第二百三十四章 单晶硅棒

书接上文。

陈立东搞风电、光电，比较顺应当前的经济形势。

目前蓝星能源产业增速最快的是光电，经济学家们估计1998年世界光伏销售量有望达到160兆瓦，1997年是120兆瓦，这么算的话增速就是33%。

光伏产业发展最好的是山姆国。

去年他们的绯闻总统提出了“百万个太阳能屋顶计划”，这个计划的内容是到2010年为100万个家庭安装太阳能屋顶，每个屋顶将有3到5千瓦光伏发电系统，有太阳时屋顶向电网供电，电表倒转；没有太阳时，电网向家庭供电，电表正转，家庭用户每月只须交“净电费”就行了。

与此同时，诸如日曼、太阳、不列颠等发达国家也都提出了类似计划。

华夏从40年前就开始引进太阳能发电系统，搞了40年也只安装了10兆瓦，这些光伏发电主要布设在空间卫星光伏系统、地面微波中继站光伏系统、航标灯塔的光伏系统等。

民用光伏发电在华夏国内聊聊无几，所以有着广阔的市场空间。

从东华信息部掌握的情况看，全华夏搞太阳能电池的厂家主要有9家，一年的产量不足2兆瓦，远远落后于发达国家，目前蓝星最大的光伏工厂是山姆国的spire公司，年产光伏组件36兆瓦。

目前国际上光伏电池的价格是3-4美元/peak翻译过来就是“瓦特”。

光伏电池的“每瓦”有着特殊的定义，它指的是在太阳光辐射强度1000w/m2，大气质量am1.5，电池温度25℃条件下，太阳能电池的输出功率。

太阳能电池的功率，主要取决于电池板的质量。此时国内商业电池效率大概是10%到13%，好一些的能到14%、15%，国外大体也是14到15的样子，那些吹嘘能到二三十的，都只是实验室数据。

所谓电池效率，就是太阳能转化为电能的效率。

在上述标准条件下，太阳光的辐射强度是每平米1000瓦，电池转化效率如果是15%，就能产生150瓦的电力，这样的电池会在板子上标注150瓦/平米的字样。

其实这个电池效率也就是个参考值，谁都知道每天的光照情况就是个变量，下雨、阴天、早晨、傍晚、春夏秋冬，都影响发电量。理论情况下，1平方米的太阳能电池板十个小时可产生1.4--1.5度电，现实中晴天情况下能到一度就不错了。

再说一下这时候太阳电池板的价格。

太阳能电池板的价格是以发电效率来计算的，1998年国际上的价格是每瓦3到4美元。

所以按照每平米发电效率150瓦算的话，1平米电池板价格可以达到150×4=600美元，折合人民币5000元。

20年后，华夏企业会将太阳能电池板玩到白菜价，一平米的板子也就600元人民币。

如果现在陈立东开黑搞的话，可以直接做到白菜价，因为制作太阳能天池的硅晶片可以从系统熔炉获得。

1996年2月，留虬地区投资设立的中德电子材料公司投产，生产出岛内首支量产级八英寸单晶硅棒，这根晶棒重76.6公斤，长85公分，可切出八英寸晶圆硅片850片。

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据这家公司测算，这根晶棒的成本约3万美元，每公斤400美元，好贵是不是！一吨钢坯才300美元。

如果从系统熔炉容量需要多少钱呢？只需要0.1度电钱！

晶棒得成分是硅，说糙点就是沙子。

前边说过，硅是蓝星第二丰富的元素，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中，第一的是氧，氧和硅生成的二氧化硅就是烂大街的沙子。

陈立东从未用熔炉回收过硅这种东西，但是这种元素的单质在系统中还是积累了很大的量。

怎么来的呢？就是夹杂在废钢铁、洋垃圾中，被吃进去的。

在工业助手系统中，陈立东很少将硅换金币，因为换金币少得可怜。

然而，这种烂大街的东西，却能做成当今世界上科技含量最高、卖价最贵的东西：芯片！

芯片是怎么制成的呢？

造芯片的第一步，就是要把二氧化硅还原成硅锭，再经过提纯和直拉法生成一根长长的硅棒，然后对这根硅棒进行切割、研磨和抛光，片出一张张光盘一样的硅片。

第二步，将硅片送往晶圆厂通过光刻和蚀刻雕刻出晶体管的物理结构，并通过离子注入和覆膜等手段赋予其电特性，重复这个过程，数以亿计的电子器件及其对应的逻辑电路依次生成，最后这张晶圆上就会出现数百枚芯片。

