国家利益2022年5月10日刊登Shubham Dwivedi和Gregory D. Wischer的文章，指出，美国必须提高它国内高纯度矿物、气体和化学品的能力，否则美国的半导体能力，或者说国家安全，就将继续高度依赖它自身能控制之外的外国因素。
世界上最先进的半导体，就是领先节点逻辑芯片。它是人工智能、量子计算、机器人和先进无线网络等'必胜'新兴技术的基础。不言而喻，这些技术对美国国家安全的潜力，颇为巨大。但是，同样重要的是，美国要通过外国供应环节，其中主要是依赖东亚来获得这些芯片，而这又充满了市场和地缘政治风险。虽然白宫和国会都通过《美国芯片法案》（简称CHIPS法案）等法案，要求优先考虑半导体制造，并希望能解决各种供应链漏洞，但是，对制造的过度关注，往往忽视了关键材料的重要性：矿物、工业气体和化学品，是任何计算机芯片都的构成要素。
关键材料：矿物、气体和化学品
任何前沿节点逻辑芯片的制造，至少需要超过三百种材料。虽然这些矿物、工业气体和化学品只占半导体行业的一小部分，但是，它们在生产中十分最重要，甚至从一开始就如此。
正如半导体工业协会(SEMI)直言不讳地表明：'在许多情况下，这些材料没有已知的替代品可以满足我们的功能需求，因此，关键材料的安全和持续供应，对我们的行业至关重要。'SEMI是一个全球性的行业协会，它认为制造材料市场相当于404亿美元。而且还指出，鉴于需求正在飞速增长，部分原因是生产领先节点逻辑芯片的质量和数量要求提高，这个数字必然会扩大。
目前，中国控制了整个材料市场的13%，而东亚其他地区控制了大约57%。相比之下，美国只控制了11%。这种压倒性的集中，使供应链更有可能因市场和地缘政治风险而中断。
该行业对先进逻辑芯片的持续扩张，正在给市场参与者带来巨大压力，从而反过来使目前的供应紧张。正因为如此，任何计划中的产能扩张，都可能依然不足以满足未来的需求。中国作为一个战略竞争对手，也是一些材料的主要供应商。这一事实只会使情况更加复杂。正如安全与新兴技术中心所警告的那样，'中国公司是原材料的主导供应商，'并补充说，美国'国内生产能力小，原材料严重依赖进口'。
中国、台湾省、韩国、欧盟和美国，都在试图通过投资材料能力来缓解这些问题。例如，韩国已经宣布2019年在材料、部件和设备方面投资50亿美元。同时，中国的主要材料供应商，如肯普尔微电子公司，正在扩大业务并向美国客户销售。
相比之下，美国在解决这一问题上面临着严峻的挑战。美国的劳动力成本比外国竞争对手高50%，项目需要2至15年才能开始生产。使这一情况进一步复杂化的是，其中涉及到杂质风险，这使得先进芯片的制造厂，一般都不愿意更换材料供应商。
因此，任何加强美国国内材料能力的尝试，就都必须包括华盛顿的实质性激励措施，以鼓励相关矿物、气体和化学品的生产。
矿物
矿物显然对半导体的制造至关重要，其中使用最多的是硅和砷化镓。前者在历史上一直是半导体的基础矿物，但砷化镓也有可能越来越多地取代硅，因为它有更好的操作能力。其他相关矿物，如稀土元素和钴，也发挥着关键作用。因此，制造能力的提高导致对这些矿物的需求扩大。例如，钴的需求仅在2019年至2020年间就跃升了30%。用于提高半导体速度和可靠性的新化合物的商业化，已经催化了对其他矿物的需求。
因此，矿物供应链变得紧张起来。新冠疫情后的经济复苏，推动了各行业对矿物的需求，导致成本和交货时间激增。
自2020年初以来，一些矿物的需求，如钌和铱，已经增加了三位数，而铜、钴和铝的价格已经飙升。停产不幸地促成了这一点。就在2021年，中国的减产使硅的价格从8月到12月增加了300%。任何这样的生产中断，都会导致价值数亿美元的严重损失。这种持续的供应风险，必然会持续下去，因为，对电动汽车和可再生能源技术的需求只会继续上升。
