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(chēng),，專(zhuān)家警告說(shuō),，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(lái)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(shuō),，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(guò)了沙子的自然形成速度,。在過(guò)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(lái)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(guò)去10年的大部分時(shí)間里,，建筑開(kāi)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(wú)人關(guān)注和在意，目前尚未形成“可持續(xù)開(kāi)采和使用沙子”的詳細(xì)計(jì)劃,，但依舊增長(zhǎng)的人口,、未來(lái)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(kù)（GRID）全球沙土觀測(cè)計(jì)劃說(shuō)：“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,。”
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)?，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(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(wèn),，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(guò)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(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，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(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),。這里可以類(lèi)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(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,。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(guò)仔細(xì)研磨來(lái)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)放電使其離子化,，經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)上面一系列漫長(zhǎng)的過(guò)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(lái),。
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(guò)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(guò)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(guò)提純之類(lèi)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(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),。
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%。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,。
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,，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(méi)了，是否有能替代硅的新原料來(lái)制造芯片,？
雖然近年來(lái)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(lái)看,，其主要應(yīng)用還是集中在功率器件,、射頻前端器件等專(zhuān)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(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。
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(lèi)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(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),?？赡茉诓痪玫膶?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?！背洷硎?。