芯片战争-41：林兰英和中国人第一根硅单晶
原创 科技真相 科技红利及方向型资产研究 2019-09-15
中国半导体产业的思考—随笔之《芯片战争——亮剑！国运之战》 芯片战争41—林兰英和中国人第一根硅单晶（黎明之前，1950-1959年） 林兰英先生是半导体材料领域非凡的天才，对于新中国半导体材料的贡献巨大。林兰英先生带领新中国第一代半导体人攻克硅单晶的过程以及所展现出来的亮剑精神。中国人第一根硅单晶为建立完整的、具有独立自主核心技术的新中国半导体工业体系做出不可磨灭贡献。 正文： 第二章 黎明之前第二十七节：林兰英和中国人第一根硅单晶 林兰英先生对于中国半导体材料行业和中国半导体工业和科学事业所作出的突出贡献，随笔认为要更早的回溯到她回归祖国的那一刻。。。 在美国，林兰英先生就展现了在半导体材料领域的天赋，毕业的时候就写出了受到高度好评的博士论文《弱X射线辐照引起氯化钾和氯化钠晶体的膨胀》，并发表于美国物理学界最具权威的《物理评论》杂志上。1955年的夏天，林兰英成为宾西法尼亚大学建校115年来的第一位中国博士，也是该校有史以来的第一位女博士。 林兰英的导师米勒高度赞赏和认可她的创新思想，曾经说道：“她要是去搞半导体材料，一定是一位非常出色的人才”，于是推荐她去位于纽约长岛专门从事半导体研究的索菲尼亚公司任高级工程师。她到公司时，公司正为老是拉制不出硅单晶而苦恼。林兰英请求公司让她细看一遍拉制硅单晶的全过程。她细看时便发现，石英坩埚在熔化硅的反应过程中，形成了大量的一氧化硅，这东西凝固在籽晶上，待硅本身熔化后，其表面格外干净，可籽晶上却缠绕着一堆一氧化硅，显得十分纷乱。。。这便是拉不出硅单晶的症结所在。而公司研发人员恰恰忽视了这一点，他们一直陷于抱怨氩气不纯的误区里。林兰英针对问题提出具体建议，公司采纳了她的建议，两周后便拉制出了高纯度的硅单晶。 时隔不久，又一难题难倒了索菲尼亚公司的科研人员：拉制锗单晶时，位错密度总也降不下来。正好林兰英陪一英国学者在公司考察，他们在看锗单晶拉制时交谈。这交谈引发了她的灵感，她观察到实验中只有半椭圆形的石墨舟，这半椭圆形石墨舟使热场分布不够均匀，若改换成完整的椭圆石墨舟便可让热场分布均匀，位错密度便可降下来。毫无疑问，这一思想又获得了成功。在索菲尼亚公司，林兰英还发表了两篇论文，而这两篇论文的内容被公司列为核心专利技术。。。林兰英得到公司的奖励，一年三次加薪，成了公司最活跃最受人关注的人物，公司同事们的一致的看法是：“她有一个常人无法比拟的头脑，很多难解的问题即使是她没有遇到过的，经她的头脑一过，立即便有了答案。” 早在1957年6月，刚刚从美国回来的林兰英博士就将自己的几百克锗和硅的单晶全部无偿捐献给了中国科学院，这些单晶在当时即使是随便标价也价值几十万元人民币，在那一时期，这可以说是一笔巨款。但是，如果从我国半导体研究和工业角度来估量，它们却是无法估量价值的无价之宝。随着中国人开始进行半导体科学实验研究，人们才开始意识到了林兰英带回来的锗和硅的单晶的重要作用，在后来的日子里，全国各地拉制锗、硅单晶的单位都来到这里索取籽晶。。。 根据新中国“十二年科学技术发展远景规则”，国家对半导体事业的发展采取了集中力量重点突破的措施。从1956年开始，在两个方向上集中了精兵强将：在教育方面，五校联合办学，在北京大学成立了半导体专业，这个专业抽调了来自北京大学、复旦大学、南京大学、厦门大学和吉林大学5个学校的学生到此集训，以黄昆先生、谢希德先生为首的一批最好的老师任教。在研究方面，则将研究人员集中在一起，成立了中科院应用物理所半导体研究室，王守武先生负责主要工作。在王守武先生的极力推荐之下，林兰英博士到来了半导体研究室，林兰英到来的时候，这个室成立才一年时间。