3月5日,，英國(guó)《每日郵報(bào)》發(fā)表題為《全球沙子短缺,，可能意味著不能為新冠疫苗生產(chǎn)足夠的玻璃瓶》的報(bào)道稱，專家警告說,，全球正面臨沙子短缺危機(jī),。隨著新冠疫苗的分發(fā)，預(yù)計(jì)未來兩年全球?qū)⑿枰?0億支玻璃藥瓶,，這將使沙子的需求進(jìn)一步激增,。

　　除了疫苗瓶，沙子的用途還很廣

　　沙子是地球地殼中含量較豐富的物質(zhì),，也是除了水以外全世界上消耗最多的原材料,。沙子中所含有的元素硅，是地球地殼中第2大組成元素,，約占地殼總質(zhì)量的25%,，廣泛用于制造玻璃、混凝土,、瀝青,、甚至硅微芯片。

　　據(jù)報(bào)道,，全球沙子使用量的倍增部分原因是因?yàn)槌鞘谢难该桶l(fā)展,。據(jù)聯(lián)合國(guó)估計(jì)，全球沙子的使用量是水泥的10倍,，也就是說,，單單在建筑工程的損耗上，全球每年就損耗了大約400億到500億噸沙子,，沙子的消耗速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了沙子的自然形成速度,。在過去的20年中，全球范圍沙子的使用量增加了兩倍,！

　　隨著新冠疫苗的分發(fā),，預(yù)計(jì)未來兩年全球?qū)⑿枰?0億支玻璃藥瓶，這將使沙子的需求進(jìn)一步激增,。

　　在過去10年的大部分時(shí)間里,，建筑開發(fā)以及對(duì)智能手機(jī)和其他使用屏幕的個(gè)性化技術(shù)設(shè)備的需求，導(dǎo)致沙子,、礫石和碎石出現(xiàn)短缺現(xiàn)象,。

　　盡管聯(lián)合國(guó)曾于2019年將“沙子短缺危機(jī)”提上議程,，但因無人關(guān)注和在意,，目前尚未形成“可持續(xù)開采和使用沙子”的詳細(xì)計(jì)劃，但依舊增長(zhǎng)的人口、未來工業(yè)化進(jìn)程,、城市擴(kuò)大化都將推動(dòng)沙子使用量的爆炸性增長(zhǎng),，“沙子短缺危機(jī)”已成為21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的最大挑戰(zhàn)之一。

　　聯(lián)合國(guó)全球資源信息數(shù)據(jù)庫（GRID）全球沙土觀測(cè)計(jì)劃說：“由于城市化,、人口增長(zhǎng)和基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展趨勢(shì),，需求還在增長(zhǎng)，這一趨勢(shì)預(yù)計(jì)將持續(xù)下去,?！?/p>

　　為什么提到沙子，會(huì)想到芯片,？

　　硅為何成了制造半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)材料呢,？

　　北京理工大學(xué)材料學(xué)院副研究員常帥在接受《科技日?qǐng)?bào)》采訪時(shí)表示：“這主要是因?yàn)椋璧幕瘜W(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定,，具有優(yōu)異的半導(dǎo)體特性,；其次，硅的儲(chǔ)量極為豐富,，在地殼中的豐度高達(dá)27.72%,。” ,。此外如今單晶硅制取技術(shù)十分成熟,，相關(guān)的基于硅片的半導(dǎo)體制造工藝如摻雜、光刻等也已普及,，制造成本相對(duì)可控,。

　　可能有人會(huì)問，作為集成電路中最重要的元素硅,，廣泛存在于沙子中,，全球沙子短缺是否會(huì)加劇芯片荒？

　　1,、沙子的提純和處理

　　制造芯片其實(shí)主要是硅,，而沙子是硅的主要原料，所以第一步就是用碳把沙子中的硅提純,。通過將原材料與焦煤置于1800-2000℃的環(huán)境中,，將沙子中的二氧化硅轉(zhuǎn)換成純度98%左右的冶金級(jí)單質(zhì)硅，這種材料也被稱為工業(yè)硅,。

　　但純度98%的工業(yè)硅,，還不能用于芯片制造，還需應(yīng)用一些化工工藝,，利用氯化氫將工業(yè)硅進(jìn)一步純化,。要提純到99.9999999%,，9個(gè)9的純度才能滿足芯片制造。

　　2,、制作單晶硅棒

　　提純后的硅屬于多晶硅或無定形硅,，此時(shí)硅的純度雖達(dá)標(biāo)，但由于其內(nèi)部的原子排列很混亂,，依舊無法直接應(yīng)用于精密半導(dǎo)體器件的一線生產(chǎn),。這里可以類比一下同族元素中的碳元素。我們知道碳在自然環(huán)境中形成的穩(wěn)定晶體是鉆石,，單晶硅晶體也是同理,，所以需要通過一些方法將純度達(dá)標(biāo)的硅材料制成單晶硅。

