中國科學(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，由中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所（以下簡稱寧波材料所）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)，以及實施國家發(fā)展戰(zhàn)略提供了支撐。


江南回江南


2013年，抱著“為中國人在國際業(yè)界爭口氣”的決心，擁有海外博士學(xué)位、20年工作經(jīng)驗以及數(shù)項榮譽(yù)加身的江南，主動放棄國外優(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”。次年，鎮(zhèn)海區(qū)海創(chuàng)項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，國際上已經(jīng)有個別機(jī)構(gòu)能夠使用CVD法生產(chǎn)金剛石，但售價很高。國內(nèi)個別廠家雖然有生產(chǎn)裝備，但由于腔體設(shè)計有缺陷、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。


回國前就有人建議江南使用國外設(shè)備，因為“國內(nèi)設(shè)備長不出單晶金剛石”。


江南卻頗有信心，他說：“不必迷信，國外有的機(jī)構(gòu)也就一兩位博士主持研發(fā)，而國內(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)評審會由中國工程院院士、時任寧波材料所科學(xué)技術(shù)委員會主任薛群基主持。薛群基介紹，當(dāng)時國內(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。


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


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，目前依然有大量國內(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。”江南說。這種技術(shù)相對于傳統(tǒng)主流合成金剛石的高溫高壓法，最大的優(yōu)勢就是能合成更大、更純的鉆石晶體，同時大幅降低能耗。


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


江南造設(shè)備


2012年底回國的時候，江南只身一人，攜帶簡單的個人用品，輕裝出發(fā)。那時寧波材料所經(jīng)費(fèi)并不充裕，但仍為江南提供了當(dāng)時最高的科研啟動經(jīng)費(fèi)。


江南團(tuán)隊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，江南決定盡快啟動科研工作。他們想用微波等離子CVD（MPCVD）法實現(xiàn)單晶金剛石的同質(zhì)外延生長。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，國外已經(jīng)實現(xiàn)CVD金剛石的生產(chǎn)，但進(jìn)口一臺設(shè)備要花近300萬元，太貴了，而且只買一臺也不能滿足批量生產(chǎn)需求。江南決定在國產(chǎn)設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)，讓國產(chǎn)化實現(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，也不多說廢話，直接去設(shè)備現(xiàn)場，結(jié)果發(fā)現(xiàn)設(shè)備確實非常不成熟。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，白天測試、晚上總結(jié)。當(dāng)他們將這些優(yōu)化意見提交給廠家時，對方很吃驚。廠家每年只生產(chǎn)幾臺設(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，一臺相對靠譜的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)車一個多小時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，這臺設(shè)備幾乎成了江南等人的全世界：凌晨兩三點(diǎn)準(zhǔn)備下班前，要看一下設(shè)備；早上8點(diǎn)多來實驗室，第一件事是看設(shè)備；上班過程中，80%的時間都在看設(shè)備，觀察金剛石生長情況、參數(shù)波動，隨時記錄，以應(yīng)對突發(fā)情況。


然而，過了近一個月，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)系著金剛石的生長效率，其設(shè)計、制造需要考慮尺寸、真空密封方式，承載晶片的基片臺的性狀、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)隊親自動手拆了改、改了裝，3個多月內(nèi)把這臺設(shè)備“大卸八塊”不止100次，有時候一天拆兩次?！吧习俅蔚氖?，每次都很沮喪，不是設(shè)備不穩(wěn)定就是部件出問題，長出黑乎乎的已經(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)驗逐步摸索，先通過模擬軟件大量計算得到理論中的最優(yōu)值，再通過經(jīng)驗疊加，得出實際的最優(yōu)參數(shù)。


升級后的設(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，更意味著我國人造金剛石的高技術(shù)應(yīng)用不再受制于人。


“是祖國這片創(chuàng)業(yè)熱土，讓我的夢想照進(jìn)了現(xiàn)實?！被貒嗄?，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、以色列與歐盟等市場，受到客戶們的青睞。


投之以桃，報之以李


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)入選了國家級專精特新“小巨人”企業(yè)、浙江省制造業(yè)單項冠軍企業(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。“政府的支持，對企業(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，拉動全產(chǎn)業(yè)鏈高質(zhì)量發(fā)展?！巴ㄟ^我們的技術(shù)研發(fā)，金剛石切割工具的價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)隊正夜以繼日地推動金剛石材料在半導(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)，共同追尋夢想?！苯险f。


文章來源： 浙江日報，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)
著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請注明出處。