暂停天然砂对台出口能打击台湾的半导体产业吗？澄清一些关于晶硅和高纯石英砂的误解_风闻

马氏体-2022-08-08 14:03

2022-08-08

8月3日，商务部宣布暂停天然砂对台湾地区出口。

天然砂主要用于建筑行业中的混凝土，也被用于玻璃、陶瓷、耐火材料、金属铸造等。天然砂由岩石经年累月风化破碎、被河流和海水搬运堆积而成，是一种稀缺的自然资源。暂停天然砂对台湾地区出口，主要目的是保护天然砂资源，针对的是台湾地区的建筑业。但因为“从沙子到芯片”的说法太过深入人心，很多人认为，这也是对台湾的优势产业——半导体产业的打击。事实果真如此吗？

（韩国SK海力士公司在无锡生产的存储器晶圆）

硅片是半导体生产的基石，也是金额占比最高的原料。

所以，我们倒过来看这个问题。首先查一下，台湾半导体产业的龙头——台积电的硅片从哪儿来？

根据台积电提供给美国证券交易监督委员会（U.S. Securities and Exchange Commission）的年报“Form 20-F”（因为台积电在美国纽约证券交易所上市），近几年台积电的主要硅片供应商为：

这六家供应商总计占到台积电硅片供应量的90%以上。

目前半导体硅片市场的集中度很高，五大巨头市场占有率近90%。我国大陆的半导体硅片实力还比较弱小，最大的半导体硅片企业——上海硅产业集团在国际巨头面前也相形见绌，且大陆的硅片产能主要是8英寸、6英寸及以下的小尺寸硅片，用于生产先进半导体的12英寸大尺寸硅片的自给率很低。

那么，我们就继续往上追溯台湾地区自产半导体硅片的厂家——台塑胜高（由台塑集团和日本胜高合资建立）和环球晶圆。

先来看看硅片是如何生产的：

生产硅片的原料是多晶硅（上图为单晶硅生长设备的坩埚，其中放入小块状的多晶硅原料，另外还要添加微量的掺杂剂）。

多晶硅加热熔化后，把一小块硅晶种浸入熔融的硅液中，边旋转、边提拉，硅液在晶种上结晶，长成下图所示的单晶硅大棒（这是一根光伏行业的单晶硅棒），再切割成硅片。

硅片厂只负责以多晶硅为原料生产出硅片，因此多晶硅原料是从外部供应商采购的。

台塑胜高和环球晶圆这两家都是上市公司，可以尝试从其年报中窥探多晶硅供应商的信息。

环球晶圆的年报里供应商都用代号表示，而台塑胜高列举了几家主要的多晶硅供应商：

虽然台塑胜高年报中各家供应商的具体份额仍然是用代号表示的，但是查阅上海硅产业集团的招股书可知2016-2019年9月向瓦克集团（德国）、Hemlock（美国）、丸红株式会社（日本）采购的多晶硅占总金额的75%~95%。所以有理由推断，台湾企业的多晶硅主要也是向国外巨头采购的。

生产多晶硅（上图）的原料是石英砂，在电炉中用焦炭还原为工业硅（下图）。

用于生产多晶硅的工业硅的纯度一般在99%以上，进一步提纯主要采用改良西门子法，即用氯化氢（HCl）将硅转化为三氯氢硅（SiHCl3）。这是一种低沸点的液体，通过蒸馏提纯。

在还原炉里，用H2在1000℃以上的高温中把纯化后的三氯氢硅还原为硅，沉积在硅棒表面。

硅棒越来越粗，一段时间以后取出来敲碎，得到高纯度的多晶硅。

虽然我国拥有非常发达的晶硅太阳能电池产业，多晶硅产能占全世界的69%，硅片产能占93.7%，但这些大多是纯度稍低的太阳能级的产品（纯度在99.9999%以上，即6个9），半导体行业所用的电子级多晶硅对纯度要求更高，要达到99.999999999%（即11个9）。

近年来我国已建成不少电子级多晶硅项目，如国家电投黄河水电公司产能3300吨/年，江苏鑫华半导体公司产能5000吨/年，但国产电子级多晶硅的实际供货量很少（2020年的数据是不超过800吨）、市场份额较小（国内率先实现突破的黄河公司在国内集成电路用多晶硅市场占有率约20%，鑫华半导体的电子级多晶硅已在上海硅产业集团进行了生产与使用论证）、12英寸硅片所用的电子级多晶硅几乎完全依赖进口、产品一致性和稳定性相比于国外巨头仍有差距、国产设备的水平有待提高。目前全球电子级多晶硅年产量约三四万吨，国内需求量在2000吨以上且随着国内大量硅片项目建设而快速增长，电子级多晶硅仍然需要大量进口。

查询硅片的进出口数据可知，2021年，中国硅片（直径＞15.24cm的单晶硅切片，即6英寸以上硅片，税号38180019）出口数量51071.59吨，进口数量5010.54吨，出口均价为6.11万美元/吨，进口均价为46.88万美元/吨。巨大的出口量主要是太阳能级硅片，但高价值的半导体硅片仍然需要大量进口，主要来源有日本、中国台湾、韩国等地，与半导体硅片巨头的分布相吻合。显然，这是因为电子级多晶硅和大硅片的自给率不足。

