数字行业物质性深度解析：半导体制造中的超高纯度要求与供应链影响

数字领域对环境产生的效应正日益成为焦点，全球化背景下数字产品与服务的迅猛增长进一步加剧了这一影响。数字行业的物质属性常通过采矿活动对环境的冲击来体现，以此表明数字化进程并非等同于非物质化。尽管采矿业扮演着关键角色，但相关讨论往往局限于少数几种已成为采掘业象征的矿物（例如钴、锂）。

本文将依据半导体行业所涉元素的多样性及其严苛的纯度标准，进一步深入探讨数字行业的物质基础。半导体是制造数字行业核心构件——微芯片的关键。鉴于半导体行业对超高纯度材料的特殊需求，我们通过对全球部分企业的研究，揭示了复杂供应链中新兴的关键参与者。这凸显了采矿业对其他大规模生产工业部门的深度依赖，以及有必要更细致地探究其与化学工业（作为采矿业的重要补充）之间的互动关系。

简介

近年来，人们愈发关注数字领域对环境的影响，涵盖基础设施（如数据中心、通信网络）、产品（如智能手机）和服务（如视频点播流媒体）。近期，人工智能及边缘人工智能在众多领域大规模整合的趋势日益显著，进一步激化了环境担忧，大型科技公司在环境报告中也指出其足迹持续扩大。

迄今，数字部门的物质性（此处界定为“所有能够制造最终数字产品的提取与生产链条”）主要从“开采”视角进行探讨，指出采矿活动需要特定原材料（例如，用于电池的锂/钴），以及制造过程消耗的大量电力和水资源。然而，联合国最新数据显示，用于信息与通信技术的关键元素，如镓、锗、铟、稀土元素、硒、钽和碲，其价值仅占2018年所有开采元素总价值的0.77%（煤炭除外）。

尽管无可否认，若无采矿业的生产，ICT产品与服务将不复存在，但其矿产需求初看似乎有限。为更全面理解数字行业的物质性，需从补充视角进一步探索生产链。作为数字行业核心，半导体制造业因其材料流动和环境影响而受到越来越多关注。然而，尽管有更多证据表明其存在环境影响和污染，该行业仍未得到充分审视。其物质性方面常被忽视，主因在于供应链极其复杂、广泛，且上游（矿商、精炼商等）与科技公司透明度不足。

然而，由于所有ICT产品和服务本质上都依赖于被称为微芯片的硬件组件，数字行业的物质性深深植根于半导体行业的物质性，如图1所示。

图 1：支持数字商品和服务的半导体行业的简化视图

微芯片可以说是人类迄今制造的最复杂产品，它不仅需要种类最多的基础材料，而且要求达到极高的纯度。事实上，半导体行业的技术进步主要受微型化、性能提升和成本效益驱动。这些改进需要更多样化的材料，以在尺寸缩小的同时优化物理和电气性能。

随着技术节点的缩小，不仅晶体管需要具有最高纯度的新旧材料；互连堆叠也变得越来越特殊且复杂。每一代都需要新的合金，以便在更小的技术节点中实现更低电阻率的互连。21世纪初，铜互连只有3-4层，而现在，最新Nvidia或Apple微芯片中的金属互连已超过20层，布线长度达数千公里。图2展示了现代CMOS技术节点中常见的后端工艺金属堆叠的基本元素分解，呈现了这一演进过程的复杂性。关于最先进节点的信息，无论处于量产阶段还是研发阶段，都高度保密，并肯定会在图中引入更多元素。

图 2：后端工艺材料按技术节点的演变

认为微芯片主要由半导体和少量零散元素构成的观点早已过时。实际上，即使是业内专家也难以列出现代处理器所需的所有元素。这份清单不仅应包括微芯片内部的元素，还应包括制造纳米级晶体管所必需的众多其他元素。

根据我们的最佳估算，半导体行业现在需要元素周期表中超过85%的非放射性元素。在过去30年里，这种从少数元素到几乎所有可能元素的转变相对未引起足够关注。微芯片制造不仅需要大量材料，而且这些材料必须达到极致纯度。

实际上，这意味着必须将杂质的浓度控制并降至极低水平。这主要是因为先进技术依赖于复杂的制造工艺，而这些工艺对纯度的要求越来越高：特征尺寸越小，单个杂质的影响就相应越大。

例如，全球半导体行业协会SEMI制定了从A到E级的化学工艺和气体指南。A、B和C级化学品适用于1.2微米至90纳米之间的几何尺寸。低于这些尺寸的，则需要新的D、E及以上等级，并要求杂质检测浓度低于万亿分之一。这些等级在过去也可称为电子级、VLSI，直至90纳米以下的XLSI，并定义每个尺寸所需的化学纯度水平。

