008 点沙成硅
看完江维的补充。
戈登·蒂尔：【微笑.gif，没想到我杀青以后人们又搞了这么多花样，第三代半导体材料都出来了，果然是后生可畏啊！】
观众大松饼：“等等，刚才主播说第二代半导体材料有环境污染？那个砷化镓，砷是不是砒霜，那会不会有毒啊！”
观众长鼻长在腰上：“啊！砷化镓芯片主要用在哪里啊，主播给提个醒呗，有毒的话我就不用！”
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观众太空漫步者：“哈哈哈，那你别用手机了。砷化镓材料的芯片主要用在手机上，还有一些光电器件和LED上。”
观众长鼻长在腰上：“啊，你别吓我啊。”
观众太空漫步者：“真的啊，手机和基站上的射频功率放大器一般都用这种。有这个玩意，你才能不用趴在基站上就能接收和发送信号。
2G的可能没有，但是3G4G5G都是这个哦。
还有手机的3D人脸识别，也需要靠一种叫VCSEL的芯片才能实现，而且是多颗哦。
VCSEL是一种半导体激光器，全名叫垂直腔面发射激光器。
采用多颗VCSEL芯片的泛光照明器和红外点阵投影器，可以实现3D人脸识别和其它3D感应应用。”
观众长鼻长在腰上：“哎哟哟，摸着我的小心脏，那岂不是我已经毒入膏肓了！完了完了！”
看到观众的议论，江维赶紧解释道：
“砷化镓的熔点为1238度，在600度以下能在空气中稳定存在，是没有毒的。在熔点以上，砷化镓才会缓慢分解成砷和稼。
砷的熔点只有615度，在空气中加热后会氧化，产生三氧化二砷，就是砒霜了。这个是有毒的，对人的中毒剂量为0.1g到0.25g。
在1238度的环境下，人早没了，就不必考虑会不会砷中毒的问题了。
环境污染主要是砷化镓在生产过程中，相比起硅，在排放的废气和废水中会有砷化物，因此需要特殊的安全处理。”
观众长鼻长在腰上：“嘿，那个太空漫步者你吓我！你个逗比！”
观众暗中观察：“他，逗你呢……”
观众长鼻长在腰上：“擦！”
江维：“好了，我们继续听戈登·蒂尔介绍一下晶圆是怎样炼成的吧。”
戈登·蒂尔：【你们前面的聊天也提到过，PN结掺杂杂质的量级，是在百万中添加一个杂质原子，这就要求原本的锗晶体本身纯度足够高。
实际上半导体锗片或者硅片纯度要求标准为11个9以上(99.999999999%)，光伏相对要求较低，纯度标准为4至6个9(99.9999%)。
肖克利他们提出了PN结型晶体管的理论，但要把东西做出来，在技术上最大的障碍就是缺乏足够纯净、均匀的半导体“锗”材料。】
布拉顿：【对！的确如此。当时蒂尔提出一个大胆的设想，认为先制造出一个大的“锗单晶”才有可能进行P结或者N结的掺杂
但那个时间，我们都没有意识到这一点，对他的提议几乎没人重视。
主要是，我们还是一帮搞科研的，当时并没有去想这个PN结晶体管如果要大规模生产，怎样的工艺和步骤才是更合理的。
我们当时就琢磨着做几个能验证理论的“样品”，所以在考虑其他方式。
正是因为有了蒂尔的研究，我们贝尔实验室才在1951年生产出第一批商业化PN结晶体管M1752。
如果没有蒂尔，我们的东西大概也只能在实验室中吃灰。】
观众雾里看花：“所以，这是逢人白眼然后一招打脸的故事！”
戈登·蒂尔：【呃，当初大家不认可我的想法确实有些压力。所以这里要特别感谢一下我的两个小伙伴，实验室的机械工程师约翰·利特尔和技术员厄内斯特.布勒，是他们两人支持我一起设计和制造了一台能够满足晶体生长的设备。】
观众暗中观察：“还自己做设备！我的天，这不就是想吃西红柿炒鸡蛋还得种西红柿嘛！”
