创作声明:本文为虚构创作,请勿与现实关联
「闪开!要炸了!」
一声嘶吼,划破了浙大老和山脚下冬夜的死寂。
几名教员隔着铁丝网,用手动阀,试图驯服一种见空气就炸的气体。
他们豁出命,只为炼出被西方死死封锁的高纯硅单晶。
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01
1953年秋,阙端麟从厦门大学调到浙江大学电机系,二十五岁。
系里给他排了一门新课,《电工材料》。没教材,他就自己拼。外文期刊、苏联教科书、零散论文,一块一块凑出讲义来。
有天晚上,他在图书馆翻到一本过期的美国《物理评论》。
有一页介绍了一种叫“半导体”的材料。
他把文章读了三遍。管理员催了两次,他才合上杂志。
窗外路灯昏黄,蚊虫乱撞。阙端麟脑子里翻腾着一个问题:这东西,中国有没有?
没有。
那时贝尔实验室已经做出了晶体管,“硅谷”这个词刚在美国西海岸冒头。而在中国大陆,连“半导体”这三个字,绝大多数工科教授都没听过。
第二天上课,他在黑板上写下“半导体材料”四个字。底下面面相觑。一个胆子大的问:“阙老师,这玩意儿是干什么用的?”
「现在说不清。」阙端麟说,「十年后,没有它,飞机上不了天,导弹找不着北,所有带电的东西,都是一堆废铁。」
教室安静了一会儿。
他补了一句:「咱们得有人干。」
1954年,阙端麟在实验室里,用自己绕的线圈、淘来的旧零件,拼出了中国第一台温差发电机。
那东西模样像倒扣的铁锅,底下烧酒精灯,上面连着两根铜线,点亮了一个手电筒灯泡。光很弱,黄黄的,一抖一抖。
阙端麟盯着那点光发呆,他想的不是发电机,是发电机里头那片指甲盖大小的半导体材料。
这是他第一次亲手碰到半导体。
后来有人问他,怎么就认准了这条路。
阙端麟想了想,说:「你没见过硅,不知道它有多漂亮。」
1959年,阙端麟做了一个让所有人都摇头的决定。
他不搞温差电材料了,要搞硅。
那时国内沾边的单位,都在研究锗。锗有苏联现成技术,有资料,有设备,风险小,容易出成果。硅呢?提纯难度比锗高几个数量级,熔点一千四百多度,化学性质活泼,没人敢碰。
阙端麟打报告,要搞硅材料研究。
领导看了半天,问:「有经费吗?」
「没有。」
「有设备吗?」
「没有。」
「那有什么?」
「有方向。」
报告批了。
钱没有,设备没有,连像样的实验室都没有。阙端麟带着两个年轻助教,在电机系楼后面找了间废弃仓库。打扫出来,墙上糊了报纸,窗户用塑料布蒙上,就算开张了。
硅是沙子的主要成分,到处都有,但不纯。工业硅纯度只有九成多,做半导体器件,至少要达到六个九。差一个数量级,就是废品。
怎么提纯?
