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雒建斌教授带领团队研发的“超精表面抛光、改性和测试技术及其应用”获国家科技进步二等奖

开启纳米抛光应用之门

  ●学生记者 苏鹏霁 俞理晓

温诗铸院士和雒建斌教授(右)在实验室里  摄影/路新春

  先进电子制造是制造技术的最前沿,它的水平代表着一个国家制造水平的高低。而我国却面临着这样的困境:

  一方面电子产品市场蓬勃发展;另一方面,作为“世界第一制造大国”,电子制造水平却长期落后于西方。我国电子制造主要技术全部依赖进口,核心技术更是受到外国严密封锁。这不仅导致国家每年都需要耗费巨大的外汇储备购买专利技术,更极大地制约了我国电子制造业的长远发展。

  超精表面抛光、改性和测试技术是先进电子制造中的关键技术之一,它主要应用于磁记录领域中的计算机硬盘磁头表面及硬盘盘基片表面的抛光,同时还应用于集成电路领域的硅晶片加工和半导体领域的发光二极管(LED)蓝宝石基片的加工。因此,这项技术的突破将对我国电子制造业走上自主创新的道路产生较大的推动作用。

  我校精仪系摩擦学国家重点实验室的雒建斌教授、路新春教授、潘国顺副教授、温诗铸院士等人在该领域开展了多年研究,取得了较大进展。
  
  从“针尖”开始

  众所周知,我们平常使用的计算机硬盘都有一个存储量的限制,而存储量又由它的存储密度所决定。存储密度越大,单张盘的存储量也就越大。而存储密度的影响因素较多,磁头/磁盘的读写能力、表面保护膜的性能和表面光滑度都是非常重要的因素。其中,磁头的读写能力除与材料性能和线宽密切相关外,主要受磁头的飞行高度影响。磁头好比手电筒,它发射出的电磁波不是平行的,而是存在一定的张角。磁头距离磁盘越近,射出的电磁波在磁盘表面上覆盖的面积越小,从而可增大存储密度,提升硬盘存储量。而磁头表面保护膜则主要从两个重要的方面保护磁头:一是它必须具有良好的自洁性,避免磁头吸附过多杂质;二是它必须在磁头与硬盘开始运转时保护磁头,避免静摩擦力过大,磨损磁头。因而,它还必须与磁头具有良好的结合力,避免在磁头高速剪切时致其脱离磁头表面。

  随着时代的发展、电子产业的进步,对硬盘存储密度的要求越来越高,使磁头的飞行高度不断降低,磁头、磁盘碰撞的几率在增加,而其保护膜的性能也必须得到相应的提升。雒建斌课题组将摩擦学与电子制造相结合,从2000年开始,瞄准这一方向,集中力量研究硬盘制造中的表面改性、加工和测量问题。他们在小小的磁头上奋战数年,一个纳米一个纳米地向前迈进,常常是“山穷水复疑无路,柳暗花明又一村”。

  在计算机硬盘制造领域,飞行高度每降低一个纳米,都要面临一系列巨大的技术挑战。以磁头表面抛光为例,磁头读写区由铁磁材料、导线(金)、基体(氧化铝)等软硬不同的材料组成,需要均匀去除;其次,铁磁材料极易腐蚀,它要求加工液的阴离子浓度在 10-9以下;再者,磁头越接近磁盘表面,就越容易与其产生摩擦,这就要求磁盘表面必须更加光滑 (粗糙度在0.1nm以下)。另外,随着磁头飞行高度的降低,如何保护磁头表面,使其不产生磨损也是一个难题。

  雒建斌带领的课题组围绕这些问题,与计算机磁头、磁盘生产公司合作,开展了多年研究,取得了一系列技术突破,使磁头的表面粗糙度从当初的 0.483nm降低到了 0.114nm,磁盘的表面粗糙度达到了0.1nm以下;磁头表面保护膜的抗湿性、结合力明显增强,并在2万次起停实验中表现出良好的抗污染能力和抗磨损能力,从而对硬盘存储密度的提升起到了促进作用。
  
  天道酬勤 意外的收获

  在研究过程中,课题组创造性地提出将纳米金刚石颗粒引入磁头表面抛光液中,利用含有超细金刚石颗粒的抛光液与磁头的氧化铝表面相互作用,从而使磁头表面粗糙度得以大幅降低。让他们更高兴的是,纳米金刚石抛光液的运用还能去除磁头表面在抛光过程产生的划痕和黑点,为磁头读写能力的提升作出了贡献。

  另外,课题组的孟永钢教授等在磁头飞行高度的测量方法上做出了创新,建立了磁头飞行高度测量仪,使分辨率提升到 0.1nm,达到国际先进水平。

  在磁头抛光液取得重大突破之后,课题组把他们的研究范围进一步扩大,取得了更加丰硕的成果:如集成电路领域的硅晶片抛光,其抛光速率、硅晶片表面粗糙度、抛光液循环使用寿命等关键指标均超过国外同类先进抛光液,达到了取代国外先进产品的技术水平;半导体领域的发光二极管(LED)蓝宝石基片抛光中,成功解决了蓝宝石抛光过程中抛光速率低、表面划痕多以及表面粗糙度大等问题。雒建斌表示,当初并没有想到会有这些收获。

