探寻膜法的力量 访天津大学化工学院教授、第十七届中国青年科技奖获得者王拓

撰文/王懿霖 摄影/袁丽

REPORTER'S

NOTES

人物素描

经过了一个暑期的沉淀，校园里又热闹起来。早晨8点刚过，记者来到了天津大学化工学院。“这些设备都是我们自己设计建造的。”实验室内，一位老师一边指导学生，一边指着正在运行中的设备对记者说。

这位老师名叫王拓，今年40岁，是天津大学化工学院的教授、博士生导师。王拓的科研项目围绕“薄膜的气相沉积”展开，其主要应用是芯片制造与光解水制氢。

前一段时间，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于进一步加强青年科技人才培养和使用的若干措施》，有针对性地出台了一些支持青年科技人才成长发展的“硬举措”，包括加强思想政治引领、强化职业早期支持、突出大胆使用、促进国际化发展、构建长效机制等多个方面。

党的十八大以来，我国青年科技人才规模快速增长，据统计，在2012年至2021年期间，我国研究与试验发展人员数量由416.7万人增长到858.1万人，增加441.4万人，年均增长7.67%。同期，自然科学领域博士毕业生总人数超过45万人，年均增长率4.73%。近年来，我国博士后每年进站人数都超过2.5万人，其中80%集中在自然科学领域。国家重点研发计划参研人员中，45岁以下占比达80%以上。国家自然科学奖获奖者成果完成人的平均年龄已低于45岁。

“教授”越来越年轻，对于这一点记者感受颇深。在“高端访谈”这个栏目开设之初，受访的主角大部分是奋斗多半生的“老专家”。而这几年，记者采访的“70后”和“80后”比例越来越高，甚至在许多项目中“90后”也正在独自挑起大梁。

1987年，由钱学森等老一辈科学家提议设立的“中国科学技术协会青年科技奖”是目前“中国青年科技奖”的前身，旨在造就一批进入世界科技前沿的青年学术和技术带头人，表彰奖励在国家经济发展、社会进步和科技创新中取得突出成就的青年科技人才。

今年年初，王拓就获此殊荣。

“现下国内的科研氛围非常好，大家都在努力，我想我获奖是因为我所研究的比较契合目前的发展方向，而且更侧重于实际应用。”离开实验室，王拓边走边对记者说，“做化工专业最重要的就是解决生产制造中的实际问题。”

“解决实际问题。”听起来是一个再普通不过的“小”目标，可在科研过程中，这几乎可以称为“梦想”。许多科研人员奋斗一生，也许都出不了一件成果。对此，王拓也十分认同，他坦言，“科研中的变数实在太多了。”

王拓目前努力的方向是芯片制造和光解水制氢，当被问到“选择这两个领域是因为它们比较热门”时，王拓笑着对记者摇了摇头，然后讲起了自己的经历。

2010年，王拓从美国德克萨斯大学奥斯汀分校博士毕业，随后便进入到美国一家半导体设备集团工作。“这是一家全球排名十分靠前、专业做半导体设备的公司，而我的主要工作是做薄膜沉积研发。”王拓说，之所以留在美国工作，是因为那时国内并没有类似的平台，“我在学校时就一直在做这方面的学习和研究，要‘转行’的话确实不太甘心。”为了学以致用，王拓留在了美国，但是那段时间他总觉得不踏实，“就是没有归属感吧，心里无时无刻都在想着回国、回家。”纠结了大概一年左右的时间，王拓还是决定遵从自己的内心，辞职回到国内，回到他的家乡天津。

“回来了就踏实了。”王拓回忆说，对于国内平台的选择，他没有丝毫犹豫，“天大是首选更是唯一的选择，什么身份啊、待遇啊，都没考虑过，回来做普通教师也好。”

相比自己的发展前路，王拓其实更在意科研方向。回国后，他发现国内在芯片化工领域的研究热情不高，大部分企业还在依赖进口。“科研最重要的还是应用，在当时那种情况下，我就必须得换个出口，因为技术不能荒废了。”于是，王拓将目光瞄准到新能源领域。“听起来好像两个关系不大，但其实都会用到我所研究的半导体薄膜。”王拓向记者介绍说，利用化工的技术手段制作出的半导体薄膜，不仅可以应用到集成电路芯片上，还可以用于太阳能电池，“在太阳光的照射下，半导体薄膜产生电子和空穴，我们可以通过氧化还原反应将水分解为氢气和氧气，这种绿色的制氢方法未来也许会成为一个重要的能量来源途径。”除了开发绿色能源，王拓还带领团队迈向二氧化碳还原技术，“毕竟要实现‘双碳’目标，仅靠新能源还远远不够，二氧化碳的循环利用也是十分必要而且重要的。”

潜心耕耘，静待花开。10年间，王拓认准自己的目标，风雨兼程，义无反顾。在谈及科研期间难忘的经历时，王拓思考了一下，“每个项目都有难点，现在回忆起来那些场景依然历历在目，不过这在科研过程中都是家常便饭。”说着，他笑着用手摸了摸头，“你看，我这头发就是熬夜写项目申请书熬白的。”

正如王拓所说，科研中的变数实在太多了，但好在他始终坚持自己，并没有受环境影响而迷茫。“大家都知道，后来由于美国的对华限制，国产芯片急需破局，甚至到现在好多人还以为这是电子信息领域的问题，其实真正卡住的很多是化工领域的技术。”一段时间以来，许多芯片制造企业的主管找到王拓，他们非常着急，有的甚至连生产线都停了，只等着王拓为他们出方案、出技术。“他们给我们下了‘命令’，每个时间节点要完成什么，列得非常清楚，压力大也没办法，困难时期，大家一起上吧。”解决实际问题，是王拓的目标理想，所以无论有多难，他也会义无反顾。更或许，在他的选项里就没有“放弃”这两个字，他说，坚韧、抗压是一个科研人员应该具备的基本素质。

