李志堅：一生與硅不了情

戴吾三

李志堅（1928～2011），中國科學院院士（1991年當選），是我國硅基半導體科學研究的奠基人和開創(chuàng)者，半導體領域的著名科學家，清華大學微電子所的創(chuàng)始人和學術帶頭人之一。20世紀80年代，他領導和參與研制出1K、4K、16K、靜態(tài)RAM，8位、16位微處理器等電路；90年代又領導建成我國首條1微米工藝線，并研制成1兆位只讀存儲器漢字庫等一批超大規(guī)模集成電路。這些成果代表了當時我國集成電路技術的先進水平。李志堅曾獲全國勞動模范（1979年）稱號、國家科技進步二等獎（1987年）、國家發(fā)明二等獎（1990年）等多種獎項。2011年5月，李志堅因病逝世，享年83歲。

硅是自然界極為常見的一種元素，它以硅酸鹽或二氧化硅的形式，廣泛存在于巖石、砂礫、塵土之中。硅也是一種優(yōu)良的半導體材料，可用于制作半導體器件、集成電路、太陽能電板等。

上世紀40年代末，隨著晶體管的發(fā)明，國際上就用鍺或硅作材料，形成兩種不同的技術路線。在中國，一批科學家確定以硅材料為方向，奮力進取，其中有一位做出開拓性貢獻的重要人物，他就是李志堅。

留學負使命，報國赤子心

李志堅1928年出生于浙江寧波的鎮(zhèn)?？h，當地有讀書求進的濃厚風氣，經商的父親希望兒子好好讀書，將來為家族爭光。上小學和初中時，大江南北烽火燃燒，李志堅目睹了日本侵略者的囂張，感受到國破山河在的艱難，激發(fā)了他以科學報國的壯志。

1951年，李志堅從浙江大學物理系畢業(yè)，被分配到同濟大學物理系做助教。一年后趕上全國院系調整，他做好了服從組織安排的思想準備，可沒想到上級通知他到北京學俄語，準備去蘇聯(lián)留學。李志堅從小就學英語，中學和大學也是，大學教材都是英文，講課也用英文。而今俄語卻要從字母學起。雖然轉折很大，但這是國家需要，他沒有半點猶豫。

新中國成立后，與西方世界的聯(lián)系幾乎完全切斷，一個年輕人要想留學，不可能再去英美國家，也不可能由個人選擇。當時到蘇聯(lián)留學就是很高的榮譽，而一切都由組織安排，要經過嚴格選拔，不僅看個人能力和政治表現(xiàn)，更要看家庭成分和父母的情況。

李志堅大學已是共青團員，工作后積極爭取加入共產黨。他的父親是小商人（成分還算過得去），政治清白。當時參加學習俄語的同學中，最后真正去蘇聯(lián)的只有一半，因為政治審查非常嚴格，有一點海外關系就沒戲了。如果家庭成分是資本家、地主，不管你個人怎么表現(xiàn)都不行，這在今天的年輕人很難理解。想不到的是，李志堅到蘇聯(lián)不久，父親重新被劃為大商人，一下上升為資本家，資本家是剝削階級，這在當時是很敏感的字眼。如果再晚半年，他肯定去不了蘇聯(lián)。李志堅的幾個弟妹都很聰明，但后來因父親的成分問題，都沒能進入大學門。

去蘇聯(lián)前，李志堅只知道要學習保密的專業(yè)，但具體是什么并不清楚。到蘇聯(lián)后進入列寧格勒大學物理系，學校讓留學生自己提出學習愿望。當時國內在發(fā)展鋼鐵工業(yè)，李志堅提出學習金屬學，但物理系沒有金屬學專業(yè)，指導他的導師是蘇聯(lián)科學院院士列別捷夫。列別捷夫在國防單位工作，也在物理系兼教研室主任，他在做半導體研究，側重紅外夜視的半導體，這在當時屬于前沿。導師拿了一個項目讓李志堅來做，由此他開始與半導體結緣。

