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自 2021 年初以来，芯片制造商已宣布投资超过 1000 亿美元，在未来几年内建设新的晶圆厂。这些晶圆厂的首批芯片填充晶圆最早将于 2024 年交付给客户。
仅新的晶圆产量就足以刺激为半导体行业提供原材料的化学公司的投资。但与老一代晶圆厂相比，新晶圆厂在每个晶圆上也需要更多的材料投入，因为它们将在每个芯片中以更小规模填充更多功能。在美国投资多年乏力之后，材料制造商将不得不努力跟上步伐。
电子材料咨询公司 Linx Consulting 的管理合伙人 Mike Corbett 表示，由于在每个晶圆上进行的工艺越来越多，新晶圆厂将需要化学原材料。“这是光刻步骤的数量、清洁步骤的数量、沉积步骤的数量、蚀刻的数量，”他说。“随着步数的增加，很明显，消耗品也会增加。”
Corbett 说，材料行业在美国有一些追赶的工作。“预计该行业将在这里像曲棍球棒一样发展，而材料基础设施不适合它。” 他表示，美国半导体原材料市场每年价值约 45 亿美元，未来几年将以每年 15% 的速度增长。
并非总是这样。在过去的十年里，美国的晶圆厂产能相对于中国大陆、台湾和韩国的增长缓慢。Corbett 说，半导体材料供应商采用教科书式的策略应对低结构性增长，例如整合、提高效率和海外投资。“在过去的 20 年里，人们没有在美国和欧洲建立化学和材料产能，或者他们没有增加大量的产能，”他说。
Corbett 说，随后疫情的封锁来了，经济的逐步数字化向前飞跃了几年，从而刺激了全球半导体需求。与此同时，全球航运中断引发了重新定位供应链的呼声，尤其是对 21 世纪经济和国防至关重要的半导体和其他产品。
现在，半导体制造商台积电（TSMC）和英特尔都在凤凰城附近建设价值 200 亿美元的晶圆厂；三星正在德克萨斯州奥斯汀以外地区增加 170 亿美元的晶圆产能；英特尔正计划在俄亥俄州利金县建造一个价值 200 亿美元的新站点。英特尔曾表示，它最终可能会使俄亥俄工厂翻两番；台积电和三星同样表示有兴趣超越其声明的投资——如果地方、州和联邦的激励措施看起来正确的话。
化工公司一直在以自己的投资作为回应。9 月，亨斯迈完成了在德克萨斯州扩展用于半导体用途的特种胺的第一步。1 月，台湾的 Sunlit Chemical 在凤凰城破土动工，耗资 1 亿美元建造氢氟酸工厂，用于蚀刻和清洁。
默克公司去年 12 月表示，将在美国投资约 10 亿美元用于电子材料研发和产能扩张，这是全球超过 30 亿美元投资的一部分。“芯片短缺需要全行业的合作来解决消费者目前面临的供应链问题。我们正在美国投资以扩大我们的生产能力和创新足迹，以支持我们客户雄心勃勃的增长计划，”该公司在新闻稿中表示。
在收购方面，该领域近期最大的交易之一是Entegris 以 65 亿美元收购抛光浆制造商 CMC Materials。这些浆料通常是精细陶瓷颗粒的水性悬浮液，在称为化学机械平面化的过程中与抛光垫一起使用。垫和浆料共同构成了较大体积的消耗材料类别之一。
Entegris 首席执行官 Bertrand Loy 表示，收购 CMC 将加强其公司在新型互连合金、掺杂剂和其他半导体材料方面的工作。他说，在一个屋檐下，与在两个不同的公司中相比，开发浆料化学和浆料抛光的材料将更快地发生。
美国使用的半导体比它生产的还要多。此外，CMC 在北美的 12 个地点和在东南亚的 9 个地点增加了 Entegris 在半导体制造商在行业关键时刻获得最多投资的两个地区的影响力。“我们已经意识到世界正在发生变化，尝试缩短供应链和本地化供应链可能具有一定的价值，”Loy 说。
任何关于半导体制造的讨论都会在某个时候转向“节点”大小。该术语通常是指印刷在芯片硅上的特征（例如晶体管）的物理尺寸。节点越小，每平方厘米安装的晶体管越多。打印多层图案化组件是另一种增加特征密度的方法。更多的晶体管意味着更高的计算能力和更低的能耗。它们还意味着更多的化学品消耗。
像台积电、英特尔和三星这样的尖端晶圆厂正在计划打印特征节点尺寸小于 10 纳米的图案，通常使用一种称为极紫外光刻 (EUV) 的技术。EUV 发展迅速，芯片制造商不断推动实现更小的节点。
“如果您考虑一下我们的客户正在尝试做什么，他们会尝试率先将 5 nm 或 2 nm 或 200 层以上的 3D [图案化] 推向市场，”Loy 说。“不仅要找到正确的材料或正确的解决方案，而且能够在更短的时间内提出，这对我们的客户来说具有巨大的价值，可以转化为定价能力和市场份额。”
