朝陽應用科學研究院的硬體與軟體已然齊備,如同一個裝備精良、士氣高昂的軍團,只待一聲令下,便可向科學的未知疆域發起衝鋒。作為這支軍團的最高統帥,林朝陽需要為它選定第一個具有戰略意義,且能凝聚人心的主攻方向。
他的目光,穿越眼前實驗室的喧囂,投向了全球科技競爭最白熱化、也最關乎未來國運的戰場——電子資訊產業。而構成這個產業最基礎、也最核心的基石,便是半導體,尤其是製造晶片所需的半導體材料與工藝。
在研究院的首次戰略方向研討會上,林朝陽站在巨大的電子白板前,上面勾勒出從沙子(矽料)到晶片的漫長而複雜的產業鏈圖譜。
“各位,看看這張圖。”林朝陽的聲音沉穩而有力,“從單晶矽棒、矽片,到光刻、刻蝕、薄膜沉積……每一步,都充滿了極高的技術壁壘,也都被少數幾家國際巨頭和他們的盟友所壟斷。這是我們電子資訊產業的‘心臟’,但這顆心臟,很大程度上,還掌握在別人手裡。”
他停頓了一下,讓與會的研究員們消化這個嚴峻的現實。
“我知道,這裡面任何一環,都足以耗盡一個團隊畢生的精力,而且短期內很難看到經濟效益。”林朝陽話鋒一轉,眼中閃爍著堅定的光芒,“但正因為難,正因為關鍵,我們才必須去做!研究院成立的目的,不是為了錦上添花,而是要雪中送炭,要去啃最硬的骨頭!”
他指向圖譜的起點:“所以,我提議,將半導體材料與關鍵工藝技術,作為我們研究院首批重點攻關專案!我們要從最基礎的 high-purity silicon(高純多晶矽)提純、 single crystal silicon(大直徑單晶矽)拉制開始,一步步打通前道工序,掌握自主可控的晶片製造能力!”
這個決定,得到了與會科學家們,尤其是電子與資訊科技研究所同仁們的熱烈響應。他們深知其中的艱難,但也同樣懷抱著打破壟斷、為國鑄劍的雄心。
以從斯坦福歸國的陸明輝教授為核心,聯合材料研究所的幾位專家,以及從國內相關單位招募的、有實踐經驗的技術工程師,迅速組建了一支跨學科的“半導體材料與工藝”攻堅團隊。專案代號——“基石”。
戰鬥,在無聲中打響。
“基石”團隊所在的樓層,很快成為了研究院裡燈火通明時間最長的地方。實驗室裡,充斥著各種化學試劑的氣味、裝置執行的嗡鳴聲以及研究人員壓低聲音的討論。
第一道難關,就是高純多晶矽的提純。當時國內能夠穩定生產的太陽能級矽料純度尚可,但用於晶片製造的電子級高純矽,要求純度達到驚人的99.%(11個9),對特定雜質的控制更是嚴苛到ppt(萬億分之一)級別。團隊反覆調整西門子法(三氯氫矽還原法)的工藝引數,最佳化精餾塔的效率,與裝置供應商一起改造加熱系統和氣體純化裝置。失敗了一次又一次,記錄資料的筆記本堆滿了角落。
緊接著,是更具挑戰性的單晶矽棒拉制(CZ法)。需要在超過1400攝氏度的高溫下,將高純多晶矽在石英坩堝中熔化,然後用一個微小的單晶矽籽晶,從熔融的矽液中緩慢向上提拉,同時旋轉,控制溫度梯度和拉速,才能生長出原子排列整齊、無位錯、低缺陷的大直徑單晶矽棒。
這個過程,如同在岩漿上“繡花”,對溫度控制、轉速穩定、氣氛純淨度的要求達到了變態的程度。初期拉制出的矽棒,不是晶格紊亂,就是內部存在大量位錯和空洞,或者直徑不均勻,根本無法用於後續的晶片製造。
團隊裡的晶體生長專家,一位姓孫的老工程師,幾乎住在了拉晶爐旁邊。他盯著控制螢幕上跳躍的溫度曲線,聽著機械泵穩定的執行聲,一遍遍調整著引數,眼睛裡佈滿了血絲。失敗了,就和大家一起開會覆盤,分析可能是哪一股氬氣流速不穩,或者是加熱器哪個區域的溫度反饋滯後了零點幾度。
