沙子快没了别担心,造芯片主要用的不是它

新闻资讯 阅读(1852)

2019-09-18 07: 39: 09观察者网络

本文转自《科学技术日报》

在手机,计算机和智能手表等电子设备中,芯片是其核心组件。该芯片还是半导体工业中集成度最高的组件,用于生产该芯片的硅材料主要来自砾石。

最近,英国《自然》杂志发布了一份文件,称当前的砂石开采速度已超过其自然采收率。因此,地球上对沙子的需求可能很快就会超过供应。有一时间,“沙不见了”的新闻在互联网上很热。

硅是半导体工业的基石,而砂是提取硅的重要原料。在近半个世纪的时间里,半导体工业的飞速发展是否造成了过多的沙子开采?沙子资源的枯竭是否会导致半导体行业的发展危机?

关于上述问题,《科学技术日报》记者采访了业内有关专家。

凭借大量库存和易于纯化的功能脱颖而出

沙子是地壳中的丰富物质。沙子中所含的元素硅是地壳的第二大成分,约占地壳总质量的25%。砂的主要类型有两种:天然砂和机械砂,天然砂可分为河砂,海砂和山砂。

那么,为什么硅是制造半导体器件的基础材料呢?

“这主要是因为硅的化学性质相对稳定并且具有出色的半导体性质。其次,硅的储量非常丰富,地壳中的硅含量高达27.72%。”北京工业大学材料科学与工程学院副研究员常帅正在接受技术。根据对每日记者的采访,此外,单晶硅生产技术非常成熟,并且相关的基于硅的半导体制造工艺(例如掺杂和光刻)也变得流行,并且制造成本相对可控。

黄河上游水电开发有限公司是一家从事硅材料生产的公司。青海新能源分公司副总经理秦岚在接受《科技日报》采访时也指出,硅之所以成为半导体行业的“灵魂”原料,主要取决于化学性质。硅。

“在工业生产中,更容易纯化硅并获得高纯度。随着大量库存和易于纯化,硅材料的制造成本越来越低,这也在一定程度上降低了手机,计算机等的成本。终端产品的定价。过去,笔记本电脑是数万美元,而现在购买一台配置良好的计算机只有几千美元。”秦说。

沙子进入硅的历史是什么?

常帅首先介绍了用碳从富含二氧化硅的沙子中提取硅,然后通过碳粉还原将沙子中的二氧化硅转化为纯度超过98%的硅材料。材料也称为工业硅。然而,纯度为98%的工业硅不能用于芯片制造,并且需要一些化学工艺来进一步纯化工业硅。纯化的硅属于多晶硅或非晶硅。此时,尽管硅的纯度达到标准,但是其内部原子排列非常混乱,并且不能直接应用于精密半导体器件的一线生产。因此,需要一些方法将具有纯度标准的硅材料制成单晶硅。在实际的生产操作中,工人主要通过切克劳斯基方法或区域熔化法将多晶硅或非晶硅转变成单晶硅硅锭。

简而言之,只有高纯度的单晶硅可以用作生产材料。”常帅说。

半导体行业中硅的用量非常有限

沙子是仅次于空气和水的自然资源,具有全球最大的需求。它也是人类生产活动的重要原料。

统计数据显示,目前全球每年的沙子产量约为500亿吨。英国《自然》杂志的文章指出,该数量高于自然再生率。到本世纪中叶,需求可能超过供应。不久前,联合国环境规划署的一份报告显示,在过去的20年中,随着消费方式,人口增长,城市化和基础设施发展的变化,人类对沙子的需求增加了两倍。

那么,全球沙子储备是否足以满足半导体行业的未来发展?沙子库存的减少将导致半导体行业原材料的价格上涨。

常帅认为,半导体工业的快速发展与砾石的过度开采之间没有太大的关联。 “实际上,《自然》中报告的沙子短缺最可能发生在建筑行业,因为建筑中使用的沙子有一定标准,沙漠中的沙子或海沙通常不符合要求,只有河流沙子是合适的。此外,近年来建筑行业的快速发展导致世界范围内河砂的开采和消费速度超过了自然恢复速度。”

常帅还提出,半导体工业中使用的硅材料,其主要来源不是河沙,而是各种含硅矿石,例如脉石英,石英碎石等。这些矿石在地球上的储量非常大,与半导体行业相比,高精度半导体行业消耗的硅要少得多。因此,“沙子不够”的问题不会成为半导体产业发展的瓶颈。

