沙子短缺令新冠疫苗玻璃瓶告急，“芯片荒”会加剧吗？

3月5日，英国《每日邮报》发表题为《全球沙子短缺，可能意味着不能为新冠疫苗生产足够的玻璃瓶》的报道称，专家警告说，全球正面临沙子短缺危机。随着新冠疫苗的分发，预计未来两年全球将需要20亿支玻璃药瓶，这将使沙子的需求进一步激增。

除了疫苗瓶，沙子的用途还很广

沙子是地球地壳中含量较丰富的物质，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，是地球地壳中第2大组成元素，约占地壳总质量的25%，广泛用于制造玻璃、混凝土、沥青、甚至硅微芯片。

据报道，全球沙子使用量的倍增部分原因是因为城市化的迅猛发展。据联合国估计，全球沙子的使用量是水泥的10倍，也就是说，单单在建筑工程的损耗上，全球每年就损耗了大约400亿到500亿吨沙子，沙子的消耗速度远远超过了沙子的自然形成速度。在过去的20年中，全球范围沙子的使用量增加了两倍！

随着新冠疫苗的分发，预计未来两年全球将需要20亿支玻璃药瓶，这将使沙子的需求进一步激增。

在过去10年的大部分时间里，建筑开发以及对智能手机和其他使用屏幕的个性化技术设备的需求，导致沙子、砾石和碎石出现短缺现象。

尽管联合国曾于2019年将“沙子短缺危机”提上议程，但因无人关注和在意，目前尚未形成“可持续开采和使用沙子”的详细计划，但依旧增长的人口、未来工业化进程、城市扩大化都将推动沙子使用量的爆炸性增长，“沙子短缺危机”已成为21世纪可持续发展的最大挑战之一。

联合国全球资源信息数据库（GRID）全球沙土观测计划说：“由于城市化、人口增长和基础设施发展趋势，需求还在增长，这一趋势预计将持续下去。”

为什么提到沙子，会想到芯片？

硅为何成了制造半导体器件的基础材料呢？

北京理工大学材料学院副研究员常帅在接受《科技日报》采访时表示：“这主要是因为，硅的化学性质较稳定，具有优异的半导体特性；其次，硅的储量极为丰富，在地壳中的丰度高达27.72%。” 。此外如今单晶硅制取技术十分成熟，相关的基于硅片的半导体制造工艺如掺杂、光刻等也已普及，制造成本相对可控。

可能有人会问，作为集成电路中最重要的元素硅，广泛存在于沙子中，全球沙子短缺是否会加剧芯片荒？

让我们以英特尔的CPU制造科普为例，看看沙子是如何变成芯片的：

1、沙子的提纯和处理

制造芯片其实主要是硅，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纯。通过将原材料与焦煤置于1800-2000℃的环境中，将沙子中的二氧化硅转换成纯度98%左右的冶金级单质硅，这种材料也被称为工业硅。

但纯度98%的工业硅，还不能用于芯片制造，还需应用一些化工工艺，利用氯化氢将工业硅进一步纯化。要提纯到99.9999999%，9个9的纯度才能满足芯片制造。

2、制作单晶硅棒

提纯后的硅属于多晶硅或无定形硅，此时硅的纯度虽达标，但由于其内部的原子排列很混乱，依旧无法直接应用于精密半导体器件的一线生产。这里可以类比一下同族元素中的碳元素。我们知道碳在自然环境中形成的稳定晶体是钻石，单晶硅晶体也是同理，所以需要通过一些方法将纯度达标的硅材料制成单晶硅。

在实际生产操作中，工作人员主要是通过直拉法或区熔法，将多晶硅或无定形硅转换成为单晶硅硅锭。然后在高温液态化的硅元素里加入籽晶，提供晶体生长的中心，慢慢将晶体向上提升，上升同时以一定速度绕提升轴旋转，以便将硅锭控制在所需直径内。结束时，只要提升单晶硅炉温度，硅锭就会自动形成一个锥形尾部，单晶硅锭的制备就完成了。

3、切割、研磨

再切割成一片一片的硅晶圆片，现在一般是8英寸（200mm）或12英寸（300mm），直径越大，最终单个芯片生产的成本就越低，但相应的加工技术要求也越高。以12英寸晶圆为例，且出来的单片厚度一般在0.8以下，公差不大于正负0.02mm。由于单晶硅性质稳定，所以切割工具用的是更加厉害的金刚石锯，也就是钻石锯。

由于切割出的晶圆表面依然不光滑，所以需要经过仔细研磨来减少切割时造成的凹凸不平的表面。研磨的时候会用到一些特殊的化学液体来对晶圆表面进行清洗，最后抛光，表面粗糙度保持在0.1~0.2纳米左右，比一般的家用镜子还要“亮”100倍。

到这一步，沙子的提纯和处理就完成了，晶圆的制备也完成了。

4、光刻和刻蚀

这一步骤主要用于光刻机和刻蚀机，也是整个CPU制作环节中最复杂、成本最高的。先把硅晶圆片放到烧炉，在表面形成一层均匀的氧化膜，然后再涂上光刻胶。让紫外线通过光罩，把芯片设计电路图投射到涂了光刻胶的硅晶圆上，改变晶圆上光刻胶的性质，达到电路图的复制。