全室20多人，年纪最大的60余岁，其中有七八人在国外留过学。 新中国的科学事业刚起步之初，基础薄弱是不言而喻的，但若从事应用物理研究，多少还有点家底。可是若谈起开创新业，特别是在我国还属空白的半导体材料研究，却真正是要从零开始、从头做起了。肩负着创业使命的林兰英正是从这时起开始将全部的精力投向材料这门科学的。她充满信心地走马上任了。1957年秋天，中科院半导体研究室拉制成功了中国人第一根锗单晶，林兰英所提供的单晶作为籽晶发挥了重要的作用。 图：林兰英先生
从这年的11月开始，林兰英先生与同伴们接受了为北京电子管厂研制一批锗晶体管的任务，北京电子管厂为了生产半导体收音机，需要他们在一个月里拿出N型和P型的锗单晶各一公斤。他们日夜苦战，在1958年的年初，胜利完成了任务。林兰英先生和她同事们的工作的成果，最让中国人直接受益的是，这一年，新中国的半导体收音机诞生了。新中国半导体收音机的相关内容，具体请参考随笔后文叙述之。 从1958年一开始，林兰英先生便敏锐地意识到，在美国半导体材料领域独霸一方的是硅材料，锗材料已经退居其后，在她回国前夕，锗材料的制作已经基本停止。她仔细研究和回忆了所涉及的半导体材料制作的各种细节和信息，深感中国的半导体工业若要与世界最先进的水平同步，必须要有一个勇于迎难而上的魄力。她认真研究了全国“十二年科学技术发展远景规则”，这个由苏联专家协助制定的规则，将中国发展硅单晶的时间表排列在了10年之后的1968年，她深感这个规则实在有些太“橡皮”了些，其中缺乏一种突破的力量。 硅材料是制备晶体管和集成电路芯片的最重要材料，它的潜力令人无法想象。硅在自然界中极为丰富，它的含量约占地壳的26%，这种以硅酸盐和硅石（石英砂）形式存在的物质，几乎在各地都有发现。人类将它们开发出来并排除其中的杂质，根据器件的需要，人为掺入元素，从而获得了半导体材料。在这个基础上，人们又为了提高电子的寿命和运动速度，把材料的多晶结构转变为单晶结构，这种人工培养晶体材料的技术被称为单晶生长技术。硅单晶生长技术，这就是促使林兰英思索的技术，它在几天里搅得她彻夜难眠，必须立刻开始将主要的力量投向硅单晶的研制上去，这是一项刻不容缓的使命。 林兰英在经过一番认真的思索和探讨之后，逐渐明确了自己的目标。她向领导毫无保留地和盘托出了自己的建议，她的想法很快得到了各级领导的赞许。由此，新的攻关机制迅速建立了起来。 她首当其冲面临的急需物资就是氩气。根据她所学得的知识，她知道制备硅单晶的工艺中，氩气是很重要的一种惰性气体。为了防止氧化物等杂质在高温加热时产生对提拉单晶的沾染，进而影响单晶的质量，在制备硅单晶的工艺中，都是以氩气充当炉膛的保护气体。可是，这种气体当时在国内还不能生产，它又被列在西方国家对我国实行禁运的名单上。她终于想出了应对的办法，决定采用抽高真空的手段进行拉制。这个大胆的设想经过小心求证，理论上被认为是可行的，同事们一致认为可以进行试验。 图：1958年林兰英先生带领团队在实验室工作 
试验真是摸着石头过河，大家都是小心翼翼，人们穿着白色的大褂工作衣，整天就像接生的医护人员守候在单晶炉的旁边。拉硅单晶是一项十分辛苦的工作，开始的时候由于长春方面出品的硅多晶氧化物含量较高，这就使得“硅”沸腾起来后就停不下来，只有沸腾停下来才能进行下一步拉制硅单晶的操作，她和同伴们就像张网捕猎的猎手一样耐心地等候，有时整整守候了24小时也不见沸止。大家三顿饭都在办公室吃，困了就伏在桌上打个盹。那段时间，长春方面抱怨北京方面没有弄好，北京这边则抱怨硅多晶质量差。对此，林兰英想光是抱怨也没有用，还是要认真找原因，氩气问题是他们抓住的一条“狐狸尾巴”。反反复复，无休无止的进行着实验。。。 