朝阳应用科学研究院的硬件与软件已然齐备,如同一个装备精良、士气高昂的军团,只待一声令下,便可向科学的未知疆域发起冲锋。作为这支军团的最高统帅,林朝阳需要为它选定第一个具有战略意义,且能凝聚人心的主攻方向。
他的目光,穿越眼前实验室的喧嚣,投向了全球科技竞争最白热化、也最关乎未来国运的战场——电子信息产业。而构成这个产业最基础、也最核心的基石,便是半导体,尤其是制造芯片所需的半导体材料与工艺。
在研究院的首次战略方向研讨会上,林朝阳站在巨大的电子白板前,上面勾勒出从沙子(硅料)到芯片的漫长而复杂的产业链图谱。
“各位,看看这张图。”林朝阳的声音沉稳而有力,“从单晶硅棒、硅片,到光刻、刻蚀、薄膜沉积……每一步,都充满了极高的技术壁垒,也都被少数几家国际巨头和他们的盟友所垄断。这是我们电子信息产业的‘心脏’,但这颗心脏,很大程度上,还掌握在别人手里。”
他停顿了一下,让与会的研究员们消化这个严峻的现实。
“我知道,这里面任何一环,都足以耗尽一个团队毕生的精力,而且短期内很难看到经济效益。”林朝阳话锋一转,眼中闪烁着坚定的光芒,“但正因为难,正因为关键,我们才必须去做!研究院成立的目的,不是为了锦上添花,而是要雪中送炭,要去啃最硬的骨头!”
他指向图谱的起点:“所以,我提议,将半导体材料与关键工艺技术,作为我们研究院首批重点攻关项目!我们要从最基础的 high-purity polycrystalline silicon(高纯多晶硅)提纯、large-diameter single crystal silicon(大直径单晶硅)拉制开始,一步步打通前道工序,掌握自主可控的芯片制造能力!”
这个决定,得到了与会科学家们,尤其是电子与信息技术研究所同仁们的热烈响应。他们深知其中的艰难,但也同样怀抱着打破垄断、为国铸剑的雄心。
以从斯坦福归国的陆明辉教授为核心,联合材料研究所的几位专家,以及从国内相关单位招募的、有实践经验的技术工程师,迅速组建了一支跨学科的“半导体材料与工艺”攻坚团队。项目代号——“基石”。
战斗,在无声中打响。
“基石”团队所在的楼层,很快成为了研究院里灯火通明时间最长的地方。实验室里,充斥着各种化学试剂的气味、设备运行的嗡鸣声以及研究人员压低声音的讨论。
第一道难关,就是高纯多晶硅的提纯。当时国内能够稳定生产的太阳能级硅料纯度尚可,但用于芯片制造的电子级高纯硅,要求纯度达到惊人的99.%(11个9),对特定杂质的控制更是严苛到ppt(万亿分之一)级别。团队反复调整西门子法(三氯氢硅还原法)的工艺参数,优化精馏塔的效率,与设备供应商一起改造加热系统和气体纯化装置。失败了一次又一次,记录数据的笔记本堆满了角落。
紧接着,是更具挑战性的单晶硅棒拉制(cZ法)。需要在超过1400摄氏度的高温下,将高纯多晶硅在石英坩埚中熔化,然后用一个微小的单晶硅籽晶,从熔融的硅液中缓慢向上提拉,同时旋转,控制温度梯度和拉速,才能生长出原子排列整齐、无位错、低缺陷的大直径单晶硅棒。
这个过程,如同在岩浆上“绣花”,对温度控制、转速稳定、气氛纯净度的要求达到了变态的程度。初期拉制出的硅棒,不是晶格紊乱,就是内部存在大量位错和空洞,或者直径不均匀,根本无法用于后续的芯片制造。
团队里的晶体生长专家,一位姓孙的老工程师,几乎住在了拉晶炉旁边。他盯着控制屏幕上跳跃的温度曲线,听着机械泵稳定的运行声,一遍遍调整着参数,眼睛里布满了血丝。失败了,就和大家一起开会复盘,分析可能是哪一股氩气流速不稳,或者是加热器哪个区域的温度反馈滞后了零点几度。
