棍棒之下出芯片 | 混亂博物館_風聞
观察者网用户_241334-2020-07-10 09:02
與市場上不完美結晶的天然鑽石反而可能價格更高的情況相比，在其他更加實際的領域中，當然還是完美的晶體更加有價值——比如半導體行業，今天讓我們從芯片講起。
－文字稿－
在往期節目中我們曾提到過，結晶在微觀視角下發生的趨同演化——即第一個生成或者摻入的結晶晶型將會影響周圍的分子，使得它們向該構型靠攏。理論上完美的結晶應當具有「完整的」週期性晶體結構，這又被稱為「長程有序」。但在自然界，天然的東西往往是不完美的。
對晶體來説這些不完美表現為「晶體缺陷」。人們根據幾何基礎將這些晶體缺陷分為點、面、塊、體。典型的點缺陷包括晶格空位、間隙缺陷，線缺陷包括刃錯位、螺旋錯位和向錯，面缺陷則包括晶粒邊界、反相疇界和孿晶界等等。
有趣的是，正是因為天然晶體有着種種缺陷，反而可以成為人們判斷鑽石是否天然生成的一種依據，因為人造鑽石通常雜質更少、結構更加有序。與鑽石市場上不完美的鑽石反而可能價格更高的情況相比，在其他更加實際的領域中，當然還是完美的晶體更加有價值，比如半導體行業。
高純度的硅晶體是半導體行業最重要的原材料。
然而純淨的硅晶體其實更加接近絕緣體，這是因為其外層的四個價電子都被鎖在相鄰硅原子的共價鍵中，缺少自由移動的電子。
即使外加電壓也無法使電子流過，形成電流。然而一旦加入某些特定元素，這種情況就會發生改變。我們以硅晶半導體行業最常用的兩個元素磷和硼為例。
磷外層有五個價電子，多一個沒有配對的自由電子，因此可以導電。其中的自由電子向正極移動，形成電子電流。像這樣多出自由移動電子的晶體硅被稱為 N型半導體（negative 為負）——也就是負電荷載流子型。
與之相對的是P****型半導體（positive 為正）——即正電荷載流子或空穴型。它摻雜的元素是硼，由於硼的最外層電子只有三個，在與相鄰的硅原子結合時，其中一個硼原子和硅原子形成的共價鍵中會有一個「空穴」。由於空穴的存在，在施加電壓的情況下，相鄰的電子會過來填充這個空位，因而空穴就會向着電壓負極移動，形成「空穴」電流。
原本是絕緣體的單晶硅，通過人為摻雜改變其電導率，這就是為什麼硅晶體是「半導體」。
半導體行業對於單晶硅的純度要求一般是8到11****個9(99.99999999999%)。而商用萬足金一般才到萬分位，也就是4個9。
芯片製造對單晶硅的「完美」程度如此苛刻，這首先是為了保證了在後續的過程中，半導體在摻雜其他元素的過程中其電導率具有可控性。
其次，正如建造摩天大樓，如果地基存在微小的缺陷或者偏差，最終都會在建築上層不斷被放大，最終產生不可預料的結果。芯片加工與之類似，首先需要建立一個表面儘可能平穩的「基板」，這個基板就是「硅晶」。
在被加工製成芯片的過程中，硅晶要經歷光刻（Photolithography）來繪製圖案，光刻在芯片上往往需要層層疊加。
此時，任何不希望的雜質或是晶體結構上的細微缺陷，都會在這個過程中不斷被放大，對芯片整體造成未知的擾動，比如過熱、漏電、短路等等。
製取這樣近乎「完美」的硅晶，其基本原理聽起來卻並不算特別複雜。
一般就是利用片頭提到的結晶趨同特性。首先將石英砂——也就是低品質的二氧化硅礦石與炭在電爐中一起加熱，通過還原反應（2C+SiO2=2CO+Si）來對硅進行還原並得到純度不高的粗硅（98%）。
隨後用鹽酸氯化並蒸餾後，製成了純度較高的多晶硅（99%）。將這些多晶硅放入單晶爐中，加熱至熱熔融狀態（硅的熔點1414℃）。
此時將晶種——一塊高純度的單晶硅置於一根棒子的末端，並與熔融狀態的硅液表面接觸。
然後，將這根棒子緩慢地向上提拉，同時進行旋轉。晶種會像領頭羊一樣帶領其他硅原子按照對應的規則有序排列。這樣我們就得到了一塊「完美的」硅晶錠。
任何芯片的製造都離不開這塊「地基」。然而製造過程中所涉及的精確控制，比如那根棒子的旋轉速度，温度梯度，提拉速率等等，以及製造環節中各類細節的極高要求，導致實際做出一塊符合工業要求的硅晶，並不像上面説的一樣輕鬆。
目前全球芯片的產能其實並不能完全滿足市場，並呈現出行業發展在地域上的極端不平衡。比如一些國家生產的芯片已經逼近摩爾極限的5nm制式，而另一些則在20nm的關口苦苦探索。
而芯片能夠做到多精細，基本上決定了一個國家在整個通訊和電子行業中，到底是制定規則的人還是出賣苦力的人，其重要性，不言而喻。