第二百三十四章 單晶矽棒

  書接上文。Google搜索

  陳立東搞風電、光電,比較順應當前的經濟形勢。

  目前藍星能源產業增速最快的是光電,經濟學家們估計1998年世界光伏銷售量有望達到160兆瓦,1997年是120兆瓦,這麼算的話增速就是33%。

  光伏產業發展最好的是山姆國。

  去年他們的緋聞總統提出了「百萬個太陽能屋頂計劃」,這個計劃的內容是到2010年為100萬個家庭安裝太陽能屋頂,每個屋頂將有3到5千瓦光伏發電系統,有太陽時屋頂向電網供電,電錶倒轉;沒有太陽時,電網向家庭供電,電錶正轉,家庭用戶每月只須交「淨電費」就行了。

  與此同時,諸如日曼、太陽、不列顛等發達國家也都提出了類似計劃。

  華夏從40年前就開始引進太陽能發電系統,搞了40年也只安裝了10兆瓦,這些光伏發電主要布設在空間衛星光伏系統、地面微波中繼站光伏系統、航標燈塔的光伏系統等。

  民用光伏發電在華夏國內聊聊無幾,所以有著廣闊的市場空間。

  從東華信息部掌握的情況看,全華夏搞太陽能電池的廠家主要有9家,一年的產量不足2兆瓦,遠遠落後於發達國家,目前藍星最大的光伏工廠是山姆國的Spire公司,年產光伏組件36兆瓦。

  目前國際上光伏電池的價格是3-4美元/Wp,「Wp」是Wpeak的縮寫,Wpeak翻譯過來就是「瓦特」。

  光伏電池的「每瓦」有著特殊的定義,它指的是在太陽光輻射強度1000W/m2,大氣質量AM1.5,電池溫度25℃條件下,太陽能電池的輸出功率。

  太陽能電池的功率,主要取決於電池板的質量。此時國內商業電池效率大概是10%到13%,好一些的能到14%、15%,國外大體也是14到15的樣子,那些吹噓能到二三十的,都只是實驗室數據。

  所謂電池效率,就是太陽能轉化為電能的效率。

  在上述標準條件下,太陽光的輻射強度是每平米1000瓦,電池轉化效率如果是15%,就能產生150瓦的電力,這樣的電池會在板子上標註150瓦/平米的字樣。

  其實這個電池效率也就是個參考值,誰都知道每天的光照情況就是個變量,下雨、陰天、早晨、傍晚、春夏秋冬,都影響發電量。理論情況下,1平方米的太陽能電池板十個小時可產生1.度電,現實中晴天情況下能到一度就不錯了。

  再說一下這時候太陽電池板的價格。

  太陽能電池板的價格是以發電效率來計算的,1998年國際上的價格是每瓦3到4美元。

  所以按照每平米發電效率150瓦算的話,1平米電池板價格可以達到150×4=600美元,折合人民幣5000元。

  20年後,華夏企業會將太陽能電池板玩到白菜價,一平米的板子也就600元人民幣。

  如果現在陳立東開黑搞的話,可以直接做到白菜價,因為製作太陽能天池的矽晶片可以從系統熔爐獲得。

  1996年2月,留虬地區投資設立的中德電子材料公司投產,生產出島內首支量產級八英寸單晶矽棒,這根晶棒重76.6公斤,長85公分,可切出八英寸晶圓矽片850片。

  據這家公司測算,這根晶棒的成本約3萬美元,每公斤400美元,好貴是不是!一噸鋼坯才300美元。

  如果從系統熔爐容量需要多少錢呢?只需要0.1度電錢!

  晶棒得成分是矽,說糙點就是沙子。

  前邊說過,矽是藍星第二豐富的元素,廣泛存在於岩石、砂礫、塵土之中,第一的是氧,氧和矽生成的二氧化矽就是爛大街的沙子。

  陳立東從未用熔爐回收過矽這種東西,但是這種元素的單質在系統中還是積累了很大的量。

  怎麼來的呢?就是夾雜在廢鋼鐵、洋垃圾中,被吃進去的。

  在工業助手系統中,陳立東很少將矽換金幣,因為換金幣少得可憐。

  然而,這種爛大街的東西,卻能做成當今世界上科技含量最高、賣價最貴的東西:晶片!

  晶片是怎麼製成的呢?

  造晶片的第一步,就是要把二氧化矽還原成矽錠,再經過提純和直拉法生成一根長長的矽棒,然後對這根矽棒進行切割、研磨和拋光,片出一張張光碟一樣的矽片。

  第二步,將矽片送往晶圓廠通過光刻和蝕刻雕刻出電晶體的物理結構,並通過離子注入和覆膜等手段賦予其電特性,重複這個過程,數以億計的電子器件及其對應的邏輯電路依次生成,最後這張晶圓上就會出現數百枚晶片。