　　在實(shí)際生產(chǎn)操作中,，工作人員主要是通過直拉法或區(qū)熔法,，將多晶硅或無定形硅轉(zhuǎn)換成為單晶硅硅錠。然后在高溫液態(tài)化的硅元素里加入籽晶,，提供晶體生長(zhǎng)的中心,，慢慢將晶體向上提升，上升同時(shí)以一定速度繞提升軸旋轉(zhuǎn),，以便將硅錠控制在所需直徑內(nèi),。結(jié)束時(shí)，只要提升單晶硅爐溫度,，硅錠就會(huì)自動(dòng)形成一個(gè)錐形尾部,，單晶硅錠的制備就完成了。

　　3,、切割,、研磨

　　再切割成一片一片的硅晶圓片，現(xiàn)在一般是8寸或12寸,，厚度一般在0.8~1mm,。由于單晶硅性質(zhì)穩(wěn)定，所以切割工具用的是更加厲害的金剛石鋸,，也就是鉆石鋸,。

　　由于切割出的晶圓表面依然不光滑，所以需要經(jīng)過仔細(xì)研磨來減少切割時(shí)造成的凹凸不平的表面,。研磨的時(shí)候會(huì)用到一些特殊的化學(xué)液體來對(duì)晶圓表面進(jìn)行清洗,，最后拋光。

　　到這一步,，沙子的提純和處理就完成了,，晶圓的制備也完成了。

　　4,、光刻和刻蝕

　　這一步驟主要用于光刻機(jī)和刻蝕機(jī),，也是整個(gè)CPU制作環(huán)節(jié)中最復(fù)雜,、成本最高的。先把硅晶圓片放到燒爐,，在表面形成一層均勻的氧化膜,，然后再涂上光刻膠,。讓紫外線通過光罩,，把芯片設(shè)計(jì)電路圖投射到涂了光刻膠的硅晶圓上，改變晶圓上光刻膠的性質(zhì),，達(dá)到電路圖的復(fù)制,。

　　再用刻蝕機(jī)把這個(gè)投射出的電路圖腐蝕掉了，露出硅基底,，形成了電路的樣子,。這時(shí)候硅晶圓上是坑坑洼洼的。

　　5,、等離子注入

　　接下來就是等離子注入了,，將需要摻雜的導(dǎo)電性元素導(dǎo)入電弧室，通過放電使其離子化,，經(jīng)過電場(chǎng)加速后,，將離子束由晶圓表面注入。離子注入完畢后的晶圓還需要經(jīng)過熱處理,，一方面利用熱擴(kuò)散原理進(jìn)一步將導(dǎo)電元素“壓入”晶圓中,，另一方面恢復(fù)晶格完整性，活化注入元素的電氣特性,。

　　經(jīng)過這一步驟后,，晶圓內(nèi)部的某些硅原子已經(jīng)被替換成了其他原子，從而獲得了能夠產(chǎn)生自由電子或者空穴的性能,。

　　6,、絕緣層處理、沉淀銅層

　　到這一步,，晶體管的雛形已經(jīng)基本完成了,。此時(shí)需要利用氣相沉積法在硅晶圓的表面沉積一層氧化硅薄膜，形成絕緣層,。之后利用光刻技術(shù)在不同電路層之間開孔,，引出導(dǎo)體電極。

　　而晶體管是相互連接的,，這時(shí)候要進(jìn)行鍍銅了,。這一步的目的是將銅均勻沉積到絕緣層上，下一步可以直接在銅層上進(jìn)行布線,。利用濺射沉積法完成銅層的沉淀后,，再次利用光刻機(jī)對(duì)銅層進(jìn)行雕刻,，形成場(chǎng)效應(yīng)管的源極、漏極,、柵極,。最后，在銅層上沉積一層絕緣層,。

　　7,、構(gòu)建互聯(lián)銅層

　　經(jīng)過上面一系列漫長(zhǎng)的過程之后，芯片的晶體管結(jié)構(gòu)已經(jīng)制作完成,，這一步的主要目的就是將晶體管連接起來,。

　　因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)英特爾CPU采用FINFET工藝，有很多層電路,，因此要不斷重復(fù)“涂膠-光刻-刻蝕-離子注入-絕緣層處理”這一系列步驟,，并且在這個(gè)過程中穿插各種成膜（絕緣膜、金屬膜）工藝,，才能最終獲得所需要的3D晶體管結(jié)構(gòu),。

