Timunan bahan akan menentukan kejayaan atau kegagalan kebangkitan semula semikonduktor Amerika Syarikat.

Timbunan Bahan Akan Menentukan Kejayaan atau Kegagalan Pemulihan Semikonduktor Amerika

Apa yang Berlaku?

Pada Jun 2025, Jabatan Perdagangan Amerika Syarikat, di bawah Akta Cip dan Sains, menyediakan dana sebanyak $500 juta kepada syarikat AI bahan SandboxAQ untuk membangunkan bahan termaju yang diperlukan dalam pembuatan semikonduktor. Projek ini memberi tumpuan kepada empat bidang utama: bahan kimia proses tanpa PFAS, pemangkin termaju, magnet kekal tanpa nadir bumi, dan sistem bateri generasi akan datang. Pelaburan ini menandakan kesedaran kerajaan AS bahawa: sains bahan telah menjadi kekangan terbesar untuk pengembangan pembuatan proses termaju, dan kebergantungan rantaian bekalan terhadap bahan luar negara mengancam keselamatan strategik negara.

Mengapa Ini Penting?

Pembuatan semikonduktor bukan sekadar mesin litografi dan kilang wafer. Bahan kimia proses, pemangkin, bahan magnet, dan sistem penyimpanan tenaga secara langsung mempengaruhi hasil, penggunaan peralatan, kawalan kecacatan, dan kos pembuatan. Pada masa ini, bahan-bahan kritikal ini tertumpu tinggi di tangan Jepun, Jerman, dan China. Sebagai contoh, pasaran fotoresin dikuasai oleh JSR, Tokyo Ohka Kogyo, dan Shin-Etsu Chemical; pemangkin dan prekursor dibekalkan oleh Entegris, Merck, dan lain-lain; magnet kekal nadir bumi, China menguasai lebih 90% kapasiti pengeluaran global. Jika sektor bahan tidak dapat dilokalisasikan, kilang wafer baharu AS akan sentiasa bergantung kepada pihak luar.

Latar Belakang

• Latar Belakang Teknikal: Pembangunan bahan tradisional bergantung kepada kaedah cuba-cuba, kitaran panjang (5-10 tahun), tidak dapat mengikuti keperluan ketat ketulenan, kestabilan, dan mesra alam bagi nod termaju (2nm, 1nm). Model Kuantitatif Besar (LQMs) SandboxAQ, berdasarkan data prinsip pertama seperti teori fungsi ketumpatan dan dinamik molekul, boleh menapis jutaan molekul calon dalam beberapa minggu, memendekkan kitaran R&D dengan ketara.
• Latar Belakang Pasaran: Pasaran bahan semikonduktor global dianggarkan bernilai kira-kira $68 bilion pada 2024, dan dijangka melebihi $100 bilion menjelang 2030. Antaranya, permintaan untuk bahan kimia khas, gas ketulenan tinggi, dan buburan CMP bagi proses termaju (<7nm) meningkat lebih 15% setahun.
• Latar Belakang Industri: AS telah menarik pelaburan melebihi $300 bilion melalui Akta CHIPS, tetapi sebahagian besar tertumpu pada pembuatan wafer (kilang TSMC, Intel, Samsung di AS) dan peralatan (ASML, Applied Materials). Sektor bahan menerima hanya sebahagian kecil dana, menyebabkan "berat di atas, ringan di bawah".

Analisis Mendalam

#### Impak Teknologi### Analisis Mendalam

#### Kesan Teknologi

• Laluan Teknologi:
• - Bahan Kimia Tanpa PFAS: PFAS (bahan per- dan polifluoroalkil) digunakan dalam semikonduktor sebagai bendalir pertukaran haba, salutan penebat, pelincir. Alternatif perlu menyeimbangkan kestabilan terma dan prestasi dielektrik. Bahan calon termasuk keton berfluorin, hidrofluoroeter (HFE) dan lain-lain. Model AI SandboxAQ boleh meramalkan kestabilan molekul baru dalam persekitaran plasma.
• - Pemangkin Maju: Digunakan untuk menghasilkan gas ultra-tulen (seperti trimetilaluminium, prekursor tungsten), proses pemendapan (ALD, CVD) dan rawatan gas buangan. Pemangkin tradisional (seperti logam kumpulan platinum) mahal dan bekalan tertumpu. AI boleh mempercepat penemuan pemangkin bukan logam berharga berasaskan nikel, kobalt, molibdenum.
• - Magnet Kekal Tanpa Nadir Bumi: Meja gerakan tepat, pam vakum, motor stepper bergantung pada magnet NdFeB. Alternatif termasuk sebatian besi-nitrogen (α''-Fe16N2), mangan-aluminium-karbon (MnAlC) dan lain-lain, tetapi sukar untuk pengeluaran besar-besaran. LQM boleh mensimulasikan momen magnet dan daya paksaan, mengurangkan lelaran eksperimen.
• - Bateri Generasi Akan Datang: Kilang wafer memerlukan bekalan kuasa tidak terganggu yang sangat tinggi, bateri aliran vanadium, bateri natrium-ion menjadi calon. AI boleh mengoptimumkan formulasi elektrolit dan bahan elektrod.
• Halangan Teknologi: Kuncinya terletak pada pengesahan sinergi bahan-proses-peralatan. Bahan baru perlu diuji pada keseluruhan barisan pengeluaran, melibatkan langkah litografi, etsa, pemendapan, pembersihan dan lain-lain. Kitaran pensijilan biasanya 2-3 tahun. AI hanya boleh mempercepat penemuan, tidak boleh melangkau pengesahan hiliran.