陸明輝作為專案負責人,不僅要協調資源,解決技術難題,還要頂住內心的焦慮,不斷給團隊成員打氣,反覆強調林朝陽定下的“寬容失敗”的原則,讓大家卸下包袱,專注於技術本身。
日復一日,夜復一夜。實驗室的燈光,見證了無數次的失望與重燃希望。消耗的高純矽料和特種氣體價值不菲,但研究院的後勤保障從未因此有過半點遲疑,要錢給錢,要物給物,給予了無條件的信任和支援。
轉折,發生在一個凌晨。
經過又一輪對熱場設計和拉速曲線的最佳化後,孫工和他的助手們再次啟動了一臺最新的單晶拉制爐。所有人都屏息凝神,隔著觀察窗,注視著那旋轉的、閃耀著熾白光芒的矽液,以及那根正在緩緩“生長”的矽棒。
時間一分一秒地過去,矽棒以穩定的速度緩緩提升,直徑控制得出奇地均勻,表面光滑,反射著熔矽的光芒,呈現出一種完美的“鏡面”效果。
當長達一米多、直徑符合150毫米(6英寸)規格的矽棒被完整地提拉出來,經過退火、冷卻後,被小心翼翼地取出時,經驗豐富的孫工用手電筒照射著矽棒的側面和端面,仔細觀察著其色澤和紋理,他的手開始微微顫抖。
“有……有戲!”他聲音沙啞,帶著難以置信的激動。
後續的檢測驗證了他的判斷。經過嚴格的檢測,這根矽棒的純度穩定達到了電子級標準,少數載流子壽命、氧碳含量等關鍵指標,均達到了當時國際商用矽片的平均水平!更重要的是,經過初步的定向切割和研磨,得到的矽片胚體,內部晶格完整性極佳!
但這還不是最終的證明。最激動人心的時刻,發生在矽片經過初步拋光,被送到材料表徵實驗室,放置在那臺剛從德國進口的高解析度透射電子顯微鏡下的時候。
陸明輝、孫工以及核心團隊成員全都圍在顯示器前,緊張地等待著影象的出現。
操作員小心翼翼地調整著引數,螢幕上開始出現模糊的斑點,然後逐漸清晰,放大……最終,一幅無比規整、如同完美藝術品般的原子排列影象,清晰地呈現在眾人眼前!
那是矽的鑽石立方晶格結構!原子排列整齊劃一,幾乎看不到明顯的位錯、層錯等缺陷!這片由他們親手從高純矽料開始,歷經無數艱難,一爐一爐拉制、一刀一刀切割、一遍一遍拋光而來的矽片,在微觀尺度下,展現出了與世界先進水平媲美的完美品質!
寂靜。
死一般的寂靜持續了大約三秒鐘。
然後——
“成功了——!!!”
不知道是誰第一個吼了出來,瞬間點燃了整個實驗室!平日裡嚴謹、理性的科學家和工程師們,此刻像孩子一樣蹦跳起來,相互擁抱,用力拍打著彼此的後背,有些人甚至激動得熱淚盈眶!
陸明輝緊緊攥著拳頭,指甲深深陷進掌心,他仰起頭,長長地舒了一口氣,彷彿要將這大半年積壓在胸中的所有壓力、焦慮和期待,都一併撥出。孫工老淚縱橫,看著螢幕上那完美的晶格影象,喃喃道:“成了……真的成了……我們自己的……高質量的矽片……”
這意味著,在晶片製造漫長產業鏈的起點——基礎材料環節,朝陽研究院,代表中國,追平了與世界先進水平那看似遙不可及的一大步!
訊息很快傳到了林朝陽那裡。他當時正在主持一個集團會議,接到韓春明激動得有些變形的電話彙報後,他沉默了幾秒,然後對著與會的高管們,只說了簡單的一句話:
“‘基石’專案,我們的矽片,成功了。”
會場先是一靜,隨即爆發出熱烈的掌聲!
這第一個碩果,不僅僅是一項技術突破,更是對研究院戰略方向的肯定,是對所有投入和堅持的最好回報,它如同暗夜中的第一道曙光,照亮了前方更加艱難也更加輝煌的征途。晶片夢想的萬里長征,終於邁出了堅實而具有里程碑意義的第一步。