探尋膜法的力量 訪天津大學化工學院教授、第十七屆中國青年科技獎獲得者王拓

撰文/王懿霖 攝影/袁麗

REPORTER'S

NOTES

人物素描

經過了一個暑期的沉淀，校園里又熱鬧起來。早晨8點剛過，記者來到了天津大學化工學院?！斑@些設備都是我們自己設計建造的?！睂嶒炇覂?，一位老師一邊指導學生，一邊指著正在運行中的設備對記者說。

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

前一段時間，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《關于進一步加強青年科技人才培養和使用的若干措施》，有針對性地出臺了一些支持青年科技人才成長發展的“硬舉措”，包括加強思想政治引領、強化職業早期支持、突出大膽使用、促進國際化發展、構建長效機制等多個方面。

黨的十八大以來，我國青年科技人才規?？焖僭鲩L，據統計，在2012年至2021年期間，我國研究與試驗發展人員數量由416.7萬人增長到858.1萬人，增加441.4萬人，年均增長7.67%。同期，自然科學領域博士畢業生總人數超過45萬人，年均增長率4.73%。近年來，我國博士后每年進站人數都超過2.5萬人，其中80%集中在自然科學領域。國家重點研發計劃參研人員中，45歲以下占比達80%以上。國家自然科學獎獲獎者成果完成人的平均年齡已低于45歲。

“教授”越來越年輕，對于這一點記者感受頗深。在“高端訪談”這個欄目開設之初，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”比例越來越高，甚至在許多項目中“90后”也正在獨自挑起大梁。

1987年，由錢學森等老一輩科學家提議設立的“中國科學技術協會青年科技獎”是目前“中國青年科技獎”的前身，旨在造就一批進入世界科技前沿的青年學術和技術帶頭人，表彰獎勵在國家經濟發展、社會進步和科技創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。

“現下國內的科研氛圍非常好，大家都在努力，我想我獲獎是因為我所研究的比較契合目前的發展方向，而且更側重于實際應用?！彪x開實驗室，王拓邊走邊對記者說，“做化工專業最重要的就是解決生產制造中的實際問題?！?/p>

“解決實際問題?！甭犉饋硎且粋€再普通不過的“小”目標，可在科研過程中，這幾乎可以稱為“夢想”。許多科研人員奮斗一生，也許都出不了一件成果。對此，王拓也十分認同，他坦言，“科研中的變數實在太多了?！?/p>

王拓目前努力的方向是芯片制造和光解水制氫，當被問到“選擇這兩個領域是因為它們比較熱門”時，王拓笑著對記者搖了搖頭，然后講起了自己的經歷。

2010年，王拓從美國德克薩斯大學奧斯汀分校博士畢業，隨后便進入到美國一家半導體設備集團工作?！斑@是一家全球排名十分靠前、專業做半導體設備的公司，而我的主要工作是做薄膜沉積研發?！蓖跬卣f，之所以留在美國工作，是因為那時國內并沒有類似的平臺，“我在學校時就一直在做這方面的學習和研究，要‘轉行’的話確實不太甘心?！睘榱藢W以致用，王拓留在了美國，但是那段時間他總覺得不踏實，“就是沒有歸屬感吧，心里無時無刻都在想著回國、回家?！奔m結了大概一年左右的時間，王拓還是決定遵從自己的內心，辭職回到國內，回到他的家鄉天津。

“回來了就踏實了?！蓖跬鼗貞浾f，對于國內平臺的選擇，他沒有絲毫猶豫，“天大是首選更是唯一的選擇，什么身份啊、待遇啊，都沒考慮過，回來做普通教師也好?！?/p>

相比自己的發展前路，王拓其實更在意科研方向?；貒?，他發現國內在芯片化工領域的研究熱情不高，大部分企業還在依賴進口?！翱蒲凶钪匾倪€是應用，在當時那種情況下，我就必須得換個出口，因為技術不能荒廢了?！庇谑?，王拓將目光瞄準到新能源領域?！奥犉饋砗孟駜蓚€關系不大，但其實都會用到我所研究的半導體薄膜?！蓖跬叵蛴浾呓榻B說，利用化工的技術手段制作出的半導體薄膜，不僅可以應用到集成電路芯片上，還可以用于太陽能電池，“在太陽光的照射下，半導體薄膜產生電子和空穴，我們可以通過氧化還原反應將水分解為氫氣和氧氣，這種綠色的制氫方法未來也許會成為一個重要的能量來源途徑?！背碎_發綠色能源，王拓還帶領團隊邁向二氧化碳還原技術，“畢竟要實現‘雙碳’目標，僅靠新能源還遠遠不夠，二氧化碳的循環利用也是十分必要而且重要的?！?/p>

潛心耕耘，靜待花開。10年間，王拓認準自己的目標，風雨兼程，義無反顧。在談及科研期間難忘的經歷時，王拓思考了一下，“每個項目都有難點，現在回憶起來那些場景依然歷歷在目，不過這在科研過程中都是家常便飯?！闭f著，他笑著用手摸了摸頭，“你看，我這頭發就是熬夜寫項目申請書熬白的?！?/p>

正如王拓所說，科研中的變數實在太多了，但好在他始終堅持自己，并沒有受環境影響而迷茫?！按蠹叶贾?，后來由于美國的對華限制，國產芯片急需破局，甚至到現在好多人還以為這是電子信息領域的問題，其實真正卡住的很多是化工領域的技術?！币欢螘r間以來，許多芯片制造企業的主管找到王拓，他們非常著急，有的甚至連生產線都停了，只等著王拓為他們出方案、出技術?！八麄兘o我們下了‘命令’，每個時間節點要完成什么，列得非常清楚，壓力大也沒辦法，困難時期，大家一起上吧?！苯鉀Q實際問題，是王拓的目標理想，所以無論有多難，他也會義無反顧。更或許，在他的選項里就沒有“放棄”這兩個字，他說，堅韌、抗壓是一個科研人員應該具備的基本素質。

