被忽視的關(guān)鍵原料危機，正在拖垮設(shè)備與芯片廠商

氦氣和石腦油等材料和氣體的供應(yīng)危機將如何影響半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)？

石腦油俗稱輕油、白電油或去漬油，是一種原油精煉的烴類液體的中間物。它由不同的碳氫化合物混合組成，它的主要成分是含5到11個碳原子的鏈烷、環(huán)烷或芳烴。通常都是脫硫然后催化重整，進而重新排列或重新結(jié)構(gòu)石腦油中的烴分子以及斷裂成較小的分子用來產(chǎn)生高辛烷值汽油組分（或汽油）。

那么氦氣和石腦油等材料和氣體的供應(yīng)危機將如何影響半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，又將對哪些企業(yè)造成影響？

并非“銷售完畢，一切就此結(jié)束”的商業(yè)模式

現(xiàn)代半導(dǎo)體設(shè)備制造商的運營主要依賴于兩大支柱：設(shè)備銷售和維護、零部件及服務(wù)（即所謂的售后市場）。根據(jù)各公司2023財年的年度報告，主要公司的售后市場占比通常處于以下水平：

主要設(shè)備制造商售后市場業(yè)務(wù)的銷售額、利潤率及氦氣/石腦油依賴度。

售后市場的毛利率高于設(shè)備銷售，是各公司的主要收入來源。該業(yè)務(wù)依靠FFKM密封件、PFA管道組件、PFPE潤滑劑、特種氣體、耗材以及派遣現(xiàn)場工程師等技術(shù)人員來維持運營。設(shè)備制造商并不生產(chǎn)自己的原材料。他們組裝、認證并從科慕、大金、森科和杜邦等公司采購零部件，然后供應(yīng)給客戶。如果原材料供應(yīng)鏈中斷，下游環(huán)節(jié)的設(shè)備制造商業(yè)務(wù)將會萎縮。

新設(shè)備生產(chǎn)也停止

石腦油/PFAS危機不僅會對現(xiàn)有設(shè)備的維護和維修服務(wù)產(chǎn)生直接影響，還會影響新設(shè)備的制造。ASML、應(yīng)用材料公司、Lam Research、東京電子、ASM、國際電氣和KLA等公司在單臺設(shè)備中都會使用成千上萬個含氟密封件、數(shù)百米長的PFA管材以及數(shù)十種工程塑料部件。

特別是，由于真空系統(tǒng)的復(fù)雜性，ASML的EUV系統(tǒng)需要比傳統(tǒng)DUV系統(tǒng)多得多的密封件和管道組件。如果在EUV量產(chǎn)爬坡階段石腦油/PFAS供應(yīng)減少，設(shè)備交付的延遲將直接導(dǎo)致先進制造工藝啟動的延遲。

臺積電、三星電子、英特爾、美光科技、SK海力士和Rapidus等公司建設(shè)先進制造中心的計劃，都基于設(shè)備能夠順利交付的前提。如果設(shè)備未能到位，這些制造中心最終可能只剩下空蕩蕩的建筑物。這種情況在某些地方已經(jīng)開始出現(xiàn)。

良率下降帶來的“隱形損害”

芯片制造商首先受到的影響表現(xiàn)為良率下降。由于干法刻蝕工藝高度依賴氦氣，其質(zhì)量裕度降低，而這種影響在尖端節(jié)點處更為顯著。

關(guān)鍵在于，良率下降的問題很難在政府統(tǒng)計數(shù)據(jù)中體現(xiàn)出來。如果一家半導(dǎo)體工廠倒閉，就會被報道，政府也可能采取行動。然而，即使良率下降5%或10%，半導(dǎo)體工廠仍會繼續(xù)運轉(zhuǎn)，出貨量也會繼續(xù)。但工業(yè)產(chǎn)能卻會悄無聲息地持續(xù)流失。

此外，臺積電3nm/2nm生產(chǎn)線良率下降幾個百分點，將直接影響人工智能半導(dǎo)體（如英偉達的GPU和博通的AI ASIC）以及英特爾和AMD的CPU和GPU，還有移動 SoC（系統(tǒng)芯片，如蘋果 iPhone 的應(yīng)用處理器 (AP)）的供應(yīng)。

