與市場上不完美結(jié)晶的天然鉆石反而可能價格更高的情況相比，在其他更加實際的領(lǐng)域中，當然還是完美的晶體更加有價值——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)目中我們曾提到過，結(jié)晶在微觀視角下發(fā)生的趨同演化——即第一個生成或者摻入的結(jié)晶晶型將會影響周圍的分子，使得它們向該構(gòu)型靠攏。理論上完美的結(jié)晶應(yīng)當具有「完整的」周期性晶體結(jié)構(gòu)，這又被稱為「長程有序」。但在自然界，天然的東西往往是不完美的。

對晶體來說這些不完美表現(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、面、塊、體。典型的點缺陷包括晶格空位、間隙缺陷，線缺陷包括刃錯位、螺旋錯位和向錯，面缺陷則包括晶粒邊界、反相疇界和孿晶界等等。

有趣的是，正是因為天然晶體有著種種缺陷，反而可以成為人們判斷鉆石是否天然生成的一種依據(jù)，因為人造鉆石通常雜質(zhì)更少、結(jié)構(gòu)更加有序。與鉆石市場上不完美的鉆石反而可能價格更高的情況相比，在其他更加實際的領(lǐng)域中，當然還是完美的晶體更加有價值，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更加接近絕緣體，這是因為其外層的四個價電子都被鎖在相鄰硅原子的共價鍵中，缺少自由移動的電子。

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

磷外層有五個價電子，多一個沒有配對的自由電子，因此可以導(dǎo)電。其中的自由電子向正極移動，形成電子電流。像這樣多出自由移動電子的晶體硅被稱為 N型半導(dǎo)體（negative  為負）——也就是負電荷載流子型。

與之相對的是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，在與相鄰的硅原子結(jié)合時，其中一個硼原子和硅原子形成的共價鍵中會有一個「空穴」。由于空穴的存在，在施加電壓的情況下，相鄰的電子會過來填充這個空位，因而空穴就會向著電壓負極移動，形成「空穴」電流。

原本是絕緣體的單晶硅，通過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)對于單晶硅的純度要求一般是8到11個9(99.99999999999%)。而商用萬足金一般才到萬分位，也就是4個9。

芯片制造對單晶硅的「完美」程度如此苛刻，這首先是為了保證了在后續(xù)的過程中，半導(dǎo)體在摻雜其他元素的過程中其電導(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。芯片加工與之類似，首先需要建立一個表面盡可能平穩(wěn)的「基板」，這個基板就是「硅晶」。

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

此時，任何不希望的雜質(zhì)或是晶體結(jié)構(gòu)上的細微缺陷，都會在這個過程中不斷被放大，對芯片整體造成未知的擾動，比如過熱、漏電、短路等等。

制取這樣近乎「完美」的硅晶，其基本原理聽起來卻并不算特別復(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，通過還原反應(yīng)（2C+SiO2=2CO+Si）來對硅進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1414℃）。

此時將晶種——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，同時進行旋轉(zhuǎn)。晶種會像領(lǐng)頭羊一樣帶領(lǐng)其他硅原子按照對應(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這塊「地基」。然而制造過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)中各類細節(jié)的極高要求，導(dǎo)致實際做出一塊符合工業(yè)要求的硅晶，并不像上面說的一樣輕松。

目前全球芯片的產(chǎn)能其實并不能完全滿足市場，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，基本上決定了一個國家在整個通訊和電子行業(yè)中，到底是制定規(guī)則的人還是出賣苦力的人，其重要性，不言而喻。