当时国际主流是西门子法,用三氯氢硅还原,投资巨大,设备复杂。阙端麟琢磨了很久,选了另一条路。
硅烷法。
硅烷,化学式SiH4,无色无味。但它跟空气一接触就炸。浓度高时,能炸塌一栋楼。
阙端麟把这事儿跟两个助教说了。
一个叫陈志远的,浙江本地人,听完脸白了。「阙老师,这……这不是玩命吗?」
阙端麟没正面回答。他从兜里掏出一张皱巴巴的英文文献,摊在桌上。那是他托人从香港辗转弄来的,记录了贝尔实验室早期用硅烷法制备高纯硅的过程。
「这条路走得通。」阙端麟指着其中一行数据,「他们能做,我们就能做。」
陈志远咽了口唾沫。
「人家那是什么条件?咱们连个像样的通风橱都没有。」
「那我们就做一个。」
阙端麟站起来,走到墙角,那里堆着一捆铁丝网。
「把它围起来。」他说,「炸,也炸在一个小范围里。」
没钱买高纯石英管,阙端麟就领着他们自己吹玻璃。
他不知从哪弄来一套玻璃工的工具,喷灯、石墨板、镊子。三个人蹲在仓库角落,对着火焰,把玻璃管烧软、拉细、弯成需要的形状。玻璃烧红了烫手,手上缠着湿布,一不留神就烫出一排水泡。
陈志远的手指上,一辈子留着那时候的疤。
阙端麟吹玻璃的手艺练得最好。他能把石英管封得严丝合缝,接口平滑得像机器压的。
「阙老师,你这手艺,去玻璃厂也能当师傅。」陈志远开玩笑。
阙端麟头也不抬。「等硅单晶拉出来,我请你吹个杯子。」
他们把吹好的玻璃器皿连起来,搭成一套反应装置。气源、提纯柱、分解炉、沉积室,一样一样接上去。为了防爆,阙端麟让人在装置外面焊了一个铁笼子,铁丝网孔眼只有指甲盖大小。
操作阀门全引到笼子外面。
远远看去,那玩意儿像关野兽的笼子。
只是关在里面的,是会爆炸的气体。
1963年春,第一次通硅烷实验。
阙端麟把所有人都赶到仓库外面,自己一个人留在里面。陈志远不肯走,站在门口。
「阙老师,你一个人不行,得有人盯着仪表。」
「我在里面盯。」
「那你要有个万一……」
阙端麟回过头,看了他一眼。
「志远。这路是我选的,出了事,算我的。」
他把门关上。
仓库里只剩他一个人。铁笼子里的玻璃管已经抽过真空,硅烷气瓶的阀门还关着。他深吸一口气,隔着手套,拧开了阀门。
仪表上的压力指针开始微微跳动。
他站在笼子外面,一动不动。
一分钟。两分钟。三分钟。
没炸。
硅烷气体安静地流过管道,进入分解炉,分解成硅和氢气。氢气从排气管放出去,硅开始慢慢沉积在基体上。
阙端麟死死盯着那根基体。上面正有一层极薄、极亮的东西在生长。
第一轮实验过去了。没炸,但沉积出来的硅,纯度差得离谱。
问题很快找到了:硅烷本身不纯。市面上能买到的工业硅烷,里面混着硼、磷等各种杂质。必须自己提纯。
这一步,更难,也更险。
硅烷提纯要在低温高压下进行,气体浓集之后,爆炸威力比之前大了十倍不止。稍有不慎,整间仓库都得掀上天。
那段时间,陈志远天天做噩梦。
有一回夜里两点,他梦见仓库炸了,阙端麟浑身是火从里面冲出来。他吓得一屁股坐起来,后背全是冷汗。
第二天一早到实验室,阙端麟已经在忙活了。他围着铁笼子转来转去,手里捏着扳手,嘴里念念有词。
陈志远走过去。阙端麟抬起头,眼里布满血丝,亮得吓人。
「志远,我好像找到法子了。」
「什么法子?」
「分子筛。」
阙端麟指着刚画好的草图。上面画满了管道和一个圆筒形装置,旁边标注着“5A分子筛”。
「分子筛的孔径是固定的,只让硅烷分子通过,大个头的杂质全挡在外面。把硅烷过一遍,出来的就是高纯硅烷。」
陈志远低头看了半天,抬起头。「阙老师,这法子,有人用过吗?」
「没有。」
「那你怎么知道行得通?」
「硅烷分子直径是4.84埃,5A分子筛孔径刚好能把它筛过去。硼、磷那些杂质,分子个头大,过不去。」
陈志远张了张嘴,只吐出一个字:「干。」
分子筛吸附法,说起来简单,做起来是另一回事。
