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從科學(xué)家到企業(yè)家,江南回江南用國(guó)內(nèi)設(shè)備“種”出金剛石

   2024-07-02 集賢網(wǎng)6400
核心提示:中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2021年本科錄取通知書曾被稱為“最硬”通知書,皆因其中嵌著一塊刻有校訓(xùn)“博學(xué)篤志、格物明德”的金剛石。這批刻
中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2021年本科錄取通知書曾被稱為“最硬”通知書,皆因其中嵌著一塊刻有校訓(xùn)“博學(xué)篤志、格物明德”的金剛石。


這批刻有校訓(xùn)的金剛石,由中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所(以下簡(jiǎn)稱寧波材料所)制作完成。


經(jīng)過多年努力,該所成功打通了從理論探索到裝備與工藝國(guó)產(chǎn)化,再到高品質(zhì)大尺寸單晶高效制備和規(guī)模量產(chǎn)的全鏈條,成功研發(fā)出我國(guó)首條化學(xué)氣相沉積(CVD)大單晶金剛石生產(chǎn)示范線,為我國(guó)在半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車、搶占未來產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn),以及實(shí)施國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略提供了支撐。


江南回江南


2013年,抱著“為中國(guó)人在國(guó)際業(yè)界爭(zhēng)口氣”的決心,擁有海外博士學(xué)位、20年工作經(jīng)驗(yàn)以及數(shù)項(xiàng)榮譽(yù)加身的江南,主動(dòng)放棄國(guó)外優(yōu)渥生活,與志同道合的創(chuàng)業(yè)伙伴在鎮(zhèn)海中官路創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新大街上燃起晶鉆科技“創(chuàng)業(yè)夢(mèng)”。次年,鎮(zhèn)海區(qū)海創(chuàng)項(xiàng)目一類扶持資助以及“媽媽式”精準(zhǔn)幫扶,恰恰為他的金剛石/金屬界面強(qiáng)化技術(shù)、CVD單晶金剛石合成研發(fā)注入“強(qiáng)心劑”。如今他所創(chuàng)辦的企業(yè),已是全國(guó)最大的化學(xué)氣相沉積人造金剛石(培育鉆石)制造企業(yè)。


而在當(dāng)時(shí),國(guó)際上已經(jīng)有個(gè)別機(jī)構(gòu)能夠使用CVD法生產(chǎn)金剛石,但售價(jià)很高。國(guó)內(nèi)個(gè)別廠家雖然有生產(chǎn)裝備,但由于腔體設(shè)計(jì)有缺陷、等離子體不穩(wěn)定、氣密性及合成工藝有問題,沒有成功生產(chǎn)的先例。


回國(guó)前就有人建議江南使用國(guó)外設(shè)備,因?yàn)椤皣?guó)內(nèi)設(shè)備長(zhǎng)不出單晶金剛石”。


江南卻頗有信心,他說:“不必迷信,國(guó)外有的機(jī)構(gòu)也就一兩位博士主持研發(fā),而國(guó)內(nèi)那么多科研力量,我們一定行!”這也是后來進(jìn)入研發(fā)團(tuán)隊(duì)的許多人秉持的信念。


江南加入寧波材料所前的人才引進(jìn)評(píng)審會(huì)由中國(guó)工程院院士、時(shí)任寧波材料所科學(xué)技術(shù)委員會(huì)主任薛群基主持。薛群基介紹,當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)用高溫高壓法生產(chǎn)金剛石的企業(yè)很多,出口量也很大,但缺乏高技術(shù)層面的應(yīng)用。


“有專家對(duì)江南要做的CVD單晶金剛石研發(fā)不看好,畢竟那時(shí)連靠譜的國(guó)產(chǎn)設(shè)備都沒有?!毖θ夯貞浾f,“當(dāng)時(shí)雖然寧波材料所很年輕,但作為國(guó)家戰(zhàn)略科技力量的一員,應(yīng)當(dāng)圍繞高技術(shù)應(yīng)用、面向國(guó)家戰(zhàn)略需求開展研究,這就需要有水平、有信念的人才?!?/span>


而江南正是這樣的人才,因此他順利成為寧波材料所的一員。


江南“種”鉆石


金剛石聽起來就很貴重,事實(shí)也是如此。它更為人熟知的名字是“鉆石”,由于其切割、打磨后璀璨奪目,因此在飾品市場(chǎng)頗受追捧。此外,金剛石是精密切削和精密加工的關(guān)鍵?!皫缀跛懈叨酥圃鞓I(yè)產(chǎn)品都依賴它?!苯辖榻B,從光學(xué)鏡頭到我國(guó)大科學(xué)裝置的反射盤,都離不開金剛石刀具的超精密加工。

然而,天然金剛石十分稀有,很難在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。


20世紀(jì)50年代,美國(guó)通用公司開始采用高溫高壓法,模擬天然金剛石“老家”地幔層的溫度與壓力,制備金剛石。由于具有綜合優(yōu)勢(shì),目前依然有大量國(guó)內(nèi)外企業(yè)使用這種方法制備金剛石。


