在手機、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，主要來源于沙礫。
近日英國《自然》雜志發(fā)文稱，目前沙子和礫石的采掘速度，已超過其自然恢復(fù)的速度。因此，地球上沙子的需求量可能很快就會超過供給量。一時間，“沙子快沒了”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。近半個世紀(jì)以來，半導(dǎo)體行業(yè)的迅猛發(fā)展，是否造成了沙子的過度采掘？沙子資源枯竭是否會引發(fā)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展危機？
就上述問題，科技日報記者采訪了業(yè)內(nèi)相關(guān)專家。
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％。沙子的種類主要有兩種：天然沙和機制沙，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報記者采訪時表示，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，制造成本相對可控。
黃河上游水電開發(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報記者采訪時也指出，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越低，這也在一定程度上降低了手機、電腦等終端產(chǎn)品的定價。過去，筆記本電腦動輒上萬元，現(xiàn)在只需幾千元就能買到配置很好的電腦。”秦榕說。
沙子要變成硅材料，要經(jīng)過怎樣的歷程？
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，通過炭粉還原的方式，將沙子中的二氧化硅轉(zhuǎn)換成純度超過98％的硅材料，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)用一些化工工藝將工業(yè)硅進一步純化。純化后的硅屬于多晶硅或無定形硅，此時硅的純度雖達標(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)。所以，需要通過一些方法將純度達標(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。
“簡而言之，只有高純度的單晶硅，才能用作生產(chǎn)材料。”常帥說。
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，也是人類生產(chǎn)活動必不可少的基礎(chǔ)性原材料。
統(tǒng)計顯示，當(dāng)前全球沙子年產(chǎn)量約為500億噸。英國《自然》雜志刊文指出，這個用量比自然再生率要高。到本世紀(jì)中葉，需求量就可能超過供給量。而前不久，來自聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署的一份報告顯示，最近20年，隨著消費模式的轉(zhuǎn)變、人口的增長、城市化和基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，人類對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)未來發(fā)展所用？沙子存量日益減少，是否會引發(fā)半導(dǎo)體行業(yè)原材料價格的上漲？
常帥認為，半導(dǎo)體行業(yè)的迅猛發(fā)展和沙礫過度采掘之間并無太多相關(guān)性。“實際上，《自然》所報道的沙子供不應(yīng)求的情況最可能出現(xiàn)在建筑行業(yè)，因為建筑用沙有一定的標(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，近年來建筑行業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致世界各地的河沙開采和消耗速率超過了自然恢復(fù)速率。”他說。
常帥還提出，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小于建筑行業(yè)，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。
“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％。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)原材料價格整體上漲。”秦榕表示，其實在整個硅材料應(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。
“我們?nèi)粘Ｉ钪械暮芏鄸|西，都會應(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。
叁
目前沒有可替代硅的原材料
雖然短期內(nèi)，不用操心沙子變少會對半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)生重大影響，但是我們還會有隱隱地擔(dān)憂：倘若有一天沙子真沒了，是否有能替代硅的新原料？
對此，秦榕和常帥都認為，以如今的技術(shù)水平來看，尚難找到替代性原料。
“目前尚沒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個月約翻1倍。“可元器件的數(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。”她說。
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。秦榕認為，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。
常帥的觀點佐證了以上說法。他認為，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。