美國卡了全球芯片脖子？

網絡上不時流傳着這樣一種觀點：所有半導體和太陽能光伏制造都依賴於美國北卡羅來納州斯普魯斯派恩鎮出產的極純石英。如果該地區出現毀滅性的打擊，會對全球的芯片產業造成巨大的影響。

這也讓不少人得出了一個觀點——美國卡了全球芯片的脖子。

這種石英用於制造坩堝，坩堝中盛放熔融的硅，然後將其制成硅錠，再將硅錠切割成晶片並制成芯片。石英需要非常純淨，以防止雜質滲入硅中，而Spruce Pine正是這種非常純淨的石英的產地。

在去年颶風海倫襲擊過後，人們擔心洪水對這些位於Spruce Pine礦造成的破壞可能會導致供應中斷，於是人們對此的興趣激增，很多媒體也報道了這個新聞。

正如前文所說，人們也經常用世界末日的術語來談論Spruce Pine石英。這意味着，如果礦井發生事故，半導體制造業（甚至可能是世界經濟）將陷入停頓，而我們則不得不努力尋找替代品。

在上述推文中，莫裏克表示，“現代經濟依賴於北卡羅來納州Spruce Pine的一條道路。”在《物質世界》中，康威引用了一位行業專家的話，他說，如果礦井受到足夠的破壞，“可能會在六個月內終結全球半導體和太陽能電池板的生產。”

這是真的嗎？某種程度上是的！

石英坩堝對於大多數半導體制造來說確實是必需的，而 Spruce Pine 是這種石英的大部分產地。Spruce Pine 石英並不是半導體制造中不可替代的關鍵。但替代品都是尚未开發、質量不太好、價格不太便宜的組合。切斷 Spruce Pine 石英的供應可能不會完全切斷半導體的供應，但這意味着產量下降，成本上升。

其實該行業也意識到了瓶頸，且正在开發新的石英來源，並正在研究新的坩堝材料。如果找到一種新的坩堝材料，將產生特別大的影響：不僅因爲它可以消除 Spruce Pine 瓶頸，還因爲石英是硅錠制造的主要限制因素，而一種新的、更好的材料可能會大幅提高生產效率。

半導體和高純石英

衆所周知，大部分現代半導體都是用高純度硅制成的：微芯片的純度爲99.9999999% （稱爲 9N），太陽能電池的純度則稍低一些（6N-8N）。要使硅達到這種純度需要經過多個精煉步驟。該工藝從石英（二氧化硅）开始，石英在礦熱爐中與碳發生反應，生成冶金級硅（純度約爲98-99% ）。然後，冶金硅經過西門子工藝：硅與氯化氫發生反應，生成氣態三氯硅烷 (SiHCl3)，然後將其液化、蒸發回氣體，並在氫氣存在下暴露於加熱的硅絲中。硅通過化學氣相沉積在硅絲上凝結，形成非常純淨的多晶硅棒，多晶硅由多個邊界相交的晶體組成。

圖注：冶金硅的生產

這些晶界會在晶體結構中產生不良缺陷，因此對於微芯片和高效太陽能電池板，我們需要單晶硅：單晶的硅錠。單晶硅幾乎全部採用Czochralski (或 CZ) 工藝制成。在 CZ 工藝中，多晶硅在石英坩堝中熔化，溫度超過1400 攝氏度，然後將一小塊硅籽晶浸入熔體中。隨着晶體被緩慢取出，熔融的硅在其周圍凝固，與現有的晶體結構對齊，形成一個大錠，即一個單晶。然後，該錠將被切成晶片，然後制成微芯片或太陽能電池。

圖注：西門子法生產多晶硅

高溫工藝會導致石英中的雜質滲入熔融硅中，即使坩堝有保護塗層，雜質也會滲入其中。半導體對雜質極其敏感，即使是百萬分之幾的錯誤原子也會產生災難性的後果，因此坩堝所用的石英必須盡可能純淨。由於高純度石英價格昂貴，因此坩堝由一層高純度石英和一層較便宜、純度較低的石英制成。

