從甘肅大山到日本頂尖研究所，這位85后為何選擇在巔峰時回國？

不久前，達博做出了一個重要決定：辭去日本國立材料研究所（NIMS）的永久研究職位，帶領(lǐng)一支由多名獨立科研骨干組成的團隊回國發(fā)展。

深耕半導(dǎo)體裝備關(guān)鍵材料與核心部件領(lǐng)域多年，達博是極少數(shù)深度參與 2022 年后國際半導(dǎo)體一線產(chǎn)業(yè)項目的中國籍學(xué)者。他牽頭美國泛林集團（Lam Research）與 NIMS 聯(lián)合研發(fā)項目，聚焦臺積電 3 nm 量產(chǎn)產(chǎn)線，主攻電子束設(shè)備、刻蝕設(shè)備的關(guān)鍵材料與核心部件研發(fā)與應(yīng)用攻關(guān) 1。

做出回國抉擇，他放棄了諸多優(yōu)厚機會。泛林集團與他長期合作，過往曾多次給予無償捐贈支持。今年 4 月 27 日，在得知他決意辭職后，泛林方面隨后再次提出無償捐贈支持，希望其繼續(xù)推進相關(guān)合作研究。多家海外企業(yè)也向他拋出優(yōu)厚合作條件，但這些因素已不能動搖達博全職回國的決心。

如今，他已正式受聘于母校中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院擔(dān)任講席教授。這個選擇看似突然但恰好踩在一個關(guān)鍵節(jié)點上：當(dāng)半導(dǎo)體制程逼近亞納米尺度，決定勝負的不再只是半導(dǎo)體裝備的設(shè)計與集成，而是那些裝備中更底層、也更難被看見的材料與部件能力。

那個從甘肅大山走出的少年，成為 NIMS 最年輕的永久職位研究人員

這位 85 后出生于甘肅省隴南市康縣。康縣素有“隴上江南”之稱，山水秀麗，卻也因地處秦巴山區(qū)、交通不便，教育資源十分有限。他以市應(yīng)屆高考狀元的成績，進入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)專業(yè)就讀。

達博回憶道：“年少讀書時只有一個想法，那就是通過積極努力去獲得改變環(huán)境的機會。在那個交通閉塞的年代，我對世界的很多認知都來源于書本，對未知世界的渴望和想象是我學(xué)習(xí)最大的動力。”

在中科大求學(xué)期間的數(shù)理功底與基礎(chǔ)研究積累為日后的發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)，達博也找到了明確的發(fā)展方向——先進制程半導(dǎo)體裝備中的關(guān)鍵材料與核心部件。彼時，日本在半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，荷蘭 ASML 公司還不像如今那樣有名。

2013 年，達博在獲得博士學(xué)位后，來到 NIMS 進行博士后研究。用達博的話描述，他將之前“看到的、想到的在 NIMS 全部印證了一遍”。

在 NIMS，達博打破了多項紀(jì)錄。一般來說 tenure track 需要三到五年才能獲得終身職位，而達博僅用了一年，成為 NIMS 獲得終身職位最年輕的學(xué)者。此外，他也是 NIMS 中科研項目最多、與產(chǎn)業(yè)結(jié)合最緊密的年輕學(xué)者之一。

2017 年 4 月 1 日，NIMS 開年大會上，達博在同一天兩次“登臺”：第一次是作為新人做入職介紹，隨后又憑借 tenure track 階段的成果，斬獲 NIMS 最高獎“理事長賞”。時任 NIMS 理事長、現(xiàn)任日本 JST 的理事長橋本和仁（Kazuhito Hashimoto）先生甚至開玩笑說，他一輩子能拿的獎，入職第一年就全拿完了。

2001 年，NIMS 由日本國立金屬材料研究所（NRIM）與國立無機材料研究所（NIRIM）合并成立，但一直沿用金屬所此前的宣傳語已有二十幾年。2023 年，NIMS 面向社會有學(xué)術(shù)影響力的研究人員征集宣傳語，達博從一句樸素的哲學(xué)道理中汲取靈感，提出了“材料改變世界，我們創(chuàng)造材料”，并被采納沿用至今，這也是日本國家級研究機構(gòu)中唯一采用的外籍人員提出的宣傳語 2。

亞納米時代，看不清還是看不準(zhǔn)？

當(dāng)下，臺積電正在推動 1.4 nm 等下一代先進制程節(jié)點，半導(dǎo)體制程正在向亞納米尺度邁進。以往的成熟制程隨機誤差偏小，然而在亞納米尺度的測量，隨機誤差顯著增大，無法再用單一、少量參數(shù)來簡單標(biāo)定精度，必須在參數(shù)收集階段即引入更復(fù)雜的模型。但這種復(fù)雜模型在人的感知中是模糊的圖像，每個像素及其統(tǒng)計波動都包含關(guān)鍵信息。

