李志坚：一生与硅不了情.doc

李志坚：一生与硅不了情.doc 李志坚:一生与硅不了情 李志坚(1928,2011)，中国科学院院士(1991年当选)，是我国硅基半导体科学研究的奠基人和开创者，半导体领域的著名科学家，清华大学微电子所的创始人和学术带头人之一。20世纪80年代，他领导和参与研制出1K、4K、16K、静态RAM，8位、16位微处理器等电路;90年代又领导建成我国首条1微米工艺线，并研制成1兆位只读存储器汉字库等一批超大规模集成电路。这些成果代表了当时我国集成电路技术的先进水平。李志坚曾获全国劳动模范(1979年)称号、国家科技进步二等奖(1987年)、国家发明二等奖(1990年)等多种奖项。2011年5月，李志坚因病逝世，享年83岁。 硅是自然界极为常见的一种元素，它以硅酸盐或二氧化硅的形式，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。硅也是一种优良的半导体材料，可用于制作半导体器件、集成电路、太阳能电板等。 上世纪40年代末，随着晶体管的发明，国际上就用锗或硅作材料，形成两种不同的技术路线。在中国，一批科学家确定以硅材料为方向，奋力进取，其中有一位做出开拓性贡献的重要人物，他就是李志坚。 留学负使命，报国赤子心 李志坚1928年出生于浙江宁波的镇海县，当地有读书求进的浓厚风气，经商的父亲希望儿子好好读书，将来为家族争光。上小学和初中时，大江南北烽火燃烧，李志坚目睹了日本侵略者的嚣张，感受到国破山河在 的艰难，激发了他以科学报国的壮志。 1951年，李志坚从浙江大学物理系毕业，被分配到同济大学物理系做助教。一年后赶上全国院系调整，他做好了服从组织安排的思想准备，可没想到上级通知他到北京学俄语，准备去苏联留学。李志坚从小就学，中学和大学也是，大学教材都是英文，讲课也用英文。而今俄语却要从字母学起。虽然转折很大，但这是国家需要，他没有半点犹豫。 新中国成立后，与西方世界的联系几乎完全切断，一个年轻人要想留学，不可能再去英美国家，也不可能由个人选择。当时到苏联留学就是很高的荣誉，而一切都由组织安排，要经过严格选拔，不仅看个人能力和政治表现，更要看家庭成分和父母的情况。 李志坚大学已是共青团员，工作后积极争取加入共产党。他的父亲是小商人(成分还算过得去)，政治清白。当时参加学习俄语的同学中，最后真正去苏联的只有一半，因为政治审查非常严格，有一点海外关系就没戏了。如果家庭成分是资本家、地主，不管你个人怎么表现都不行，这在今天的年轻人很难理解。想不到的是，李志坚到苏联不久，父亲重新被划为大商人，一下上升为资本家，资本家是剥削阶级，这在当时是很敏感的字眼。如果再晚半年，他肯定去不了苏联。李志坚的几个弟妹都很聪明，但后来因父亲的成分问题，都没能进入大学门。 去苏联前，李志坚只知道要学习保密的专业，但具体是什么并不清楚。到苏联后进入列宁格勒大学物理系，学校让留学生自己提出学习愿望。当时国内在发展钢铁工业，李志坚提出学习金属学，但物理系没有金属学专业，指导他的导师是苏联科学院院士列别捷夫。列别捷夫在国防单位工作， 也在物理系兼教研室主任，他在做半导体研究，侧重红外夜视的半导体，这在当时属于前沿。导师拿了一个项目让李志坚来做，由此他开始与半导体结缘。 1947年12月，美国科学家发明了锗晶体管，1953年半导体研究刚起步不久。李志坚从物理学的发展判断，认为半导体的潜力很大，前景很好，于是开始补课，决定跟导师学习半导体。导师要求他用两年时间补习量子力学、固体物理等基础理论，主要靠自学，然后接受考试。李志坚仅用半年时间就通过了这些课程。李志坚回忆说，当时没白天没黑夜，礼拜天根本不休息，全用在学习上。完成补课后通过考试，即进入研究课题，他一头扎进实验室，自己和做实验。当时需要一个玻璃真空系统，负责做玻璃仪器的师傅是个酒鬼，喝醉了酒就把做好的玻璃管给打了，没有办法，李志坚只得自己吹玻璃管，反复了多次，最后做的真空度达到10-10数量级，改进的小电流测量设备可测 10-15A数量级，这在当时均接近国际上的最高水平。 1956年国家制定12年科学发展规划，确定计算机、半导体、自动化为重点发展方向。