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沙子快没了!别担心,造芯片主要用的不是它

2019-11-02 18:51:20

资料来源:《科学技术日报》

芯片是手机、电脑和智能手表等电子设备的核心组件。芯片也是半导体工业中最集成的元件,其生产中使用的硅材料主要来自砾石。

最近,英国杂志《自然》称,砂石开采的速度已经超过了自然恢复的速度。因此,地球上对沙子的需求可能很快就会超过供应量。当时,“沙子用完了”的消息在网上引起了热烈的讨论。

硅是半导体工业的基石,沙子是提取硅的重要原料。在过去的半个世纪里,半导体工业的快速发展是否导致了沙子的过度挖掘?沙子资源的枯竭会引发半导体行业的发展危机吗?

关于上述问题,《科学技术日报》记者采访了该行业的相关专家。

由于其储存量大且易于纯化

沙子是地壳中丰富的物质。沙子中的硅元素是地壳中第二大组成元素,约占地壳总质量的25%。砂主要有两种类型:天然砂和机制砂。天然沙可分为河沙、海沙和山沙。

那么,为什么硅成为制造半导体器件的基本材料?

“这主要是因为硅具有稳定的化学性质和优异的半导体性质。其次,硅的储量极其丰富,在地壳中达到27.72%。”北京理工大学材料学院副研究员常帅在接受《科学技术日报》记者采访时说,此外,单晶硅制造技术现在非常成熟,掺杂和光刻等相关硅基半导体制造技术也变得流行起来,制造成本相对可控。

黄河上游水电开发有限公司是一家从事硅材料生产的企业。青海新能源分公司副总经理秦蓉在接受《科学技术日报》记者采访时也指出,硅成为半导体行业“灵魂”原料的原因主要是由硅的化学性质决定的。

“在工业生产中,提纯硅相对容易,并且可以达到非常高的纯度。硅材料具有存量大、易于提纯的特点,其制造成本越来越低,也在一定程度上降低了手机、电脑等终端产品的价格。过去,笔记本电脑的价格是几万元,但现在只要几千元就能买到配置良好的电脑。”秦蓉说道。

沙子是如何变成硅的?

常帅说,首先应该从富含含碳二氧化硅的沙子中提取硅,沙子中的二氧化硅可以通过碳粉的还原转化为纯度超过98%的硅材料,也称为工业硅。然而,纯度为98%的工业硅不能用于芯片制造,需要应用一些化学工艺来进一步提纯工业硅。提纯的硅属于多晶硅或非晶硅。尽管此时硅的纯度达到标准,但由于内部原子的无序排列,它不能直接应用于精密半导体器件的一线生产。因此,有必要通过一些方法将标准纯度的硅材料制成单晶硅。在实际生产操作中,工人主要通过直拉法或区熔法将多晶硅或非晶硅转化为单晶硅锭。

"简而言之,只有高纯单晶硅可以用作生产材料."常帅说道。

半导体工业中使用的硅量非常有限。

沙子是仅次于空气和水的世界上最大的自然资源。它也是人类生产的基本原料。

统计数据显示,目前全球每年的砂产量约为500亿吨。发表在英国《自然》杂志上的一篇文章指出,这一数量高于自然再生率。到本世纪中叶,需求可能会超过供给。不久前,联合国环境规划署的一份报告显示,在过去20年中,随着消费模式、人口增长、城市化和基础设施发展的变化,对沙子的需求增加了三倍。

那么,全球砂储量是否足以满足半导体行业的未来发展?沙子库存日益减少,会导致半导体行业原材料价格上涨吗?

常帅认为,半导体工业的快速发展与过度开采砾石之间没有太大的关联。“事实上,《自然》报道的沙子短缺最有可能发生在建筑行业,因为建筑用沙子有一定的标准。沙漠中的沙子或海沙一般不符合要求,只有河沙才合适。此外,近年来建筑业的快速发展导致世界各地河砂的开采和消费超过了自然回收率。”他说。

常帅还指出,半导体行业使用的硅材料的主要来源不是河沙,而是各种含硅矿石,如矿脉应时和应时砾石。这些矿石在地球上的储量非常大,而高度尖端工业半导体对硅材料的消耗远远低于建筑业,因此“砂不足”的问题不会成为半导体工业发展的瓶颈。

“世界多晶硅年产量约为64万吨,仅3万吨用于制造芯片。半导体用硅材料仅占硅总产量的5%。半导体工业中使用的硅量非常少。即使沙子真的不够,也很难导致原材料的整体价格上涨。”秦蓉表示,事实上,半导体只是硅材料整体应用中的一个小应用领域,大量的硅材料,如太阳能级硅和有机硅,被用于建筑、交通、化工、纺织、食品、医疗等领域。

“我们日常生活中的许多东西都应用于硅元素,如通讯光纤、杀虫剂、洗发水、化妆品等。,但我们很少注意它们。”秦蓉说道。

目前,还没有可以替代硅的原材料。

虽然没有必要担心短期内沙子的减少会对半导体行业产生重大影响,但我们仍然有一个模糊的担忧:如果有一天沙子真的消失了,会有新的原材料可以替代硅吗?

对此,秦蓉和常帅都认为,以目前的技术水平,仍然很难找到替代原料。

"没有新的物质可以代替硅."秦蓉说,“信息技术的第一定律”摩尔定律指出,集成电路中可以容纳的元件数量每18个月翻一番。“但是组件的数量不能无限增长。每单位面积可集成的组件数量将达到极限。此后,新技术将不可避免地出现。然而,还不清楚它们何时会出现。因此,半导体器件的制造仍将遵循现有工艺,硅仍将是主要制造材料。”她说。

除了技术因素,在寻找替代材料时,成本是最大的考虑因素。

秦蓉认为,硅材料作为航天、军事和其他成本考虑较少、技术可靠性要求较高的领域的替代品,价格可能是可以承受的。然而,在大多数领域,用其他材料代替现有的“高质量和低价格”硅可能会导致电子信息产品成本的急剧上升。

常帅的观点支持上述说法。他认为,虽然科学家在材料领域对替代硅材料的新材料进行了各种研究,但这些研究主要集中在弥补硅材料的一些固有缺陷,如硅材料的载流子迁移率不够快、透明度和发光性差,这些缺点限制了其在半导体某些领域的应用。

“对于各种新材料,无论是早期砷化镓还是目前热的石墨烯,或者是各种有机半导体材料,在实际应用中,它们都受到复杂工艺或者高成本的影响,并且不能动摇硅材料的主导地位。此外,尽管一些材料在某些方面可能超过硅,但它们在其他方面有一些缺点。也许在不久的将来,当材料技术突破并克服这些缺点时,硅材料的替代将真正出现。”常帅说道。

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