激光电化学四维动漫显微智造文化科学人问题

华中科技大学 方少红 陈志凌 等人

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chihlchen@163.com

摘要/激光电化学四维动漫显微智造，是一种将激光电化学工艺、半导体制造工艺与四维动漫显微科学融合在一起的显微智造，注重发挥科学家和工程师创造灵感在智慧制造过程中的作用。由一维时间和三维空间构建四维时间空间坐标系，获得四维坐标系中像动画、动漫般的显微音像视频。结合科学活动中的某些科学道德缺失行为，讨论光电化学显微智造过程中的文化科学人问题。

1. 光电显微智造概述

光电显微智造，是指样品特征尺寸从微米尺度小到纳米，甚至亚纳米尺度，分子/原子尺度范围的半导体制造：在达到国家标准《洁净厂房设计规范》的洁净厂房内，完成裸芯片结构制造、特性参数测量和模块封装等集成工艺流程；同时确保洁净厂房外部周边环境达到国家环境保护标准。建设、发展中的武汉光电国家实验室，西邻武昌关山二路、虹景花园；北边与万人教学的东九楼隔路相望；南邻一片建设工地；东靠一块城中绿色景观，由南向北，从荒草陆地、湿地浅滩，到“东九湖”，是学子们读书、赏景、实验的乐园。从喻家山顶小道，由骑在鬼子碉堡上的凤天台，向着朝阳升起的方向走去，慢慢地由东山坡下山，在十字道口继续向东，沿着光谷一中（华中科技大学附属中学）北道长坡，与喻家湖擦肩而过，即可进入武汉东湖国家湿地公园。由粱章村，梅山，猴山，渔村，我们就可到达东湖边的湿地公园大石头标牌。在小亲水平台上，望北岸，是武钢；望西边，可见东湖中的白色多孔桥；望东边，那是芦苇丛，莲花塘，太渔山。这片风水宝地，也是师生们游乐的场所。光电显微智造的实质，是光电化学显微智造。这种已经渗透到人类社会，乃至浩瀚太空各个角落的先进制造技术，是基于量子力学、固体物理、半导体物理和晶格动力学等基础理论发展起来的。黄昆，世界著名物理学家、教育家，20世纪40年代就是国际固体物理学界的学术带头人；1951年回国以后，黄昆牵头，与谢希德共同组织，联合复旦大学、吉林大学、南京大学和厦门大学，在北京大学，创办了中国半导体专业，开创了中国固体物理、半导体物理教育事业，培养了以多位中国科学院院士为代表的业界精英，为中国现代微电子/光电子学科及其产业的发展，奠定了坚实的基础。黄昆的卓越贡献，使他和王选一样，同时获得2001年度国家最高科学技术奖。黄昆对固体物理/半导体物理的杰出贡献，在国内外半导体学术界、产业界，是众所周知的。黄昆在英国撰写博士学位论文期间，1947年就从理论上预言，点缺陷会导致X射线漫散射，即黄昆散射；20年后，被德国物理学家的实验证实。完成导师莫特（获得1977年诺贝尔物理学奖）指定的学位论文后，黄昆跟随玻恩（量子力学非主流学派和晶格动力学的创始人，1954年获得诺贝尔物理学奖）做半年访问，并在玻恩手稿的基础上，提出晶格动力学普适理论。黄昆1950年提出一对唯象方程（黄昆方程），揭示离子晶体长光学波光学位移、宏观电场强度与电极化强度之间的关系。50多年以来，黄昆方程对微电子/光电子器件和光通信的发展，一直具有指导意义。在英国做博士后研究人员期间，黄昆与玻恩合著，基于量子力学的《晶格动力学理论》，牛津出版社1954年出版，北京大学出版社1989年出版中文版。半个多世纪以来，这本专著一再重印，被译成俄语、汉语等多种文字，是所有固体物理教科书、晶格动力学专著的标准参考文献。2003年牛津大学出版社把玻恩、黄昆的这本专著列入牛津经典物理著作丛书，一直是固体物理/半导体物理学科的经典著作。朱邦芬用1975－2001年美国科学引文索引，获得的检索结果表明，《晶格动力学理论》英文版被引用5,254次、俄文版被引376次。黄昆是声子物理的开拓人，与李爱抚合作建立多声子跃迁理论。华中工学院1960年成立无线电工程系，设置电真空、半导体等专业。70年代，学校通过四机部，从武汉710厂划拨一条半导体制造工艺生产线，在南一楼，组建继北京大学、复旦大学之后的，第三条高校集成电路生产线。1979年，电真空专业取消，师生大部分转进光学系、激光研究所，2005年光电子学院组建。 经过40多年的学科沉淀和发展，学校陆续设立微电子学与固体电子学博士点，机械制造博士点精微制造方向、机械电子学方向，物理电子学国家重点学科、博士点，机械制造博士后流动站，电子科学与技术博士后流动站。微电子学与固体电子学、机械电子学被评为湖北省重点学科。1998年在长春召开全国微电子机械系统（MEMS）发展战略研讨会上，机械学院代表发言，重点介绍华中理工大学微系统研究中心发展计划。2004年湖北省在机械学院设立微系统工程中心。近10多年以来，学校通过实施211工程、985工程等计划项目，投入数亿元，为光电显微智造打下了基础。 目前，我们正在建设武汉光电国家实验室光电子微/纳制造工艺平台。机械学院和材料学院联合建设的先进制造大楼也即将竣工。来访客人将在洁净小区外的参观走廊，通过多个观察窗口，观察洁净小区内的工作景况。以后的洁净实验室体积将会变小，更加节能，光电制造的理论基础，是基于量子力学/固体物理/半导体物理/晶格动力学的光电化学。由此，我们提出一种光电化学显微制造方法：将激光导入（1）反应离子刻蚀（RIE）、（2）电感耦合等离子体（ICP）刻蚀、（3）高密度等离子体刻蚀（HDP）、（4）等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)、（5）低压化学汽相沉积（LPCVD）和（6）金属有机化合物汽相沉积（MOCVD）等电化学工艺设备；前三种工艺是干法刻蚀（光刻），深度/宽度比值依次由小到大；后三种工艺是在样品表面生长薄膜。上述6种设备，都是利用电化学制造原理设计和制造的。如果由多种激光器构成多波长激光器系统，发出多波长单色光子，并使之引入上述设备的电化学反应腔体，利用多光子与正/负离子、电子/空穴对等微观粒子的相互作用，产生能量密度更大的激光等离子体，刻蚀的速率就会更高，加工出来的微观结构，深度/宽度之比就会更大；薄膜生长的速率也会更高，薄膜致密度也会增大，与基片的粘附力也会更强。为了提高薄膜的粘附力，可试用激光清洗方法，去掉基片表面的污物。激光光子在这里是倍增器，好似催化剂，又像点火器，一旦光子与离子、电子等微观粒子发生相互作用，就会生成处于谐振状态的激光等离子体，使原有的电化学反应更加激烈，更加高效。

