第428章 从锗到硅的跨越
第428章 从锗到硅的跨越 (第2/3页)
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
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