沙子短缺令新冠疫苗玻璃瓶告急,“芯片荒”会加剧吗?

更新日期:2022年06月23日

       3月5日, 英国《每日邮报》发表题为《全球沙子短缺, 可能意味着没有为新冠疫苗生产足够的玻璃瓶》的报道, 称专家警告世界正面临沙子短缺危机。随着 Covid-19 疫苗的分发, 随着未来两年全球对 20 亿个玻璃瓶的需求, 预计对沙子的需求将进一步激增。除了疫苗瓶, 沙子也被广泛使用。沙子是地壳中含量最多的物质, 也是世界上仅次于水的消耗最多的原材料。沙中所含的元素硅是地壳中的第二大元素, 约占地壳总质量的25%, 被广泛用于制造玻璃、混凝土、沥青, 甚至硅微芯片。据报道, 全球沙子使用量翻了一番, 部分原因是快速城市化。据联合国估计, 世界上使用的沙子是水泥的10倍。也就是说, 仅在建设项目中, 每年就有大约400亿到500亿吨的沙子流失, 沙子的消耗率远远超过沙子的消耗率。自然形成的速度。在过去的 20 年里, 全球沙子的使用量增加了两倍!随着 Covid-19 疫苗的分发, 随着未来两年全球对 20 亿个玻璃瓶的需求, 预计对沙子的需求将进一步激增。在过去 10 年的大部分时间里, 建筑发展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、砾石和碎石短缺。尽管联合国在 2019 年将沙荒危机提上了议事日程, 但由于缺乏关注和我在乎,

没有关于可持续开采和使用沙子的详细计划, 但仍在增长的人口、未来的工业化和城市扩张都将推动沙子使用量的爆炸式增长。沙荒危机已成为21世纪可持续发展的最大问题。挑战之一。联合国全球资源信息数据库(Global Sand Observatory)称:由于城市化、人口增长和基础设施发展趋势, 需求仍在增长, 预计这一趋势还将持续。为什么说起沙子会想到筹码?为什么是硅制造半导体器件的基础材料呢?北京理工大学材料科学与工程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比较稳定, 具有优良的半导体性能;其次, 硅的储量极其丰富, 在地壳中的丰度高达2772%。另外, 现在单晶硅的生产技术已经非常成熟, 而且掺杂、光刻等相关的基于硅片的半导体制造工艺也得到了普及, d 制造成本相对可控 有人可能会问, 作为集成电路中最重要的元素, 硅广泛存在于沙中, 全球的沙子短缺是否会加剧芯片的短缺?让我们以英特尔的制造科学为例,

看看沙子是如何变成芯片的: 1、沙子的提纯和加工 制造芯片主要是硅, 而沙子是硅的主要原料, 所以第一步是提纯硅在含碳的沙子里。将砂中的二氧化硅转化为纯度约为 98% 的冶金级元素硅。这种材料也被称为工业硅。但纯度为98%的工业硅不能用于芯片制造, 需要应用一些化学工艺, 用氯化氢进一步提纯工业硅。要提纯到999999999%,

9个9的纯度可以满足芯片制造。 2、制作单晶硅棒生产的纯化硅属于多晶硅或非晶硅。虽然此时硅的纯度达到了标准, 但由于内部原子的无序排列, 不能直接应用于精密半导体器件的一线生产。这里类比为同一组元素中的碳元素。我们知道, 碳在自然环境中形成的稳定晶体是金刚石, 单晶硅也是如此, 因此需要采用一些方法, 将符合纯度标准的硅材料制成单晶硅。在实际生产操作中, 工人主要通过直拉法或区熔法将多晶硅或非晶硅转化为单晶硅锭。然后, 在高温液化硅元素中加入晶种, 为晶体生长提供中心, 将晶体缓慢向上提升, 同时围绕提升轴以一定速度旋转, 控制晶体生长。所需直径内的硅锭。最后, 只要提高单晶硅炉的温度, 硅锭就会自动形成锥形尾部, 单晶硅锭的制备就完成了。 3、切割、研磨再切割成片状硅片, 一般为8英寸(200或12英寸(300)), 直径越大, 单片机生产的最终成本越低, 但相应的加工工艺要求为以12英寸晶圆为例, 单片晶圆的厚度一般在08以下, 公差不大于正负002.由于单晶硅的性能稳定, 刀具使用了功率更大的金刚石锯, 即金刚石锯。由于切割后的晶圆表面仍然不光滑, 因此需要仔细研磨以减少切割造成的表面不平整。研磨时使用一些特殊的化学液体清洗晶圆表面, 最后抛光, 表面粗糙度保持在01~02纳米左右, 比普通家用镜子亮100倍。至此,