有鉴于此，美国对外国矿物供应的依赖并不广泛，但却依然很危险。2018年，美国地质调查局将35种矿物列为'对美国的经济和国家安全至关重要'。其中30种矿物直接影响到半导体制造，美国对其中23种矿物的进口依赖度超过75%，其中12种矿物对中国的进口依赖度为100%。从这个角度来看，2021年，中国矿山生产了全球60%的稀土，而美国矿山只生产了15%。2017年至2020年期间，中国是美国78%的稀土进口来源。
因此，中国对半导体矿物的控制，构成了一个重大的地缘政治挑战。北京已经表现出愿意尝试将其市场影响力作为一种武器来使用。在2010年的一场外交争端中，他们对日本的稀土出口实施了事实上的禁止。然后，在2019年美中贸易战期间，中国国家发展和改革委员会警告说，如果有人想用稀土制成的产品来遏制中国的发展，那么稀土生产基地的人民和全体中国人民都不会高兴。
据报道，北京已经起草了稀土的出口管制，专门针对美国的国防工业。这些出口禁令，加上出口配额，是全球价格进一步跳跃的原因。更令人担忧的是，由于中国控制了全球矿产储备的重要份额，它对关键材料的统治只会继续下去。这包括钨（51%）、锑（24%）和各种稀土元素（37%）。由于最近国内所有主要稀土供应商的合并，这种控制力只会越来越强。
华盛顿正在努力解决这个问题，尽管常常是无济于事。国防部已经与Lynas和MP材料公司签订了建造稀土加工设施的合同，而能源部正在探索开发一个关键矿物的提炼厂。
工业气体
芯片制造过程中的各个阶段至少使用了一百种气体，包括沉积、光刻、蚀刻、掺杂、退火和腔室清洗。这些气体被分为大宗气体和电子特种气体。大宗气体是指氮气、氧气、氩气、氦气、氢气和二氧化碳，而电子特种气体是指'所有其他气体，数量超过一百种的纯和特种混合物'，包括氨气、硅烷、氯化氢、三氟化氮和氧化亚氮。更重要的是，超纯的、不可替代的工业气体是生产领先节点逻辑芯片的关键。因此，随着领先节点芯片制造能力和整体半导体制造能力的扩大，工业气体的需求可能会在未来三到五年内大幅增长。
目前，东亚地区的工业气体供应集中度令人吃惊。超过75%的电子特种气体市场在韩国、台湾(省)、中国和日本。例如，中国生产60%的萤石，这是其他一些气体（CF、NF3、HF、WF6和SF6）的关键成分。几乎所有主要的领先气体供应商都以外国为主。默克（德国，市场领导者）、718（中国）、华特（中国）、纳塔（中国）、液化空气（法国）、林德（荷兰）、昭和电工（日本）、Matheson(日本)、Wonik（韩国）和SK材料（韩国），以及Entegris（美国）。
正如人们所预期的那样，半导体气体已经在开始经历需求压力。Linx咨询公司的一份研究报告指出，'产能扩张和行业的有机增长，将对目前的电子特种气体供应链造成压力。多个电子特种气体供应链将需要投资，以满足与新工厂建设有关的质量要求和增加的数量。'
预计气体需求将随着芯片需求的增加而上升，这可能导致气体短缺，从而造成严重的下游影响。从这个角度来看，C4F6是逻辑芯片中不可替代的气体，如果C4F6供应损失6-1亿美元，就会给下游造成100-180亿美元的损失。
正如上文所暗示的那样，工业气体市场面临着巨大的地缘政治风险。半导体工业协会的警告十分直截了当：'美国的气体供应不足，我们依赖外国的供应来源，而这些来源可能变得不稳定'。
正在进行的俄乌战争突出了这种不稳定性。乌克兰为美国半导体制造提供90%的高纯度氖气，从2021年12月到2022年3月，生产停顿使氖气整体价格上涨500%。该国也是氙气的主要来源，而邻国俄罗斯，现在受到美国和欧洲的制裁，是氦气和C4F6气体的主要来源。主要的芯片制造商通常会储存一年的气体供应，防止立即出现供应短缺，但较小的芯片制造商储存的气体容量较少，因此，可能会面临供应问题。