半導(dǎo)體制程演進，首先要解決“如何在更小尺度看清和看準(zhǔn)”的問題。

隨著先進制程的細節(jié)要求越來越高，電子束量檢測設(shè)備正在成為半導(dǎo)體領(lǐng)域不可替代的工具。在芯片生產(chǎn)加工過程中，結(jié)構(gòu)成型、圖形按照目標(biāo)圖形生產(chǎn)、晶圓表面或結(jié)構(gòu)表面是否殘留光刻膠以及各類缺陷等各個方面都需要精準(zhǔn)排查，而這些因素都與半導(dǎo)體的良率密切相關(guān)。

另一方面，先進制程下缺陷愈發(fā)微觀，需要捕捉到微弱信號。傳統(tǒng)的光學(xué)手段由于波長受限，很難在小尺寸實現(xiàn)觀測；而電子束波長在亞納米級別尺度，既能在光學(xué)基礎(chǔ)上看得更小、更清晰，還能探測比光學(xué)手段更豐富的信息，例如深孔觀測，其已成為存儲芯片制造領(lǐng)域最核心的問題之一。這就像是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中用肉眼以及 X 光觀測人體，所獲取的信息維度完全不同。

該方法通過多次關(guān)聯(lián)測量，有效屏蔽襯底背景信號干擾，實現(xiàn)半導(dǎo)體微納缺陷的精準(zhǔn)表征與定量解析。其核心創(chuàng)新是把非單色二次電子（SE）能譜整體作為探測信號，構(gòu)建出微弱信號超高通量探測、識別與分析的全新技術(shù)方案。

在科研應(yīng)用案例中，該方法能夠依托納米材料透射率的細微變化，精準(zhǔn)獲取襯底表面僅 1–2 個原子層厚度納米材料的定量信息，檢測效率相較傳統(tǒng)多層探測法提升近兩個數(shù)量級。

這種學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)的認知差異，也讓達博在先進制程量產(chǎn)研發(fā)中有了更深體悟，其中就包括臺積電 3 nm 產(chǎn)線關(guān)鍵部件研發(fā)。在他看來，成熟制程與先進制程的本質(zhì)區(qū)別是，前者是“長板驅(qū)動”，即追求某幾個關(guān)鍵部件的極致性能，其他部件的問題是可以被掩蓋的；而后者是“短板致死”，尤其是在量產(chǎn)線上，整個裝備中尤其是工作在等離子體、腐蝕氣體、高溫或高真空的所有材料與部件，其任何微弱的影響都可能破壞整體性能的表現(xiàn)。這就像是牽一發(fā)而動全身，因此先進制程在量產(chǎn)線上，是一個不斷對部件找問題、找方案的過程。

在傳統(tǒng)認知中，認為有序的材料就是晶體，例如單晶和多晶等。2011 年諾貝爾化學(xué)獎授予了一種短程無序、長程有序的材料——準(zhǔn)晶（Quasicrystal）。圓柱對稱旋轉(zhuǎn)晶體與準(zhǔn)晶類似，不同點在于，準(zhǔn)晶需要旋轉(zhuǎn)后再平移，而圓柱對稱旋轉(zhuǎn)晶體是與單晶、準(zhǔn)晶同體系下的新結(jié)構(gòu)，它不需要平移，僅需旋轉(zhuǎn)即可實現(xiàn)原子排序，這是在球坐標(biāo)下對稱性最高的狀態(tài)。

這種新結(jié)構(gòu)的獨特之處在于，改變了電子與材料相互作用的方式。傳統(tǒng)電子束依賴電場和磁場調(diào)控，如同用磁鐵去約束四處飛濺的水花。但是，電子發(fā)射大多數(shù)情況下發(fā)散分布，比如熱場發(fā)射燈絲，發(fā)射的電子束流是毫安量級（10-3），但真正又細又直、能被探測到的往往只有納安量級（10-9），中間差了百萬倍。

而圓柱對稱旋轉(zhuǎn)晶體是衍射方式約束聚焦，對電子的方向和速度都不敏感。它利用衍射效應(yīng)，類似于光學(xué)中利用衍射透鏡對光線進行聚焦，把原本發(fā)散電子的方向重新約束起來，從而讓薄膜材料也具備了類似電子凸透鏡的功能。至此，類比光學(xué)中的衍射光學(xué)分支，這一材料的誕生，使電子光學(xué)領(lǐng)域中，多了衍射電子光學(xué)這一細分領(lǐng)域。

