军阀李枭从1916开始第428章 从锗到硅的跨越

　　　　    当一九四八年的最后一个月降临，地球北半球再次被冬季的低温所统治。亚洲大陆的广袤腹地，在西伯利亚冷高压的控制下，气温普遍跌破了零摄氏度。但在大西北的工业体系中，热力学的对抗已经从宏观的取暖防寒，深入到了微观电子的跃迁控制。

    在过去的几年里，大西北利用锗点接触型晶体管，成功将庞大如房屋的电子管计算昆仑一号压缩成了几个机柜大小的昆仑二号。这种微观算力的爆发，赋予了天狼星战斗机在同温层盲视锁定的能力，也让洲际弹道导弹拥有了不依赖外部指令的独立惯性大脑。

    然而，在这个被硅基梦想点燃的严冬，电子工程院却面临着一个足以让所有高端武力投射陷入瘫痪的死局。

    西京市北郊，大西北航空电子测试中心。

    一个密闭的环境模拟舱内，正在进行着一场极端的折磨测试。

    模拟舱中央固定着一台为新一代超音速截击机研发的火控计算机原型机。这台机器内部密布着数千个由高纯度锗单晶制造的晶体管。

    “舱内气压降低至零点二个标准大气压。开始执行升温程序。”测试主管盯着控制台。

    模拟舱四周的红外加热管开始释放庞大的热辐射。

    在超音速飞行中，空气与飞机蒙皮的剧烈摩擦会产生高达一百度以上的高温。工程师必须确保计算机依然能够进行毫秒级的雷达波束解算。

    舱内温度计的指针稳步攀升。

    三十度、五十度、七十度。

    当温度达到七十五摄氏度时，监控面板上的电流数据发生了波动。

    “逻辑门电路出现翻转错误！寄存器数据发生乱码溢出！”操作员大声汇报。

    测试主管的眉头紧锁。

    “温度继续上升，八十度。”

    “砰！”

    伴随着一声轻微的爆响，计算机原型机内部冒出了一缕黑烟。示波器上的波形瞬间归零，变成了一条死寂的直线。

    “切断电源。打开舱门。”主管叹了口气，在测试报告上重重地写下了“失败”两个字。

    这不是加工精度的问题，也不是电路设计的问题。这是元素周期表设定的一道天花板。

    几天后，理研究院的会议室内。

    赵广陵教授站在黑板前，黑板上画着锗原子的能带结构图。

    “锗晶体管的温度，被锁定在七十五摄氏度左右。”赵广陵的语气中透着一丝无奈。

    他拿起粉笔，指着导带和价带之间的空白区域。

    “锗的禁带宽度只有零点六六电子伏特。”

    “这意味着约束锗原子核外价电子的能量势垒非常低。在常温下，只有我们人为掺入的杂质原子提供的电子参与导电，这叫多数载流子，也是晶体管能够放大信号的基础。”

    赵广陵在黑板上画了几条表示热能辐射的波浪线。

    “但是，当环境温度升高到七八十度时，热能提供的能量就足以让锗原子本身的大量价电子直接跨越那窄窄的禁带，跃迁到导带中。”

    “这些因为高温产生的电子被称为本征载流子。它们会像决堤的洪水一样，瞬间淹没我们人为控制的晶体管通道。此时，单向导电性彻底崩溃，晶体管不再是一个可以控制的开关或放大器，而变成了一块毫无阻力的纯导体。电流失去控制，最终导致元件因过热而烧毁。”

    “只要我们还在使用锗，我们的雷达就不能装进超音速飞机，我们的导弹在重返大气层时就会变成瞎子。甚至我们的昆仑二号超算，在冬天也必须开着大功率的制冷空调来防止它自己烧掉。”

    赵广陵放下粉笔，转身看向在场的材料学家和化学家们。

    “我们必须寻找一种禁带宽度更大、能够在高温下死死锁住本征载流子的新材料。”

    赵广陵的目光落在了一张元素周期表上，指尖指向了锗元素正上方的位置。

    “第十四号元素。硅。”

