中國半導(dǎo)體“基石”這樣誕生

危羚 黃彬

無論是芯片供應(yīng)鏈的安危，還是5G時代的到來，這些熱門話題顯示我們的生活與信息化時代的緊密聯(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”

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，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試驗所”（中國電科46所前身），研制小型發(fā)報機、步話機等。試驗所成立后，首先成立化學(xué)提純組，開始從石英石中制備硅的實驗研究。

但如何熔煉出高純度的硅單晶，當(dāng)時沒有任何進展。為此，601試驗所決定成立“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。這樣一支沒有一個是學(xué)半導(dǎo)體專業(yè)的“游擊隊”，能行嗎？

物理提純組成立時，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。從這僅有的一點材料中，他們了解到晶體硅的熔點：1414攝氏度。它的熔點不但極高，而且化學(xué)性質(zhì)極為活潑。該怎么辦呢？

當(dāng)時沒有設(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。在幾個月的摸索后，總算達到了指定溫度，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”的實驗

所有人不得不重新在國外文獻中尋找零星的線索。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行拉制，但硅單晶爐究竟是什么模樣，文獻里沒提。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，原來實物遠比文獻上介紹的要復(fù)雜得多。丁守謙一路上瞪大眼睛，努力記住每一個細節(jié)。根據(jù)他的記憶和大家的修改意見，不到半個月，一臺拉硅單晶的自制爐居然由圖紙變成了實物。

可真正輪到實驗時，問題都接踵而至。硅加熱到超過1400度的熔點時，整個爐壁都熱得燙手，這可是鍺單晶爐（鍺的熔點為960度）不會遇到的麻煩。他們趕緊給爐外殼加了個水冷套。同時，單晶爐內(nèi)還需要一種保護氣體。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行了上百次的實驗和演練。一切準(zhǔn)備就緒后，終于要正式拉制硅單晶了。

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

1959年9月14日晚9時許，實驗開始。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的時候，馬達突然出現(xiàn)故障。大家趕緊采取人工馬達的方法，但堅持了一會兒就不行了，實驗被迫中斷。

這場半途終止的實驗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，大家的眼睛頓時亮了！只見這個晶體有棱有角，三個晶面閃閃發(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年大慶獻上厚禮！

“游擊隊打敗正規(guī)軍”

1960年3月，國家計委、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)時硅單晶雖然拉制成功，但還需要進一步提純。按照國外的科技資料，硅單晶的純度起碼要達到5個9（即99.999%）才能派上用場。可如何提純？這又是一大難題，其難度還要遠遠超過拉制硅單晶本身。

經(jīng)過仔細研究，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，大家把實驗室吃飯的大理石桌子拆了，用大理石桌面和銅片相疊，做成一個大電容。可電容打火問題解決了，但高頻爐的電容還達不到要求。于是他們采用空氣電容器，并仔細調(diào)節(jié)間距，仔細打磨表面防止火花，最終達到了技術(shù)要求。

1960年秋，他們將一根硅單晶棒一連掃描了17次后，純度達到了7個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國比肩的地步?！?/p>