危羚 黃彬

無論是芯片供應(yīng)鏈的安危，還是5G時(shí)代的到來，這些熱門話題顯示我們的生活與信息化時(shí)代的緊密聯(lián)系。眾所周知，由高純硅制造的晶圓堪稱半導(dǎo)體行業(yè)的基石，是信息化時(shí)代不可或缺的核心材料。而鮮為人知的是，在20世紀(jì)五六十年代，中國科研人員曾依靠自身力量成功研制出高純度的硅單晶，此舉不但打破美蘇壟斷，還奠定了中國現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。

外行人組成的“游擊隊(duì)”

1957年，世界第一塊集成電路在美國問世，半導(dǎo)體技術(shù)很快在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。與此同時(shí)，一股與西方競賽的硅研究熱在中國科技界也悄然興起。1958年9月，天津市公安局決定在瑪鋼廠成立“601試驗(yàn)所”（中國電科46所前身），研制小型發(fā)報(bào)機(jī)、步話機(jī)等。試驗(yàn)所成立后，首先成立化學(xué)提純組，開始從石英石中制備硅的實(shí)驗(yàn)研究。

但如何熔煉出高純度的硅單晶，當(dāng)時(shí)沒有任何進(jìn)展。為此，601試驗(yàn)所決定成立“物理提純組”。擔(dān)任組長的是28歲的丁守謙，他畢業(yè)于北京大學(xué)物理系電子光學(xué)專業(yè)，也是蘇聯(lián)專家謝爾曼培養(yǎng)的中國首批10名電子光學(xué)研究生之一。組員張少華，原天津一所中學(xué)物理教師；蔡載熙，28歲，從事原子核輻射方面研究；靳健，26歲，從事宇宙射線研究；李性涵，原天津某電池廠廠長，近60歲；雷衍夏，北京大學(xué)物理系畢業(yè)，熱衷理論物理；胡勇飛，天津大學(xué)物理系畢業(yè)生。這樣一支沒有一個(gè)是學(xué)半導(dǎo)體專業(yè)的“游擊隊(duì)”，能行嗎？

物理提純組成立時(shí)，只有幾間平房，不僅沒有設(shè)備，更缺少技術(shù)資料。千辛萬苦找到的一本俄文版《半導(dǎo)體冶金學(xué)》，令大家如獲至寶。從這僅有的一點(diǎn)材料中，他們了解到晶體硅的熔點(diǎn)：1414攝氏度。它的熔點(diǎn)不但極高，而且化學(xué)性質(zhì)極為活潑。該怎么辦呢？

當(dāng)時(shí)沒有設(shè)備，只有一臺廢舊的高壓變電器。李性涵提議用高壓打火花的辦法，產(chǎn)生高頻震蕩，感應(yīng)石墨容器產(chǎn)生高溫。在幾個(gè)月的摸索后，總算達(dá)到了指定溫度，硅粉也被熔煉成硅塊，大家都很高興?？呻S后大家才發(fā)現(xiàn)，這種方法結(jié)成的只是“碳化硅”，根本不是半導(dǎo)體材料需要的硅單晶。

“只能成功不能失敗”的實(shí)驗(yàn)

所有人不得不重新在國外文獻(xiàn)中尋找零星的線索。經(jīng)過“大海撈針”般的尋找，終于發(fā)現(xiàn)硅單晶需要用專門的硅單晶爐進(jìn)行拉制，但硅單晶爐究竟是什么模樣，文獻(xiàn)里沒提。后來，物理提純組聽說北京有色金屬冶金院有可以拉鍺單晶的設(shè)備，原理與制造硅單晶相似。于是技術(shù)廠長宛吉春派出丁守謙前去“取經(jīng)”。丁守謙后來回憶說，真是不看不知道，原來實(shí)物遠(yuǎn)比文獻(xiàn)上介紹的要復(fù)雜得多。丁守謙一路上瞪大眼睛，努力記住每一個(gè)細(xì)節(jié)。根據(jù)他的記憶和大家的修改意見，不到半個(gè)月，一臺拉硅單晶的自制爐居然由圖紙變成了實(shí)物。

可真正輪到實(shí)驗(yàn)時(shí)，問題都接踵而至。硅加熱到超過1400度的熔點(diǎn)時(shí)，整個(gè)爐壁都熱得燙手，這可是鍺單晶爐（鍺的熔點(diǎn)為960度）不會遇到的麻煩。他們趕緊給爐外殼加了個(gè)水冷套。同時(shí)，單晶爐內(nèi)還需要一種保護(hù)氣體。到哪兒去找合適的惰性氣體呢？他們又不得不自力更生搞了一套真空系統(tǒng)，才解決了硅的氧化問題。