三星的情況也類似。此外，英特爾的18A節(jié)點和Rapidus的2nm試驗線在初期階段都面臨危機，因此即使它們成功構(gòu)建了能夠大規(guī)模生產(chǎn)2nm邏輯芯片的工藝流程，預(yù)計也會出現(xiàn)“良率根本不會提高”的情況。

半導(dǎo)體工廠啟動延遲

新建半導(dǎo)體工廠的啟動涉及多個階段：設(shè)備交付、安裝、驗證、工藝調(diào)整和良率提升。每個階段都會消耗大量的特種氣體和材料。由于石腦油/PFAS污染導(dǎo)致的氦氣供應(yīng)中斷和零部件及材料供應(yīng)減少將產(chǎn)生以下影響：

• 設(shè)備安裝階段：由于 PFA 管道和 FFKM 密封件的供應(yīng)延遲，設(shè)備啟動被推遲。
• 認證階段：供貨不穩(wěn)定，蝕刻工藝不符合認證標準。
• 批量生產(chǎn)啟動階段：產(chǎn)量未達到計劃值，導(dǎo)致產(chǎn)能爬坡延遲。

特別是 Rapidus 的千歲半導(dǎo)體工廠、英特爾的俄亥俄州半導(dǎo)體工廠、臺積電在中國臺灣計劃新建 8 個 2nm 半導(dǎo)體工廠，以及臺積電位于亞利桑那州和熊本 2 號的工廠（計劃新建 5 個 2nm 工廠），所有這些工廠的啟動階段都定于 2025-2027 年，這很可能與石腦油/PFAS/氦氣危機的高峰期重合。

尖端首先坍塌，而且坍塌程度最嚴重

設(shè)備制造商和芯片制造商的一個共同特點是不對稱性，即“尖端是第一個也是最嚴重受損的部位”。

每個節(jié)點的氦氣依賴性、石腦油/PFAS 依賴性及總體影響

傳統(tǒng)制程節(jié)點（28nm及以上）對氦氣的依賴性相對較低，對供應(yīng)危機具有一定的抵御能力。而先進制程節(jié)點（7nm及以下，尤其是5nm/3nm/2nm/1.4nm），人工智能半導(dǎo)體、高端邏輯芯片、寬帶內(nèi)存（HBM）、先進DRAM和3D NAND等產(chǎn)品集中于此，對氦氣、石腦油和PFAS的依賴性極高，因此最容易受到供應(yīng)危機的影響。

然而，對于“尖端技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)”這種簡單的二分法，有一個重要的例外：汽車半導(dǎo)體。

傳統(tǒng)上，汽車半導(dǎo)體主要采用成熟的28nm或更高制程節(jié)點，優(yōu)先考慮可靠性、長期供貨和模擬特性。然而，近年來，一些應(yīng)用，例如自動駕駛SoC，開始采用16nm或更低制程節(jié)點，其應(yīng)用范圍也從先進節(jié)點擴展到超成熟的350nm節(jié)點，甚至包括分立元件。這種結(jié)構(gòu)意味著汽車半導(dǎo)體同時面臨著先進節(jié)點固有的氦氣依賴風(fēng)險和成熟節(jié)點固有的材料依賴風(fēng)險（例如石腦油衍生材料和PFAS材料）。

此外，汽車半導(dǎo)體需要極高的質(zhì)量標準（例如AEC-Q100）和長期可靠性，因此在供應(yīng)危機的情況下，它們極有可能變成“可以制造但無法使用的半導(dǎo)體”。使用不符合可靠性認證的替代材料和組件制造的半導(dǎo)體不能用于汽車應(yīng)用。這實際上相當(dāng)于供應(yīng)完全中斷。

如圖所示，影響程度隨工藝代數(shù)的變化而分階段遞減，從“災(zāi)難性（3nm/2nm/1.4nm）”到“中等（28nm 及以上）”。然而，汽車半導(dǎo)體并不屬于這種層級結(jié)構(gòu)，無論其是否處于工藝前沿，都會受到“相當(dāng)嚴重”的影響。

汽車半導(dǎo)體對汽車行業(yè)的影響

此次危機將導(dǎo)致汽車半導(dǎo)體供應(yīng)徹底中斷。因此，預(yù)計在日本、美國和德國這三個以汽車產(chǎn)業(yè)為核心的國家，整車生產(chǎn)將難以為繼。

在2020年至2022年新冠疫情期間，“由于半導(dǎo)體短缺而無法生產(chǎn)汽車”的情況反復(fù)出現(xiàn)。然而，這次的情況與以往的那些情況有著本質(zhì)的不同。

