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走進(jìn)山東大學(xué)晶體研發(fā)車(chē)間，一排排高達3.5米的碳化硅單晶生長(cháng)設備整齊排列，2000多攝氏度的爐腔透出橘紅色光亮，高溫中正進(jìn)行著(zhù)神奇的化學(xué)反應——一塊塊碳化硅晶體正快速生長(cháng)。晶體經(jīng)過(guò)滾圓、整形、定向、切割、研磨、拋光等一系列工序后，一片片厚度0.5毫米、直徑200毫米的薄圓片——8英寸碳化硅單晶襯底最終成型。這是國內大尺寸碳化硅生長(cháng)與加工技術(shù)的又一標志性突破。
“近年來(lái)，山東大學(xué)堅持‘四個(gè)面向’，布局構建新一代半導體材料集成攻關(guān)大平臺，強化學(xué)科交叉融合，組織骨干科研力量組成攻關(guān)團隊，不斷優(yōu)化晶體生產(chǎn)工藝，推動(dòng)創(chuàng )新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、人才鏈深度融合，取得了一系列重大技術(shù)突破，持續為高質(zhì)量發(fā)展蓄勢賦能。”山東大學(xué)校長(cháng)、中國工程院院士李術(shù)才說(shuō)。
服務(wù)國家重大戰略，聚力開(kāi)展集成攻關(guān)
新一代半導體材料是引領(lǐng)新一輪產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵材料，也是引領(lǐng)新舊動(dòng)能轉換、保衛國家安全的國之利器。作為國家創(chuàng )新體系的重要組成部分，高校如何助力我國在半導體核心材料領(lǐng)域換道超車(chē)，推動(dòng)我國新一代半導體、集成電路等技術(shù)和產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展？
2019年10月，山東大學(xué)新一代半導體材料集成攻關(guān)大平臺應運而生。作為教育部首批支持建設的集成攻關(guān)大平臺之一，該平臺充分發(fā)揮學(xué)校在半導體材料研究領(lǐng)域的深厚基礎優(yōu)勢，圍繞國家戰略及核心產(chǎn)業(yè)急需，承擔戰略科技任務(wù)，瞄準半導體材料技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向，強化有組織科研，支撐我國第三代半導體產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
“大平臺一成立就組建了由院士、專(zhuān)家組成的專(zhuān)家委員會(huì )，以及由國內高新技術(shù)企業(yè)技術(shù)專(zhuān)家組成的產(chǎn)業(yè)委員會(huì )，不斷跟蹤領(lǐng)域發(fā)展前沿，從我國核心產(chǎn)業(yè)中發(fā)現真問(wèn)題、研究真問(wèn)題、解決真問(wèn)題。”新一代半導體材料集成攻關(guān)大平臺主任徐現剛介紹。
碳化硅的生長(cháng)與硅有很大不同。硅片不論是什么尺寸，需要的籽晶大小都類(lèi)似。然而，碳化硅的籽晶需要完全一致的尺寸，即8英寸的碳化硅生長(cháng)就需要8英寸的籽晶。“8英寸單晶的研發(fā)跟種莊稼一樣，要有種子（籽晶）才能長(cháng)出來(lái)。”大平臺碳化硅團隊成員陳秀芳形象地描述。
要生長(cháng)8英寸的碳化硅單晶，需要利用已有6英寸籽晶，配合擴徑坩堝設計和擴徑的生長(cháng)工藝，經(jīng)過(guò)若干次生長(cháng)和加工迭代過(guò)程，才能逐步生長(cháng)到8英寸直徑。整個(gè)擴徑過(guò)程耗時(shí)較長(cháng)，并且擴徑工藝流程復雜，中間環(huán)節多，對各個(gè)環(huán)節的工藝控制和品質(zhì)要求極高。