1947年12月，美國科學家發(fā)明了鍺晶體管，1953年半導體研究剛起步不久。李志堅從物理學的發(fā)展判斷，認為半導體的潛力很大，前景很好，于是開始補課，決定跟導師學習半導體。導師要求他用兩年時間補習量子力學、固體物理等基礎理論，主要靠自學，然后接受考試。李志堅僅用半年時間就通過了這些課程。李志堅回憶說，當時沒白天沒黑夜，禮拜天根本不休息，全用在學習上。完成補課后通過考試，即進入研究課題，他一頭扎進實驗室，自己設計和做實驗。當時需要一個玻璃真空系統(tǒng)，負責做玻璃儀器的師傅是個酒鬼，喝醉了酒就把做好的玻璃管給打了，沒有辦法，李志堅只得自己吹玻璃管，反復了多次，最后做的真空度達到10-10數量級，改進的小電流測量設備可測 10-15A數量級，這在當時均接近國際上的最高水平。

1956年國家制定12年科學發(fā)展規(guī)劃，確定計算機、半導體、自動化為重點發(fā)展方向。同年教育部派代表團訪蘇，清華大學校長蔣南翔帶隊，對中國留學生重新摸底排隊，李志堅被確定從事半導體專業(yè)。李志堅在蘇聯(lián)學習了四年多，因為做實驗，故比許多同學的學習時間長。正是留學蘇聯(lián)，讓他了解了半導體，熟悉了鍺、硅等材料的應用。

回憶起留學歲月，李志堅說，當時的想法就是快點學完回來，報效祖國，就像游子要報答母親一樣。因為出國前領導給他們算過一筆賬，一個人出國要用去多少大米，國內有多少人在付出勞動供你讀書。這讓他深切感受到留學生肩負著國家使命，只有出色學習，才能不辜負人民的重托。留學期間，他埋頭學習和實驗，娛樂活動極少，甚至連電影都沒看幾次（那時也沒有電視）。說起看電影，李志堅還牽出一個笑話，因為他和一位中國學生、一位蒙古學生住一個房間，那位蒙古學生談戀愛，把女朋友拉到房間來，弄得兩位中國學生沒辦法，就去看了一場電影。

回國進清華，全力研發(fā)硅

1958年2月李志堅畢業(yè)，回國前他把結余的津貼都上交了中國駐蘇聯(lián)大使館（這在今天很難理解），表示自己回國干一番事業(yè)的雄心壯志。當乘坐的列車徐徐開進北京站時，他發(fā)現(xiàn)清華大學的領導等在站臺上，熱誠地迎接他。李志堅本人曾有回母校浙大工作的意愿，因為他是寧波人，更習慣南方的生活。但現(xiàn)在面對清華求才若渴的誠意，他話到嘴邊又咽了下去。說起來這里面還有個小插曲，時任清華大學無線電主任的李傳信，通過其他留學生已先了解了李志堅的情況，考慮到清華要發(fā)展半導體專業(yè)，即商定一俟李志堅畢業(yè)，就把他引入清華，而辦法就是以誠意感動。

就在李志堅來清華前半年，清華在無線電系設立了半導體專業(yè)，有三四位教師，還有一些學生，被派往北大聽半導體的課程。當時清華正在和全國最大的電子管廠774廠合作研發(fā)半導體，清華的條件非常簡陋，在學生宿舍樓找了兩間小房子，說是實驗室，里面基本上是空的。

到1958年時，國內做半導體的主要材料是用鍺，材料的關鍵是要做得非常純，如果不純，一些效應就顯示不出來。李志堅經過分析認為，蘇聯(lián)有硅材料，硅器件剛做不久；而美國硅器件也只在實驗室有，還沒有產業(yè)化。從理論上看，硅要好于鍺，因為硅的工作溫度高，而且用氧化硅作材料也十分便宜。但是硅的性能比較活潑，難以提純，所以硅的發(fā)展比較慢。比起硅來，鍺已有研究基礎，但鍺是稀有元素，再者，鍺器件性能不如硅。當時正是大躍進時期，搞鍺的勢頭很大，甚至發(fā)展到民眾。一些基層單位把大煙囪里的煙灰刮下來煉，然后用多種酸來洗，最后弄出幾克鍺來，弄得像淘金一樣。

