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探秘我国集成电路科技工作者早期的创业足迹

科技创新正成为许多人关注并为之实践的时代命题。在重庆永川,有这么一个载录科技创新典范的中国集成电路创业史陈列馆。

集成电路被誉为“现代工业的粮食”。一个集成电路创业史陈列馆建在重庆永川,彰显着它在中国集成电路发展史上的重要地位。

那么,重庆永川跟中国集成电路发展有何渊源?中国集成电路早期创业都经历了什么?笔者走进陈列馆,带你回望那一段艰苦卓绝的奋斗历史。

基础薄弱,国际封锁,第一只半导体锗合金晶体管破茧而出

新中国成立以前,我国电子工业极其薄弱,仅有十余家电子设备维修工厂。新中国成立后,虽然整顿扩建了一批老厂,并自主规划建设了一批骨干工厂,但西方发达国家对我国实行军事、经济和技术封锁,使当时中国科技发展环境十分恶劣,科技研发百废待兴。

1956年,中共中央召开知识分子问题会议,发出“向科学进军”的伟大号召,这也是新中国科学技术发展史上的重要里程碑。

据陈列馆里的资料显示,在周恩来总理的亲自主持下,我国第一个长期科学技术发展规划——《1956至1967年科学技术发展远景规划纲要》于1956年制定完成并颁布实施,其中把发展半导体技术列为我国国民经济建设重点项目、国家新技术四大紧急措施之一。由此,我国也正式拉开全面开展半导体科学应用研究的序幕,一支支科研劲旅参加奋战创业!

“在我国集成电路早期研究发展历史上,主要有三支队伍进行技术攻关,一支是中科院物理所、半导体所,一支是河北半导体研究所、四川固体电路研究所,一支是中科院冶金所等。”参与陈列馆筹建的王守祥同志介绍说。

1956年,国家第二机械工业部十局决定将华北无线电器材联合厂中心试验室,改为二机部第十一研究所(简称11所),并选派11所半导体研究室的科技人员宋秉治、常振华、邓先灿、谢国璋、顾泰等同志,与中科院物理所及全国多家院校的半导体学者、专家、有关科研人员组成协作组,在北京华北无线电元件研究所联合开展锗提纯、锗单晶拉制、锗合金管和晶体管电路等研究。

据了解,该协作组由王守武、武尔桢、吴锡九、成众志等同志领导,历时三个多月苦干,经过三十多次艰难探索与试验制作,终于在1956年11月成功研制出我国第一只半导体锗合金晶体管,开启了我国半导体工业的新纪元。

没有技术参照,一切从零起步,第一块锗晶体管和第一块硅晶体管微组装集成电路艰难面世

时间的指针转到1961年,这一年,既是收获之年,更是艰苦卓绝的奋斗之年。

1961年初,中国科学院物理所接到微型电路组件研制任务,这是当时我国第一个微型集成电路研究项目,主要用于计算机制造上。

由于该项目技术难度大,中国科学院决定由物理所固体电子学研究室和计算所半导体室联合研制,并成立了20多名年轻技术人员组成的研究组,由白元根任组长,沈士刚任副组长,吴锡九、黄敞任技术指导。

当时,我国正处于三年困难时期,科研环境和生活条件都非常艰难。但是在接到任务后,没有人叫一声苦,大家都以饱满的精神、战斗的姿态投入到工作中,攻克了一个又一个的技术难关。

根据黄敞和白元根同志的回忆材料,研究组一开始就遭遇两大难题:一是没有找到国外关于微型固体电路方面的文献、资料和样品。二是当时国内只能做出锗晶体管而不能做硅器件。此外,研究组人员都很年轻,科研经验不足,虽然有吴锡九、黄敞二位教授指导,但他们也没有做过这种项目,一切都是从零起步。

不过,困难并没有吓到他们。凭借着满腔热情和一定要攻克微小型化集成技术的决心,他们积极探索工艺路径,确定研制方案。经过近一年的艰苦奋战,各专题组分别完成了材料选择、元器件芯片制造、电路设计、组装及测试技术等工作;随后经过多次测试筛选基片后进行全加器电路组装互连,最终做出了两块合格的微组装集成电路。

这是我国自行研究成功的第一块锗器件微组装型集成电路,它所采用的技术方案及技术水平与1958年9月美国诞生的世界上第一块集成电路电路基本相同。特别值得提及的是,我国第一块锗器件微组装型集成电路比美国仅晚三年。

后来,还诞生了我国第一块硅器件微组装型集成电路。1961年,在中科院物理所工作的王守觉获悉美国发明硅平面器件与固体电路的信息,毅然决定终止正在进行并取得了一定结果的硅台面管研制工作,集中半导体研究室力量研发硅平面工艺,并于1963年底完成了五种硅平面器件(低反向电流二极管,PNPN高灵敏开关器件,高速开关晶体管和两种高频晶体管)的研制任务。

