芯片|造芯片需“专用砂”，中国90年代已达标，如今却依赖美国进口半导体|it芯片|重器

文章图片

文章图片

最近， “天然砂”成为了热门话题，网络上一时间出现了很多让人看不懂的言论，那么，造芯片用的硅片是怎么制成的，又需要什么样的沙子，中国又有这样的沙子吗？

今天咱们来聊聊造硅锭这件事情，硅锭的成本是纯度高达11个9的圆柱体单晶硅，制造硅锭的最常用方法是直拉法，将单晶硅放进石英坩埚中熔化，然后在液态的硅中放入一个棒状的种晶，在大概1420℃环境下，液态硅会缓慢的在种晶周围结晶，如果把已经形成的结晶体稍微向上拉，下面的液态硅就会在结晶体上继续结晶，循环这个过程，就会逐渐形成一根巨大的硅锭。
【芯片|造芯片需“专用砂”，中国90年代已达标，如今却依赖美国进口】
一根用于8英寸硅晶圆的硅锭，一般长度是1.5米，通常需要拉70个小时，同时直拉车间对环境要求非常苛刻。放光刻机的无尘室需要架空防止缓冲减震装置，拉制硅棒的车间也同样需要，只要在70个小时内，地面发生一点震动，或者车间的出现1秒钟的供电电压波动，就会导致拉制过程失败。
当年汶川地震的时候，远在北京的单晶硅工厂就出现了液面抖动，最终只能导致上半截能用。至于电力问题，国内的半导体级单晶硅工厂基本都配备专用的变电站。
硅锭制造完成后，经过切片、倒角、研磨、清洗、贴片、抛光等很多道工序之后，就能做成硅片，卖给晶圆厂了。
什么样的沙子能造芯片呢？首先，无论是河砂、海砂还是天然砂，都不能造芯片，问题还是在于这些沙子的杂质太多，硅含量太低。尤其是海砂，盐含量高达20% ，由于会腐蚀钢筋，当作建筑材料时都需要用淡水清洗，耗时耗力增加成本。真正用于半导体行业的“沙子”是高纯度石英砂，纯度小数点后5个9 ，这种石英砂在自然界中并不存在，而是需要从石英矿中开采提纯后才能用于半导体制造。

这种“沙子”的价格也非常惊人，一吨大概在1.2万到1.5万美元左右。而制备高纯度石英砂的最理想选择便是高纯度石英矿原料，石英哪里都有，但是高纯度石英矿，尤其是具备经济开采价值的高纯度石英矿却又少之又少。
但是同时，高纯石英砂的用途非常广，航空航天用的玻璃，高级照明设备和光伏设备都需大量应用，所以中国已经把高纯石英砂列为了战略物资，同时高纯度石英原料矿也是稀有矿脉。
中国有这样的“沙子”吗？上个世纪90年代，中国就已经能生产符合国际标准的高纯度石英砂，但是事到如今，高纯度石英砂的生产却越来越难。
这是因为当年的生产原料十分奢侈，是天然水晶。天然水晶同时也是重要的工艺品原料，在高强度开采下，早在10多年前，我国江苏东海较大规模的水晶矿已经基本枯竭，现在已经很难再找到大规模的水晶矿。
世界上手握芯片专利最多的国家是美国，拥有世界上最优质石英矿的国家还是美国，美国有一处名为斯普鲁斯派恩的矿脉，这里最著名的是各种宝石，除此之外，就是高纯度石英砂。
这座矿非常奇特，是全世界唯一一处受到阿乐汉尼·绿片岩运动影响的矿脉，这片矿区开采出的石英晶体的体积大，有害杂质还很少，是生产高纯度石英砂非常非常理想的原料。