11月1日清晨,一辆草绿色的苏式嘎斯69吉普车,从红星轧钢厂驶出,在空旷的建国路上留下两道清晰的车辙。
引擎声在清冷的空气中传得很远。
驾驶座上,小车班的张师傅双手稳握方向盘,目光专注。
宋颜教授平稳端坐副驾驶,吕辰和谢凯坐在后排。
三人都穿着深色的中山装,外面罩着棉大衣,膝盖上放着帆布公文包,里面塞满了技术资料、笔记本和介绍信。
车子从西直门外大街向北行驶,城市的气息就越淡。
燕山的轮廓在晨曦中呈现出青灰色的剪影,沉默而巍峨。
半导体所是1956年“十二年科技规划”的产物,成立于1960年。
位于中关村“肖庄”一带,紧邻清华园和燕园,周围聚集了计算所、物理所等一批关键机构。
道路已经由柏油变成了沙石路,吉普车开始颠簸起来。
路边的杨树叶子已经落尽,光秃秃的枝桠直指天空。
偶尔能看到骑自行车的人,裹着厚厚的棉衣,缩着脖子奋力蹬车。
几个村落从车窗外掠过,土坯房上冒着炊烟,狗在村口吠叫。
“到了。”张师傅忽然说。
吉普车拐上一条更窄的土路,路的尽头,出现了一片围墙和几栋红砖楼房。
这就是中国科学院半导体研究所。
车在锈迹斑斑的铁门前停下。
眼前的景象让三人一时无言。
研究所的围墙是普通的红砖砌成,墙皮有些地方已经剥落,露出里面深色的砖体。
铁门是那种老式的对开栅栏门,黑色的油漆斑驳脱落,露出底下暗红色的铁锈。
门柱上挂着一块白底黑字的木牌,上面写着“中国科学院半导体研究所”几个字,字迹苍劲有力。
透过铁门往里看,院子里长着半人高的荒草,枯黄的草茎在风中摇曳。
几棵高大的槐树,叶子几乎落光,黑色的枝干虬结伸展,在地上投下错综复杂的影子。
而在这片荒草和枯树之间,矗立着几栋三层高的红砖实验楼。
楼体方正朴素,窗户是木框镶玻璃的,有些窗玻璃上贴着泛黄的报纸。
建筑本身没有任何装饰,就是最简朴的实用主义风格。
荒草、枯树、简陋的牌匾,与那些承载着中国半导体梦想的实验室建筑,形成了强烈的视觉冲击。
这是一种“荒凉中的坚守”。
“在这等着。”宋颜教授对张师傅说,“我们不知道要多久。”
“您放心,宋教授。”张师傅点头,“我就在这儿等着。”
铁门旁的传达室里,一位穿着旧军装、肩挎步枪的战士走了出来,面容严肃。
他查看了三人的介绍信和工作证,又拿着介绍信进去打电话核实。
过了一会儿,才出来示意他们可以进入,但要求严格登记:姓名、单位、事由、进入时间,一笔一画写在值班簿上。
“车子不能进。”战士补充道,“停在门外路边。”
三人刚登记完,研究所里快步走出一个人。
来人五十岁上下,个子不高,穿着一身洗得发白的蓝色工装,头发有些花白,戴着一副厚重的黑框眼镜。
“宋教授!欢迎欢迎!”他伸出手,声音洪亮,“我是王守方,所里负责材料制备的。接到电话说你们今天来,我们可等了一早上了!”
