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網(wǎng)絡(luò)上不時(shí)流傳著這樣一種觀點(diǎn)：所有半導(dǎo)體和太陽(yáng)能光伏制造都依賴于美國(guó)北卡羅來(lái)納州斯普魯斯派恩鎮(zhèn)出產(chǎn)的極純石英。如果該地區(qū)出現(xiàn)毀滅性的打擊，會(huì)對(duì)全球的芯片產(chǎn)業(yè)造成巨大的影響。

這也讓不少人得出了一個(gè)觀點(diǎn)——美國(guó)卡了全球芯片的脖子。

這種石英用于制造坩堝，坩堝中盛放熔融的硅，然后將其制成硅錠，再將硅錠切割成晶片并制成芯片。石英需要非常純凈，以防止雜質(zhì)滲入硅中，而Spruce Pine正是這種非常純凈的石英的產(chǎn)地。

在去年颶風(fēng)海倫襲擊過(guò)后，人們擔(dān)心洪水對(duì)這些位于Spruce Pine礦造成的破壞可能會(huì)導(dǎo)致供應(yīng)中斷，于是人們對(duì)此的興趣激增，很多媒體也報(bào)道了這個(gè)新聞。

正如前文所說(shuō)，人們也經(jīng)常用世界末日的術(shù)語(yǔ)來(lái)談?wù)揝pruce Pine石英。這意味著，如果礦井發(fā)生事故，半導(dǎo)體制造業(yè)（甚至可能是世界經(jīng)濟(jì)）將陷入停頓，而我們則不得不努力尋找替代品。

在上述推文中，莫里克表示，“現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)依賴于北卡羅來(lái)納州Spruce Pine的一條道路?！痹凇段镔|(zhì)世界》中，康威引用了一位行業(yè)專家的話，他說(shuō)，如果礦井受到足夠的破壞，“可能會(huì)在六個(gè)月內(nèi)終結(jié)全球半導(dǎo)體和太陽(yáng)能電池板的生產(chǎn)?！?/p>

這是真的嗎？某種程度上是的！

石英坩堝對(duì)于大多數(shù)半導(dǎo)體制造來(lái)說(shuō)確實(shí)是必需的，而 Spruce Pine 是這種石英的大部分產(chǎn)地。Spruce Pine 石英并不是半導(dǎo)體制造中不可替代的關(guān)鍵。但替代品都是尚未開(kāi)發(fā)、質(zhì)量不太好、價(jià)格不太便宜的組合。切斷 Spruce Pine 石英的供應(yīng)可能不會(huì)完全切斷半導(dǎo)體的供應(yīng)，但這意味著產(chǎn)量下降，成本上升。

其實(shí)該行業(yè)也意識(shí)到了瓶頸，且正在開(kāi)發(fā)新的石英來(lái)源，并正在研究新的坩堝材料。如果找到一種新的坩堝材料，將產(chǎn)生特別大的影響：不僅因?yàn)樗梢韵?Spruce Pine 瓶頸，還因?yàn)槭⑹枪桢V制造的主要限制因素，而一種新的、更好的材料可能會(huì)大幅提高生產(chǎn)效率。

半導(dǎo)體和高純石英

眾所周知，大部分現(xiàn)代半導(dǎo)體都是用高純度硅制成的：微芯片的純度為99.9999999% （稱為 9N），太陽(yáng)能電池的純度則稍低一些（6N-8N）。要使硅達(dá)到這種純度需要經(jīng)過(guò)多個(gè)精煉步驟。該工藝從石英（二氧化硅）開(kāi)始，石英在礦熱爐中與碳發(fā)生反應(yīng)，生成冶金級(jí)硅（純度約為98-99% ）。然后，冶金硅經(jīng)過(guò)西門子工藝：硅與氯化氫發(fā)生反應(yīng)，生成氣態(tài)三氯硅烷 (SiHCl3)，然后將其液化、蒸發(fā)回氣體，并在氫氣存在下暴露于加熱的硅絲中。硅通過(guò)化學(xué)氣相沉積在硅絲上凝結(jié)，形成非常純凈的多晶硅棒，多晶硅由多個(gè)邊界相交的晶體組成。

