不依赖稀土、特殊材料，能造芯片吗？

很多行业的供应链都盘根错节，但半导体行业的供应链问题远比这还要复杂。大量芯片零部件受产地制约，极易受到地缘政治因素的冲击。芯片制造还牵扯社会与环境层面的各类问题，供应链中任何一个看似微小的环节出现断裂，都可能造成整个体系崩塌。

密歇根大学的研究人员正与纳米电子领域的顶尖研究机构imec展开合作，寻找破解材料瓶颈的方案。他们将该项目命名为 “Common Earth（共同地球）”，以此反衬半导体行业对稀土的依赖，目标是找到可行方案，替换半导体供应链中的关键元素以及永久性化学物质。

《IEEE Spectrum》采访了密歇根大学主导该项目的两位研究人员：计算机工程教授、副教务长Valeria Bertacco，以及材料科学与工程系副教授John Heron。

问：你们如何定义 “共同地球” 半导体材料这一概念？

Valeria Bertacco：本项目的目标是消除硅芯片制造环节的供应链瓶颈。全球供应链存在多处瓶颈来源。在材料层面，我们高度依赖稀土材料。另外，半导体生产过程会产生全氟和多氟烷基物质（PFAS），这类化学副产物一旦进入环境就很难被彻底清除。

John Heron：我们构思这个项目时，重点关注了几类管控程度较高、供应链较为脆弱的材料。一类是用于晶体管栅极电介质的铪；另一类是部分稀土材料，它们虽然不直接集成到CMOS芯片内部，但对CMOS芯片的制造工艺不可或缺。

更广一点来讲，更准确的说法是 “关键元素”。铪是我们重点研究的对象，严格来说它并不属于稀土元素。它受地缘政治管控的程度不及稀土，但同样存在供应链瓶颈。铪实际上是锆矿开采的副产物，而开采锆主要服务于核工业，也就是说铪是核工业的附属产物。部分关键元素来自其他行业的副产物，如果想要扩大半导体产能，就必须同步扩大另一套产业的规模。

当然，上述材料会直接或间接产生废弃物。这类废弃物大多含氟，含氟化合物属于PFAS类化学物质，会随废水排放。本项目也包含伦理层面的考量：消除这类永久性化学物质，关注生产副产物带来的健康与安全问题，同时兼顾材料来源与采购环节的伦理问题。我们希望以更全局的视角看待芯片制造。

问：芯片技术依赖稀土和特定材料是有现实原因的，你们打算如何突破这一现状？

Bertacco：一旦更换半导体生产所用的材料，晶体管或者存储器件的性能参数就会随之改变。业界选用某一种特定电介质，是因为它可以满足低延迟、高性能的需求。我们的替代方案或许可以做到性能接近原有水平，甚至具备其他潜在优势，但器件本身一定会发生变化。对此我们的解决思路是开发更先进的电路技术、架构与系统。举个例子，如果更换电介质之后晶体管漏电流变大，就需要更完善的电源门控、频率节流等电路层面方案，以此抑制漏电流。

Heron：稀土大多用于等离子沉积工艺的涂层，充当保护设备的防护层。稀土本身在地球上储量并不稀缺，只是现有提纯工艺用某国出产的矿石效率最高。所以我们的思路是选用其他更容易获取、便于提纯的材料，筛选出能够耐受等离子环境的特殊化学材料。

问：你们与imec合作，学术界之外的合作给这项研究带来了哪些帮助？

Heron：imec本身开展芯片与工艺技术研发，能够提供测试平台，不仅可以测试新技术，还可以验证整套工艺流程。imec还有专门团队研究PFAS化学品，研究如何降低其危害、管控这类物质，区分哪些工艺必须使用PFAS、哪些工艺可以不用。imec的客户都是大型制造企业，企业会接纳这类研究成果。借助这次合作，我们有机会对接这些潜在技术使用者。

问：目前 “共同地球” 项目已经取得或正在探索哪些供应链解决方案？

Heron：其中一个方向是采用含氮前驱体（芯片制造过程中沉积在半导体上的化学层），以此摆脱氟元素。我们同时在寻找铪的替代元素，重点研究盐类相关方案。

我从工艺层面处理PFAS问题；密歇根大学还有团队从过滤技术入手，研发新型过滤材料，捕获废水中的这类化学物质并予以去除，这也是目前主要的研究方向。

Bertacco：我们还希望推动硅芯片生产走向通用化，扩大芯片的可获得性。尤其希望找到方案，改变当前很多设计依赖单一供应源的现状。为此我们从架构层面开展研究，利用芯粒等新兴技术。未来基于可组合芯粒的设计，可以复用一套基础模块：使用单套模块实现低端产品，多套模块拼接实现高端产品。GPU与CPU就很适合这种可扩展的设计思路。

问：这些方案可以如何改善传统半导体供应链中的社会、环境与经济问题？

Bertacco：减少PFAS向环境排放，会带来显著收益。全球半导体产业正在高速扩张，如果不采取应对手段，PFAS的排放量也会随之大幅增长。

出于社会与政治因素，稀土一直备受关注，但供应链风险不止这一种。我从John Heron那里了解到，几年内氖气价格暴涨十倍。氖气是炼钢行业的副产物，全球两家最大钢铁企业位于乌克兰，当地生产停滞之后，氖气价格随之飙升。

有大量不受工程师、芯片厂商掌控的外部事件，都可以重创整个行业。如果 “共同地球” 项目能够打造更稳健的供应链，推动材料本地化供给，我们就可以更好地应对这类风险。

问：芯片制造企业是否会积极解决上述问题？

Heron：这个领域变数很多，会涌现多种发展路径。拿PFAS举例：如果出台严苛法规，禁止产生这类废弃物，企业如果不去解决，就会面临致命打击。所以这些问题十分关键。如果美国想要保留本土制造能力，同时兼顾排放与废弃物管控，这类新工艺就必不可少，未来会成为刚需。所以我的答案是企业会积极应对。但当下可能还没有那么迫切。不过按照美国过往的发展趋势推演，未来企业终将不得不做出改变。