沙子快没了！别担心，造芯片主要用的不是它

　　在手机、电脑、智能手表这些电子设备中，芯片是其最核心的零部件。芯片也是半导体行业集成度最高的元器件，而生产其所用的硅材料，主要来源于沙砾。
　　近日英国《自然》杂志发文称，目前沙子和砾石的采掘速度，已超过其自然恢复的速度。因此，地球上沙子的需求量可能很快就会超过供给量。一时间，＂沙子快没了＂的消息在网上引发热议。
　　硅是半导体行业的基石，而沙子是提取硅的重要原料。近半个世纪以来，半导体行业的迅猛发展，是否造成了沙子的过度采掘？沙子资源枯竭是否会引发半导体行业的发展危机？
　　就上述问题，媒体采访了业内相关专家。
　　凭存量大、易提纯特性脱颖而出
　　沙子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。
　　那么，为何硅成了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%。＂北京理工大学材料学院副研究员常帅在接受媒体采访时表示，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。
　　黄河上游水电开发有限责任公司是一家从事硅材料制造的企业，其青海新能源分公司副总经理秦榕在接受媒体采访时也指出，硅之所以成为半导体行业的＂灵魂＂原料，主要是由硅的化学性质决定的。
　　＂在工业生产中，提纯硅比较容易，并能达到很高的纯度。凭借存量大且易提纯的特性，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、电脑等终端产品的定价。过去，笔记本电脑动辄上万元，现在只需几千元就能买到配置很好的电脑。＂秦榕说。
　　沙子要变成硅材料，要经过怎样的历程？
　　常帅介绍道，首先，要用碳将硅从富含二氧化硅的沙子中提取出来，通过炭粉还原的方式，将沙子中的二氧化硅转换成纯度超过98%的硅材料，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将工业硅进一步纯化。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。
　　＂简而言之，只有高纯度的单晶硅，才能用作生产材料。＂常帅说。
　　 　半导体行业用硅量非常有限
　　沙子是仅次于空气、水，全球需求量最大的自然资源，也是人类生产活动必不可少的基础性原材料。
　　统计显示，当前全球沙子年产量约为500亿吨。英国《自然》杂志刊文指出，这个用量比自然再生率要高。到本世纪中叶，需求量就可能超过供给量。而前不久，来自联合国环境规划署的一份报告显示，最近20年，随着消费模式的转变、人口的增长、城市化和基础设施的发展，人类对沙子的需求量增加了3倍。
　　那么，全球沙子的存量是否够半导体行业未来发展所用？沙子存量日益减少，是否会引发半导体行业原材料价格的上涨？
　　常帅认为，半导体行业的迅猛发展和沙砾过度采掘之间并无太多相关性。＂实际上，《自然》所报道的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，沙漠中的沙子或海沙一般都不符合要求，只有河沙合适。加之，近年来建筑行业的快速发展，导致世界各地的河沙开采和消耗速率超过了自然恢复速率。＂他说。
　　常帅还提出，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，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。
　　＂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%。半导体行业用硅量非常小，即便沙子真不够用，也很难引发原材料价格整体上涨。＂秦榕表示，其实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。
　　＂我们日常生活中的很多东西，都会应用到硅元素，比如通信用的光纤、农药、洗发水、化妆品等，只是我们很少关注罢了。＂秦榕说。
　　目前没有可替代硅的原材料
　　虽然短期内，不用操心沙子变少会对半导体行业产生重大影响，但是我们还会有隐隐地担忧：倘若有一天沙子真没了，是否有能替代硅的新原料？
　　对此，秦榕和常帅都认为，以如今的技术水平来看，尚难找到替代性原料。
　　＂目前尚没有可替代硅的新物质。＂秦榕表示，＂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。＂她说。
　　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。
　　秦榕认为，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。
　　常帅的观点佐证了以上说法。他认为，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。