现在开坑写制造单晶硅和场效应晶体管可以么,跳过电子管

北朝旧贴 | 杨威利元帅万岁 | 8/15/2020 | 共 5461 字 | 编辑本页

杨威利元帅万岁 于 2017-1-9 12:50:51 发表了:

本帖最后由 杨威利元帅万岁 于 2017-1-9 12:58 编辑

可以跳过电子管阶段直接开始造晶体管。单晶硅需要的原料,沙子还有盐酸,碳都有大量存在于现在的临高,需要的 2000 摄氏度高温也不是没有办法得到。FET(场效应晶体管)做出来就可以有 PN 结,开始真正的信息时代了


liutom2 于 2017-1-9 13:09:06 发表了:

早就讨论过,技术基础不行,实验室小规模做做还有可能。


杨威利元帅万岁 于 2017-1-11 11:50:44 发表了:

初来此地,不免当回伸手党。敢问下在哪里讨论过,小弟先谢过前辈了


xish 于 2017-1-11 12:28:47 发表了:

高纯度硅提取太困难


i1j 于 2017-1-12 16:21:28 发表了:

电子管还是大有可为的。技术门槛似乎不是一般的低。


真红骑士 于 2017-1-12 17:15:55 发表了:

把时间推后到建国之后还行


深潜者 于 2017-1-12 17:46:31 发表了:

其实储备物资用它一百年才是王道呀,提高储存寿命比重建工业体系简单多了,不过这样好像不太符合主旋律。貌似有论文就说晶体管的理论工作寿命最长可达一百万小时,理论储存寿命可达一千万小时。


i1j 于 2017-1-12 20:07:58 发表了:

本帖最后由 i1j 于 2017-1-12 20:14 编辑

深潜者 发表于 2017-1-12 17:46

其实储备物资用它一百年才是王道呀,提高储存寿命比重建工业体系简单多了,不过这样好像不太符合主旋律。貌 ...

那准备储备多少只怎么保证全球陆海空各战术单位都用上?

电子管的关键优势在于,可以做得比较大一点以降低技术门槛。

理论上说,能搞出白织灯就能搞电子管。

timg (1).jpg(22.01 KB, 下载次数: 0)

2017-1-12 20:14 上传


深潜者 于 2017-1-12 23:08:27 发表了:

i1j 发表于 2017-1-12 20:07 那准备储备多少只怎么保证全球陆海空各战术单位都用上?

电子管的关键优势在于,可以做得比较大一点以降低 ...

话说就算是几亿支分立晶体管也装不满一个集装箱呢。太大的电子管会受到耦合电容等方面的限制,性能堪忧。


i1j 于 2017-1-13 09:30:29 发表了:

深潜者 发表于 2017-1-12 23:08

话说就算是几亿支分立晶体管也装不满一个集装箱呢。太大的电子管会受到耦合电容等方面的限制,性能堪忧。 ...

几亿支也不够啊。还是能够自我复制,自我提升靠得住。

而且大功率射频设备(比如雷达、大功率电台)上,电子管其实更有优势——至少在集成电路搞出来以前。


i1j 于 2017-1-13 09:49:08 发表了:

嗯,十年以后,一个小女孩在大图书馆边上那栋巍峨的、自带火电站的国家计算中心外排队,手里拽着一张写着“圣船从哪里来?”的纸条。

而机房里面,两个刚刚喝得有点高的规化民管理员准备问 Multivac 那个最终问题:“怎么大幅度降低宇宙的总熵?”


深潜者 于 2017-1-13 10:13:05 发表了:

i1j 发表于 2017-1-13 09:30 几亿支也不够啊。还是能够自我复制,自我提升靠得住。

而且大功率射频设备(比如雷达、大功率电台)上, ...

人类生产的电子管一共也不知道有没有几亿支。而且对于大功率应用可以带功率型半导体器件呀。多带点以便于等到技术充足后再过渡,可能比技术不够好时砸电子管,晶体管,然后凑合用强。


杨威利元帅万岁 于 2017-1-13 12:08:02 发表了:

深潜者 发表于 2017-1-13 10:13

人类生产的电子管一共也不知道有没有几亿支。而且对于大功率应用可以带功率型半导体器件呀。多带点以便于 ...

我觉得电子管还是可以基本跳过,高纯度硅提纯在实验室条件下并没有那么难,先少量实验室制造。电子管造出来玩玩音频设备就行了


深潜者 于 2017-1-13 12:10:49 发表了:

杨威利元帅万岁 发表于 2017-1-13 12:08

我觉得电子管还是可以基本跳过,高纯度硅提纯在实验室条件下并没有那么难,先少量实验室制造。电子管造出 ...

