棍棒之下出芯片 | 混乱博物馆_风闻
观察者网用户_241334-2020-07-10 09:02
与市场上不完美结晶的天然钻石反而可能价格更高的情况相比，在其他更加实际的领域中，当然还是完美的晶体更加有价值——比如半导体行业，今天让我们从芯片讲起。
－文字稿－
在往期节目中我们曾提到过，结晶在微观视角下发生的趋同演化——即第一个生成或者掺入的结晶晶型将会影响周围的分子，使得它们向该构型靠拢。理论上完美的结晶应当具有「完整的」周期性晶体结构，这又被称为「长程有序」。但在自然界，天然的东西往往是不完美的。
对晶体来说这些不完美表现为「晶体缺陷」。人们根据几何基础将这些晶体缺陷分为点、面、块、体。典型的点缺陷包括晶格空位、间隙缺陷，线缺陷包括刃错位、螺旋错位和向错，面缺陷则包括晶粒边界、反相畴界和孪晶界等等。
有趣的是，正是因为天然晶体有着种种缺陷，反而可以成为人们判断钻石是否天然生成的一种依据，因为人造钻石通常杂质更少、结构更加有序。与钻石市场上不完美的钻石反而可能价格更高的情况相比，在其他更加实际的领域中，当然还是完美的晶体更加有价值，比如半导体行业。
高纯度的硅晶体是半导体行业最重要的原材料。
然而纯净的硅晶体其实更加接近绝缘体，这是因为其外层的四个价电子都被锁在相邻硅原子的共价键中，缺少自由移动的电子。
即使外加电压也无法使电子流过，形成电流。然而一旦加入某些特定元素，这种情况就会发生改变。我们以硅晶半导体行业最常用的两个元素磷和硼为例。
磷外层有五个价电子，多一个没有配对的自由电子，因此可以导电。其中的自由电子向正极移动，形成电子电流。像这样多出自由移动电子的晶体硅被称为 N型半导体（negative 为负）——也就是负电荷载流子型。
与之相对的是P****型半导体（positive 为正）——即正电荷载流子或空穴型。它掺杂的元素是硼，由于硼的最外层电子只有三个，在与相邻的硅原子结合时，其中一个硼原子和硅原子形成的共价键中会有一个「空穴」。由于空穴的存在，在施加电压的情况下，相邻的电子会过来填充这个空位，因而空穴就会向着电压负极移动，形成「空穴」电流。
原本是绝缘体的单晶硅，通过人为掺杂改变其电导率，这就是为什么硅晶体是「半导体」。
半导体行业对于单晶硅的纯度要求一般是8到11****个9(99.99999999999%)。而商用万足金一般才到万分位，也就是4个9。
芯片制造对单晶硅的「完美」程度如此苛刻，这首先是为了保证了在后续的过程中，半导体在掺杂其他元素的过程中其电导率具有可控性。
其次，正如建造摩天大楼，如果地基存在微小的缺陷或者偏差，最终都会在建筑上层不断被放大，最终产生不可预料的结果。芯片加工与之类似，首先需要建立一个表面尽可能平稳的「基板」，这个基板就是「硅晶」。
在被加工制成芯片的过程中，硅晶要经历光刻（Photolithography）来绘制图案，光刻在芯片上往往需要层层叠加。
此时，任何不希望的杂质或是晶体结构上的细微缺陷，都会在这个过程中不断被放大，对芯片整体造成未知的扰动，比如过热、漏电、短路等等。
制取这样近乎「完美」的硅晶，其基本原理听起来却并不算特别复杂。
一般就是利用片头提到的结晶趋同特性。首先将石英砂——也就是低品质的二氧化硅矿石与炭在电炉中一起加热，通过还原反应（2C+SiO2=2CO+Si）来对硅进行还原并得到纯度不高的粗硅（98%）。
随后用盐酸氯化并蒸馏后，制成了纯度较高的多晶硅（99%）。将这些多晶硅放入单晶炉中，加热至热熔融状态（硅的熔点1414℃）。
此时将晶种——一块高纯度的单晶硅置于一根棒子的末端，并与熔融状态的硅液表面接触。
然后，将这根棒子缓慢地向上提拉，同时进行旋转。晶种会像领头羊一样带领其他硅原子按照对应的规则有序排列。这样我们就得到了一块「完美的」硅晶锭。
任何芯片的制造都离不开这块「地基」。然而制造过程中所涉及的精确控制，比如那根棒子的旋转速度，温度梯度，提拉速率等等，以及制造环节中各类细节的极高要求，导致实际做出一块符合工业要求的硅晶，并不像上面说的一样轻松。
目前全球芯片的产能其实并不能完全满足市场，并呈现出行业发展在地域上的极端不平衡。比如一些国家生产的芯片已经逼近摩尔极限的5nm制式，而另一些则在20nm的关口苦苦探索。
而芯片能够做到多精细，基本上决定了一个国家在整个通讯和电子行业中，到底是制定规则的人还是出卖苦力的人，其重要性，不言而喻。