芯片战争-43：601实验室和天津硅，南开大学物理系
原创 科技真相 科技红利及方向型资产研究 2019-09-28
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43—601实验室和天津硅，南开大学物理系（黎明之前，1950-1959年） 从601实验室到703厂，再到中国电科46研究所，中国第一代半导体人的亮剑精神代代相传。土方法制造出来的提纯设备，纯度高达7个9的天津硅；负责601实验室之物理提纯组的丁守谦先生；南开大学物理系半导体教研室。 正文： 第二章 黎明之前第二十九节：601实验室和天津硅 1959年9月15日，这是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！历史不会忘记这一天！历史将记住这个特殊的集体——601实验室之物理提纯组！历史将会铭记这份特殊的共和国十周年的献礼——“天津硅”。 601实验室负责人宛吉春同志捧着这颗如获至宝的硅单晶——“天津硅”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。 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脑袋上的“帽子”，并解除了劳教。 1960年3月，国家计委、冶金部正式批准，在天津以601实验室为核心组建703厂，当时冶金部规定，硅的代号为703。这就是今天的第46研究所的前身，2002年正式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，他们还要进行下一步的工作。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，才能派上用场，满足实用化的生产需求。可如何提纯？这又是一大难题！其难题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，三下五去二便将高频炉拆了。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，他们决定将原有振荡槽路的线圈直接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。方案确定后，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。这可是困扰物理组多时的难题。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，他们试图用玻璃做绝缘介质，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。一天正吃饭时，不知是谁忽然喊了一声：“哎呀，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，但高频炉的电容达不到要求。于是他们采用空气电容器，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，还是由靳键画出图样。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，不像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。。。 历经艰辛，601实验室之物理提纯组的全体成员的努力之下，终于依靠中国人的“土方法”完成了单晶硅的提纯设备的相关工作。 1960年秋，“601实验室”的技术人员们将一根硅单晶棒一连扫描了17次后，一检验，竟然达到了7个9。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。 随后，蔡载熙被摘掉了脑袋上的“帽子”，解除劳教。再后来，靳键、张少华也先后摘掉了“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。宛吉春带着纯度为7个9的硅单晶赴会，立刻引起很大轰动。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实验室”和“天津硅”，由此，名声大振！ 中科院半导体专家鉴定后认为，601实验室采用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，林兰英先生前来视察，当她看到由靳键等完成的“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，给予了高度评价。 天津“601实验室”还发现了“无位错硅单晶”，但是遗憾的是却与之插肩而过。上世纪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常规的“位错坑”。可惜的是，当时并未意识到这就是“无位错硅单晶”。直到若干年后，当人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。 601实验室物理提纯组的主要成员之中，包括丁守谦在内共有三位来自于南开大学物理系。丁守谦毕业后担任南开大学物理系助教，蔡载熙则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。靳键则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。南开大学物理系由饶毓泰先生所创办。 饶毓泰先生，物理学家、教育家，中国近代物理学奠基人之一。研究了气体导电过程，对低压汞弧放电机理研究做出了重要贡献。在倒斯塔克效应、分子光谱等方面取得很有意义的研究成果。 图：青年时期的饶毓泰先生
饶毓泰先生毕生致力于中国物理学教学和科研事业，创办南开大学物理系；并且，长期担任北京大学物理系主任，大力建设研究实验室，使北京大学物理系迅速位居国内物理教学和研究的前列。执教40余年，培养了吴大猷、马仕俊、马大猷、郭永怀、虞福春、黄昆等一批国内外知名物理学家，为中国物理学的发展做出了重大的贡献。 南开大学物理系，成立于1922年，第一任系主任为饶毓泰先生（任职年限：1922－1930）。1930年至1937年由顾静徽教授任系主任（任职年限：1930－1937）。抗战爆发后，学校南迁到昆明，南开大学与北京大学、清华大学组成西南联合大学。1945年返津复校后，由潘孝硕教授任系主任（任职年限：1945－1949）。新中国成立后，由刘晋年教授兼任物理系主任（任职年限：1949－1952）。1952年全国院系调整，原北洋大学（今天的天津大学）物理系与南开大学物理系合并，由江安才教授任系主任（任职年限：1952－1966）。后历任系主任依次为：何国柱教授（任职年限：1978－1984）、母国光教授（任职年限：1984）、张光寅教授（任职年限：1987－1991）、潘士宏教授（任职年限：1984－1987、1991－1997）。 图：南开大学物理系 
