沙子快沒了!別擔心,造芯片主要用的不是它

張蘊

2019年09月18日08:29  來源:科技日報
 
原標題:沙子快沒了!別擔心,造芯片主要用的不是它

在手機、電腦、智能手表這些電子設備中,芯片是其最核心的零部件。芯片也是半導體行業集成度最高的元器件,而生產其所用的硅材料,主要來源於沙礫。

近日英國《自然》雜志發文稱,目前沙子和礫石的採掘速度,已超過其自然恢復的速度。因此,地球上沙子的需求量可能很快就會超過供給量。一時間,“沙子快沒了”的消息在網上引發熱議。

硅是半導體行業的基石,而沙子是提取硅的重要原料。近半個世紀以來,半導體行業的迅猛發展,是否造成了沙子的過度採掘?沙子資源枯竭是否會引發半導體行業的發展危機?

就上述問題,科技日報記者採訪了業內相關專家。

憑存量大、易提純特性脫穎而出

沙子是地球地殼中含量較豐富的物質,沙子中所含有的元素硅,是地球地殼中第2大組成元素,約佔地殼總質量的25%。沙子的種類主要有兩種:天然沙和機制沙,天然沙又可被分為河沙、海沙和山沙。

那麼,為何硅成了制造半導體器件的基礎材料呢?

“這主要是因為,硅的化學性質較穩定,具有優異的半導體特性﹔其次,硅的儲量極為豐富,在地殼中的豐度高達27.72%。”北京理工大學材料學院副研究員常帥在接受科技日報記者採訪時表示,此外如今單晶硅制取技術十分成熟,相關的基於硅片的半導體制造工藝如摻雜、光刻等也已普及,制造成本相對可控。

黃河上游水電開發有限責任公司是一家從事硅材料制造的企業,其青海新能源分公司副總經理秦榕在接受科技日報記者採訪時也指出,硅之所以成為半導體行業的“靈魂”原料,主要是由硅的化學性質決定的。

“在工業生產中,提純硅比較容易,並能達到很高的純度。憑借存量大且易提純的特性,硅材料的制造成本越來越低,這也在一定程度上降低了手機、電腦等終端產品的定價。過去,筆記本電腦動輒上萬元,現在隻需幾千元就能買到配置很好的電腦。”秦榕說。

沙子要變成硅材料,要經過怎樣的歷程?

常帥介紹道,首先,要用碳將硅從富含二氧化硅的沙子中提取出來,通過炭粉還原的方式,將沙子中的二氧化硅轉換成純度超過98%的硅材料,這種材料也被稱為工業硅。但純度98%的工業硅,還不能用於芯片制造,還需應用一些化工工藝將工業硅進一步純化。純化后的硅屬於多晶硅或無定形硅,此時硅的純度雖達標,但由於其內部的原子排列很混亂,依舊無法直接應用於精密半導體器件的一線生產。所以,需要通過一些方法將純度達標的硅材料制成單晶硅。在實際生產操作中,工作人員主要是通過直拉法或區熔法,將多晶硅或無定形硅轉換成為單晶硅硅錠。

“簡而言之,隻有高純度的單晶硅,才能用作生產材料。”常帥說。

半導體行業用硅量非常有限

沙子是僅次於空氣、水,全球需求量最大的自然資源,也是人類生產活動必不可少的基礎性原材料。

統計顯示,當前全球沙子年產量約為500億噸。英國《自然》雜志刊文指出,這個用量比自然再生率要高。到本世紀中葉,需求量就可能超過供給量。而前不久,來自聯合國環境規劃署的一份報告顯示,最近20年,隨著消費模式的轉變、人口的增長、城市化和基礎設施的發展,人類對沙子的需求量增加了3倍。

那麼,全球沙子的存量是否夠半導體行業未來發展所用?沙子存量日益減少,是否會引發半導體行業原材料價格的上漲?

常帥認為,半導體行業的迅猛發展和沙礫過度採掘之間並無太多相關性。“實際上,《自然》所報道的沙子供不應求的情況最可能出現在建筑行業,因為建筑用沙有一定的標准,沙漠中的沙子或海沙一般都不符合要求,隻有河沙合適。加之,近年來建筑行業的快速發展,導致世界各地的河沙開採和消耗速率超過了自然恢復速率。”他說。

常帥還提出,半導體行業所用的硅材料,其主要來源並不是河沙,而是各種含硅的礦石,如脈石英、石英礫石等。這些礦石在地球的儲量非常大,而且半導體這種高精尖化產業對硅材料的消耗量遠小於建筑行業,因此“沙子不夠用”這一問題不會成為半導體行業發展的瓶頸。

“全球多晶硅年產能約為64萬噸,用於制造芯片的隻有3萬噸﹔半導體用硅材料,僅佔全部硅材料總產量的5%。半導體行業用硅量非常小,即便沙子真不夠用,也很難引發原材料價格整體上漲。”秦榕表示,其實在整個硅材料應用中,半導體只是一個很小的應用領域,大量的硅材料,如太陽能級硅、有機硅等都被用於建筑、運輸、化工、紡織、食品、醫療等領域。

“我們日常生活中的很多東西,都會應用到硅元素,比如通信用的光纖、農藥、洗發水、化妝品等,只是我們很少關注罷了。”秦榕說。

目前沒有可替代硅的原材料

雖然短期內,不用操心沙子變少會對半導體行業產生重大影響,但是我們還會有隱隱地擔憂:倘若有一天沙子真沒了,是否有能替代硅的新原料?

對此,秦榕和常帥都認為,以如今的技術水平來看,尚難找到替代性原料。

“目前尚沒有可替代硅的新物質。”秦榕表示,“信息技術第一法則”摩爾定律指出,集成電路上可容納的元器件數目每18個月約翻1倍。“可元器件的數量不可能無限制地增長下去,單位面積上可集成的元器件數目會達到極限,這之后必然會出現新技術,但什麼時候能出現不得而知,所以半導體器件制造依舊會沿襲現有工藝,硅依舊會是主要制造材料。”她說。

除了技術因素外,在尋找替代性材料時,成本是最大的考量因素。

秦榕認為,在對成本考慮較少、對技術可靠性要求較高的航天、軍事等領域,或許能用得起硅材料的替代品。但在絕大部分領域,替換現有“物美價廉”的硅而轉用其他材料,很可能會導致電子信息類產品成本暴漲。

常帥的觀點佐証了以上說法。他認為,目前在材料領域,科學家雖針對取代硅材料的新型材料展開了種種研究,但這些研究主要是圍繞彌補硅材料的一些固有缺陷進行的,如硅材料的載流子遷移率還不夠快、透明性及發光性差等,這些劣勢限制了其在半導體某些領域裡的應用。

“對於各種新型材料,不管是早期的砷化鎵還是當下炙手可熱的石墨烯,抑或是各種有機半導體材料,它們在實際應用中,受制於工藝繁瑣或成本高昂,尚無法撼動硅材料的霸主地位。而且,雖然一些材料在某方面的性能或許能超過硅,但在其他方面卻存在這樣或那樣的缺點。可能在不久的將來,當材料技術獲得突破,這些缺點都被克服,那麼替代硅的材料就真的出現了。”常帥表示。

(責編:易瀟、夏曉倫)