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欧美伦理片 好意思国卡了公共芯片脖子？
（原标题：好意思国卡了公共芯片脖子？）欧美伦理片
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收集上经常流传着这么一种不雅点：通盘半导体和太阳能光伏制造都依赖于好意思国北卡罗来纳州斯普鲁斯派恩镇坐蓐的极纯石英。若是该地区出现烧毁性的打击，会对公共的芯片产业形成高大的影响。
这也让不少东谈主得出了一个不雅点——好意思国卡了公共芯片的脖子。
这种石英用于制造坩埚，坩埚中盛放熔融的硅，然后将其制成硅锭，再将硅锭切割成晶片并制成芯片。石英需要特地皑皑，以防护杂质浸透硅中，而Spruce Pine恰是这种特地皑皑的石英的产地。
在前年飓风海伦热切事后，东谈主们挂牵激流对这些位于Spruce Pine矿形成的碎裂可能会导致供应中断，于是东谈主们对此的意思意思激增，许多媒体也报谈了这个新闻。
正如前文所说，东谈主们也频繁用天下末日的术语来驳倒Spruce Pine石英。这意味着，若是矿井发滋事故，半导体制造业（甚而可能是天下经济）将堕入停顿，而咱们则不得不戮力寻找替代品。
在上述推文中，莫里克示意，“当代经济依赖于北卡罗来纳州Spruce Pine的一条谈路。”在《物资天下》中，康威援用了一位行业大家的话，他说，若是矿井受到填塞的碎裂，“可能会在六个月内斥逐公共半导体和太阳能电板板的生产。”
这是确切吗？某种进程上是的！
石英坩埚关于大多数半导体制造来说确乎是必需的，而 Spruce Pine 是这种石英的大部分产地。Spruce Pine 石英并不是半导体制造中不行替代的要道。但替代品都是尚未开荒、质地不太好、价钱不太低廉的组合。割断 Spruce Pine 石英的供应可能不会统统割断半导体的供应，但这意味着产量下跌，资本飞腾。
其实该行业也意志到了瓶颈，且正在开荒新的石英来源，并正在议论新的坩埚材料。若是找到一种新的坩埚材料，将产生特地大的影响：不仅因为它不错摒除 Spruce Pine 瓶颈，还因为石英是硅锭制造的主要罢休要素，而一种新的、更好的材料可能会大幅升迁生产效果。
半导体和高纯石英
尽人皆知，大部分当代半导体都是用高纯度硅制成的：微芯片的纯度为99.9999999% （称为 9N），太阳能电板的纯度则稍低一些（6N-8N）。要使硅达到这种纯度需要经过多个精良无比尺度。该工艺从石英（二氧化硅）运转，石英在矿热炉中与碳发生反馈，生成冶金级硅（纯度约为98-99% ）。然后，冶金硅经过西门子工艺：硅与氯化氢发生反馈，生成气态三氯硅烷 (SiHCl3)，然后将其液化、挥发还气体，并在氢气存鄙人自满于加热的硅丝中。硅通过化学气相千里积在硅丝上凝结，形成特地皑皑的多晶硅棒，多晶硅由多个畛域相交的晶体构成。
图注：冶金硅的生产
这些晶界会在晶体结构中产生不良颓势，因此关于微芯片和高效太阳能电板板，咱们需要单晶硅：单晶的硅锭。单晶硅险些沿路经受Czochralski (或 CZ) 工艺制成。在 CZ 工艺中，多晶硅在石英坩埚中溶化，温度特出1400 摄氏度，然后将一小块硅籽晶浸入熔体中。跟着晶体被迟缓取出，熔融的硅在其周围凝固，与现存的晶体结构对皆，形成一个大锭，即一个单晶。然后，该锭将被切成晶片，然后制成微芯片或太阳能电板。
图注：西门子法生产多晶硅