李志堅認為，我國應該走發(fā)展硅的技術路線。當時中科院半導體所的林蘭英等人，也主張早些讓硅項目上馬，后來在北京召開專家會論證，確定了“南鍺北硅”的技術戰(zhàn)略，即上海在南方搞鍺，而北京發(fā)展硅，以清華牽頭來做。當時的目標很明確，就是以晶體管取代電子管，其基本技術思路是：做晶體管要用硅片，硅片要切出來，切硅片先要有單晶（棒），而拉單晶先要有多晶，由多晶才能拉成單晶。制多晶要用化學藥品四氯化硅，四氯化硅要提純，要蒸餾。工業(yè)四氯化硅使用鐵硅為原料，要把鐵等這些雜質去掉，就要蒸餾。

任務很明確，就是要把工業(yè)用四氯化硅提純到2個9、3個9（分別指0.99；0.999）的四氯化硅，精餾后要達到5個9、6個9（指0.99999；0.999999）。精餾完了，這樣做出來的是多晶硅，然后要用單晶爐把它拉成單晶，然后再切片。所說的這些過程都在簡陋的實驗室里做，一次一次地精餾。

還原四氯化硅要用氫氣。當時只有李志堅一人在蘇聯(lián)操作過氫氣，氫氣瓶運來后放在樓道，不敢放實驗室。李志堅說：“你們都走開，我來開！”他回憶當時情景時笑了起來，說：“搞得跟打仗似的?！?/p>

實驗一開始用的是玻璃式反應器，外面用水冷卻，玻璃遇冷水很容易炸，一不小心就炸了，結果四氯化硅氣體彌漫到整個大樓。直到后來制成了不銹鋼反應器，才變得安全多了。

李志堅和其他師生日以繼夜，奮戰(zhàn)了一年多，首次在我國用四氧化硅還原法獲得了高純度多晶硅，而后拉出了第一根鎢絲區(qū)熔單晶硅。接下來自己切片，1961年在國內首次成功研制出了硅晶體管。

原清華大學黨委書記李傳信對這段歷史有如下的評價。他認為，在清華半導體專業(yè)起步階段，以李志堅為主導的團隊解決了兩大問題：首先是冷靜而機智地避開了“大躍進”刮起的“浮夸風”和“批判風”，沒有干什么蠢事，又始終保持了自力更生的充足干勁；更重要的是選定國際上剛起步的硅材料和器件技術為主導的學科建設方向，規(guī)劃師資隊伍，抓牢了實驗室建設?！八氖嗄赀^后回頭再看，當時的選擇使學校在微電子領域的人才質量、學術水平、研究成果一直處于國內前列，李志堅同志一直起著主導作用?！钡?963年，清華大學的硅技術研究已處于領先水平，與美國相比只差三到五年。1960年美國發(fā)明硅基集成電路，1964年清華也開始著手研制?？上]有多久，“四清”運動以及接踵而至的“文革”，使研究擱了淺。

上馬微電子，奮進號角吹

1966年開始的“文革”，嚴重沖擊了大學的教學和科研。1967年李志堅被下放到四川綿陽，參加建立清華分校。他在那里篩沙、架電線、挖地井，什么都干過。1978年，在鄧小平親自過問下，綿陽分校的教師回到北京，與清華留校的半導體隊伍合并。隊伍擴大后，面對世界快速發(fā)展的電子技術，如何確定新的方向成為迫切的問題，最后討論達成共識，決定集中力量搞CMOS VLSI的研究。在新的指導方針下，逐漸形成了包括工藝、器件物理、電路設計和CAD技術等幾個子方向的全面和先進的微電子技術發(fā)展格局。

