美国卡了全球芯片脖子？

网络上不时流传着这样一种观点：所有半导体和太阳能光伏制造都依赖于美国北卡罗来纳州斯普鲁斯派恩镇出产的极纯石英。如果该地区出现毁灭性的打击，会对全球的芯片产业造成巨大的影响。

这也让不少人得出了一个观点——美国卡了全球芯片的脖子。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。石英需要非常纯净，以防止杂质渗入硅中，而Spruce Pine正是这种非常纯净的石英的产地。

在去年飓风海伦袭击过后，人们担心洪水对这些位于Spruce Pine矿造成的破坏可能会导致供应中断，于是人们对此的兴趣激增，很多媒体也报道了这个新闻。

正如前文所说，人们也经常用世界末日的术语来谈论Spruce Pine石英。这意味着，如果矿井发生事故，半导体制造业（甚至可能是世界经济）将陷入停顿，而我们则不得不努力寻找替代品。

在上述推文中，莫里克表示，“现代经济依赖于北卡罗来纳州Spruce Pine的一条道路。”在《物质世界》中，康威引用了一位行业专家的话，他说，如果矿井受到足够的破坏，“可能会在六个月内终结全球半导体和太阳能电池板的生产。”

这是真的吗？某种程度上是的！

石英坩埚对于大多数半导体制造来说确实是必需的，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可替代的关键。但替代品都是尚未开发、质量不太好、价格不太便宜的组合。切断 Spruce Pine 石英的供应可能不会完全切断半导体的供应，但这意味着产量下降，成本上升。

其实该行业也意识到了瓶颈，且正在开发新的石英来源，并正在研究新的坩埚材料。如果找到一种新的坩埚材料，将产生特别大的影响：不仅因为它可以消除 Spruce Pine 瓶颈，还因为石英是硅锭制造的主要限制因素，而一种新的、更好的材料可能会大幅提高生产效率。

半导体和高纯石英

众所周知，大部分现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），太阳能电池的纯度则稍低一些（6N-8N）。要使硅达到这种纯度需要经过多个精炼步骤。该工艺从石英（二氧化硅）开始，石英在矿热炉中与碳发生反应，生成冶金级硅（纯度约为98-99% ）。然后，冶金硅经过西门子工艺：硅与氯化氢发生反应，生成气态三氯硅烷 (SiHCl3)，然后将其液化、蒸发回气体，并在氢气存在下暴露于加热的硅丝中。硅通过化学气相沉积在硅丝上凝结，形成非常纯净的多晶硅棒，多晶硅由多个边界相交的晶体组成。

图注：冶金硅的生产

这些晶界会在晶体结构中产生不良缺陷，因此对于微芯片和高效太阳能电池板，我们需要单晶硅：单晶的硅锭。单晶硅几乎全部采用Czochralski (或 CZ) 工艺制成。在 CZ 工艺中，多晶硅在石英坩埚中熔化，温度超过1400 摄氏度，然后将一小块硅籽晶浸入熔体中。随着晶体被缓慢取出，熔融的硅在其周围凝固，与现有的晶体结构对齐，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池。

图注：西门子法生产多晶硅

高温工艺会导致石英中的杂质渗入熔融硅中，即使坩埚有保护涂层，杂质也会渗入其中。半导体对杂质极其敏感，即使是百万分之几的错误原子也会产生灾难性的后果，因此坩埚所用的石英必须尽可能纯净。由于高纯度石英价格昂贵，因此坩埚由一层高纯度石英和一层较便宜、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量有重大影响，而且是硅锭制造成本的主要决定因素。高纯度石英的成本约为每吨 10000 美元，而坩埚本身的成本则为数千美元。此外，坩埚的使用寿命很短。

图注：双层石英坩埚的横截面

随着时间的推移，坩埚会退化，高温引起的化学变化会导致坩埚在冷却后破裂。制造商可以通过在不冷却炉子的情况下从坩埚中取出多个硅锭来延长坩埚的使用寿命，但坩埚的使用寿命仍然限制在 400 小时左右。CZ 炉每年将消耗大约 20-25 个坩埚，大型硅锭制造厂可能有数十个 CZ 炉。一篇论文估计，单晶硅锭制造成本的 30% 来自坩埚。

图注：晶圆厂内有数十台 CZ 炉

这些坩埚所需的高纯度石英大部分来自 Spruce Pine，由两家在那里采矿的公司提供：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。

具体数字很难得出（高纯度石英行业极其保密），但据估计，Spruce Pine 每年生产18 万至 20 万吨高纯度石英。如果这个数字正确，那么随着时间的推移，这个数字会大幅上升（这并不奇怪，因为太阳能光伏产量不断上升，而且电池从多晶硅向单晶硅过渡。）

2013 年，全球石英出货量仅为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估计约为 3 万吨。 20 万吨并不是那么多的材料（相比之下，美国最大的煤矿去年生产了6200 万吨），而 Quartz 公司估计其现有矿井拥有数十年的储量，而未来计划中的矿井则拥有更多的储量。