“全球每年的多晶硅生产能力约为64万吨,只有30,000吨用于制造芯片。半导体用硅材料仅占硅总产量的5%。即使沙子不够,半导体行业中使用的硅也很小。秦说,在整个硅材料应用中,半导体仅是一个很小的应用领域,并且有大量的硅材料,例如太阳能级硅和硅酮,是很难做到的。用于建筑。交通,化工,纺织,食品,医疗等领域。

“我们日常生活中的很多东西都将用于硅,例如通讯用的光纤,杀虫剂,洗发水,化妆品等,但我们对此却很少关注。”秦说。

当前没有替代硅原料的材料

尽管从短期来看,无需担心砂会对半导体行业产生重大影响这一事实,但是我们也会隐约地担心:如果有一天砂真的消失了,是否有任何新材料可以代替硅吗?

对此,秦浩和常帅都认为,从目前的技术水平来看仍然很难找到替代原料。

“目前没有新材料可以替代硅。”秦说,“信息技术的第一规则”摩尔定律指出,集成电路中可容纳的组件数量每18个月大约增加一倍。 “组件数量不能无限增长,每单位面积可以集成的组件数量将达到极限。此后,不可避免地会出现新技术,但是当人们不知道时,半导体器件的制造仍将紧随其后。在现有工艺中,硅仍将是主要的制造材料。”

除了技术因素,寻找替代材料时,成本也是最大的考虑因素。

秦伟认为,在航空航天,军事和其他领域中,成本考虑较少,技术可靠性要求更高的领域,可能会有硅材料的替代品。但是在大多数地区,用其他材料代替现有的“廉价”硅很可能导致电子信息产品的价格飞涨。

张帅的观点证实了以上说法。他认为,在材料领域,科学家对替代硅材料的新材料进行了各种研究,但这些研究主要集中在弥补硅材料的一些固有缺陷,例如硅材料的载流子迁移速度不快。足够。透明性和发光度差,这些缺点限制了其在半导体某些领域的应用。

“对于各种新材料,无论是早期的砷化镓或热石墨烯,还是各种有机半导体材料,在实际应用中都不受繁琐或昂贵工艺的限制。尽管某些材料在某些方面的性能可能比硅好,但在某些方面还有其他缺点。可能在不久的将来,当材料技术突破并克服这些缺点时,硅就被取代了。材料真的出现了。”常帅说。

本报记者张云

本文摘自:科技日报

在手机、电脑和智能手表等电子设备中,芯片是其核心部件。芯片也是半导体工业中集成度最高的元件,生产芯片所用的硅材料主要来自砾石。

近日,英国《自然》杂志发表文件称,目前砂石料开采速度已超过其自然回收率。因此,地球上对沙子的需求可能很快就会超过供给。一时间,“风沙不见了”的消息在网络上热传。

硅是半导体工业的基石,而砂是提取硅的重要原料。近半个世纪以来,半导体产业的快速发展是否造成了过度采砂?沙子资源的枯竭是否会导致半导体行业的发展危机?

就上述问题,《科技日报》记者采访了业内相关专家。

拥有大量库存和易于净化的功能,让您脱颖而出

沙子是地壳中丰富的物质。沙子中所含的硅元素是地壳的第二大组成部分,约占地壳总质量的25%。砂主要有两种类型:天然砂和机制砂,天然砂可分为河砂、海砂和山砂。

那么为什么硅是制造半导体器件的基础材料呢?

“这主要是因为硅的化学性质相对稳定,具有优异的半导体性能。其次,硅储量极为丰富,地壳中的硅丰度高达27.72%。”北京工业大学材料科学与工程学院副研究员常帅正在接受技术采访。另据《每日记者》采访,单晶硅生产技术非常成熟,掺杂、光刻等相关硅基半导体制造工艺也很流行,制造成本相对可控。

黄河上游水电开发有限公司是一家从事硅材料制造的公司。青海新能源分公司副总经理秦岚在接受科技日报记者采访时也指出,硅之所以成为半导体行业的“灵魂”原材料,主要是由硅的化学性质决定的。

“在工业生产中,更容易提纯硅,达到高纯度。由于硅材料库存大、易净化,其制造成本越来越低,也在一定程度上降低了手机、电脑等。终端产品的定价。秦刚说:“过去,笔记本电脑是几万美元,现在买一台配置良好的电脑只需要几千美元。”

沙子进入硅的历史是什么?