為助力突破“卡脖子”關(guān)鍵核心技術(shù)，學(xué)校一方面集中優(yōu)勢學(xué)科力量，充實(shí)平臺的團隊建設，加強科研攻關(guān)體系布局；另一方面創(chuàng )新管理制度，賦予平臺人、財、事、物的高度自主權，保障平臺有組織科研高效開(kāi)展。2019年，大平臺依托材料、物理、化學(xué)、微電子、控制、信息等學(xué)科，布局五項核心、十項緊密攻關(guān)任務(wù)，以新一代半導體單晶生長(cháng)與襯底加工為攻關(guān)重點(diǎn)，組建起“小核心大網(wǎng)絡(luò )”式科研攻關(guān)體系。此外，大平臺實(shí)施PI制團隊管理模式，單獨下達教師崗位指標。
大平臺內各學(xué)科師生團結協(xié)作、各專(zhuān)業(yè)資源交叉互補、各任務(wù)組全身心專(zhuān)注于集成攻關(guān)，碳化硅團隊提前實(shí)現擴徑目標，并成功制備出高質(zhì)量8英寸碳化硅單晶襯底。與此同時(shí)，大平臺順利打通半導體單晶生長(cháng)—襯底加工—外延生長(cháng)—器件制備等全鏈條研發(fā)線(xiàn)，在多個(gè)研究方向上實(shí)現了重要突破。
堅持政產(chǎn)學(xué)研融合，加速技術(shù)轉化落地
2022年下半年，國內晶片廠(chǎng)商加快推進(jìn)8英寸碳化硅單晶和襯底生產(chǎn)試驗，南砂晶圓公司憑借與學(xué)校的合作研發(fā)，以及公司每年營(yíng)收占比10%以上的研發(fā)投入力度，成為最早宣布試產(chǎn)成功的企業(yè)之一。
在碳化硅器件的成本中，襯底、外延、模塊占比分別為46%、23%、20%，晶體生長(cháng)及襯底加工環(huán)節占據了近一半成本。其中，晶體生長(cháng)環(huán)節尤為關(guān)鍵。
“實(shí)驗過(guò)程中的每一次開(kāi)爐就像在開(kāi)盲盒。晶體沒(méi)有經(jīng)過(guò)準確的儀器測量和全面的計算分析前，永遠不知道這一次能不能成功，會(huì )不會(huì )有突破。”碳化硅團隊博士研究生仲光磊說(shuō)。
晶體生長(cháng)的過(guò)程中需要憑借專(zhuān)業(yè)和經(jīng)驗，對工藝參數靈活調整，目前產(chǎn)品成本控制和產(chǎn)能擴大的制約主要在于人才短缺。“碳化硅產(chǎn)業(yè)技術(shù)門(mén)檻高，專(zhuān)業(yè)人才緊缺，”南砂晶圓公司董事長(cháng)王垚浩介紹，“與山東大學(xué)的密切合作解決了我們的急需，讓我們對未來(lái)行業(yè)和市場(chǎng)的發(fā)展更有信心。”
近年來(lái)，徐現剛多次帶領(lǐng)團隊成員赴南砂晶圓公司開(kāi)展技術(shù)指導，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化工作。在一次次實(shí)地考察和交流合作下，團隊解決了碳化硅批次穩定、缺陷控制等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，優(yōu)化了碳化硅制備工藝。材料的研發(fā)需經(jīng)歷多個(gè)階段，除了需要科研人員“十年磨一劍、甘坐冷板凳”的堅守，還需要高校、企業(yè)、政府等各方共同努力，讓技術(shù)發(fā)展成為成熟的產(chǎn)業(yè)技術(shù)，真正落地轉化，支撐裝備和產(chǎn)業(yè)升級。
大平臺對政產(chǎn)學(xué)研融合推進(jìn)技術(shù)落地持十分開(kāi)放的態(tài)度，建立“一中心多基地”模式，通過(guò)技術(shù)轉移轉化、合作承擔重大任務(wù)等模式，與高新技術(shù)企業(yè)緊密合作，既充分發(fā)揮了高校的技術(shù)與人才優(yōu)勢，又發(fā)揮了企業(yè)的規模與市場(chǎng)優(yōu)勢，在政府和各方資金的引導促進(jìn)下，可以更快實(shí)現技術(shù)成果向成熟產(chǎn)品的轉化。
“我們幫助企業(yè)解決技術(shù)難題，同時(shí)學(xué)校也在幫助我們深化校企合作，推動(dòng)成果產(chǎn)業(yè)化落地。無(wú)論是在政策規劃上‘把方向’，還是在合同簽訂、程序管理等具體事務(wù)上‘促落實(shí)’，大平臺政產(chǎn)學(xué)研融合成效離不開(kāi)學(xué)校的支持。”碳化硅團隊成員彭燕介紹。