硅單晶爐制成后，剩下的最大難題就是火候的掌握和提拉的速度了。蔡載熙、靳健和張少華等用其他材料代替硅進(jìn)行了上百次的實(shí)驗(yàn)和演練。一切準(zhǔn)備就緒后，終于要正式拉制硅單晶了。

實(shí)驗(yàn)需要用到費(fèi)盡周折從蘇聯(lián)購來的一小塊籽晶。這是唯一一小塊籽晶！它意味著實(shí)驗(yàn)只能成功，不能失?。?/p>

1959年9月14日晚9時(shí)許，實(shí)驗(yàn)開始。全體人員圍聚在自制的硅單晶爐旁。然而好事多磨，就在坩堝內(nèi)的硅溶液還剩1/3的時(shí)候，馬達(dá)突然出現(xiàn)故障。大家趕緊采取人工馬達(dá)的方法，但堅(jiān)持了一會兒就不行了，實(shí)驗(yàn)被迫中斷。

這場半途終止的實(shí)驗(yàn)讓所有人的心都懸了起來——它能成功嗎？當(dāng)只結(jié)晶了2/3、約有拇指般大小的晶體被取出時(shí)，大家的眼睛頓時(shí)亮了！只見這個(gè)晶體有棱有角，三個(gè)晶面閃閃發(fā)光！這就是人們夢寐以求的硅單晶！

經(jīng)鑒定，我國第一顆硅單晶于1959年9月15日凌晨誕生！在不到一年的時(shí)間里，中國首顆硅單晶成功被研制出來，向新中國10年大慶獻(xiàn)上厚禮！

“游擊隊(duì)打敗正規(guī)軍”

1960年3月，國家計(jì)委、冶金部正式批準(zhǔn)在天津組建703廠（冶金部規(guī)定硅的代號為703）。當(dāng)時(shí)硅單晶雖然拉制成功，但還需要進(jìn)一步提純。按照國外的科技資料，硅單晶的純度起碼要達(dá)到5個(gè)9（即99.999%）才能派上用場。可如何提純？這又是一大難題，其難度還要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過拉制硅單晶本身。

經(jīng)過仔細(xì)研究，大家決定用高頻爐來試試。但一打聽，現(xiàn)有高頻爐的頻率只有幾百千赫，而熔化硅起碼要幾千千赫。怎么辦？宛吉春當(dāng)機(jī)立斷：“管它行不行，先買它一臺再說！”根據(jù)對無線電基本知識的了解，他們自己動手，對買回來的高頻爐著手改裝。

接下來的問題是電容如何解決。當(dāng)時(shí)合適的電容器很難買到，還是只能自己動手。起先，他們試圖用玻璃做絕緣介質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不行。后來，大家把實(shí)驗(yàn)室吃飯的大理石桌子拆了，用大理石桌面和銅片相疊，做成一個(gè)大電容?？呻娙荽蚧饐栴}解決了，但高頻爐的電容還達(dá)不到要求。于是他們采用空氣電容器，并仔細(xì)調(diào)節(jié)間距，仔細(xì)打磨表面防止火花，最終達(dá)到了技術(shù)要求。

1960年秋，他們將一根硅單晶棒一連掃描了17次后，純度達(dá)到了7個(gè)9！趕在國慶11周年之際，他們又一次以優(yōu)異成績向祖國獻(xiàn)上了一份厚禮。

1961年秋，由國防科委和國家科委聯(lián)合舉辦的“全國硅材料研討會”在北京召開。宛吉春帶著純度為7個(gè)9的硅單晶赴會。聶榮臻元帥聞知此事后笑著說：“這可是游擊隊(duì)打敗了正規(guī)軍！”

中科院半導(dǎo)體專家鑒定后認(rèn)為，601試驗(yàn)所1960年的設(shè)備條件與產(chǎn)品純度，已相當(dāng)于美國1953年時(shí)的水平，技術(shù)差距縮小到7-8年！它使中國成為繼美國和蘇聯(lián)之后，世界上又一個(gè)可以自己拉制硅單晶的國家，使中國在該領(lǐng)域一下站在與世界強(qiáng)國比肩的地步?！?/p>