所以，回到一开始的问题，同样以二氧化硅（也就是石英）为主要成分，生产半导体和太阳能电池所用的石英砂原料，和建筑用的天然砂有什么区别吗？

（砂在地质学中指粒径在0.074~2mm的矿物或岩石颗粒，在建筑行业指粒径小于4.75mm、满足各项要求的岩石颗粒）

答案已经呼之欲出了——纯度。

与杂质含量高、颜色一看就不干净的天然河砂、海砂不同（也有长石等矿物组成的天然砂），生产高纯度硅产品需要用到纯度在99%以上的石英砂，这就不是随随便便什么沙子能够满足的（上图是江苏连云港市东海县的高品质石英石矿）。新疆是我国工业硅的主产区，产量占全国的三分之一以上，就是因为新疆有丰富的优质石英矿，同时能够提供充沛而廉价的电力。而且，冶炼所用的石英砂主要由石英质岩石开采破碎而来，与河湖海洋中挖出的砂不是一回事。

工业硅的生产成本大头是电弧炉冶炼所需的电力和还原剂，新疆恰好不缺煤碳和电力，又能提供石英矿。工业硅的主要应用领域包括有机硅（生产硅橡胶等）、铝合金和光伏。

纯度达到99.9%以上的石英砂被称为高纯石英砂，其中又分为三六九等。纯度达到99.999%****（5N）的高纯石英砂被用于生产半导体行业的石英坩埚，光伏行业的石英坩埚对纯度要求稍低，为99.998%（4N8）。另外，各种中高端（4N及以上）高纯石英砂被用于半导体和光伏工业的各种石英器具、精密光学仪器、光纤等。也可以用化学合成的方法从其他高纯硅化合物制备高纯石英砂，但成本比提纯天然石英砂更高。

石英坩埚用于加热多晶硅制取单晶硅，直接与熔融硅液接触，所以对纯度和品质要求极高，否则其中的杂质就会混入辛辛苦苦提纯好的多晶硅里。

自然界中最好的高纯石英来源是天然水晶，但随着天然水晶资源日渐枯竭，目前主要的供应来源是白岗岩（二氧化硅含量达75%的花岗岩）、花岗伟晶岩、石英脉、石英砂堆积物（自然产物或尾矿）等。从顶级的石英矿中直接分离出的石英砂的纯度可达99.9%以上，之后再经过焙烧、酸浸、磁选、浮选等多种处理，才能进一步把石英砂的纯度提高到99.999%以上。

氧和硅是地壳丰度排前两位的元素，地球上不缺二氧化硅，但天然的二氧化硅里往往掺混有很多杂质，可用生产5N高纯石英砂的原料矿床极为稀缺，主要分布在美国、挪威、澳大利亚、俄罗斯、毛里塔尼亚、中国、加拿大等7个国家，其中美国的供应量曾占全球的90%以上。

我国硅质资源丰富，保障了光伏行业的晶硅原料供应；在高纯石英方面，4N石英砂已国产化，5N石英砂技术也已突破，但缺乏最顶级的高纯石英资源，用于生产高纯石英坩埚的4N8和5N石英砂仍然需要大量进口。随着光伏行业的飞速发展，光伏坩埚用高纯石英砂供不应求（全球年需求量达六七万吨），价格飞涨（今年初达到5万元/吨），成为光伏行业的一大热点。我国是世界最大的高纯石英进口国，2019年进口量达14.45万吨，国产高纯石英资源的勘探和提纯利用仍然有待大力发展。

虽说建筑用砂的要求远远不如半导体，但是天然砂是在漫长的时间内由水流沉积而成，属于不可再生资源，且挖掘天然砂对河湖海洋生态有严重的破坏，还会威胁堤坝的安全。商务部、海关总署早在2006年第四批《禁止出口货物目录》中就禁止了天然砂的出口，但为了满足台湾地区对天然砂的迫切需求，于2008年恢复了对台湾地区的天然砂出口，如今再度暂停。

淮河上曾经非法采砂泛滥，把河道挖得千疮百孔

在进出口税则中，天然砂涉及到25051000、25059000两个税号，分别为硅砂及石英砂、其他天然砂；作为硅矿石应用于半导体行业的石英砂，税号是25061000.00，即“石英（天然砂除外）”，是两种不同的商品，并不在限制之列。所以，暂停对台湾地区的天然砂出口并不会对台湾的半导体产业造成冲击（除非是新建厂房时缺少建筑材料）。

根据我查到的公开信息，台湾地区的半导体产业主要以进口多晶硅（来自美、日、德等企业）为原料生产硅片，另有进口硅片，并不需要采购大陆的石英砂来冶炼硅，生产半导体工业石英器具所用的高纯石英砂原料（主产国是美国）对大陆也无依赖，更不会被天然砂供应短缺所限制。

半导体是台湾地区的优势产业，也是我们在产业升级过程中的一大难关。这是一个技术含量很高、涉及非常广的产业链，没有捷径可走，只能从每一项关键技术、关键设备、关键材料出发，扎扎实实攻关，才能把半导体产业链牢牢把握在自己手中。

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