    “硅的禁带宽度是一点一二电子伏特，几乎是锗的两倍。数学模型显示，硅晶体管能够承受两百摄氏度以上的高温而不发生热失控。它在地球地壳中的丰度排名第二，仅次于氧。可以说，我们脚下的沙子和石头里，到处都是硅。”

    “但大自然是公平的。硅虽然多，但它比锗更难驾驭。”

    赵广陵列出了转向硅基材料面临的三道鸿沟。

    “第一，熔点高。锗在九百三十八度就会融化，而硅的熔点高达一千四百一十四度。在这个温度下，硅熔体具有极强的化学活性，它会像强酸一样溶解掉绝大多数已知的耐火材料坩埚，从而引入致命的杂质。”

    “第二，提纯难。我们用区域熔炼法把锗提纯到了百亿分之一。但硅的表面张力和液态密度特性，导致区域熔炼在硅身上效果极差，熔区容易断裂崩塌。我们必须寻找新的单晶生长方法。”

    “第三，加工难。硅的硬度远高于锗，且极度脆硬，金刚石切割时容易产生微观裂纹。而它表面在空气中极易形成一层致密的二氧化硅绝缘层，这会阻碍后续的杂质掺杂扩散。”

    从锗到硅的跨越，不是简单的材料替换，而是一场要求大西北整个冶金、化工和精密机械体系进行全面升维的工业长征。

    任务下达，大西北的微观机器开始全速运转。

    第一关：寻找能够装下液态硅的容器。

    高纯度硅的熔炼不能使用金属坩埚，那会直接将铁、镍等金属原子污染进去。普通的氧化铝陶瓷在高温硅液面前也会发生反应。

    西京特种玻璃厂和硅酸盐研究所接到了死命令：制造高纯度石英坩埚。

    原料不是普通的石英砂，而是从特定矿区开采的水晶原矿。

    工人们在全封闭的防尘车间内，将水晶块进行反复的酸洗、水洗去离子化，去除表面的碱金属离子。随后破碎成微米级的粉末。

    在电弧熔炼炉中，利用碳电极产生的数千度高温电弧，在真空环境下将石英粉末融化。 此时，石英呈现出极其粘稠的玻璃态。利用旋转的石墨模具，在离心力的作用下，将液态石英甩向模具内壁，成型为碗状的坩埚。

    但这种坩埚内部含有大量微小的气泡。在拉制单晶时，气泡破裂会扰乱硅液的流场。 工程师们采用了真空脱气技术。在坩埚成型的高温阶段，强行抽出内部气体，使其变成透明、无气泡的透明石英玻璃坩埚。 其内部杂质浓度被严格控制在百万分之几级别。

    即使是高纯度石英，在接触到一千四百度的高温硅液时，依然会发生微弱的反应，导致少量的氧原子进入硅液中。但这是在当时的材料科学下，唯一能够勉强维持平衡的妥协方案。

    既然水平方向的区域熔炼法对硅失效，物理学家们将目光转向了垂直方向的直拉法。

    一九四八年十一月。西京第九特种半导体制造厂，直拉单晶车间。

    车间内被一种类似于潜水艇内部的压抑感所笼罩。

    中央矗立着一台高达三米的单晶炉。它由厚重的水冷不锈钢外壳封闭，内部是一个充满高纯度氩气的真空腔体。

    腔体底部，放置着那个新造出来的透明石英坩埚。坩埚外侧环绕着石墨加热器。

    操作员李刚穿着隔热服，戴着深色滤光眼镜，透过炉壁上的石英观察窗，盯着内部的反应。

    “石墨加热器功率提升至五十千瓦。坩埚内高纯度多晶硅块开始熔化。”李刚对着通讯器汇报。

    透过观察窗，可以看到石英坩埚内的硅块在高温下逐渐坍塌，最终化为一汪闪烁着刺眼白光的液态硅熔池。温度稳定在一千四百五十度左右。

    “降下籽晶杆。”

