與市場(chǎng)上不完美結(jié)晶的天然鉆石反而可能價(jià)格更高的情況相比，在其他更加實(shí)際的領(lǐng)域中，當(dāng)然還是完美的晶體更加有價(jià)值——比如半導(dǎo)體行業(yè)，今天讓我們從芯片講起。

－文字稿－

在往期節(jié)目中我們?cè)岬竭^(guò)，結(jié)晶在微觀視角下發(fā)生的趨同演化——即第一個(gè)生成或者摻入的結(jié)晶晶型將會(huì)影響周?chē)姆肿?，使得它們向該?gòu)型靠攏。理論上完美的結(jié)晶應(yīng)當(dāng)具有「完整的」周期性晶體結(jié)構(gòu)，這又被稱(chēng)為「長(zhǎng)程有序」。但在自然界，天然的東西往往是不完美的。

對(duì)晶體來(lái)說(shuō)這些不完美表現(xiàn)為「晶體缺陷」。人們根據(jù)幾何基礎(chǔ)將這些晶體缺陷分為點(diǎn)、面、塊、體。典型的點(diǎn)缺陷包括晶格空位、間隙缺陷，線缺陷包括刃錯(cuò)位、螺旋錯(cuò)位和向錯(cuò)，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?yàn)樘烊痪w有著種種缺陷，反而可以成為人們判斷鉆石是否天然生成的一種依據(jù)，因?yàn)槿嗽煦@石通常雜質(zhì)更少、結(jié)構(gòu)更加有序。與鉆石市場(chǎng)上不完美的鉆石反而可能價(jià)格更高的情況相比，在其他更加實(shí)際的領(lǐng)域中，當(dāng)然還是完美的晶體更加有價(jià)值，比如半導(dǎo)體行業(yè)。

高純度的硅晶體是半導(dǎo)體行業(yè)最重要的原材料。

然而純凈的硅晶體其實(shí)更加接近絕緣體，這是因?yàn)槠渫鈱拥乃膫€(gè)價(jià)電子都被鎖在相鄰硅原子的共價(jià)鍵中，缺少自由移動(dòng)的電子。

即使外加電壓也無(wú)法使電子流過(guò)，形成電流。然而一旦加入某些特定元素，這種情況就會(huì)發(fā)生改變。我們以硅晶半導(dǎo)體行業(yè)最常用的兩個(gè)元素磷和硼為例。

磷外層有五個(gè)價(jià)電子，多一個(gè)沒(méi)有配對(duì)的自由電子，因此可以導(dǎo)電。其中的自由電子向正極移動(dòng)，形成電子電流。像這樣多出自由移動(dòng)電子的晶體硅被稱(chēng)為 N型半導(dǎo)體（negative  為負(fù)）——也就是負(fù)電荷載流子型。

與之相對(duì)的是P型半導(dǎo)體（positive 為正）——即正電荷載流子或空穴型。它摻雜的元素是硼，由于硼的最外層電子只有三個(gè)，在與相鄰的硅原子結(jié)合時(shí)，其中一個(gè)硼原子和硅原子形成的共價(jià)鍵中會(huì)有一個(gè)「空穴」。由于空穴的存在，在施加電壓的情況下，相鄰的電子會(huì)過(guò)來(lái)填充這個(gè)空位，因而空穴就會(huì)向著電壓負(fù)極移動(dòng)，形成「空穴」電流。

原本是絕緣體的單晶硅，通過(guò)人為摻雜改變其電導(dǎo)率，這就是為什么硅晶體是「半導(dǎo)體」。

半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)于單晶硅的純度要求一般是8到11個(gè)9(99.99999999999%)。而商用萬(wàn)足金一般才到萬(wàn)分位，也就是4個(gè)9。

芯片制造對(duì)單晶硅的「完美」程度如此苛刻，這首先是為了保證了在后續(xù)的過(guò)程中，半導(dǎo)體在摻雜其他元素的過(guò)程中其電導(dǎo)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(huì)在建筑上層不斷被放大，最終產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果。芯片加工與之類(lèi)似，首先需要建立一個(gè)表面盡可能平穩(wěn)的「基板」，這個(gè)基板就是「硅晶」。

在被加工制成芯片的過(guò)程中，硅晶要經(jīng)歷光刻（Photolithography）來(lái)繪制圖案，光刻在芯片上往往需要層層疊加。

此時(shí)，任何不希望的雜質(zhì)或是晶體結(jié)構(gòu)上的細(xì)微缺陷，都會(huì)在這個(gè)過(guò)程中不斷被放大，對(duì)芯片整體造成未知的擾動(dòng)，比如過(guò)熱、漏電、短路等等。

制取這樣近乎「完美」的硅晶，其基本原理聽(tīng)起來(lái)卻并不算特別復(fù)雜。

一般就是利用片頭提到的結(jié)晶趨同特性。首先將石英砂——也就是低品質(zhì)的二氧化硅礦石與炭在電爐中一起加熱，通過(guò)還原反應(yīng)（2C+SiO2=2CO+Si）來(lái)對(duì)硅進(jìn)行還原并得到純度不高的粗硅（98%）。

隨后用鹽酸氯化并蒸餾后，制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(tài)（硅的熔點(diǎn)1414℃）。

此時(shí)將晶種——一塊高純度的單晶硅置于一根棒子的末端，并與熔融狀態(tài)的硅液表面接觸。

然后，將這根棒子緩慢地向上提拉，同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。晶種會(huì)像領(lǐng)頭羊一樣帶領(lǐng)其他硅原子按照對(duì)應(yīng)的規(guī)則有序排列。這樣我們就得到了一塊「完美的」硅晶錠。

任何芯片的制造都離不開(kāi)這塊「地基」。然而制造過(guò)程中所涉及的精確控制，比如那根棒子的旋轉(zhuǎn)速度，溫度梯度，提拉速率等等，以及制造環(huán)節(jié)中各類(lèi)細(xì)節(jié)的極高要求，導(dǎo)致實(shí)際做出一塊符合工業(yè)要求的硅晶，并不像上面說(shuō)的一樣輕松。

目前全球芯片的產(chǎn)能其實(shí)并不能完全滿(mǎn)足市場(chǎng)，并呈現(xiàn)出行業(yè)發(fā)展在地域上的極端不平衡。比如一些國(guó)家生產(chǎn)的芯片已經(jīng)逼近摩爾極限的5nm制式，而另一些則在20nm的關(guān)口苦苦探索。

而芯片能夠做到多精細(xì)，基本上決定了一個(gè)國(guó)家在整個(gè)通訊和電子行業(yè)中，到底是制定規(guī)則的人還是出賣(mài)苦力的人，其重要性，不言而喻。