高温工艺会导致石英中的杂质浸透熔融硅中，即使坩埚有保护涂层，杂质也会浸透其中。半导体对杂质极其敏锐，即使是百万分之几的失误原子也会产生不稳固性的后果，因此坩埚所用的石英必须尽可能皑皑。由于高纯度石英价钱机要，因此坩埚由一层高纯度石英和一层较低廉、纯度较低的石英制成。
图注：Czochralski制造工艺
石英坩埚不仅对硅锭的质地有紧要影响，而且是硅锭制形资本的主要决定要素。高纯度石英的资本约为每吨 10000 好意思元，而坩埚自己的资本则为数千好意思元。此外，坩埚的使用寿命很短。
图注：双层石英坩埚的横截面
跟着时辰的推移，坩埚会退化，高温引起的化学变化会导致坩埚在冷却后突破。制造商不错通过在不冷却炉子的情况下从坩埚中取出多个硅锭来延迟坩埚的使用寿命，但坩埚的使用寿命仍然罢休在 400 小时傍边。CZ 炉每年将花消大要 20-25 个坩埚，大型硅锭制造厂可能少见十个 CZ 炉。一篇论文臆度，单晶硅锭制形资本的 30% 来自坩埚。
图注：晶圆厂内少见十台 CZ 炉
这些坩埚所需的高纯度石英大部分来自 Spruce Pine，由两家在那边采矿的公司提供：比利时矿业公司 Sibelco 的子公司Covia （前身为 Unimin）和挪威矿业公司Quartz Corp。
具体数字很贵重出（高纯度石英行业极其守秘），但据臆度，Spruce Pine 每年生产18 万至 20 万吨高纯度石英。若是这个数字正确，那么跟着时辰的推移，这个数字会大幅飞腾（这并不奇怪，因为太阳能光伏产量不休飞腾，而且电板从多晶硅向单晶硅过渡。）
2013 年，公共石英出货量仅为8 万吨（包括中纯、高纯和超纯石英），2015 年高纯度石英年总产量臆度约为 3 万吨。 20 万吨并不是那么多的材料（比拟之下，好意思国最大的煤矿前年生产了6200 万吨），而 Quartz 公司臆度其现存矿井领少见十年的储量，而将来盘算中的矿井则领有更多的储量。
Spruce Pine石英之是以受迎接，不仅是因为它自然的高纯度，还因为它不错进一步净化，使其纯度达到 99.999% 或更高。据一真名为《The World in a Grain: The Story of Sand and How It Transforme》的书刻画：
“Spruce Pine的石英蓝本就特地皑皑，经过几轮泡沫浮选后纯度会更高。但一些颗粒可能仍然含有格洛弗所说的罅隙晶体期侮物——附着在石英分子上的其他矿物分子。这种情况很常见，令东谈主消极。“我仍是评估了来自天下各地的数千个石英样品，”距离Spruce Pine约一小时车程的阿什维尔矿产议论实验室的首席矿物加工工程师约翰施兰茨说。“险些通盘样品的期侮物都锁在石英颗粒中，无法排除。”
相关词，最佳的Spruce Pine石英具有通达的晶体结构，这意味着不错将氢氟酸径直注入晶体分子中，以溶罢职何残留的长石或铁，从而将纯度升迁一个层次。本事东谈主员更进一步，在高温下使石英与氯或盐酸发生反馈，然后再经过一到两个交易玄妙的物理和化学处置尺度。”
不外，据咱们了解，Spruce Pine 并不是自然高纯度石英的唯一来源。
中国每年生产约 5，000 吨石英，并但愿将其产量扩大到 20，000 吨或更多。挪威和俄罗斯都生产少许石英，而巴西历史上是主要供应国。加拿大、南卡罗来纳州、斯里兰卡和澳大利亚等天下各地都有其他潜在石英来源正在打听中。
毫无疑问，Spruce Pine 是公共 70-90% 石英供应的来源。但这并不料味着它不行替代。除了戮力在其他地点寻找新来源外，还有多种要领不错替代，尽管这并非莫得难题。
