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一个终于公开的故事
--記丁守谦、靳键、蔡载熙等南開校友研製硅单晶的事跡
【题记】是谁开启了中国电子时代的大门，这故事为何尘封多年末能公开？ 随着采访的深入和材料的逐步积累，笔者发现，这个发生于非常年代， 发生在一群非常人身上的非常故事，意义的确非同寻常！ 1959年9月15日，一个普通得不能再普通的日子，但对于年轻的共和 国来说，这一天却别有意义！
在讲述这个故事之前，我们还是先打开一扇窗户，来看一看—— “硅”给世界的震撼 谁都知道，“黄沙”、“黄金”一字之差，却有天壤之别，前者不可能变为后者。但或许正是这种不可能，著名的阿拉伯民间故事集《天方夜谭》中，才有过将黄沙变为黄金的神话。如今，倘若有人说，黄沙早已变成比黄金更贵重的东西！您信吗？ 硅——一种从石英沙中提取，含量在地球上仅次于氧，几乎是取之不尽、用之不竭的化学元素，今天已成为重要的半导体材料，用于制造大规模集成电路、存储器以及太阳能电池、可控硅等等。可谁能想到，正是它，构成当今IT业的物质基础，也正是它，让世界发生了巨变！ 美国硅谷。一个曾在美国地图上找不到，不是城市、也不是山谷的地方。但就是这里——旧金山与圣荷塞之间一个长约50公里的狭长地带，自20世纪50年代起，逐步聚集起近万家电子企业，生产着全世界最先进的大规模集成电路和电子计算机，并吸引大批顶级人才，成为全世界智力最密集和财富最集中的地方，成为全球一大批“硅谷”（如日本的筑波、中国的中关村）的发源地！ 《硅谷》一书的作者迈克尔 ˙罗杰斯（Michael Rogers）曾说过，硅谷的神奇之处不仅在于它把黄沙变成黄金，更在于它“把黄沙变为智力”！ 1946年，世界第一台计算机问世时，以硅为材料的晶体管还未出现。异常庞大的计算机当时居然有近两万个电子管，而且装满了好几个房间，启动时，整个城市的灯都要为之一暗。可说起来谁会相信，如此庞然大物的运算能力还不及今天生日贺卡上一个会唱歌的微型集成电路芯片！而如今，数百万条电路、数十亿字节的信息可存放在一块指甲大小的硅片上。大规模集成电路使计算机体积成百倍缩小，运算速度成千倍提高！ 更令人惊异的是，半导体材料以其轻巧、坚固、寿命长、省电和容量大等诸多优点，一经出现即得到了极其广泛的应用，已渗透到航天技术、国防工业、无线电接收、可视技术、生物工程、材料工程、能源工程以及海洋、信息通讯、医疗电子、家用电器等等领域，可以说，硅所引起的智力革命和技术革命在世界范围内产生了前所未有的震撼！ 仅以现代军事技术为例。1991年1月17日打响的“海湾战争”，只用42天，以美国为首的多国部队即摧毁了伊拉克80%的指挥通信系统，50%的军事实力。究其原因，多国部队所使用的许多最先进技术，如红外、激光、毫米波雷达等，广泛用于夜间观察、武器瞄准和车辆驾驶。难怪海湾战争结束后，西方媒体惊呼，这是“硅片战胜了钢铁”。 钢铁与石头，孰更厉害？现代高技术战争作出了最有力的回答！ 有人说，当今世界已进入电子时代！ 可见，硅材料的使用，已成为一个国家划分新旧科技时代的分水岭，成为开启人类科技新时代大门关键的关键！ 文献记载，美国的半导体工业始于1949年，其硅的生产技术突破最早，日本的半导体工业则始于50年代初，但后来居上，到1960年，晶体管年产量首次超过美国。 那么中国呢？ 我国于1958年、1959年陆续开始半导体硅的研制，起步并不算晚，但后来受国内外多种因素的影响，在这一领域走了弯路，拉大了与世界的差距。 而《台湾资讯》则报道，1996年，台湾拉制出第一颗硅单晶。为此岛内曾大肆报道以示庆贺。香港《凤凰卫视》不久前也曾报道，2002年一季度，台湾朝野正在争论是否应将岛内的8英寸硅生产线移植到大陆来生产…… 难道中国硅单晶研制成功真的比西方要晚很多年吗？ 笔者在1988年12月23日的《中国电子报》上找到这样一段文字：我国第一根硅单晶是机电部第四十六所于1959年研制成功的。 后又在1998年出版的《天津科学技术志》第1036页中发现这样一段记载：“1959年9月15日，四十六所利用直拉法拉制出中国第一颗实用直拉硅单晶。” 