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揭秘美国尤尼明高纯石英的前世今生
点击:958次,时间:2018-09-18 09:05:54

本文作者文斯·贝瑟是一位屡获殊荣的作家,他的作品曾在《连线》、《哈珀斯》、《大西洋月刊》、《琼斯母亲》和《滚石》等刊物上发表。他毕业于加州大学伯克利分校,现居洛杉矶。

 

        那是一个阴冷的星期天早晨,在北卡罗来纳州的Spruce Pine地区,亚历克斯·格洛弗(Alex Glover)坐在麦当劳前的塑料长凳上。他翻遍了背包,然后拿出一个装满白色粉末的塑料三明治袋。“希望我们不会被捕,”他说。“有人可能会对我手上的东西产生误解。”


        格洛弗是一位地质学家,刚刚退休,他花了几十年的时间在这个小镇周围的阿巴拉契亚山脉的山坡和山谷中寻找有价值的矿产资源。他身材矮小,圆圆的,戴着小椭圆形眼镜,留着整齐的白色小胡子,和头发呼应着。他头上戴着一顶吉普棒球帽。他说话慢吞吞的,语调强度中等。他喜欢强调第一个音节,并拉长了一些元音。我们一边喝着咖啡,一边听他解释为什么这个偏远地区会对世界产生非常重要的影响。
        Spruce Pine地区并不富裕,它的中心是一个梦游者火车站,街对面是两栋两层的砖砌建筑,里面是一个长期关闭的电影院和几家空置的店面。
        然而,Spruce Pine地区周围树木繁茂的群山中蕴藏着各种各样令人向往的岩石,有些因其工业用途而受到人们重视,有些则因其纯粹的美丽备受喜欢。格洛弗塑料袋里的矿物质正是它——像白雪一样纯白的颗粒,像糖粉一样柔软。这种物质是目前最重要的。它是石英的,但不是普通的石英。
        事实证明,Spruce Pine地区拥有最纯净的天然石英石——一种地球上从未发现过的原始沙土。这种超精矿的二氧化硅颗粒在制造用于计算机芯片的硅方面起着关键作用。事实上,你的笔记本电脑或手机能很好地运行取决于芯片,而这些芯片很有可能是用阿巴拉契亚偏远地区的沙土制成的。“这是一个价值10亿美元的产业,”格洛弗大笑着说。“开车从这儿经过是看不出来的。你永远也不会知道。”


 

        在21世纪,沙石变得比以往任何时候都更重要,而且这一点在很多方面都能体现出来。这是一个数字时代,在这个时代里,我们从事的工作、我们用来消遣的娱乐工具以及我们相互交流的方式越来越多地由互联网定义,也由将我们与网络相连的电脑、平板电脑和手机所定义。如果没有这些沙石,这一切都不可能发生。
        世界上大多数的沙粒是由石英组成的,石英是二氧化硅的一种形式,也被称为硅石。高纯二氧化硅颗粒是我们制造计算机芯片、光纤电缆和其他高科技硬件(虚拟世界运行的物理部件)的基本原料。与用于混凝土或土地复垦的石英石山相比,用于这些产品的石英石的数量微不足道,但其影响是不可估量的。
        Spruce Pine地区的矿物宝藏是该地区独特地质历史的结果。大约3.8亿年前,该地区位于赤道以南。板块构造把非洲大陆推向了美洲东部,迫使较重的海洋外壳——海洋水下的地质层——移动到了较轻的北美大陆之下。巨大的摩擦产生了高达2000华氏度的热量,融化了地表以下9到15英里的岩石。熔融岩石受到的压力迫使其大量进入周围宿主岩石的裂缝和裂缝中,在那里形成了被称为伟晶岩的沉积物。
        深埋的熔融岩石花了大约1亿年的时间冷却、结晶。由于埋在地下的深度足够加上缺水,伟晶岩形成后几乎没有任何杂质。一般来说,伟晶岩大约有65%的长石、25%的石英、8%的云母以及其他矿物的痕迹。同时,在大约3亿年的时间里,阿巴拉契亚山脉下的板块向上移动。天气等自然现象侵蚀了裸露的岩石,最后剩下伟晶岩的坚硬岩层留在地表附近。 