首先，除了中東和北非（卡塔爾、阿爾及利亞）這些氦氣供應(yīng)中心外，作為石腦油供應(yīng)關(guān)鍵樞紐的霍爾木茲海峽也直接處于地緣政治緊張局勢之下。鑒于目前中東局勢沒有緩和跡象，供應(yīng)限制很可能持續(xù)更長時間。

其次，這場危機涉及監(jiān)管驅(qū)動的結(jié)構(gòu)性變化，因此即使地緣政治風(fēng)險消退，結(jié)構(gòu)性供應(yīng)限制仍然存在。

第三，由于汽車半導(dǎo)體需要長期可靠性認證，因此轉(zhuǎn)向替代材料和組件所需的時間比以往更長。換句話說，危機來得快，但復(fù)蘇卻很緩慢。

如果這種情況持續(xù)下去，可能會在日本、美國和德國引發(fā)連鎖反應(yīng)，對基礎(chǔ)廣泛、就業(yè)能力巨大的汽車產(chǎn)業(yè)造成毀滅性打擊。汽車產(chǎn)業(yè)構(gòu)成了一個龐大的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，不僅包括整車制造商，還包括零部件制造商、材料制造商、物流、銷售和維修等環(huán)節(jié)，其受損將對各國的宏觀經(jīng)濟產(chǎn)生嚴重影響。

1個月、3個月和6個月后會發(fā)生什么

以下是氦氣供應(yīng)中斷或石腦油/PFAS供應(yīng)收緊導(dǎo)致全面沖擊的幾種情景：

第一階段（0-1個月）：庫存消耗

芯片制造商和設(shè)備制造商將不得不依靠現(xiàn)有庫存。氦氣、FFKM密封件和PFPE潤滑劑的庫存消耗由此開始。然而，這些庫存并不會得到補充。因此，維護零件的交貨周期會隨著時間的推移而延長。

隨后，氦氣和石腦油衍生的零部件和材料價格將飆升（預(yù)計將上漲2至5倍）。屆時將看到怎樣的景象？

• 表面上看，半導(dǎo)體工廠仍在正常運轉(zhuǎn)。
• 現(xiàn)貨市場氦價飆升的消息傳來。
• 部分設(shè)備制造商發(fā)出交貨日期延期通知。

現(xiàn)階段，樂觀情緒盛行，人們會說：“我們還有庫存，所以沒問題”或者“價格只是上漲了”（事實上，這對大多數(shù)公司來說確實如此）。政府也傾向于說：“我們有儲備，所以沒有問題。”

例如，經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)大臣在新聞發(fā)布會上表示，“通過結(jié)合從美國和其他國家采購替代原料的進展、利用國內(nèi)庫存以及國內(nèi)煉油，我們已保障了約四個月的國內(nèi)化工產(chǎn)品需求。”乍看之下，這種解釋似乎合情合理，因為它是對《石油儲備法》框架的延伸。然而，這卻是最危險的誤解。

第二階段（1-3個月）：選擇性影響的出現(xiàn)

如果中東局勢繼續(xù)惡化到這種程度，將會發(fā)生什么？

• 在先進的干法刻蝕工藝中享有優(yōu)先分配權(quán)。
• 減少除主節(jié)點以外的其他節(jié)點的氦氣供應(yīng)，并將分配集中到主節(jié)點。
• 常規(guī)維護工作將推遲或簡化。
• 新設(shè)備的交付時間將延遲數(shù)月。

在這種情況下，半導(dǎo)體行業(yè)將會發(fā)生什么變化？

• 報告顯示，特定產(chǎn)品（GPU、AI ASIC、HBM、高級DRAM、3D NAND）供應(yīng)短缺。
• 設(shè)備制造商下調(diào)盈利預(yù)期。
• 現(xiàn)貨價格還在進一步上漲。

現(xiàn)階段，業(yè)界應(yīng)對策略是芯片制造商將集中資源研發(fā)先進制程節(jié)點以維持良率。因此，中端制程節(jié)點（7nm至28nm）和高端成熟制程節(jié)點的產(chǎn)能將首先面臨壓力。這將導(dǎo)致汽車、工業(yè)和消費半導(dǎo)體領(lǐng)域出現(xiàn)供應(yīng)短缺。