砂子的提纯处理完成, 晶圆制备完成。 4、光刻和刻蚀这一步主要用于光刻机和刻蚀机, 也是整个生产过程中最复杂、成本最高的。先将硅片放入炉内, 使其表面形成一层均匀的氧化膜, 然后涂上光刻胶。让紫外光通过光掩模, 将芯片设计电路图投影在涂有光刻胶的硅片上, 改变硅片上光刻胶的性质, 实现电路图的再现。然后用蚀刻机将投影的电路图蚀刻掉, 露出硅基板, 形成电路的外观。此时, 硅片上有坑坑洼洼。 5. 等离子体注入下一步是等离子体注入。将需要掺杂的导电元素引入灭弧室, 通过放电电离, 离子束通过电场加速后从晶圆表面注入。离子注入后的晶圆需要进行热处理。一方面利用热扩散原理将导电元素进一步压入晶圆中, 另一方面恢复晶格的完整性, 激活注入元素的电学特性。在这一步之后, 内部一些硅原子已被其他原子取代, 从而能够产生自由电子或空穴。 6、绝缘层处理和铜沉积至此, 晶体管的原型已经基本完成。此时, 需要通过气相沉积法在硅片表面沉积一层氧化硅膜, 形成绝缘层。之后, 利用光刻技术在不同线路层之间开孔, 引出导体电极。晶体管相互连接, 此时需要镀铜。这一步的目的是在绝缘层上均匀沉积铜, 下一步可以直接在铜层上布线。通过溅射沉积法沉积铜层后, 再通过光刻机对铜层进行雕刻, 形成场效应晶体管的源极、漏极和栅极。最后, 在铜层上沉积绝缘层。 7. 构建互连铜层 经过以上一系列漫长的过程, 芯片的晶体管结构已经制作完成。此步骤的主要目的是连接晶体管。由于目前大多数Intel工艺都有多层电路, 需要不断重复绝缘层的光刻、光刻和离子注入这一系列步骤, 各种成膜(绝缘膜、金属膜工艺)穿插在这个工艺中. , 以便最终获得所需的 3 晶体管结构。
        8、经过切片、封装、测试后, 加工后的晶圆被切割成单独的核心进行测试和封装, 成为可以安装在器件中的芯片。这个我不会详细介绍这个过程。缺砂不会造成建筑用砂和工业用砂的切屑短缺, 也不会经过提纯等处理后直接使用。砂的碱含量和粒度有较高的要求。因此, 海沙和沙漠沙不适合建筑行业,

只有河沙适合。提取硅元素, 制造硅片, 其实这里对沙子的要求比较简单。只要含有二氧化硅, 就可以提取,

但只能用高纯度的单晶硅作为生产原料。目前, 在上述1、2、3环节, 国内技术水平还比较落后, 主要依靠从日本进口9-9硅。据常帅介绍, 半导体行业使用的硅材料主要来源不是河沙, 而是各种含硅矿石, 如脉石英、石英砾石等。这些矿石在地球上的储量非常大, 半导体行业对硅材料的消耗远小于建筑行业。
       全球多晶硅年产能约64万吨, 仅3万吨用于制造芯片;半导体用硅材料仅占全部硅材料总产量的5%。在硅材料的整个应用中, 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, 被用于建筑、交通、化工、纺织、食品等领域。 、医疗等领域。因此, 沙子不足的问题不会成为半导体产业发展的瓶颈, 也不用担心会导致更严重的芯片短缺。有硅的替代品吗?如果有一天原材料真的没了, 会不会有新的原材料可以代替硅来做芯片?虽然近年来碳化硅(、氮化镓)等第三代半导体材料非常流行, 但在目前的技术水平上, 其主要应用仍集中在功率器件、射频前端器件等。在特殊领域, 整个行业仍难以替代硅基原材料。摩尔定律是信息技术的第一定律, 它指出集成电路上可以容纳的组件数量大约每 18 个月翻一番。元件数量不能无限增长, 单位面积可集成的元件数量将达到极限。在此之后, 必然会出现新技术, 但何时出现尚不清楚, 因此仍将遵循半导体器件制造。
       在现有工艺下, 硅仍将是主要的制造材料。
       除了技术因素外, 成本是寻找替代材料时最大的考虑因素。在航空航天、军事等成本考虑较少、技术可靠性要求较高的领域, 可能会有硅材料的替代品。但是, 在大多数领域, 用其他材料替代现有的优质低成本的硅, 很可能会导致电子信息产品的成本暴涨。目前, 在材料领域, 虽然科学家们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, 如硅材料的载流子迁移率不快等。不够, 透明度不够和发光差, 这些缺点限制了它在某些半导体领域的应用。对于各种新材料来说, 无论是早期的砷化镓还是现在炙手可热的石墨烯, 还是各种有机半导体材料, 由于工艺繁琐或成本高昂, 在实际应用中仍无法撼动硅材料的主导地位。而且, 虽然某些材料在某些方面可能优于硅, 但它们在其他方面具有某种或另一种缺点。可能的在不久的将来, 当材料技术取得突破, 克服这些缺点时, 替代硅的材料将真正出现。常帅说道。责任编辑:本文根据每日邮报、科技日报、英特尔官网、新华网的报道。

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