2. 光电化学智造文化科学人问题

我们提出光电化学制造文化科学人问题，讨论科学道德缺失行为典型特征及其约束策略，探索现行科学管理模式的完善问题，探索中华文化科学与西方科学文化在光电化学制造中的相互交融。纵观人类科学发展史，科学问题往往和人文理念交织在一起，高智商的科学家篡改实验数据的故事，时有发生。譬如，美国物理学家密立根1910年进行油滴实验，测出氢原子质量是电子质量的1836倍，电子电荷总是e的整数倍。与此同时，比他更有名望的奥地利科学家埃氏也在做相同的实验，但发现电子电荷，除了是e的整数倍之外，有时还是e的分数倍。为此，埃氏对密立根的实验结果提出异议。然而，当时密立根不但在论战中获胜，还得到1923年诺贝尔物理学奖。这种结果可能与爱因斯坦等人的态度有关。60年后，一位科学史学家发现密立根笔记和手稿，看到密立根发表的58次观测结果，是从140次观测中筛选的，那些与密立根电子电荷理论模型不相吻合的实验数据，他就做上记号，不予发表。另外，美国斯坦福大学的科学家1981年也在类埃氏实验中发现，密立根电子理论模型有局限性，并证实埃氏亚电子理论模型与实验结果基本相符合。遗憾的是，诺贝尔奖的游戏规则，没有纠错之说。加之两位当事人都已作古，这只能使科学史学家写的故事，更能吸引读者。写到这里，我们又翻阅了一下办公室书柜里的几本教科书，其中列出的有关物理常数，仍然都来自密立根的结果。当然，这类故事更能激励后人，继续完善科学界同行评议、重复实验体制。