    在单晶炉的顶部，一根通过精密伺服电机控制的金属拉杆缓缓下降。拉杆的末端，夹着一小块具有完美晶格取向的单晶硅籽晶。

    这是生长的种子。

    当籽晶的尖端刚刚接触到液态硅熔池的表面时。

    相变在液固交界面瞬间发生。

    在热力学平衡中，液态硅原子接触到温度稍低的籽晶，失去了热运动的动能。它们没有杂乱无章地凝固，而是像士兵列队一样，严格按照籽晶原有的晶格排列方式，一层一层地在籽晶下方堆积、结晶。

    “接触良好。形成半月形弯月面。开始提拉。”

    李刚操作着控制台上的旋钮。

    籽晶杆开始以每分钟几毫米的极度缓慢速度向上提拉，同时以每分钟几十转的速度进行旋转。而在下方，装满硅液的石英坩埚则以相反的方向缓慢旋转。

    随着籽晶的上升，硅液被拉出液面，在冷却区的氩气吹拂下凝固。一根圆柱形的硅棒，像变魔术一样，从液态熔池中缓缓“长”了出来。

    这个过程对温度梯度的控制要求苛刻到了变态的程度。

    如果加热功率稍高一千瓦，刚刚结晶的硅棒底部就会重新融化掉回坩埚；如果功率稍低一千瓦，液态硅就会大面积结晶，将坩埚撑破。

    李刚必须像走钢丝一样，时刻盯着液面的光晕变化，手动微调加热功率。

    在提拉过程中，一个致命的干扰出现了。 由于石英坩埚壁面的温度高于中心，液态硅在坩埚内形成了强烈的马兰戈尼热对流。

    高温硅液从边缘上升，流向中心，再下沉。 这种湍流式的流场，导致从石英坩埚壁溶解下来的微量氧原子，被源源不断地卷入生长界面的硅晶格中。

    晶棒直径出现波动。孪晶现象发生！在显微结构下，原本应该完美单一的晶格，因为热流的扰动和氧杂质的嵌入，突然发生了晶向的改变，长出了另一个晶核。这就好比原本笔直生长的树干突然长出了分叉。 这种长有孪晶的硅棒，在电学性能上完全是废品。

    为了压制这种热对流。物理学家们在单晶炉外部加装了一组巨大的超导电磁铁。

    利用法拉第电磁感应定律，在导电的液态硅熔池中施加一个强大的恒定磁场。当液态硅在磁场中流动时，会切割磁感线产生感应电流，感应电流在磁场中又受到洛伦兹力的作用，这个力在刚好与硅液流动的方向相反。

    这就形成了一个强大的磁阻尼效应。原本波涛汹涌的硅液熔池，在磁场的镇压下，变得如同死水一般平静。氧杂质的对流输送被大幅度削减。

    经过长达数周的反复失败和参数调整。

    一九四八年十二月十日。

    当单晶炉的拉杆最终升至顶端，真空腔室冷却充气后打开。

    一根直径七十五毫米、长达五十厘米，通体呈现出深灰色金属光泽且毫无瑕疵的单晶硅棒，展现在了所有工程师的面前。

    大西北在材料学上，终于攀爬过了最艰难的那座硅基山峰。

    但有了纯净的单晶硅棒，距离制造出能够在高温下稳定工作的晶体管，还有最后一道技术门槛。

    早期的锗晶体管采用的是点接触工艺。那是用两根极其细小的金丝，在显微镜下手工扎在半导体表面。这种结构不仅难以进行大批量流水线生产，而且抗震性能极差。

    既然硅的表面在空气中极易形成一层致密的二氧化硅绝缘层。大西北的工程师们决定反其道而行之，利用这层玻璃作为掩膜，开发出一种全新的、彻底颠覆微电子制造历史的工艺——平面光刻工艺。