#### Kesan Rantaian Bekalan

• Hulu (Pembekal Bahan): Pemain sedia ada — Shin-Etsu Chemical, JSR, Tokyo Ohka Kogyo (fotoresis) Jepun; Merck Jerman (bahan kimia); Entegris AS (bahan ketulenan tinggi); Hitachi Metals, TDK Jepun (bahan magnet). Jika AS mencapai sara diri, syarikat-syarikat ini menghadapi kehilangan bahagian pasaran. Namun SandboxAQ sendiri tidak mengeluarkan bahan, sebaliknya bekerjasama dengan pembekal sedia ada melalui pelesenan atau usahasama, jadi ini lebih kepada peningkatan teknologi daripada penggantian.
• Tengah (Kilang Wafer): TSMC, Intel, Samsung di AS akan menjadi penerima manfaat utama. Bekalan tempatan yang lebih stabil boleh mengurangkan kos inventori, mengurangkan kelewatan pengangkutan. Tetapi pengesahan bahan memerlukan kerjasama rapat dengan kilang wafer, mungkin meningkatkan kos kejuruteraan jangka pendek.
• Hilir (Pembekal Peralatan): Applied Materials, Lam Research, KLA dan lain-lain sangat sensitif terhadap prestasi bahan. Contohnya, peralatan etsa perlu menyesuaikan dengan sifat kimia gas baru. Pembekal peralatan perlu menyelaraskan pengoptimuman formulasi dengan pemaju bahan.
• Segmen Berisiko: Latihan model AI bergantung pada data berkualiti tinggi. Data bahan semikonduktor awam kini jarang, SandboxAQ perlu bekerjasama dengan makmal untuk menjana data proprietari. Selain itu, penggantian magnet nadir bumi menghadapi jurang prestasi fizikal asas (seperti hasil tenaga magnet maksimum), dalam jangka pendek tidak dapat sepenuhnya tanpa nadir bumi.

#### Landskap Persaingan

• Amerika Syarikat: Melalui projek SandboxAQ, cuba membina semula keupayaan penyelidikan dan pembangunan bahan.- Amerika Syarikat: Melalui projek SandboxAQ, ia cuba membina semula keupayaan penyelidikan dan pembangunan bahan. Namun, ia perlu bersaing dengan gergasi sedia ada seperti Entegris dan Merck (AS/Jerman). Kelebihan teknologi SandboxAQ terletak pada AI, tetapi kekurangan pengalaman pengeluaran besar-besaran.
• Jepun: JSR, Tokyo Ohka Kogyo, Shin-Etsu Chemical dan lain-lain telah lama mendominasi pasaran bahan. Mereka juga melabur dalam AI (contohnya kerjasama JSR dengan IBM), tetapi pada kadar yang lebih perlahan. Kerajaan Jepun mungkin meningkatkan sokongan untuk pembangunan bahan di Agensi Tenaga Atom (JAEA).
• China: Mempunyai kelebihan mutlak dalam bidang magnet kekal nadir bumi, tetapi bahan kimia semikonduktor gred tinggi masih bergantung pada import. China menggalakkan penggantian domestik melalui Rancangan Lima Tahun ke-14, tetapi simulasi bahan AI bermula lewat. Sekatan AS terhadap eksport teknologi bahan termaju (seperti prekursor) ke China, dan projek SandboxAQ seterusnya mengetatkan akses China kepada bahan kimia termaju.
• Korea Selatan: Samsung dan SK Hynix adalah pengguna bahan penting, tetapi pembekal tempatan (seperti Dongsung Chemical) lemah dari segi daya saing. Korea Selatan mungkin mengukuhkan kerjasama dengan AS untuk mendapatkan teknologi baharu.
• Eropah: Syarikat seperti Merck, BASF, dan Solvay mempunyai pengalaman mendalam. Akta Cip EU juga memberi perhatian kepada bahan, tetapi skala pelaburan lebih kecil.

