暂停天然砂出口能打击台湾的半导体产业吗？
马氏体
2022-08-04 17:06
8月3日，商务部宣布暂停天然砂对台湾地区出口。
天然砂主要用于建筑行业中的混凝土，也被用于玻璃、陶瓷、耐火材料、金属铸造等。天然砂由岩石经年累月风化破碎、被河流和海水搬运堆积而成，是一种稀缺的自然资源。暂停天然砂对台湾地区出口，主要目的是保护天然砂资源，针对的是台湾地区的建筑业。但因为“从沙子到芯片”的说法太过深入人心，很多人认为，这也是对台湾的优势产业——半导体产业的打击。事实果真如此吗？
（韩国SK海力士公司在无锡生产的存储器晶圆）
硅片是半导体生产的基石，也是金额占比最高的原料。
所以，我们倒过来看这个问题。首先查一下，台湾半导体产业的龙头——台积电的硅片从哪儿来？
根据台积电提供给美国证券交易监督委员会（U.S. Securities and Exchange Commission）的年报“Form 20-F”（因为台积电在美国纽约证券交易所上市），近几年台积电的主要硅片供应商为：
这六家供应商总计占到台积电硅片供应量的90%以上。
目前半导体硅片市场的集中度很高，五大巨头市场占有率近90%。我国大陆的半导体硅片实力还比较弱小，最大的半导体硅片企业——上海硅产业集团在国际巨头面前也相形见绌，且大陆的硅片产能大多是8英寸、6英寸及以下的小尺寸硅片，用于生产先进半导体的12英寸大尺寸硅片的自给率很低。
那么，我们就继续往上追溯台湾地区自产半导体硅片的厂家——台塑胜高（由台塑集团和日本胜高合资建立）和环球晶圆。
先来看看硅片是如何生产的：
生产硅片的原料是多晶硅（上图为单晶硅生长设备的坩埚，其中放入小块状的多晶硅原料，另外还要添加微量的掺杂剂）。
多晶硅加热熔化后，把一小块硅晶种浸入熔融的硅液中，边旋转、边提拉，硅液在晶种上结晶，长成下图所示的单晶硅大棒，再切割成硅片。
硅片厂只负责以多晶硅为原料生产出硅片，因此多晶硅原料是从外部供应商采购的。
台塑胜高和环球晶圆这两家都是上市公司，可以尝试从其年报中窥探多晶硅供应商的信息。
环球晶圆的年报里供应商都用代号表示，而台塑胜高列举了几家主要的多晶硅供应商：
虽然台塑胜高年报中各家供应商的具体份额仍然是用代号表示的，但是查阅上海硅产业集团的招股书可知2016-2019年9月向瓦克集团、Hemlock（美国）、丸红株式会社瓦克集团、Hemlock、丸红株式会社采购的多晶硅占总金额的75%~95%。所以有理由推断，台湾企业的多晶硅主要也是向国外巨头采购的。
生产多晶硅（上图）的原料是高纯石英砂，在电炉中用焦炭还原为工业硅（下图）。
工业硅仍然有较多的杂质，进一步提纯采用改良西门子法，即用氯化氢（HCl）将硅转化为三氯氢硅（SiHCl3）。这是一种低沸点的液体，通过蒸馏法提纯。
在还原炉里，用H2在1000℃以上的高温中把三氯氢硅还原为硅，沉积在硅棒表面。
硅棒越来越粗，一段时间以后取出来敲碎，得到高纯度的多晶硅。
虽然我国拥有非常发达的晶硅太阳能电池产业，多晶硅产能占全世界的69%，硅片产能占93.7%，但这些主要是纯度稍低的太阳能级的产品（太阳能级多晶硅的纯度一般在99.9999%以上，即6个9），半导体行业所用的电子级多晶硅对纯度要求更高，要达到99.999999999%（11个9），虽然近些年已有不少电子级多晶硅项目投产（如江苏鑫华半导体科技股份有限公司5000吨/年，国家电投黄河水电公司3300吨/年），但仍然大量依赖进口。2021年，全球电子级多晶硅产量约为3.7万吨。
查询硅片的进出口数据可知，2021年，中国硅片（直径＞15.24cm的单晶硅切片，税号38180019）出口数量51071.59吨，进口数量5010.54吨，出口均价为6.11万美元/吨，进口均价为46.88万美元/吨。巨大的出口量主要是太阳能级硅片，但高价值的半导体硅片仍然需要大量进口，主要来源有日本、中国台湾、韩国等地，与半导体硅片巨头的分布相吻合。这一方面是因为我国大陆地区缺乏大尺寸硅片的生产能力，另一方面就是受高纯电子级多晶硅原料来源的限制。
所以，回到一开始的问题，同样以二氧化硅（也就是石英）为主要成分，生产半导体和太阳能电池所用的石英砂原料，和建筑等行业用的天然砂有什么区别吗？
（砂在地质学中指粒径在0.074~2mm的矿物或岩石颗粒，在建筑行业指粒径小于4.75mm、满足各项要求的颗粒）