據(jù)理論估算，即使是非單色，非準(zhǔn)直的電子束穿過圓柱對稱旋轉(zhuǎn)晶體，在恰當(dāng)?shù)臈l件下，其聚焦效率可以接近 1%，如果采用塊體電子發(fā)射源，其可被有效聚焦利用的束流強度，理論上有望比傳統(tǒng)方案提高數(shù)萬倍甚至十萬倍。未來如果該方法可行，并行電子束曝光機的效率將有機會超過現(xiàn)有的 EUV，進而有望改變整個半導(dǎo)體行業(yè)的生態(tài)。

憑借這一開創(chuàng)性貢獻，達博在國際學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)界獲得高度認可。2026 年，他受邀成為日立財團倉田獎勵金唯一外籍受訪學(xué)者，接受官方視頻專訪并獲重點推介——該獎項創(chuàng)辦于 1967 年、底蘊深厚且門檻嚴(yán)苛，受邀參與官方專訪者寥寥無幾 5。

在學(xué)術(shù)圈層，日本電子束領(lǐng)域泰斗、大阪大學(xué)名譽教授志水隆一，更是對其高度認可，將他視作自身學(xué)術(shù)體系的傳承接班人。

整建制歸國：一次提前押注

為了應(yīng)對臺積電等的苛刻要求，美國泛林集團（Lam Research）與 NIMS 強強聯(lián)手，攻關(guān) 3 nm 量產(chǎn)線中刻蝕設(shè)備中與等離子體接觸的關(guān)鍵材料與核心部件。而達博是這一聯(lián)合研究項目的負責(zé)人。

多年來，達博長期主導(dǎo)先進制程刻蝕設(shè)備、電子束量檢測設(shè)備的關(guān)鍵材料與核心部件領(lǐng)域。當(dāng)前國內(nèi)正處在從成熟制程向先進制程跨越的關(guān)鍵時期，中微半導(dǎo)體、北方華創(chuàng)等企業(yè)已在刻蝕設(shè)備領(lǐng)域取得不俗進展，但刻蝕設(shè)備底層關(guān)鍵材料與核心部件仍存在短板；相較之下，高端電子束量檢測設(shè)備的國產(chǎn)化整機能力更是基本處于空白狀態(tài)，亟待依靠底層材料與核心部件的自主創(chuàng)新實現(xiàn)破局。

此前，國內(nèi)頭部半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)核心負責(zé)人也曾勸達博回國：哪怕是關(guān)鍵方向性的行業(yè)信息，都可能幫國內(nèi)省下幾百萬甚至幾千萬的研發(fā)成本——就像魔方，知道解法和盲目探索存在巨大差距。

實際上在 NIMS 工作期間達博就意識到：一個人能做的事情有限，要把制造半導(dǎo)體設(shè)備這件事做到極致，一定要靠團隊共同協(xié)作。因此，從 2016 年開始，他就開始將同門師兄弟通過人才引進的方式在 NIMS 組建團隊，并且多年的協(xié)作與默契讓他們建立了深厚的情誼。團隊目標(biāo)很明確：將中國的半導(dǎo)體裝備材料和部件做到與國際相當(dāng)?shù)乃健！叭绻苓_成這個目標(biāo)，我覺得這輩子的奮斗就值了。”達博感嘆道。

在達博全職歸國前，團隊中已有部分成員先期回國，圍繞電子光學(xué)相關(guān)方向開展工程化與產(chǎn)業(yè)化探索，并參與合肥國鏡儀器科技有限公司等產(chǎn)業(yè)化平臺建設(shè)。隨著后續(xù)科研人員陸續(xù)回國，團隊在基礎(chǔ)研究、工程驗證與產(chǎn)業(yè)協(xié)同等方面的能力進一步完善，開始形成“科研—工程—產(chǎn)業(yè)”相互支撐的發(fā)展模式。

“這是領(lǐng)域面臨的一個現(xiàn)實難題。即便是像我們這類配合默契的完整團隊一起回國，也需要各方妥協(xié)讓步，但好在我們有共同的奮斗目標(biāo)。”達博表示。

不止于“國產(chǎn)替代”：從底層材料出發(fā)，為中國半導(dǎo)體裝備鑄魂

當(dāng)下國內(nèi)半導(dǎo)體裝備產(chǎn)業(yè)規(guī)模正在逐步形成，但高校和科研層面的配套布局還不夠明晰，未來亟需產(chǎn)學(xué)研深度融合發(fā)展。目前設(shè)備設(shè)計和整機集成國內(nèi)已具備成熟能力，但關(guān)鍵的幾種材料和核心部件仍未能實現(xiàn)自主制備，高度依賴日本引進。