“王教授,久仰!”宋颜教授握住他的手,又介绍吕辰和谢凯,“这是我们研究所的吕辰同志、谢凯同志。”
“好,好!年轻有为!”王守方打量了两人一眼,“走,咱们进去说。”
他领着三人走进铁门。
脚下的路是煤渣铺的,踩上去沙沙作响,有些地方已经坑洼不平。
路两旁是那些高大的槐树,落叶在地上铺了厚厚一层,踩上去软绵绵的。
风穿过枯枝,发出呜呜的声音,让这深秋的院落显得更加肃穆,甚至有些阴森。
“条件简陋,见笑了。”王守方边走边说,“这片地原来是个农场,我们来了之后,自己动手平整土地、盖房子。这些树都是原来就有的,所里人说留着能挡风,夏天还能遮阴。”
他说话时,嘴里呼出白气。
实验楼越来越近,吕辰注意到,楼体的红砖表面有不少细微的裂纹,墙角处有些白色的碱渍,这是北方建筑常见的返碱现象。
几栋楼之间拉着粗黑的电线,在风中微微晃动。
一些窗户里亮着昏黄的灯光,隐约能看到里面晃动的人影。
“咱们先去材料楼。”王守方指着最右边一栋楼,“区域熔炼炉都在那边。”
推开沉重的木门,一股混合着化学溶剂、机油和旧纸张的气味扑面而来。
楼道里灯光昏暗,墙壁刷着半人高的绿色油漆墙裙,上半部分是已经泛黄的白色石灰墙。
水磨石地面有些地方已经磨损,露出底下灰黑色的水泥。
楼梯是木质的,踩上去发出吱呀的响声。
“二楼。”王守方走在前面。
二楼走廊两侧是一间间实验室,门牌上写着“超纯水制备室”、“化学气相沉积室”、“晶体生长室”等字样。
有些门开着,能看到里面简陋的实验台和仪器。
经过一扇门时,吕辰瞥见里面有几个年轻人正围着一个铁皮箱子忙碌,箱子上接着粗细不一的管子和电线,旁边放着几个玻璃瓶,瓶里的液体呈现出诡异的颜色。
“那是我们的超纯水设备。”王守方注意到吕辰的目光,“自己组装的。北京的水质硬,杂质多,做半导体材料,水必须极纯。我们用的水要经过蒸馏、离子交换、反渗透好几道工序,最后还得用石英器皿储存。就这,有时候还是达不到要求。”
他的语气平淡,像是在说一件再平常不过的事。
在这个年代,要自制一套能稳定产出超纯水的系统,需要克服太多困难。
走廊尽头是一扇厚重的铁门,门上挂着“非请勿入”的牌子。
王守方掏出钥匙打开门锁,推开门。
热浪和低沉的嗡嗡声立刻涌了出来。
这是一个大约五十平米的房间,窗户被封死了,贴着深色的遮光纸。
房间中央矗立着一台两人高的设备,区域熔炼炉。
它看起来像个巨大的金属圆筒,外壳是暗灰色的,表面有不少划痕和锈迹。
炉体上布满了各种仪表、旋钮和指示灯,粗大的电缆从天花板垂下来,连接着炉体。
炉子旁边,一台变压器正在嗡嗡作响,那是专门为这台炉子配备的。
墙上的配电箱敞开着,里面是密密麻麻的闸刀和保险丝,粗黑的电缆像蟒蛇一样盘绕在墙角。
房间很热,至少有三十度。
几个穿着蓝色工装、戴着口罩和手套的研究人员正在炉子前操作。
他们额头上都是汗珠,但动作沉稳专注。
“这就是我们的宝贝。”王守方拍了拍炉体,发出沉闷的响声,“苏联援建的老型号,我们来了之后,自己做了很多改造。加热线圈换了,温控系统也改进了。现在勉强能用。”
他走近观察窗——那是一个嵌在炉体上的圆形石英玻璃窗。
透过窗口,能看到炉内的情况。
一根银灰色的棒状物竖直悬挂在炉膛中央,那是多晶硅原料棒。
在棒的中部,一个明亮的光圈正在缓缓上下移动——那是加热线圈形成的熔区。
硅在高温下熔化,熔区移动时,杂质会被“扫”到棒的一端,从而实现提纯。
“现在这一炉已经运行了二十多个小时。”一个操作员摘下口罩,露出被高温烤得通红的脸,“纯度应该能达到6N了,再有两个小时就能结束。”
他的声音沙哑,眼睛里布满血丝,但盯着观察窗的眼神却异常专注。
王守方介绍:“这是小李,我们最好的操作员。这活儿,一炉就是二三十个小时,人不能离开,得时刻盯着熔区的状态。温度高了,硅会挥发;温度低了,熔区不稳定,晶格容易出缺陷。全凭经验。”
小李不好意思地笑了笑,又凑到观察窗前,眯着眼睛看那光圈的大小和颜色。
吕辰仔细观察着整个实验室。
他注意到几个问题。
首先是电力供应。虽然炉子有专用变压器,但墙上的电压表指针在轻微但持续地摆动,电压不稳,这对于需要极其稳定加热功率的区域熔炼来说,是致命的干扰。
其次是环境控制。房间闷热,空气不流通,封死的窗户虽然保证了洁净度,但散热成了问题。角落里放着一台老旧的电风扇,但显然作用有限。
第三是检测手段。炉子旁边的工作台上,放着几根已经拉制好的单晶硅锭,直径大约二十到三十毫米,长度半米左右,表面有金属光泽,但细看能看到一些细微的条纹和斑点。
旁边放着简陋的检测设备,一个手摇探针台,用来测量电阻率;一台国产的金相显微镜,用于观察晶格结构;还有几个装着腐蚀液的玻璃皿,那是用化学腐蚀法显示缺陷。
一切都那么原始,那么“土”。
但就是在这样的条件下,这些科研人员正试图攻克半导体材料的最高纯度。
“王教授,”吕辰开口问,“咱们现在成品率大概多少?”