近年來(lái)，學(xué)校堅決貫徹落實(shí)“服務(wù)山東”戰略，緊密?chē)@地方創(chuàng )新發(fā)展需求，著(zhù)力推動(dòng)科技成果轉化提升。聯(lián)合濟南市政府規劃建設“中國晶谷”，以“小晶體”帶動(dòng)“大產(chǎn)業(yè)”，打造晶體技術(shù)創(chuàng )新高地，為地方高質(zhì)量發(fā)展提供了有力支撐。
深化評價(jià)機制改革，激發(fā)人才創(chuàng )新活力
走進(jìn)新一代半導體材料集成攻關(guān)大平臺的實(shí)驗室，所到之處都有忙碌的研究人員，有的埋頭計算著(zhù)數據，有的站在設備前專(zhuān)注實(shí)驗……他們滿(mǎn)懷熱情，投身于科技創(chuàng )新攻堅戰之中。
作為學(xué)校的“學(xué)術(shù)特區”，大平臺肩負著(zhù)深化人事體制機制改革“試驗田”的重任。2020年5月，學(xué)校出臺集成攻關(guān)大平臺體制機制運行方案，賦予平臺人、財、事、物的自主權，支持平臺以任務(wù)為導向，自主組建團隊、開(kāi)展人員評聘、支配經(jīng)費工作。
立足核心攻關(guān)任務(wù)、淡化“身份管理”，大平臺采取校內校外相結合、固定與流動(dòng)相結合、專(zhuān)職與兼職相結合的模式，迅速匯聚起一支具有物理、化學(xué)、微電子、機械、控制、信息等多個(gè)相關(guān)學(xué)科背景的科研團隊，有效支撐大平臺的發(fā)展。
徐明升是微電子學(xué)院的一名教師，在大平臺成立后入職開(kāi)展科研工作，但其人事關(guān)系依然保留在學(xué)院，承擔學(xué)院本科教學(xué)工作。大平臺不僅為徐明升提供了科研辦公保障條件，也支持其依托大平臺進(jìn)行專(zhuān)業(yè)職務(wù)的晉升。“大平臺的科研方向聚焦國家戰略需求，不同團隊之間可以實(shí)現上下游協(xié)作，進(jìn)行全鏈條閉環(huán)研發(fā)。我可以更專(zhuān)注于半導體工藝研發(fā)過(guò)程，更好地實(shí)現個(gè)人價(jià)值。”徐明升信心滿(mǎn)滿(mǎn)。
學(xué)校不僅在人才聘用政策上給予大平臺傾斜支持，也鼓勵大平臺開(kāi)展多元評價(jià)，暢通科研人員晉升通道。
2022年度專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)及崗位聘任中，學(xué)校首次設立“長(cháng)聘研究員”序列。對于長(cháng)期開(kāi)展重大關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的科研人員，通過(guò)小同行評價(jià)等方式，考察其科研產(chǎn)出的質(zhì)量和貢獻，弱化論文、專(zhuān)利等量化標準，支持其心無(wú)旁騖服務(wù)重大科技任務(wù)攻關(guān)。除此之外，大平臺高度重視人才引育，專(zhuān)門(mén)成立人才工作領(lǐng)導小組，利用“山東大學(xué)齊魯青年論壇”等各類(lèi)品牌活動(dòng)，面向海內外吸引集聚高水平創(chuàng )新人才。
“學(xué)校將以主題教育開(kāi)展為契機，堅持不懈用習近平新時(shí)代中國特色社會(huì )主義思想‘金鑰匙’凝心鑄魂、破解難題、推動(dòng)發(fā)展，以對黨和國家、歷史和未來(lái)負責的態(tài)度推動(dòng)新一代半導體材料集成攻關(guān)大平臺持續上水平、提質(zhì)量，在服務(wù)國家戰略和區域經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展、優(yōu)化布局結構的先行先試中作表率，為加快實(shí)現高水平科技自立自強作出山大貢獻。”山東大學(xué)黨委書(shū)記郭新立說(shuō)。
