本文作者是“区域熔化法”的发明人。作者现身说法,介绍了区域熔化法发明的前后情况。相信本文对读者,尤其是对年轻的科技工作者会有所启迪。
——编者
区域熔化法的设想并非一次,而是两次。三十年代后期,我在贝尔实验室的研究室里替一个物理冶金学家小组担任实验助手,主要工作是制备供显微镜检验用的金属和合金样品。那时,我晚上常到纽约制桶工人工会去进修,为化学工程学士学位而用功。尽管如此,我却早已背离了工程学方向而强烈地倾心于研究工作。虽然那时我不过是一名地位卑下的实验助手,但搞研究的想法仍然激励着我。
1939年,这个小组的组长厄尔 · 舒马赫(Earle Schumacher)干了件出乎我意料的事,他对我说:“比尔(Bill,作者的昵称——泽注),你拿一半时间去搞你想搞的研究吧。”这话真叫人难以置信;我采用布里奇曼法(Bridgman method)生长了些约1呎长的铅单晶,准备使其变形来研究滑移带。我想往里掺锑,但又晓得它会发生分凝,于是想通过分区熔化来使其分布均匀。当时还不知道“区域匀平”这么几个字。我只消熔化一小段,加入锑,再使它顺结晶方向通过,让锑均匀地平摊开。由于那时我们正置身于紧张的战备活动,且我那短暂的研究假也早已超假,于是我便把区域熔化这桩事置诸脑后了。因为我觉得这是显而易见的,随便哪个年轻人都会想得到它。
二次大战期间,我成了该研究室一名初出茅庐的成员。在杰克 · 斯卡夫(Jack Scaff)为首的小组里工作。杰克 · 斯卡夫在提供锗和硅锭以及发展雷达接收机用点接触整流器方面起了关键作用。1947年末,第一只晶体管问世,我们变得大有可为。亨利 · 休勒(Henry Theuerer)提出了定向凝固法,提供了锗单晶锭并努力加以提高。我为点接触晶体管设计制作了外壳、我们一共作了几百个。
比尔 · 肖克利(Bill Shockley)对搞材料的人们施加高压,要求提供前所未有的高纯锗单晶。戈登 · 蒂尔(Gordon Teal)和约翰 · 利特尔(John Little)运用众所周知的提拉法拉出了单晶,不过分凝和纯度仍然是个问题。我虽不负责材料,但工作与亨利息息相关,因而也强烈地感到分凝问题的严重,再次萌生了1939年时的区域匀平的念头,并开始组建区域匀平锗的工艺设备,但这时仍未意识到这是一个很珍贵的念头。
恰在这时另一位同事告诉了我他打算对锗采取分离结晶的想法,就是定向凝固、倒掉5 ~ 10%的最后剩下来的熔体、再重熔,不用从炉中移出坩埚重复这一步骤四至五遍。我听了以后告诉他这听起来好像很麻烦。午饭时,我仰靠在椅子上,头枕着窗槛,开始每天十到十五分钟的午睡,实际上根本未睡着,只不过稍微养养神而已。猛然间我一下子想到了这个分离结晶问题的答案——让一根长锭子通过一连串加热线圈!(记得当我从椅子上一跃而起时,椅脚响亮地啪哒一声撞在地板上)。我跑到隔壁房间门口把这一想法告诉亨利,他想了大约5秒多钟说,“就是这个办法!比尔,你到底找到了。”(有一个来月时间别的同事抱着各种各样的怀疑,有信的,有不信的)。
锗区域提纯的成功是直接的也是惊人的。同时,正如我们所已经看到的,运用放射性锑作为所希望的溶质(锑之类的低K值溶质会使大多数定向凝固发生分却只使极少数区域匀平发生分凝),区域匀平的成功也马上随之而来。一旦茅塞顿开便很容易举一反三,诸如凝,温度梯度区域法、区域重熔、连续区域提纯等都迅速问世。区域匀平工作带来了意想不到的收获,真仿佛是掉进湖水里,上岸时靴筒里竟装着鱼一样;我无意中要求助手丹 · 多西(Dan Dorsi)用籽晶生长区域匀平锗单晶,我以为这很容易,没想到竟付出了一年半的艰苦努力。缩短少数载流子寿命的小角度晶界是非常稳定的。总之,我们发现了小角度晶界是由表现为腐蚀坑的刃型位错组成的倾斜晶界,因而引起关于位错的基础研究的大量活动,同时也提供了一个控制单晶质量的工具。
当时亨利 · 休勒的注意力已转向硅。处在一个容器中的硅是无法区域提纯的,亨利想到了悬浮区熔的办法并将其付诸实践,从而获得了基本专利。这一重要发明不仅扩大了区域熔化法的应用范围,它本身也成为一种有价值的晶体生长方法。
我试图将分区的想法(区域匀平)用来解决分凝,偶然产生了提纯(分离结晶)的念头,在一个半意识的瞬间醒悟了如何将分区的想法用来解决提纯问题,这就是区域提纯的来源。
关于创造力的问题人们已经谈得很多。有些人认为它可以教会,我不以为然。创造行为乃是一种短暂的东西。它首先需要的是艰苦奋斗和全神贯注,当然,为此要具备很多条件,同时它还需要一种将一些毫不相干的念头联系起来的神奇本领。说它神奇是因为这个过程不一定合乎逻辑,说它短暂,则因为它只有稍纵即逝的一瞬,是偶然引发的、产生联想的一瞬。在前面的叙述中这个引发就是我未同意的那个同事锗分离结晶想法的启迪,它给我以尚未完成的感觉,使我陷于烦恼困扰之中。有趣的是想一想整个这一连串事件的开始,是一个精明的室主任凭着他的直觉给一个年轻的、没学问的实验助手以时间,让他研究他想要研究的东西。
[Prog. Crystal Growth Charact,1983年6卷]