        美洲原住民开采出闪闪发光的云母,将其用作坟墓装饰和货币。19世纪,美国殖民者开始慢慢地进入山区,以务农为生。一些勘探者试图涉足云母行业,但由于山区地形陡峭,他们遭遇了重重困难。
        1903年,该地区的前景开始有所改善。当时,铁路公司正在修建一条从肯塔基到南卡罗来纳的铁路线。他们在山上开辟了一条铁路,这是一条蜿蜒曲折的神奇路线,蜿蜒20英里,仅上升了1000英尺。这条通往外部世界的大路一经开放,采矿业开始复苏。当地人和勘探者在后来被称为Spruce Pine矿区的山区挖了数百个竖井和露天矿井。这个矿区长25英里,宽10英里,绵延三个县。
        云母之前被用于木材和煤炭燃烧炉窗和电气绝缘真空管电子,受到人们的重视。现在它主要用作化妆品特别添加剂、密封剂和石膏板接缝化合物等。在第二次世界大战期间,市场对云母和长石的需求激增,在该地区的伟晶岩中发现了大量的云母和长石。Spruce Pine开始繁荣起来。这个小镇的规模在20世纪40年代扩大了四倍。在鼎盛时期,Spruce Pine拥有三个电影院、两个游泳池、一个保龄球馆和许多餐馆。每天还有三列客运火车通过。
        到本世纪末,田纳西河谷管理局(TVA)派遣了一组科学家前往Spruce Pine,负责进一步开发该地区的矿产资源。他们把注意力集中在能挣钱的云母和长石上,想把这些矿物从其他矿物中分离出来。一块典型的Spruce Pine伟晶岩看起来就像一块奇怪但很诱人的硬糖:大部分是乳白色或粉色的长石,镶嵌着闪亮的云母,还有清澈或烟状的石英,以及一些深红色的石榴石和其他颜色的矿物质。
        多年来,当地人只是简单地把伟晶岩挖出来,用手工工具或粗糙的机器碾碎,然后用手将长石和云母分开。剩下的石英被认为是垃圾,好一点的用作建筑砂,大部分都与其他尾矿一起被丢弃。
        TVA的科学家与位于阿什维尔附近的北卡罗来纳州立大学矿物研究实验室的研究人员合作,开发了一种更快、更有效的分离矿物的方法,叫做泡沫浮选法。“这种方法彻底改变了这个行业,”格洛弗说。“它使这个行业从一个体产业发展成为一个大型跨国公司产业。”
        泡沫浮选法是将岩石倒入机械破碎机,直到它们被分解成一堆混合矿物颗粒。你把混合物倒进罐子里,加水使其变成乳白色的浆液,搅拌均匀。接下来,加入与云母颗粒结合的化学物质,使其疏水。疏水是指它们不想接触水。现在用管子把气泡从浆液中抽出来。由于疏水性,云母颗粒会疯狂地抓住气泡,并被带到水箱顶部,在水面形成泡沫。一个桨轮从泡沫上滑下来,把它分流到另一个水箱里,水箱里的水被排出。云母被成功分离出来了。
        剩下的长石、石英和铁从水箱底部排出,并通过一系列的槽流入下一个水箱,在那里进行类似的过程让铁浮起来。再重复这个过程让长石分离出来。
        长石现在主要用于玻璃制造。首先把工程师从康宁玻璃公司吸引到该地区的正是长石。当时,人们认为石英砂是无用的产物。但一直在寻找质量材料的康宁工程师注意到石英的纯度,开始购买它,并把它通过铁路向北运送到康宁在纽约伊萨卡岛的工厂。到了工厂,石英就被生产成了从窗户到瓶子等等各种玻璃制品。
        20世纪30年代,Spruce Pine石英在玻璃领域取得了一次伟大的成就。当时康宁公司赢得了一份合同,为世界上最大的望远镜制造镜子,该望远镜是由南加州的帕洛玛天文台订购的。制作这面200英寸、20吨重的镜子需要在一个加热到2700华氏度的巨大熔炉中熔化一座座石英山。
        一旦炉子温度足够高,“三个昼夜不停工作的人就开始通过一端的一扇门在沙子和化学品中敲打。原料慢慢融化,每天只能添加4吨。慢慢地,炉底开始出现一个火辣辣的水池,慢慢地上升,形成50英尺长、15英尺宽的炽热的湖。”该望远镜于1947年安装在天文台。它的威力空前,促成了关于恒星组成和宇宙本身大小的重大发现。至今仍在使用.