没那么难?杜邦直到 41 年才勉强搞出能做不需要找热点的检波器所需的硅。

除非临高带设备过去,否则实验室自产都不可能呀!


杨威利元帅万岁 于 2017-1-13 12:56:01 发表了:

深潜者 发表于 2017-1-13 12:10

没那么难?杜邦直到 41 年才勉强搞出能做不需要找热点的检波器所需的硅。

除非临高带设备过去,否则实验室 ...

开创一样东西的难度很大的,和运用成熟工艺制造难度不是一个量级的。开始人们并不清楚适合的工艺流程啊,开创个新工艺和用已知的知识去制造难度不一样的。

之前没发现硅有那么有用,所以对制造高纯度硅的研究比较少。相关研究大多在 20 世纪才开始。现在已经有那么多的知识储备还走前路没有必要。


apefrank 于 2017-1-13 12:59:18 发表了:

搞定玻璃管抽真空技术,就能解决白炽灯、电子管、再攻克荧光材料,就可以搞 CRT 了


杨威利元帅万岁 于 2017-1-13 13:02:10 发表了:

深潜者 发表于 2017-1-13 12:10

没那么难?杜邦直到 41 年才勉强搞出能做不需要找热点的检波器所需的硅。

除非临高带设备过去,否则实验室 ...

  • 硅的制取及硅片的制备

  • 不同形态不同纯度的硅制取方式各有不同,具体方法如下:

  • 无定型硅可以通过 Mg 还原二氧化硅的方式制得。实验室里可用镁粉在赤热下还原粉状二氧化硅,用稀酸洗去生成的氧化镁和镁粉,再用氢氟酸洗去未作用的二氧化硅,即得单质硅。这种方法制得的都是不够纯净的无定形硅,为棕黑色粉末。

  • 晶体硅可以用碳在电炉中还原二氧化硅制得。工业上生产硅是在电弧炉中还原硅石(SiO2 含量大于 99%)。使用的还原剂为石油焦和木炭等。使用直流电弧炉时,能全部用石油焦代替木炭。石油焦的灰分低(0.3%~ 0.8%),采用质量高的硅石(SiO2 大于 99%),可直接炼出制造硅钢片用的高质量硅。

  • 电子工业中用的高纯硅则是用氢气还原三氯氢硅或四氯化硅而制得。高纯的半导体硅可在 1200℃ 的热硅棒上用氢气还原高纯的三氯氢硅 SiHCl3 或 SiCl4 制得。

  • 超纯的单晶硅可通过直拉法或区域熔炼法等制备。

  • 单晶硅的生产工艺

  • 单晶硅是非常重要的晶体硅材料,根据晶体生长方式的不同,可以分为区熔单晶硅和直拉单晶硅。区熔单晶硅是利用悬浮区域熔炼(float zone)的方法制备的,所以又称 FZ 硅单晶。直拉单晶硅是利用切氏法制备单晶硅,称为 CZ 单晶硅。这两种单晶硅具有不同的特性和不同的器件应用领域:区熔单晶硅主要应用于大功率器件方面,只占单晶硅市场很小的一部分,在国际市场上约占 10%左右,而直拉单晶硅主要应用于微电子集成电路和太阳能电池方面,是单晶硅的主题。与区熔单晶硅相比,直拉单晶硅的制造成本相对较低,机械强度较高,易制备大直径单晶,所以,太阳电池领域主要应用直拉单晶硅,而不是区熔单晶硅。

  • 直拉法是由波兰的 J.Czochralski 在 1971 年发明的,所以又称切氏法。1950 年 Teal 等将该技术用于生长半导体锗单晶,然后又利用这种方法生长直拉单晶硅,在此基础上,Dash 提出了直拉单晶硅生长的“缩颈”技术,G.Ziegler 提出快速引颈生长细颈的技术,构成了现代制备大直径无位错直拉单晶硅的基本方法。单晶硅的直拉法生长已经是单晶硅制备的主要技术,也是太阳电池用单晶硅的主要制备方法。

  • 直拉单晶硅的制备工艺一般包括多晶硅的装料和熔化,种晶,缩颈,放肩,等径和收尾等。

  • 多晶硅的生产工艺

  • 直到 20 世纪 90 年代,太阳能光伏工业还是主要建立在单晶硅的基础上。虽然单晶硅太阳电池成本在不断下降,但是与常规电力相比还是缺乏竞争力,因此,不断降低成本是光伏界追求的目标。自 20 世纪 80 年代铸造多晶硅发明和应用以来,增长迅速,80 年代末期,它仅占太阳电池材料的 10%左右,而至 1996 年底它已占整个太阳电池材料的 36%,它以相对低成本,高效率的优势不断挤占单晶硅的市场,成为最具竞争力的太阳电池材料,21 世纪初已占 50%以上,成为最主要的太阳电池材料。