关于纯度要求最接近的类比可能来自制药行业，其中ppm和ppb纯度水平很常见，而半导体行业的要求为ppt甚至更严格。同样明显的是，生产更高纯度的元素需要更多的处理步骤，包括使用其他高纯度气体，以及消耗更多能源和水。鉴于纯度要求在微芯片制造中的特殊和关键作用，忽视纯度考量将导致对数字领域重要性的认识不完整，并可能低估半导体行业的环境影响。

图 3：20世纪80年代至2010年代半导体行业使用的元素，根据先前作品进行改编和更新

因此，本文旨在探讨纯度考量如何重塑和提升当前对数字产品和服务物质性的理解。我们探究如何通过纯度视角审视微芯片生产，揭示其二次物质化和瓶颈，这不仅关乎环境影响，也涉及行业供应链。为此，我们提出了一种互补方法，该方法依赖于微芯片行业特有的材料特性，该行业对材料的需求在两个方面极为特殊：元素多样性和超高纯度要求。这适用于半导体制造工艺中涉及的许多材料。我们展示了这两个特性如何成为一种更精细方法的关键，从而能够识别和单独分析半导体行业上游的物质性。

本文其余部分结构如下。“方法”部分介绍了研究范围、数据收集过程以及以四种元素为重点的案例研究。然后，分别展示元素纯度要求和案例研究分析的结果。最后，“讨论”部分阐述了基于纯度的方法的优势和局限性，以便更好地理解半导体制造上游物质的重要性。

方法

从纯度要求角度探讨半导体行业的重要性时，会出现几个问题：目前数字元件制造中使用哪些元素？如今微芯片制造商需要达到什么纯度水平？纯化涉及哪些工业流程？这些流程在哪里进行？高纯度需求在多大程度上改变了元素的关键性？它与其他工业需求有何不同？本文提出的纯度方法涉及三个主要特征的估算：

• 标准级纯度水平与所需半导体级纯度水平的比较；
• 达到高纯度水平所需的工业制造流程；
• 晶圆代工厂设备的材料要求。

图3中的元素列表来自台积电和英特尔发布的少量信息。然而，进一步细分这些元素的具体用途可能极其困难。不同技术节点和代工厂之间的用例也可能存在显著差异。

需要注意的是，尽管我们在科学文献中没有找到类似的高级元素周期表概述，但这仍然是对当前半导体制造中使用的元素的非详尽概述，可以通过进一步的研究进行扩展，并辅以工业数据。一旦叠加纯度要求，这样的分析可以帮助从截然不同的角度理解半导体行业的材料需求。

因为很难找到关于工业和半导体纯度水平的统一信息来源，我们不得不从异构来源重建数据库。我们首先收集了主要供应商目录中的信息；随后，针对每个要素，在纯化工艺专业科学文献和专利数据库中进行了专门检索。此外，我们还尽可能地利用政府报告或研究机构的机构文献来填补空白。

A：范围

本研究聚焦于半导体制造，因为它提供了数字产品和服务所需的一些关键硬件组件。由于半导体行业集中了数字领域物质流的重要组成部分，它成为一个值得关注的领域。更具体地说，我们关注微芯片生产及其相关的制造工业流程，因为其中许多流程都是减材制造。

B：纯度要求的数据收集

与许多行业一样，半导体行业也有其商业秘密。考虑到现代微芯片可能是有史以来最复杂的量产设备，其保密性通常比其他行业高得多。由于少数主要参与者能够生产最先进的技术节点，因此关于实际工艺步骤和所用配方的细节很少也就不足为奇了。

为了了解目前半导体制造中使用哪些元素以及微芯片制造商目前所需的纯度水平，我们参考了该行业主要参与者的公开文件以及工业供应商的目录和数据表。纯度规格因材料而异，通常在工业目录中提供。

标准级对纯度的要求较低，而半导体级的最高要求则要高得多。制造微芯片的晶圆代工厂通常从其价值链上游的其他供应商处采购超纯材料投入。由于其他行业的纯度要求均不及半导体行业，因此可以假设这些上游行业大多主要用于微芯片生产。

基于这些数据，可以估算出使用了哪些元素、纯度等级以及半导体以外的标准工业纯度等级。还需要开展大量工作来了解关键晶圆代工厂设备在不同技术节点中的具体作用。这涉及持续监测代工厂的制造设备代次，以确定需要关注的基本要素。