 

        尽管这台望远镜很重要,但随着数字时代的到来,Spruce Pine石英很快就扮演了更为重要的角色。
        20世纪50年代中期,在距离北卡罗来纳州数千英里的加利福尼亚,一群工程师开始研究一项发明,这项发明后来成为了计算机工业的基础。贝尔实验室的开创性工程师威廉·肖克利(William Shockley)曾参与发明晶体管。他在加利福尼亚州山景城成立了自己的公司。山景城位于旧金山以南约一个小时车程的地方,离他长大的地方很近。斯坦福大学就在附近,通用电气和IBM在该地区都有工厂,还有一家叫惠普的新公司。当时,被人们称为圣克拉拉谷的地方仍主要生产杏、梨和梅子。不久之后,它就获得了新绰号——硅谷。
        当时,晶体管市场正在迅速升温。德州仪器、摩托罗拉和其他公司都在竞相开发更小、更高效的晶体管,用于其他产品和电脑。第一台美国计算机ENIAC是在第二次世界大战期间由军队开发出来的,它长100英尺,高10英尺,在18000个真空管上运行。
        晶体管是一种微小的电子开关,可以控制电流的流动。它提供了一种方法可以取代这些管,使新机器功能更强大的同时面积反而缩小了。半导体——包括锗和硅在内的一类小元素,可以在一定温度下导电,而在其他温度下则会阻挡电流。半导体看起来像是可以制造晶体管的可行材料。
        在肖克利的创业公司,每天早上都有一群年轻的博士把窑炉烧制到数千度,然后开始熔化锗和硅。汤姆·沃尔夫(Tom Wolfe)曾在《时尚先生》杂志上描述这一幕:“他们穿着白大褂,戴着护目镜和工作手套。当他们打开窑门时,奇怪的橙色和白色的光划过他们的脸……他们将一个小的机械柱放入粘稠物中,这样就在柱的底部形成了晶体。然后,他们把晶体取出,试图用镊子把它夹住放在显微镜下,用钻石刀把它切成小片、晶圆片、芯片。在电子学中,这些微小的形式是没有名字的。”
        肖克利开始相信,硅这种材料未来一定会非常重要,所以他把自己的注意力转移到了硅上。“因为他已经拥有了第一家,同时也是最著名的半导体研发和制造公司,因此,所有之前一直在研究锗的公司都停下了手头的工作,转而选择了硅作为研究对象,”乔尔·薛金(Joel Shurkin)在他关于肖克利的传记《破碎的天才》中写道。“的确,如果没有他的决定,我们现在恐怕讨论的就不是硅谷,而是锗谷了。”
         肖克利是个天才,但据说他也是个差劲的老板。几年后,他手下几名最有才华的工程师跳槽,创办了自己的公司,他们将这家公司命名为仙童半导体。其中一位创始人是就罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce),他是一才华横溢的工程师,年仅25岁左右就已经以擅长晶体管方向而闻名。
        1959年,诺伊斯和他的同事们发现了一种方法,可以把几个晶体管塞到一个指甲大小的高纯硅薄片上。几乎在同一时间,德州仪器公司开发了一种类似的锗制造的小器具。然而,诺伊斯公司的效率更高,而且很快就主导了市场。NASA选择了仙童公司的微芯片用于太空计划,很快销售额就增长到每年1.3亿美元。1968年,诺伊斯离开,创立了自己的公司——英特尔,并很快主导了新兴的可编程计算机芯片行业。
        英特尔在1971年发布的第一个商用芯片包含了2250个晶体管。今天的计算机芯片通常由几十亿个晶体管组成。那些微小的电子方块和矩形是我们的电脑、互联网和整个数字世界的大脑。谷歌、亚马逊、苹果、微软以及支撑从五角大楼到当地银行的一切工作的计算机系统——所有这些以及更多的东西——都是基于用沙石重新打造出来的硅芯片。
        制造这些芯片是一个极其复杂的过程。虽然硅很多,但是人们需要的是纯硅。问题是它从来不会以纯元素的形式自然发生。分离硅需要大量的工作。
        第一步是采用高纯度的用于玻璃的硅砂。有时也用块状石英。然后,这些石英在一个强大的电炉中被炸开,形成一种化学反应,将大部分氧气分离出来。剩下的就是所谓的硅金属,也就是99%的纯硅。但对于高科技应用来说,这还远远不够。太阳能电池板用的硅必须是99.999999%的纯度。电脑芯片的要求更高,它们的硅必须是99.99999999999999%的纯度。多晶硅是一种极其纯净的硅,将成为太阳能电池和电脑芯片的关键成分。