两段文字，虽简短，却均透露出同一事实：中国第一颗硅单晶诞生在天津，而且比美国晚不了几年！ 人们不禁要问，如此重要的一项科学发明为何沉寂了这许多年？它究竟是在怎样的情况下研制成功的？是谁研制成功的？ 谜！一个近半个世纪的迷！现在，谜底就从这儿揭开吧—— 别了，板桥 1958年仲秋，一个雨后初霁的早晨，初升的太阳把天际染成一片金灿。一辆卡车从警卫森严的天津板桥农场驶出，向市区急驰而去。 车上坐着两个年轻人，周围是武装押解人员。显然，两人身份非同一般。个头不高，方脸盘，浓眉大眼的小伙子名叫丁守谦，当时刚满28岁，北京大学物理系电子光学专业研究生毕业，是由苏联专家谢曼执教培养的我国首批10个电子光学研究生之一。来板桥前是南开大学物理系助教。 1957年“反右”时因替胡风辩解而被打成“右派”，并到板桥劳教。年龄稍长、个子也高些的名叫张少华，劳教前是天津一所中学的物理教师，也因差不多的原因来到了板桥。这一呆就是八个月。 这天一大早，管教干部突然通知他们收拾东西，说是马上离开板桥，去哪儿？不知道；去干什么？也没人告诉他们。 秋天的原野本该是一片丰收景象，但此刻眼前掠过的却是一望无际的盐碱滩，荒芜而空寂。政治的动荡再加上每天的辛苦劳作，张少华一脸疲惫和迷茫，倒是生性活跃、情感丰富的丁守谦，看到汽车是在向市区方向行驶，隐隐地有一种吉祥之兆. “板桥，别了罢！”这是此刻丁守谦心中最真实的想法。 但愿自己的命运从此不再多舛，但愿中国知识分子的命运也能像这急驰的汽车一样一路顺畅…… 一个非同寻常的大胆决策 20世纪中叶西方国家半导体工业却如火如荼。 1947年，美国人威廉 ˙肖克利发明了世界上第一只锗晶体管。不到两年，硅晶体管又在美国诞生。由于锗属稀缺元素，且不耐高温，而硅分布广泛，实用价值极高，从此，硅身价百倍。 1957年，世界第一块集成电路问世。 半导体技术很快在许多领域得到了应用。 终于，半导体硅在全球的迅速发展和应用引起中国高层的重视，一时间，全国从事硅材料研究的正规科研院所如雨后春笋。一股与西方竞赛的“硅研究热”在中国的科技界悄然兴起。 这股强劲的风也刮到了中国公安系统。 1958年仲秋的一天，天津公安局所属的天津新生玛钢厂，厂长办公室。 电话铃声骤响。技术厂长宛吉春顺手操起电话：“哪里？” “老宛吗？我马上到，有要事和你商量！”熟悉的声音，宛吉春一听就知道是天津市公安局局长江枫。 “什么事这么急？”老宛有些奇怪。 没多久，江枫的车驶入厂门。他跨步进屋，不等坐定，劈头就问：“老宛，硅材料研制的事儿，怎么样了？” 听江枫这么一问，宛吉春知道，局长是为此而来。 1958年夏，第九次全国公安会议在上海召开。会上，根据当时国际技侦技术的发展态势，公安部提出要大力提高技侦技术。1958年9月，天津市公安局决定在玛钢厂成立“601实验所”（注）， 宛吉春是负责人，目的是建立一个公安技侦器材基地，研制小型发报机、步话机等。实验所成立后，首先成立了化学提纯组，并开始从烟筒灰中提取锗（Ge）的实验工作。为解决原料不足的问题，当时曾掀起一股“全体职工齐动员，家家收集烟筒灰，支援六0一”的热潮。随后，开始从石英石中制备硅的实验研究，他们利用硫--铝还原法从石英石中制取粉末状多晶硅。但如何进一步熔炼出硅单晶，尚无任何进展。 汇报完工作之后，宛吉春说：“看来采用化学提纯方法有局限，能否采用物理方法试试？” “可……这得需要物理人才，最好是专门的半导体人才！” “人不是问题！”江枫回答。看宛吉春不解，江枫轻声说了两个字：“板桥。” 局长的最后两个字，令宛吉春吃惊不小，他掂得出这两个字的份量。面对老宛惊讶的目光，江枫以一种不容置疑的口吻说到：“这是公安部的指示，也是市里的意见。苏联不是也有过先例吗？你就选人吧。” 江枫所说的先例，指的是苏联的“火箭之父”柯瓦廖夫在囚禁中发明了火箭，把卫星送上天；飞机设计师图波列夫也是在失去自由的情况下，让“图氏”飞机在蓝天上翱翔！这些，宛吉春知道。但事关重大，不能不慎重。 几天后，经公安部特批，丁守谦、张少华被首先选中。