经过了不少的失败和周折，终于使炉膛的真空度达到了拉制单晶所需的最起码的数值要求。但这还不够，为了得到我国半导体事业所急需的N型硅单晶，必须在硅熔体中掺入适量的磷，这也不是一件容易的事情，中间包含着精密的计算。林兰英于是又启动了自己的数学头脑，一遍遍地演算推理，终于寻找到最适宜的数学公式，进而求得了磷与硅的重量比。。。经过无数的努力与铺垫，拉制硅单晶的时刻终于来到了。林兰英提供的籽晶此时充分显示了自己的价值，它作为中国硅单晶的种子被精心置于炉内，在它的上方，严密地罩着她发明的保护罩。 石英坩埚里放上了硅多晶，那晶莹的灰色晶体被捣成块状物质，安然进入炉内。实验开始了。。。升温，熔化，多晶体在一点点地变化着。。。时间一分一秒地缓缓移动着脚步，在长达几个小时的时间里，林兰英真有一种度时如年的感觉，她与同事们怀着紧张激动的心情等待着，等待着。。。 林兰英先生带着黑色的护目镜，一动不动地俯在观察孔前，目不转睛地观察着晶体的熔变、蒸腾，那乌亮的光泽急剧地抖动着，锋芒锐利，她感到自己的心情也被裹挟在其中了。。。硅多晶的熔化一切正常，开始拉制硅单晶了。籽晶的保护罩被轻轻地除去，它缓缓地进入熔完的熔液之中。。。它开始凝结了，那绝妙的对称按照林兰英头脑的设计在迅速地排列组合着，新的物质就这样处在令人激动和不安的诞生中。每个人的面部表情都显得兴奋和神秘，仿佛世界上现在只有他们，只有中国半导体人存在着，他们与那奇妙的晶体同在。。。几个小时中浓缩着漫长的历史，个人的，国家的，并非谁都能够体会到这几小时等待的心情，这几小时中凝聚着中国第一代半导体人囊萤映雪、悬梁刺股的奋斗，凝聚着中国半导体人含辛茹苦、忍辱负重的情结！ 当那根长度只有8厘米、直径2英寸、乌光锃亮的圆柱体出现的时候，实验室里一片寂静。。。这是中国半导体人与自己的创造物之间的第一声对话，这种对话难以言表，唯有无声的啜泣。。。 成功了！！！第一根！中国人的第一根硅单晶诞生了！ 图：林兰英博士带领团队成功研制中国人第一根硅单晶，收藏于中科院半导体所 
这是1958年的初秋，这一年，林兰英先生和种花家第一代半导体人在10月1日前夕向年轻的共和国生日做了“献礼”。中国半导体人的礼物虽轻却重如千钧，虽小却生命恒久，数十年时间过去了，无论沧海桑田如何演变，然而谁也无法改变的是这样一个事实——中国人从此有了自己的硅单晶！！！ 这是一个非凡的成果，在中国，它“了不起”的程度可以同当时或稍晚些时候的自制数控系统、第一条（克拉玛依—独山子）原油管道、万吨水压机，甚至和第一颗原子弹、第一颗人造卫星相媲美。它使中国成为继美国和苏联之后世界上出现的又一个可以独立自主，自己拉制硅单晶的国家，它使中国人在这一领域一下子站在了与世界比肩的地步。这一刻，可以被视为新中国半导体工业、半导体材料行业发展历史的开端之一。 中国人第一根硅单晶，为中国半导体人建立完整的、具有独立自主核心技术的新中国半导体工业体系，为把新中国建设为全球半导体大国、强国的历史进程中做出了不可磨灭的贡献。中国人第一根硅单晶，林兰英先生以及新中国第一代半导体人在其中所付出的心血和汗水体现着一种精神，一种艰苦奋斗、自强不息、永不放弃、迎难而上的精神，这种精神就是亮剑！！！ 感谢您一直以来、长期持续关注《中国半导体产业的思考——随笔》和《芯片战争——亮剑！国运之战》相关系列报告以及敬请您持续关注后续系列！ 如果您喜欢本文，欢迎转发和转载。谢谢。 注1：本文部分图表、数据等引用于互联网、公司公告等；注2：本文相关专利信息和说明等引用于互联网以及国家相关专利机构等；注3：本文相关公司信息、产品等引用于互联网，外媒、公司公告等；注4：本文相关行业数据、产业信息等来自国家统计局、工信部等；