结果

本节首先介绍我们对半导体制造中元素周期表所有元素及其纯度要求的分析结果。然后，案例研究结果对半导体制造中使用的四种特定元素进行了更深入的分析。

A：半导体制造中的元素和纯度要求

图4汇总了我们对现代微芯片制造纯度要求的最佳推测。虽然无法检索元素周期表所有元素的数据，但该列表涵盖了大多数非放射性元素。显然，半导体制造的纯度要求取决于元素本身。图4中报告的纯度水平考虑了常用的半导体级纯度水平。

然而，应该注意的是，同一种材料在不同的晶圆厂和技术节点内可能有不同的用途。一个重要的信息是，半导体行业的高纯度要求不仅限于几个元素子集；它们几乎涵盖了整个元素周期表。可以安全地假设，没有其他任何一个行业在其供应链中使用如此广泛的元素，当然也不会使用这种纯度水平的元素。

图4：半导体行业主要元素的非详尽概述。元素的纯度要求以橙色阴影表示

如果许多其他行业也有类似的要求，那么对这种高纯度材料的需求就不一定会很大。因此，我们将常见的半导体级纯度要求与非半导体工业文献中的最高纯度水平进行了比较。如图5所示，比较结果显示纯度额外增加了N。首先，该图显示工业和半导体纯度要求之间的差距是不均匀的，从某些元素的微小差距到其他元素的显著差距。虽然需要对每个元素进行进一步的研究以了解提高纯度的潜在制造工艺，但这个排序列表为元素级纯度要求提供了宝贵的见解，并且是在环境生命周期评估数据库背景下优先进行数据收集和模型改进的良好起点。硅的纯度要求是迄今为止最高的，但许多其他元素的纯度要求也增加了2N或3N以上。

最后，图5还凸显了数据稀缺的瓶颈，因为许多元素无法同时获得工业级和半导体级的纯度要求。虽然我们没有关于追踪单个技术节点纯度要求的可靠数据，但可以假设，较小的节点在每个工艺步骤中都需要更高的纯度材料，并且这种趋势在未来仍将持续下去。

图5：选定元素的标准级与电子/半导体级之间的比较。浅蓝色条表示计算中的差异，其中最高半导体级或最高非半导体级纯度在文献中未明确说明

B：案例研究

为了说明基于纯度的方法如何更好地理解数字领域的重要性，我们选择了四个在半导体行业价值链中特性和用途截然不同的案例研究：硅、铝、氖和金。硅和铝是储量丰富的元素，而金则是一种非常稀缺的资源。虽然它们都需要相当高的纯度，但只有硅和铝在微芯片行业对纯度的要求高于其他行业。将氖纳入本研究非常重要，因为在材料分析中，气体常常被忽视，尽管它们对半导体制造至关重要。需要注意的是，许多化学工业产品也是如此。最后，金也加入了这个名单，因为它价值高，并且在大量非工业应用中都有使用。

对于每个案例研究，我们根据工业文献和最新的公共领域技术文档，逐一重构了生产高纯度元素所需的制造工艺。重构的制造工艺的完整详细信息以补充材料的形式提供。这些材料涵盖专利、供应商和原始设备制造商目录，以及行业报告和市场研究。此外，我们还参考了关于每个纯化链中使用的工业工艺的科学参考文献，进一步深化了本研究。

B1：硅

硅无疑是数字领域最知名的元素之一，也是现代电子工业的核心。然而，开采出的硅中只有一小部分用于电子工业。根据法国地质调查局的数据，2019年开采出的石英总量为409.3万吨，其中只有4.1万吨用于电子工业，约占总产量的1%。这种元素的特点更多地在于所需的纯度，而非提取的数量。它是半导体行业纯度要求最高的元素之一，达到11N甚至更高。因此，在石英的提取和超纯硅的生产之间，需要许多行业共同努力。

要达到半导体行业所需的纯度，主要采用三种工艺：首先，通过碳热还原法将石英转化为金属硅；其次，在西门子反应器中采用化学气相沉积法纯化硅金属，得到多晶硅；最后，利用切克劳斯基工艺将多晶硅转化为单晶硅。然后将生产的锭切割成晶片并进一步加工。

