硅谷铸锭业的二手起源

硅是地球上最常见的元素之一，但它几乎总是以化合物的形式存在，比如二氧化硅或普通的沙子。为了在半导体工业中有用，硅必须经过提纯，这一过程包括加热四氯化硅以去除杂质，然后拉出(或生长)单硅晶体。

在20世纪50年代，这并非易事。你不能只是从你友好的晶圆制造设备制造商那里订购一个晶体拉拔器——这一切都必须被发明和精心设计。在那些日子里，研发和制造之间几乎没有区别，因为该领域的早期从业者设计和建造的设备将在车间投入使用。罗伯特·e·洛伦兹尼是先驱之一。

洛伦兹尼在20世纪50年代接受的冶金学教育使他从炼钢转向了硅种植

1954年，洛伦兹尼进入斯坦福大学学习机械工程，但他的专业被改变为冶金奥森·卡特勒·谢泼德．洛伦兹尼喜欢谢泼德使用现实问题而不是教科书上的例子的方法，他喜欢设计和建造自己的实验设备。他修过合金和成分、材料强度和抗氧化性的课程。他选择了热力学，但没有选择量子力学。半导体理论并不是一门课程，在这个行业的职业生涯也不是注定的。更有可能的是，他会找到一份与钢铁有关的工作，要么在钢厂，要么在依赖金属部件的企业，比如汽车或飞机组装。

罗伯特·洛伦兹尼(Robert Lorenzini)(如图)改编了他的硕士论文——制造纯化钢——为一家半导体设备初创公司制造了一台提取纯化硅的机器。图片:SEMI和Craig Addison/ The Chip Warriors

大卫·史蒂文森这位来自麻省理工学院的新教员向洛伦兹尼提出挑战，要求他解决区域精炼的问题。区域精炼是一种新技术约翰·伯纳尔而且威廉Pfann去除金属中的杂质它包括加热晶体的一小部分，然后沿着样品的长度移动熔融区;前沿的杂质被移到晶体的一端，留下更纯净的样品。洛伦兹尼在后来的一次采访中回忆说，史蒂文森把这个想法扔给了他，并说:“去设计和制造设备，看看你能不能做到。”

普芬是贝尔实验室的材料科学家，他已经将区域精炼工艺应用于锗和硅，但洛伦兹尼正在研究不锈钢，以寻求在航空领域的应用。喷气发动机行业曾存在叶片蠕变的问题，部分原因是钢材中的杂质会随着时间的推移使叶片变形，最终导致发动机故障。洛伦兹尼建造了一个水平区域炼钢设备，用于炼钢，并就此撰写了他1960年的硕士论文。

他很高兴得到伯利恒钢铁公司的邀请，加入该公司的管理培训项目。但是莱奥波尔多·瓦尔德斯，他在业界以测量硅和锗的电阻而闻名四点探头他说服洛伦兹尼加入了仙童半导体(Fairchild Semiconductor)的子公司Rheem Semiconductor的研发部门。

Jan Czochralski的意外发现使他开发了一种晶体生长的过程

Rheem的产品线包括二极管和晶体管。尽管公司可以购买制备好的硅晶体，但瓦尔德斯想在内部生产。他要求洛伦齐尼运用他对钢的区域精炼的知识，设计一台机器来实现这一点。这是洛伦兹尼第一次体验硅的生长，也是“我作为工程师的第一个真正的任务，”他在后来的采访中说。

洛伦兹尼把他的不锈钢区域精炼机，本来是水平方向的，把它变成垂直方向，以便更好地从熔融的半导体块中提取均匀的硅晶体。他自己设计了水晶拉拔器——Rheem公司没有其他人在研究这个工艺，他也没有业内其他人可以谈论这个问题。

1916年的一个意外发现促使波兰化学家Jan Czochralski(如图)发明了一种拉动半导体单晶的方法。图片来源:历史收藏/Alamy

洛伦兹尼并没有提出拉扯晶体的想法。这个过程是发现由一位名叫Jan Czochralski．据一些说法，这件事是偶然发生的，一天晚上，卓拉尔斯基在柏林工程公司AEG的金属实验室工作。在等待熔化的锡坩埚凝固时，他心不在焉地把笔尖伸进了金属里，而不是墨水瓶里。当他抽出笔时，一根长长的锡线露出来。尤里卡!不管这个故事是否属实，zzochralski确实把他的研究结果写在了一家德国化学杂志上，今天他被认为是创造了以他的名字命名的晶体拉扯方法。2019年，Czochralski过程成为一种IEEE的里程碑．

