鎵、鍺、光刻膠、超純石英等，那些影響全球半導(dǎo)體的關(guān)鍵材料

作者：九林

去年以來，中國對鎵、鍺、銻、超硬材料、石墨等兩用物項實行了出口管制措施。

12月3日，商務(wù)部發(fā)布“關(guān)于加強(qiáng)相關(guān)兩用物項對美國出口管制的公告”：禁止兩用物項對美國軍事用戶或軍事用途出口；原則上不予許可鎵、鍺、銻、超硬材料相關(guān)兩用物項對美國出口；對石墨兩用物項對美國出口，實施更嚴(yán)格的最終用戶和最終用途審查。

據(jù)報道，中國開始限制向美國出口后，使得鎵的價格已攀升至每公斤595美元，創(chuàng)2011年來最高價格。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。如硅片、掩模版、電子氣體、光刻膠等在半導(dǎo)體制造過程中起著至關(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、太陽能電池板等領(lǐng)域。在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，不同國家對某些材料有著較為顯著的掌控力。

?01、中國：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。對于鎵資源的戰(zhàn)略地位，全球早有共識，美國、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，我國也將鎵列為戰(zhàn)略儲量金屬之一。

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，并且越來越多地應(yīng)用于電動汽車充電器中；砷化鎵用于無線通訊和激光器的一些元件。

據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局公布的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前全球鎵的儲量為27.93萬噸，而中國一個國家的儲量就達(dá)到19萬噸，占全球儲量的68%，而美國儲量只有0.45萬噸，還不及中國儲量的1/40。在鎵金屬產(chǎn)量方面，中國更是占有絕對主導(dǎo)地位，在全球每年300噸粗鎵產(chǎn)量中，中國就占了290噸，占全球產(chǎn)量的96%以上，可以說中國對鎵金屬的供應(yīng)擁有絕對的控制力。

鍺：“半導(dǎo)體工業(yè)的維生素”

鍺被譽為“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、太陽能電池等多個高科技領(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，美國擁有全球最多的鍺儲備，占全球的45%，略高于中國（41%）。與鎵的儲藏情況類似，鍺也沒有單獨的富礦可供開采，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，美國每年自產(chǎn)的鍺只能滿足國內(nèi)需求的5%左右，其余均需依賴進(jìn)口。中國鍺資源主要來源于褐煤礦，開采相對便利。此外，中國政府在鍺產(chǎn)業(yè)上給予了大力支持，推動了鍺產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展。目前，中國已成為全球最大的鍺生產(chǎn)國和出口國，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紅外光的敏感性，廣泛應(yīng)用于紅外探測器、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。

我國銻的儲量、產(chǎn)量、出口量在世界上均占世界第一位。美國《防務(wù)新聞》2022年提到，美國眾議院軍事委員會的相關(guān)報告顯示，中國長期以來是“最大的銻礦開采和精煉國，也是美國的主要進(jìn)口來源。根據(jù)美國國防戰(zhàn)略儲備的銻資源儲備，一旦被切斷相關(guān)供應(yīng)，美國最快在2025年就將出現(xiàn)短缺?！?/p>

?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，日企市場占有率超過90%

光刻膠，顧名思義，就是光刻機(jī)在光刻過程中使用的聚合物薄膜材料，英文直譯過來是光致抗蝕劑，能在紫外光、電子束、離子束、X射線等照射或輻射下，發(fā)生聚合或解聚反應(yīng)，把圖案留在硅片上。

光刻膠類型劃分全球五大光刻膠生產(chǎn)商中，日企獨占四家，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。特別是在最高端的ArF和EUV領(lǐng)域，日企市場占有率超過90%。不僅是市場份額，日企在光刻膠領(lǐng)域的專利申請量和技術(shù)水平在全世界也是遙遙領(lǐng)先。根據(jù)2021年9月，日本光刻膠專利申請量占全球該領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量的46%，一家獨大，排名第二的是美國，占25%。中國則僅以7%的占比，排在韓國之后，排名全球第四。2023年，全球共有5483件光刻膠專利，日本獨占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，日本政府宣布對出口韓國的半導(dǎo)體工業(yè)材料加強(qiáng)審查和管控，并將韓國排除在貿(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”，日本取消對韓國包括光刻膠等三種關(guān)鍵材料的出口限制，同時，韓國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原因在于兩點：第一，成本。味之素把 ABF 的利潤壓得足夠低，做到量大利薄，其他企業(yè)插足進(jìn)來很難實現(xiàn)盈利，因此也就沒有企業(yè)愿意去競爭。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，但是品質(zhì)不一定能夠達(dá)到 ABF 的級別，性能不一定能夠滿足芯片對材料的苛刻需求。

?03、美國：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，唯有一種主要材料沒有發(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)體硅片對于純度要求極高，因此其對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，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“地球上唯一一個石英純度足夠生產(chǎn)制造半導(dǎo)體錠所需坩堝的礦場。”該地區(qū)超純石英的一旦發(fā)生長期中斷可能影響智能手機(jī)、電腦到太陽能板等電子產(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可比擬的優(yōu)勢。Vince Beiser在其著作《一粒砂的世界》中提到，盡管在俄羅斯、巴西、印度和中國等國家存在一些小型生產(chǎn)商，但這種關(guān)鍵材料的供應(yīng)高度集中在一個人口約2000人的小鎮(zhèn)上是“相當(dāng)瘋狂的”，目前來看沒有真正的替代品。