向建國十周年獻(xiàn)禮：我國第一顆硅單晶研發(fā)成功

■ 馬曉榮

1959 年9 月15 日，一個(gè)普通得不能再普通的日子，但對(duì)于年輕的共和國來說，這一天卻別有意義!

據(jù)1988 年12 月23 日出版的《中國電子報(bào)》報(bào)道：我國第一根硅單晶是機(jī)電部第46 所于1959 年研制成功的。

1998 年出版的《天津科學(xué)技術(shù)志》第1036 頁這樣記載：1959 年9 月15 日，46 所利用直拉法拉制出中國第一顆實(shí)用直拉硅單晶。

兩段短文，一種事實(shí)：中國第一顆硅單晶誕生在中國電科46 所。

“草臺(tái)班子”也要唱大戲

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)域得到了應(yīng)用。一股與西方競賽的“硅”研究熱在中國的科技界悄然興起。一時(shí)間，全國從事硅材料研究的研究院所如雨后春筍。

1958 年9 月，天津市公安局決定在瑪鋼廠成立“601 實(shí)驗(yàn)所”(注：中國電科46 所前身)，研制小型發(fā)報(bào)機(jī)、步話機(jī)等。實(shí)驗(yàn)所成立后，首先成立了化學(xué)提純組，開始從石英石中制備硅的實(shí)驗(yàn)研究，他們利用硫——鋁還原法從石英石中制取粉末狀多晶硅。

但如何進(jìn)一步熔煉出硅單晶，尚無任何進(jìn)展。為此，601實(shí)驗(yàn)所決定成立“物理提純組”。

組長丁守謙，28 歲，北京大學(xué)物理系電子光學(xué)專業(yè)研究生畢業(yè)，是蘇聯(lián)專家謝爾曼執(zhí)教培養(yǎng)的我國首批10 個(gè)電子光學(xué)研究生之一，南開大學(xué)物理系助教。

組員張少華，原天津一所中學(xué)物理教師；蔡載熙，28 歲，南開大學(xué)物理系原子物理專業(yè)何國柱教授的研究生，從事原子核輻射方面研究；靳健，26 歲，南開大學(xué)物理系電子物理專業(yè)汪佳平教授的研究生，從事宇宙射線研究；李性涵，原天津某電池廠廠長，是當(dāng)時(shí)小組中最年長者，近60 歲；雷衍夏，北京大學(xué)物理系畢業(yè)生，熱衷于理論物理的研究；胡勇飛，天津大學(xué)物理系畢業(yè)生。

物理組雖人才濟(jì)濟(jì)，卻沒有一個(gè)是學(xué)半導(dǎo)體專業(yè)的，人們不禁要問，如此一支七拼八湊的游擊隊(duì)，能行嗎?

“游擊隊(duì)”打了漂亮仗

物理提純組成立后，難題可謂一連串。

技術(shù)方面，物理組只有幾間平房，不僅沒有設(shè)備，更缺少技術(shù)資料。

歷經(jīng)千辛萬苦，一本俄文版的《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，他們終于了解到硅的熔點(diǎn)：1414 攝氏度。這比鍺的熔點(diǎn)960攝氏度高很多，而且化學(xué)性質(zhì)極為活潑。如何達(dá)到呢？

沒有設(shè)備，只有一臺(tái)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。幾個(gè)月的摸索，溫度達(dá)到了，硅粉也被熔煉成硅塊，大家都很高興。可硅粉在石墨作用下結(jié)成的只是“碳化硅”，根本不是他們所需要的硅單晶。

根據(jù)國外文獻(xiàn)記載，硅單晶是用專門的硅單晶爐來進(jìn)行拉制的。但硅單晶爐究竟是什么模樣，文獻(xiàn)沒提。后來，他們聽說北京有色金屬冶金院有拉鍺單晶的設(shè)備，于是宛吉春決定派丁守謙前去“取經(jīng)”。進(jìn)了北京有色金屬冶金院的心腹重地——拉鍺單晶的實(shí)驗(yàn)室。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)，回來后憑記憶一通活靈活現(xiàn)的描繪。宛廠長聽罷立即點(diǎn)將，讓靳健負(fù)責(zé)繪圖，大家提意見修改。在瑪鋼廠，車鉗鉚電焊全是現(xiàn)成的，一聲令下齊上陣，不到半個(gè)月，一臺(tái)拉硅單晶的爐子居然由圖紙變成了實(shí)物。