圖注：Czochralski制造工藝

石英坩堝不僅對硅錠的質量有重大影響，而且是硅錠制造成本的主要決定因素。高純度石英的成本約爲每噸 10000 美元，而坩堝本身的成本則爲數千美元。此外，坩堝的使用壽命很短。

圖注：雙層石英坩堝的橫截面

隨着時間的推移，坩堝會退化，高溫引起的化學變化會導致坩堝在冷卻後破裂。制造商可以通過在不冷卻爐子的情況下從坩堝中取出多個硅錠來延長坩堝的使用壽命，但坩堝的使用壽命仍然限制在 400 小時左右。CZ 爐每年將消耗大約 20-25 個坩堝，大型硅錠制造廠可能有數十個 CZ 爐。一篇論文估計，單晶硅錠制造成本的 30% 來自坩堝。

圖注：晶圓廠內有數十台 CZ 爐

這些坩堝所需的高純度石英大部分來自 Spruce Pine，由兩家在那裏採礦的公司提供：比利時礦業公司 Sibelco 的子公司Covia （前身爲 Unimin）和挪威礦業公司Quartz Corp。

具體數字很難得出（高純度石英行業極其保密），但據估計，Spruce Pine 每年生產18 萬至 20 萬噸高純度石英。如果這個數字正確，那么隨着時間的推移，這個數字會大幅上升（這並不奇怪，因爲太陽能光伏產量不斷上升，而且電池從多晶硅向單晶硅過渡。）

2013 年，全球石英出貨量僅爲8 萬噸（包括中純、高純和超純石英），2015 年高純度石英年總產量估計約爲 3 萬噸。 20 萬噸並不是那么多的材料（相比之下，美國最大的煤礦去年生產了6200 萬噸），而 Quartz 公司估計其現有礦井擁有數十年的儲量，而未來計劃中的礦井則擁有更多的儲量。

Spruce Pine石英之所以受歡迎，不僅是因爲它天然的高純度，還因爲它可以進一步淨化，使其純度達到 99.999% 或更高。據一本名爲《The World in a Grain: The Story of Sand and How It Transforme》的書描述：

“

“Spruce Pine的石英本來就非常純淨，經過幾輪泡沫浮選後純度會更高。但一些顆粒可能仍然含有格洛弗所說的間隙晶體污染物——附着在石英分子上的其他礦物分子。這種情況很常見，令人沮喪。“我已經評估了來自世界各地的數千個石英樣品，”距離Spruce Pine約一小時車程的阿什維爾礦產研究實驗室的首席礦物加工工程師約翰施蘭茨說。“幾乎所有樣品的污染物都鎖在石英顆粒中，無法清除。”

然而，最好的Spruce Pine石英具有开放的晶體結構，這意味着可以將氫氟酸直接注入晶體分子中，以溶解任何殘留的長石或鐵，從而將純度提高一個檔次。技術人員更進一步，在高溫下使石英與氯或鹽酸發生反應，然後再經過一到兩個商業祕密的物理和化學處理步驟。”

”

不過，據我們了解，Spruce Pine 並不是天然高純度石英的唯一來源。

中國每年生產約 5,000 噸石英，並希望將其產量擴大到 20,000 噸或更多。挪威和俄羅斯都生產少量石英，而巴西歷史上是主要供應國。加拿大、南卡羅來納州、斯裏蘭卡和澳大利亞等世界各地都有其他潛在石英來源正在調查中。

毫無疑問，Spruce Pine 是全球 70-90% 石英供應的來源。但這並不意味着它不可替代。除了努力在其他地方尋找新來源外，還有多種方法可以替代，盡管這並非沒有困難。