第三階段（3-6個月）：工藝故障發(fā)生

如果情況繼續(xù)惡化到這種程度，將會發(fā)生什么？

• 多家工廠未能達到先進干法蝕刻的認證標準。
• 主節(jié)點產(chǎn)量遠低于預(yù)期值。
• PFPE損耗導(dǎo)致真空泵緊急維修困難。
• 由于無法更換 FFKM 密封件，該設(shè)備經(jīng)常發(fā)生計劃外停機。

那么，全球半導(dǎo)體行業(yè)將會如何發(fā)展呢？

• 臺積電、三星等公司下調(diào)了出貨量預(yù)期。
• Rapidus宣布推遲英特爾新晶圓廠的投產(chǎn)。
• 設(shè)備制造商未能履行服務(wù)合同

現(xiàn)階段，半導(dǎo)體工廠普遍處于“未停產(chǎn)但未運轉(zhuǎn)，無法生產(chǎn)芯片”的狀態(tài)。設(shè)備已就位，但工藝流程尚未通過認證。這種情況無法用傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)連續(xù)性計劃框架來涵蓋。

第四階段（6 個月或更長時間）：全球半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)能不可逆轉(zhuǎn)的下降

如果當(dāng)前局勢持續(xù)惡化超過六個月，半導(dǎo)體行業(yè)將面臨極其嚴峻的形勢。

• 先進節(jié)點產(chǎn)能的結(jié)構(gòu)性下降或半導(dǎo)體工廠關(guān)閉。
• 設(shè)備制造商減少或停止其售后市場業(yè)務(wù)。
• 經(jīng)認證的零部件和材料消耗殆盡。
• 已經(jīng)開始考慮改用替代材料（但是，認證過程需要 1 到 2 年或更長時間）。

上述情況將導(dǎo)致以下結(jié)果：

• 全球半導(dǎo)體供應(yīng)短缺加劇。
• 對人工智能/數(shù)據(jù)中心行業(yè)的影響。
• 對成品（汽車、智能手機、服務(wù)器、各種電子設(shè)備）供應(yīng)的影響。
• 對股票和外匯市場的連鎖反應(yīng)（硅周期跌入深谷）。

對恢復(fù)時間的分析表明，重建一條中斷的認證供應(yīng)鏈需要獲得SEMI S2/S8認證、重新獲得合格供應(yīng)商名單（QVL）以及流程重新認證，這需要18到24個月的時間。這還是最樂觀的情況。如果涉及替代材料的開發(fā)，則可能需要3到5年。

時間線所顯示的不對稱性

這條時間線最重要的方面是不對稱的：“等到問題顯現(xiàn)出來的時候，已經(jīng)太晚了。”

• 如果在第一階段（0-1個月）采取行動，就有可能重組庫存，認證替代供應(yīng)商，并改變庫存策略。
• 如果該項目在第二階段（1-3個月）實施，則有可能最大限度地減少對主要節(jié)點的影響。
• 即使他們進入第三階段（3-6個月），收益率也已經(jīng)下降，恢復(fù)需要數(shù)年時間（太遲了）。
• 第四階段（6 個月或更長時間）：半導(dǎo)體行業(yè)的生產(chǎn)能力本身喪失（被摧毀）。

目前，正處于第一階段和第二階段的交界處。氦氣現(xiàn)貨價格依然高企，PFAS法規(guī)仍在實施，多地出現(xiàn)石腦油供應(yīng)短缺。換句話說，并非“什么都沒發(fā)生”，而是“從現(xiàn)在開始，事態(tài)將迅速明朗化”。

根據(jù)政府的解釋，日本目前的石腦油庫存量大約相當(dāng)于四個月的消費量，因此不存在迫在眉睫的供應(yīng)問題。這一論點依據(jù)的是《石油儲備法》的框架，并且基于傳統(tǒng)的能源政策方法，即以“總量”來理解石油、汽油和石腦油。　即使有足夠四個月使用的石腦油供應(yīng)，如果它沒有被轉(zhuǎn)化為上述特定產(chǎn)品，對半導(dǎo)體行業(yè)來說就如同不存在一樣。如果供應(yīng)鏈中的任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)停滯——石腦油 ? 石腦油裂解裝置 ? 核心單體 ? 特種單體 ? 聚合物 ? 半導(dǎo)體級產(chǎn)品 ? 認證 ? 半導(dǎo)體工廠——那么“四個月的供應(yīng)量”就毫無意義（毫無價值）。