在此基础上,1964年,王守觉带领团队研制成功我国第一块硅晶体管微组装集成电路。这是第三代电子计算机普遍采用的一种称为阻容耦合门电路。它是制作在硅片上的有6个晶体管、7个电阻和6个电容共19个元件组成的电子线路,电路封装到比西瓜子还小的管壳里。

团队齐上阵,攻坚又克难,研发出第一块硅氧化物介质隔离型DTL与非门单片集成电路

由于硅平面工艺的先进性,此时我国也还有另两支队伍在积极攻关,一个华北半导体研究所,一个是中国科学院冶金所。其中,华北半导体研究所是我国第一个专业半导体研究所,于1960年6月在北京成立,1963年搬迁到河北石家庄,由武尔桢担任总负责人。

1962年初,时任华北半导体研究所固体电路预研组组长的许居衍同志提出《固体电路预先研究可行性研究报告》,主张紧跟世界先进技术,进行硅材料为基底的“单片硅平面工艺”技术研究,并围绕计算机所需门电路的“数字电路”为突破口,以“硅平面二极管、三极管组件”作为起步点。由此,他们在硅外延平面型晶体管组件制造技术方面取得了突破性进展。

到1964年中期,为了进一步加强集成电路技术研发力量,决定组建一个专业研究室,并责成第八研究室技术主任顾泰同志负责筹建。陈列馆资料显示,当时参与筹建工作的还有八室党支部书记邵性廉、政治助理罗序铨、技术助理徐发明等。

经过积极筹备和人员扩充,很快正式组建了以顾泰任主任,李铁映任副主任,罗序铨为党支部书记,许居衍任课题组长,徐发明为团支部书记兼技术助理,有张家栋、杨步仪、王龙兴、路民峰、王才善、崔明庆、苏万市、王立模、吴玉行、王凤秀、金珍娣等一大批技术骨干组成的专业集成电路研究室,又称第五研究室。

刚刚成立的五室很快投入到配合北京计算机研究所研发微型化计算机的国家重点任务中。为了更好完成任务,全室领导、班组长、技术员、一般员工等所有人,一律上科研一线。其中,顾泰蹲点测试组抓设计,李铁映的身影则更多出现在隔离磨片工艺间,许居衍到扩散组较多。研究也得到了其它室配合,如六室指定专人配合隔离工艺研究,七室指定专人负责封装研究,金工车间的师傅更是随叫随到。研究人员还经常利用休息时间与朋友、同学讨论工艺、设计、设备等问题,在技术上相互启发。

最终,经过半年时间攻关,1965年6月,第一块单片集成电路正样样品正式出炉。

然而紧接着,困难又出现了。按所里有关规定,所有集成电路鉴定成果须经初样、正样、设计定型几个阶段。但在定型前一个多月,五室被告知有一批单片集成电路样品不能正常使用。而此时顾泰主任已外出参加“四清”运动,怎么办?

副主任李铁映当机立断,派出专业人员了解情况,并很快查明问题产生的原因。当时得出分析结果已是深夜,李铁映在听完情况汇报后,当即决定仍按原计划完成设计定型鉴定。次日一早,李铁映召开决战动员大会,给全室人员加油鼓劲。

随后,张家栋负责的制版组成员们开动脑筋,在显微镜下直接对原母版相应的位置进行了修改,第二天就拿出了光刻用版。流水线24小时连轴运转,流片到哪里,那里的工作人员马上投入工作。李铁映更是每一个关键工艺都要到场督战。

在大家的共同努力下,经过一个多月奋战,五室连续五批做出了300多块电路,成品率达33.6%,大大超过10%的指标,按时完成了任务。1965年12月25日至28日,华北半导体研究所第三届科技成果鉴定会召开,李铁映做了LCDTL(型号GT-31)产品设计定型鉴定提请报告。在这次会议上,第一代由我国自行设计,可供多种计算机和各种数字领域使用的硅单片GT31单与非门电路和GT30等24项硅器件通过了鉴定。

据了解,这是我国第一块可实用化的硅氧化物介质隔离型DTL与非门单片集成电路,仅比日本晚10天。由于该项成果的完整性和技术成熟度都比较高,在当时产生了重要的影响和技术推动作用,使中国真正跨入了硅单片集成电路发展的新阶段。

因陋就简,反复试验,探索出第一块PN结隔离硅单片DTL门电路

笔者在陈列馆了解到,中科院冶金所是中国硅单片集成电路研究发展历史上另一支值得记忆的研究队伍。

1965年7月,位于上海的中科院冶金所成立了以徐元森为组长,赵彭年、蔡慕光为副组长的半导体集成电路研制组。7月15日,徐元森带领12位科技人员到上海元件五厂五车间开启技术攻关。同时,该车间也派出了钱学俭、徐治邦、陈丽珍等技术人员和工人参与。