 

        下一步是熔化多晶硅。你需要用一种材料制成的坩埚,这种材料既能承受熔化多晶硅所需的热量,又有一种不会感染它的分子组成。那种物质是纯石英的。
        这就是Spruce Pine石英的由来。它是世界上制造熔融石英坩埚所需原材料的主要来源。这种坩埚可以用于熔化计算机芯片级多晶硅。
        美国尤尼明公司于20世纪90年代开始,对北卡罗来纳州Spruce Pine地区的伟晶花岗岩开展了卓有成效的开发利用,已开发出IOTA-STD(标准级)、IOTA-4、IOTA-6、IOTA-8等高纯石英系列产品,几乎垄断了国际市场,并成为国际标准。
        如今,Unimin公司主导着Spruce Pine石英的生产。该公司在北卡罗来纳州的石英业务供应了世界上大部分的高纯度和超高纯度石英。近年来,另一家名为Quartz Corp的公司设法在石英市场上抢占了一小块份额。
        在他家里,格洛弗在显微镜下给我看了几眼。从仪器的镜头(镜头本身是用一种不那么纯净的石英砂制成的)来看,这些锯齿状的小碎片像玻璃一样清晰,像钻石一样明亮。
        芯片制造商用一种叫做光刻的工艺在晶圆片上刻下晶体管的图案。铜被植入连接数十亿晶体管形成集成电路。然后晶圆片被切割成极其微小的四边形芯片——电脑芯片、手机或笔记本电脑的大脑。整个过程需要数百个精确的、精心控制的步骤。这种芯片轻而易举就成为了地球上最复杂的人造物体之一,但却是用地球上最普通的东西制成的:简陋的沙子。

 

        据估计,全世界每年生产的高纯度石英的总量为3万吨,比美国每小时生产的建筑砂的总量还少。Unimin公司对生产数据非常敏感,绝不轻易透露。现在,Unimin甚至不允许矿产研究实验室的工作人员进入矿山或加工设施。承包商来做维修工作时必须签署保密协议。出于同样的原因,Unimin从多个供应商购买设备和零部件。格洛弗听说,承包商被蒙住眼睛进入加工厂,直到他们到达自己工作的特定区域,还有一名员工因未经授权而被当场解雇。他说,公司甚至不允许员工与竞争对手交往。要验证格洛弗的故事是很困难的,因为我根本无法通过任何方式与Unimin取得联系。我曾经尝试过亲自去往加工厂进行调查,仍然以失败告终。
        在Spruce Pine地区,所有的财富都是从地里挖出来的,但没有多少能留在那里。如今,这些矿山都归外国公司所有。他们高度自动化,所以不需要很多工人。
        米切尔县的家庭收入中值略高于3.7万美元,远低于全国平均水平51,579美元。全县15000人中的20%,几乎都是白人,而且生活在贫困线以下。只有不到七分之一的成年人拥有大学学位。人但是们总能找到办法勉强度日。格洛弗的副业是在他的家里种植圣诞树。为数不多的新工作来源之一是该地区刚刚建立的几个巨大的数据处理中心。受到廉价土地的吸引,谷歌、苹果、微软和其他科技公司都在距离Spruce Pine一小时车程的地方开辟了服务器农场。

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