同年教育部派代表团访苏，清华大学校长蒋南翔带队，对中国留学生重新摸底排队，李志坚被确定从事半导体专业。李志坚在苏联学习了四年多，因为做实验，故比许多同学的学习时间长。正是留学苏联，让他了解了半导体，熟悉了锗、硅等材料的应用。 回忆起留学岁月，李志坚说，当时的想法就是快点学完回来，报效祖国，就像游子要报答母亲一样。因为出国前领导给他们算过一笔账，一个人出国要用去多少大米，国内有多少人在付出劳动供你读书。这让他深切 感受到留学生肩负着国家使命，只有出色学习，才能不辜负人民的重托。留学期间，他埋头学习和实验，娱乐活动极少，甚至连电影都没看几次(那时也没有电视)。说起看电影，李志坚还牵出一个笑话，因为他和一位中国学生、一位蒙古学生住一个房间，那位蒙古学生谈恋爱，把女朋友拉到房间来，弄得两位中国学生没办法，就去看了一场电影。 回国进清华，全力研发硅 1958年2月李志坚毕业，回国前他把结余的津贴都上交了中国驻苏联大使馆(这在今天很难理解)，表示自己回国干一番事业的雄心壮志。当乘坐的列车徐徐开进北京站时，他发现清华大学的领导等在站台上，热诚地迎接他。李志坚本人曾有回母校浙大工作的意愿，因为他是宁波人，更习惯南方的生活。但现在面对清华求才若渴的诚意，他话到嘴边又咽了下去。说起来这里面还有个小插曲，时任清华大学无线电主任的李传信，通过其他留学生已先了解了李志坚的情况，考虑到清华要发展半导体专业，即商定一俟李志坚毕业，就把他引入清华，而办法就是以诚意感动。 就在李志坚来清华前半年，清华在无线电系设立了半导体专业，有三四位教师，还有一些学生，被派往北大听半导体的课程。当时清华正在和全国最大的电子管厂774厂合作研发半导体，清华的条件非常简陋，在学生宿舍楼找了两间小房子，说是实验室，里面基本上是空的。 到1958年时，国内做半导体的主要材料是用锗，材料的关键是要做得非常纯，如果不纯，一些效应就显示不出来。李志坚经过认为，苏联有硅材料，硅器件刚做不久;而美国硅器件也只在实验室有，还没有产业化。从理论上看，硅要好于锗，因为硅的工作温度高，而且用氧化硅作材料也十分便 宜。但是硅的性能比较活泼，难以提纯，所以硅的发展比较慢。比起硅来，锗已有研究基础，但锗是稀有元素，再者，锗器件性能不如硅。当时正是大跃进时期，搞锗的势头很大，甚至发展到民众。一些基层单位把大烟囱里的烟灰刮下来炼，然后用多种酸来洗，最后弄出几克锗来，弄得像淘金一样。 李志坚认为，我国应该走发展硅的技术路线。当时中科院半导体所的林兰英等人，也主张早些让硅项目上马，后来在北京召开专家会论证，确定了“南锗北硅”的技术战略，即上海在南方搞锗，而北京发展硅，以清华牵头来做。当时的目标很明确，就是以晶体管取代电子管，其基本技术思路是:做晶体管要用硅片，硅片要切出来，切硅片先要有单晶(棒)，而拉单晶先要有多晶，由多晶才能拉成单晶。制多晶要用化学药品四氯化硅，四氯化硅要提纯，要蒸馏。工业四氯化硅使用铁硅为原料，要把铁等这些杂质去掉，就要蒸馏。 任务很明确，就是要把工业用四氯化硅提纯到2个9、3个9(分别指0.99;0.999)的四氯化硅，精馏后要达到5个9、6个9(指0.99999;0.999999)。精馏完了，这样做出来的是多晶硅，然后要用单晶炉把它拉成单晶，然后再切片。所说的这些过程都在简陋的实验室里做，一次一次地精馏。 还原四氯化硅要用氢气。当时只有李志坚一人在苏联操作过氢气，氢气瓶运来后放在楼道，不敢放实验室。李志坚说:“你们都走开，我来开～”他回忆当时情景时笑了起来，说:“搞得跟打仗似的。” 实验一开始用的是玻璃式反应器，外面用水冷却，玻璃遇冷水很容易 炸，一不小心就炸了，结果四氯化硅气体弥漫到整个大楼。直到后来制成了不锈钢反应器，才变得安全多了。 李志坚和其他师生日以继夜，奋战了一年多，首次在我国用四氧化硅还原法获得了高纯度多晶硅，而后拉出了第一根钨丝区熔单晶硅。接下来自己切片，1961年在国内首次成功研制出了硅晶体管。 原清华大学党委书记李传信对这段历史有如下的。他认为，在清华半导体专业起步阶段，以李志坚为主导的团队解决了两大问题:首先是冷静而机智地避开了“大跃进”刮起的“浮夸风”和“批判风”，没有干什么蠢事，又始终保持了自力更生的充足干劲;更重要的是选定国际上刚起步的硅材料和器件技术为主导的学科建设方向，规划师资队伍，抓牢了实验室建设。