與傳統(tǒng)的高壓合成金剛石的方法不同,江南帶領(lǐng)研發(fā)人員采用的主要是低壓合成工藝,即化學(xué)氣相沉積(CVD)。

“這個(gè)過程和‘種植’類似,形象點(diǎn)說,就是在超真空培養(yǎng)倉中,用小鉆石作為‘種子’,甲烷作為‘養(yǎng)料’。甲烷在微波作用下分離出碳原子,逐漸沉積在鉆石‘種子’上,并按鉆石晶格的‘DNA 編碼’順序結(jié)晶?!苯险f。這種技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)主流合成金剛石的高溫高壓法,最大的優(yōu)勢(shì)就是能合成更大、更純的鉆石晶體,同時(shí)大幅降低能耗。


江南認(rèn)為,天然金剛石是大自然的饋贈(zèng),而人造金剛石則是人類科技硬實(shí)力的展現(xiàn)。


江南造設(shè)備


2012年底回國(guó)的時(shí)候,江南只身一人,攜帶簡(jiǎn)單的個(gè)人用品,輕裝出發(fā)。那時(shí)寧波材料所經(jīng)費(fèi)并不充裕,但仍為江南提供了當(dāng)時(shí)最高的科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)。


江南團(tuán)隊(duì)的第一位成員是科研兼行政助理戴丹,第二位成員是來自湖北的碩士畢業(yè)生呂繼磊,專業(yè)方向是金剛石。


幫手有了,江南決定盡快啟動(dòng)科研工作。他們想用微波等離子CVD(MPCVD)法實(shí)現(xiàn)單晶金剛石的同質(zhì)外延生長(zhǎng)。原理是在微波能量的作用下,將原料氣體激發(fā)成等離子體狀態(tài),直到實(shí)現(xiàn)輝光發(fā)電,腔體中充滿過飽和原子氫和含碳基團(tuán),從而有效提高單晶金剛石的沉積速率和質(zhì)量。為此,先要配備相關(guān)設(shè)備。


當(dāng)時(shí),國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)CVD金剛石的生產(chǎn),但進(jìn)口一臺(tái)設(shè)備要花近300萬元,太貴了,而且只買一臺(tái)也不能滿足批量生產(chǎn)需求。江南決定在國(guó)產(chǎn)設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā),讓國(guó)產(chǎn)化實(shí)現(xiàn)得更徹底。


呂繼磊跟著江南到成都等地的幾家設(shè)備廠商尋求定制?!敖蠋熀苡薪?jīng)驗(yàn),也不多說廢話,直接去設(shè)備現(xiàn)場(chǎng),結(jié)果發(fā)現(xiàn)設(shè)備確實(shí)非常不成熟。比如腔體做得不均勻、材料本身不均勻,甚至有的地方用鐵替代不銹鋼,就連等離子體都是偏的……”對(duì)于10多年前的那段經(jīng)歷,已成為企業(yè)家的呂繼磊記憶猶新。


這一輪定制之旅,用了很多天,白天測(cè)試、晚上總結(jié)。當(dāng)他們將這些優(yōu)化意見提交給廠家時(shí),對(duì)方很吃驚。廠家每年只生產(chǎn)幾臺(tái)設(shè)備,沒想到買家這么“麻煩”。不過,意見提得有理有據(jù),廠家只能按要求進(jìn)行修改。


就這樣,2013年盛夏,一臺(tái)相對(duì)靠譜的MPCVD設(shè)備終于造出來了。那天,來自寧波材料所的科研人員離開設(shè)備廠區(qū)后,驅(qū)車一個(gè)多小時(shí)到成都市中心的武侯祠喝茶,心情很好。

江南“種”成了


2013年8月初的一天,MPCVD設(shè)備到位了。放置籽晶開機(jī)后,這臺(tái)設(shè)備幾乎成了江南等人的全世界:凌晨?jī)扇c(diǎn)準(zhǔn)備下班前,要看一下設(shè)備;早上8點(diǎn)多來實(shí)驗(yàn)室,第一件事是看設(shè)備;上班過程中,80%的時(shí)間都在看設(shè)備,觀察金剛石生長(zhǎng)情況、參數(shù)波動(dòng),隨時(shí)記錄,以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。


然而,過了近一個(gè)月,金剛石還沒“種”成功,設(shè)備卻開始出現(xiàn)各種問題。


MPCVD設(shè)備的諧振腔關(guān)系著金剛石的生長(zhǎng)效率,其設(shè)計(jì)、制造需要考慮尺寸、真空密封方式,承載晶片的基片臺(tái)的性狀、材質(zhì)、散熱方式,以及電源、水冷系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)等整個(gè)設(shè)備的外圍穩(wěn)定性。