流速、温度、压力,每一样都得精确控制。快了筛不干净,慢了产量跟不上。温度高了分子筛活性下降,温度低了硅烷会液化。压力一波动,整个系统就要重新调,搞不好就炸。
那几个月里,炸了不下十次。
是小型爆燃。管道接口压力突升崩开,硅烷泄漏,接触空气瞬间就着。一团火球从裂缝里喷出来,几秒钟就灭了,但足以把人烧得皮开肉绽。
阙端麟右前臂上有一道疤,长十几厘米,就是那时候留下的。
那天,他正隔着铁丝网调节压力阀。阀门有点涩,他加了一把力,阀芯突然松动,硅烷“嗤”地从松动处喷出。
一团白光在他眼前炸开。冲击波把他掀翻在地,右前臂的袖子烧没了,皮肤上起了一串燎泡。
学生们冲进来,七手八脚把他架到医务室。校医一看,说赶紧送大医院。
阙端麟坐在凳子上,疼得嘴唇直哆嗦,嘴里问的却是:「装置……装置坏了没有?」
陈志远眼泪都快下来了。「都什么时候了你还管装置?!」
「没装置。」阙端麟咬着牙,「烧就白挨了。」
装置只坏了一截管子和一个阀门。阙端麟在医院躺了三天,胳膊上缠满纱布,第四天就溜回了实验室。医生开的消炎药,他吃了两天就忘了,伤口感染,又折腾了半个月。
但没有一个学生提出退出。
多年后,陈志远说起那段日子:「我们那时候,没想过什么国家大义。就是看着阙老师那个样子,不好意思走。」
1964年深秋,分子筛提纯工艺终于稳定了。
高纯硅烷做出来了。测试结果出来那天,实验室里没人欢呼。所有人都盯着化验单,看了又看。
纯度:99.9999%。
六个九。
阙端麟把化验单折好,放进口袋,走到铁笼子前面。他盯着那套自己吹出来的玻璃装置,站了很久。
陈志远站到他身边,憋出一句:「阙老师,该进行最后一步了。」
硅烷热分解,沉积高纯硅,拉制单晶。
那天是1964年12月17日。
仓库里挤了七八个人。除了阙端麟和陈志远,还有几个研究生和系里来帮忙的。仓库本来就小,人一多,转个身都费劲。
分解炉已经预热到暗红色,石英基体悬在炉心。高纯硅烷气瓶接在管路上,阀门紧闭,仪表归零。
阙端麟站在操作台前,白大褂的袖口挽到手肘。右臂的纱布还没拆干净,露出一截发红的疤痕。
他环视了一圈屋里的人。
「今天要把硅沉积到基体上,然后拉出单晶。这个过程一旦开始就不能停,要连续运行十几个小时。炉温、气流、转速,每一分每一秒都不能错。」
他顿了顿。
「现在,想出去的,还来得及。」
没人动。
他拧开了硅烷气瓶的主阀。
高纯硅烷气体从管路里流过。先经分子筛柱最后一道过滤,再经稳压阀,注入分解炉。炉内温度超过八百度。硅烷分子在高温下分解成硅原子和氢气。
刚开始,什么都看不见。
阙端麟盯着观察窗,呼吸放得很轻。陈志远站在旁边,手里捏着记录本,手心全是汗。
一小时。两小时。三小时。
沉积层慢慢变厚了。石英基体上长出一层暗灰色的物质,像铁锈,又像树皮,疙疙瘩瘩的。
到了第八个小时,沉积层厚度够了。
接下来是最关键的一步。把沉积好的多晶硅重新熔化,用籽晶拉出单晶。温度、提拉速度、旋转速度,稍有偏差,拉出来的就是废品。
阙端麟把熔区温度调到一千四百多度。炉心发出刺眼的白光。
籽晶缓缓降下,触到熔体表面。
「开始提拉。」
伺服电机嗡嗡响起来,籽晶以极缓慢的速度往上提升。熔体跟着籽晶一点点往上走,在脱离熔体的瞬间冷却结晶。
一根铅笔芯粗细的硅棒,慢慢从熔体里长了出来。
一开始颜色发暗,带着灰色的杂质。随着拉晶继续,颜色越来越亮,越来越纯。到后来,整根硅棒在炉内白光映照下,呈现出冷冽的银灰色,表面光滑得不可思议。
就是它。高纯硅单晶。
陈志远手里的笔掉在地上。
仓库里安静得只剩下电机低鸣。所有人都像被钉住了,盯着那根缓缓转动的银色晶体。
阙端麟用力眨了一下眼。
就在这一瞬间,负责监控气路的学生小彭突然脸色煞白,指着仪表盘,声音尖得变了调。
「阙老师!压力失控!硅烷主管道压力在飙,马上要超安全值了!」