言谈中，记者总能感受到王拓身上的乐观和自信，说起困难他总是一笑而过，说起前景他难掩兴奋。无论环境如何变化，无论经历多少失败，他从未放弃，因为他坚信科学，更坚信自己。

EXCLUSIVE

DIALOGUE

独家对话

记者：很多人以为芯片是电子信息技术，但其实它与化工关系也非常紧密，您能简单介绍一下吗？

王拓：芯片的制造是一个极其复杂的系统工程，需要微电子、物理、机械、材料、化学等众多学科领域的专业技术。而对于芯片制造来说，其本质上运用的很多是化工技术，例如沉积、蚀刻。

制造芯片可以理解为在晶圆片上不断累加图案，这些图案纵向连接，可达100多层，大概包含数百个步骤，而其中最为关键的大概有以下几个，沉积是制造芯片的第一步，通常是将材料薄膜沉积到晶圆上。材料可以是导体、绝缘体或半导体；光刻胶涂覆，进行光刻前，首先要在晶圆上涂覆光敏材料“光刻胶”或“光阻”，然后将晶圆放入光刻机；曝光，在掩模版上制作需要印刷的图案蓝图。晶圆放入光刻机后，光束会通过掩模版投射到晶圆上。光刻机内的光学元件将图案缩小并聚焦到光刻胶涂层上。在光束的照射下，光刻胶发生化学反应，光罩上的图案由此印刻到光刻胶涂层；计算光刻，光刻期间产生的物理、化学效应可能造成图案形变，因此需要事先对掩模版上的图案进行调整，确保最终光刻图案的准确；烘烤与显影，晶圆离开光刻机后，要进行烘烤及显影，使光刻的图案永久固定；刻蚀，显影完成后，使用气体等材料去除多余的空白部分，形成3D电路图案；计量和检验，芯片生产过程中，始终对晶圆进行计量和检验，确保没有误差。检测结果反馈至光刻系统，进一步优化、调整设备；离子注入，在去除剩余的光刻胶之前，可以用正离子或负离子轰击晶圆，对部分图案的半导体特性进行调整。

记者：除了制作半导体芯片，您所研究的薄膜气相沉积还可以应用到哪些方面？

王拓：想要了解薄膜气相沉积的应用，首先要大致了解这个技术。薄膜气相沉积是一个典型的化工过程，主要包括主流体的流动、前驱体分子的传质/表面吸附/反应与脱附，以及加热装置向基底的传热等过程。目前来看，半导体芯片和太阳能电池是薄膜沉积技术最大的应用领域。

记者：应用在太阳能电池上，其大致原理是什么？目前是否已经可以实现？

王拓：在光电化学能源转化系统中，如果薄膜电极能实现光能到化学能的直接、高效转化，则可利用太阳能获得氢气或还原二氧化碳，助力我国实现碳中和碳达峰的目标。目前，薄膜电极的活性、稳定性尚无法满足实际应用的需求。在薄膜的气相沉积中，传递过程对沉积反应及薄膜性质起着决定性作用。如何根据载气流动、前驱体传质、表面反应等基本原理，精确调控半导体薄膜的均匀性、致密性、缺陷结构、电子传输结构，是提升薄膜的光电化学性能，从而构建高效、稳定薄膜电极急需解决的核心问题。

记者：该技术的难点和关键是什么？

王拓：制备均匀、致密且性质可控的高质量薄膜，关键在于掌握前驱体分子的传质、吸附及反应规律。薄膜沉积过程中流场分布不均造成的局部前驱体浓度不均及基底表面温度梯度，成为了影响薄膜沉积过程及薄膜质量的关键。经过我们的努力，目前已经探明了流场结构对前驱体传质及基底表面温度梯度的影响规律，设计并研制了流型可控的薄膜沉积系统，获得了高浓度表面吸附位点（如羟基），促进了前驱体分子的均匀吸附与致密成核，实现了薄膜的可控沉积，构建了高效、稳定的光电化学水分解制氢薄膜电极系统。

记者：在该领域，您还获得了哪些突破？

王拓：几年间，我们围绕薄膜气相沉积做了大量的实验研究，积累了许多成果及应用，其主要有以下三个方面。首先是，我们不仅阐明了绕流流态对流场均匀性及沉积过程的影响规律，获得了致密的保护层薄膜，还解决了光解水制氢体系中活性与稳定性相制衡的问题。针对硅等高活性半导体易腐蚀的问题，在原子沉积腔体内构建了均匀的载气流场，沉积了致密的无孔洞二氧化钛保护层薄膜，使高活性半导体耐受高腐蚀性电解液，并揭示了保护层中电荷在晶界间的隧穿传输机制，光电产氢稳定性超过200小时。

其次是，揭示了层流场结构对传质与传热速率的调控机制，厘清了前驱体表面吸附过程对钝化层缺陷的影响机制，构筑了高效的界面间电荷传输通道。针对保护层与基底晶格失配形成的缺陷，探明了载气流动形式对沉积反应的影响规律，使沉积过程转变为层流载气决定的传质控制，获得了缺陷结构可控的氧化铝及无定形硅薄膜作为界面钝化层，电极的光—氢能量转化效率突破15%。

最后是，探明了大容量薄膜沉积反应器中扰流结构对流场的等效放大规律，实现了基于工业级标准硅片的薄膜电极模组化放大。设计了结构紧凑的圆盘形扰流结构，减弱失稳对流场结构的影响，基于此创制了流场均匀的大容量原子沉积系统，将光电极的面积由1cm2放大至标准156mm硅片的243cm2，具备了模组化放大的条件。