1980年9月，成立了跨系跨學科的研究所——清華大學微電子學研究所，建制直屬學校領導，除了進行科學研究外，每年招收半導體器件與物理專業(yè)五年制本科生兩個班。1982年后，半導體器件與物理專業(yè)又被批準為有權授予碩士、博士學位的學科和專業(yè)。

從1985年到1993年，李志堅一直擔任微電子學所所長。他帶領隊伍加大科研力度，不斷取得矚目的成果。1986年微電子所建成了7000平方米的實驗研究大樓，1989年建成了國內第一條1微米級的VLSI工藝3英寸制造示范線。1990年，在這條線上自主開發(fā)成功1.5微米CMOS成套工藝技術，研制出我國第一塊含有百萬以上晶體管的1兆位漢字只讀存儲器，標志著我國微電子技術跨上了1微米臺階。1992年，這一成果達到中試水平，成功轉產給國內集成電路骨干企業(yè)——無錫華晶微電子公司。此后，這條線經過增容、升級，具備了0.5～0.8微米工藝技術、月產3000片5英寸硅片的能力。

上世紀90年代中期后，在清華“創(chuàng)建世界一流大學”的目標指引下，微電子學所相繼建成了先進的電子系統(tǒng)集成與專用集成電路技術研究中心和微米、納米加工中心，為集成電路設計創(chuàng)新和自主知識產權芯片的開發(fā)，以及新興的基于硅工藝的微電子機械系統(tǒng)（MEMS）和生物芯片的研究，創(chuàng)造了必不可少的環(huán)境和基礎。

在人才培養(yǎng)上，清華微電子學所除完成本科生專業(yè)課程教學外，還是我國首批碩士和博士研究生的培養(yǎng)點、博士后流動站及半導體器件與微電子學二級學科的唯一重點學科點。

老驥伏櫪時，不了硅之情

65歲時，李志堅從行政職務退下，但沒有退休科研，除去外出開會等活動，只要在學校，他幾乎每天都要去辦公室，去了就要到工藝線看一看。他一直關注集成電路技術的最新發(fā)展，還長期擔任《電子學報》、《半導體學報》和《傳感技術學報》編委等職，認真審閱研究論文，關心中青年科研人員的成長。

在他去世前兩年，我們去采訪他，他興致勃勃地說：“下一步要重視納電子?，F(xiàn)在微電子向納電子發(fā)展，納電子器件的原理同現(xiàn)在很不一樣，以前以牛頓力學為基礎，以后用量子力學，這是個很大的變化。還有一個就是系統(tǒng)集成，或集成系統(tǒng)?，F(xiàn)在計算機結構本身有局限，有的東西做不了，為什么？現(xiàn)在的計算機，數學計算可以很快，就是能很快處理并排出數學公式信息，可是你沒有數學公式干不了。但不是所有的事情都能把公式排出來的，這一點人腦就不一樣。所以從基礎信息處理技術方面也要革命?，F(xiàn)在社會發(fā)展對微電子不斷提出要求，我們關鍵是要盡快調整方向，迎接挑戰(zhàn)?！边@是一個老科學家的肺腑之聲啊！

2011年5月，李志堅不幸因病逝世，享年83歲。清華大學的訃告對他作了這樣的評價：“李志堅是我國硅基半導體科學研究的奠基人和開創(chuàng)者。早在上世紀50年代后期，他就提出了以硅技術為半導體專業(yè)的主要研究方向；70年代末，他又提出以CMOS集成微電子學為主要學術方向。這兩次學術方向的確立對我國的半導體事業(yè)和清華大學微電子學科的成功起步及持續(xù)發(fā)展有著極為重要的戰(zhàn)略意義?！^去50多年中，他孜孜不倦、勇于探索、治學嚴謹、精益求精，為我國半導體科技發(fā)展和高層次人才培養(yǎng)做出了卓越貢獻，在國內外享有崇高的聲譽?！?/p>

斯人已逝，風范長存！

（作者單位：清華大學）