  • 太阳电池多晶硅锭市一中柱状晶,晶体生长方向垂直向上,是通过定向凝固(也称可控凝固,约束凝固)过程来实现,即在结晶过程中,通过控制温度场的变化,形成单方向热流(生长方向和热流方向相反),并要求液固界面处的温度梯度大于 0,横向则要求无温度梯度,从而形成定向生长的柱状晶。实现多晶硅定向凝固生长的四种方法分别为布里曼法、热交换法、电磁铸锭法,浇铸法。目前企业最常用的方法是热交换法生产多晶硅。

  • 热交换法生产铸造多晶硅的具体工艺流程一般如下:装料 → 加热 → 化料 → 晶体生长 → 退火 → 冷却。

  • 非晶硅的生产工艺

  • 要获得非晶态,需要有高的冷却速率,而对冷却速率的具体要求随材料而定。硅要求有极高的冷却速率,用液态快速淬火的方法目前还无法得到非晶态。近年来,发展了许多种气相淀积非晶态硅膜的技术,其中包括真空蒸发、辉光放电、溅射及化学气相淀积等方法。一般所用的主要原料是单硅烷(SiH4)、二硅烷(Si2H6)、四氟化硅(SiF4)等,纯度要求很高。非晶硅膜的结构和性质与制备工艺的关系非常密切,目前认为以辉光放电法制备的非晶硅膜质量最好,设备也并不复杂。

  • 硅按不同的纯度可以分为冶金级硅(MG)、太阳能级硅(SG)和电子级硅(EG)。一般来说,经过浮选和磁选后的硅石(主要成分是 SiO2)放在电弧炉里和焦炭生成冶金级硅,然后进一步提纯到更高级数的硅。目前处于世界主流的传统提纯工艺主要有两种:改良西门子法和硅烷法,它们统治了世界上绝大部分的多晶硅生产线,是多晶硅生产规模化的重要级数。在此主要介绍改良西门子法。改良西门子法是以 HCl(或 H2,Cl2)和冶金级工业硅为原料,在高温下合成为 SiHCl3,然后通过精馏工艺,提纯得到高纯 SiHCl3,最后用超高纯的氢气对 SiHCl3 进行还原,得到高纯多晶硅棒。主要工艺流程如图下图所示。

  • 工艺主要包括:SiHCl3 的合成、SiHCl3 的提纯及 SiHCl3 还原制备高纯硅。

  • 硅片一般分为单晶硅片和多晶硅片,硅片的制备分为单晶硅,多晶硅的生产工艺以及加工工艺。

  • 硅片加工过程中包含的制造步骤,根据不同的硅片生产商有所变化。这里介绍的硅片加工主要包括开方,切片,清洗等工艺。常见单晶硅片,多晶硅片如下图所示。

  • 单晶硅片和多晶硅片的加工过程中,腐蚀,清洗工艺几乎一样,不同点主要表现在前段工序。

  • (1)单晶硅片加工工艺

  • 单晶硅片加工工艺主要为:切断 → 外径滚圆 → 切片 → 倒角 → 研磨 → 腐蚀、清洗等。

  • ① 切断:是指在晶体生长完成后, 沿垂直与晶体生长的方向切去晶体硅头尾无用的部分,即头部的籽晶和放肩部分以及尾部的收尾部分。通常利用外圆切割机进行切割,外圆切割机如图 7-4 所示。 外圆切割机刀片边缘为金刚石涂层。这种切割机的刀片厚,速度快,操作方便;但是刀缝宽,浪费材料,而且硅片表面机械损伤严重。目前,也有使用带式切割机来割断晶体硅的,尤其适用于大直径的单晶硅。

  • ② 外径滚圆:在直拉单晶硅中,由于晶体生长方时的热振动,热冲击等原因,晶体表面都不是非常平滑的,也就是说整根单晶硅的直径有一定偏差起伏;而且晶体生长完成后的单晶硅棒表面存在扁平的棱线,需要进一步加工,使得整根单晶硅棒的直径达到统一,以便于在后续的材料和加工工艺中操作。