1984年，根据学科建设和发展的需要，南开大学物理系将其中的半导体物理、无线电物理和电真空物理三个教研室组建成电子科学系和现代光学研究室。 南开大学物理系半导体教研室，其历史渊源可以更早追溯到新中国第一代半导体人。具体请参考随笔前文，部分内容如下：从1953-1955年期间，北京大学物理系黄昆先生主持的固体物理教研室培养了新中国第一批半导体教学的“种子”，总共三位半导体研究生：曹昌祺，毕业论文由黄昆先生指导，毕业后组建了兰州大学半导体教研室，理论物理学家，物理教育家；郭长志，毕业论文由汤定元先生指导，毕业后组建了南开大学半导体教研室，北京大学物理系教授；陈志全，毕业论文由王守武先生指导，毕业后组建了兰州大学半导体教研室，北京大学物理系教授； 南开大学物理系半导体教研室，从1958年开始筹建，1960年河北省教育厅通知南开大学，经国务院批准正式成立半导体专门化，并开始培养第一批半导体专业学生。由于半导体方面的科学研究与生产工艺结合得比较紧密，于是自1969年开始创办相应的半导体工厂。1976年，半导体大楼建成，形成了教学、科学研究、生产有机结合的体制。 丁守谦先生，1930年出生于湖南攸县，九三学社社员。南开大学电子科学系教授，美国SID学会理事、中国电子学会会士。1953年北京大学物理系本科毕业，1956年北京大学物理系研究生毕业，后被分配到南开大学物理系任助教。1958年调任天津703厂（现中电科46所）技术员。1973年调回南开大学电子科学系任讲师，1985年作为访问学者，在西德图屏根大学应用物理研究所与著名电子光学专家弗·棱茨（F·Lenz）教授进行合作研究。 图：丁守谦先生 
丁守谦先生领导了提拉硅单晶及测试，成为拉出我国第一个硅单晶并利用区域提纯获得纯度达7个9的硅单晶的主要成员之一。 1985年其“偏转磁场测量仪及软件”获国家教委科技进步二等奖；1989年“双线圈回归法偏转磁场测量及精度自检验系统”获国家发明二等奖。丁守谦先生发表论文60余篇，涉及领域主要有：电子光学，尤其是电磁偏转场和多极场以及计算机辅助设计方面；电子全息学和信息显示；以及高温超导磁透境和其他电子光学器件。主要著作有《电子光学计算机辅助设计》（合著）、《黑白显像管及显示管》（合著）、《有永动机吗？》、《电磁偏转系统设计理论基础》等。 丁守谦先生曾在美国、德国、日本、韩国等参加过多次重大国际会议十余次，其个人辞条1991年被英国剑桥传记中心（IBC）选入国际名人录，并被该中心推选为1991—1992年国际人物，还被美国传记协会（ABI）选入世界5000名人录，并被推选为1991年国际人物。自1994年至今，担任国际信息显示学会（SID）北京分会理事，1995年亚州显示会议的海外顾问。中国电子学会会士。被英国剑桥传记中心（IBC）及美国传记协会（ABI）选入世界名人录。 而601实验室之物理提纯组的靳键先生，后返回母校南开大学，参与了物理系固体物理教研室的钽酸锂单晶的项目研制工作。靳键再次发挥了超强的动手能力，带领团队采用一台小功率（10千瓦）的旧高频炉做电源，对其进行改造使之适合于拉制钽酸锂单晶，改换了一些电子元件并配备了控温仪。随后，南开大学固体物理教研室很快就拉制出中国第一颗钽酸锂单晶。再然后，1979年，靳键在掺镁铌酸锂光折变效应测量过程中，偶然发现掺镁铌酸锂的抗光折变性能要比铌酸锂的高出两个数量级。这一成果在第十一届国际量子电子学会议上引起了极大反响，该晶体在国际上被誉为“中国之星”。 当新中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（601实验室）的产品。可以说，以天津硅为代表一批半导体产品，彰显着新中国半导体工业由此开始起步，这也意味着中国人从此具有了参与全球半导体产业竞争的原始资本。 可惜的是，由于历史的原因，“天津硅”并没有最终发展成为当年的美国“杜邦硅”。。。 703厂，前身为601实验室（曾为天津新生玛钢厂所属）。公安部所属703厂，1960年3月组建，当时冶金部规定，硅的代号为（703），在1966年，703厂采用P-N结工艺管芯装配出我国最早的薄膜组件收音机。1966年，除张少华外，601实验室之物理提纯组的其他人，先后因为各种原因离开了工厂。。。虽然如此，但是601的精神依旧，随着60-70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。 46所，由703厂组建而成，全称为中国电子科技集团公司第四十六研究所（以下简称46所），于1958年成立，所本部坐落于天津河西区陈塘庄工业园区，占地面积100余亩，新区中国电科（新材料）产业园位于天津市津南区八里台镇，占地542亩，规划建筑面积45万平米。全所现有职工900余人，其中专业技术人员500余人，享受政府特殊津贴专家20人。自成立以来，46所一直致力于为我国电子信息提供高性能、高可靠性的支撑材料，先后取得了409余项科研成果，省部级以上奖励145项，拥有专利103项，为我国电子功能材料的发展作出了突出贡献，用自己的智慧和汗水创造了多个第一，其中包括我国第一颗硅单晶、第一颗四英寸砷化镓单晶、第一颗六英寸砷化镓单晶及第一批熊猫型保偏光纤等。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。 2018年12月19日，为纪念46所建所六十周年系列活动，46所邀请参与研制新中国第一颗硅单晶——天津硅的老领导、老专家回所视察指导。在会上，丁守谦先生做了《我国第一颗硅单晶研制历史回顾》的报告，讲述了在哪特殊的年代，601实验室之物理提纯组，以及“天津硅”成功研制的历史往事。 图：丁守谦先生讲述《我国第一颗硅单晶研制历史回顾》的报告 
“我们确定，中国第一颗硅单晶就是诞生于四十六所，诞生日为1959年9月15日凌晨！这是毋庸置疑的，我和在座的老专家们都能为此事作证。”丁守谦先生如是说道。 无论是中科院半导体所，还是天津601实验室，半导体硅单晶的成功研制，开启了一个新中国半导体事业发展的新科技时代，激励着一代代中国半导体人在半导体各个领域始终保持领先地位的追求。 中国第一代半导体人是由新中国自己培养出来的、是与共和国共同成长同呼吸共命运的专家们，他们为开启新中国科技新时代所做出的业绩将永载史册！中国第一代半导体人为今天的人们所传承下来的艰苦奋斗、自强不息、永不放弃、迎难而上的“亮剑”精神也将永存！ 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；