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发表于 2019-9-16 07:25:23
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硅是当时最重要的半导体材料，半导体工业要求高纯度优质的原材料硅。为了制取高纯度硅，去除其中的硼、磷等有害杂质，原料的提纯通常是采用精馏法。将含量约92%的三氯氢硅经4个精馏塔提纯至近乎100%纯度的产品，其中的碳、硼、磷等杂质元素要低于十亿份之一的PPB级。精馏过程传统的图表算法不可能计算PPB级的精馏问题。电子计算机模拟计算就是要对4个精馏塔的塔高和处理量作多方案的筛选计算，逐一对比，从而找出导致杂质除不干净的原因。这在当时的化学工程中是一个高难度的课题。当时，潘鸿在矩阵法计算精馏塔方面已做了不少工作，对这次接受三氯氢硅精馏项目基本已有把握。
曹工向潘鸿交代了这个精馏系统的大概情况，希望能借助电子计算详细分析塔内杂质的分布情况，从而找出残留杂质的原因。潘鸿也介绍了自己的工作，建议编写一个独立的程序，专门计算这一问题。寻求三氯氢硅物系的物性计算式、建立数学模型、编制程序上机计算都是潘的事。至于装置所在地及其上下游的情况等他们是绝口不问不谈的，这是机密。中国半导体材料供应链出现问题本身就是重大的国防机密，对机密不闻不问是参与涉密项目的惯例。潘鸿他们在初到华东计算所使用计算机时就有了这个习惯。计算所X-2机上当时用机的大户是代号叫”五班”的国防单位。那时用机时间是争分夺秒的，时间快到，前面的使用者尚未下机，后面的即已进机房做准备工作，以便能在前者退场时马上接上。但是如果前面是五班在计算，那别人是绝对不能进场的，必须等到他们完全退出机房以后，才能进去操作。还有最忌讳的是遇到他们在操作台上遗留有物品，笔记本草稿纸之类，那是绝对不能碰的，必须立即通知机房管理员来取走送还他们。其他人若不小心多看一眼就会有大的麻烦。这是保密规定，不问为甚么，坚决执行就是了。对于曹工那边的情况潘鸿亦采用类似方法对待，除了与计算有关的问题以外，不谈其他。
这次半导体原料杂质超标问题向医工设计院寻求技术支持，是对医工院电子计算的一项重托。曹工在得到潘鸿的支持后信心大增，期望在经多组操作参数模拟计算后能寻找到保证产品纯度的操作条件。在课题的协作中，曹工与潘鸿虽然辈份不同，但相互尊重，相互欣赏，合作愉快。曹提供希望计算的各种精馏塔设计操作参数案例，潘则按需求调整程序和输入数据，再用计算机计算各塔内逐板组份分布，得出结果后告知他来研究商定下一轮的计算方案。这样反复进行了好几个月的时间。考虑到曹工那边的保密要求，每当计算的出结果，潘即打电话通知曹，请他到设计院来分析研究。曹工虽是长辈，但从无怨言，十分理解。这是那个年代知识分子间的默契，很真诚的。
经过很多方案的计算对比，他们慢慢意识到按常规的改变设计和操作参数的办法对提高产品纯度并无帮助。因为在理论上原有的设计参数已经能够稳定地实现对杂质的分离，调整操作参数解决不了现时出现的问题。时间在一天天过去，事情陷入了僵局，两人开始焦急起来。一次计算完一批算例，面对着几组计算结果，都说明现有装置理论上是能够有效分离杂质的。情况又到了山重水复疑无路的境地。
“碳磷硼不是已经分离干净了吗?”
“理论计算不是一再证明纯度能够达到了要求吗?”
“以前装置的操作不是一再证明它能够除去这些杂质吗?”
“后期操作时杂质怎么又除不掉了呢?”
一连串的疑问，似是无解。两人相视无语，都在凝思。突然，一个新的想法闪现:
“装置产品中的杂质是不是可能另有来源呢?”