王守方沉默了几秒,才说:“好的时候,百分之四十。差的时候,不到二十。主要是晶格缺陷控制不住,还有直径不均匀。我们试过做大直径,但一超过三十毫米,熔区就不稳定,容易出孪晶。”
他的语气里有掩饰不住的焦虑。
参观完区域熔炼实验室,王守方又带他们看了其他几个关键区域。
化学气相沉积室,里面有一套自行组装的设备,用石英管作为反应室,外面缠绕着自制的加热丝。
研究人员正在尝试沉积氮化硅薄膜,用作绝缘层。
单晶炉室,一台仿苏的直拉单晶炉,正在尝试从熔融硅中拉制单晶。
炉子旁边放着几个已经拉好的硅单晶棒,表面有生长纹,直径也不完全一致。
超净室,如果那能叫超净室的话。
其实就是一个密闭的小房间,墙上装着过滤棉做的简易送风口,地面刷着绿色油漆。
工作人员进入前要换白大褂、戴帽子口罩,但条件比后世的超净车间差了不知多少个数量级。
每看一个地方,吕辰的心就沉一分。
他前世对半导体工业的了解,更多来自书本和新闻。
知道早期条件艰苦,但亲眼看到这种“土法上马”的实况,那种震撼是文字无法传达的。
这不是艰苦,这是在近乎原始的装备条件下,向人类工业文明的最高峰发起的冲锋。
最后,他们来到一间会议室。
房间不大,摆着一张长条木桌和十几把椅子,此时已经坐了七八个人。
墙上挂着毛主席像和“自力更生,艰苦奋斗”的标语。
桌上放着几个搪瓷茶杯,王守方亲自提起暖水瓶给大家倒水。
水是温的,带着一股淡淡的铁锈味。
“条件有限,茶叶也没有好的,将就喝点。”王守方坐下,揉了揉太阳穴,“宋教授,你们这次来,是想了解我们这边的材料制备能力,对吧?”
宋颜教授点点头,从公文包里拿出几份文件:“王教授,‘星河计划’对硅材料的要求,主要集中在几个方面。”
他翻开文件,开始阐述:“第一是纯度。基础逻辑电路,需要6N以上的高纯硅。但未来如果要向更高集成度发展,可能需要7N甚至更高。”
王守方苦笑:“6N我们现在能稳定做到,但每批次的纯度还是有波动。7N……所里有个课题组在攻关,但进展很慢。主要是检测手段跟不上——我们怎么知道纯度真的达到了7N?现在的质谱仪精度不够,很多痕量杂质测不出来。”
宋颜教授继续说:“第二是直径。‘红星一号’的设计,是基于未来能获得两英寸晶圆来规划的。但现在……”
他看了一眼王守方。
“两英寸?”王守方摇头,“我们现在稳定能量产的,是一英寸半。两英寸试过几次,成功率不到百分之十。问题很多:热场不均匀、熔体对流不稳定、拉速控制不精确……每次失败,损失都很大。一炉多晶硅原料,要上千块钱。”
会议室里一阵沉默。
谢凯开口问:“王教授,咱们所里现在最大的瓶颈是什么?设备?人才?还是理论?”
“都是,也都不是。”王守方的回答意味深长,“要说设备,咱们这些‘土装备’,确实跟国外的没法比。但我们更缺的,是系统性的工艺数据积累。”
他指了指窗外区域熔炼炉的方向:“就说拉单晶。老师傅靠眼睛看熔体液面的反光,靠耳朵听加热线圈的嗡鸣声,来判断温度和稳定性。这些经验,没法量化,没法传授。张师傅拉得好,李师傅就不一定。同一炉料,今天拉得好,明天可能就出问题。我们想总结规律,但变量太多了——电压波动、室温变化、原料批次差异、甚至天气湿度……记录不过来,也分析不明白。”
他叹了口气:“所里年轻人有热情,肯吃苦,一盯炉子就是几十个小时。但光有热情不够啊。半导体材料是精密活,差之毫厘,谬以千里。”
其他研究员也大倒苦水。
的确,在如此的艰苦条件下,能做到这样已是不易,吕辰等人都有些不忍心。