第428章 从锗到硅的跨越

第428章 从锗到硅的跨越 (第2/2页)

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。