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芯片:俄乌战争会造成全球缺芯吗?

当前,俄乌战争正在进行中,由于国家贸易和金融秩序早就已经渗透到了世界各处,可以说,没有一个行业不会被战争影响。

今天的《科技参考》,我们就说说俄乌战争对芯片行业的影响。

简单来说,俄乌战争会导致来自乌克兰的稀有气体断供,而这类气体是制造芯片所必须的,进而也会导致芯片的原材料供应波动,但并不太可能造成新一轮的芯片缺货。

稀有气体在芯片中都做什么原料呢?如果完全停止这类气体的供给,为什么不会造成全球芯片供应链断掉呢?接下来,我们就详细说说。

 

电子特气是芯片生产的第二大耗材

在芯片生产中,需要用到的氖、氩、氪、氙气等稀有气体被统称为“电子特气”,是“电子制造行业特种气体”的简称。

电子特气在芯片的全部成本中大约占比 13% 左右。在芯片的各种原材料中,仅次于占成本 36% 的硅晶圆,是生产芯片的第二大耗材。这一点可能很多人都没想到,气体竟然是芯片行业第二重要的。

当然,除了刚刚说的那几个惰性气体之外,特种气体还有另外 100 多种。如果细分成每一种分子气体去统计,每一种占比都是很少的,但加合在一起就很可观了。它们涉及到芯片生产环节的各个步骤。

 

电子特气在芯片制造中的作用

我曾经多次把制造芯片比喻成做多层的蛋糕,但因为芯片的尺寸比蛋糕要小太多,所以蛋糕可以用手一层层铺料、挤奶油、放巧乐力铭牌,而做芯片就不能上手了。

做芯片时想要堆料,常见的一种方法叫做化学气相沉积。

咱们不涉及半导体制造的技术细节,只是粗略地描述一下什么是化学气相沉积。

比如说,你想让你的键盘回车键上覆盖上一层薄薄的、均匀的碳黑,你当然可以用铅笔给它涂黑,但铅笔涂的这层碳,用显微镜看是极其不均匀的。

当前,我们的芯片尺寸都已经到了几纳米的程度了,而铅笔道里一个起伏就有上百纳米,这怎么行呢?

于是,我们想办法给碳加热,让它变成碳蒸气。再把键盘的其他键帽都遮住,只露出回车键,然后把回车键暴露在满是碳蒸气的环境里,再降温,这时候就会有一层既薄又均匀的碳覆盖在回车键上了。

其实,让生产环境的中间物质形成蒸气的方法有很多,直接加热是一种,辉光放电也可以,激光照射也可以。总之,变成气体才好操作。而很多气体其实就属于电子特气。

化学气相沉积就对应着“做蛋糕”过程中堆料的步骤。

而我们知道,做芯片不止需要堆料,还需要抠掉一些部分。

虽然普通的蛋糕做起来并不需要抠掉什么,但你可以把它想象成做高级蛋糕,要在蛋糕顶上抠出一个立体的爱心出来。

这个环节也需要气体,那就对应了芯片工艺里的刻蚀。你可以把刻蚀粗糙地理解为腐蚀。于是,大家最先想到的就是金属框架在强酸里被腐蚀,当金属框架被腐蚀掉以后,之前附着在框架上的,且不和强酸发生反应的其他物质,就等于被抠出来了。

在芯片的制造工艺中,刻蚀不仅可以在液体中进行,没有液体、只有气体,也可以完成刻蚀。

这个过程有点类似于风化,只不过是气体分子接触到待加工的材料后,发生了化学反应,然后再利用抽气设备把抠下来的碎渣带走。于是在刻蚀的过程里,像小刀子一样的气流就很多,它们也都属于电子特气。

再有,做芯片不止需要堆料和抠掉一些料,还需要浸润一些区域。

比如说,把普通半导体变成 P 型的,或者变成 N 型的,这个过程叫作“离子注入”。这一步,今天也需要用高速喷射的电子特气来做。

打个比方的话,这有点儿像高档餐厅的后厨。后厨排气的烟囱总对着隔壁的一堵墙吹,那堵墙上的砖如果有机会抠下来,你闻一闻,都是一股食物的香味儿那样。那些食物的香味儿分子,就是用一种类似电子注入的方式被注入到砖块的缝隙里去了。

而制造芯片时,除了堆料、抠掉一些料、浸润一些料之外,还需要切割。

这一步就是光刻了。大名鼎鼎的光刻机,就是对各种配料做细致操作的机器。光刻用的是光刀,这里的“光”指的是激光,而激光器工作需要用到不同的气体。今天,光刻机的种类就是按照光源类型分的。

