芯耀
2054
作者：九林
去年以來(lái)，中國(guó)對(duì)鎵、鍺、銻、超硬材料、石墨等兩用物項(xiàng)實(shí)行了出口管制措施。
12月3日，商務(wù)部發(fā)布“關(guān)于加強(qiáng)相關(guān)兩用物項(xiàng)對(duì)美國(guó)出口管制的公告”：禁止兩用物項(xiàng)對(duì)美國(guó)軍事用戶(hù)或軍事用途出口；原則上不予許可鎵、鍺、銻、超硬材料相關(guān)兩用物項(xiàng)對(duì)美國(guó)出口；對(duì)石墨兩用物項(xiàng)對(duì)美國(guó)出口，實(shí)施更嚴(yán)格的最終用戶(hù)和最終用途審查。
據(jù)報(bào)道，中國(guó)開(kāi)始限制向美國(guó)出口后，使得鎵的價(jià)格已攀升至每公斤595美元，創(chuàng)2011年來(lái)最高價(jià)格。半導(dǎo)體材料是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，包括晶圓制造材料和封裝材料兩大類(lèi)。如硅片、掩模版、電子氣體、光刻膠等在半導(dǎo)體制造過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。
鎵、鍺、銻也與半導(dǎo)體有不小的關(guān)系。比如，鎵被稱(chēng)為“半導(dǎo)體工業(yè)新糧食”，主要用于復(fù)合半導(dǎo)體、集成電路、雷達(dá)、電視和手機(jī)屏幕、太陽(yáng)能電池板等領(lǐng)域。在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，不同國(guó)家對(duì)某些材料有著較為顯著的掌控力。
?01、中國(guó)：鎵、鍺、銻
鎵：“半導(dǎo)體工業(yè)新糧食”
鎵是一種銀白色的稀有金屬，在地殼中的含量稀少，主要與鋁、鋅等礦物伴生，提取難度較大。對(duì)于鎵資源的戰(zhàn)略地位，全球早有共識(shí)，美國(guó)、歐盟、日本都將鎵作為戰(zhàn)略性或關(guān)鍵性礦產(chǎn)資源。2011年，我國(guó)也將鎵列為戰(zhàn)略?xún)?chǔ)量金屬之一。
鎵早在第二次世界大戰(zhàn)期間就被認(rèn)為是一種戰(zhàn)略性和關(guān)鍵金屬。鎵用于化合物半導(dǎo)體，可提供更快的運(yùn)行速度、更低的功耗或更高的耐熱性，結(jié)合多種元素以提高電視和手機(jī)熒幕、太陽(yáng)能電池板和雷達(dá)的傳送速率和效率。其中，氮化鎵已廣泛應(yīng)用于為5G 網(wǎng)絡(luò)基站供電的芯片中，也被軍方應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)中，并且越來(lái)越多地應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)充電器中；砷化鎵用于無(wú)線(xiàn)通訊和激光器的一些元件。
據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局公布的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前全球鎵的儲(chǔ)量為27.93萬(wàn)噸，而中國(guó)一個(gè)國(guó)家的儲(chǔ)量就達(dá)到19萬(wàn)噸，占全球儲(chǔ)量的68%，而美國(guó)儲(chǔ)量只有0.45萬(wàn)噸，還不及中國(guó)儲(chǔ)量的1/40。在鎵金屬產(chǎn)量方面，中國(guó)更是占有絕對(duì)主導(dǎo)地位，在全球每年300噸粗鎵產(chǎn)量中，中國(guó)就占了290噸，占全球產(chǎn)量的96%以上，可以說(shuō)中國(guó)對(duì)鎵金屬的供應(yīng)擁有絕對(duì)的控制力。
鍺：“半導(dǎo)體工業(yè)的維生素”
鍺被譽(yù)為“半導(dǎo)體工業(yè)的維生素”。是一種灰白色的準(zhǔn)金屬，質(zhì)硬，屬于碳族，化學(xué)性質(zhì)與同族的錫與硅相近，不溶于水、鹽酸、稀苛性堿溶液，但溶于王水、濃硝酸或硫酸。世界上第一支晶體管的材料是鍺，且直到20世紀(jì)60年代之前鍺在半導(dǎo)體中還占主要地位。它在光纖通信、紅外成像、太陽(yáng)能電池等多個(gè)高科技領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。
