美国芯片，被卡脖子了

来源：半导体行业观察

最近，美国两家公司因钇（Yttrium）与钪（Scandium）库存耗尽而拒绝订单的消息不胫而走，这不仅是一个原材料短缺的信号，更是全球半导体产业从“软硬博弈”转向“物理资源博弈”的转折点。钇和钪都不属于大宗金属，也不直接构成晶体管沟道或互连层。但它们却深嵌在两个对美国半导体至关重要的环节：钇主要在先进制造设备的可靠性与洁净度，钪则是高端射频滤波器的性能天花板。

中国海关数据显示，在自2025年4月4日之后的八个月里，仅有17吨钇产品出口到美国，而此前八个月的出口量为 333 吨。由于供应受限，钇的价格大幅飙升。根据路透社的报道，自去年11月以来，钇的价格已飙升60%，目前约为去年同期的69倍。

钇和钪，“产业维生素”

在元素周期表中，钇（Y）和钪（Scandium）虽然不像硅（Si）那样是主角，也不像镓（Ga）那样在第三代半导体中声名显赫，但它们却是不可或缺的“产业维生素”。

首先来看下钇，钇在半导体制造中的核心应用并非直接作为电路材料，而是作为生产环境的保护者。

在先进制程的生产过程中，干法刻蚀腔体内长期存在高能等离子体与强腐蚀气体体系，腔体材料一旦被腐蚀或剥落，会转化为颗粒与金属污染，直接反噬良率与稳定性。因此，氧化钇（Y2O3）以及钇系涂层在行业里常被用于刻蚀腔体的“防护层”——包括腔体内衬、工艺套件、甚至与晶圆距离很近的部件（如静电吸盘等组件相关结构），目的就是提高抗等离子体侵蚀能力、降低污染。钇系涂层是刻蚀腔体抵御腐蚀、抑制颗粒污染的关键方案之一；一旦供应受限，将通过维护周期缩短、备件更换频次上升与良率波动，间接影响先进产线的稳定性。

此外，钇钡铜氧（YBCO）是著名的高温超导材料。随着超导相关产业（含高端磁体/部分量子与低温工程配套等）发展，钇的供应波动会在更广泛的高端制造领域放大不确定性

钪真正的产业价值，很多时候不是以金属或合金的形式出现，而是以材料体系的掺杂元素出现。最典型的就是 ScAlN/AlScN（钪掺杂氮化铝）：它能提升压电性能，使其在射频声学器件（滤波器/谐振器）以及部分MEMS传感/驱动器件上更具优势。

目前，射频器件BAW滤波器通常采用氮化铝（AlN）压电谐振元件。与氧化锌（ZnO）或锆钛酸铅（PZT）等其他候选材料相比，AlN 的优势在于其具备 CMOS兼容性。然而，AlN 是一种压电性能相对较差、耦合系数较低的材料。研究表明，在 AlN 中掺杂钪（Sc）可以显著提高压电性能。据材料公司Materion的数据，在 AlN 中掺入 Sc 的上限已证实为 43 at%（原子百分比），因为在更高浓度下，AlScN 的晶格会从 AlN 的六方纤锌矿结构转变为 ScN 的立方岩盐结构，从而失去压电特性。因此，Sc 含量接近 43 at% 的 AlScN 表现出最大的压电响应。已发表的研究显示，掺杂 35 at% Sc 的 AlN 可将压电性能提高到 15.5%，是纯AlN 的2.6 倍。

这种性能提升是下一代射频滤波器的核心，因为它允许设计人员创建比 AlN 滤波器功耗更低的 BAW 器件（从而延长手机或平板电脑的电池寿命）。它还有助于设计尺寸更小的器件（便于制造更薄、更轻的设备），并实现高“带外衰减”（减少串扰）。此外，掺杂 35 at% Sc 可将最大相对带宽从 2.4% 提高到 7.0%。与钪掺杂相关的相对带宽增加，将允许有效利用为 5G 开放的更宽带宽。

例如在Qorvo的 5G BAW 白皮书也明确把 Scandium-doped AlN piezo layers 作为提升带宽、应对 5G 的关键做法，并指出制造难度会更高。

因此，若钪供应受限，首先受影响的往往是高规格器件的导入节奏与量产爬坡。

而且，钪铝合金具有极高的强度和耐热性。在卫星载荷和高超音速飞行器的传感器封装中，钪是保证精密电子元器件在极端环境下不失效的核心。

此外，德国基尔大学（University of Kiel）与弗劳恩霍夫硅技术研究所（Fraunhofer ISIT）研究发现，氮化铝钪合金（AlScN）表现出铁电行为。研究团队评论道：“铁电翻转（ferroelectric switching）使我们首次能够直接通过实验证据观察到基于 AlN 材料的自发极化翻转，并证实与多数以往理论论文相反，它的极化值可以达到超过 100 µC/cm²。”

