3月5日，英國《每日郵報》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》的報道稱，專家警告說，全球正面臨沙子短缺危機。隨著新冠疫苗的分發(fā)，預(yù)計未來兩年全球?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)報道，全球沙子使用量的倍增部分原因是因為城市化的迅猛發(fā)展。據(jù)聯(lián)合國估計，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年的大部分時間里，建筑開發(fā)以及對智能手機和其他使用屏幕的個性化技術(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)合國曾于2019年將“沙子短缺危機”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)計劃，但依舊增長的人口、未來工業(yè)化進(jìn)程、城市擴大化都將推動沙子使用量的爆炸性增長，“沙子短缺危機”已成為21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的最大挑戰(zhàn)之一。

　　聯(lián)合國全球資源信息數(shù)據(jù)庫（GRID）全球沙土觀測計劃說：“由于城市化、人口增長和基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展趨勢，需求還在增長，這一趨勢預(yù)計將持續(xù)下去。”

　　為什么提到沙子，會想到芯片？

　　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《科技日報》采訪時表示：“這主要是因為，硅的化學(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，制造成本相對可控。

　　可能有人會問，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加劇芯片荒？

　　1、沙子的提純和處理

　　制造芯片其實主要是硅，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，提供晶體生長的中心，慢慢將晶體向上提升，上升同時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，只要提升單晶硅爐溫度，硅錠就會自動形成一個錐形尾部，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)研磨來減少切割時造成的凹凸不平的表面。研磨的時候會用到一些特殊的化學(xué)液體來對晶圓表面進(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和刻蝕機，也是整個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。

　　再用刻蝕機把這個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，再次利用光刻機對銅層進(jìn)行雕刻，形成場效應(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。

　　因為目前大多數(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、測試

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

　　缺沙子，不會造成芯片荒

　　建筑和工業(yè)用沙子，不會經(jīng)過提純之類的加工而直接使用，這對沙子的含堿量、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，其實這里對沙子的要求相對簡單，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，國內(nèi)技術(shù)水平還比較落后，主要靠從日本進(jìn)口9個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量非常大，而且半導(dǎo)體這種高精尖化產(chǎn)業(yè)對硅材料的消耗量遠(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%。在整個硅材料應(yīng)用中，半導(dǎo)體只是一個很小的應(yīng)用領(lǐng)域，大量的硅材料，如太陽能級硅、有機硅等都被用于建筑、運輸、化工、紡織、食品、醫(yī)療等領(lǐng)域。

　　因此“沙子不夠用”這一問題不會成為半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的瓶頸，也不用擔(dān)心會造成更嚴(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個月約翻1倍?？稍骷臄?shù)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(shù)目會達(dá)到極限，這之后必然會出現(xiàn)新技術(shù)，但什么時候能出現(xiàn)不得而知，所以半導(dǎo)體器件制造依舊會沿襲現(xiàn)有工藝，硅依舊會是主要制造材料。

　　除了技術(shù)因素外，在尋找替代性材料時，成本是最大的考量因素。

　　在對成本考慮較少、對技術(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“物美價廉”的硅而轉(zhuǎn)用其他材料，很可能會導(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(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，這些劣勢限制了其在半導(dǎo)體某些領(lǐng)域里的應(yīng)用。

　　“對于各種新型材料，不管是早期的砷化鎵還是當(dāng)下炙手可熱的石墨烯，抑或是各種有機半導(dǎo)體材料，它們在實際應(yīng)用中，受制于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(dāng)材料技術(shù)獲得突破，這些缺點都被克服，那么替代硅的材料就真的出現(xiàn)了。”常帥表示。