“全球唯一” 偏远乡村开采的砂子，关乎半导体的未来 [科技脱口秀]
全球唯一出产超高纯度半导体原料硅砂的地方
半导体产业从这里起步的美国乡村小镇
关于现代半导体基板（晶圆）原料硅是由沙子制成这一点，人们早已耳熟能详。不过，并不是所有沙子都能加工成晶圆。只有俗称为“二氧化硅砂”的特定种类沙子才能用来制造半导体。而这种沙子只能在美国北卡罗来纳州的一个小镇获取。
仅有2000人口的美国乡村小镇，成了半导体产业的起点
在北卡罗来纳州米切尔县，有一个名为斯普루斯派恩的小镇。根据维基百科记载，按2020年人口普查统计，该镇常住人口仅约2000人，是一个标准的乡村小镇。因为镇子太小，就连在美国国内，知道这个地方的人也并不多。
然而，目前全世界范围内，只有这个小镇出产的沙子，其硅纯度足以作为半导体原料。这种沙子呈白色，颗粒细腻，让人联想到沙滩或高尔夫球场的沙坑。正是这种沙子，成为半导体晶圆的原料。
斯普루斯派恩的沙子生意早在20世纪初就已经开始。当时，美国人在斯普鲁斯派恩修建铁路和居民点，并开采包括沙子在内的多种矿物。那时斯普鲁斯派恩的白沙已经颇为惹人注目，但当时它只被用来制作玻璃。
斯普鲁斯派恩沙子的真正价值是在20世纪50年代中期以后才被认识到，那正是美国早期半导体产业的萌芽期。当时，美国的半导体工程师为了制造硅基半导体，正在四处寻找可用作晶圆基板原料的高纯度沙子。
然而，用普通沙子根本无法制造半导体。即便是富含硅颗粒的“二氧化硅砂”，也难以直接用作半导体材料。这是因为，大部分沙子除了作为硅组成元素的硅以外，还掺杂着各种杂质。只有纯度达到99.99999999999%的沙子才能用来制造硅晶圆。科学家在对上千份沙子样本进行实验后，最终发现了斯普鲁斯派恩出产的这种超高纯度二氧化硅砂，于是才有了我们今天日常使用的“电脑芯片”。
只要一处处理设施停摆，全球半导体就可能“全线熄火”
那么，这种珍贵的二氧化硅砂究竟由谁来开采并制成硅呢？目前，名为“Unimin”的一家企业几乎垄断了斯普鲁斯派恩的沙子开采业务。这家公司现在隶属于总部位于比利时的跨国矿业企业“Sibelco”。
有了二氧化硅砂，也不会立刻变成晶圆。还需要通过再度提纯，从中提取出更高纯度的硅。Sibelco通过在业内被严格保密的“Czochralski工艺”，从沙子中提取出纯硅，并制成坩埚。坩埚中的硅再被拉制成柱状单晶锭，将硅锭切成薄片并抛光打磨至光滑，最终才制成作为一切半导体起点的晶圆。
能够用来制造半导体晶圆的超高纯度二氧化硅砂，被称为“IOTA”规格。截至目前，符合IOTA规格的二氧化硅砂只在斯普鲁斯派恩被发现。也就是说，这个只有约2000人口的小镇，事实上成了整个半导体产业的源头。
如果斯普鲁斯派恩的矿区发生意外，全球半导体供应链会怎样？在2008年，斯普鲁斯派恩的一处硅锭生产设施曾发生火灾。受此影响，IOTA规格沙子的供应一度全面中断，仅此一事就几乎让全球半导体产业陷入瘫痪。
学界也在努力寻找能够替代斯普鲁斯派恩的其他二氧化硅砂候选地，但目前尚无显著进展。直到现在，地球上能开采出纯度达99.99999999999%的二氧化硅砂的地方，依然只有斯普鲁斯派恩。
半导体产业的特点在于全球范围内的分工协作，以及供应链高度集中在少数企业手中。代工制造业排名第一的台湾台积电（TSMC）、几乎垄断生产先进极紫外线（EUV）光刻机的荷兰ASML，都是典型代表。斯普鲁斯派恩则是另一个鲜明案例，揭示出支撑人类文明最关键的电脑芯片，其生产过程在现实中究竟有多么脆弱。
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