1959年，中国半导体“基石”诞生

作者：危羚黄彬来源：环球时报 2019-09-28 794

1959年，中国半导体“基石”诞生

危羚黄彬

没有设备自己动手缺乏经验自己摸索：中国半导体“基石”诞生记

1959年，中国半导体“基石”诞生

图片说明：当时601试验所的生产车间与中国首颗硅单晶。

无论是芯片供应链的安危，还是5G时代的到来，这些热门话题显示我们的生活与信息化时代的紧密联系。众所周知，由高纯硅制造的晶圆堪称半导体行业的基石，是信息化时代不可或缺的核心材料。而鲜为人知的是，在20世纪五六十年代，中国科研人员曾依靠自身力量成功研制出高纯度的硅单晶，此举不但打破美苏垄断，还奠定了中国现代电子产业的基础。

外行人组成的“游击队”

1957年，世界第一块集成电路在美国问世，半导体技术很快在许多领域得到应用。与此同时，一股与西方竞赛的硅研究热在中国科技界也悄然兴起。1958年9月，天津市公安局决定在玛钢厂成立“601试验所”（中国电科46所前身），研制小型发报机、步话机等。试验所成立后，首先成立化学提纯组，开始从石英石中制备硅的实验研究。

但如何熔炼出高纯度的硅单晶，当时没有任何进展。为此，601试验所决定成立“物理提纯组”。担任组长的是28岁的丁守谦，他毕业于北京大学物理系电子光学专业，也是苏联专家谢尔曼培养的中国首批10名电子光学研究生之一。组员张少华，原天津一所中学物理教师；蔡载熙，28岁，从事原子核辐射方面研究；靳健，26岁，从事宇宙射线研究；李性涵，原天津某电池厂厂长，近60岁；雷衍夏，北京大学物理系毕业，热衷理论物理；胡勇飞，天津大学物理系毕业生。这样一支没有一个是学半导体专业的“游击队”，能行吗？

物理提纯组成立时，只有几间平房，不仅没有设备，更缺少技术资料。千辛万苦找到的一本俄文版《半导体冶金学》，令大家如获至宝。从这仅有的一点材料中，他们了解到晶体硅的熔点：1414摄氏度。它的熔点不但极高，而且化学性质极为活泼。该怎么办呢？

当时没有设备，只有一台废旧的高压变电器。李性涵提议用高压打火花的办法，产生高频震荡，感应石墨容器产生高温。在几个月的摸索后，总算达到了指定温度，硅粉也被熔炼成硅块，大家都很高兴。可随后大家才发现，这种方法结成的只是“碳化硅”，根本不是半导体材料需要的硅单晶。

“只能成功不能失败”的实验

所有人不得不重新在国外文献中寻找零星的线索。经过“大海捞针”般的寻找，终于发现硅单晶需要用专门的硅单晶炉进行拉制，但硅单晶炉究竟是什么模样，文献里没提。后来，物理提纯组听说北京有色金属冶金院有可以拉锗单晶的设备，原理与制造硅单晶相似。于是技术厂长宛吉春派出丁守谦前去“取经”。丁守谦后来回忆说，真是不看不知道，原来实物远比文献上介绍的要复杂得多。丁守谦一路上瞪大眼睛，努力记住每一个细节。根据他的记忆和大家的修改意见，不到半个月，一台拉硅单晶的自制炉居然由图纸变成了实物。

可真正轮到实验时，问题都接踵而至。硅加热到超过1400度的熔点时，整个炉壁都热得烫手，这可是锗单晶炉（锗的熔点为960度）不会遇到的麻烦。他们赶紧给炉外壳加了个水冷套。同时，单晶炉内还需要一种保护气体。到哪儿去找合适的惰性气体呢？他们又不得不自力更生搞了一套真空系统，才解决了硅的氧化问题。

硅单晶炉制成后，剩下的最大难题就是火候的掌握和提拉的速度了。蔡载熙、靳健和张少华等用其他材料代替硅进行了上百次的实验和演练。一切准备就绪后，终于要正式拉制硅单晶了。

实验需要用到费尽周折从苏联购来的一小块籽晶。这是唯一一小块籽晶！它意味着实验只能成功，不能失败！

1959年9月14日晚9时许，实验开始。全体人员围聚在自制的硅单晶炉旁。然而好事多磨，就在坩埚内的硅溶液还剩1/3的时候，马达突然出现故障。大家赶紧采取人工马达的方法，但坚持了一会儿就不行了，实验被迫中断。

这场半途终止的实验让所有人的心都悬了起来——它能成功吗？当只结晶了2/3、约有拇指般大小的晶体被取出时，大家的眼睛顿时亮了！只见这个晶体有棱有角，三个晶面闪闪发光！这就是人们梦寐以求的硅单晶！

经鉴定，我国第一颗硅单晶于1959年9月15日凌晨诞生！在不到一年的时间里，中国首颗硅单晶成功被研制出来，向新中国10年大庆献上厚礼！

“游击队打败正规军”

1960年3月，国家计委、冶金部正式批准在天津组建703厂（冶金部规定硅的代号为703）。当时硅单晶虽然拉制成功，但还需要进一步提纯。按照国外的科技资料，硅单晶的纯度起码要达到5个9（即99.999%）才能派上用场。可如何提纯？这又是一大难题，其难度还要远远超过拉制硅单晶本身。

经过仔细研究，大家决定用高频炉来试试。但一打听，现有高频炉的频率只有几百千赫，而熔化硅起码要几千千赫。怎么办？宛吉春当机立断：“管它行不行，先买它一台再说！”根据对无线电基本知识的了解，他们自己动手，对买回来的高频炉着手改装。

接下来的问题是电容如何解决。当时合适的电容器很难买到，还是只能自己动手。起先，他们试图用玻璃做绝缘介质，结果发现不行。后来，大家把实验室吃饭的大理石桌子拆了，用大理石桌面和铜片相叠，做成一个大电容。可电容打火问题解决了，但高频炉的电容还达不到要求。于是他们采用空气电容器，并仔细调节间距，仔细打磨表面防止火花，最终达到了技术要求。

1960年秋，他们将一根硅单晶棒一连扫描了17次后，纯度达到了7个9！赶在国庆11周年之际，他们又一次以优异成绩向祖国献上了一份厚礼。

1961年秋，由国防科委和国家科委联合举办的“全国硅材料研讨会”在北京召开。宛吉春带着纯度为7个9的硅单晶赴会。聂荣臻元帅闻知此事后笑着说：“这可是游击队打败了正规军！”

中科院半导体专家鉴定后认为，601试验所1960年的设备条件与产品纯度，已相当于美国1953年时的水平，技术差距缩小到7-8年！它使中国成为继美国和苏联之后，世界上又一个可以自己拉制硅单晶的国家，使中国在该领域一下站在与世界强国比肩的地步。