　　8、切片,、封裝,、測(cè)試

　　加工好之后的晶圓，切割成單獨(dú)的內(nèi)核再進(jìn)行測(cè)試,、封裝,，就成為了一塊可安裝到設(shè)備中的芯片了。這個(gè)過程就不贅述了,。

　　缺沙子,，不會(huì)造成芯片荒

　　建筑和工業(yè)用沙子，不會(huì)經(jīng)過提純之類的加工而直接使用,，這對(duì)沙子的含堿量,、顆粒粗細(xì)等都有更高要求。所以海沙,、沙漠的沙子都不適合建筑業(yè),，只有河沙適合。

　　提煉硅元素,，制造硅晶圓,，其實(shí)這里對(duì)沙子的要求相對(duì)簡(jiǎn)單，只要含有二氧化硅就可以提煉,，但只有高純度的單晶硅,，才能用作生產(chǎn)材料。目前在上述1,、2,、3環(huán)節(jié)中,，國(guó)內(nèi)技術(shù)水平還比較落后，主要靠從日本進(jìn)口9個(gè)9的硅,。

　　而據(jù)常帥介紹,，半導(dǎo)體行業(yè)所用的硅材料，其主要來源并不是河沙,，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(chǔ)量非常大,，而且半導(dǎo)體這種高精尖化產(chǎn)業(yè)對(duì)硅材料的消耗量遠(yuǎn)小于建筑行業(yè),。

　　全球多晶硅年產(chǎn)能約為64萬噸,，用于制造芯片的只有3萬噸；半導(dǎo)體用硅材料,，僅占全部硅材料總產(chǎn)量的5%,。在整個(gè)硅材料應(yīng)用中，半導(dǎo)體只是一個(gè)很小的應(yīng)用領(lǐng)域,，大量的硅材料,，如太陽能級(jí)硅、有機(jī)硅等都被用于建筑,、運(yùn)輸,、化工、紡織,、食品,、醫(yī)療等領(lǐng)域。

　　因此“沙子不夠用”這一問題不會(huì)成為半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的瓶頸,，也不用擔(dān)心會(huì)造成更嚴(yán)重的“芯片荒”,。

　　硅的替代材料出現(xiàn)了嗎？

　　倘若有一天原材料真沒了,，是否有能替代硅的新原料來制造芯片,？

　　雖然近年來碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等第三代半導(dǎo)體材料很火爆,，但以當(dāng)今的技術(shù)水平來看,，其主要應(yīng)用還是集中在功率器件、射頻前端器件等專用領(lǐng)域,，尚難在全產(chǎn)業(yè)范圍內(nèi)替代硅基原料,。

　　“信息技術(shù)第一法則”摩爾定律指出，集成電路上可容納的元器件數(shù)目每18個(gè)月約翻1倍,?？稍骷臄?shù)量不可能無限制地增長(zhǎng)下去,，單位面積上可集成的元器件數(shù)目會(huì)達(dá)到極限，這之后必然會(huì)出現(xiàn)新技術(shù),，但什么時(shí)候能出現(xiàn)不得而知,，所以半導(dǎo)體器件制造依舊會(huì)沿襲現(xiàn)有工藝，硅依舊會(huì)是主要制造材料,。

　　除了技術(shù)因素外,，在尋找替代性材料時(shí)，成本是最大的考量因素,。

　　在對(duì)成本考慮較少,、對(duì)技術(shù)可靠性要求較高的航天、軍事等領(lǐng)域,，或許能用得起硅材料的替代品,。但在絕大部分領(lǐng)域，替換現(xiàn)有“物美價(jià)廉”的硅而轉(zhuǎn)用其他材料,，很可能會(huì)導(dǎo)致電子信息類產(chǎn)品成本暴漲,。

　　目前在材料領(lǐng)域，科學(xué)家雖針對(duì)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(bǔ)硅材料的一些固有缺陷進(jìn)行的,，如硅材料的載流子遷移率還不夠快、透明性及發(fā)光性差等,，這些劣勢(shì)限制了其在半導(dǎo)體某些領(lǐng)域里的應(yīng)用,。

　　“對(duì)于各種新型材料，不管是早期的砷化鎵還是當(dāng)下炙手可熱的石墨烯,，抑或是各種有機(jī)半導(dǎo)體材料,，它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中，受制于工藝繁瑣或成本高昂,，尚無法撼動(dòng)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(diǎn),。可能在不久的將來,，當(dāng)材料技術(shù)獲得突破,，這些缺點(diǎn)都被克服，那么替代硅的材料就真的出現(xiàn)了,?！背洷硎尽?/p>