其中,中科院冶金所的12位技术人员中,赵彭年、林宗奎、幸勇在制版组,负责集成电路设计和制版工艺,陈均珊负责硼扩散,章宏睿、沈国雄负责磷扩散,乔墉负责真空淀积铝引线。其他同志分别负责测试、光刻、切片、磨片、抛光、去离子水制作等工艺。徐元森组长负责全面协调管理,重点抓光刻工艺和扩散工艺。

实际上,研制组的同志并没有见过集成电路的实物,只是凭一些国外技术杂志上公开发表的资料,试着设计了DTL与非门电路,并根据自己对资料的分析研究,绘制了版图。开始时,他们制作PN结隔离工艺采用硼酸三甲酯扩散源(即P型扩散源),在温度1200℃条件下,让P型杂质穿透N型外延层,把外延层隔离成一块块“孤岛”,以便制作晶体管、电阻。结果很不顺利,主要是因为温度、气流、扩散源浓度掌握不准,试验了很多次,仍然没成功。不过,大家并没有气馁,经过近半个月摸索、计算、反复试验,最后得到一套成功的PN结隔离工艺参数。

类似这种情况,在各工序都碰到过。包括基区扩散、发射区扩散、真空镀膜、光刻等等,都是边试验边总结,逐渐取得满意的结果。大家没日没夜地干,各工序终于摸索出了一整套适应当时工艺条件的工艺技术参数。徐元森组长对研究工作最为操心,付出心血也最多。常常是哪里有问题他就出现在哪里,随时与技术人员、工人一起研究、试验、讨论,甚至到了废寝忘食的地步。

特别值得一提的是,当时的制版工艺比较简陋,绘图用的是普通计算纸(毫米方格纸),然后用针刺在绘图纸上,再用墨水描成黑白图形。第一次缩小用的是普通制版照相机,精缩用的是自制的专用精缩机,感光片用的是自己制作的柯罗甸板(棉胶湿板)和“超微粒干板”。这些感光板是用1.2毫米厚的玻璃片作为基板,涂布感光乳剂制成的,随制随用。这种方法制成的掩模,精度都不太高。所以,1965年中科院冶金所试制的第一块PN结隔离的集成电路的最小间距尺寸为25微米。

如今,国际上最小间距已达到0.007微米,虽然和当时差距之大,但以徐元森为首的团队花费精力不少,大家因陋就简,经过两个多月奋战,终于在1965年国庆节前夕研制出了我国第一块PN结隔离型硅单片集成电路样品。

多方力量集结,自身创造条件,研制出第一块大规模集成电路

集成电路的研制其实是一个持续攻关的过程。1967年初,基于对国际集成电路技术发展趋势的把握,以及其对国防建设和国民经济建设的重要性考虑,国家有关部门决定建立一个集成电路专业研究所,进一步加强技术研究。

经过选址,很幸运,这个研究所选在重庆永川,名叫四川固体电路研究所,这是我国第一个集成电路专业研究所。

根据上级机关部署,华北半导体研究所先后派出武尔桢、陈万镒等党政领导和毕克允等部门同志,到永川筹备四川固体电路研究所建设。两年后,1970年3月25日,以华北半导体研究所第五研究室和第十研究室03课题组(新器件组)为专业主体,连同其他配套人员约360名职工和部分家属组成浩浩荡荡的队伍,启程来到重庆永川。

然而,搬迁初期,基本建设尚未全面完工,又恰逢重庆永川大旱,蔬菜严重缺乏,甚至一度连生活饮水供应都很困难。

没有条件就创造条件!为解决生活困难,干部职工自己建豆腐坊、挂面坊、蜂窝煤站。没有科研设备,他们就利用通用设备、仪器,不断摸索改造,制成专用科研设备。工艺加工间的水磨石地板粗糙不符合净化卫生要求,他们就自己动手打磨地板,每人双手各抓一块三角磨石,来回不停地磨,蹲累了就垫块泡沫板坐着磨,甚至跪着磨,不少人手上起了水泡,戴上手套继续磨,直到过关。

此外,当时所里还举办英语、日语、半导体物理、集成电路工艺等课程学习班、工人大学等,请国内外专家作学术报告,并创办中国第一个集成电路专业期刊《微电子学》,鼓励技术人员参加技术方案讨论,一时学习和竞赛氛围浓厚。四川固体电路研究所第一研究室在室主任李铁映的带领下,建立了“钢铁流水线”和“三八流水线”两支队伍,通过开展科研竞赛,攻克了多项工艺技术,并建立了符合我国国情的ECL10K系列集成电路工艺规范。

第一研究室取得的成果只是四川固体电路研究所的一个缩影。全所干部职工怀着“一定要把三线建设好”的饱满热情,努力拼搏,获得多个“第一”。如1972年,成功研制出我国第一块PMOS型大规模集成电路(集成度1084个元件/片),标志着我国集成电路技术开始进入大规模集成电路技术领域。