文章核心观点 - 数字行业的物质性根植于半导体行业，半导体制造需要元素周期表中超过85%的非放射性元素，并对材料纯度有极高要求 [5][11][24] - 半导体行业对材料的超高纯度要求重塑了上游供应链，揭示了其对化学工业和其他大规模生产工业部门的强烈依赖，并可能带来环境影响和供应链瓶颈 [4][16][40][45] - 提出一种基于“材料多样性”和“超高纯度要求”的互补分析方法，以更精细地理解半导体行业的物质性，并通过硅、铝、氖、金四个案例研究进行说明 [11][16][29][45] 简介 - 数字行业对环境的影响日益受到关注，但对其物质性的讨论多局限于少数几种矿物 [1][3] - 半导体是数字行业的核心硬件，其制造过程需要种类繁多且纯度极高的材料，但供应链复杂且不透明，导致其物质性被忽视 [4][5] - 文章旨在通过分析半导体行业的元素多样性和纯度要求，深入探讨数字行业的物质性，并揭示其与化学工业等上游产业的相互作用 [1][4] 半导体制造的材料特性 - 现代微芯片是人类制造的最复杂产品之一，需要元素周期表中超过85%的非放射性元素，远超过去仅使用少数几种元素的观念 [8][11] - 半导体行业对材料纯度有极端要求，例如硅的纯度要求高于11N，杂质检测浓度需低于万亿分之一，其严格程度超过制药行业 [11][12][24] - 技术节点越小，对材料纯度的要求越高，制造更高纯度的材料需要更多处理步骤，消耗更多能源和水，可能对环境产生更大影响 [8][12][26] 方法 - 研究方法聚焦于估算半导体制造中使用的元素列表、比较标准级与半导体级纯度水平、分析达到高纯度所需的工业流程以及识别关键设备材料需求 [16] - 数据收集面临行业高度保密的挑战，信息主要来自台积电、英特尔等主要厂商的公开文件以及林德、优美科等工业供应商的目录 [17][19] - 研究范围限定于半导体制造，因其集中了数字领域物质流的重要部分，且许多制造流程为减材制造，环境影响显著 [18] 结果：元素与纯度要求 - 半导体制造的纯度要求几乎覆盖整个元素周期表，没有其他行业在其供应链中使用如此广泛且高纯度水平的元素 [23][24] - 半导体级纯度要求显著高于其他工业级纯度，例如硫的纯度要求高出3N，硅的纯度要求是最高，许多其他元素的纯度要求也增加2N或3N以上 [26] - 数据稀缺是主要瓶颈，许多元素的工业级和半导体级纯度要求难以同时获得可靠数据，且更小的技术节点未来需要更高纯度的材料 [26] 结果：案例研究分析 - 硅：电子工业仅使用约1%的开采石英，但要求纯度高达11N以上；超纯硅生产高度集中，中国占多晶硅市场份额90%以上，而单晶硅片生产则集中在信越、胜高等少数日本公司，全球仅约35家工厂能生产单晶硅片，形成供应链瓶颈 [31][32] - 铝：电子级铝要求纯度5N+，2020年全球铝消费量6481万吨，电子行业占5%-10%；5N高纯铝市场由五家公司占据79%份额，且65%的溅射靶材用于半导体行业，生产过程能源密集 [33] - 金：2023年技术应用仅占黄金总需求的7.1%，其中83.1%涉及电子产品，即271吨；半导体行业要求纯度5N，但其提纯链与珠宝、金融行业相同，主要集中于瑞士等国的精炼商，环境影响主要来自提取过程而非提纯阶段 [34][36] - 氖：深紫外光刻工艺高度依赖氖气；全球仅少数空气分离装置能生产粗氖，仅18家工厂能提纯氖气，其生产盈利性依赖于钢铁厂的大规模氧气生产，凸显半导体对高碳排放工业基础的依赖 [37][38] 讨论 - 基于纯度的方法有助于识别半导体供应链中的关键瓶颈和高度依赖性，例如硅和氖的纯化工厂数量有限，并强烈依赖其他行业 [40] - 纯度提升可能涉及额外的、高能耗的工业流程，如硅的提拉法，但也可能不增加新流程，如金从4N到5N；当前环境影响评估可能低估了超纯材料（如氖）的能耗 [40][41] - 该方法的局限性包括数据可比性复杂、部分数据陈旧，以及未来更小技术节点将需要更严格的纯度要求，需持续监测工业工艺演变 [43] 结论 - 基于纯度的方法是理解半导体行业物质性的有效途径，揭示了其对化学工业和钢铁等大规模生产部门的依赖，以及供应链中的地理集中和瓶颈问题 [45] - 半导体行业的技术进步将进一步提高对材料多样性和纯度的要求，需要重新评估纯度要求对环境评估、供应链管理和韧性的影响 [43][45]