半导体设备产量增加,我们的沙子够用吗

2019-09-18来源: 科技日报关键字:硅晶圆

在手机、电脑、智能手表这些电子设备中,芯片是其最核心的零部件。芯片也是半导体行业集成度最高的元器件,而生产其所用的硅材料,主要来源于沙砾。近日英国《自然》杂志发文称,目前沙子和砾石的采掘速度,已超过其自然恢复的速度。因此,地球上沙子的需求量可能很快就会超过供给量。一时间,“沙子快没了”的消息在网上引发热议。



硅是半导体行业的基石,而沙子是提取硅的重要原料。近半个世纪以来,半导体行业的迅猛发展,是否造成了沙子的过度采掘?沙子资源枯竭是否会引发半导体行业的发展危机?


就上述问题,科技日报记者采访了业内相关专家。


凭存量大、易提纯特性脱颖而出


沙子是地球地壳中含量较丰富的物质,沙子中所含有的元素硅,是地球地壳中第2大组成元素,约占地壳总质量的25%。沙子的种类主要有两种:天然沙和机制沙,天然沙又可被分为河沙、海沙和山沙。

那么,为何硅成了制造半导体器件的基础材料呢?

“这主要是因为,硅的化学性质较稳定,具有优异的半导体特性;其次,硅的储量极为丰富,在地壳中的丰度高达27.72%。”北京理工大学材料学院副研究员常帅在接受科技日报记者采访时表示,此外如今单晶硅制取技术十分成熟,相关的基于硅片的半导体制造工艺如掺杂、光刻等也已普及,制造成本相对可控。

黄河上游水电开发有限责任公司是一家从事硅材料制造的企业,其青海新能源分公司副总经理秦榕在接受科技日报记者采访时也指出,硅之所以成为半导体行业的“灵魂”原料,主要是由硅的化学性质决定的。

“在工业生产中,提纯硅比较容易,并能达到很高的纯度。凭借存量大且易提纯的特性,硅材料的制造成本越来越低,这也在一定程度上降低了手机、电脑等终端产品的定价。过去,笔记本电脑动辄上万元,现在只需几千元就能买到配置很好的电脑。”秦榕说。

沙子要变成硅材料,要经过怎样的历程?

常帅介绍道,首先,要用碳将硅从富含二氧化硅的沙子中提取出来,通过炭粉还原的方式,将沙子中的二氧化硅转换成纯度超过98%的硅材料,这种材料也被称为工业硅。但纯度98%的工业硅,还不能用于芯片制造,还需应用一些化工工艺将工业硅进一步纯化。纯化后的硅属于多晶硅或无定形硅,此时硅的纯度虽达标,但由于其内部的原子排列很混乱,依旧无法直接应用于精密半导体器件的一线生产。所以,需要通过一些方法将纯度达标的硅材料制成单晶硅。在实际生产操作中,工作人员主要是通过直拉法或区熔法,将多晶硅或无定形硅转换成为单晶硅硅锭。

“简而言之,只有高纯度的单晶硅,才能用作生产材料。”常帅说。

半导体行业用硅量非常有限


沙子是仅次于空气、水,全球需求量最大的自然资源,也是人类生产活动必不可少的基础性原材料。

统计显示,当前全球沙子年产量约为500亿吨。英国《自然》杂志刊文指出,这个用量比自然再生率要高。到本世纪中叶,需求量就可能超过供给量。而前不久,来自联合国环境规划署的一份报告显示,最近20年,随着消费模式的转变、人口的增长、城市化和基础设施的发展,人类对沙子的需求量增加了3倍。

那么,全球沙子的存量是否够半导体行业未来发展所用?沙子存量日益减少,是否会引发半导体行业原材料价格的上涨?

常帅认为,半导体行业的迅猛发展和沙砾过度采掘之间并无太多相关性。“实际上,《自然》所报道的沙子供不应求的情况最可能出现在建筑行业,因为建筑用沙有一定的标准,沙漠中的沙子或海沙一般都不符合要求,只有河沙合适。加之,近年来建筑行业的快速发展,导致世界各地的河沙开采和消耗速率超过了自然恢复速率。”他说。

常帅还提出,半导体行业所用的硅材料,其主要来源并不是河沙,而是各种含硅的矿石,如脉石英、石英砾石等。这些矿石在地球的储量非常大,而且半导体这种高精尖化产业对硅材料的消耗量远小于建筑行业,因此“沙子不够用”这一问题不会成为半导体行业发展的瓶颈。

“全球多晶硅年产能约为64万吨,用于制造芯片的只有3万吨;半导体用硅材料,仅占全部硅材料总产量的5%。半导体行业用硅量非常小,即便沙子真不够用,也很难引发原材料价格整体上涨。”秦榕表示,其实在整个硅材料应用中,半导体只是一个很小的应用领域,大量的硅材料,如太阳能级硅、有机硅等都被用于建筑、运输、化工、纺织、食品、医疗等领域。

“我们日常生活中的很多东西,都会应用到硅元素,比如通信用的光纤、农药、洗发水、化妆品等,只是我们很少关注罢了。”秦榕说。

目前没有可替代硅的原材料


虽然短期内,不用操心沙子变少会对半导体行业产生重大影响,但是我们还会有隐隐地担忧:倘若有一天沙子真没了,是否有能替代硅的新原料?

对此,秦榕和常帅都认为,以如今的技术水平来看,尚难找到替代性原料。

“目前尚没有可替代硅的新物质。”秦榕表示,“信息技术第一法则”摩尔定律指出,集成电路上可容纳的元器件数目每18个月约翻1倍。“可元器件的数量不可能无限制地增长下去,单位面积上可集成的元器件数目会达到极限,这之后必然会出现新技术,但什么时候能出现不得而知,所以半导体器件制造依旧会沿袭现有工艺,硅依旧会是主要制造材料。”她说。

除了技术因素外,在寻找替代性材料时,成本是最大的考量因素。

秦榕认为,在对成本考虑较少、对技术可靠性要求较高的航天、军事等领域,或许能用得起硅材料的替代品。但在绝大部分领域,替换现有“物美价廉”的硅而转用其他材料,很可能会导致电子信息类产品成本暴涨。

常帅的观点佐证了以上说法。他认为,目前在材料领域,科学家虽针对取代硅材料的新型材料展开了种种研究,但这些研究主要是围绕弥补硅材料的一些固有缺陷进行的,如硅材料的载流子迁移率还不够快、透明性及发光性差等,这些劣势限制了其在半导体某些领域里的应用。

“对于各种新型材料,不管是早期的砷化镓还是当下炙手可热的石墨烯,抑或是各种有机半导体材料,它们在实际应用中,受制于工艺繁琐或成本高昂,尚无法撼动硅材料的霸主地位。而且,虽然一些材料在某方面的性能或许能超过硅,但在其他方面却存在这样或那样的缺点。可能在不久的将来,当材料技术获得突破,这些缺点都被克服,那么替代硅的材料就真的出现了。”常帅表示。


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