一種選擇是使用合成石英而不是天然开採的石英。合成石英實際上可以比天然石英純度高得多。缺點是合成石英要貴得多，可能大約是天然高純度石英成本的 5-10 倍。芯片制造商可能可以承擔這筆費用，因爲硅錠只佔微芯片成本的一小部分、

而且據我所知，一些芯片制造商已經在使用由Japan Super Quartz等公司銷售的合成石英坩堝。然而，對於太陽能光伏來說，這種成本增加將是一個巨大的負擔。

圖注：石英品質與價格

同樣，制造商可以使用其他純度較低的石英源，並進一步提煉以達到所需的純度水平。這也將更加昂貴，而且所得石英可能仍比 Spruce Pine 石英含有更多雜質，導致產量較低，從而導致成本更高，但這也可能是可行的。SemiAnalysis的一篇文章認爲，對 Spruce Pine 石英的擔憂被誇大了，特別是因爲有合成石英可用，並且有可能提煉純度較低的石英源。

從長遠來看，有可能找到替代的坩堝材料。石英的耐高溫能力、低熱膨脹系數以及與熔融硅的相對不反應性是難以替代的，石英坩堝目前是硅半導體制造的唯一選擇（盡管如果你使用鍺或氮化鎵等其他材料，則有更多選擇）。但研究人員正在探索替代的坩堝材料，如氮化硅和碳化硅。由於石英是限制坩堝壽命的主要瓶頸，因此，一種能夠使 CZ 爐運行更長時間的新型高性能材料將成爲錠材制造的一大進步。

從技術上講，通過區熔法（Float Zone），無需任何坩堝即可制造高純度硅錠。在此過程中，多晶硅錠通過環形射頻加熱器緩慢地重新熔化，該加熱器沿錠的長度移動。當硅熔化並在晶種周圍重新凝固時，雜質會遷移出來，從而產生單晶硅錠。

圖注：Float Zone 工藝

由於Float Zone工藝根本不需要硅接觸坩堝，因此它可以實現比 CZ 工藝更高的純度。它用於需要這種純度的電力電子等產品。然而，Float Zone工藝比 CZ 工藝更昂貴，部分原因是它需要較大的多晶硅錠而不是較小的多晶硅塊：這個來自半導體制造商的網站表明，浮區法晶圓的成本大約是類似 CZ 晶圓的兩倍。

更關鍵的是，Float Zone工藝在生產錠（以及晶圓）尺寸方面受到限制。其最大直徑約爲 6 英寸，而自 21 世紀初以來，領先的半導體節點一直使用12 英寸晶圓。尺寸限制意味着更高的成本，因爲晶圓尺寸越小，一次處理的芯片數量就越少，而且所有現有的半導體制造設備都必須進行改造或更換才能處理更小的晶圓。實際上，除非情況極爲危急，否則大規模過渡到浮區工藝可能不可行。

由此，我們可以得出結論：

Spruce Pine 確實是現代半導體制造領域的關鍵瓶頸，但它並不是支撐整個現代經濟的不可替代的承重支柱。它更接近於在性價比領域佔據一個相對獨特的利基市場：有替代品，但它們都是不太好、不太便宜且尚未开發的組合；

正如一些分析人士所說，並不是說其他地方沒有高純度石英。而是Spruce Pine 的純度、可用性和價格幾乎是獨一無二的。俄羅斯和巴西都有礦山，更不用說中國了，這些礦山已經生產了大量高純度石英。有些公司能夠合成高純度石英。

所以，Spruce Pine如果出事了，不會是世界末日。這不會“終結”半導體或太陽能電池制造。不過，正如有人曾經說過的那樣，從長遠來看，我們都會死。從短期來看，實際上增加替代生產需要一些時間，同樣重要的是，還需要一些成本。

在我看來，最有趣的不是 Spruce Pine 瓶頸，而是石英坩堝對硅錠制造的限制。找到替代的坩堝材料將對幫助太陽能光伏成本繼續下降大有裨益，隨着太陽能光伏採用率不斷上升。