由于廠家也不熟悉需要的工藝,江南只能帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)親自動(dòng)手拆了改、改了裝,3個(gè)多月內(nèi)把這臺(tái)設(shè)備“大卸八塊”不止100次,有時(shí)候一天拆兩次?!吧习俅蔚氖。看味己芫趩?,不是設(shè)備不穩(wěn)定就是部件出問題,長(zhǎng)出黑乎乎的已經(jīng)不能稱之為晶片的金剛石?!苯匣貞浾f。


直到11月,崔平幫忙找到一家專門做腔體的企業(yè),情況才有所好轉(zhuǎn)。這家企業(yè)的負(fù)責(zé)人很專業(yè)且盡心盡責(zé),雙方結(jié)合各自經(jīng)驗(yàn)逐步摸索,先通過模擬軟件大量計(jì)算得到理論中的最優(yōu)值,再通過經(jīng)驗(yàn)疊加,得出實(shí)際的最優(yōu)參數(shù)。


升級(jí)后的設(shè)備各方面得到優(yōu)化——密封圈不再使用易老化、易熔化的橡膠圈,在試驗(yàn)過氟膠圈、聚氨酯圈等材料后,最終確定為金屬密封圈;基片臺(tái)材質(zhì)從熱導(dǎo)率差、易變形的不銹鋼換成銅……隨著工藝的改進(jìn),江南預(yù)判到了成功合成單晶金剛石的節(jié)點(diǎn)。


此后,團(tuán)隊(duì)又招進(jìn)兩名研究生,大家可以輪班看設(shè)備了。


2013年12月31日深夜,科研人員準(zhǔn)備下班前再次到觀察窗查看,得到了一份新年禮物——第一顆金剛石“種”成功了!這份特殊而貴重的禮物,讓在場(chǎng)的每一位科研人員終生難忘。他們把這顆3毫米×3毫米×1.5毫米的人造金剛石放在石英石表盤上,拍下它的第一張照片。


作為國(guó)內(nèi)第一片使用自主研發(fā)的CVD裝備及工藝合成的單晶金剛石,它的誕生不僅意味著整個(gè)人造金剛石產(chǎn)業(yè)鏈條的生態(tài)可能發(fā)生改變,更意味著我國(guó)人造金剛石的高技術(shù)應(yīng)用不再受制于人。


“是祖國(guó)這片創(chuàng)業(yè)熱土,讓我的夢(mèng)想照進(jìn)了現(xiàn)實(shí)。”回國(guó)多年,江南的創(chuàng)業(yè)“初心”始終未變。2018年,晶鉆科技第四條單晶金剛石生產(chǎn)線也已投入生產(chǎn),人工鉆石產(chǎn)品已出口至蘇拉特(印度鉆石切磨工業(yè)主要集中區(qū)域),叩開美國(guó)、以色列與歐盟等市場(chǎng),受到客戶們的青睞。


投之以桃,報(bào)之以李


目前,晶鉆科技自主研發(fā)的“鉆石生產(chǎn)”裝備已經(jīng)迭代多次。企業(yè)入選了國(guó)家級(jí)專精特新“小巨人”企業(yè)、浙江省制造業(yè)單項(xiàng)冠軍企業(yè)等。


在江南看來,企業(yè)快速發(fā)展的背后,離不開寧波在筑巢引鳳、招才引智方面的付出?!罢闹С?,對(duì)企業(yè)發(fā)展至關(guān)重要,寧波強(qiáng)調(diào)高科技發(fā)展,支持高科技發(fā)展,有機(jī)地把研發(fā)力量和企業(yè)發(fā)展相結(jié)合,給企業(yè)發(fā)展帶來了非常大的動(dòng)力?!苯险f。


得益于金剛石人工合成技術(shù)的提高和成本的下降,金剛石更廣泛地應(yīng)用于電子材料、熱沉材料、光學(xué)材料、量子材料、超精密加工、激光晶體與傳感器等領(lǐng)域,拉動(dòng)全產(chǎn)業(yè)鏈高質(zhì)量發(fā)展。“通過我們的技術(shù)研發(fā),金剛石切割工具的價(jià)格只有原來的十分之一,大幅降低了精密制造企業(yè)的生產(chǎn)成本?!苯辖榻B。


近期,江南帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)正夜以繼日地推動(dòng)金剛石材料在半導(dǎo)體行業(yè)的研發(fā)應(yīng)用。材料主要用來制造晶體管及其他半導(dǎo)體元件的基底材料。


投之以桃,報(bào)之以李。

不斷提升的人才扶持政策和不斷完善的人才生態(tài)鏈,讓江南這樣的科技人才與寧波“雙向奔赴、雙向成就”,走出了一條以人才驅(qū)動(dòng)城市發(fā)展的康莊大道。


“希望更多朋友到寧波來,一起創(chuàng)業(yè),共同追尋夢(mèng)想?!苯险f。


文章來源: 浙江日?qǐng)?bào),浙江省科技廳,浙江省科技廳
原文鏈接:https://www.xianjichina.com/special/detail_551340.html
來源:賢集網(wǎng)
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