天然砂≠芯片！被低估的半导体用砂

看似渺小的砂子，最近因为商务部暂停对台出口天然砂火了。

不明真相的网友炸开了锅，“搞不好跟晶圆有关”“赶紧把芯片囤起来”……

天然砂网络鉴定砖家们用一知半解的联想疯狂炒作：

“台湾半导体可能遭遇重创”，甚至“用天然砂换芯片技术”……

国内某芯片大厂都坐不住了，到投资者平台澄清：

天然砂是建筑行业主要原材料，此事对半导体行业影响较小。

辟谣一锤定音，吃瓜群众一哄而散。

半导体究竟用的什么砂子，却鲜少有人弄明白。

广义上，我们习惯将半导体称作芯片。

小到一个遥控器、电动玩具，一部5G手机，大到一辆特斯拉，未来的人工智能生态圈等等，都要用到少则一个多则上千个的芯片。

狭义上顾名思义，半导体是一种导电性能介于导体与绝缘体之间材料。

而控制导电与不导电，这里面主要依赖元素——硅（Si）和锗（Ge）。

当年“晶体管之父”肖克利如果没有尝试用硅作为晶体管的材料，现在的硅谷可能是锗谷。

在当时的贝尔实验室里，每天早上都有一群年轻的博士把窑炉烧制到数千度，然后开始熔化锗和硅。

他们将一个小的机械柱放入粘稠物中，在机械柱的底部便形成了晶体。

然后用镊子把晶体夹住放在显微镜下，用钻石刀把它切成小片……

肖克利等人在实验室研究晶体管

随着集成电路的诞生与成熟，硅因为更优越的特性取代了锗，直到今天一直被广泛使用。

岩石、砂砾、尘土……所到之处都有硅的广泛存在。

硅砂最常见的形式就是石英（或硅石），主要成分为二氧化硅（SiO₂）。

从硅砂到半导体硅片，要经历一系列物理和化学操作，含硅量的高纯和高精度是关键。

因此高纯的石英砂才是制造芯片的基本原料。

对于高纯石英砂，纯度高、杂质含量低于20ppm只是基本入门款。

各纯度标准对应产品、应用领域不同，价格差异大。

来源：中泰证券

4N级产品，主要应用于高级照明、电子封装工业等领域，价格在600-1500美元/吨；

4N8级产品，主要用于光伏、通信工业领域，价格在5500-8500美元/吨；

5N级产品，主要应用于半导体、芯片制造领域，价格飙升至1万美元以上，在12000-15000美元/吨。

来源：石英股份招股书

“我们只是大自然的搬运工。”

获取高纯度石英砂，除了主动提纯，来源纯度越高，品质也越高。

全球的高纯石英砂大部分产自美国的一个偏远地区。

这里坐落着一家百年老矿Spruce Pine。

此地拥有最纯净的天然石英石，一种地球上格外珍贵的原始沙土。

它曾垄断了全球90%以上的高纯石英砂需求量，在相当长时间内甚至是唯一的来源地。

被BBC称为“地球上最具战略价值的平方英亩”。

这些超纯的二氧化硅颗粒，在各种逻辑、存储等硅基芯片方面起着关键作用。

有了高纯度的硅砂，还需经历脱氧提纯、电弧炉提炼、盐酸氯化、蒸馏等一系列流程。

最终分离纯度高达99%以上的金属硅或晶体硅，又称结晶硅或工业硅。

通常来说，95-99%纯度的硅称为工业硅。

太阳能电池板用硅必须是99.999999%（8个“9”）的纯度。

纯度达99.9999999%至99.999999999%（9-11个 “9”）的，称为超纯多晶硅。

芯片的要求更高，它的硅必须是99.99999999999999%（16个“9”）的纯度。

这些无限逼近100％纯度的多晶硅，成为后续晶圆、芯片制造的重要原材料。

接着，就是制造晶棒、晶片分片了。

多晶硅被熔化、拉制成了单晶硅棒，用于集成电路芯片制作。

PS，熔化多晶硅的石英坩埚属于消耗品，所用高纯石英砂SiO₂含量需达99.998%以上（高于光伏玻璃的98.55%）。

最终将晶棒横向切成厚度基本一致的晶圆片（Wafer）。

后续半导体工艺流程都是基于这样的砂石重新打造出来。

整个一点石成金，化腐朽为神奇。

成型后的硅片，占据了半导体衬底的核心地位。

由硅制成的硅元器件，占据了90%以上的半导体器件市场。

从硅砂中提取的硅，因而成为微电子产业最重要的半导体材料。

和建筑用砂相比，高纯度硅砂的产量微不足道。

去年，全世界生产的高纯度石英砂的总量仅为4万多吨，预计到2024年不过10万吨。

物以稀为贵，高纯度硅砂市场的主导玩家掌握着半导体行业的“金矿”密码。

作为硅片的上游主要原材料，高纯的多晶硅主要被北美、欧洲等海外企业垄断。

美国尤尼明（Unimin）在全球高端石英砂市场一家独大，垄断了国际市场上4N8及以上高端石英砂产品。

其坐拥美国Spruce Pine地区优质的花岗质伟晶岩矿床，主导着Spruce Pine石英的生产。

尤尼明供应的大部分高纯度和超高纯度石英，相当于拥有数十年的芯片制造材料，下游广泛应用于半导体、光伏领域。

另一家挪威TQC在美国Spruce Pine及挪威同时拥有基地，也在该市场上抢占份额，下游可应用于半导体、光伏及电光源领域。

我国的石英股份是国内高纯度石英砂巨头，具备“矿源”和“提纯能力” 。

应用于高级照明、电子封装工业等多数领域的中低端石英砂，目前已经国产化。

但我国半导体领域用高纯石英砂公司仍以进口为主，曾经还被高纯石英砂“卡脖子”。

2017年前，高纯度硅料稀缺，加上外资厂商垄断，国产硅片成本居高不下。

其原矿石的国外货源占比长期高居不下，在2020年甚至达到了90%。

不过也不用太担心。

近年来新的高纯石英矿床在勘探，新的化学合成技术或将推动量产，而这项技术无需高纯石英原矿石作为原料。

至于此次对台暂停出口的天然砂，它是自然条件作用而形成的岩石颗粒的统称，主要包括河砂、石英砂、海砂等。

天然砂在基础建设领域用途比较广泛，中国台湾天然砂进口量的90%以上都来自大陆。

我国作为基建大国，对天然砂的需求量较大，仅去年一年的进口金额就达到了超13亿元的峰值。

据海关统计，去年我国500多万吨的天然砂进口数量已经是出口数量（130多万吨）的4倍。

而半导体行业所用的原始硅材料，是各种含硅的矿石，在全球各地都有相当大的储量。

且半导体这对硅材料的消耗量远小于建筑行业，这一措施谈不上造成瓶颈。

实际上，天然砂被限制后，中国台湾砂石业、营建业只能靠内需消耗，对台湾经济来说可不是什么好事。

综上，此天然砂非彼半导体用砂。

天然砂的含硅量和半导体硅砂相比，根本是风牛马不相及。