比如,ArF 的激光器就需要用到氖气和氩气的混合气体,KrF 激光器就需要用到氪气、氖气的混合气体。

而且,每个步骤里还有清洗的环节。

为了保证化学成分不变,用气流清洗时当然也得选用惰性气体。

自从芯片的尺寸,也就是我们通常说的工艺是多少多少纳米,缩小到 90 nm 以下后,在工艺中使用电子特气是非常普遍的。

 

乌克兰特种气体供应现状

市场调研机构在俄乌战争爆发后给出了一个报告:

电子特气中占大头的氖气,乌克兰是全球最大的供应国,占全球份额的 70% 左右。另外两种惰性气体:氪气,乌克兰占比 40%;氙气,乌克兰占比 30%。

如果战争继续下去,这些气体的生产必然会停止。

在 2014 年 3 月份,乌克兰南方的克里米亚地区爆发冲突的时候,氖气就曾经大幅减产,当时的价格一度暴涨了 5 倍。不过,那次危机只持续了 24 天,后续生产就正常了,并没有造成全球大规模芯片原材料的短缺。

但是,这次俄乌战争的规模和剧烈程度都远超8年前的克里米亚危机。2021 年 8 月时,每立方米 99.999% 纯度的氖气,价格大约是 350 元人民币。

而随着俄罗斯和乌克兰危机不断加深,在我写这篇稿子的时候,价格已经变成 2100 元人民币了。氪气的价格也从每立方米 1 万元涨到了 3 万元。

 

全球芯片为什么不会断供?

原材料涨价会直接导致最终的产品涨价,这无可厚非,但人们关注的是,会不会造成彻底的芯片断供呢?我们来看看全球最大的几家半导体制造商的态度。

英特尔的说法是,氖气的供应不会受到任何影响。

存储大厂韩国海力士的 CEO 的说法是,海力士已经提前做好了准备,有较充裕的材料储备,乌克兰相关风险对业务无影响。

同样的存储大厂镁光的说法是,他们对惰性气体的采购是多元的,氖气主要来自欧盟、美国和亚洲的供应商,产能不会受到影响。

光刻机巨头 ASML 的说法是,自己的氖气需求中只有不到 20% 来自乌克兰,目前可以维持至少 6 个月没问题。为了防止彻底断供,公司也正在研发替代性气体。

这就奇怪了,明明乌克兰的稀有气体要断供了,可芯片制造大厂没有一个慌了神的。

其中的原因是这样的:因为 2014 年那次波动有点大,所以芯片大厂吃一堑长一智,此后对稀有气体,尤其是供应如此单一的氖气,特地多的准备了库存。

这次俄乌战争虽然是 2 月份开打的,但氖气价格实际从上一年 10 月份就开始猛涨了,因为大家都发现了当地局势有紧张的风险。所以到了真的开打后,大部分制造商都存了半年到一年都用不完的储备。

此外,另外一个原因是,大部分电子特气的生产技术门槛并不高。之所以让乌克兰把氖气的产能占到了全球的 90%,这其中有特别的原因——

今天工业用到的氖气,基本都是把钢铁生产过程中的副产品再利用获得的。只有通过这个途径得到的氖气才便宜,才有竞争力。

乌克兰的钢铁产量虽然只排世界十几名,但乌克兰最大的氖气生产企业——ICEBLICK 国际集团,从钢铁产量排名全球第 2 的欧盟和排名全球第 5 的俄罗斯那里,弄来了不少钢铁生产的副产品,把氖气的生意一下做大了。

也就是说,只要是钢铁大国其实都不会缺氖气。当然,氪气和氙气也都是钢铁产业的副产品。

2020 年,全球粗钢产量大约是 19 亿吨。你可能不了解,其中 57% 是中国一个国家生产出来的。中国是 10.6 亿吨,排名第二的欧盟是 1.4 亿吨,排名第五的俄罗斯是 0.7 亿吨。

所以,氖气生产一旦真的因为战争出现大幅波动,最有可能受益的是中国的电子特气生产企业。

至于为什么中国的钢铁产能比全球所有国家的钢产能还要多,却没能占据大部分电子特气市场,那就是另外一个话题了。

总之,这次俄乌战争使相关稀有气体价格飙涨,但并不会导致芯片断供,它只会让这个行业的巨头重新分割市场,而吃下市场份额最多的,很有可能是中国的生产商。

最后,希望战争尽早结束,让公平和正义照耀全球的每个角落。

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