后经二人推荐，又有几名“右派”被陆续从板桥调出。不久，601实验所“物理提纯组”成立。 组长是丁守谦，组员除张少华外，还有： 蔡载熙，28岁，是南开大学物理系原子物理专业何国柱教授的研究生，从事原子核辐射方面研究。 靳健，26岁，是南开大学物理系电子物理专业汪佳平教授的研究生，从事宇宙射线研究。 李性涵，原天津某电池厂厂长，是小组中最年长者，近60岁。 雷衍夏，北京大学物理系毕业生，热衷于理论物理的研究。 胡勇飞，天津大学物理系毕业生。 另外，物理组还配备了两名公安干部：张祥厚和吕菊英，他们的任务是协助宛吉春进行管理。 值得一提、也非常有趣的是，这个物理组虽人才济济，却没有一个是学半导体专业的。人们不禁要问，如此一支身份特殊、七拼八凑的—— “草台班子”也能演大戏 物理提纯组成立后，难题可谓一连串。 首先是政治上的。尽管江枫局长亲自指示，要为这些人创造尽可能好的条件，改善伙食。但不管怎样，右派的“帽子”仍在，劳教没有解除，行动仍受到严格的监控。在这样的情况下搞科研，难度可想而知。 其次是技术上的。当时，物理部只有几间平房，不仅没有设备，更缺少有关的技术资料。因此创业之初，大家的首要任务是找资料。宛吉春下令，只要和半导体沾边的书就买来。最后，丁守谦终于买到一本俄文版的《半导体冶金学》，大家如获至宝。 一切在艰难地开始，一切从零开始。 然而时间不等人，必须边学边干。 从仅有的一点材料中，他们终于了解到硅的熔点：1420度。这比锗的熔点960度高很多，而且化学性质极为活泼。如何达到呢？ 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，产生高频振荡，感应石墨容器产生高温。大伙儿都说，管它行不行，先试试再说。经过几个月的摸索，温度达到了，硅粉也被熔炼成硅块，大家都很高兴。可一检验，硅粉在石墨作用下结成的只是“碳化硅”，根本不是他们所需要的硅单晶。 接着，他们又试着自制了一台单晶炉。可怎么试，温度就是上不去。 1959年的元旦和春节，所有人是在实验室中紧张度过的。然而实验无任何进展，大家因此都愁眉不展。 根据国外文献记载，硅单晶是用专门的硅单晶炉来进行拉制的。但硅单晶炉究竟是什么模样，文献没有记载。后来，他们听说北京有色金属冶金院有拉锗单晶的设备，于是宛吉春决定派丁守谦前去“取经”。 当时去这些单位，不仅要提交人事档案，还须经人事部门审查。物理组一群“右派”，政审怎能过关？宛吉春只得派张祥厚带队，丁守谦作为随从，出门时千叮咛万嘱咐，到了人家那儿，只管看，少说话，最好是别说话。 于是丁守谦跟着张祥厚蒙混过关，进了北京有色金属冶金院的心腹重地——拉锗单晶的试验室。真是不看不知道！原来实物远比文献上介绍的要复杂得多！丁守谦一路上瞪大双眼，努力记住每一个细节，回来后凭记忆一通活灵活现的描绘。宛厂长听罢立即点将，让靳健负责绘图。 靳健虽说根本没见过锗单晶炉，但没几天便画出了炉样。大家一看连连称赞，同时也你一言我一语提了一些修改意见。然后便是照图加工。在玛钢厂，车钳铆电焊全是现成的，一声令下齐上阵，不到半个月，一台拉硅单晶的炉子居然由图纸变成了实物。 可一实验，问题接踵而至。 他们发现，硅加热到熔点时，整个炉壁都烫手，这可是锗单晶炉不会遇到的麻烦。于是，他们赶紧给炉外壳加了个水冷套，而且将提拉硅的拉杆也通上水进行冷却。 接着他们以为，单晶炉内需要一种保护气体。那么到哪儿去找合适的惰性气体呢？他们想到上大学时学过“吉普森氢发生法”，于是便用氢气充当了炉内的保护气体。虽然他们明知这十分危险，但一时也没有更好的办法，只得尽量小心，不让氧气混入其中。谁知一位领导来视察后不禁吓了一跳，开玩笑地说：“你们想搞‘氢弹’呀！”后来他们搞了一套真空系统，才解决了安全问题，也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、靳健和张少华等首先用其它材料代替硅进行了上百次的实验和演练。 在一切准备就绪后，终于要正式拉制硅单晶了。 实验要用籽晶。最终他们费尽周折找到科学院半导体所，买到了该所从苏联购来的一小块籽晶。 唯一的一小块籽晶！