“它更像是在正常提纯后再次受到污染。”
“如果合格品是在出口管道处被沾污，那么理论计算是反映不出来的。”
……
曹工敏锐地调整了思路。考虑到装置新装时能得出合格产品而用旧了产品纯度每况愈下的实际情况，他设想，精馏合格产品很可能是被杂质再次渗入，找到杂质的渗入点就能证明这一点。
装置中的精馏塔部件和管道都是由优质不锈钢制造的，制造时不锈钢材都经过表面钝化，保证钢材内部的微量硼、磷、碳元素不会迁移到精馏物料中。但是，如果不锈钢表而钝化层被磨损，那就不能保证设备材料(不锈钢)中的微量硼、磷、碳元素不会从塔体及管道壁处迁移到液体产品中，从而形成二次沾污。
思路豁然开朗，曹工立即返厂对原有设备作仔细检验，特别是产品出口管道及接合处。经目测和显微检测，曹工终于找到了设备内壁金属表面钝化层破损的证据。而这些破损点正随着设备的使用而日渐增加，金属内部的有害元素就是通过这里迁移到产品材料之中。这些杂质不是通过改变精馏塔系统的工艺参数所能除去的，必须更新设备来解决。问题找到了，曹工给潘鸿送来了一组精馏塔结构数据和操作参数数据，要详细计算模拟结果以用作新装置的设计依据。
新装置仍旧采用2组精馏塔，每组2塔串联，精馏塔系和管道仍是用不锈钢制作，再增加喷涂聚四氟乙烯内衬，彻底隔绝了三氯氢硅物料及成品与不锈钢的接触。生产单位立即更换全新的精馏设备，果然稳定地生产出合格的半导体材料，解决了国家半导体产业链的燃眉之急。曹国琛和潘鸿都如释重负，舒了一口气。
问题解决了，任务完成了。没有庆祝，没有宴会，他俩都是当时被称为”臭老九”的知识分子，不是响当当的工人阶级，没有人替他们请功，但这无损他们的欣慰和满足。总结这一课题，在1973年9月，曹工以上海有色金属研究所和上海电子器材厂的名义，写下了《三氯氢硅精馏工艺参数的研究》和《提高多晶硅质量的工艺探讨》两份学术报告。铅印的，有两三百页的篇幅，很是隆重的，可能是因为要上报中央吧。潘鸿也将他的数学模型部份写成学术论文《三氯氢硅连续精馏工艺的计算机计算》，发表于化工部设计系统的内部刊物《炼油化工设计电子计算》1974年1期中。那时是文革时期，写学术论文的少之又少。但这一课题的解决对其他人是会有参考价值的，应该记录下来。
曹工将他写的学术报告送潘，算是留个纪念吧。并问潘有没有兴趣到新的精馏装置去看看。潘问: “方便吗?” 他说当然可以。其后他们一起到装置那里转了一圈，看看谈谈。全程都只是他们两人，曹好像并没有将潘引见给单位内的其他领导。或许，他这次领潘去参观完全是自作主张，是没有请示过领导的。免添麻烦，大家心照不宣吧。
关于曹工和潘鸿协力借助电子计算机成功解决半导体硅材料的杂质问题这一项工作，当年和事后似乎都是渺无声息，但它的深刻意义事实上并未被遗忘。在1999年编纂的《上海有色金属工业志》上，就有这样的专门条目记录: ”上海电子器件厂与上海有色金属研究所协作，研究影响硅多晶质量因素，用计算机计算杂质在三氯氢硅精馏塔的分布情况和所需的理论塔板数；提纯三氯氢硅用的不锈钢精馏塔改用内衬聚四氟乙烯材料制作，在实际应用中取得较好成绩”。到1988年，曹国琛撰写论文《用计算机模拟三氯氢硅精馏塔还原硅多晶中硼磷碳含量变化》，代表中国参加1988年在美国波士顿举行的国际硅材料会议，以化学工程问题的形式将这一成果公诸于世。论文内容的主体就是当年潘鸿创建的数学模型和计算结果，改写自他当年的论文。这一数学模型经历15年之后仍能代表中国硅材料先进科技登上国际学术会议的殿堂，显示了这一科技成果的超前性。
由于行业不同，课题结束后潘鸿和曹工再也没有机会联系。在”亲密”交往的大半年时间里，他们都从未谈过一句课题以外的话。这是文革年代知识分子的共知，任何不当的言词都是可能会牵连出一长串不必要的麻烦的，会干扰工作环境的。然而，曹工的儒雅风范，他的渊博学识，他的音容笑貌一直清晰存留在潘鸿的记忆之中。
曹国琛后来任上海有色金属研究所总工程师、所长。1991年上海市劳动模范，1993年全国五一劳动奖章获得者，1993年第八届全国人大代表，1993年上海市科技进步专家咨询委员会委员，中国有色金属学会理事，上海有色金属学会副理事长，上海太阳能学会副理事长。为发展中国的半导体硅材料、高纯度合金冶炼技术、国防工业材料做出了显著成绩。1987获国家发明二等奖。是一位很值得人们尊敬的学者。典型的无博士学位，无留洋经历，无院士桂冠的”三无”学者。曹国琛和潘鸿二人携手技术攻关时，曹46岁，年富力强，潘30出头，初出茅庐而已。曹工后于2018年12月去世，享年91岁。一位对国家有贡献的学者，后人会永远怀念他。
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