可一實(shí)驗(yàn)，問題就接踵而至。

硅加熱到熔點(diǎn)時(shí)，整個(gè)爐壁都燙手，這可是鍺單晶爐不會(huì)遇到的麻煩。于是，他們趕緊給爐外殼加了個(gè)水冷套。同時(shí)，單晶爐內(nèi)需要一種保護(hù)氣體。那么到哪兒去找合適的惰性氣體呢?他們想到上大學(xué)時(shí)學(xué)過“吉普森氫發(fā)生法”，于是便用氫氣充當(dāng)爐內(nèi)的保護(hù)氣體。誰知一位領(lǐng)導(dǎo)來視察后不禁嚇了一跳，開玩笑地說：“你們想造‘氫彈’呀!”后來他們搞了一套真空系統(tǒng)，才解決了安全問題，也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它材料代替硅進(jìn)行了上百次的實(shí)驗(yàn)和演練，在一切準(zhǔn)備就緒后，終于要正式拉制硅單晶了。

實(shí)驗(yàn)用到了在費(fèi)盡周折從蘇聯(lián)購來的一小塊籽晶。唯一的一小塊籽晶！它意味著實(shí)驗(yàn)只能成功，不能失敗！

9 月14 日晚9 點(diǎn)多鐘，實(shí)驗(yàn)開始。物理組全體人員齊唰唰圍聚在自制的硅單晶爐旁。就在坩堝內(nèi)的硅溶液還剩三分之一的時(shí)候，馬達(dá)突然出現(xiàn)故障。大家的心都快要提到嗓子眼兒了!采取人工馬達(dá)的方法。可支撐了一會(huì)兒就不行了，實(shí)驗(yàn)不得不中斷。

當(dāng)把只結(jié)晶了三分之二，約有拇指般大小的晶體取出一看，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!

這不就是人們夢(mèng)寐以求的硅單晶嗎!

經(jīng)鑒定，我國第一顆硅單晶于1959年9 月15 日凌晨誕生了!

歷史不會(huì)忘記這一天，歷史將記住這個(gè)特殊的集體!因?yàn)樗麄冊(cè)诓坏揭荒甑臅r(shí)間里，成功拉制出我國第一顆硅單晶，向祖國10 年大慶獻(xiàn)上了一份厚禮！

“游擊隊(duì)”打敗了正規(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(當(dāng)時(shí)冶金部規(guī)定，硅的代號(hào)為703)。經(jīng)過幾次更名，2002 年又更名為中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所。

當(dāng)人們還沉浸在勝利的歡歌笑語中，601 實(shí)驗(yàn)所的全體人員已經(jīng)在勝利的鼓舞下，又全身心投入到新的科技攻關(guān)中了。因?yàn)楣鑶尉щm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 才能派上用場?？扇绾翁峒?？這又是一大難題！其難題要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過拉制硅單晶本身。

經(jīng)過仔細(xì)研究，大家決定買臺(tái)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(tái)再說!”

高頻爐買回來了。根據(jù)對(duì)無線電基本知識(shí)的了解，他們知道，要提高振蕩頻率，只有降低原振蕩槽路的電感和電容值。這樣一合計(jì)，他們決定將原有振蕩槽路的線圈改用直徑為幾毫米的空心紫銅管繞制，空心的目的在于能讓水通過，以便進(jìn)行冷卻。

剩下的是電容如何解決，既要使電容值恰到好處，又要經(jīng)受萬伏以上的高壓而不被擊穿。這樣的電容器當(dāng)時(shí)很難買到，只能自己動(dòng)手來做。起先，他們?cè)噲D用玻璃做絕緣介質(zhì)，不行。因?yàn)樗筒涣松先f伏的高壓。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?？勺龊煤笠辉囼?yàn)，電容打火問題是解決了，但高頻爐的電容達(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！

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(huì)”在北京召開。宛吉春帶著純度為7 個(gè)9 的硅單晶赴會(huì)，立刻又引起很大轟動(dòng)!

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 實(shí)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，只相差7 到8 年!

歷史的腳步依舊

隨著一代代科研人員的不懈奮斗，46 所人研制成功了我國第一顆砷化鎵單晶、第一根通信光纖、第一根熊貓保偏光纖、第一顆碳化硅單晶、第一顆硫化鎘單晶、第一顆β-氧化鎵單晶……

后記：

本文主人公中，江楓、張少華和雷衍夏已去世，其他人雖依然健在，但都先后退休，并已都是年逾九十的老人了。

時(shí)間如梭。生者青春不再，逝者如東流之水，一代由我們國家自己培養(yǎng)出來的、與共和國共同成長同呼吸共命運(yùn)的專家，他們?yōu)殚_啟科技新時(shí)代所做出的業(yè)績將永載史冊(cè)。他們給后代留下的感動(dòng)、自豪和激勵(lì)也將永存。