀器看到宏觀的平均的 “表象”，如果和腦子設(shè)想的場(chǎng)景不符，再想辦法用宏觀的辦法去解決。 所以，如果說(shuō)專業(yè)人士都需要透過(guò)由各種光電信號(hào)組成的重重迷霧才能看到究竟發(fā)生了什么，像我這樣的行外人士，參觀實(shí)驗(yàn)室變成了某種意義上的“走馬觀花”。

如果非要用宏觀的想象來(lái)描述 “原子層沉積”，陳蓉讓我從想象下了一場(chǎng)雨開(kāi)始。

“雨滴落到路面上，就形成了一層水膜。但下雨的時(shí)候可能有雷暴，還會(huì)帶下來(lái)一些灰塵。所有這些周圍的環(huán)境，如電磁場(chǎng)、灰塵、水汽等，都會(huì)影響到最后膜的質(zhì)量?！?陳蓉說(shuō)。

但這樣的描述，依然有不夠確切之處——

首先，“原子層沉積” 是氣固反應(yīng)，是氣體而不是液態(tài)水珠落在表面上；其次，不像其他薄膜技術(shù)，不管有多少氣體都會(huì)落上去，“原子層沉積”一次最多落一層，多余的會(huì)被清理掉，需要更換另外一種氣體再落一層。如此交替反復(fù)之下，一層層地摞，一層層地長(zhǎng)，最后形成或薄或厚的膜。薄的可以只是一層的原子，厚的可以達(dá)到10層以上。

在物體的表面生長(zhǎng)原子看似簡(jiǎn)單，精妙之處在于操控——讓原子在設(shè)定的區(qū)域生長(zhǎng)而不是亂長(zhǎng)。比如，想象你可以控制雨滴，讓它們落在一片樹(shù)葉的背面、邊緣，而不是正面；或者，在屋檐之下形成一條涇渭分明的分割線，將濕的區(qū)域和干的區(qū)域截然分開(kāi)，而不是像通?？吹降哪菢樱嬖?“干濕交匯” 的過(guò)渡帶。

“讓原子在一個(gè)區(qū)域長(zhǎng)，旁邊的區(qū)域不長(zhǎng)，這個(gè)分界的邊緣要盡量清晰，我們希望能達(dá)到一個(gè)納米。1納米是非常高的指標(biāo)，國(guó)際上都沒(méi)有太好的解決辦法?！?華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院的曹坤副教授說(shuō)。如果按照硅原子0.2納米的直徑，1納米的過(guò)渡區(qū)大概能容納五六個(gè)原子。

要達(dá)到如此精密的操控，需要精益求精。曹坤曾是陳蓉的博士生，在他的印象里，導(dǎo)師對(duì)細(xì)節(jié)的要求非常高，與此同時(shí)，她總是充滿能量而不知疲倦。

“我讀博士的時(shí)候，我們經(jīng)常工作到10點(diǎn)半以后，有時(shí)候是12點(diǎn)以后?？傻诙?，她一早就來(lái)實(shí)驗(yàn)室了，我們是8點(diǎn)半，她7點(diǎn)多就到了……有那么一兩次項(xiàng)目答辯時(shí)間很緊，估計(jì)也是熬夜通宵，我聽(tīng)學(xué)院的老師說(shuō)，有一次開(kāi)會(huì)的時(shí)候，她就暈倒了。但她平時(shí)精力都是挺充沛的那種，很少表現(xiàn)出疲倦。” 曹坤說(shuō)。


2


久久為功
從美國(guó)硅谷回到武漢“光谷”，在學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界浸潤(rùn)多年的陳蓉，很樂(lè)于分享自己對(duì)于技術(shù)乃至產(chǎn)業(yè)發(fā)展的看法。

她認(rèn)為，追逐技術(shù)的極限看似無(wú)止境，但并非沒(méi)有限制。很多時(shí)候，她喜歡從第一性原理出發(fā)來(lái)思考問(wèn)題——

“晶體管再小， 最終也會(huì)受到電子速度限制，而電子的速度不可能跨過(guò)光速，光是每秒約30萬(wàn)公里；我們這個(gè)技術(shù)最后能夠操縱的東西不可能再小，最多到單個(gè)原子為止；第三個(gè)極限，做這件事的經(jīng)濟(jì)成本，如果消費(fèi)者負(fù)擔(dān)不起，那也走到了盡頭?！?/span>

圖3 陳蓉和學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室，觀察實(shí)驗(yàn)的信號(hào) | 受訪者供圖


從這些基本的層面考慮問(wèn)題，可以避免單向度的思維，進(jìn)而做到既不盲目自大，也不妄自菲薄。陳蓉常被問(wèn)到的一個(gè)問(wèn)題是，中國(guó)都能造原子彈了，集成電路怎么會(huì)有那么難？對(duì)于背后推動(dòng)集成電路發(fā)展的力量，普通民眾的理解往往不夠全面。