一种选拔是使用合成石英而不是自然开采的石英。合成石英推行上不错比自然石英纯度高得多。过错是合成石英要贵得多，可能大要是自然高纯度石英资本的 5-10 倍。芯片制造商可能不错承担这笔用度，因为硅锭只占微芯片资本的一小部分、
而且据我所知，一些芯片制造商仍是在使用由Japan Super Quartz等公司销售的合成石英坩埚。相关词，关于太阳能光伏来说，这种资本加多将是一个高大的背负。
图注：石英品性与价钱
相同，制造商不错使用其他纯度较低的石英源，并进一步索求以达到所需的纯度水平。这也将愈加机要，而且所得石英可能仍比 Spruce Pine 石英含有更多杂质，导致产量较低，从而导致资本更高，但这也可能是可行的。SemiAnalysis的一篇著作合计，对 Spruce Pine 石英的担忧被夸大了，特地是因为有合成石英可用，况兼有可能索求纯度较低的石英源。
从永远来看，有可能找到替代的坩埚材料。石英的耐高温才略、低热推广总共以及与熔融硅的相对不反馈性是难以替代的，石英坩埚现在是硅半导体制造的唯一选拔（尽管若是你使用锗或氮化镓等其他材料，则有更多选拔）。但议论东谈主员正在探索替代的坩埚材料，如氮化硅和碳化硅。由于石英是罢休坩埚寿命的主要瓶颈，因此，一种巧合使 CZ 炉运行更永劫辰的新式高性能材料将成为锭材制造的一大逾越。
从本事上讲，通过区熔法（Float Zone），无需任何坩埚即可制造高纯度硅锭。在此经由中，多晶硅锭通过环形射频加热器迟缓地从头溶化，该加热器沿锭的长度移动。当硅溶化并在晶种周围从头凝固时，杂质会移动出来，从而产生单晶硅锭。
图注：Float Zone 工艺
由于Float Zone工艺根底不需要硅构兵坩埚，因此它不错已矣比 CZ 工艺更高的纯度。它用于需要这种纯度的电力电子等家具。相关词，Float Zone工艺比 CZ 工艺更机要，部分原因是它需要较大的多晶硅锭而不是较小的多晶硅块：这个来自半导体制造商的网站标明，浮区法晶圆的资本大要是肖似 CZ 晶圆的两倍。
更要道的是，Float Zone工艺在生产锭（以及晶圆）尺寸方面受到罢休。其最大直径约为 6 英寸，而自 21 世纪初以来，起首的半导体节点一直使用12 英寸晶圆。尺寸罢休意味着更高的资本，因为晶圆尺寸越小，一次处置的芯片数目就越少，而且通盘现存的半导体制造配置都必须进行校正或更换才能处置更小的晶圆。推行上，除非情况极为危境，不然大鸿沟过渡到浮区工艺可能不行行。
由此，咱们不错得出论断：
Spruce Pine 确乎是当代半导体制造领域的要道瓶颈，但它并不是复旧通盘这个词当代经济的不行替代的承重扶植。它更接近于在性价比领域占据一个相对独有的利基阛阓：有替代品，但它们都是不太好、不太低廉且尚未开荒的组合；
av 动漫正如一些分析东谈主士所说，并不是说其他地点莫得高纯度石英。而是Spruce Pine 的纯度、可用性和价钱险些是唯独无二的。俄罗斯和巴西都有矿山，更毋庸说中国了，这些矿山仍是生产了遍及高纯度石英。有些公司巧合合成高纯度石英。
是以，Spruce Pine若是出事了，不会是天下末日。这不会“斥逐”半导体或太阳能电板制造。不外，正如有东谈主也曾说过的那样，从永远来看，咱们都会死。从短期来看，推行上加多替代生产需要一些时辰，相同关键的是，还需要一些资本。
在我看来，最根由的不是 Spruce Pine 瓶颈，而是石英坩埚对硅锭制造的罢休。找到替代的坩埚材料将对匡助太阳能光伏资本连接下跌大有裨益，跟着太阳能光伏经受率不休飞腾。
我很思知谈，新材料方面是否会赢得任何阐扬。
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