  灵活高效的组织模式

  通常情况下,高校研究团队对市场的反应往往慢于企业。尤其是在日新月异的IT行业,高校团队的研究速度相对较慢。因此在进行诸如超精表面抛光、改性和测试技术这种应用技术的研究方面,存在着一些困难。

  为了解决这一问题,我校摩擦学国家重点实验室与深圳研究院合作,专门建立了一个与企业密切合作的实验室,作为直接面向市场的“分部”,从而实现了以学校为依托,与市场紧密联系,从基础理论研究到技术攻关和应用的“无缝对接”。在清华“本部”,主要进行前瞻性、理论性和尝试性的基础研究,寻求技术突破的可能性;在深圳“分部”,则面对瞬息万变的市场行情,进行快速反应的应用研究,并追求技术应用的稳定性。这样,两地职能分开,但又可以相互支持,有效合作。当团队在北京找到了突破关键技术的可能性时,深圳方面就能集中力量,迅速实现突破并付诸实践和应用,有效解决了科研成果不能及时转化为实际产品的问题。

  多学科交叉的团队构成

  除了上述卓有成效的分工合作模式,拥有一支富有学科多样性、充满活力的团队,也是他们在科研道路上获得成功的重要因素。

  超精表面抛光、改性和测试技术项目组最初是由雒建斌、路新春、温诗铸等发起的,加上部分学生参与。随着项目的发展,又陆续补充了不少“新鲜血液”。然而,面向纳米制造这一特殊的研究领域,团队迫切需要具有材料、化学、物理和机械等不同知识背景的研究人员。项目启动之初,如何解决好团队中专业人员的合理配置问题,成了困扰他们多时的难题。此时,深圳研究院体制相对灵活的优势显露了出来。课题组在那里通过合同制的方式,招募到多种学科背景的科研人员,从而形成了包括力学、化学、材料、机械等学科专业人才的综合研究团队,大大缓解了专业配置的瓶颈问题。近年来,他们在清华 “本部”也逐渐采用了这种方式,从而进一步优化了团队内部人员的组成结构,有力推动了项目的进行。

  雒建斌欣慰地介绍说,经过多年探索、磨合和发展,他们的摩擦学国家重点实验室在国家工程类 34个重点实验室评估中,名列第一。
  
  专注突破 进入国际大循环

  超精表面制造属尖端技术,国际竞争非常激烈。雒建斌坦言:“做到目前这个程度,虽然暂时与国际先进水平保持同步,但如果稍有松懈,很可能过两年就落后了。这项研究难度大、变化快,做起来很累。”目前,在单晶硅抛光液领域,我校的研究成果已经与世界领先的杜邦公司同步。课题组研制的抛光液能循环使用60多个小时,甚至优于杜邦公司 50小时的水平。国内几家公司经过对比实验,采用了我校的这一成果。“在这个领域,人们最多只用全世界最好的前两家产品,不会选择第三家。我们并不想取代谁,但一定要进入这个国际大循环。”

  当被问及如何取得今日的成果时,雒建斌特别强调了一个词———专注。以他本人为例,从1991年起,他已做了近20年的润滑和抛光研究,一直紧紧围绕这一方向,将理论、技术和应用相结合。能取得今天的成绩,绝非偶然。

  提及今后的计划,雒建斌表示,课题组还将继续集中突破,把各个具体环节做好、做精,在国际大循环中牢牢占据一席之地。“如果当人家走到这一环节的时候,要用到我们清华的东西———无论是理论、技术或产品,那我们就成功了。”
  
  摸着石头过河 路越走越宽

  虽然如今在磁头、磁盘和单晶硅晶圆的抛光、改性等方面取得了较大进展,但雒建斌坦言,刚开始时,他们自己也不能确定这个项目到底能有多大的前景,只是抱着试一试的态度,摸着石头过河。与此同时,项目启动初期资金缺乏、研究人员知识背景有限所造成的结构缺陷也给研究工作的开展带来了一定困难。另外,团队成员潘国顺副教授需要大部分时间在深圳辛勤工作,远离学校和家庭,生活上有诸多不便。面对多重压力,在温诗铸院士的大力支持下,团队没有动摇,看准了这条路后,坚定、踏实地一直走了下来。就这样,雒建斌和他的团队筚路蓝缕,从摸着石头过河开始,终于走上了一条“康庄大道”:种种技术难关得以攻克,研究项目得到业内人士的理解和认可;“973计划”、国家自然科学基金和国家重大专项等的支持,也使科研经费有了较为充足的保障;团队规模逐渐扩大,团队组成结构日益完善。该团队在温诗铸院士为首获得的国家技术发明三等奖、国家自然科学二等奖的基础上,2008年又获得了国家科技进步二等奖。

  在这一过程中,团队的每个成员都付出了艰苦努力,作出了很多牺牲。有时候,为了在限定时间内赶制出一个样品,他们不得不通宵达旦连续加班;有时出于研究需要,有些老师必须常年呆在深圳的实验室工作,一年难得回几次家……抚今追昔,雒建斌深有感触地说:“成绩的取得是多年来团队成员共同努力的结果,一切水到渠成。”

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2009-06-30]
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