再用刻蚀机把这个投射出的电路图腐蚀掉了，露出硅基底，形成了电路的样子。这时候硅晶圆上是坑坑洼洼的。

5、等离子注入

接下来就是等离子注入了，将需要掺杂的导电性元素导入电弧室，通过放电使其离子化，经过电场加速后，将离子束由晶圆表面注入。离子注入完毕后的晶圆还需要经过热处理，一方面利用热扩散原理进一步将导电元素“压入”晶圆中，另一方面恢复晶格完整性，活化注入元素的电气特性。

经过这一步骤后，晶圆内部的某些硅原子已经被替换成了其他原子，从而获得了能够产生自由电子或者空穴的性能。

6、绝缘层处理、沉淀铜层

到这一步，晶体管的雏形已经基本完成了。此时需要利用气相沉积法在硅晶圆的表面沉积一层氧化硅薄膜，形成绝缘层。之后利用光刻技术在不同电路层之间开孔，引出导体电极。

而晶体管是相互连接的，这时候要进行镀铜了。这一步的目的是将铜均匀沉积到绝缘层上，下一步可以直接在铜层上进行布线。利用溅射沉积法完成铜层的沉淀后，再次利用光刻机对铜层进行雕刻，形成场效应管的源极、漏极、栅极。最后，在铜层上沉积一层绝缘层。

7、构建互联铜层

经过上面一系列漫长的过程之后，芯片的晶体管结构已经制作完成，这一步的主要目的就是将晶体管连接起来。

因为目前大多数英特尔CPU采用FINFET工艺，有很多层电路，因此要不断重复“涂胶-光刻-刻蚀-离子注入-绝缘层处理”这一系列步骤，并且在这个过程中穿插各种成膜（绝缘膜、金属膜）工艺，才能最终获得所需要的3D晶体管结构。

8、切片、封装、测试

加工好之后的晶圆，切割成单独的内核再进行测试、封装，就成为了一块可安装到设备中的芯片了。这个过程就不赘述了。

缺沙子，不会造成芯片荒

建筑和工业用沙子，不会经过提纯之类的加工而直接使用，这对沙子的含碱量、颗粒粗细等都有更高要求。所以海沙、沙漠的沙子都不适合建筑业，只有河沙适合。

提炼硅元素，制造硅晶圆，其实这里对沙子的要求相对简单，只要含有二氧化硅就可以提炼，但只有高纯度的单晶硅，才能用作生产材料。目前在上述1、2、3环节中，国内技术水平还比较落后，主要靠从日本进口9个9的硅。

而据常帅介绍，半导体行业所用的硅材料，其主要来源并不是河沙，而是各种含硅的矿石，如脉石英、石英砾石等。这些矿石在地球的储量非常大，而且半导体这种高精尖化产业对硅材料的消耗量远小于建筑行业。

全球多晶硅年产能约为64万吨，用于制造芯片的只有3万吨；半导体用硅材料，仅占全部硅材料总产量的5%。在整个硅材料应用中，半导体只是一个很小的应用领域，大量的硅材料，如太阳能级硅、有机硅等都被用于建筑、运输、化工、纺织、食品、医疗等领域。

因此“沙子不够用”这一问题不会成为半导体行业发展的瓶颈，也不用担心会造成更严重的“芯片荒”。

硅的替代材料出现了吗？

倘若有一天原材料真没了，是否有能替代硅的新原料来制造芯片？

虽然近年来碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等第三代半导体材料很火爆，但以当今的技术水平来看，其主要应用还是集中在功率器件、射频前端器件等专用领域，尚难在全产业范围内替代硅基原料。

 “信息技术第一法则”摩尔定律指出，集成电路上可容纳的元器件数目每18个月约翻1倍。可元器件的数量不可能无限制地增长下去，单位面积上可集成的元器件数目会达到极限，这之后必然会出现新技术，但什么时候能出现不得而知，所以半导体器件制造依旧会沿袭现有工艺，硅依旧会是主要制造材料。

除了技术因素外，在寻找替代性材料时，成本是最大的考量因素。

在对成本考虑较少、对技术可靠性要求较高的航天、军事等领域，或许能用得起硅材料的替代品。但在绝大部分领域，替换现有“物美价廉”的硅而转用其他材料，很可能会导致电子信息类产品成本暴涨。

目前在材料领域，科学家虽针对取代硅材料的新型材料展开了种种研究，但这些研究主要是围绕弥补硅材料的一些固有缺陷进行的，如硅材料的载流子迁移率还不够快、透明性及发光性差等，这些劣势限制了其在半导体某些领域里的应用。

 “对于各种新型材料，不管是早期的砷化镓还是当下炙手可热的石墨烯，抑或是各种有机半导体材料，它们在实际应用中，受制于工艺繁琐或成本高昂，尚无法撼动硅材料的霸主地位。而且，虽然一些材料在某方面的性能或许能超过硅，但在其他方面却存在这样或那样的缺点。可能在不久的将来，当材料技术获得突破，这些缺点都被克服，那么替代硅的材料就真的出现了。”常帅表示。

责编：Luffy Liu

本文综合自每日邮报、科技日报、英特尔官网、CNBC、新华网报道