铁电性是开发下一代非易失性存储芯片的最佳候选材料之一。钪的稀缺，直接锁死了美国在存储芯片赛道实现“弯道超车”的物理路径。

对产业的冲击

目前，材料短缺已经引发了美国工业界的“抢料大战”。

北美涂层巨头已开始对客户进行等级划分。由于库存捉襟见肘，目前已有至少两家北美涂层制造公司因钇库存枯竭被迫暂时停产。其中一家公司已开始推行“原材料配给制”，并明确拒绝了海外及小型客户的订单，将极其有限的库存优先留给波音、通用电气（GE）等关键引擎制造商。

刻蚀是几乎所有先进与主流工艺的基础步骤，钇问题对美国本土晶圆扩张计划（CHIPS Act）是隐性风险。美国建厂可以补贴设备和产能，但设备材料与备件体系无法靠补贴瞬间复制。

SemiAnalysis首席执行官迪伦·帕特尔警告称，目前钪的库存可能只能维持数月而非数年，如果补货停滞，将增加 5G 芯片生产中断的风险。

为了对冲风险，路透社2月初报道，美国启动名为Project Vault的关键矿产战略储备计划，规模约120亿美元（含 EXIM 银行融资与私人资本），目标是为关键矿产提供缓冲库存与价格/供应稳定机制。

在钪这个极小市场上，美国国防后勤局（DLA）甚至提出要在数年内采购相当体量的钪氧化物纳入国防储备。路透社在 2025 年 9 月的报道提到，DLA 计划在 5 年内采购约 6.4 吨钪氧化物，首年接近 2 吨，但这在短期内无疑是杯水车薪。

在开采方面，钇通常作为开采重稀土的副产品出现，而钪的供应瓶颈更为严峻，钪多来自钛白粉生产过程中的废液回收。全球年产量估计仅为数十吨，美国国内几乎没有实际产量。中国仍然是主要的商业供应国。美国虽然拥有矿山，但缺乏大规模、高纯度的提炼设施。半导体级（5N/6N 纯度）的钇、钪提炼工艺极其复杂且具有环境污染风险，这种长期“去工业化”的后果正在逐渐爆发。

稀土：从自然馈赠到大国重器

材料学科的产业化周期通常以“十年”为单位。中国在钇（Y）和钪（Sc）材料上的领先，早已超越了简单的“家里有矿”，而是形成了一套极其深厚的精炼技术壁垒。

在自然界中，钇和钪总是与其他稀土元素“伴生”在一起。它们的化学性质极度相似，就像在几万颗形状、颜色几乎相同的豆子里，精准剔除出那几颗坏豆子。

中国在稀土领域大规模应用了串联萃取理论（由徐光宪院士奠定基础）。这套算法能通过成百上千级的萃取槽，实现 5N（99.999%）甚至 6N 级别的超高纯度。

半导体级材料对杂质的容忍度是以 ppb（十亿分之一） 计的。美国目前的提炼设施多停留在工业级（3N/4N），要跨越到 5N 级，不仅需要重新建设复杂的化学产线，更需要数十年积累的动态配比参数——这些参数是各精炼厂的“黑盒”核心机密。

钪（Scandium）在自然界极其分散，极少有富矿。全球 60% 以上的钪产自中国，其核心壁垒在于工业副产品的闭环回收技术。中国是全球最大的钛白粉和铝生产国。中国攻克了从钛白粉生产过程中的强酸废液中，利用特殊萃取剂低成本提取微量钪的技术。如果不依赖成熟的重工业产业链（如钛、铝工业），单独开采钪矿的成本将高到无法商用。美国缺乏这种庞大的工业配套体系，导致其即便想重建供应链，也面临严重的“经济性缺失”。

精炼出高纯度氧化物只是第一步，要送进英特尔或台积电的厂房，还需要将其加工成溅射靶材（Sputtering Target）或精密陶瓷件。以 AlScN（氮化铝钪）薄膜为例，其溅射靶材要求铝钪成分高度均匀，同时氧、氮等气体杂质含量极低，否则将直接影响薄膜的压电性能与可靠性。

在这一领域，国内企业已形成“真空感应熔炼 + 粉末冶金”组合工艺体系，能够稳定产出大尺寸、高均匀度、低杂质的铝钪合金靶材。这类能力并非单一设备突破，而是对冶金控制、粉体分散、烧结致密化与真空控制的综合把握。

中国在稀土领域的这种“全产业链进化”，正成为全球半导体价值链中无法绕开的一环。

结语

长期以来，硅谷习惯了在软件与架构的高地指点江山，却忽略了支撑起这些摩天大楼的，还有这些深埋在泥土中的稀有元素。钇钪之困，不仅是美系半导体巨头的一柄利剑，更是对全球半导体供应链脆性的一场拷问。