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鄭州華晶金剛石股份有限公司

納米金剛石新應用——雒建斌教授帶領團隊研發的“超精表面拋光、改性和測試技術及其應用”獲國家科技進步二等獎

關鍵詞 納米 , 金剛石 , 應用|2009-07-01 00:00:00|來源 中國超硬材料網
摘要 先進電子制造是制造技術的最前沿,它的水平代表著一個國家制造水平的高低。而我國卻面臨著這樣的困境:一方面電子產品市場蓬勃發展;另一方面,作為“世界第一制造大國&rdquo...

  先進電子制造是制造技術的最前沿,它的水平代表著一個國家制造水平的高低。而我國卻面臨著這樣的困境:
  
  一方面電子產品市場蓬勃發展;另一方面,作為“世界第一制造大國”,電子制造水平卻長期落后于西方。我國電子制造主要技術全部依賴進口,核心 技術更是受到外國嚴密封鎖。這不僅導致國家每年都需要耗費巨大的外匯儲備購買專利技術,更極大地制約了我國電子制造業的長遠發展。
  
  超精表面拋光、改性和測試技術是先進電子制造中的關鍵技術之一,它主要應用于磁記錄領域中的計算機硬盤磁頭表面及硬盤盤基片表面的拋光,同時 還應用于集成電路領域的硅晶片加工和半導體領域的發光二極管(LED)藍寶石基片的加工。因此,這項技術的突破將對我國電子制造業走上自主創新的道路產生 較大的推動作用。
  
  我校精儀系摩擦學國家重點實驗室的雒建斌教授、路新春教授、潘國順副教授、溫詩鑄院士等人在該領域開展了多年研究,取得了較大進展。
    
  從“針尖”開始
  
  眾所周知,我們平常使用的計算機硬盤都有一個存儲量的限制,而存儲量又由它的存儲密度所決定。存儲密度越大,單張盤的存儲量也就越大。而存儲 密度的影響因素較多,磁頭/磁盤的讀寫能力、表面保護膜的性能和表面光滑度都是非常重要的因素。其中,磁頭的讀寫能力除與材料性能和線寬密切相關外,主要 受磁頭的飛行高度影響。磁頭好比手電筒,它發射出的電磁波不是平行的,而是存在一定的張角。磁頭距離磁盤越近,射出的電磁波在磁盤表面上覆蓋的面積越小, 從而可增大存儲密度,提升硬盤存儲量。而磁頭表面保護膜則主要從兩個重要的方面保護磁頭:一是它必須具有良好的自潔性,避免磁頭吸附過多雜質;二是它必須 在磁頭與硬盤開始運轉時保護磁頭,避免靜摩擦力過大,磨損磁頭。因而,它還必須與磁頭具有良好的結合力,避免在磁頭高速剪切時致其脫離磁頭表面。
  
  隨著時代的發展、電子產業的進步,對硬盤存儲密度的要求越來越高,使磁頭的飛行高度不斷降低,磁頭、磁盤碰撞的幾率在增加,而其保護膜的性能 也必須得到相應的提升。雒建斌課題組將摩擦學與電子制造相結合,從2000年開始,瞄準這一方向,集中力量研究硬盤制造中的表面改性、加工和測量問題。他 們在小小的磁頭上奮戰數年,一個納米一個納米地向前邁進,常常是“山窮水復疑無路,柳暗花明又一村”。
  
  在計算機硬盤制造領域,飛行高度每降低一個納米,都要面臨一系列巨大的技術挑戰。以磁頭表面拋光為例,磁頭讀寫區由鐵磁材料、導線(金)、基 體(氧化鋁)等軟硬不同的材料組成,需要均勻去除;其次,鐵磁材料極易腐蝕,它要求加工液的陰離子濃度在 10-9以下;再者,磁頭越接近磁盤表面,就越容易與其產生摩擦,這就要求磁盤表面必須更加光滑 (粗糙度在0.1nm以下)。另外,隨著磁頭飛行高度的降低,如何保護磁頭表面,使其不產生磨損也是一個難題。
  
  雒建斌帶領的課題組圍繞這些問題,與計算機磁頭、磁盤生產公司合作,開展了多年研究,取得了一系列技術突破,使磁頭的表面粗糙度從當初的 0.483nm降低到了 0.114nm,磁盤的表面粗糙度達到了0.1nm以下;磁頭表面保護膜的抗濕性、結合力明顯增強,并在2萬次起停實驗中表現出良好的抗污染能力和抗磨損 能力,從而對硬盤存儲密度的提升起到了促進作用。
    
  天道酬勤 意外的收獲
  
  在研究過程中,課題組創造性地提出將納米金剛石顆粒引入磁頭表面拋光液中,利用含有超細金剛石顆粒的拋光液與磁頭的氧化鋁表面相互作用,從而 使磁頭表面粗糙度得以大幅降低。讓他們更高興的是,納米金剛石拋光液的運用還能去除磁頭表面在拋光過程產生的劃痕和黑點,為磁頭讀寫能力的提升作出了貢 獻。
  
  另外,課題組的孟永鋼教授等在磁頭飛行高度的測量方法上做出了創新,建立了磁頭飛行高度測量儀,使分辨率提升到 0.1nm,達到國際先進水平。
  
  在磁頭拋光液取得重大突破之后,課題組把他們的研究范圍進一步擴大,取得了更加豐碩的成果:如集成電路領域的硅晶片拋光,其拋光速率、硅晶片 表面粗糙度、拋光液循環使用壽命等關鍵指標均超過國外同類先進拋光液,達到了取代國外先進產品的技術水平;半導體領域的發光二極管(LED)藍寶石基片拋 光中,成功解決了藍寶石拋光過程中拋光速率低、表面劃痕多以及表面粗糙度大等問題。雒建斌表示,當初并沒有想到會有這些收獲。
  