“四十多年过后回头再看，当时的选择使学校在微电子领域的人才质量、学术水平、研究成果一直处于国内前列，李志坚同志一直起着主导作用。”到1963年，清华大学的硅技术研究已处于领先水平，与美国相比只差三到五年。1960年美国发明硅基集成电路，1964年清华也开始着手研制。可惜没有多久，“四清”运动以及接踵而至的“文革”，使研究搁了浅。 上马微电子，奋进号角吹 1966年开始的“文革”，严重冲击了大学的教学和科研。1967年李志坚被下放到四川绵阳，参加建立清华分校。他在那里筛沙、架电线、挖地井，什么都干过。1978年，在邓小平亲自过问下，绵阳分校的教师回到北京，与清华留校的半导体队伍合并。队伍扩大后，面对世界快速发展的电子技术，如何确定新的方向成为迫切的问题，最后讨论达成共识，决定集 中力量搞CMOS VLSI的研究。在新的指导方针下，逐渐形成了包括工艺、器件物理、电路设计和CAD技术等几个子方向的全面和先进的微电子技术发展格局。 1980年9月，成立了跨系跨学科的研究所——清华大学微电子学研究所，建制直属学校领导，除了进行科学研究外，每年招收半导体器件与物理专业五年制本科生两个班。1982年后，半导体器件与物理专业又被批准为有权授予硕士、博士学位的学科和专业。 从1985年到1993年，李志坚一直担任微电子学所所长。他带领队伍加大科研力度，不断取得瞩目的成果。1986年微电子所建成了7000平方米的实验研究大楼，1989年建成了国内第一条1微米级的VLSI工艺3英寸制造示范线。1990年，在这条线上自主开发成功1.5微米CMOS成套工艺技术，研制出我国第一块含有百万以上晶体管的1兆位汉字只读存储器，标志着我国微电子技术跨上了1微米台阶。1992年，这一成果达到中试水平，成功转产给国内集成电路骨干企业——无锡华晶微电子公司。此后，这条线经过增容、升级，具备了0.5,0.8微米工艺技术、月产3000片5英寸硅片的能力。 上世纪90年代中期后，在清华“创建世界一流大学”的目标指引下，微电子学所相继建成了先进的电子系统集成与专用集成电路技术研究中心和微米、纳米加工中心，为集成电路设计创新和自主知识产权芯片的开发，以及新兴的基于硅工艺的微电子机械系统(MEMS)和生物芯片的研究，创造了必不可少的环境和基础。 在人才培养上，清华微电子学所除完成本科生专业课程教学外，还是 我国首批硕士和博士研究生的培养点、博士后流动站及半导体器件与微电子学二级学科的唯一重点学科点。 老骥伏枥时，不了硅之情 65岁时，李志坚从行政职务退下，但没有退休科研，除去外出开会等活动，只要在学校，他几乎每天都要去办公室，去了就要到工艺线看一看。他一直关注集成电路技术的最新发展，还长期担任《电子学报》、《半导体学报》和《传感技术学报》编委等职，认真审阅研究，关心中青年科研人员的成长。 在他去世前两年，我们去采访他，他兴致勃勃地说:“下一步要重视纳电子。现在微电子向纳电子发展，纳电子器件的原理同现在很不一样，以前以牛顿力学为基础，以后用量子力学，这是个很大的变化。还有一个就是系统集成，或集成系统。现在计算机结构本身有局限，有的东西做不了，为什么,现在的计算机，数学计算可以很快，就是能很快处理并排出数学公式信息，可是你没有数学公式干不了。但不是所有的事情都能把公式排出来的，这一点人脑就不一样。所以从基础信息处理技术方面也要革命。现在社会发展对微电子不断提出要求，我们关键是要尽快调整方向，迎接挑战。”这是一个老科学家的肺腑之声啊～ 2011年5月，李志坚不幸因病逝世，享年83岁。清华大学的讣告对他作了这样的评价:“李志坚是我国硅基半导体科学研究的奠基人和开创者。早在上世纪50年代后期，他就提出了以硅技术为半导体专业的主要研究方向;70年代末，他又提出以CMOS集成微电子学为主要学术方向。这两次学术方向的确立对我国的半导体事业和清华大学微电子学科的成 功起步及持续发展有着极为重要的战略意义。„„过去50多年中，他孜孜不倦、勇于探索、治学严谨、精益求精，为我国半导体科技发展和高层次人才培养做出了卓越贡献，在国内外享有崇高的声誉。” 斯人已逝，风范长存～ (作者单位:清华大学)