  • ③ 切片:在单晶硅滚圆工序完成后,需要对单晶硅棒切片。太阳电池用单晶硅在切片时,对硅片的晶向,平行度和翘曲度等参数要求不高,只需对硅片的厚度进行控制。

  • ④ 倒角:将单晶硅棒切割成晶片,晶片锐利边需要休整成圆弧形,主要防止晶片边缘破裂及晶格缺陷产生。

  • ⑤ 研磨:切片后,在硅片的表面产生线痕,需要通过研磨除去切片所造成的锯痕及表面损伤层,有效改善单晶硅的翘曲度、平坦度与平行度,达到一个抛光处理的过程规格。

  • ⑥ 腐蚀,清洗:切片后,硅片表面有机械损伤层,近表面晶体的晶格不完整,而且硅片表面有金属粒子等杂质污染。因此,一般切片后,在制备太阳能电池前,需要对硅片进行化学腐蚀。 在单晶硅片加工过程中很多步骤需要用到清洗,这里的清洗主要是腐蚀后的最终清洗。清洗的目的在于清除晶片表面所有的污染源。常见清洗的方式主要是传统的 RCA 湿式化学清洗技术。

  • (2)多晶硅片加工工艺

  • 多晶硅片加工工艺主要为:开方 → 磨面 → 倒角 → 切片 → 腐蚀,清洗等。

  • ① 开方 对于方形的晶体硅锭,在硅锭切断后,要进行切方块处理,即沿着硅锭的晶体生长的纵向方向,将硅锭切割成一定尺寸的长方形硅块。

  • ② 磨面 在开方之后的硅块表面会产生线痕,需要通过研磨除去开方所造成的锯痕及表面损伤层,有效改善硅块的平坦度与平行度,达到一个抛光过程处理的规格。

  • ③ 倒角 将多晶硅切割成硅块后,硅块边角锐利部分需要倒角,修整成圆弧形,主要是防止切割时硅片的边缘破裂、崩边及晶格缺陷产生。 切片与后续的腐蚀、清洗工艺与单晶硅几乎一致,在此不再赘述。


深潜者 于 2017-1-13 13:09:44 发表了:

杨威利元帅万岁 发表于 2017-1-13 12:56

开创一样东西的难度很大的,和运用成熟工艺制造难度不是一个量级的。开始人们并不清楚适合的工艺流程啊, ...

从 20 世纪开始研究了 40 年才搞定了整流用硅多晶。然后你觉得光凭旧时空技术的指引,临高就能比 1941 年的杜邦公司做得还好?


pom 爱 luna 于 2017-1-13 13:10:22 发表了:

支持跨越式发展。


深潜者 于 2017-1-13 13:10:23 发表了:

杨威利元帅万岁 发表于 2017-1-13 13:02- 硅的制取及硅片的制备

魔鬼在细节中,你光看最基础的这些环节简介有什么用?


杨威利元帅万岁 于 2017-1-13 13:19:38 发表了:

深潜者 发表于 2017-1-13 13:10

魔鬼在细节中,你光看最基础的这些环节简介有什么用?

这里不允许直接贴 URL, 你去 YouTube 上看看,很多视频从头开始说明如何制造的。


深潜者 于 2017-1-13 13:23:10 发表了:

杨威利元帅万岁 发表于 2017-1-13 13:19

这里不允许直接贴 URL, 你去 YouTube 上看看,很多视频从头开始说明如何制造的。  ...

想技术跨越式的玩半导体的话,用锗是容易得多的选择


杨威利元帅万岁 于 2017-1-13 13:44:17 发表了:

深潜者 发表于 2017-1-13 13:23

想技术跨越式的玩半导体的话,用锗是容易得多的选择

这个我也同意,锗半导体很容易制造。但是锗属于稀有金属,锗矿在海南几乎很少,广东才有大矿,在凡口。其次锗比较难提取,从残渣中提炼锗的同时提炼和铅,锌和铟?提炼稀土的工艺实在是太复杂,对多种有机溶剂需求量很大。


深潜者 于 2017-1-13 13:48:35 发表了:

杨威利元帅万岁 发表于 2017-1-13 13:44

这个我也同意,锗半导体很容易制造。但是锗属于稀有金属,锗矿在海南几乎很少,广东才有大矿,在凡口。其 ...

与单晶锗的价值比,所谓的稀有程度根本不是事呀!就算粗锗和黄金一样贵,电子工业也是用得起的。

锗虽然难开采和冶炼,但是提纯起来比硅容易太多了。


杨威利元帅万岁 于 2017-2-21 13:56:52 发表了:

深潜者 发表于 2017-1-13 13:48

与单晶锗的价值比,所谓的稀有程度根本不是事呀!就算粗锗和黄金一样贵,电子工业也是用得起的。

锗虽然难 ...

这段时间细细了问了下组里的学长和教授研究了下可行性,这就去开坑


赵政委 于 2017-2-21 14:43:22 发表了:

支持-能看不就得了-别管某些 sb 的言论