美国芯片，另一个短板

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如今，全球多个地区都在寻求建立具有弹性、可靠且基本自给自足的半导体供应源。美国也不例外，截至 2024 年，美国已宣布对半导体制造产能的投资将超过 4500 亿美元。随着国家建设现有的半导体制造厂（晶圆厂）并破土动工建设新厂，还需要考虑另一个同样重要的因素：用于生产这些芯片的材料和化学品。

前端半导体制造（制造晶圆）需要在数周或数月内稳定供应 100 多种化学品和材料，任何一种化学品和材料的缺失都可能严重延迟或扰乱整个过程。我们的分析包括这些化学品和材料目前在美国本土的供应情况，以及该行业到 2030 年扩大供应的能力，以评估美国半导体供应链的稳健性。按照目前的投资轨迹，预计到 2030 年，美国将面临许多材料的重大供应缺口，约 60% 的材料供应链依赖进口。

本文深入探讨了美国的情况，尽管其他地区也会出现类似的动态和结果。分析显示，可能需要投资约 90 亿美元的一次性资本支出来弥补材料缺口并跟上美国半导体制造产能建设的步伐。这将是建立区域独立性的关键组成部分，但需要注意的是，前端半导体制造的材料只是更广阔图景的一部分。知识产权 (IP)、设备、上游原材料和后端封装价值链等领域将需要领先公司、技术所有者、政策制定者等之间的类似投资和合作。

强大的半导体化学品供应的重要性

当今许多最重要的消费和工业技术（包括快速增长的人工智能应用）都依赖于半导体。扩大这些重要行业的规模需要增加半导体的数量。因此，据估计，到 2030 年，美国整体半导体市场规模将达到 1400 亿美元以上，比 2024 年的 680 亿美元增长一倍以上（图 1）。由于对半导体的需求，预计到 2030 年，相关化学品和材料的需求将增长两倍以上，从目前的 40 亿美元增长到约 130 亿美元（30 亿美元来自美国本土供应，10 亿美元来自进口）。

为了支持这种需求的增长，美国推出了各种激励措施，以刺激私人对美国本土晶圆厂的投资，包括补助金、税收抵免和贷款。近年来，投资也出现了繁荣：自 2022 年以来，28 个州已宣布了 17 个项目，总私人投资额超过 4500 亿美元，同时还获得了 325 亿美元的直接补助金和 288 亿美元的贷款。

得益于这一增长，预计到 2032 年美国将占全球先进节点（小于 10 纳米）半导体制造产能的 30% 左右。这可能包括全国范围内的投资，正如十多个州新宣布的产能一样。其中一些项目已经开始生产。例如，位于亚利桑那州的台湾半导体制造公司工厂将于 2025 年开始生产 4 纳米节点芯片，初始产量与现有成熟工厂相当。

然而，仅仅建设制造能力并不能完全满足对化学品和材料投入的需求。半导体制造所需的 100 多种化学品和材料中，有些需要具有超高纯度（纯度达到万亿分之一），或者需要精确配制特定投入。例如，纯度为六个九（6N，超过 99.9999%）的六氟化钨气体用于沉积薄层钨，而超高纯度的氟化氢 (HF) 用于蚀刻二氧化硅。由于许多化学品和材料都是高度专业化的，没有替代品或替代品，任何一种化学品的供应中断都可能使整个芯片制造过程陷入停滞。

目前，美国依赖进口大部分半导体生产所需的材料。例如，美国用于制造先进半导体器件的几乎所有超高纯度氢氟酸都是从亚洲进口的。从历史上看，这种对集中供应链的依赖可能会对半导体芯片供应的弹性和可靠性构成威胁。因此，预计未来供应链将更加区域化，包括欧洲和亚洲。

多元化的化学品供应链可以支持美国半导体制造业和整个美国经济，而不会对整体制造成本产生很大影响。麦肯锡分析显示，半导体工厂的成本主要由劳动力、维护和折旧等固定成本（占成本的 60% 以上）驱动，而原材料仅占总成本的一小部分（不到 5%）。这意味着保持供应链稳定性和最大限度地减少生产中断是工厂获得可观投资回报的关键因素。

供应缺口挑战：七种半导体化学类型

从目前的美国本土供应情况来看，麦肯锡估计，半导体制造所需的约 60% 的材料和化学品目前在美国本土供应不足，无法支持美国半导体生产的扩大（图 2）。

此外，预计到 2030 年将出现资金缺口。分析估计，可能需要一次性投资 90 亿美元才能跟上美国半导体制造产能建设的速度。其中，约 50 亿美元可能由美国领先企业出资，留下 40 亿美元的资金缺口。此外，预计每年需要持续 10 亿美元的运营支出来抵消美国相对于其他地区更高的运营成本。

增加这些材料的美国本土供应以支持扩大规模并减少对进口的依赖将需要齐心协力，尤其是因为每种材料都有独特的考虑因素。为了评估如何最好地向前迈进，分析考虑了每种材料的经济性（通过项目级投资回报率来表达）和可用性（图表 3）。化学品和材料按照这两个维度进行分类，并根据其扩大规模的挑战开发了七种不同的类型。

类型 1

有吸引力的美国本土供应

在第一种也是美国本土约束最少的类型中，成本和原材料及技术的获取都不是确保供应的限制因素。一个例子是用于晶圆抛光的化学机械抛光 (CMP) 垫，这些垫通常由美国广泛获得的低成本投入制成。正确配制此类材料需要大量技术知识，而低成本地区的公司无法广泛获得这些材料，这增加了美国美国本土供应的安全性。