第三步，将这张晶圆上的芯片切割分离，并进行封装测试，完成一个个芯片的制造。

以上就是芯片的工艺流程。

简单吗？非也，直到陈立东穿越那年，华夏作为制造业大国还在芯片上被别人卡着脖子。

在此时的1998年，华夏已经意识到在芯片产业上与国外的差距，连续启动了908、909两个国家级工程，可谓举国之力跨越赶超。

可从重生者的眼光来看，这两项工程虽然使国内芯片产业有所突破，却都未达到预期目的。

二十年后直到陈立东重生之际，山姆等国的芯片产业已经摸到技术的天花板，华夏企业还在咬牙追赶，拉开的距离至少10年。

作为系统之主、工业达人，摆脱不了芯片。

现在，在“大本营”里，有一位叫陈地忠的机械仆从正在被陈立东授权使用研发平台进行工业试验。

用来制造芯片的沙子不是工地上那种普通的河沙，而是硅含量更高的硅石，主要成分是二氧化硅。

从硅石到单晶硅，要经历三生三世，分别为硅石到硅锭，硅锭到多晶硅棒，最后到单晶硅棒。

硅锭的制作，一般用坩埚，不是煮牛蛙的“干锅”，而是炼金用的坩埚，专家称之为矿热炉。

其实用电弧炉就行，电弧炉在本书中已经做过介绍，就不再赘述。

先看实验的第一步，冶炼工业硅。

陈地忠按照买来的专利技术资料，在研发平台模拟了一个6米直径的电弧炉，用电极加热，在炉子中放入了硅石，再加入煤炭和木屑，将炉温加热到2000摄氏度，在高温作用下，二氧化硅逐渐融化，并与碳元素发生还原反应：二氧化硅与碳生产硅单质和一氧化碳。

在温度较低的地区还会生成碳化硅，碳化硅在技术资料里被列为了废渣。

冶炼出的硅液逐渐冷凝，就得到了相对纯净的硅锭，这是纯度为98%到

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99%的冶炼级工业硅。

2%到1%的杂质主要是铁和铝，硅锭已经是化工、冶金和建筑的重要材料。

但是对半导体产业来说，99%的纯度还远远不够。

接下来是第二步，提炼光伏硅。

这一步就是为工业硅提纯。

工业硅提纯，业界主流的做法是借助氯化氢气体进行提纯，由于最早是赛蒙斯公司于1955年开发出来的，所以又称赛蒙斯法。

陈地忠用矿磨、气流磨将硅锭粉碎成渣，再次放入电弧炉中加热到325度，在这个温度下硅渣与氯化氢反应，生成氢气和三氯硅烷，三氯硅烷也是气体状态，这一步还会生成三氯化铁、三氯化铝和四氯化硅等气体，利用这些气体不同的沸点，再通过冷凝器和蒸馏塔对温度的控制，分离出沸点较低的三氯硅烷气体。

在这一步，用到的设备主要是电炉、冷凝器、蒸馏塔。

接下来，把高纯度的三氯硅烷再还原成固态硅。做法是在1100度高温的反应炉中通入三氯化硅和氢气，生成硅、氯化氢和四氯化硅，在这个温度下只有硅是固态，所以在反应炉中可以看到硅架上黑色的硅按照圆柱体的形状，像蘑菇一样慢慢长大。

按照专利技术资料描述，这个过程要持续大约一周的时间，就能积累到目标规格的硅棒，硅含量高达99.999999999%，一共11个9。

不过此时的硅棒表面坑坑洼洼，其晶体框架结构不均匀，整体是由众多不规则的小晶体构成的，这就是多晶硅。

这种多晶硅已经可以用于光伏行业，制作太阳能电池。

不过做芯片需要的是晶格均匀连续、电学性质稳定的单晶硅。

所以还要完成第三步，提拉单晶硅。

这一步，技术资料采用了柴可拉斯基法，这种技术出自1918年诞生于博兰达的化学家杨.柴可拉斯基之手，又称直拉法或者提拉法，顾名思义，就是在纯净的硅溶液中拉出一根棒子。

具体做法是在石英材质的精炼炉中加热融化高纯度的多晶硅，石英的熔点约1700摄氏度，硅的熔点约1400摄氏度。

陈地忠按照技术资料要求在精炼炉中冲入氩气，把温度控制在1600度左右，然后将一小条晶种，也就是一条细小的单晶硅作为种子浸入硅溶液，再缓慢的向上旋转、提拉，被拉出的硅溶液因为温度梯度下降会凝固成固态硅，细节上看就是细牙签进去、大棒子出来。

大棒的粗细和质量，取决于工作的温度、旋转的速度和提拉的力度，这时在大棒顶端出现了一段直径几毫米的脖子。

这是因为在晶种刚接触溶液时会因为热冲击，使晶体发生高频次的滑移和位错，导致最开始的一段容易出现晶体缺陷。

所以在刚开始时先用高速提拉，拉出一段10厘米左右的脖子，让位错缺陷趋缓直至消失之后，再降低速度开始拉大直径的硅棒，此时凝固的硅棒就和晶种一样是光滑的单晶硅。

但是，“细脖子”的存在，决定了单晶硅的重量，因为棒子超重会断掉。

从陈地忠利用系统熔炉的实验数据看，拉直径8英寸的硅棒能拉6米长，12英寸的最长到一米五。

陈地忠将这些步骤操作完成后，就制作出了芯片的原材料：单晶硅棒。

（本章完）

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