  靈活高效的組織模式
  
  通常情況下,高校研究團隊對市場的反應往往慢于企業。尤其是在日新月異的IT行業,高校團隊的研究速度相對較慢。因此在進行諸如超精表面拋光、改性和測試技術這種應用技術的研究方面,存在著一些困難。
  
  為了解決這一問題,我校摩擦學國家重點實驗室與深圳研究院合作,專門建立了一個與企業密切合作的實驗室,作為直接面向市場的“分部”,從而實 現了以學校為依托,與市場緊密聯系,從基礎理論研究到技術攻關和應用的“無縫對接”。在清華“本部”,主要進行前瞻性、理論性和嘗試性的基礎研究,尋求技 術突破的可能性;在深圳“分部”,則面對瞬息萬變的市場行情,進行快速反應的應用研究,并追求技術應用的穩定性。這樣,兩地職能分開,但又可以相互支持, 有效合作。當團隊在北京找到了突破關鍵技術的可能性時,深圳方面就能集中力量,迅速實現突破并付諸實踐和應用,有效解決了科研成果不能及時轉化為實際產品 的問題。
  
  多學科交叉的團隊構成
  
  除了上述卓有成效的分工合作模式,擁有一支富有學科多樣性、充滿活力的團隊,也是他們在科研道路上獲得成功的重要因素。
  
  超精表面拋光、改性和測試技術項目組最初是由雒建斌、路新春、溫詩鑄等發起的,加上部分學生參與。隨著項目的發展,又陸續補充了不少“新鮮血 液”。然而,面向納米制造這一特殊的研究領域,團隊迫切需要具有材料、化學、物理和機械等不同知識背景的研究人員。項目啟動之初,如何解決好團隊中專業人 員的合理配置問題,成了困擾他們多時的難題。此時,深圳研究院體制相對靈活的優勢顯露了出來。課題組在那里通過合同制的方式,招募到多種學科背景的科研人 員,從而形成了包括力學、化學、材料、機械等學科專業人才的綜合研究團隊,大大緩解了專業配置的瓶頸問題。近年來,他們在清華 “本部”也逐漸采用了這種方式,從而進一步優化了團隊內部人員的組成結構,有力推動了項目的進行。
  
  雒建斌欣慰地介紹說,經過多年探索、磨合和發展,他們的摩擦學國家重點實驗室在國家工程類 34個重點實驗室評估中,名列第一。
    
  專注突破 進入國際大循環
  
  超精表面制造屬尖端技術,國際競爭非常激烈。雒建斌坦言:“做到目前這個程度,雖然暫時與國際先進水平保持同步,但如果稍有松懈,很可能過兩 年就落后了。這項研究難度大、變化快,做起來很累。”目前,在單晶硅拋光液領域,我校的研究成果已經與世界領先的杜邦公司同步。課題組研制的拋光液能循環 使用60多個小時,甚至優于杜邦公司 50小時的水平。國內幾家公司經過對比實驗,采用了我校的這一成果。“在這個領域,人們最多只用全世界最好的前兩家產品,不會選擇第三家。我們并不想取代 誰,但一定要進入這個國際大循環。”
  
  當被問及如何取得今日的成果時,雒建斌特別強調了一個詞———專注。以他本人為例,從1991年起,他已做了近20年的潤滑和拋光研究,一直緊緊圍繞這一方向,將理論、技術和應用相結合。能取得今天的成績,絕非偶然。
  
  提及今后的計劃,雒建斌表示,課題組還將繼續集中突破,把各個具體環節做好、做精,在國際大循環中牢牢占據一席之地。“如果當人家走到這一環節的時候,要用到我們清華的東西———無論是理論、技術或產品,那我們就成功了。”
    
  摸著石頭過河 路越走越寬
  
  雖然如今在磁頭、磁盤和單晶硅晶圓的拋光、改性等方面取得了較大進展,但雒建斌坦言,剛開始時,他們自己也不能確定這個項目到底能有多大的前 景,只是抱著試一試的態度,摸著石頭過河。與此同時,項目啟動初期資金缺乏、研究人員知識背景有限所造成的結構缺陷也給研究工作的開展帶來了一定困難。另 外,團隊成員潘國順副教授需要大部分時間在深圳辛勤工作,遠離學校和家庭,生活上有諸多不便。面對多重壓力,在溫詩鑄院士的大力支持下,團隊沒有動搖,看 準了這條路后,堅定、踏實地一直走了下來。就這樣,雒建斌和他的團隊篳路藍縷,從摸著石頭過河開始,終于走上了一條“康莊大道”:種種技術難關得以攻克, 研究項目得到業內人士的理解和認可;“973計劃”、國家自然科學基金和國家重大專項等的支持,也使科研經費有了較為充足的保障;團隊規模逐漸擴大,團隊 組成結構日益完善。該團隊在溫詩鑄院士為首獲得的國家技術發明三等獎、國家自然科學二等獎的基礎上,2008年又獲得了國家科技進步二等獎。
  
  在這一過程中,團隊的每個成員都付出了艱苦努力,作出了很多犧牲。有時候,為了在限定時間內趕制出一個樣品,他們不得不通宵達旦連續加班;有 時出于研究需要,有些老師必須常年呆在深圳的實驗室工作,一年難得回幾次家……撫今追昔,雒建斌深有感觸地說:“成績的取得是多年來團隊成員共同努力的結 果,一切水到渠成。”

 

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