戈登·蒂尔：【既然现在硅是芯片的主流材料，我就跟大家详细讲一下硅晶圆的制作好了。当初做“锗晶”的过程就后面几句话简单说一下。】
观众大松饼：“对对对，我就想知道，拔丝的硅怎么就变成芯片的。”
戈登·蒂尔：【硅在沙子中主要以二氧化硅的形式存在，所以，先要将沙子与焦炭、煤或者木屑等混合，在石墨电弧炉中高温加热，将二氧化硅还原成硅。
这样大概能获得纯度在98%左右的多晶硅，然后再经过一些列化学过程，比如三氯氢硅法进行逐步提纯，最终得到纯度在9个9以上的电子级多晶硅。
但用于芯片制作的硅必须是单晶硅，这两者区别在于，单晶硅的硅原子排列方向是有序的，而多晶硅不是。
从多晶硅到单晶硅，这个时候就要用到CZ直拉法了，所谓“拉晶”。
拉单晶工艺是硅片制作最核心的工艺步骤，它决定了硅片的质量和纯度。
刚才说了，这里用来拉晶的多晶硅材料是9个9以上的纯度，而最终的半导体硅片纯度必须达到11个9以上，即99.999999999%。
第一步，把多晶硅材料放在坩埚内加热熔化。
第二步，把“晶种”放进去。所谓晶种，就是和目标晶体相同晶向的小晶体，是生长单晶的“种子”。用不同晶向的种子会得到不同晶向的单晶。
所谓种什么，得什么。
第三步，将晶种缓慢地垂直拉伸，晶体会在晶种下端生长，并随着晶种的提拉逐渐长长，形成一根“晶棒”。
现在晶圆尺寸越做越大，从过去的2寸、4寸到8寸，为了提高良率和品质，现在又在CZ法中的核心设备CZ单晶炉中配备了磁场产生装置，用来进行温度控制。
这种加了磁场的工艺称为MCZ法，是当下的主流技术。
当然，现在的单晶硅制备技术除了直拉法还有FZ悬浮区熔法。
直拉法的优点是出品的硅含氧量较高、机械强度更大，在制作电子元件过程中不易形变，且更容易做出大尺寸的硅棒。
而且直拉法成本更低，晶体的生长速度较快。目前大概有85%的单晶硅片由CZ直拉法制成。
但是FZ悬浮区熔法也有它的优势，这种方式做出来的单晶硅电阻率非常高，特别适合用来制作电力电子器件。比如整流器、探测器件、 IGBT等高功率器件。
另外FZ悬浮区熔法不会用到坩埚，避免了坩埚造成的污染，使得单晶硅的纯度更高，能更好满足制作功率器件的要求。
用FZ悬浮区熔法拉出来的单晶硅尺寸主要为6寸。】
江维补充道：【4 英寸硅片产生于1986 年，6英寸产生于1992 年，8英寸产生于1997，12 英寸产生于 2005 年。】
戈登·蒂尔：【英特尔和IBM 2002年建成了12英寸硅片产线，2005年就推出产品了，还是挺快的。可惜我看不到了……】
江维：【12英寸的硅片在2005年的时候市场占比在20%左右，在2017年已经接近67%，市场还在持续扩大。
下一个技术节点是18英寸，以英特尔和台积电等厂商为主导，相关研发专案据说已经取得了一些进展，但因为不具备生厂效益而有所搁置。
所以，12英寸硅片还没有受到产品迭代所带来的影响，未来较长一段时间内应该会继续保持市场地位。
另外FZ悬浮区熔法拉出来的单晶硅尺寸现在已经可以做到8寸了，不过再往上就很困难了。】
观众最爱螺蛳粉：“等等，刚刚不还在说硅棒么，那个多少寸多少寸的，是怎么出来的？”
江维把弹幕复制了一遍发到群里，既然科普就科普个明白呗。
戈登·蒂尔：【微笑.gif，晶棒做出来以后，用钻石刀将单晶硅晶棒横向切割成圆片，再经过抛光后就可以得到硅晶圆。
晶棒的直径决定了晶圆的直径，这里讲的多少英寸都是指的直径。】
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