Spruce Pine石英之所以受欢迎，不仅是因为它天然的高纯度，还因为它可以进一步净化，使其纯度达到 99.999% 或更高。据一本名为《The World in a Grain: The Story of Sand and How It Transforme》的书描述：

“

“Spruce Pine的石英本来就非常纯净，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间隙晶体污染物——附着在石英分子上的其他矿物分子。这种情况很常见，令人沮丧。“我已经评估了来自世界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研究实验室的首席矿物加工工程师约翰施兰茨说。“几乎所有样品的污染物都锁在石英颗粒中，无法清除。”

然而，最好的Spruce Pine石英具有开放的晶体结构，这意味着可以将氢氟酸直接注入晶体分子中，以溶解任何残留的长石或铁，从而将纯度提高一个档次。技术人员更进一步，在高温下使石英与氯或盐酸发生反应，然后再经过一到两个商业秘密的物理和化学处理步骤。”

”

不过，据我们了解，Spruce Pine 并不是天然高纯度石英的唯一来源。

中国每年生产约 5,000 吨石英，并希望将其产量扩大到 20,000 吨或更多。挪威和俄罗斯都生产少量石英，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世界各地都有其他潜在石英来源正在调查中。

毫无疑问，Spruce Pine 是全球 70-90% 石英供应的来源。但这并不意味着它不可替代。除了努力在其他地方寻找新来源外，还有多种方法可以替代，尽管这并非没有困难。

一种选择是使用合成石英而不是天然开采的石英。合成石英实际上可以比天然石英纯度高得多。缺点是合成石英要贵得多，可能大约是天然高纯度石英成本的 5-10 倍。芯片制造商可能可以承担这笔费用，因为硅锭只占微芯片成本的一小部分、

而且据我所知，一些芯片制造商已经在使用由Japan Super Quartz等公司销售的合成石英坩埚。然而，对于太阳能光伏来说，这种成本增加将是一个巨大的负担。

图注：石英品质与价格

同样，制造商可以使用其他纯度较低的石英源，并进一步提炼以达到所需的纯度水平。这也将更加昂贵，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，从而导致成本更高，但这也可能是可行的。SemiAnalysis的一篇文章认为，对 Spruce Pine 石英的担忧被夸大了，特别是因为有合成石英可用，并且有可能提炼纯度较低的石英源。

从长远来看，有可能找到替代的坩埚材料。石英的耐高温能力、低热膨胀系数以及与熔融硅的相对不反应性是难以替代的，石英坩埚目前是硅半导体制造的唯一选择（尽管如果你使用锗或氮化镓等其他材料，则有更多选择）。但研究人员正在探索替代的坩埚材料，如氮化硅和碳化硅。由于石英是限制坩埚寿命的主要瓶颈，因此，一种能够使 CZ 炉运行更长时间的新型高性能材料将成为锭材制造的一大进步。

从技术上讲，通过区熔法（Float Zone），无需任何坩埚即可制造高纯度硅锭。在此过程中，多晶硅锭通过环形射频加热器缓慢地重新熔化，该加热器沿锭的长度移动。当硅熔化并在晶种周围重新凝固时，杂质会迁移出来，从而产生单晶硅锭。

图注：Float Zone 工艺

由于Float Zone工艺根本不需要硅接触坩埚，因此它可以实现比 CZ 工艺更高的纯度。它用于需要这种纯度的电力电子等产品。然而，Float Zone工艺比 CZ 工艺更昂贵，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表明，浮区法晶圆的成本大约是类似 CZ 晶圆的两倍。

更关键的是，Float Zone工艺在生产锭（以及晶圆）尺寸方面受到限制。其最大直径约为 6 英寸，而自 21 世纪初以来，领先的半导体节点一直使用12 英寸晶圆。尺寸限制意味着更高的成本，因为晶圆尺寸越小，一次处理的芯片数量就越少，而且所有现有的半导体制造设备都必须进行改造或更换才能处理更小的晶圆。实际上，除非情况极为危急，否则大规模过渡到浮区工艺可能不可行。

由此，我们可以得出结论：Spruce Pine 确实是现代半导体制造领域的关键瓶颈，但它并不是支撑整个现代经济的不可替代的承重支柱。它更接近于在性价比领域占据一个相对独特的利基市场：有替代品，但它们都是不太好、不太便宜且尚未开发的组合；

正如一些分析人士所说，并不是说其他地方没有高纯度石英。而是Spruce Pine 的纯度、可用性和价格几乎是独一无二的。俄罗斯和巴西都有矿山，更不用说中国了，这些矿山已经生产了大量高纯度石英。有些公司能够合成高纯度石英。

所以，Spruce Pine如果出事了，不会是世界末日。这不会“终结”半导体或太阳能电池制造。不过，正如有人曾经说过的那样，从长远来看，我们都会死。从短期来看，实际上增加替代生产需要一些时间，同样重要的是，还需要一些成本。

在我看来，最有趣的不是 Spruce Pine 瓶颈，而是石英坩埚对硅锭制造的限制。找到替代的坩埚材料将对帮助太阳能光伏成本继续下降大有裨益，随着太阳能光伏采用率不断上升。

我很想知道，新材料方面是否会取得任何进展。