（原标题：好意思国卡了公共芯片脖子？）

若是您但愿不错时时碰头，接待标星储藏哦~

收集上时时流传着这么一种不雅点：整个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分娩的极纯石英。若是该地区出现废弃性的打击，会对公共的芯片产业形成广阔的影响。

这也让不少东说念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。石英需要颠倒白皙，以戒备杂质浸透硅中，而Spruce Pine恰是这种颠倒白皙的石英的产地。

在昨年飓风海伦要紧事后，东说念主们挂牵巨流对这些位于Spruce Pine矿形成的禁闭可能会导致供应中断，于是东说念主们对此的有趣激增，许多媒体也报说念了这个新闻。

正如前文所说，东说念主们也时时用天下末日的术语来驳斥Spruce Pine石英。这意味着，若是矿井发生事故，半导体制造业（甚而可能是天下经济）将堕入停顿，而咱们则不得连接力于寻找替代品。

在上述推文中，莫里克暗示，“当代经济依赖于北卡罗来纳州Spruce Pine的一条说念路。”在《物资天下》中，康威援用了一位行业内行的话，他说，若是矿井受到迷漫的禁闭，“可能会在六个月内散伙公共半导体和太阳能电板板的生产。”

这是真实吗？某种进度上是的！

石英坩埚关于大多数半导体制造来说照实是必需的，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成替代的关键。但替代品都是尚未开采、质地不太好、价钱不太低廉的组合。堵截 Spruce Pine 石英的供应可能不会实足堵截半导体的供应，但这意味着产量下落，本钱飞腾。

其实该行业也强硬到了瓶颈，且正在开采新的石英开始，并正在商讨新的坩埚材料。若是找到一种新的坩埚材料，将产生非凡大的影响：不仅因为它不错排斥 Spruce Pine 瓶颈，还因为石英是硅锭制造的主要次第身分，而一种新的、更好的材料可能会大幅普及生产恶果。

半导体和高纯石英

人所共知，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湛门径。该工艺从石英（二氧化硅）驱动，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，并在氢气存不才泄漏于加热的硅丝中。硅通过化学气相千里积在硅丝上凝结，形成颠倒白皙的多晶硅棒，多晶硅由多个领域相交的晶体构成。

图注：冶金硅的生产

这些晶界会在晶体结构中产生不良劣势，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。单晶硅险些沿路给与Czochralski (或 CZ) 工艺制成。在 CZ 工艺中，多晶硅在石英坩埚中融解，温度非凡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王人，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。半导体对杂质极其明锐，即使是百万分之几的造作原子也会产生祸害性的后果，因此坩埚所用的石英必须尽可能白皙。由于高纯度石英价钱推进，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，而且是硅锭制形本钱的主要决定身分。高纯度石英的本钱约为每吨 10000 好意思元，而坩埚自己的本钱则为数千好意思元。此外，坩埚的使用寿命很短。

图注：双层石英坩埚的横截面

跟着时刻的推移，坩埚会退化，高温引起的化学变化会导致坩埚在冷却后离散。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次第在 400 小时支配。CZ 炉每年将耗尽约莫 20-25 个坩埚，大型硅锭制造厂可能罕有十个 CZ 炉。一篇论文推测，单晶硅锭制形本钱的 30% 来自坩埚。

图注：晶圆厂内罕有十台 CZ 炉

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

具体数字很贵重出（高纯度石英行业极其守秘），但据推测，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，那么跟着时刻的推移，这个数字会大幅飞腾（这并不奇怪，因为太阳能光伏产量抑制飞腾，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推测约为 3 万吨。 20 万吨并不是那么多的材料（比较之下，好意思国最大的煤矿昨年生产了6200 万吨），而 Quartz 公司推测其现存矿井领罕有十年的储量，而改日筹谋中的矿井则领有更多的储量。

Spruce Pine石英之是以受接待，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的石英底本就颠倒白皙，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过失晶体耻辱物——附着在石英分子上的其他矿物分子。这种情况很常见，令东说念主衰颓。“我照旧评估了来自天下各地的数千个石英样品，万生优配，万生优配网，万生优配，万生优配官网，国家允许的配资平台，最安全的杠杆炒股平台”距离Spruce Pine约一小时车程的阿什维尔矿产商讨推行室的首席矿物加工工程师约翰施兰茨说。“险些整个样品的耻辱物都锁在石英颗粒中，无法破除。”

可是，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，从而将纯度普及一个层次。工夫东说念主员更进一步，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生意机要的物理和化学处置门径。”

