半导体纯度的挑战：重塑数字行业的物质性理解

随着数字行业对全球环境影响的日益凸显，我们需超越传统的采矿视角，探讨其更为复杂的物质性。数字产品与服务虽看似非物质，实则依赖于多样化的元素及其超高纯度。本文将聚焦于半导体行业，揭示其元素多样性与纯度要求如何进一步加剧数字行业的物质负担。

在探讨数字领域对环境的影响时，人们常局限于采矿活动对特定矿物（如钴、锂）的依赖。然而，半导体作为数字行业的基石，其制造过程涉及元素种类之繁多与纯度要求之严苛，远超传统认知。本文旨在通过深入分析半导体行业的物质流与纯度需求，揭示数字行业更全面的物质性。

简介

近年来，数字领域对环境的影响愈发受到关注，涵盖基础设施、产品与服务等多个方面。随着人工智能与边缘计算的大规模应用，大型科技公司的环境足迹不断扩张。尽管采矿业在数字部门的物质性中占据核心地位，但全球供应链的新参与者与化学工业的相互作用同样不容忽视。

数字部门的物质性不仅限于“开采”的矿物需求，还包括制造过程中的电力与水消耗。联合国数据显示，用于信息与通信技术的关键元素仅占2018年开采元素总量的0.77%。然而，半导体制造业作为数字行业的核心，其材料流动与环境影响正受到越来越多的关注。

为了全面理解数字行业的物质性，需从补充视角探索生产链。半导体制造业因其材料多样性与超高纯度要求，成为揭示数字行业物质性的关键。然而，其供应链复杂且难以分析，主要因上游供应商与科技公司的不透明性。

图 1展示了半导体行业如何支持数字商品与服务。微芯片作为最复杂的产品之一，不仅需种类繁多的基本材料，且要求极高纯度。技术进步推动微型化、性能与成本效益的提升，这些改进均需更多样化的材料以改善物理与电气性能。

图 2展示了BEOL（后端工艺）材料按技术节点的演变。随着技术节点的缩小，不仅晶体管（FEOL）需新（旧）材料以达最高纯度；互连堆叠（BEOL）也变得越来越特殊与复杂。每一代均需新的合金以实现具有更低电阻率的互连。

微芯片制造所需元素远超传统认知。根据我们的最佳估计（图3），半导体行业现需元素周期表中超过85%的非放射性元素。这种转变在过往30年中相对未被关注。微芯片不仅需大量材料且必须极其纯净。

本文旨在探讨纯度考量如何重塑对数字产品和服务物质性的理解。通过纯度视角审视微芯片生产，揭示其二次物质化与瓶颈，不仅关乎环境影响也关乎供应链。

方法

探讨半导体行业的重要性时面临几个关键问题：当前数字元件制造使用哪些元素？微芯片制造商需达到何种纯度水平？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？

本文提出的纯度方法涉及三个主要特征的估算：标准级与半导体级纯度的比较、达到高纯度所需的工业流程以及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与英特尔的少量信息。尽管细分这些元素的具体用途可能困难重重，但此方法仍有助于从截然不同角度理解半导体行业的材料需求。

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。随后通过案例研究深入分析四种特定元素。

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。尽管无法检索所有元素的数据，但该列表涵盖了大多数非放射性元素。半导体制造的纯度要求因元素而异，例如Si可能高于11N（99.999999999%），而Au则限于4-5N。

图5比较了选定元素的标准级与电子/半导体级之间的纯度差异。结果显示，半导体行业对许多元素的纯度要求远高于其他行业。

B：案例研究

为说明基于纯度的方法如何更好地理解数字领域的重要性，我们选择了四个案例研究：硅(Si)、铝(Al)、氖(Ne)和金(Au)。这些元素在半导体行业价值链中特性与用途截然不同。

B1：硅

硅是电子工业的核心，但其开采量中只有一小部分用于此目的。要达到半导体所需的极高纯度（11N+），需多种工艺结合。

B2：铝

高纯铝主要用于集成电路制造的溅射靶材。尽管电子级铝需求增长可能增加对特定生产线的压力，但其提纯链仍集中在少数公司。

B3：金

金在元器件金属化与互连步骤中至关重要。电子行业对金的纯度要求与半导体标准一致，但其提纯链与珠宝、金融行业相同。

B4：氖

氖气在半导体制造中至关重要，但其纯化高度依赖钢铁生产。这凸显了半导体制造业对其他高碳排放行业的依赖。

讨论

基于纯度的方法既有优势也有局限性。它有助于锁定关键生产与供应链环节并识别供应链中的瓶颈。然而，要对所有要素进行一致审查需更大规模的分析。

结论

本文通过基于纯度的方法揭示了半导体制造的物质性及其对数字行业的重要性。我们强调需重新评估纯度要求在环境影响评估中的影响，并考虑供应链管理与韧性。