文章核心观点 - 数字行业的物质性被低估，其环境影响需通过半导体制造业的视角重新评估，该行业对元素多样性和超高纯度的特殊需求揭示了复杂且不透明的供应链，并凸显了对其他大规模工业部门（如化学和钢铁行业）的深度依赖 [1][2][3] - 半导体制造业是数字行业物质性的核心，现代微芯片制造需使用元素周期表中超过85%的非放射性元素，且对材料纯度要求极高，部分元素纯度需达到11N（99.999999999%）以上，这远高于其他工业部门的标准 [7][17][20] - 提出一种基于“纯度”的分析方法，通过研究半导体制造所需元素的纯度要求及其净化工业流程，能够更准确地识别供应链瓶颈、地理依赖关系以及潜在的环境影响，该方法通过硅、铝、氖、金四个案例研究进行了验证 [10][23][37] 半导体行业的物质性特征 - 微芯片是人类制造的最复杂产品，其制造不仅需要种类极多的基础材料，且要求极高的纯度，技术进步由微型化、性能和成本效益驱动，导致材料需求更加多样和复杂 [5] - 现代处理器制造需要元素周期表中超过85%的非放射性元素，而在过去30年中，从使用少数几种元素转向使用几乎所有可能元素的转变并未引起足够关注 [7] - 半导体行业对材料纯度的要求极为特殊，例如硅的纯度要求可能高于11N，而许多其他元素的纯度要求也比标准工业级高出2N或3N以上，这种高纯度需求是环境评估中常被忽视的因素 [8][17][20] 纯度要求的方法论与数据挑战 - 研究通过整合异构数据源来重建半导体制造的元素纯度要求数据库，数据来源包括主要气体和材料供应商的目录、科学文献、专利以及政府报告，但由于行业高度保密，数据收集面临挑战 [11][12][14] - 半导体制造的纯度规格因材料而异，标准工业级纯度通常在95-99%（2N）之间，而半导体级要求则远高于此，通常要求高于99.999%（5N）[14] - 纯度要求的比较显示，半导体级与其他工业领域的最高纯度水平存在显著差距，例如半导体级硫的纯度要求比其他行业高3N，硅的纯度要求是迄今为止最高的 [20][23] 案例研究分析：硅 - 硅是数字领域的核心元素，但其用于电子工业的量仅占年开采总量（409.3万吨石英）的约1%（4.1万吨），其特殊性在于极高的纯度要求（可达11N以上），而非消耗量 [24][25] - 超纯硅的生产链高度集中，中国预计占据多晶硅生产市场份额的90%以上，而超过一半的单晶硅片产量集中在两家日本公司手中，全球仅约35家工厂能生产单晶硅片 [26] - 从多晶硅（9N）到单晶硅（11N+）的提纯过程（如切克劳斯基工艺）是能源密集型工序，对纯度的追求加剧了供应链瓶颈和环境影响 [25][26] 案例研究分析：铝 - 高纯铝（5N+，99.999+%）主要用于半导体行业作为溅射靶材，估计占全球铝消费量（6481万吨）的5%至10%，但用于先进组件的具体比例未知 [28] - 达到电子级纯度需经过液态电解（至4N）和偏析工艺（至5N），这些是能源密集型过程，五家公司占据了5N高纯铝市场79%的份额 [28] - 半导体行业对高纯铝的需求可能给特定的工业生产线带来压力，这些生产线在改善环境足迹方面仍有很大进展 [28] 案例研究分析：金 - 金用于元器件的金属化和互连，2023年技术应用占总黄金需求（4550吨）的7.1%（326吨），其中83.1%涉及电子产品（约271吨）[29] - 金条市场纯度要求（4N，99.99%）与半导体行业要求（5N，99.999%）高度一致，从4N提纯到5N通常使用相同的工艺（如沃尔威尔电解法），未显著增加额外环境负担 [29][30] - 黄金的环境影响主要来自其极低的矿石品位（每吨矿石约含3.5克金，岩石与金属比值高），集中在提取阶段而非提纯阶段 [30] 案例研究分析：氖 - 氖气对半导体制造至关重要，尤其在深紫外（DUV）光刻（100纳米至7纳米节点）的准分子激光器中作为缓冲气体使用，混合气体中含90%至98%的氖 [31][32] - 超纯氖气的生产高度依赖钢铁大规模生产，全球仅有约40家工厂可生产粗氖，其中仅18家可提纯氖，其经济性依赖于大型钢铁厂（日氧气产量至少800吨）的规模经济 [32] - 氖气的低成本可能隐藏了巨大的能耗，因为其纯化是钢铁生产的副产品，当前生命周期评价数据库可能忽视或低估了其环境影响 [32][35] 纯度方法的价值与局限 - 基于纯度的分析方法有助于识别半导体供应链中的关键瓶颈和地理依赖，例如揭示超纯硅和氖的生产集中在少数工厂和国家 [34][37] - 该方法能澄清纯度提升是否带来额外环境负担，例如硅的提纯（9N至11N）需要高能耗工艺，而金的提纯（4N至5N）则不需要 [34] - 该方法的局限在于数据稀缺和可比性复杂，净化行业发展慢于数字行业，未来需学术界与工业界合作扩展研究范围 [36]