言談中，記者總能感受到王拓身上的樂觀和自信，說起困難他總是一笑而過，說起前景他難掩興奮。無論環境如何變化，無論經歷多少失敗，他從未放棄，因為他堅信科學，更堅信自己。

EXCLUSIVE

DIALOGUE

獨家對話

記者：很多人以為芯片是電子信息技術，但其實它與化工關系也非常緊密，您能簡單介紹一下嗎？

王拓：芯片的制造是一個極其復雜的系統工程，需要微電子、物理、機械、材料、化學等眾多學科領域的專業技術。而對于芯片制造來說，其本質上運用的很多是化工技術，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100多層，大概包含數百個步驟，而其中最為關鍵的大概有以下幾個，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。材料可以是導體、絕緣體或半導體；光刻膠涂覆，進行光刻前，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；曝光，在掩模版上制作需要印刷的圖案藍圖。晶圓放入光刻機后，光束會通過掩模版投射到晶圓上。光刻機內的光學元件將圖案縮小并聚焦到光刻膠涂層上。在光束的照射下，光刻膠發生化學反應，光罩上的圖案由此印刻到光刻膠涂層；計算光刻，光刻期間產生的物理、化學效應可能造成圖案形變，因此需要事先對掩模版上的圖案進行調整，確保最終光刻圖案的準確；烘烤與顯影，晶圓離開光刻機后，要進行烘烤及顯影，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；計量和檢驗，芯片生產過程中，始終對晶圓進行計量和檢驗，確保沒有誤差。檢測結果反饋至光刻系統，進一步優化、調整設備；離子注入，在去除剩余的光刻膠之前，可以用正離子或負離子轟擊晶圓，對部分圖案的半導體特性進行調整。

記者：除了制作半導體芯片，您所研究的薄膜氣相沉積還可以應用到哪些方面？

王拓：想要了解薄膜氣相沉積的應用，首先要大致了解這個技術。薄膜氣相沉積是一個典型的化工過程，主要包括主流體的流動、前驅體分子的傳質/表面吸附/反應與脫附，以及加熱裝置向基底的傳熱等過程。目前來看，半導體芯片和太陽能電池是薄膜沉積技術最大的應用領域。

記者：應用在太陽能電池上，其大致原理是什么？目前是否已經可以實現？

王拓：在光電化學能源轉化系統中，如果薄膜電極能實現光能到化學能的直接、高效轉化，則可利用太陽能獲得氫氣或還原二氧化碳，助力我國實現碳中和碳達峰的目標。目前，薄膜電極的活性、穩定性尚無法滿足實際應用的需求。在薄膜的氣相沉積中，傳遞過程對沉積反應及薄膜性質起著決定性作用。如何根據載氣流動、前驅體傳質、表面反應等基本原理，精確調控半導體薄膜的均勻性、致密性、缺陷結構、電子傳輸結構，是提升薄膜的光電化學性能，從而構建高效、穩定薄膜電極急需解決的核心問題。

記者：該技術的難點和關鍵是什么？

王拓：制備均勻、致密且性質可控的高質量薄膜，關鍵在于掌握前驅體分子的傳質、吸附及反應規律。薄膜沉積過程中流場分布不均造成的局部前驅體濃度不均及基底表面溫度梯度，成為了影響薄膜沉積過程及薄膜質量的關鍵。經過我們的努力，目前已經探明了流場結構對前驅體傳質及基底表面溫度梯度的影響規律，設計并研制了流型可控的薄膜沉積系統，獲得了高濃度表面吸附位點（如羥基），促進了前驅體分子的均勻吸附與致密成核，實現了薄膜的可控沉積，構建了高效、穩定的光電化學水分解制氫薄膜電極系統。

記者：在該領域，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驗研究，積累了許多成果及應用，其主要有以下三個方面。首先是，我們不僅闡明了繞流流態對流場均勻性及沉積過程的影響規律，獲得了致密的保護層薄膜，還解決了光解水制氫體系中活性與穩定性相制衡的問題。針對硅等高活性半導體易腐蝕的問題，在原子沉積腔體內構建了均勻的載氣流場，沉積了致密的無孔洞二氧化鈦保護層薄膜，使高活性半導體耐受高腐蝕性電解液，并揭示了保護層中電荷在晶界間的隧穿傳輸機制，光電產氫穩定性超過200小時。

其次是，揭示了層流場結構對傳質與傳熱速率的調控機制，厘清了前驅體表面吸附過程對鈍化層缺陷的影響機制，構筑了高效的界面間電荷傳輸通道。針對保護層與基底晶格失配形成的缺陷，探明了載氣流動形式對沉積反應的影響規律，使沉積過程轉變為層流載氣決定的傳質控制，獲得了缺陷結構可控的氧化鋁及無定形硅薄膜作為界面鈍化層，電極的光—氫能量轉化效率突破15%。

最后是，探明了大容量薄膜沉積反應器中擾流結構對流場的等效放大規律，實現了基于工業級標準硅片的薄膜電極模組化放大。設計了結構緊湊的圓盤形擾流結構，減弱失穩對流場結構的影響，基于此創制了流場均勻的大容量原子沉積系統，將光電極的面積由1cm2放大至標準156mm硅片的243cm2，具備了模組化放大的條件。