水晶拉器有两个主要部分一台炉子和一台拉车机。洛伦兹尼在Rheem的第一台机器的熔炉包括一个顶针大小的石英坩埚，用来盛放硅，以及一个射频(RF)线圈，用于将硅加热到其熔点，约为1440°C。然后将一个小的种子晶体引入熔融的硅中，当它被小心地平稳地拉起时，它会在种子晶体上生长。经过反复试验，他使这台机器运转得很好。

然后必须将晶体切成薄片并进行抛光。半导体器件就是建立在这种硅衬底上的。洛伦兹尼在Rheem生产的晶圆直径约为0.75至1英寸(22至25毫米)。今天，行业标准是300毫米。

埃尔马特的第一个水晶拉车是用回收的零件建造的

洛伦兹尼在Rheem待了两年，后来被挖走，成为宾夕法尼亚州西北部阿勒格尼电子化学公司(Allegheny Electronic Chemical Co.)的首席工程师。阿勒格尼拥有大约20个晶体生长炉和钻石切片锯，为半导体行业生产硅。RCA是其最大的客户之一。

但对洛伦兹尼来说，宾夕法尼亚州的雪太多、太冷了。一年后，他回到加州，在同样生产硅晶体的Knapic Electro-Physics工作。该公司的创始人迪恩·纳皮克(Dean Knapic)并不是叛逆的八他从肖克利半导体公司叛逃创立了仙童，但他是肖克利大学的前雇员——当时这个行业到处都是这样的人。当洛伦兹尼到来时，纳皮克已经不在公司了，不久之后，公司的财务支持者决定退出半导体业务。他们清算了这家公司，拍卖了它的设备和材料。

像这样的单晶纯硅将被切成晶圆。图片来源:Mark Williamson/Science Source

因此，1964年，从斯坦福大学毕业四年后，洛伦兹尼做了三份工作，他决定自己创业。他从纳皮克拍卖会上购买了马达、齿轮头和其他备件，并建造了自己的更大、更高效的熔炉，这成为他的新公司埃尔马特(Elmat)的基石。[上面的照片，来自于科学史研究所在费城，展示了一个埃尔马特水晶拉工。

受到赛车维修站工作人员快速更换的启发，洛伦齐尼设计了他的熔炉，这样工人们就可以迅速将其拆开，收获晶体，并重新装入，开始种植下一个晶体。他知道停工意味着利润的损失。

另一个创新是炉子的加热元件。大多数熔炉使用射频加热晶体。洛伦兹尼打破了传统，改用了电阻加热炉，通过电流通过导体产生热量来工作，而且建造成本更低。

那时，洛伦兹尼已经以他在晶体种植方面的专业知识而闻名，他毫不困难地找到了有兴趣购买埃尔马特硅晶圆的客户。他从仙童、RCA和德州仪器开始。后来，IBM成为Elmat最大的客户。到1968年，当通用仪器公司收购该公司时，该公司每年的利润约为300万至400万美元。

Lorenzini在成立他的下一家公司Siltec Corp.之前休息了一年。Siltec是零位错硅和3英寸(76毫米)晶圆的先驱。位错是晶体结构中的不规则结构。到目前为止，硅晶圆每平方厘米表面积可能有数千个位错。Siltec通过增加晶体的熔体尺寸和引入氩气流过腔室并冷却晶体表面来消除这些位错。常规生产零位错材料的能力改变了游戏规则。

1969年至1986年，Lorenzini担任Siltec的董事长兼首席执行官。离开公司两年后，他与人共同创立了SunPower Corp.，专注于低成本、高效的太阳能电池。他也是众多初创公司的天使投资人。