它意味着实验只能成功，不能失败！ 实验选在9月14日晚。因晚上电压最稳。 实验室内，物理组全体人员齐刷刷围聚在自制的硅单晶炉旁。所有技术环节大家都想了又想，甚至想好了出现各种问题的对策。 晚上9点多钟，实验开始了。就在坩埚内的硅溶液还剩三分之一的时候，马达突然出现故障。 赶快采取人工转动马达的方法。可支撑了一会儿，不行。实验不得不中断。 当把只结晶了三分之二、约有拇指般大小的晶体取出一看，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！ 这不就是人们梦寐以求的硅单晶吗！ 所有的人都轻轻舒了口气。没有欢呼，但每个人的脸上都写满了兴奋与喜悦！ 直到这时，人们才想到了时间。一看表，已是第二天凌晨了。 1959年9月15日凌晨，我国第一颗硅单晶就这样诞生了！ 历史不会忘记这一天！ 历史将记住这个特殊的集体！ 拉制出第一根硅单晶，大家兴奋无比。宛吉春马上拨通了江枫的电话。他兴奋地在电话中大喊：“局长！成功啦！成功啦！” 江枫一听顿时睡意全无，在电话那头也大喊：“嘿，太好了！我给你们记功！” 第二天，宛吉春捧着这颗如获至宝的硅单晶四处报喜。一时间，公安部、天津市、河北省甚至中央领导纷纷前来祝贺和参观。 不到一年时间即成功拉制出我国第一颗硅单晶，向祖国10年大庆献上了一份厚礼！这怎能不让他们高兴呢！ 但高兴的事还不止这些。1959年9月30 日，在建国10周年大庆前夕，丁守谦首先被宣布摘掉“右派”帽子，并解除了劳教！ 1960年3月，国家计委、冶金部正式批准在天津组建703厂（当时冶金部规定，硅的代号为703）。经过几次更名,2002年又更名为中国电子科技集团公司第四十六研究所。 当人们还沉浸在胜利的欢歌笑语声中，601实验所的全体人员已经在胜利的鼓舞下，又全身心投入到新的科技攻关中了。因为，他们还要—— 再创辉煌业绩 硅单晶虽然拉制成功，但还需要进一步提纯。按照国外的技术资料，硅单晶的纯度起码要达到5个9，才能派上用场。可如何提纯？这又是一大难题！其难度要远远超过拉制硅单晶本身！ 经过仔细研究，大家决定买台高频炉来试试。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！” 高频炉买回来了。几个人一合计，三下五除二便将高频炉拆了。 渐渐地，他们发现，高频炉并不神秘。 根据对无线电基本知识的了解,他们知道，要提高振荡频率，只有降低原振荡槽路的电感和电容值。这样一合计，他们决定原有振荡槽路的线圈不用了，改用重新绕制的双匝状线圈。而线圈就用直径为几毫米的空心紫铜管绕制而成，空心的目的在于能让水通过，以便进行冷却。 方案一定，李性涵和张少华立即动手。在这方面，他们俩人可称得上是能工巧匠。紫铜管经过退火后可塑性极强，能绕成所需要的各种形状。线圈问题就这样顺利解决了。 剩下的是电容如何解决。这可是困绕物理组多时的难题。因为既要使电容值恰到好处，又要经受万伏以上的高压而不被击穿。这样的电容器当时很难买到，只能自己动手来做。起先，他们试图用玻璃作绝缘介质，不行。因为它耐不了上万伏的高压。那用什么呢？一连好几天大家冥思苦想，没有结果。 正吃饭时，不知是谁忽然喊了一声：“哎，这大理石桌面不是能用 吗？”大家定睛一看，真是的！大理石桌面不就是最好的绝缘介质吗？ 大家立刻拆了桌子，用大理石和铜片相叠，做成一个大电容。可做好后一试验，电容打火问题是解决了，但高频炉的电容仍达不到要求。于是他们又采用空气电容器，并仔细调节其间距，仔细打磨表面防止火花，最终达到了技术要求。 接下来的另一个难题是：设计硅的区熔炉。 又是连续几天的讨论，最后方案敲定。还是由靳健画出图样。 区熔炉造好了。可实验发现，振荡电压究竟该多高，很难确定。因为硅棒是靠高频耦合加热，不象硅单晶炉加热那么直接。所以有时电压加大，硅单晶却怎么也不熔化，而有时电压稍高了点，硅单晶又熔化太多流下来了。为解决这一难题，他们不知又熬过了多少个日日夜夜…… 1960年秋，他们将一根硅单晶棒一连扫描了17次后，一检验，纯度竟然达到了7个9！ 