尽管微型节点占据了头条新闻，但 10 到 180 nm 之间的较大尺寸（通常称为成熟节点）占当今芯片制造能力的 90% 以上。这些节点也继续获得投资。德州仪器预计到 2030 年代中期将在其家乡投入 300 亿美元用于成熟节点芯片的产能。
“我们可以看到市场将保持强劲，我们业务的基本面依然强劲，”默克公司北美电子材料业务 EMD Electronics 供应链转型高级副总裁 Kevin Gorman 说。
默克在美国的 10 亿美元投资将主要在亚利桑那州、加利福尼亚州、德克萨斯州和宾夕法尼亚州的工厂进行。“最大的份额是用于我们的特种气体和薄膜，”Gorman 说。光刻图案材料也在获得投资。
“不仅要找到正确的材料或正确的解决方案，而且能够在更短的时间内提出，这对我们的客户来说具有巨大的价值，可以转化为定价能力和市场份额。”Entegris 首席执行官Bertrand Loy。
Gorman 表示，半导体制造商越来越希望与他们的材料供应商达成长期协议，包括他们提出但尚未完全承诺的扩张计划。“客户说，'我们希望您能够扩展以支持这种水平的需求，如果您愿意投资，我们愿意签署协议。” ”
长期供应协议可以降低建立新的化工产能以满足预计的未来需求的风险，但这种方法假设化工公司能够获得足够的自己的原料。情况并非总是如此。
例如，氦，一种半导体制造的关键材料，最近一直处于相当大的压力之下。惰性气体的导热性仅次于氢气，因此非常适合在图案化过程中安全地冷却芯片和工具。氦气也用于一些激光器，电离的氦气是一种有效的蚀刻剂。许多分析师将氦气描述为半导体制造中不可替代的，并且新节点比以往任何时候都使用更多。
不幸的是，全球氦气市场状况不佳。几起工业事故，最重要的是在俄罗斯东南部的 Gazprom 的阿穆尔天然气加工厂和美国土地管理局在德克萨斯州的 Cliffside 氦气厂，造成了全球氦气短缺。俄罗斯入侵乌克兰，扰乱了天然气市场，进一步扰乱了氦气供应；大多数氦气作为副产品从天然气井中提取。根据氦气顾问菲尔·科恩布鲁斯（Phil Kornbluth）的说法，目前的氦气短缺是近期历史上的第四次，而且可能是迄今为止最严重的一次。
Linx 的 Corbett 表示，美国半导体行业的氦需求将在未来 5 年内翻一番。但半导体晶圆厂与医学成像、核磁共振仪器、泄漏测试和太空探索等科学用途竞争氦气。
Entegris 的 Loy 表示，尽管氦气短缺等供应中断令人头疼，但从长远来看，它们可能会使该行业更加稳健。他指出，芯片制造商已经变得更愿意对新材料来源进行认证，而不是坚持使用他们久经考验的供应商。
为此，Entegris 同样在寻求多样化获取供应给晶圆厂的氦的方式。Loy 表示，该公司现在正与北美的一些初级氦气生产商直接对话，以补充其与主要工业气体公司的持续关系。主要的氦气生产商为了氦气而追求氦气，因此他们不会受到天然气市场的一时兴起。而且因为他们已经在北美，他们不必依赖堵塞的港口或难以找到的远洋船只。
新晶圆厂制造的芯片将消耗大量化学品、气体和其他材料，但制造它们也需要材料。负责科慕氟聚合物全球营销的 Bob Cates 表示，每个新工厂都需要数百公吨该公司的全氟烷氧基 (PFA) 树脂，用于在工厂周围输送液体、浆料和气体。树脂也用于垫圈和其他配件。
Cates 说，PFA 是为数不多的惰性、稳定和不可渗透的材料之一，足以处理晶圆厂中使用的腐蚀性化学品，并保持超纯化学品（包括水）不含颗粒和渗滤液。
据该公司氟聚合物可持续发展总监 Amber Wellman 称，美国的半导体扩张对科慕来说是个好消息。“听到这些投资对我们来说非常令人兴奋，”她说。“我们是美国唯一的 PFA 制造商。”
美国芯片产业及其推动者有着宏伟的计划。乔·拜登总统将半导体称为其国内供应链安全计划的“核心”，并支持通过国会通过的法案，该法案将为该行业提供超过 520 亿美元的补贴。在洛伊和其他化学倡导者的推动下，政府现在计划让半导体行业的化学品供应商有资格获得其中一些激励措施。
无论是在公共资金还是私人资金的支持下，如果新晶圆厂要生产所需的芯片，电子化学产能都需要快速增长。“你有更多的工艺步骤，而工艺步骤推动了化学品和气体的消耗，”Loy 说。“您还需要更高水平的纯度，因此您需要更多的清洁步骤。最后，我们客户路线图上的许多新架构也将依赖高度工程化的材料。”
有很多挑战，Loy 说，“对于像 Entegris 这样的公司来说，这会转化为很多机会——如果你能把各个部分放在一起的话。”
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