在一个2007年采访洛伦兹尼考虑了他的职业生涯，意识到有几个关键的决策点可能会让他走上完全不同的道路。他本可以坚持学习机械工程的原计划。相反，他跟随一位有魅力的教授进入了冶金学领域，当时冶金学正经历着向材料科学的转变。他本可以接受伯利恒钢铁公司慷慨的工作邀请。相反，他加入了Rheem Semiconductor和新兴的半导体行业。每一步都为他作为企业家的成功奠定了基础，他把硅晶体生长这一棘手的业务从一门艺术变成了一门科学。

以水晶师的视角完成历史

当我第一次向我的编辑建议拉水晶时，我并没有打算写这篇文章。我想把重点放在Jan Czochralski身上，但我找不到任何与他有关的历史文物。(本专栏的前提是用一件博物馆物品讲述一段有趣的历史。)我甚至参军了怪不得我Mazierska他是IEEE历史委员会的现任主席。她在波兰的联络人帮她可爱的视频(波兰语)，但没有合适的博物馆藏品。

的埃尔马特水晶拉在科学历史研究所(SHI)的工作给了我一种书写这段历史的方式。但在我读了洛伦兹尼的口述历史采访之后，叙述就偏离了zzochralskiHyungsub崔他碰巧是我研究生时的一个朋友。

即使在那时，我的故事也感觉不完整。化学遗产基金会(当时被称为SHI)的策展人既收集了实物，也收集了对实物发明者的采访，这意味着他们选择保留一段特定的历史。事实上，博物馆往往只关注发明和发明家，而忽略了其他的叙述。在晶体生长的故事中，没有任何关于使用这种机器的信息。谁是真正拉动水晶的工人?

追踪一项发明的用户并说服他们分享他们的经验是很困难的。相比之下，通过专利记录、报纸报道等可以很容易地找到发明家。普通员工通常不会留下这样的公开记录。不过，有时博物馆还是很幸运的。

帕特里夏·安德森(左)在20世纪60年代末在埃尔马特操作水晶拉车。1968年6月20日，她完成了一项罕见的壮举，从拉车人的坩埚中取出了所有的熔融硅，她把坩埚留作纪念。图片:计算机历史博物馆，收藏102792161和102806910

这就是2020年2月发生的事情，帕特里夏·安德森联系了计算机历史博物馆她说，她有一组物品和文件，是她在洛伦兹尼的Elmat公司做水晶拉工时留下的。策展人感兴趣吗?是的，他们是!

正如安德森在口述历史与大卫·c·布洛克她说，像她这样的水晶拉丝工会同时操作三到四台机器，不断调整温度和拉丝速度，以确保水晶正常生长。拉水晶涉及到隐性知识——你必须培养一种如何调节机器的感觉。你不可能从书本上学到。1968年6月20日，安德森完成了一项罕见的壮举，她从坩埚里的所有熔融硅中取出了一个晶体，她和布洛克分享了这个故事，布洛克也把这个故事写进了书中最近的一篇博文．

布罗克在文章的结尾以个人的方式呼吁更多像安德森这样的故事，那些在20世纪50年代、60年代和70年代在电子、半导体和计算机行业从事生产和制造工作的人。“硅谷的历史就是建立在(这些)故事之上的，”布洛克写道。

我将以同样的请求结束讲话。我知道很多读《向前看》的人都是在职的工程师和技术人员，你们中的许多人在职业生涯中目睹了巨大的转变和引人入胜的事件。如果你想让你的经历成为历史记录的一部分，我强烈建议你坐下来与口述历史学家一起记录它或自己写下它。

例如，IEEE历史中心的玛丽·安·海尔里格尔一直在从IEEE生活研究员那里收集口述历史。我刚刚开始了一个口述历史项目，关于在微波炉领域工作的女性。如果你不想和历史学家交谈，你仍然可以分享你的经历。通过工程技术历史维基，IEEE历史中心允许人们编写自己的历史第一手历史．请考虑投稿。未来的历史学家将对此心存感激。

部分持续的系列看看历史文物的照片，它们蕴含着科技的无限潜力。

本文的删节版刊登在2021年6月的印刷版上，名为“水晶历史”。

作者简介

Allison沼泽他是南卡罗来纳大学历史系的副教授，也是该校历史研究中心的联席主任安·约翰逊科学、技术与社会研究所．