  第三步,將這張晶圓上的晶片切割分離,並進行封裝測試,完成一個個晶片的製造。

  以上就是晶片的工藝流程。

  簡單嗎?非也,直到陳立東穿越那年,華夏作為製造業大國還在晶片上被別人卡著脖子。

  在此時的1998年,華夏已經意識到在晶片產業上與國外的差距,連續啟動了908、909兩個國家級工程,可謂舉國之力跨越趕超。

  可從重生者的眼光來看,這兩項工程雖然使國內晶片產業有所突破,卻都未達到預期目的。

  二十年後直到陳立東重生之際,山姆等國的晶片產業已經摸到技術的天花板,華夏企業還在咬牙追趕,拉開的距離至少10年。

  作為系統之主、工業達人,擺脫不了晶片。

  現在,在「大本營」里,有一位叫陳地忠的機械僕從正在被陳立東授權使用研發平台進行工業試驗。

  用來製造晶片的沙子不是工地上那種普通的河沙,而是矽含量更高的矽石,主要成分是二氧化矽。

  從矽石到單晶矽,要經歷三生三世,分別為矽石到矽錠,矽錠到多晶矽棒,最後到單晶矽棒。

  矽錠的製作,一般用坩堝,不是煮牛蛙的「乾鍋」,而是鍊金用的坩堝,專家稱之為礦熱爐。

  其實用電弧爐就行,電弧爐在本書中已經做過介紹,就不再贅述。

  先看實驗的第一步,冶煉工業矽。

  陳地忠按照買來的專利技術資料,在研發平台模擬了一個6米直徑的電弧爐,用電極加熱,在爐子中放入了矽石,再加入煤炭和木屑,將爐溫加熱到2000攝氏度,在高溫作用下,二氧化矽逐漸融化,並與碳元素發生還原反應:二氧化矽與碳生產矽單質和一氧化碳。

  在溫度較低的地區還會生成碳化矽,碳化矽在技術資料里被列為了廢渣。

  冶煉出的矽液逐漸冷凝,就得到了相對純淨的矽錠,這是純度為98%到99%的冶煉級工業矽。

  2%到1%的雜質主要是鐵和鋁,矽錠已經是化工、冶金和建築的重要材料。

  但是對半導體產業來說,99%的純度還遠遠不夠。

  接下來是第二步,提煉光伏矽。

  這一步就是為工業矽提純。

  工業矽提純,業界主流的做法是藉助氯化氫氣體進行提純,由於最早是賽蒙斯公司於1955年開發出來的,所以又稱賽蒙斯法。

  陳地忠用礦磨、氣流磨將矽錠粉碎成渣,再次放入電弧爐中加熱到325度,在這個溫度下矽渣與氯化氫反應,生成氫氣和三氯矽烷,三氯矽烷也是氣體狀態,這一步還會生成三氯化鐵、三氯化鋁和四氯化矽等氣體,利用這些氣體不同的沸點,再通過冷凝器和蒸餾塔對溫度的控制,分離出沸點較低的三氯矽烷氣體。

  在這一步,用到的設備主要是電爐、冷凝器、蒸餾塔。

  接下來,把高純度的三氯矽烷再還原成固態矽。做法是在1100度高溫的反應爐中通入三氯化矽和氫氣,生成矽、氯化氫和四氯化矽,在這個溫度下只有矽是固態,所以在反應爐中可以看到矽架上黑色的矽按照圓柱體的形狀,像蘑菇一樣慢慢長大。

  按照專利技術資料描述,這個過程要持續大約一周的時間,就能積累到目標規格的矽棒,矽含量高達99.999999999%,一共11個9。

  不過此時的矽棒表面坑坑窪窪,其晶體框架結構不均勻,整體是由眾多不規則的小晶體構成的,這就是多晶矽。

  這種多晶矽已經可以用於光伏行業,製作太陽能電池。

  不過做晶片需要的是晶格均勻連續、電學性質穩定的單晶矽。

  所以還要完成第三步,提拉單晶矽。

  這一步,技術資料採用了柴可拉斯基法,這種技術出自1918年誕生於博蘭達的化學家楊.柴可拉斯基之手,又稱直拉法或者提拉法,顧名思義,就是在純淨的矽溶液中拉出一根棒子。

  具體做法是在石英材質的精煉爐中加熱融化高純度的多晶矽,石英的熔點約1700攝氏度,矽的熔點約1400攝氏度。

  陳地忠按照技術資料要求在精煉爐中沖入氬氣,把溫度控制在1600度左右,然後將一小條晶種,也就是一條細小的單晶矽作為種子浸入矽溶液,再緩慢的向上旋轉、提拉,被拉出的矽溶液因為溫度梯度下降會凝固成固態矽,細節上看就是細牙籤進去、大棒子出來。

  大棒的粗細和質量,取決於工作的溫度、旋轉的速度和提拉的力度,這時在大棒頂端出現了一段直徑幾毫米的脖子。

  這是因為在晶種剛接觸溶液時會因為熱衝擊,使晶體發生高頻次的滑移和位錯,導致最開始的一段容易出現晶體缺陷。

  所以在剛開始時先用高速提拉,拉出一段10厘米左右的脖子,讓位錯缺陷趨緩直至消失之後,再降低速度開始拉大直徑的矽棒,此時凝固的矽棒就和晶種一樣是光滑的單晶矽。

  但是,「細脖子」的存在,決定了單晶矽的重量,因為棒子超重會斷掉。

  從陳地忠利用系統熔爐的實驗數據看,拉直徑8英寸的矽棒能拉6米長,12英寸的最長到一米五。

  陳地忠將這些步驟操作完成後,就製作出了晶片的原材料:單晶矽棒。

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