第二百三十四章 单晶硅棒

华夏已经意识到在芯片产业上与国外的差距，连续启动了908、909两个国家级工程，可谓举国之力跨越赶超。

    可从重生者的眼光来看，这两项工程虽然使国内芯片产业有所突破，却都未达到预期目的。

    二十年后直到陈立东重生之际，山姆等国的芯片产业已经摸到技术的天花板，华夏企业还在咬牙追赶，拉开的距离至少10年。

    作为系统之主、工业达人，摆脱不了芯片。

    现在，在“大本营”里，有一位叫陈地忠的机械仆从正在被陈立东授权使用研发平台进行工业试验。

    用来制造芯片的沙子不是工地上那种普通的河沙，而是硅含量更高的硅石，主要成分是二氧化硅。

    从硅石到单晶硅，要经历三生三世，分别为硅石到硅锭，硅锭到多晶硅棒，最后到单晶硅棒。

    硅锭的制作，一般用坩埚，不是煮牛蛙的“干锅”，而是炼金用的坩埚，专家称之为矿热炉。

    其实用电弧炉就行，电弧炉在本书中已经做过介绍，就不再赘述。

    先看实验的第一步，冶炼工业硅。

    陈地忠按照买来的专利技术资料，在研发平台模拟了一个6米直径的电弧炉，用电极加热，在炉子中放入了硅石，再加入煤炭和木屑，将炉温加热到2000摄氏度，在高温作用下，二氧化硅逐渐融化，并与碳元素发生还原反应：二氧化硅与碳生产硅单质和一氧化碳。

    在温度较低的地区还会生成碳化硅，碳化硅在技术资料里被列为了废渣。

    冶炼出的硅液逐渐冷凝，就得到了相对纯净的硅锭，这是纯度为98%到

    99%的冶炼级工业硅。

    2%到1%的杂质主要是铁和铝，硅锭已经是化工、冶金和建筑的重要材料。

    但是对半导体产业来说，99%的纯度还远远不够。

    接下来是第二步，提炼光伏硅。

    这一步就是为工业硅提纯。

    工业硅提纯，业界主流的做法是借助氯化氢气体进行提纯，由于最早是赛蒙斯公司于1955年开发出来的，所以又称赛蒙斯法。

    陈地忠用矿磨、气流磨将硅锭粉碎成渣，再次放入电弧炉中加热到325度，在这个温度下硅渣与氯化氢反应，生成氢气和三氯硅烷，三氯硅烷也是气体状态，这一步还会生成三氯化铁、三氯化铝和四氯化硅等气体，利用这些气体不同的沸点，再通过冷凝器和蒸馏塔对温度的控制，分离出沸点较低的三氯硅烷气体。

    在这一步，用到的设备主要是电炉、冷凝器、蒸馏塔。

    接下来，把高纯度的三氯硅烷再还原成固态硅。做法是在1100度高温的反应炉中通入三氯化硅和氢气，生成硅、氯化氢和四氯化硅，在这个温度下只有硅是固态，所以在反应炉中可以看到硅架上黑色的硅按照圆柱体的形状，像蘑菇一样慢慢长大。

    按照专利技术资料描述，这个过程要持续大约一周的时间，就能积累到目标规格的硅棒，硅含量高达99.999999999%，一共11个9。

    不过此时的硅棒表面坑坑洼洼，其晶体框架结构不均匀，整体是由众多不规则的小晶体构成的，这就是多晶硅。

    这种多晶硅已经可以用于光伏行业，制作太阳能电池。

    不过做芯片需要的是晶格均匀连续、电学性质稳定的单晶硅。

    所以还要完成第三步，提拉单晶硅。

    这一步，技术资料采用了柴可拉斯基法，这种技术出自1918年诞生于博兰达的化学家杨.柴可拉斯基之手，又称直拉法或者提拉法，顾名思义，就是在纯净的硅溶液中拉出一根棒子。

    具体做法是在石英材质的精炼炉中加热融化高纯度的多晶硅，石英的熔点约1700摄氏度，硅的熔点约1400摄氏度。

    陈地忠按照技术资料要求在精炼炉中冲入氩气，把温度控制在1600度左右，然后将一小条晶种，也就是一条细小的单晶硅作为种子浸入硅溶液，再缓慢的向上旋转、提拉，被拉出的硅溶液因为温度梯度下降会凝固成固态硅，细节上看就是细牙签进去、大棒子出来。

    大棒的粗细和质量，取决于工作的温度、旋转的速度和提拉的力度，这时在大棒顶端出现了一段直径几毫米的脖子。

    这是因为在晶种刚接触溶液时会因为热冲击，使晶体发生高频次的滑移和位错，导致最开始的一段容易出现晶体缺陷。

    所以在刚开始时先用高速提拉，拉出一段10厘米左右的脖子，让位错缺陷趋缓直至消失之后，再降低速度开始拉大直径的硅棒，此时凝固的硅棒就和晶种一样是光滑的单晶硅。

    但是，“细脖子”的存在，决定了单晶硅的重量，因为棒子超重会断掉。

    从陈地忠利用系统熔炉的实验数据看，拉直径8英寸的硅棒能拉6米长，12英寸的最长到一米五。

    陈地忠将这些步骤操作完成后，就制作出了芯片的原材料：单晶硅棒。