常帅介绍,首先用碳从富硅砂中提取硅,通过碳粉还原法将砂中的硅转化成纯度达98%以上的硅材料。材料也被称为工业硅。然而,纯度为98%的工业硅不能用于芯片制造,需要一些化学工艺来进一步提纯工业硅。纯化后的硅属于多晶硅或非晶硅。此时,虽然硅的纯度达到了标准,但其内部原子排列非常混乱,不能直接应用于精密半导体器件的一线生产。因此,需要采用一些方法将具有纯度标准的硅材料制成单晶硅。在实际生产操作中,工人主要采用直拉法或区熔法将多晶硅或非晶硅转化为单晶硅锭。

简而言之,只有高纯度的单晶硅可以用作生产材料。”常帅说。

半导体行业中硅的用量非常有限

沙子是仅次于空气和水的自然资源,具有全球最大的需求。它也是人类生产活动的重要原料。

统计数据显示,目前全球每年的沙子产量约为500亿吨。英国《自然》杂志的文章指出,该数量高于自然再生率。到本世纪中叶,需求可能超过供应。不久前,联合国环境规划署的一份报告显示,在过去的20年中,随着消费方式,人口增长,城市化和基础设施发展的变化,人类对沙子的需求增加了两倍。

那么,全球沙子储备是否足以满足半导体行业的未来发展?沙子库存的减少将导致半导体行业原材料的价格上涨。

常帅认为,半导体工业的快速发展与砾石的过度开采之间没有太大的关联。 “实际上,《自然》中报告的沙子短缺最可能发生在建筑行业,因为建筑中使用的沙子有一定标准,沙漠中的沙子或海沙通常不符合要求,只有河流沙子是合适的。此外,近年来建筑行业的快速发展导致世界范围内河砂的开采和消费速度超过了自然恢复速度。”

常帅还提出,半导体工业中使用的硅材料,其主要来源不是河沙,而是各种含硅矿石,例如脉石英,石英碎石等。这些矿石在地球上的储量非常大,与半导体行业相比,高精度半导体行业消耗的硅要少得多。因此,“沙子不够”的问题不会成为半导体产业发展的瓶颈。

“全球每年的多晶硅生产能力约为64万吨,只有30,000吨用于制造芯片。半导体用硅材料仅占硅总产量的5%。即使沙子不够,半导体行业中使用的硅也很小。秦说,在整个硅材料应用中,半导体仅是一个很小的应用领域,并且有大量的硅材料,例如太阳能级硅和硅酮,是很难做到的。用于建筑。交通,化工,纺织,食品,医疗等领域。

“我们日常生活中的很多东西都将用于硅,例如通讯用的光纤,杀虫剂,洗发水,化妆品等,但我们对此却很少关注。”秦说。

当前没有替代硅原料的材料

尽管从短期来看,无需担心砂会对半导体行业产生重大影响这一事实,但是我们也会隐约地担心:如果有一天砂真的消失了,是否有任何新材料可以代替硅吗?

对此,秦浩和常帅都认为,从目前的技术水平来看仍然很难找到替代原料。

“目前没有新材料可以替代硅。”秦说,“信息技术的第一规则”摩尔定律指出,集成电路中可容纳的组件数量每18个月大约增加一倍。 “组件数量不能无限增长,每单位面积可以集成的组件数量将达到极限。此后,不可避免地会出现新技术,但是当人们不知道时,半导体器件的制造仍将紧随其后。在现有工艺中,硅仍将是主要的制造材料。”

除了技术因素,寻找替代材料时,成本也是最大的考虑因素。

秦伟认为,在航空航天,军事和其他领域中,成本考虑较少,技术可靠性要求更高的领域,可能会有硅材料的替代品。但是在大多数地区,用其他材料代替现有的“廉价”硅很可能导致电子信息产品的价格飞涨。

张帅的观点证实了以上说法。他认为,在材料领域,科学家对替代硅材料的新材料进行了各种研究,但这些研究主要集中在弥补硅材料的一些固有缺陷,例如硅材料的载流子迁移速度不快。足够。透明性和发光度差,这些缺点限制了其在半导体某些领域的应用。

“对于各种新材料,无论是早期的砷化镓还是热的石墨烯,还是各种有机半导体材料,它们在实际应用中都不会受到繁琐或昂贵的处理。尽管某些材料在性能上可能比硅更好。在某些方面,以某种方式存在其他缺点。可能是在不久的将来,当材料技术突破并且克服了这些缺点后,就替换了硅。这种材料确实出现了。”常帅说。

本报记者张芸