新中国第一颗硅单晶诞生记

　　近日，91岁的南开大学教授丁守谦“现身”2021中国半导体材料产业发展峰会，通过视频为一位“30岁的好友”——半导体材料分会庆生。

　　中国半导体材料行业是丁守谦一生的挚友。28岁那年，他带着一群年轻的科研工作者，研制出我国第一颗硅单晶，并完成难度更高的硅单晶区熔、提纯工作，一举突破技术封锁，敲开了我国通往信息时代的大门。

　　这颗直拉硅单晶的诞生地，是位于天津玛钢厂的601实验所（中国电科46所前身）。20世纪50年代成立之初，除了两间空的平房，那里一无所有。

　　当时，美国人已做出了世界上第一块集成电路，半导体技术很快在许多领域得到了应用。中国的科技界不甘示弱，601实验所开始了从石英石中制备硅的试验研究。

　　但如何进一步熔炼出硅单晶，尚无任何进展。实验所决定成立“物理提纯组”，由28岁的丁守谦任组长，开始研制硅单晶及物理提纯。几名年轻科研人员迅速集结：南开大学研究生靳健和蔡载熙、北京大学毕业生雷衍夏、天津大学毕业生胡勇飞、中学物理老师张少华。

　　丁守谦回忆，“我们平均年龄不过30岁，只有一位年长者李性涵，曾任电池厂厂长，称得上是能工巧匠”。

　　这支队伍被笑称为“游击队”，他们虽都是学物理出身，却没有一个学半导体专业的。而摆在他们面前的任务，就是将一堆灰黑色的硅粉变成高纯度的硅单晶。

　　彼时的中国科技事业刚刚起步，1956年中央发出“向科学进军”的号召，随后召开了新中国首次全国科技大会。这支年轻团队中的每个人，都盼望着能为国争光。

　　他们开始自学。丁守谦前往书店搜集资料，只要见到有“硅”字的书就买。他翻遍了书店，只找到一本俄文版《半导体冶金学》和一本黄昆与谢希德合著的《半导体物理学》，如获至宝。他又到南开大学物理系资料室埋头查找资料，订购外文科学期刊，以便及时了解各国发展动态和前沿科学。

　　没有现成设备，他们就利用一台废弃的高压变压器，将石墨筒内的硅粉加热，使其变成了硅块。丁守谦说，“尽管起初的硅块因表层成为碳化硅而无法使用，但却对后来演练提拉硅单晶发挥了作用”。

　　最难的是研制硅单晶炉，那是硅单晶拉制最关键的设备。“硅单晶炉是个什么样子？我们谁也没见过。”丁守谦说，当时全国没有一家单位有硅单晶炉，只有北京有色金属冶金设计院有一台锗单晶炉，只可参观，不许拍照记录。

　　丁守谦到北京参观回来后，凭记忆向大家传达。他一边说大家一边分析讨论，选修过制图课的靳健就在一旁绘图。不到半个月，一台与丁守谦印象中的锗单晶炉有些相似的硅单晶炉就制造出来了。

　　“但一试根本不行。”丁守谦说，团队只好改进设计，推翻重来。

　　根据文献， 高温炉一般都是用惰性气体氬氩作为保护气体。找不到氩气怎么办，他们大胆采用氢气作为保护气体进行试验，但最终因太危险而放弃。后来买了一套真空系统，才解决了问题。

　　玛钢厂厂长宛吉春跑去科学院采购来一块小小的硅籽晶，这块唯一的硅籽晶，只有印刷厂的铅字大小（约3×3mm）。他提醒大家，不到关键时刻决不能使用。

　　丁守谦他们先将硅块磨成和硅籽晶一般大小，用它替代硅籽晶反复进行模拟拉晶试验，直到能稳定拉出像小胡萝卜一样的硅复晶棒。

　　就这样，拉制硅单晶所需的准备工作终于全部就绪。

　　1959年正值新中国成立10周年。为了献上一份生日贺礼，601实验所物理提纯小组将硅单晶的最终拉制时间，定在9月14日晚8时。