#### Implikasi Serantau

• Amerika Syarikat: Langkah ini adalah kunci untuk mengurangkan pergantungan kepada Jepun dan Jerman. Namun, operasi fab wafer masih memerlukan import sejumlah besar bahan, dan sara diri sepenuhnya mengambil masa sekurang-kurangnya 5-10 tahun. Projek SandboxAQ membantu melatih bakat bahan, tetapi pengkomersialan masih menjadi cabaran.
• Taiwan, China: Fab TSMC di AS mungkin mengutamakan bahan tempatan AS, tetapi pembekal bahan tempatan Taiwan (seperti Chang Chun Petrochemical) mungkin terpinggir. Proses termaju TSMC mempunyai keperluan bahan tertinggi, dan hasil pensijilannya akan mempengaruhi landskap pasaran.
• Jepun: Menghadapi ancaman terbesar kerana fotoresist dan bahan kimia ketulenan tinggi adalah sumber keuntungan teras Jepun. Syarikat Jepun meningkatkan pelaburan dalam simulasi bahan AI (contohnya kerjasama Tokyo Ohka dengan NEC), tetapi sukar untuk mengatasi kelebihan perintis SandboxAQ dalam jangka pendek.
• China: Kawalan eksport magnet kekal nadir bumi mungkin diperketatkan lagi. China mungkin meningkatkan pelaburan R&D dalam magnet besi-nitrogen, tetapi sekatan AS mungkin menghalang pertukaran akademik.

• #### Perspektif Pelaburan- Jangka pendek (1-2 tahun)：SandboxAQ belum untung, tetapi nilai pasaran mungkin melambung selepas mendapat dana kerajaan. Tumpu pada syarikat berkaitan rantaian industri: Entegris (bekalan bahan), Applied Materials (penyesuaian peralatan), Entegris (penghantaran gas).
• Jangka sederhana (3-5 tahun)：Jika pengesahan teknologi berjaya, pasaran perkhidmatan pensijilan bahan akan meletup. Organisasi penyelidikan kontrak (CRO) dan platform bahan AI (seperti Citrine Informatics, Kaneka) dijangka meraih manfaat.
• Jangka panjang (5-10 tahun)：Peningkatan sara diri bahan Amerika akan melemahkan kuasa penetapan harga Jepun dalam fotoresist dan Jerman dalam bahan kimia. Modal swasta boleh memberi tumpuan kepada pelaburan dalam talian perintis pembuatan bahan.

#### Tinjauan Jangka Panjang

• 3 tahun：SandboxAQ akan menghantar sekurang-kurangnya satu bahan kimia bebas PFAS untuk nod matang 28nm dan ke atas. Bidang pemangkin mungkin mencapai kejayaan. Penggantian magnet nadir bumi berjalan perlahan.
• 5 tahun：Kadar penggunaan alternatif PFAS di kilang wafer AS meningkat kepada 30%. Kadar penembusan platform bahan AI meningkat, memaksa pengeluar bahan tradisional berubah.
• 10 tahun：Landskap bahan menjadi tiga kutub AS, Jepun, dan Eropah. China mengkomersialkan penggantian magnet nadir bumi, tetapi peraturan alam sekitar mungkin menyekat pengembangan.

#### Analisis Rantaian Industri

• Hulu (bahan mentah)：Sumber mineral seperti litium, kobalt, nikel, fluorida. AS perlu memperluas perlombongan domestik atau menandatangani perjanjian bekalan dengan sekutu.
• Hulu pertengahan (sintesis dan penulenan bahan)：Bahan kimia ketulenan tinggi, gas khas, sasaran pemercikan. SandboxAQ menumpu pada R&D, manakala pembuatan masih memerlukan rakan kongsi seperti Entegris, Merck.
• Pertengahan (pembuatan wafer)：Bahan baru perlu melalui pengesahan proses; TSMC dan Intel adalah platform pengesahan utama. Mereka akan menetapkan piawaian yang mempengaruhi keseluruhan ekosistem.
• Hilir (pembungkusan dan ujian)：Pembungkusan termaju (cth. 2.5D/3D) memerlukan bahan pengisi bawah, bahan antara muka haba yang lebih tinggi. Bahan baru juga berpotensi digunakan dalam peringkat pembungkusan.