全球沙资源短缺！硅晶圆要跟涨？

图源：中国经营报微博

图源：信越化学官网

两条消息一起看，一时间，“沙子快没了，硅晶圆又将涨价，缺芯局面将进一步恶化”的消息在网上引发热议。消息中指出由于沙是用于生产硅片——也就是绝大多数半导体产品的原材料，全球高科技的繁荣被形容为是建立在“沙子”之上。因而沙子的短缺将影响硅晶圆的正常供应，缺芯局面将恶化。

那么，沙子的短缺是否会进一步加剧芯片供应困境？沙子和硅晶圆涨价有否必然联系呢？

据了解，沙子的主要成分是二氧化硅（SiO₂），是地球地壳中含量较丰富的物质，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%。沙子的种类主要有两种：天然沙和机制沙，天然沙又可被分为河沙、海沙和山沙；机制砂指的是由机械破碎后的粒径小于4.75mm的岩石颗粒。

在了解沙子资源枯竭和硅晶圆是否存在涨价逻辑之前，我们要先知道当前缺的是哪种沙子。CNBC报道指出：在过去20年里，全球的沙子使用量增加了两倍，部分原因是城市化的迅猛发展。据联合国估计，全球沙子的使用量是水泥的10倍。也就是说，单在建筑工程方面，全球每年就消耗大约400亿到500亿吨沙子。沙子消耗的数量远远超过了沙子的自然增速。

从报道中透露的消息可知，沙子供不应求的情况最可能出现在建筑行业，因为建筑用沙有一定的标准，山沙或海沙一般都不符合要求，只有河沙合适。

那什么沙子才是制造硅晶圆的基础材料呢？实质上，各类沙子的主要成分基本一致，主要是二氧化硅，但由于只有高纯度的单晶硅（纯化度达99.999%），才能用作生产硅晶圆材料，而各种沙子之间由于含硅量、提取硅工艺、使用成本等方面的差异，用途有所差别。具体到半导体用的“沙子”，其来源并非河沙，而是各种含硅的沙矿石，如脉石英、石英石等，所以报道中河沙的资源枯竭并不会影响硅晶圆的供应。关于半导体原材料的提炼，芯师爷此前译文《零差评！BBC神作：半导体如何改变世界》中也有所提及。

▲硅的提炼过程

视频来源：BBC

石英石的主要成分也为二氧化硅（SiO₂），沙石要变成硅材料，还要经过复杂的过程。首先要用机器和炸药从地面提取的岩石放入破碎机中，该破碎机吐出石英砾石。然后将其送至加工厂，将石英研磨成细砂，添加水和化学药品可将硅与其他矿物分离。硅经过最后的研磨，然后装袋并以粉末形式送到精炼厂。

▲硅的原材料：石英石

纯化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。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。

理清了沙子和晶圆供应的关系，那“沙子不够用”这一问题会不会成为半导体行业发展的隐忧呢？答案恐怕是不会。

一方面，半导体行业用硅材料占硅总产量极小。据了解，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，这比美国每小时生产的建筑用砂量还少，仅占全部硅材料总产量的5%。

另一方面硅晶片原材料的库存量惊人。以半导体原料石英石为主营业务的Quartz公司矿山经理Spruce Pine就曾表示，“我们现在拥有数十年的芯片制造原材料，而且在我们用尽石英石之前，该行业可能会发生变化。”

Spruce Pine指的“变化”之一是半导体新原材料技术也还在不断研发中。

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。现在以硅为主要应用材料的硅晶圆在单位面积上可集成的元器件数目已经遭遇瓶颈，这之后必然需要新的技术来延续技术发展，目前半导体新材料如砷化镓、石墨烯等都已经成为重点研发方向，已经有一些进展。随着技术的发展，或也会出现更多成熟的半导体新材料。

所以总的来说，“沙子短缺”和“晶圆价格上涨”在很长一段时间内都不会成为因果关系，但这些传言这也在一定程度上反映了在缺芯困境不断蔓延下，业界人士对半导体供应链的关注已经到了草木皆兵的程度。

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本文由芯师爷整理，部分资料来自BBC、科技日报，内容仅供交流学习之用， 如有任何疑问，敬请与我们联系info@gsi24.com。

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