在第三代與第四代先進(jìn)半導(dǎo)體中，鍺也是核心元素之一。如硅鍺化合物可用于制造高速晶體管和集成電路，能加快芯片速度。鍺在光纖通信領(lǐng)域也有重要應(yīng)用，用于制造光纖的纖芯，能夠提高光纖的傳輸性能。相比于其他稀有金屬，美國(guó)擁有全球最多的鍺儲(chǔ)備，占全球的45%，略高于中國(guó)（41%）。與鎵的儲(chǔ)藏情況類(lèi)似，鍺也沒(méi)有單獨(dú)的富礦可供開(kāi)采，而是以伴生礦的形式分布在含硫化物的鉛、鋅、銅礦以及特定的煤礦中。
美國(guó)的鍺資源雖然豐富，但主要以鉛鋅伴生礦為主，這也意味著美國(guó)需要大量生產(chǎn)鉛鋅，才能從中提煉出極少量的鍺，據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)每年自產(chǎn)的鍺只能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)需求的5%左右，其余均需依賴(lài)進(jìn)口。中國(guó)鍺資源主要來(lái)源于褐煤礦，開(kāi)采相對(duì)便利。此外，中國(guó)政府在鍺產(chǎn)業(yè)上給予了大力支持，推動(dòng)了鍺產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展。目前，中國(guó)已成為全球最大的鍺生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)，年產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的70%以上。
銻：顯著提升半導(dǎo)體的導(dǎo)電性
銻因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在現(xiàn)代工業(yè)中占據(jù)重要地位，尤其是在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域。銻常用于摻雜硅以制造n型半導(dǎo)體，這一過(guò)程能夠顯著提升半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，進(jìn)而提高其性能。此外，銻化銦作為一種化合物半導(dǎo)體材料，以其高電子遷移率和對(duì)紅外光的敏感性，廣泛應(yīng)用于紅外探測(cè)器、熱成像儀、紅外LED和光電子器件中。以銻為基礎(chǔ)的材料也在LCD和OLED顯示器中被用于制造薄膜晶體管。銻礦比稀土更加稀缺，在地殼中的含量約為0.0001%，是極稀戰(zhàn)略金屬。
我國(guó)銻的儲(chǔ)量、產(chǎn)量、出口量在世界上均占世界第一位。美國(guó)《防務(wù)新聞》2022年提到，美國(guó)眾議院軍事委員會(huì)的相關(guān)報(bào)告顯示，中國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)是“最大的銻礦開(kāi)采和精煉國(guó)，也是美國(guó)的主要進(jìn)口來(lái)源。根據(jù)美國(guó)國(guó)防戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備的銻資源儲(chǔ)備，一旦被切斷相關(guān)供應(yīng)，美國(guó)最快在2025年就將出現(xiàn)短缺。”
?02、日本：光刻膠與ABF（味之素堆積膜）板
光刻膠：高端ArF和EUV領(lǐng)域，日企市場(chǎng)占有率超過(guò)90%
光刻膠，顧名思義，就是光刻機(jī)在光刻過(guò)程中使用的聚合物薄膜材料，英文直譯過(guò)來(lái)是光致抗蝕劑，能在紫外光、電子束、離子束、X射線(xiàn)等照射或輻射下，發(fā)生聚合或解聚反應(yīng)，把圖案留在硅片上。
光刻膠類(lèi)型劃分全球五大光刻膠生產(chǎn)商中，日企獨(dú)占四家，JSR、東京應(yīng)化、信越化學(xué)及富士膠片拿下全球超70%的光刻膠市場(chǎng)。特別是在最高端的ArF和EUV領(lǐng)域，日企市場(chǎng)占有率超過(guò)90%。不僅是市場(chǎng)份額，日企在光刻膠領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)量和技術(shù)水平在全世界也是遙遙領(lǐng)先。根據(jù)2021年9月，日本光刻膠專(zhuān)利申請(qǐng)量占全球該領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量的46%，一家獨(dú)大，排名第二的是美國(guó)，占25%。中國(guó)則僅以7%的占比，排在韓國(guó)之后，排名全球第四。2023年，全球共有5483件光刻膠專(zhuān)利，日本獨(dú)占63%。日本在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的地位已經(jīng)得到了全球的認(rèn)可，這也讓日本獲得了主動(dòng)權(quán)。