半導(dǎo)體行業(yè)所需材料的純度、組成和物理性質(zhì)是在分子水平上定義的。例如，半導(dǎo)體級PFA管道必須滿足半導(dǎo)體工藝的特定要求，例如金屬雜質(zhì)含量低于ppb級，顆粒析出量低于特定尺寸和數(shù)量。通用型PFA無法達到這些要求。從通用型PFA過渡到半導(dǎo)體級PFA需要為從原材料采購到提純、灌裝、檢驗和認證的各個環(huán)節(jié)都建立獨立的生產(chǎn)線，并且認證過程需要1到2年。

同樣，F(xiàn)FKM的耐熱性、耐化學(xué)性和壓縮永久變形能力也因其分子結(jié)構(gòu)而異。用于工藝腔室、氣體管線和濕式工位的FFKM均為不同品種，彼此不可替代。

“分子級兼容性”這一維度幾乎沒有被納入政策討論。政客和官員們都在討論使用“石腦油”、“含氟聚合物”和“含氟橡膠”等通用術(shù)語。然而，在實際層面，具體零件編號層面的問題已經(jīng)出現(xiàn)，例如“Kalrez 6375 缺貨”或“Fomblin Y 25/6 缺貨”，而且這些問題只會蔓延到更廣泛的領(lǐng)域。

另一個關(guān)鍵問題是，整體理論無法捕捉到“局部瓶頸”。現(xiàn)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)復(fù)雜的供應(yīng)鏈存在瓶頸結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)高度依賴于特定節(jié)點。例如：

• 全球 PFPE 潤滑劑的供應(yīng)實際上由兩家公司（Syensqo 和 Chemours）控制。
• 目前，生產(chǎn)尖端半導(dǎo)體級 FFKM O 型圈的公司基本上只有一兩家。
• 只有少數(shù)公司供應(yīng)具有特定分子量的PFA原料。

如果這些環(huán)節(jié)中哪怕只有一個環(huán)節(jié)堵塞，無論上游有多少原材料，都無法輸送到末端。四個月的石腦油庫存只有在滿足以下所有條件時才有意義：裂解裝置正常運轉(zhuǎn)、特種化學(xué)品生產(chǎn)商正常運轉(zhuǎn)、半導(dǎo)體級精煉裝置正常運轉(zhuǎn)，且所有相關(guān)認證仍然有效。

日本的儲備政策是在石油危機經(jīng)驗的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的框架，它基于以下假設(shè)：

• 這些材料是可替代的（原油雖然等級不同，但可以混合使用）。
• 相關(guān)物品可以長期儲存（在原油罐中可儲存數(shù)年）。
• 該物品用途廣泛（可在許多行業(yè)中使用）。

然而，半導(dǎo)體材料并不屬于上述任何一類。

• 不可替代：Kalrez 不能被 DUPRA 替代（它們的認證不同）。
• 難以儲存：有些物質(zhì)會隨著時間推移而劣化（橡膠、潤滑劑），而氦氣的長期儲存更是根本不可能。
• 應(yīng)用特定：許多等級的材料不適用于半導(dǎo)體以外的應(yīng)用。

半導(dǎo)體行業(yè)是世界上技術(shù)最復(fù)雜的行業(yè)之一。數(shù)百種器件、數(shù)千種材料、數(shù)萬種組件以及數(shù)十萬種工藝條件都需要進行納米級的調(diào)整和同步。

這種精準性既是該行業(yè)最大的優(yōu)勢，也是最大的弱點。一種氣體——氦氣，一種分子基團——全氟烷基和多氟烷基物質(zhì)（PFAS），以及一系列源自石腦油的化學(xué)物質(zhì)，就能撼動整個龐大的行業(yè)，這絕非偶然。現(xiàn)代精密工業(yè)對特定物質(zhì)形成不可替代的依賴，這正是其結(jié)構(gòu)性必然性的體現(xiàn)。

全球半導(dǎo)體行業(yè)的未來將不完全取決于尖端的光刻技術(shù)或人工智能驅(qū)動的高度自動化電路設(shè)計的復(fù)雜性，而是取決于四個看似平凡但至關(guān)重要的問題：“氣體能否到達目標？”、“密封件能否到位？”、“潤滑劑能否供應(yīng)？”、“光刻膠能否到達目標？”。

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