實際上，國內(nèi)的課題組并不缺豐碩的成果，但普遍缺少把單點實驗室材料，轉(zhuǎn)化為量產(chǎn)可替換核心部件的工程落地能力，這也是國內(nèi)半導(dǎo)體裝備國產(chǎn)化最大的現(xiàn)實短板。

在研發(fā)落地模式上，NIMS 一套整機替換驗證的研發(fā)工藝極具借鑒價值。半導(dǎo)體產(chǎn)線無法停機配合新材料驗證，要實現(xiàn)新材料規(guī)模化導(dǎo)入量產(chǎn)，必須先將材料做成標(biāo)準(zhǔn)化部件，放入和商用產(chǎn)線環(huán)境高度一致的整機設(shè)備中做替換測試，再經(jīng)過長時間細節(jié)打磨，才能最終獲得產(chǎn)線認可。這也是即便歐美擁有頭部半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)，但全球半導(dǎo)體裝備材料與部件供應(yīng)鏈仍高度集中在日本的核心原因之一。

在先進制程推進路線上，國內(nèi)暫未實現(xiàn) EUV 光刻機產(chǎn)線商用落地，現(xiàn)階段主要采用 DUV 多重多次曝光技術(shù)路線。但多重曝光會不斷增加工藝流程，每新增一道工序都會帶來芯片良率下滑。

國際廠商在電子束量檢測中的抽檢覆蓋率要求相對寬松，而國內(nèi)受多重曝光工藝影響，對檢測覆蓋范圍要求大幅提高。這對國產(chǎn)電子束量檢測設(shè)備的檢測效率和先進制程適配能力，提出了更高標(biāo)準(zhǔn)。若能落地更高效率、更強適配能力的電子束量檢測方案，可有效彌補無 EUV 工藝的短板，緩解芯片量產(chǎn)良率壓力。

從技術(shù)迭代趨勢看，2022 年起電子束量檢測已從沿用近二十年的熱場發(fā)射，轉(zhuǎn)向冷場發(fā)射技術(shù)路線。冷場發(fā)射具備高束流強度、檢測速度快的優(yōu)勢，既能滿足存儲芯片刻蝕深坑檢測、線路導(dǎo)通判定等剛需，還能提升抽檢覆蓋概率，對降低高端芯片生產(chǎn)成本、拉升量產(chǎn)良率價值突出。

同時冷場發(fā)射技術(shù)適用場景廣闊，可用于光伏器件等弱導(dǎo)電樣品觀測，也適配生物醫(yī)療電鏡病理分析、病變篩查、病毒檢測等低損傷高分辨檢測場景。達博認為，未來 3 到 5 年，冷場發(fā)射技術(shù)有望率先在研發(fā)與工藝導(dǎo)入環(huán)節(jié)實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，后續(xù)再逐步滲透到半導(dǎo)體量產(chǎn)環(huán)節(jié)。

國產(chǎn)化破局要遵循先對標(biāo)、再深耕的路徑，首先在關(guān)鍵指標(biāo)上對標(biāo)國際一流水平，在此基礎(chǔ)上立足現(xiàn)有技術(shù)向內(nèi)沉淀、底層攻堅。行業(yè)當(dāng)下最迫切的任務(wù)，是搭建起底層材料與核心部件自給自足的完整配套體系。

長遠來看，達博的目標(biāo)是實現(xiàn)半導(dǎo)體關(guān)鍵裝備核心材料、核心部件全面國產(chǎn)化，讓我國在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競爭中掌握更多話語權(quán)與產(chǎn)業(yè)硬實力。短期則要正視現(xiàn)有短板、搶抓時間窗口補齊產(chǎn)業(yè)鏈配套；他希望未來十年能夠把基礎(chǔ)科研、工程落地、產(chǎn)業(yè)發(fā)展與國家戰(zhàn)略需求進一步結(jié)合，搭建完善、可持續(xù)的半導(dǎo)體裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局。

在亞納米的世界里，“看見”本身正在被重新定義，而他選擇回到起點，參與這一定義的重寫。

參考資料：

4.Da, B., Cheng, L., Liu, X., Shigeto, K., Zhang, Z., Tsukagoshi, K., … Tanuma, S. (2024). Exploring high-symmetry structures in non-Cartesian coordinates: preparation and characteristics of cylindrically symmetric-rotating crystals. Science and Technology of Advanced Materials: Methods, 4(1).