答案已经呼之欲出了——纯度。
与杂质含量高、颜色一看就不干净的天然河砂、海砂不同（也有长石等矿物组成的天然砂），生产高纯度硅产品需要用到纯度在99%以上的石英质原料，这就不是随随便便什么沙子能够满足的（上图是江苏连云港市东海县的优质石英矿石）。新疆是我国工业硅的主产区，产能占全国的三分之一以上，就是因为新疆有丰富的优质石英矿，同时能够提供充沛而廉价的电力。
纯度达到99.999%以上的高纯石英砂，被用于生产半导体工业所用的石英坩埚（上图）和各种石英部件。石英坩埚用于加热多晶硅制取单晶硅，直接与熔融硅液接触，所以对纯度和品质要求极高，否则其中的杂质就会混入辛辛苦苦提纯好的多晶硅里。纯度稍低的石英砂则可被应用于光纤、显示屏玻璃等行业。
自然界中最好的高纯石英来源是天然水晶，但随着天然水晶资源日渐枯竭，目前主要的供应来源是白岗岩（二氧化硅含量达75%的花岗岩）、花岗伟晶岩、石英脉、石英砂堆积物（自然产物或尾矿）等，也就是说，大部分高纯石英砂并不是直接挖出来的，而是从岩石中开采后人工破碎、分离得到的。从顶级的石英矿中直接分离出的石英砂的纯度可达99.9%以上，之后再经过焙烧、酸浸、磁选、浮选等多种处理，进一步把石英砂的纯度提高到99.999%以上。
氧和硅是地壳丰度排前两位的元素，地球上不缺二氧化硅，但天然的二氧化硅里往往掺混有很多杂质，高纯石英原料矿床极为稀缺，主要分布在美国、挪威、澳大利亚、俄罗斯、毛里塔尼亚、中国、加拿大等7 个国家，其中美国的供应量占全球的90%以上。我国硅质资源丰富，支撑了光伏行业的大发展，但缺乏最顶级的高纯石英资源。虽然国内高纯石英砂提纯技术已取得突破，但受矿石质量和产量的限制，用于生产高纯石英坩埚的99.999%以上纯度石英砂仍然需要大量进口，以至于高纯石英砂价格飞涨，成为光伏行业的一大热点。国产高纯石英资源的勘探和提纯利用仍然有待大力发展。
虽说建筑用砂的要求远远不如半导体，但是天然砂是在漫长的时间内由水流沉积而成，属于不可再生资源，且挖掘天然砂对河湖海洋生态有严重的破坏，还会威胁堤坝的安全。商务部、海关总署早在2006年第四批《禁止出口货物目录》中就禁止了天然砂的出口，但为了满足台湾地区对天然砂的迫切需求，于2008年恢复了对台湾地区的天然砂出口，如今再度暂停。
（淮河上曾经非法采砂泛滥，把河道挖得千疮百孔）
在进出口税则中，建筑等行业用的天然砂涉及到25051000、25059000两个税号，分别为硅砂及石英砂、其他天然砂；作为矿石用在半导体行业中的石英砂，税号是25061000.00，即“石英（天然砂除外）”，是两种不同的商品。所以，暂停对台湾地区的天然砂出口并不会对台湾的半导体产业造成冲击（除非是新建厂房时缺少建筑材料）。
根据我查到的公开信息，台湾地区的半导体产业主要以进口多晶硅（美、日、德等企业）为原料生产硅片，另有进口硅片，对大陆的高纯石英砂并无依赖，更不会被天然砂供应短缺所限制。
半导体是台湾地区的优势产业，也是我们在产业升级过程中的一大难关。这是一个技术含量很高、涉及非常广的产业链，没有捷径可走，只能从每一项关键技术、关键设备、关键材料出发，扎扎实实攻关，才能把半导体产业链牢牢把握在自己手中。
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参考资料：
王九一.全球高纯石英原料矿的资源分布与开发现状.岩石矿物学杂志,2021,40(01):131-141.
魏奎先,张洪武,马文会,郭宋江,吴丹丹.高纯石英砂制备技术研究进展.昆明理工大学学报(自然科学版),2020,45(06):9-20.
智研咨询. 2021年中国硅片行业产量及进出口情况分析.
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1727423172920586143&wfr=spider&for=pc
上海证券. 2022年半导体硅片行业市场份额及供需情况分析 供需错配延续硅片涨价趋势.
https://www.vzkoo.com/read/202205246b1bf7216086e3812bd56718.html
台积电2021年报.
https://investor.tsmc.com/sites/ir/sec-filings/2021%2020-F.pdf
台塑胜高2021年报.