为了满足这一预测的不断增长的需求，中国台湾省、日本和韩国正在扩大其工业气体产能。主要的天然气公司正在升级他们在整个东亚的产能。然而，与此同时，随着中国在第14个五年计划中追求半导体自给自足，中国在天然气市场上的份额到2025年必然会出现增长。这对华盛顿来说是个问题，在谈到美国的这些气体的产能时，有几个亮点。目前，这种能力必然会上升，因为现场供气设施一般都是与主要的半导体制造设施一起建造。例如，林德公司正在亚利桑那州投资6亿美元建设气体工厂，以供应芯片制造商台积电的新工厂。
大约有500种化学品用于半导体制造，包括光刻胶、泥浆和硫酸等湿化学品。此外，还需要异丙醇和盐酸等商品化学品。鉴于这些化学品的独特属性，它们没有替代品。可以猜到，对这些高纯度化学品的需求正在推动需求的增长，特别是对极紫外光（EUV）光刻胶的需求。
东亚再次在市场份额上占据主导地位。一个有说服力的例子就是日本公司，如东京大化工业株式会社、JSR公司和信越化学株式会社，控制了90%的EUV光刻胶，这是领先节点逻辑芯片的关键化学品。正如预期的那样，中国是湿化学品原材料的主要来源，包括氢氟酸。另一方面，美国目前没有生产任何用于领先节点逻辑芯片的高纯度化学品，也没有扩大其湿化学品的产能。目前的情况是，美国的先进节点制造厂，一直从海外采购高纯度化学品。
由于超纯化学品生产能力低，化学品供应尤其面临中断的风险。专家预测，美国对硫酸的需求价格将上涨37%，对氢氧化铵的需求价格将上涨46%。电子材料咨询公司TECHCET警告说，'到2023年可能会经历短缺'。这些化学品的独特属性，使制造厂无法替代其他化学品，而每个供应商的不同化学配方又抑制了工厂快速转换到其他供应商。这一点，再加上工厂事故和新的法规，已经造成了灾难的根源。
并不是说以前的情况有多好：化学品的供应往往只来自一个国家或公司，夸大了任何相关的地缘政治风险。例如，台湾省是超高纯度异丙醇的主要来源。台海的军事冲突显然会产生严重影响。值得注意的是，日本生产全球约90%的氟化聚酰亚胺和70%的氟化氢，并且，是韩国90%的光刻胶进口来源。日本在2019年7月限制向韩国出口光刻胶、氟化氢和氟化聚酰亚胺，使韩国半导体出口每月损失约84亿美元。
由于有明确现在和未来的需求，韩国和台湾(省)正在增加投资，以促进化学品生产。首尔已经确立了一个目标，要到2023年，国内供应商将提供70%的电子材料。同样，中国正在大力投资光刻胶的生产，预计中国的光刻胶公司将在未来三到五年内经历大规模增长。日本则有望在不久的将来主导半导体化学品市场，因为，工厂与供应商的关系通常是长期的。
至于美国，华盛顿显然在增长化学能力方面面临挑战。一方面，美国化工厂的平均成本是亚洲同行的五到六倍，同时，新的能力需要两到三年的时间来建设。
形势很明显：需要立即采取行动
华盛顿必须激励半导体材料的质量改进和产能增长，以保护美国的国家安全。然而，尽管像《CHIPS法案》这样的法案以研究和制造为目标，但它们却令人失望地忽略了矿物、气体和化学品。即使目前的制造目标得以实现，从长远来看，对东亚市场的严重依赖，依然会带来重大风险。没有足够的材料，半导体的制造就不可能进行。白宫的一份报告在这个问题上说得很清楚。'这些材料中的任何一种供应中断，都会对半导体生产产生深远的影响'。
美国必须提高其国内高纯度矿物、气体和化学品的能力，否则美国的半导体能力和国家安全，将继续高度依赖其自身控制之外的外国因素。
联系客服