硅的案例表明，对纯度的需求如何迅速隔离了上游供应链，如图6所示。这凸显了两个关键问题。

首先，与许多其他元素一样，纯化的早期阶段似乎集中在中国。据估计，到2023年，中国将占据多晶硅生产市场份额的90%以上。那么，超过一半的单晶硅片产量集中在两家日本公司信越和胜高手中。矛盾的是，即使是中国在这一领域也几乎没有市场份额，也受到这一瓶颈的影响。据我们估计，全球只有35家工厂能够生产单晶硅片，而能够生产先进半导体晶圆的工厂就更少了。超纯硅生产价值链是少数国家掌握数字行业物质基础的典型例子。在这种情况下，对纯度的不断增长的需求加剧了瓶颈，即使是硅这种丰富的元素也变得稀缺。此外，这种纯度要求对环境有重大影响，特别是从多晶硅到单晶硅的转变。

图 6：2019年金属硅和多晶硅产量以及2020年晶圆制造市场份额

B2：铝

高纯铝主要用于半导体行业，作为集成电路制造的溅射靶材。商用级铝的纯度通常为99%。据估计，2020年全球铝消费量为6481万吨，其中电子行业将占5%至10%，尽管我们不知道有多少将用于制造更先进的组件。电子级铝定义为5N+。为了达到这一商业纯度水平，需要两个净化步骤。在生产原铝后，需要进行三层液态电解以获得4N的纯度。然后进行偏析工艺，以达到5N的纯度。液体电解是一种能源密集型过程，通常每吨耗能13兆瓦时，分离过程也是如此。

在5N高纯铝市场，五家公司占据了79%的市场份额。此外，该市场65%的溅射靶材用于半导体行业。以铝为例，半导体的纯度要求意味着特定的工业生产线对材料的需求将高于标准等级。先进零部件制造业的增长可能会增加对5N+铝的需求，并给这些生产线带来进一步的压力，而这些生产线在改善生产过程的环境足迹方面仍有很大进展。

B3：金子

金通常用于元器件的金属化和互连步骤。与硅不同，金是一种稀缺元素，在目前开采的矿床中含量极低，并已被其他行业广泛利用。2023年，技术应用仅占总需求的7.1%，其中83.1%涉及电子产品。黄金行业对纯度的要求与半导体行业的纯度标准高度一致。金条必须达到99.99%的纯度才能出售，而电子行业通常要求纯度达到99.999%。通过分析黄金的提取和精炼链，可以发现对更高纯度的需求并不一定需要额外的工艺。同样的工艺也用于从4N到5N黄金的转化。然而，这种情况可能会在未来的技术节点以及复杂的多芯片系统级封装或3D堆叠技术的开发中发生变化。

以黄金为例，对比工业级和半导体级纯度之间的相对差异至关重要。在这种情况下，最发达的黄金市场是为珠宝和金融行业生产4N金条，而珠宝、金融和电子产品的黄金提纯链是相同的。这些提纯链主要集中在瑞士公司以及其他公司。从环境角度来看，低浓度的黄金意味着在黄金提取过程中，而不是在电解提纯阶段，会对环境造成非常大的影响。其他岩石与金属比率极高的元素可能会表现出类似的特征。

B4：氖

在材料研究中，气体似乎很少被考虑，可能是因为它们理论上可以在地球上的任何地方提取，并且它们与物质性的关联性可能不如矿石或矿物那么明显。

然而，半导体制造严重依赖气体。例如，深紫外光刻中准分子激光器使用的混合气体包含稀有气体、卤素气体和缓冲气体，在本例中为氖气。这意味着在特定技术节点之间，半导体生产很大一部分高度依赖氖气。空气分离装置用于分离氮气、氧气和氩气，而其中一些工厂还设有专门的氦气、氖气和氪气分离生产线。

虽然理论上所有空气分离装置都能够提取和再利用氖，但只有少数装置能够做到这一点。根据最新的公开数据，2017年全球有40家工厂可以生产粗氦/氖，而只有18家氦/氖工厂可以提纯氖。如果空气分离厂每天至少生产800吨氧气，生产氖气就有利润。最大的空气分离厂通常与钢铁厂有关，这些钢铁厂的高炉消耗大量氧气，并能整合氦/氖混合生产线。因此，超纯氖气的生产很大程度上取决于钢铁的大规模生产。这可以解释为什么中国的主要氖气生产基地通常位于钢铁厂，如图7所示。氖气纯化的经济盈利能力取决于钢铁生产的规模经济，这一事实也意味着必须大规模生产钢铁才能生产深紫外光刻准分子激光器所需的超纯氖气。

氖气的例子表明，半导体等尖端技术高度依赖生产性工业基础，而这些基础可能非常耗能。这可以被视为一种额外的锁定效应。尽管如此，虽然超纯氖气在深紫外准分子激光器中用作缓冲气体，但现在超纯氢在新型极紫外激光器中充当了这一角色。这进一步凸显了监测工业制造工艺演变以及晶圆代工厂设备材料要求的必要性。

