第428章从锗到硅的跨越

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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，在接触到一千四某度的高温硅液时，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。
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    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

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