国庆十一周年之际，他们又一次以优异成绩向祖国献上了一份厚礼！同月，蔡 载熙被摘掉“右派”帽子，解除劳教。再后来，靳健、张少华也先后摘掉了“右派”帽子，解除劳教。 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。宛厂长带着纯度为7个9的硅单晶赴会，立刻又引起很大轰动！ 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！” 601实验所由此名声大振！ 中科院半导体专家鉴定后认为，601实验所1960年的设备条件与产品纯度， 已相当于美国1953年时的水平，只相差7到8年！ 1962年，全国人大常务委员、中国著名半导体专家、中科院半导体所所长林兰英前来视察，当她看到由靳健等完成的 “硅外延法新实验” 和丁守谦等研制的“Q表法测硅电阻率仪”后，给予高度评价。 这期间，他们还发现了“无位错硅单晶”，但遗憾的是却与另一个“第一”擦肩而过。60年代初，丁守谦在检验时发现，区熔组送来的硅单晶有些异样：有的籽晶与生成的硅单晶之间有些歪斜，但采用多种方法检验也始终未发现“位错坑”。可惜的是，当时并未意识到这就是“无位错硅单晶”。若干年后，当他们在国外的刊物上看到外国人发表的有关“无位错硅单晶”的论文，才恍然大悟，但悔之晚矣。 特别是当我国第一颗人造卫星遨游太空，高奏《东方红》时，谁会想到，卫星上使用的太阳能电池就是天津703厂的产品！ 中国的半导体工业从此开始起步！ 中国也从此有了参与国际竞争的原始资本！ 然而，无论今天多么成绩斐然，都不应忘记当年那些—— 开启科学新时代的人们 抚今追昔，令人感慨万千。 一项重要的创造，缘自一项特殊的决定，今天看来颇具胆识！ 一项重要的成果，缘自一种团队精神，一种科学精神和拼搏精神！有了它，就能无往而不胜！ 半导体硅的研制，开启了一个新科技时代，也激励后来者在半导体材料领域始终保持领先地位！ 1966年，文化大革命开始，一场更大的政治风暴来临，这些人自然难逃厄运。除张少华外，其他人先后被迫离厂。 但历史的脚步依旧。随着60年代大学毕业生的不断到来，703厂的人才优势继续显现，科研势头也依旧旺盛。1965年开始，703厂开始第二代半导体材料的研制，同年底采用水平布里奇曼法在自制的单晶炉内拉制出第一颗砷化镓单晶；1997年6月，又研制出我国第一颗直径为100毫米的砷化镓单晶，这标志着我国砷化镓单晶热场设计能力和单晶生长技术方面已跨入新阶段。目前，46所正在进行第三代半导体材料——碳化硅的研制开发，并有可能成为全国唯一的碳化硅单晶生产厂。 回顾40多年来的发展，个中酸甜苦辣，怎能一句话说清！ 有人说，生命是一张唱片，岁月是转动的唱盘，记录下人生如歌的旋律。 本文的主人公们是在一个特殊的历史环境中，忍辱负重，奏出生命的激昂凯歌，创造出值得终生自豪的历史。 历史又是公正的。1979年，根据中共中央（1978）55号文件《关于错划右派分子的改正决定》精神，经复查核实，他们的错划右派问题全部被改正，撤消处分，恢复政治名誉。现在，近半个世纪过去了，他们平静地面对过去，依旧激情满怀地迎接未来！ 本文的主人公中，江枫、张少华和雷衍夏已去世，其他人虽依然健在，但都先后退休，并已都是七八十的老人了。 时间如梭。生者青春不再，逝者如东流之水…… 但历史不能改变！ 生命之歌将永恒！ 一代由我们国家自己培养出来的、与共和国共同成长同呼吸共命运的专家，他们为开启科技新时代所做出的业绩将永载史册！ 他们给后代留下的感动、自豪和激励也将永存！ 【注】：601实验所是703厂的前身；703厂是四十六所的前身。 【JM Xu注】： 文中的蔡载熙和靳健是我同班同学。
【附】敬请大家一起呼吁：祖国文明建设应从央视和国营媒体禁刊酒类广告做起。酒，从精神到肉体已经伤害了无数国人！-《海外南开人网》敬启 |
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09/19/2022
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