日本政府曾多次限制光刻膠等半導(dǎo)體材料的出口，其中，影響最深遠(yuǎn)的就是2019年7月，日本政府宣布對(duì)出口韓國(guó)的半導(dǎo)體工業(yè)材料加強(qiáng)審查和管控，并將韓國(guó)排除在貿(mào)易“白色清單”以外。這些半導(dǎo)體材料包括含光刻膠、氟聚酰亞胺、氟化氫。直到2023年，日韓才“冰釋前嫌”，日本取消對(duì)韓國(guó)包括光刻膠等三種關(guān)鍵材料的出口限制，同時(shí)，韓國(guó)也撤回之前向世界貿(mào)易組織（WTO）提出的申訴。
ABF（味之素堆積）膜
IC載板為半導(dǎo)體封裝中關(guān)鍵的封裝材料，按基板材質(zhì)主要分為BT載板與ABF載板。ABF載板行業(yè)高度集中，全球前十大供應(yīng)商占據(jù)80%以上的市場(chǎng)份額。ABF載板的核心原材料——ABF膜。
ABF 膜是一種用于半導(dǎo)體封裝的層間絕緣材料，是制造高端 CPU 和 GPU 不可缺少的材料，目前幾乎沒(méi)有替代品。ABF 膜當(dāng)前由日本味之素公司壟斷。味之素公司在20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)，味精生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的一種化學(xué)副產(chǎn)品可用于制造絕緣膜，而絕緣膜對(duì)高性能芯片而言至關(guān)重要。此后30年，該公司一直控制著ABF的供應(yīng)。該產(chǎn)品甚至以它命名——味之素堆積膜。
味之素之所以能夠壟斷市場(chǎng)原因在于兩點(diǎn)：第一，成本。味之素把 ABF 的利潤(rùn)壓得足夠低，做到量大利薄，其他企業(yè)插足進(jìn)來(lái)很難實(shí)現(xiàn)盈利，因此也就沒(méi)有企業(yè)愿意去競(jìng)爭(zhēng)。第二，技術(shù)。味之素的這種 ABF 材料擁有數(shù)十年的技術(shù)沉淀（包括秘密配方），其他企業(yè)進(jìn)行技術(shù)研發(fā)雖然也能生產(chǎn)出來(lái)，但是品質(zhì)不一定能夠達(dá)到 ABF 的級(jí)別，性能不一定能夠滿(mǎn)足芯片對(duì)材料的苛刻需求。
?03、美國(guó)：超純石英
芯片從誕生發(fā)展至今經(jīng)歷了不斷的迭代升級(jí)，唯有一種主要材料沒(méi)有發(fā)生變化，即半導(dǎo)體硅片。半導(dǎo)體硅片的制造，就需要用到“石英”作為原料，通過(guò)將其中的硅元素加以純化，制成高純度的硅晶棒，切片之后制成半導(dǎo)體硅片。由于半導(dǎo)體硅片對(duì)于純度要求極高，因此其對(duì)于原料的純度要求也是非常的高，通常需要“高純石英”作為原料，雜質(zhì)的純度必須低于10ppm，這意味著其二氧化硅含量應(yīng)做到99.999%（5N）或99.998%（4N8）以上。此外，高純石英也被用于精密光學(xué)玻璃以及光伏、照明等產(chǎn)業(yè)。
據(jù)稱(chēng)，該地區(qū)供應(yīng)全球90%的超純石英，這種石英是芯片制造的關(guān)鍵原料，它用于制造用于生產(chǎn)半導(dǎo)體中使用的高純度硅的坩堝，這些坩堝中的硅錠被切割成薄片，用于印制晶體管和電路，進(jìn)而制造芯片，是價(jià)值6000億美元半導(dǎo)體行業(yè)的基礎(chǔ)。這些坩堝所用石英純度需達(dá)99.999%，以防止在高溫下與更純凈的多晶硅反應(yīng)。Oslo-headquartered公司將斯普魯斯派恩描述為“地球上唯一一個(gè)石英純度足夠生產(chǎn)制造半導(dǎo)體錠所需坩堝的礦場(chǎng)?！痹摰貐^(qū)超純石英的一旦發(fā)生長(zhǎng)期中斷可能影響智能手機(jī)、電腦到太陽(yáng)能板等電子產(chǎn)品關(guān)鍵組件的下游生產(chǎn)，沖擊全球芯片供應(yīng)鏈，特別是當(dāng)今處于AI服務(wù)器需求激增和高端芯片供應(yīng)緊張之際。
盡管全球有其他高純度石英的來(lái)源，但斯普魯斯派恩的石英在純度、數(shù)量和獲取性方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。Vince Beiser在其著作《一粒砂的世界》中提到，盡管在俄羅斯、巴西、印度和中國(guó)等國(guó)家存在一些小型生產(chǎn)商，但這種關(guān)鍵材料的供應(yīng)高度集中在一個(gè)人口約2000人的小鎮(zhèn)上是“相當(dāng)瘋狂的”，目前來(lái)看沒(méi)有真正的替代品。