圖注：冶金硅的生產(chǎn)

這些晶界會(huì)在晶體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不良缺陷，因此對(duì)于微芯片和高效太陽(yáng)能電池板，我們需要單晶硅：單晶的硅錠。單晶硅幾乎全部采用Czochralski (或 CZ) 工藝制成。在 CZ 工藝中，多晶硅在石英坩堝中熔化，溫度超過(guò)1400 攝氏度，然后將一小塊硅籽晶浸入熔體中。隨著晶體被緩慢取出，熔融的硅在其周圍凝固，與現(xiàn)有的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)齊，形成一個(gè)大錠，即一個(gè)單晶。然后，該錠將被切成晶片，然后制成微芯片或太陽(yáng)能電池。

圖注：西門子法生產(chǎn)多晶硅

高溫工藝會(huì)導(dǎo)致石英中的雜質(zhì)滲入熔融硅中，即使坩堝有保護(hù)涂層，雜質(zhì)也會(huì)滲入其中。半導(dǎo)體對(duì)雜質(zhì)極其敏感，即使是百萬(wàn)分之幾的錯(cuò)誤原子也會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果，因此坩堝所用的石英必須盡可能純凈。由于高純度石英價(jià)格昂貴，因此坩堝由一層高純度石英和一層較便宜、純度較低的石英制成。

圖注：Czochralski制造工藝

石英坩堝不僅對(duì)硅錠的質(zhì)量有重大影響，而且是硅錠制造成本的主要決定因素。高純度石英的成本約為每噸 10000 美元，而坩堝本身的成本則為數(shù)千美元。此外，坩堝的使用壽命很短。

圖注：雙層石英坩堝的橫截面

隨著時(shí)間的推移，坩堝會(huì)退化，高溫引起的化學(xué)變化會(huì)導(dǎo)致坩堝在冷卻后破裂。制造商可以通過(guò)在不冷卻爐子的情況下從坩堝中取出多個(gè)硅錠來(lái)延長(zhǎng)坩堝的使用壽命，但坩堝的使用壽命仍然限制在 400 小時(shí)左右。CZ 爐每年將消耗大約 20-25 個(gè)坩堝，大型硅錠制造廠可能有數(shù)十個(gè) CZ 爐。一篇論文估計(jì)，單晶硅錠制造成本的 30% 來(lái)自坩堝。

圖注：晶圓廠內(nèi)有數(shù)十臺(tái) CZ 爐

這些坩堝所需的高純度石英大部分來(lái)自 Spruce Pine，由兩家在那里采礦的公司提供：比利時(shí)礦業(yè)公司 Sibelco 的子公司Covia （前身為 Unimin）和挪威礦業(yè)公司Quartz Corp。

具體數(shù)字很難得出（高純度石英行業(yè)極其保密），但據(jù)估計(jì)，Spruce Pine 每年生產(chǎn)18 萬(wàn)至 20 萬(wàn)噸高純度石英。如果這個(gè)數(shù)字正確，那么隨著時(shí)間的推移，這個(gè)數(shù)字會(huì)大幅上升（這并不奇怪，因?yàn)樘?yáng)能光伏產(chǎn)量不斷上升，而且電池從多晶硅向單晶硅過(guò)渡。）

2013 年，全球石英出貨量?jī)H為8 萬(wàn)噸（包括中純、高純和超純石英），2015 年高純度石英年總產(chǎn)量估計(jì)約為 3 萬(wàn)噸。 20 萬(wàn)噸并不是那么多的材料（相比之下，美國(guó)最大的煤礦去年生產(chǎn)了6200 萬(wàn)噸），而 Quartz 公司估計(jì)其現(xiàn)有礦井擁有數(shù)十年的儲(chǔ)量，而未來(lái)計(jì)劃中的礦井則擁有更多的儲(chǔ)量。

