文章核心观点 Spruce Pine是现代半导体制造领域的关键瓶颈，但并非不可替代切断其石英供应不会终结半导体或太阳能电池制造，但会使产量下降、成本上升行业正在开发新的石英来源和坩埚材料，找到新的坩埚材料将有助于提高生产效率和降低太阳能光伏成本 [5][25][26] 分组1：Spruce Pine石英对半导体行业的影响 - 网络观点认为所有半导体和太阳能光伏制造依赖美国Spruce Pine镇的极纯石英，若该地区受打击会对全球芯片产业造成巨大影响，甚至有人认为美国卡了全球芯片的脖子 [1] - 去年飓风海伦袭击后，人们担心洪水破坏Spruce Pine矿导致供应中断，媒体对此进行了报道，且常以世界末日术语谈论该石英，认为矿井事故会使半导体制造业甚至世界经济陷入停顿 [3] - Spruce Pine石英用于制造坩埚，坩埚盛放熔融硅制成硅锭，再切割成晶片制成芯片，石英需非常纯净以防止杂质渗入硅中 [1] 分组2：半导体和高纯石英的制造工艺 - 大部分现代半导体用高纯度硅制成，微芯片纯度为99.9999999%，太阳能电池纯度稍低，工艺从石英开始，经矿热炉反应生成冶金级硅，再经西门子工艺制成多晶硅棒 [7] - 微芯片和高效太阳能电池板需单晶硅，几乎全部采用Czochralski工艺制成，多晶硅在石英坩埚中熔化，温度超1400摄氏度，用硅籽晶形成单晶锭，再切成晶片制成微芯片或太阳能电池 [9] - 高温工艺会使石英杂质渗入熔融硅，半导体对杂质敏感，坩埚用石英需尽可能纯净，坩埚由高纯度石英和低纯度石英制成 [11] 分组3：石英坩埚的成本和使用寿命 - 石英坩埚对硅锭质量和成本有重大影响，高纯度石英成本约每吨10000美元，坩埚成本数千美元，使用寿命短 [13] - 坩埚会因高温化学变化退化，冷却后破裂，制造商可通过不冷却炉子取出多个硅锭延长其使用寿命，但仍限制在400小时左右，CZ炉每年消耗约20 - 25个坩埚，单晶硅锭制造成本的30%来自坩埚 [14] 分组4：Spruce Pine石英的供应情况 - 坩埚所需高纯度石英大部分来自Spruce Pine，由Covia和Quartz Corp两家公司提供，估计每年生产18万至20万吨，且未来会大幅上升 [18] - 2013年全球石英出货量8万吨，2015年高纯度石英年总产量约3万吨，Quartz公司估计现有矿井有数十年储量，未来计划矿井储量更多 [18] - Spruce Pine石英受欢迎是因为天然高纯度且可进一步净化，其具有开放晶体结构，可注入氢氟酸溶解残留长石或铁，还可经高温与氯或盐酸反应及其他处理提高纯度 [18] 分组5：Spruce Pine石英的替代方案 - 中国每年生产约5000吨石英，希望扩大到20000吨或更多，挪威、俄罗斯、巴西等也有石英生产，世界各地还有其他潜在石英来源正在调查 [19] - 可使用合成石英替代天然开采石英，合成石英纯度更高，但价格是天然高纯度石英的5 - 10倍，芯片制造商可能承担得起，太阳能光伏难以承受 [19] - 可使用其他纯度较低的石英源并进一步提炼，但成本更高，所得石英杂质可能更多，产量更低 [22] - 研究人员正在探索替代坩埚材料，如氮化硅和碳化硅，新型高性能材料可使CZ炉运行更长时间，是锭材制造的进步 [22] - 区熔法无需坩埚可制造高纯度硅锭，能实现比CZ工艺更高的纯度，但成本更高，生产锭和晶圆尺寸受限，大规模过渡不可行 [22][24]