图 7：与粗氦/氖生产厂和炼钢厂相关的氖净化厂的非详尽地图

讨论

所提出的基于纯度的方法既有优势，也有局限性。首先，它有助于锁定与半导体行业乃至数字行业相关的关键生产和供应链环节。这使得我们能够识别上游供应链中的瓶颈，鉴于半导体行业在全球化社会中的核心地位，这一点至关重要。就硅和氖而言，我们能够识别出数十家参与这些元素纯化的关键工厂，从而揭示出它们对其他行业的强烈依赖。

其次，绘制纯化流程图有助于理解纯度提升是否涉及额外的工业流程或其他生产链，从而可能产生额外的环境影响。黄金的案例研究清楚地表明，纯度的进一步提升并不涉及额外的工艺流程，这与硅的案例研究不同，后者将纯度从9N提升到11N需要使用能耗极高的提拉法来获得单晶硅片。

氖的案例尤其引人注目，因为它的纯化高度依赖于钢铁的大规模生产，这也引发了人们对半导体制造业依赖其他高碳排放、高环境影响行业的担忧。事实上，由于氦氖混合物沸点高、浓度低，需要专门的生产线，但所需的纯度意味着气体必须经过多次过滤。

虽然可以指出，元素的经济成本可以作为识别更高纯度要求所导致的未计入环境负担的指标，但在实践中并非如此。事实上，由于超纯氖是副产品，其生产成本很大程度上被钢铁行业的规模经济所吸收。这有助于解释为什么元素的纯度水平与其价格没有系统性的相关性。这进一步证实了先前研究的结论，他指出，纯度更高的元素成本并不一定意味着更高的能源成本。

然而，就纯氖而言，其低成本背后可能隐藏着巨大的能耗。遗憾的是，我们没有找到关于氖纯化的公开生命周期评价数据，而且据我们所知，目前最先进的生命周期评价数据库并未正确记录这些数据，因此在当前的微芯片环境评估中可能被忽视。然而，研究表明，在大型空气分离装置中，氩气分离的能耗可能是氧气和氮气分离的四倍。因此，目前很可能忽视或低估了超纯氖对环境的影响。尽管如此，如何在多功能性存在的情况下分配环境影响的问题仍然存在，并且在副产品的情况下尤其重要。更一般地说，今天的纯度要求并不是故事的结束。

根据半导体行业路线图，未来10年内，前沿技术节点将为0.7nm。为了大规模生产这些设备，需要什么元素达到什么样的纯度，谁也说不准，但毫无疑问，它将比现在更加严格。

其次，尽管净化行业的数据可以通过不同的行业文献获得，但要对所有要素进行一致的审查，需要进行更大规模的分析，这超出了本文的讨论范围。还应注意，除了要素用途不同导致的内在差异外，不同数据源之间的可比性可能很复杂。此外，数据可能比较陈旧，但这并不一定是问题，因为该行业的发展速度比数字行业慢。

最后，虽然这项首次尝试系统地将元素周期表元素与半导体制造中的纯度要求进行映射，可以在未来的工作中进一步扩展，但它已经通过阐明所涉及元素的多样性和纯度，提升了目前对数字行业重要性的理解。同样，可以考虑开展更多案例研究，但本文概述的基于纯度的方法已经展现出诸多优势。

结论

本文表明，通过基于纯度的方法来研究半导体制造的物质性，是探索半导体行业上游物质性的一种有效途径。我们阐述了为什么为了更好地理解这种物质性，需要更深入地研究其与化学工业以及采矿业之间的相互作用。半导体行业对超高纯度材料的需求非常特殊，这使得我们能够在全球范围内分离出一些行业和工厂，从而凸显供应链中的瓶颈和高度依赖性。这揭示了其他地理参与者的存在，以及电子行业对其他大规模生产的工业部门的强烈依赖。我们通过四个涉及半导体制造的关键材料的案例研究来说明这一点。预期的半导体行业技术进步将进一步强化本研究的结论。这可能需要增加材料的多样性，并提高严重依赖超纯元素的制造工艺的复杂度。

此外，鉴于数字领域快速且重要的技术发展，我们强调需要重新评估纯度要求在半导体制造相关环境评估中的影响。

最后，我们主张将纯度要求的考虑范围扩大到环境影响评估之外，同时考虑供应链管理和韧性。

感谢本文作者：