陆明辉作为项目负责人,不仅要协调资源,解决技术难题,还要顶住内心的焦虑,不断给团队成员打气,反复强调林朝阳定下的“宽容失败”的原则,让大家卸下包袱,专注于技术本身。
日复一日,夜复一夜。实验室的灯光,见证了无数次的失望与重燃希望。消耗的高纯硅料和特种气体价值不菲,但研究院的后勤保障从未因此有过半点迟疑,要钱给钱,要物给物,给予了无条件的信任和支持。
转折,发生在一个凌晨。
经过又一轮对热场设计和拉速曲线的优化后,孙工和他的助手们再次启动了一台最新的单晶拉制炉。所有人都屏息凝神,隔着观察窗,注视着那旋转的、闪耀着炽白光芒的硅液,以及那根正在缓缓“生长”的硅棒。
时间一分一秒地过去,硅棒以稳定的速度缓缓提升,直径控制得出奇地均匀,表面光滑,反射着熔硅的光芒,呈现出一种完美的“镜面”效果。
当长达一米多、直径符合150毫米(6英寸)规格的硅棒被完整地提拉出来,经过退火、冷却后,被小心翼翼地取出时,经验丰富的孙工用手电筒照射着硅棒的侧面和端面,仔细观察着其色泽和纹理,他的手开始微微颤抖。
“有……有戏!”他声音沙哑,带着难以置信的激动。
后续的检测验证了他的判断。经过严格的检测,这根硅棒的纯度稳定达到了电子级标准,少数载流子寿命、氧碳含量等关键指标,均达到了当时国际商用硅片的平均水平!更重要的是,经过初步的定向切割和研磨,得到的硅片胚体,内部晶格完整性极佳!
但这还不是最终的证明。最激动人心的时刻,发生在硅片经过初步抛光,被送到材料表征实验室,放置在那台刚从德国进口的高分辨率透射电子显微镜下的时候。
陆明辉、孙工以及核心团队成员全都围在显示器前,紧张地等待着图像的出现。
操作员小心翼翼地调整着参数,屏幕上开始出现模糊的斑点,然后逐渐清晰,放大……最终,一幅无比规整、如同完美艺术品般的原子排列图像,清晰地呈现在众人眼前!
那是硅的钻石立方晶格结构!原子排列整齐划一,几乎看不到明显的位错、层错等缺陷!这片由他们亲手从高纯硅料开始,历经无数艰难,一炉一炉拉制、一刀一刀切割、一遍一遍抛光而来的硅片,在微观尺度下,展现出了与世界先进水平媲美的完美品质!
寂静。
死一般的寂静持续了大约三秒钟。
然后——
“成功了——!!!”
不知道是谁第一个吼了出来,瞬间点燃了整个实验室!平日里严谨、理性的科学家和工程师们,此刻像孩子一样蹦跳起来,相互拥抱,用力拍打着彼此的后背,有些人甚至激动得热泪盈眶!
陆明辉紧紧攥着拳头,指甲深深陷进掌心,他仰起头,长长地舒了一口气,仿佛要将这大半年积压在胸中的所有压力、焦虑和期待,都一并呼出。孙工老泪纵横,看着屏幕上那完美的晶格图像,喃喃道:“成了……真的成了……我们自己的……高质量的硅片……”
这意味着,在芯片制造漫长产业链的起点——基础材料环节,朝阳研究院,代表中国,追平了与世界先进水平那看似遥不可及的一大步!
消息很快传到了林朝阳那里。他当时正在主持一个集团会议,接到韩春明激动得有些变形的电话汇报后,他沉默了几秒,然后对着与会的高管们,只说了简单的一句话:
“‘基石’项目,我们的硅片,成功了。”
会场先是一静,随即爆发出热烈的掌声!
这第一个硕果,不仅仅是一项技术突破,更是对研究院战略方向的肯定,是对所有投入和坚持的最好回报,它如同暗夜中的第一道曙光,照亮了前方更加艰难也更加辉煌的征途。芯片梦想的万里长征,终于迈出了坚实而具有里程碑意义的第一步。
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