在手機(jī)、電腦、智能手表這些電子設(shè)備中，芯片是其最核心的零部件。芯片也是半導(dǎo)體行業(yè)集成度最高的元器件，而生產(chǎn)其所用的硅材料，主要來(lái)源于沙礫。
近日英國(guó)《自然》雜志發(fā)文稱(chēng)，目前沙子和礫石的采掘速度，已超過(guò)其自然恢復(fù)的速度。因此，地球上沙子的需求量可能很快就會(huì)超過(guò)供給量。一時(shí)間，“沙子快沒(méi)了”的消息在網(wǎng)上引發(fā)熱議。
硅是半導(dǎo)體行業(yè)的基石，而沙子是提取硅的重要原料。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，半導(dǎo)體行業(yè)的迅猛發(fā)展，是否造成了沙子的過(guò)度采掘？沙子資源枯竭是否會(huì)引發(fā)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展危機(jī)？
就上述問(wèn)題，科技日?qǐng)?bào)記者采訪了業(yè)內(nèi)相關(guān)專(zhuān)家。
壹
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(zhì)，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％。沙子的種類(lèi)主要有兩種：天然沙和機(jī)制沙，天然沙又可被分為河沙、海沙和山沙。
那么，為何硅成了制造半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)材料呢？
“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％。”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)記者采訪時(shí)表示，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。
黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司是一家從事硅材料制造的企業(yè)，其青海新能源分公司副總經(jīng)理秦榕在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)也指出，硅之所以成為半導(dǎo)體行業(yè)的“靈魂”原料，主要是由硅的化學(xué)性質(zhì)決定的。
“在工業(yè)生產(chǎn)中，提純硅比較容易，并能達(dá)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(lái)越低，這也在一定程度上降低了手機(jī)、電腦等終端產(chǎn)品的定價(jià)。過(guò)去，筆記本電腦動(dòng)輒上萬(wàn)元，現(xiàn)在只需幾千元就能買(mǎi)到配置很好的電腦。”秦榕說(shuō)。
沙子要變成硅材料，要經(jīng)過(guò)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(lái)，通過(guò)炭粉還原的方式，將沙子中的二氧化硅轉(zhuǎn)換成純度超過(guò)98％的硅材料，這種材料也被稱(chēng)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)用一些化工工藝將工業(yè)硅進(jìn)一步純化。純化后的硅屬于多晶硅或無(wú)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(wú)法直接應(yīng)用于精密半導(dǎo)體器件的一線生產(chǎn)。所以，需要通過(guò)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(guò)直拉法或區(qū)熔法，將多晶硅或無(wú)定形硅轉(zhuǎn)換成為單晶硅硅錠。
“簡(jiǎn)而言之，只有高純度的單晶硅，才能用作生產(chǎn)材料。”常帥說(shuō)。
貳
半導(dǎo)體行業(yè)用硅量非常有限
沙子是僅次于空氣、水，全球需求量最大的自然資源，也是人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)必不可少的基礎(chǔ)性原材料。
統(tǒng)計(jì)顯示，當(dāng)前全球沙子年產(chǎn)量約為500億噸。英國(guó)《自然》雜志刊文指出，這個(gè)用量比自然再生率要高。到本世紀(jì)中葉，需求量就可能超過(guò)供給量。而前不久，來(lái)自聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署的一份報(bào)告顯示，最近20年，隨著消費(fèi)模式的轉(zhuǎn)變、人口的增長(zhǎng)、城市化和基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)沙子的需求量增加了3倍。
那么，全球沙子的存量是否夠半導(dǎo)體行業(yè)未來(lái)發(fā)展所用？沙子存量日益減少，是否會(huì)引發(fā)半導(dǎo)體行業(yè)原材料價(jià)格的上漲？
常帥認(rèn)為，半導(dǎo)體行業(yè)的迅猛發(fā)展和沙礫過(guò)度采掘之間并無(wú)太多相關(guān)性。“實(shí)際上，《自然》所報(bào)道的沙子供不應(yīng)求的情況最可能出現(xiàn)在建筑行業(yè)，因?yàn)榻ㄖ蒙秤幸欢ǖ臉?biāo)準(zhǔn)，沙漠中的沙子或海沙一般都不符合要求，只有河沙合適。加之，近年來(lái)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致世界各地的河沙開(kāi)采和消耗速率超過(guò)了自然恢復(fù)速率。”他說(shuō)。
常帥還提出，半導(dǎo)體行業(yè)所用的硅材料，其主要來(lái)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)，因此“沙子不夠用”這一問(wèn)題不會(huì)成為半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的瓶頸。
“全球多晶硅年產(chǎn)能約為64萬(wàn)噸，用于制造芯片的只有3萬(wàn)噸；半導(dǎo)體用硅材料，僅占全部硅材料總產(chǎn)量的5％。半導(dǎo)體行業(yè)用硅量非常小，即便沙子真不夠用，也很難引發(fā)原材料價(jià)格整體上漲。”秦榕表示，其實(shí)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(yáng)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。
“我們?nèi)粘Ｉ钪械暮芏鄸|西，都會(huì)應(yīng)用到硅元素，比如通信用的光纖、農(nóng)藥、洗發(fā)水、化妝品等，只是我們很少關(guān)注罷了。”秦榕說(shuō)。
叁
目前沒(méi)有可替代硅的原材料
雖然短期內(nèi)，不用操心沙子變少會(huì)對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)生重大影響，但是我們還會(huì)有隱隱地?fù)?dān)憂：倘若有一天沙子真沒(méi)了，是否有能替代硅的新原料？
對(duì)此，秦榕和常帥都認(rèn)為，以如今的技術(shù)水平來(lái)看，尚難找到替代性原料。
“目前尚沒(méi)有可替代硅的新物質(zhì)。”秦榕表示，“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。“可元器件的數(shù)量不可能無(wú)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。”她說(shuō)。
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。秦榕認(rèn)為，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(lèi)產(chǎn)品成本暴漲。
常帥的觀點(diǎn)佐證了以上說(shuō)法。他認(rèn)為，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(kāi)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(wú)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(guò)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(lái)，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。”常帥表示。