3. 四维动漫光电化学显微文化科学人问题

黄昆在“我的研究生涯”中指出，研究活动有三个步骤：<1>选题，提出问题，选择值得关注的课题；<2>寻找解决问题的有效办法；<3>正确理解自己初始结果的意义。失败是成功之母，只有不断总结经验教训，才能从迷惑中解惑、脱颖而出。例如，北京工业大学左铁钏等人，攻克了高强度铝合金的激光焊接工艺，在国内首先开始承担准分子激光微制造工艺方面的国家自然科学基金项目，目前正在研究微米尺度范围内的激光连接技术。厦门大学田昭武等人发明了电化学微制造工艺。由此，华中科技大学机械学院将左、田的两种方法结合在一起，在准分子激光电化学微制造生产线关键技术方面得到国家863计划机器人主题项目和国家自然科学基金项目的资助，已经取得一些初步结果。激光对被照射物体表面的机械冲击效应，多数人不大关注。龙芋宏博士毕业后，在桂林电子科技大学继续原来的研究，组建了一个好的研究团队，代表作品被科学引文索引收录。尽管这些初始结果还比较原始，获得的微结构图片还不如人意，理论模型基本还是基于宏观热力学，波动光学，方程式中没有普朗克常数。在早期的光电化学实验中，曾经将硅片放在电化学反应池中的电化学溶液里面，硅片表面与液面表面之间的距离一般难以控制；激光作用到样品时，往往导致溶液的飞溅，致使原有设备的反射镜表面薄膜层受损。总之，步子毕竟已经迈开了，上述初始结果是很有意义的。只要不断总结经验教训，从宏观世界跨进微观空间，利用现存的上述6种电化学反应设备，研究导入的激光多光子，与气相电化学反应器中的离子、电子等微观粒子发生相互作用，考虑对整个加工过程进行实时检测、监控，就可望探寻到光电化学制造的真谛。

来自科学网站的消息：奥利弗·萨克斯（Oliver Sacks，临床神经学家，畅销书《错把妻子当帽子》的作者，现为美国哥伦比亚大学医学中心神经学和精神病学教授）： 我们正在学习利用大脑惊人的可塑性。作为一名医生，我特别关注那些遭受神经损伤或疾病的人，或是那些正在努力改善其神经功能的人。最近令我感到痴迷的一个问题是，为什么一个人在失明后，没有了心灵的窗户，他的大脑依然能创建视觉图像，这种能力非但能保持，还可得以提高和利用。很多失去视力的人仍然是有视觉的。当他们用自己的指尖读盲文时，他们仍会有视觉体验。这不只是一种比喻或说法：他们视觉皮层的功能性影像表明，在他们读盲文时，视觉皮层就被激活。这是一种交叉模式转移，以至于触感转化成了大脑中的视觉体验。 用术语来说，这叫感觉替代，这个概念最初是由神经学家保罗·巴赫-丽塔提出的。他想知道，通过使用一台摄像机，并将之连接到皮肤上的一个区域，一个人是否就可基于皮肤感受到的触觉脉冲形成一幅心理图片。他用舌头进行了尝试，因为舌头是人体内最具感觉辨别力的器官。有了这样一个设备，盲人就能形成一幅具有足够细节的环境图片，例如，可抓住一个正在向他滚过来的球。但是，这还不是极限。这些盲人还可拥有更高的辨别力，其所拥有的感知力甚至可媲美于一个正常人。最不同寻常的是，尽管是舌头受到了刺激，但使用这些设备的人们拥有的却是这个世界的视觉图像。 感觉替代也可以采取其他形式，人们一定想知道，就未来技术而言，使用其他感觉是否能够提升这种能力。人工耳蜗植入物现在已是相当精良，视网膜植入物也开始进入人们的生活。我认为，感觉皮层的直接刺激迟早会得到应用，但我特别喜欢非侵入性装置的想法，比如在舌头上的传感器。这种事情在40年前几乎是不可想象的，那时我们都不会想到大脑还会有可塑性。我们曾经认为，大脑的每一个部分在遗传上都是业已决定的，遗传什么就是什么。现在我们知道，大脑功能发生巨大变化是可能的。神经系统的可塑性和可重新部署的奇迹，简直让我兴奋极了。

主要参考文献

1.中华人民共和国信息产业部主编，中华人民共和国国家标准 洁净厂房设计规范 GB 50073-2001,中国计划出版社（北京，2001）.

2.Kun Huang,“Lattice Vibrations ang Optical Waves in Ionic Crystals”, Nature, vol.167(1951), pp. 779-781.

3.黄昆，“我的研究生涯”，物理，Vol.31,No.3 (2002), pp. 129-133.

4.朱邦芬，“黄昆对物理学的贡献”，发光学报，Vol. 24, No. 1 (2003), pp. 1－7.

5.朱邦芬著，黄昆－声子物理第一人，上海科学技术出版社（上海，2002）.    

6. W.Broad and N.Wade, Betrayers of the Truth: Fraud and Deceit in the Halls of Science, Simon and Schuster(1982).

7. 朱进宁方玉珍译，背叛真理的人们――科学界的弄虚作假，科学出版社（北京，1988）.  

8. 魏柯、麦捷夫[俄]著，吴国安、邓存熙译，《激光工艺与微电子技术》，国防工业出版社，

  1997年7月第1版.

9. 古列维奇、波利斯科夫[苏联]著，彭瑞伍译，《半导体光电化学》，科学出版社，1989年1月第一版.

  俄文原版1983年.

  英文译著：