不外，据咱们了解，Spruce Pine 并不是自然高纯度石英的唯一开始。

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极少石英，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开始正在造访中。

毫无疑问，Spruce Pine 是公共 70-90% 石英供应的开始。但这并不虞味着它不成替代。除了竭力于在其他场合寻找新开始外，还有多种挨次不错替代，尽管这并非莫得繁重。

一种选拔是使用合成石英而不是自然开采的石英。合成石英本色上不错比自然石英纯度高得多。症结是合成石英要贵得多，可能约莫是自然高纯度石英本钱的 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本钱的一小部分、

而且据我所知，一些芯片制造商照旧在使用由Japan Super Quartz等公司销售的合成石英坩埚。可是，关于太阳能光伏来说，这种本钱加多将是一个广阔的包袱。

图注：石英品性与价钱

一样，制造商不错使用其他纯度较低的石英源，并进一步索要以达到所需的纯度水平。这也将愈加推进，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，从而导致本钱更高，但这也可能是可行的。SemiAnalysis的一篇著作以为，对 Spruce Pine 石英的担忧被夸大了，非凡是因为有合成石英可用，而且有可能索要纯度较低的石英源。

从长期来看，有可能找到替代的坩埚材料。石英的耐高温智商、低热彭胀整个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）。但商讨东说念主员正在探索替代的坩埚材料，如氮化硅和碳化硅。由于石英是次第坩埚寿命的主要瓶颈，因此，一种大概使 CZ 炉运行更永劫刻的新式高性能材料将成为锭材制造的一大跳跃。

从工夫上讲，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再行融解，该加热器沿锭的长度移动。当硅融解并在晶种周围再行凝固时，杂质会迁徙出来，从而产生单晶硅锭。

图注：Float Zone 工艺

由于Float Zone工艺压根不需要硅斗争坩埚，因此它不错破除比 CZ 工艺更高的纯度。它用于需要这种纯度的电力电子等居品。可是，Float Zone工艺比 CZ 工艺更推进，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，浮区法晶圆的本钱约莫是雷同 CZ 晶圆的两倍。

更关键的是，Float Zone工艺在生产锭（以及晶圆）尺寸方面受到次第。其最大直径约为 6 英寸，而自 21 世纪初以来，率先的半导体节点一直使用12 英寸晶圆。尺寸次第意味着更高的本钱，因为晶圆尺寸越小，一次处置的芯片数目就越少，而且整个现存的半导体制造建立都必须进行改良或更换武艺处置更小的晶圆。本色上，除非情况极为危险，不然大限制过渡到浮区工艺可能不成行。

由此，咱们不错得出论断：

Spruce Pine 照实是当代半导体制造领域的关键瓶颈，但它并不是撑合手通盘当代经济的不成替代的承重维持。它更接近于在性价比领域占据一个相对特有的利基商场：有替代品，但它们都是不太好、不太低廉且尚未开采的组合；

正如一些分析东说念主士所说，并不是说其他场合莫得高纯度石英。而是Spruce Pine 的纯度、可用性和价钱险些是唯一无二的。俄罗斯和巴西都有矿山，更毋庸说中国了，这些矿山照旧生产了大都高纯度石英。有些公司大概合成高纯度石英。

是以，Spruce Pine若是出事了，不会是天下末日。这不会“散伙”半导体或太阳能电板制造。不外，正如有东说念主也曾说过的那样，从长期来看，咱们都会死。从短期来看，本色上加多替代生产需要一些时刻，一样重要的是，还需要一些本钱。

在我看来，最道理的不是 Spruce Pine 瓶颈，而是石英坩埚对硅锭制造的次第。找到替代的坩埚材料将对匡助太阳能光伏本钱络续下落大有裨益，跟着太阳能光伏给与率抑制飞腾。

我很思知说念，新材料方面是否会获得任何推崇。

半导体佳构公众号保举

专注半导体领域更多原创内容

包涵公共半导体产业动向与趋势

*免责声明：本文由作家原创。著作内容系作家个东说念主不雅点，半导体行业不雅察转载仅为了传达一种不同的不雅点，不代表半导体行业不雅察对该不雅点赞同或支合手，若是有任何异议，接待联系半导体行业不雅察。

今天是《半导体行业不雅察》为您共享的第4085期内容，接待包涵。

『半导体第一垂直媒体』

及时 专科 原创 深度

公众号ID：icbank

心爱咱们的内容就点“在看”共享给小伙伴哦