    西京物理研究院，超净光学微缩实验室。

    这里的光线被调成了昏暗的黄色，以防止感光材料发生意外曝光。

    女工王芳站在一台精密的光学曝光机前。

    她的面前，是一片从单晶硅棒上切割下来、经过化学机械抛光至镜面级别的硅圆片。

    第一步：热氧化。 硅片被送入一千度的高温氧化炉中，通入高纯度氧气和水蒸气。硅表面在高温下与氧发生反应，生长出一层厚度均匀、致密绝缘的二氧化硅薄膜。

    第二步：涂胶。 在硅片表面均匀地旋涂一层光刻胶。

    第三步：紫外线曝光。 王芳将一块刻有复杂微观电路图形的玻璃光刻掩膜版，精确地对准在硅片上方。 按下开关。高强度的紫外线灯亮起。 紫外线穿透掩膜版上透明的部分，照射在光刻胶上。被光照射到的光刻胶发生化学键断裂，变得可以溶解。而掩膜版黑色不透明部分遮挡的区域，光刻胶保持原样。

    第四步：显影与化学刻蚀。 将硅片浸入显影液，被紫外线照射过的光刻胶被洗去，露出了下方的二氧化硅层。 随后，硅片被放入含有剧毒氢氟酸的腐蚀液中。 氢氟酸只腐蚀裸露的二氧化硅，将其溶解成氟硅酸。而未被光照射、仍有光刻胶保护的区域，二氧化硅层完好无损。 最后，用有机溶剂洗去剩余的光刻胶。

    在这片不到一毫米厚的硅片表面，工程师们利用光和化学溶剂，像雕刻艺术品一样，在二氧化硅的城墙上，精确地挖出了一个个微米级别的窗口。

    这些微小的窗口，直接暴露出下方的纯净硅基底。

    随后，硅片被送入高温扩散炉。

    含有磷或硼的气体在高温下进入炉管。

    这些杂质原子无法穿透致密的二氧化硅城墙，只能顺着那些被光刻出来的微小窗口，向着裸露的硅基底内部进行热运动扩散。

    通过精确控制炉温和时间，杂质扩散的深度和浓度被死死地锁定。

    在同一片硅片上，通过多次氧化、光刻和不同杂质的扩散，工程师们在不需要任何手工金丝搭接的情况下，完全在二维平面上，利用半导体内部的三维结构，制造出了成千上万个稳定的N-P-N或者P-N-P结。

    一九四八年十二月二十五日。

    大西北计算科学研究所的测试实验室内。

    在这个滴水成冰的严冬。

    那台曾经在七十五度就发生热失控的雷达火控计算机原型机，再次被推入了环境模拟舱。

    不同的是，这次其内部原本那些如同小圆帽般的锗点接触晶体管，全部被替换成了采用平面光刻工艺制造的第一代“硅平面晶体管”。

    “舱内温度上升。八十度。”测试主管盯着控制台。

    示波器上的波形稳定如初。

    “一百度。一百二十度。”

    模拟超音速飞机在突破音障时产生的剧烈气动加热环境。

    “一百五十摄氏度。”

    在控制大厅内，所有的工程师屏住了呼吸。

    在一百五十度的高温下，硅晶格内部的热运动变得极其剧烈。但它那一点一二电子伏特的禁带宽度，如同一道坚不可摧的大坝，死死地挡住了本征载流子的跃迁。

    只有那些在光刻窗口中被精确掺杂的杂质电子，依然在有条不紊地按照门电路的逻辑，进行着放大和开关运算。

    “逻辑门翻转正常。无数据溢出。全负荷雷达波束解算完成。系统稳定运行超过两小时。”操作员大声报出了测试结果。

    测试主管看着那个在一百五十度高温中依然冷静运算的黑色金属盒，长长地吐出了一口气。

    从锗到硅的跨越，并非只是换了一种原材料。

    它意味着大西北的洲际弹道导弹在穿越大气层产生等离子体黑障的高温时，其内部的惯性导航计算机依然能够保持精确积分；意味着“天狼星”的后续型号可以毫无顾忌地突破音速，进行超视距雷达锁定。

    更意味着，在这个连集成电路概念都尚未萌芽的时代。大西北利用平面光刻工艺，已经在一块硅片上集成了多个晶体管。算力密度的指数级暴涨，为下一代体积更小的超级计算机昆仑三号的诞生，铺平了最后一段纯粹由定律铺就的硅基大道。