高压硅烷一旦喷出,瞬间就会把整间仓库炸成一片火海。
阙端麟一个箭步冲到仪表盘前。压力表指针已经逼近红色警戒线。
「快!所有人撤出去!」
学生们愣了一下,手忙脚乱往门口涌。陈志远没动。
「阙老师!你呢?」
「我关阀门!」
「来不及了!指针进红区了!」
阙端麟伸手去够那排阀门的把手。那是控制整套装置气路的总阀组,装在铁笼子内侧。要关阀,就得把手伸进笼子里。
他把右手从铁丝网缝隙里塞了进去。纱布刮在铁丝上,渗出血来。
他的手指够到主阀把手,一圈一圈地拧。阀门很紧,每拧一圈都要用全身的力气。压力表指针还在往右走,离极限只差一丝。
陈志远也冲了过来,把另一只手伸进去,帮着他一起拧。
阀门一点一点旋紧,管路里的气流声从尖锐的嘶叫慢慢低了下去。
压力表指针终于停在极限值前面,开始缓慢回落。
两个人瘫坐在笼子前面,大口喘气。
那根银色的硅单晶,还在炉子里静静转着。
十几分钟后,系统压力彻底稳定。阙端麟站起身,走到观察窗前,确认硅单晶完整无损。他回头对陆陆续续走回来的学生们说了一句。
「成了。」
仓库里爆发出嘶哑的喊声。有人拍桌子,有人抱在一起跳,有人蹲在地上哭。陈志远靠在墙上,笑着笑着咳了起来,嗓子被刚才的紧张烧得发不出声。
阙端麟摘下眼镜,擦了擦镜片上的雾。
他看了一眼炉子里那根银棒,又看了看手臂上渗血的纱布,心里翻上来一个念头:这条路,走得通。
后来有人问他,那一刻在想什么。
阙端麟想了想,说:「想的是,这事还没完。一块单晶说明不了什么。能做批量,能工业化,能用上,才叫真成了。」
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02
1964年成功之后,任务很快下来了。
高纯硅,国家急需,能不能量产?
阙端麟答了一个字:「能。」
实验室样品和工业化生产,是两回事。实验室里一次做一个指甲盖大小的单晶,条件可以精确控制。工业化生产,一次要出几十上百公斤多晶硅,硅烷用量几十倍往上翻。管道粗了,压力高了,设备大了。
实验室里的爆炸,顶多烧掉一间仓库。工厂里的爆炸,能抹平半条生产线。
阙端麟带着陈志远他们,一头扎进了浙大半导体厂的筹建。在玉泉校区边上找了块地,搭厂房,装设备,把实验室那套玻璃管子铁丝网的东西,放大成钢铁管道和防爆墙。
每一步放大,都踩在刀尖上。
那时没有计算机模拟,放大参数全凭手工计算和经验推测。管路要多粗、流速要多快、压力设多少,算了一遍又一遍。算不清楚的,搭小模型先试。小模型试不出问题,搭中模型再试。
每一次“试”,都带着爆炸的风险。
1967年夏天,最惊险的一次来了。
他们在测试一套新设计的大流量分子筛提纯柱。按计算,流速提升到原来的五倍,提纯效率应该不成问题。测试开始不到二十分钟,提纯柱底部一个法兰接口“砰”地崩开了。
高压硅烷喷涌而出,在空气中炸成一团火球。火焰裹着黑烟窜上厂房屋顶,冲击波把十几米外的铁门都震变了形。
阙端麟在控制室盯着仪表,听见巨响,整个人弹起来。冲出去时,厂房里浓烟滚滚,到处是焦糊味。
「人呢?清点人数!快!」
万幸,操作区的人提前撤到了防爆墙后面,只有两个工人被碎玻璃划伤了手臂。阙端麟自己冲进火场关总阀时,被掉下来的半截管道砸中了肩膀,肿了一个多月。
事后查原因,法兰垫片的材质不过关,耐压等级不够。
阙端麟把变形的法兰垫片捡回来,放在办公桌上,天天看。
陈志远问他:「阙老师,留着这破玩意儿干嘛?」
「提醒自己。搞工业化,一根管子、一片垫片,都是人命关天的事。」
法兰爆炸之后,团队气氛变得很沉。连着几天,吃饭没人说话,休息没人开玩笑,大家都闷头干活。
阙端麟看得出来,所有人都绷得太紧。
他意识到,光靠拼命不行了。必须从根子上提高工艺的安全性和稳定性。他把所有实验数据翻出来,铺了满满一桌子,从头捋。