“集成電路發(fā)展遵循的定律是摩爾定律，我們知道它并不是一個(gè)物理上的定理，它實(shí)際上是一個(gè)經(jīng)濟(jì)學(xué)的預(yù)言。我們看到芯片做的越來(lái)越小，性能更高，但同樣的，它還更加便宜。過(guò)去70年，集成電路產(chǎn)業(yè)以驚人的速度增長(zhǎng)，其背后的驅(qū)動(dòng)力一定是經(jīng)濟(jì)學(xué)規(guī)律再迫使它往前走。并不是說(shuō)一個(gè)東西做出來(lái)就好了，還要經(jīng)過(guò)各方面的調(diào)試，不僅效果要好，成本還不能高，否則不能產(chǎn)生足夠的效益，也就無(wú)法形成一個(gè)正向可持續(xù)的推動(dòng)力。我覺(jué)得這是最大的問(wèn)題。” 陳蓉說(shuō)。

在她看來(lái)，不管是在哪里，技術(shù)的發(fā)展有其難以違背的規(guī)律——技術(shù)的發(fā)展從來(lái)不是空中樓閣，需要在已有的基礎(chǔ)上發(fā)展；今天，任何的技術(shù)也很難形成一個(gè)單獨(dú)的封閉體系，它處在上下游的生態(tài)中，需要和其他的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)、配合才能融合到實(shí)際的產(chǎn)品中。

拿高端光刻機(jī)來(lái)說(shuō)，光源是美國(guó)的，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是歐洲的，光刻膠是日本的，整個(gè)機(jī)器集合了人類所有的智慧，是將技術(shù)發(fā)揮到極致的一個(gè)杰作。在全世界范圍看，只有少數(shù)的區(qū)域或者國(guó)家能夠想到去自主研發(fā)，無(wú)論是快速模仿或者 “彎道超車” 都很難，面對(duì)如此復(fù)雜和系統(tǒng)的工程，要想短時(shí)間內(nèi)一蹴而就，“做到最好”，是不符合科學(xué)規(guī)律的。

“制造最先進(jìn)光刻機(jī)的荷蘭公司AMSL，其鏡頭的供應(yīng)商蔡司在1902年的時(shí)候就做了4鏡頭3組的體系，但那個(gè)時(shí)候的中國(guó)還在光緒年間。他確實(shí)是百年老店，慢慢積累上來(lái)的?！?陳蓉說(shuō)。

拿原子層沉積來(lái)說(shuō)，在陳蓉做博士時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)還屬于草創(chuàng)時(shí)期。2002年，在她參加的第二屆原子層沉積專業(yè)會(huì)議上，與會(huì)者還不到百人，大家擠在圣何塞機(jī)場(chǎng)附近的一家小酒店里。而如今，這一領(lǐng)域的會(huì)議規(guī)模翻了十幾倍，參加者來(lái)自各個(gè)國(guó)家。原子層沉積技術(shù)的發(fā)展，從發(fā)端到最后真正用到產(chǎn)業(yè)界，也花了幾十年的時(shí)間。

在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界雙重的經(jīng)歷，也讓陳蓉對(duì)于技術(shù)的落地和轉(zhuǎn)化有了很多思考。據(jù)她的觀察，國(guó)內(nèi)的學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的互動(dòng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

事實(shí)上，在陳蓉剛開(kāi)始做博士時(shí)，她的經(jīng)費(fèi)來(lái)源由美國(guó)自然科學(xué)基金NSF和半導(dǎo)體聯(lián)盟SRC（Semiconductor Research Corporation）共同提供，前者側(cè)重于基礎(chǔ)科研的，后者則致力于提煉出一些產(chǎn)業(yè)的共性問(wèn)題。

除了這樣的研究資助機(jī)制，硅谷的產(chǎn)業(yè)界和學(xué)界的互動(dòng)也十分頻繁，形成獨(dú)特的文化。

“斯坦福的教員很多是從企業(yè)里來(lái)的，然后有些可能又回到了企業(yè)，這種雙向的流動(dòng)是很多的，這種緊密的關(guān)系像是刻在骨子里的。我們的企業(yè)和大學(xué)需要更加欣賞對(duì)方所做的東西，加強(qiáng)溝通合作，同時(shí)學(xué)會(huì)欣賞尊重好的想法?！?陳蓉說(shuō)。

目前，原子層沉積技術(shù)依然在發(fā)展當(dāng)中，陳蓉期待，未來(lái)該項(xiàng)技術(shù)會(huì)應(yīng)用到更廣的領(lǐng)域。底部的世界大有可為，陳蓉堅(jiān)信這一點(diǎn)。

“這種對(duì)未知的探索，本來(lái)就是特別有意思的東西，我們能實(shí)現(xiàn)某一部分，能做出這么小、這么精確的東西，它還能夠工作，變成實(shí)際的產(chǎn)品，細(xì)想也是很了不起的?！?她說(shuō)。

制版編輯 | 姜絲鴨



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