Spruce Pine石英之所以受歡迎，不僅是因?yàn)樗烊坏母呒兌龋€因?yàn)樗梢赃M(jìn)一步凈化，使其純度達(dá)到 99.999% 或更高。據(jù)一本名為《The World in a Grain: The Story of Sand and How It Transforme》的書(shū)描述：

“Spruce Pine的石英本來(lái)就非常純凈，經(jīng)過(guò)幾輪泡沫浮選后純度會(huì)更高。但一些顆?？赡苋匀缓懈衤甯ニf(shuō)的間隙晶體污染物——附著在石英分子上的其他礦物分子。這種情況很常見(jiàn)，令人沮喪?！拔乙呀?jīng)評(píng)估了來(lái)自世界各地的數(shù)千個(gè)石英樣品，”距離Spruce Pine約一小時(shí)車程的阿什維爾礦產(chǎn)研究實(shí)驗(yàn)室的首席礦物加工工程師約翰施蘭茨說(shuō)?！皫缀跛袠悠返奈廴疚锒兼i在石英顆粒中，無(wú)法清除?！?/p>

然而，最好的Spruce Pine石英具有開(kāi)放的晶體結(jié)構(gòu)，這意味著可以將氫氟酸直接注入晶體分子中，以溶解任何殘留的長(zhǎng)石或鐵，從而將純度提高一個(gè)檔次。技術(shù)人員更進(jìn)一步，在高溫下使石英與氯或鹽酸發(fā)生反應(yīng)，然后再經(jīng)過(guò)一到兩個(gè)商業(yè)秘密的物理和化學(xué)處理步驟?！?/p>

不過(guò)，據(jù)我們了解，Spruce Pine 并不是天然高純度石英的唯一來(lái)源。

中國(guó)每年生產(chǎn)約 5,000 噸石英，并希望將其產(chǎn)量擴(kuò)大到 20,000 噸或更多。挪威和俄羅斯都生產(chǎn)少量石英，而巴西歷史上是主要供應(yīng)國(guó)。加拿大、南卡羅來(lái)納州、斯里蘭卡和澳大利亞等世界各地都有其他潛在石英來(lái)源正在調(diào)查中。

毫無(wú)疑問(wèn)，Spruce Pine 是全球 70-90% 石英供應(yīng)的來(lái)源。但這并不意味著它不可替代。除了努力在其他地方尋找新來(lái)源外，還有多種方法可以替代，盡管這并非沒(méi)有困難。

一種選擇是使用合成石英而不是天然開(kāi)采的石英。合成石英實(shí)際上可以比天然石英純度高得多。缺點(diǎn)是合成石英要貴得多，可能大約是天然高純度石英成本的 5-10 倍。芯片制造商可能可以承擔(dān)這筆費(fèi)用，因?yàn)楣桢V只占微芯片成本的一小部分、

而且據(jù)我所知，一些芯片制造商已經(jīng)在使用由Japan Super Quartz等公司銷售的合成石英坩堝。然而，對(duì)于太陽(yáng)能光伏來(lái)說(shuō)，這種成本增加將是一個(gè)巨大的負(fù)擔(dān)。

圖注：石英品質(zhì)與價(jià)格

同樣，制造商可以使用其他純度較低的石英源，并進(jìn)一步提煉以達(dá)到所需的純度水平。這也將更加昂貴，而且所得石英可能仍比 Spruce Pine 石英含有更多雜質(zhì)，導(dǎo)致產(chǎn)量較低，從而導(dǎo)致成本更高，但這也可能是可行的。SemiAnalysis的一篇文章認(rèn)為，對(duì) Spruce Pine 石英的擔(dān)憂被夸大了，特別是因?yàn)橛泻铣墒⒖捎?，并且有可能提煉純度較低的石英源。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，有可能找到替代的坩堝材料。石英的耐高溫能力、低熱膨脹系數(shù)以及與熔融硅的相對(duì)不反應(yīng)性是難以替代的，石英坩堝目前是硅半導(dǎo)體制造的唯一選擇（盡管如果你使用鍺或氮化鎵等其他材料，則有更多選擇）。但研究人員正在探索替代的坩堝材料，如氮化硅和碳化硅。由于石英是限制坩堝壽命的主要瓶頸，因此，一種能夠使 CZ 爐運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間的新型高性能材料將成為錠材制造的一大進(jìn)步。