类型2

必要的美国本土供应

第二种类型包括美国本土供应充足但从投资回报率角度来看经济上存在挑战的材料。其中一个例子就是大宗气体，如二氧化碳、氮气、氢气、氦气或氩气，它们在整个半导体制造过程中都至关重要（例如惰性载气）。制造过程中需要大量、连续的这些气体。从历史上看，半导体晶圆厂会与供应商合作，在现场或附近建造大宗气体生产设施，以便将这些气体直接输送到晶圆厂工艺中。在晶圆厂附近建造生产设施需要大量的资本支出，如果不直接输送这些材料，它们可能仍会面临高昂的运输成本。领先的生产商已宣布在亚利桑那州建设大宗气体产能，以支持该地区已宣布的晶圆厂。但可能需要继续建设共置散装气体设施以支持晶圆厂的生产。

类型3

关键成本差距

第三类是知识产权和原材料容易获得但经济性最差的化学品。这类化学品的典型例子包括高纯氢氟酸和三氟化氮。高纯氢氟酸是通过净化和稀释无水氢氟酸生产的，无水氢氟酸由萤石和硫酸反应生成。萤石和硫酸在全球都有供应，包括北美，但中国的一体化程度和规模更大，生产了全球 70% 以上的无水氢氟酸和萤石，从而占据最低成本地位。韩国、日本和台湾的主要供应商利用低成本无水氢氟酸供应，在高纯度氢氟酸供应方面占据领先地位，美国依靠进口高纯度氢氟酸来支持其自己的半导体工厂。由于无水氢氟酸成本不利，以及建造和运营氢氟酸净化厂的资本和劳动力成本高昂，建立美国本土高纯度氢氟酸生产能力面临挑战。同样，三氟化氮需要高纯度氨和无水氢氟酸作为原材料，这些材料在其他地区随处可见，但成本较低。

类型 4

受限材料

在第四种类型中，一些化学物质的生产受到直接限制。例如，许多氯氟烃和氢氟烃，如六氟丁二烯、四氟甲烷和氟甲烷，都受到管制，以保护地球的臭氧层。因此，随着美国逐步淘汰氟碳化合物生产以保护人类健康和环境，氟化气体设施和技术的整体可及性预计将受到限制。虽然半导体生产中存在氟碳化合物的替代品，例如使用 HF 进行 NAND 设备的低温蚀刻，正在开发中，可以解决原材料挑战，但技术成熟度和采用度仍处于起步阶段。此外，仍需要投资来克服资本和持续的生产成本挑战。

类型 5

原材料获取困难

第五种类型的特点是知识产权和原材料获取困难，包括获取时间和成本增加，或者根本无法获得。高纯度钽溅射靶就是一个例子，它面临着采购困难和生产时间长的问题。刚果民主共和国和卢旺达生产了全球 60% 以上的钽矿石，这些金属通常被运往中国、欧洲和日本进行精炼和净化，以生产出高纯度金属。经过漫长而复杂的生产过程，这些高纯度金属随后被退火并加工成溅射靶材。

另一个例子是六氟化钨，其原材料通常难以获得。中国和俄罗斯生产了全球 90% 以上的钨，而半导体制造业对钨的需求远远超过目前其他地区的钨产量。因此，任何钨出口中断或限制都将对美国半导体制造业的供应构成重大挑战。

类型 6

缺乏技术获取

在第六种类型中，关键知识产权或原材料供应（或两者兼而有之）限制了美国本土供应。一个典型例子是铈基 CMP 浆料，其中一种关键原材料是高纯度二氧化铈颗粒。美国生产了全球约 15% 的铈矿石，下游的造粒和混合能力也已广泛普及。然而，分离和净化这些矿石的技术主要位于中国，这使得运输成为价值链中的关键瓶颈。为了在美国实现规模化，技术所有者可以与晶圆厂合作，建立更具弹性的本地供应链，进一步降低运输成本和与运输化学品相关的安全问题。

类型 7

美国以外的盈利能力更高

第七类类型包括拥有充足美国本土知识产权或原材料供应（或两者兼有）但在美国以外也具有更具吸引力的经济效益的材料，例如用于光刻的底部和顶部抗反射涂层。对于这些材料，美国公司拥有生产技术和知识产权，但由于运营成本较低，在其他地区建立产能更具吸引力。

接下来要去哪里？

弥补化学品供应缺口对于在美国建立可靠的半导体来源至关重要。类似的努力对于世界各国和地区也很重要，因为它们希望建立这些战略资产的弹性本地供应。

为了确保这些重要材料的供应，企业可以考虑采取几个步骤，包括签订贸易协议、开发和确保关键原材料的获取来源，以及努力缩小美国生产的投资和运营成本差距。化学品供应商可以考虑加入全球合作伙伴关系和合资企业以获取关键技术，评估上游供应链步骤中存在高中断风险的替代方案，并在未来供应的投资决策中更加强调弹性风险。晶圆厂可以根据事实来看待其弹性风险，并积极开发更广泛、更具弹性的供应选择基础，为晶圆厂和供应商带来长期可持续的经济效益。整个链条上的参与者可以与技术所有者合作，在建设和扩大产能的同时获得重要的知识产权。

随着美国和其他地区寻求提高自给自足能力，对半导体材料的投资价值可能会对美国乃至全球产生深远影响。建立有弹性的半导体材料供应是建立规模化美国本土半导体产业和确保获得 21 世纪最关键技术之一的努力的重要组成部分。

https://www.mckinsey.com/industries/chemicals/our-insights/creating-a-thriving-chemical-semiconductor-supply-chain-in-america

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