從技術(shù)上講，通過(guò)區(qū)熔法（Float Zone），無(wú)需任何坩堝即可制造高純度硅錠。在此過(guò)程中，多晶硅錠通過(guò)環(huán)形射頻加熱器緩慢地重新熔化，該加熱器沿錠的長(zhǎng)度移動(dòng)。當(dāng)硅熔化并在晶種周圍重新凝固時(shí)，雜質(zhì)會(huì)遷移出來(lái)，從而產(chǎn)生單晶硅錠。

圖注：Float Zone 工藝

由于Float Zone工藝根本不需要硅接觸坩堝，因此它可以實(shí)現(xiàn)比 CZ 工藝更高的純度。它用于需要這種純度的電力電子等產(chǎn)品。然而，F(xiàn)loat Zone工藝比 CZ 工藝更昂貴，部分原因是它需要較大的多晶硅錠而不是較小的多晶硅塊：這個(gè)來(lái)自半導(dǎo)體制造商的網(wǎng)站表明，浮區(qū)法晶圓的成本大約是類似 CZ 晶圓的兩倍。

更關(guān)鍵的是，F(xiàn)loat Zone工藝在生產(chǎn)錠（以及晶圓）尺寸方面受到限制。其最大直徑約為 6 英寸，而自 21 世紀(jì)初以來(lái)，領(lǐng)先的半導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)一直使用12 英寸晶圓。尺寸限制意味著更高的成本，因?yàn)榫A尺寸越小，一次處理的芯片數(shù)量就越少，而且所有現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造設(shè)備都必須進(jìn)行改造或更換才能處理更小的晶圓。實(shí)際上，除非情況極為危急，否則大規(guī)模過(guò)渡到浮區(qū)工藝可能不可行。

由此，我們可以得出結(jié)論：

Spruce Pine 確實(shí)是現(xiàn)代半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的關(guān)鍵瓶頸，但它并不是支撐整個(gè)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的不可替代的承重支柱。它更接近于在性價(jià)比領(lǐng)域占據(jù)一個(gè)相對(duì)獨(dú)特的利基市場(chǎng)：有替代品，但它們都是不太好、不太便宜且尚未開(kāi)發(fā)的組合；

正如一些分析人士所說(shuō)，并不是說(shuō)其他地方?jīng)]有高純度石英。而是Spruce Pine 的純度、可用性和價(jià)格幾乎是獨(dú)一無(wú)二的。俄羅斯和巴西都有礦山，更不用說(shuō)中國(guó)了，這些礦山已經(jīng)生產(chǎn)了大量高純度石英。有些公司能夠合成高純度石英。

所以，Spruce Pine如果出事了，不會(huì)是世界末日。這不會(huì)“終結(jié)”半導(dǎo)體或太陽(yáng)能電池制造。不過(guò)，正如有人曾經(jīng)說(shuō)過(guò)的那樣，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，我們都會(huì)死。從短期來(lái)看，實(shí)際上增加替代生產(chǎn)需要一些時(shí)間，同樣重要的是，還需要一些成本。

在我看來(lái)，最有趣的不是 Spruce Pine 瓶頸，而是石英坩堝對(duì)硅錠制造的限制。找到替代的坩堝材料將對(duì)幫助太陽(yáng)能光伏成本繼續(xù)下降大有裨益，隨著太陽(yáng)能光伏采用率不斷上升。

我很想知道，新材料方面是否會(huì)取得任何進(jìn)展。

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