提升我国电子工业气体供应能力的对策

罗佐县，林梦蕾，陈春玉，王少楠

（1.中国石化集团经济技术研究院有限公司，北京 100029；2.西南化工研究设计院有限公司，四川 成都 610225）

随着第四次产业革命时代的来临，以智能化为核心的技术变革将在诸多领域发生，5G通信、人工智能、北斗导航自动驾驶、增强及虚拟现实技术进入快速发展阶段，继而成为推动半导体产业发展的重要力量。本轮工业革命的核心是智能化，关键技术之一是芯片制造。对当今经济社会而言，芯片的重要性如同第一、二次工业革命中的蒸汽机和内燃机。无论是人们常用的手机、电脑，还是企业应用的数据中心、工业机器人都离不开芯片的支撑。芯片制造水平在很大程度上决定着一个国家在新一轮工业革命中的竞争力。电子工业用气体（简称电子气）广泛应用于芯片制造和晶圆制造过程，其主要技术工艺包括清洗、蚀刻、光刻、外延、掺杂、稀释、运载、封装等，是芯片制造关键性化工基础材料，被誉为电子工业的“粮食”和“源”。

1 电子气对我国半导体产业有重大影响

当前，我国正在大力实施以5G技术为核心的新基建工程，系统推进中国制造业水平提升，全力支撑国内大循环为主，国内国际双循环经济发展格局构建，经济发展和产业结构调整对国内半导体产业发展提出了更高要求。现实的国情是我国90%的高端芯片依赖进口，在“黑天鹅”“灰犀牛”事件频发形势下，既定经济发展目标的实现极易受到芯片断供的钳制。过去几年，美国对中兴通讯、华为等国企的制裁已可见端倪。为此，提升芯片核心部件国产化率是我国半导体产业发展的重要目标，也是整个经济社会发展的重中之重。与此同时，发展本土半导体产业，深度参与全球半导体产业分工，融入全球产业链也是体现中国智慧，展现中国力量，提升中国在第四次工业革命中话语权的现实举措。

常用的电子气纯气有60多种，混合气80多种，一些超大规模的集成电路制造需要在数百个流程中运用到上百种电子气。可以说，没有电子气就无法对芯片进行加工；缺少高质量的电子气就无法制造高质量芯片。如果电子气供应保障性不足，将导致整个半导体产业出现短板[1]。因此，提升电子气保障程度是支撑芯片和半导体事业发展，继而支撑新基建和双循环格局形成的重要前提条件之一。

2 现阶段国际电子气供应为发达国家公司主导

2.1 国际市场份额被四大公司垄断

以美国空气化工、新林德（德国林德集团和普莱克斯已经完成合并）、法国液化空气和日本大阳日酸株式会社为首的气体公司占有电子特种气体全球80%以上的市场份额。图1是2018年世界电子气体市场份额结构图，可以看到，美国通过空气化工以及新林德直接或间接影响着全球电子气市场50%以上份额。

图1 2018年世界电子气体份额

2.2 国内市场份额同样被外资公司控制

2.2.1 国内企业供应本土电子气份额不足15%

近些年，国内电子气体研发机构与生产厂家一直在加大发展力度，电子气本土供应能力快速提升，取得了一定的成就。但总体看我国电子气体供应“卡脖子”现象依然十分严重，目前，国内市场自给率只有12%，见图2。发展我国电子气体产业，尤其是高端电子气的自主产业化已经刻不容缓，对于我国新形势下的经济社会发展目标的实现将产生重要影响。

图2 国内外企业占我国电子特气市场份额

2.2.2 我国电子气企业实力与国际企业存在极大差距

我国一直缺乏能与国际大型气体公司抗衡的有一定实力的企业。从德邦研究所的统计数据看，2019年国内企业的利润只占四大气体公司利润的4%，业务收入只占0.7%（数据还包含部分不是电子气的收入），实力差距巨大，见表1。

表1 2019年国内外主要电子气公司业绩表 亿元

3 高度依赖国际市场带来的风险正在显现

3.1 禁止高端电子气出口成为美国制裁和打压中国的手段

从国际政治方面看，禁止高端电子气出口成为美国制裁和打压中国的手段。半导体产业是中美竞争最激烈的产业之一，也是美国重点盯防的对华出口限制技术类目。20世纪90年代以来，国内企业在海外进口半导体设备先后受到美国、日本出口管制限制。华晶、华虹等到国际市场采购设备也先后遭遇到了“瓦森纳安排”的制约，这一合约旨在防止中国在全球半导体价值链生产中的水平升级[2]。2020年美国等42个国家《瓦森纳协议》中继续扩大出口管制范围，中国从美国进口的与半导体产业相关的更多材料和技术都成为美国对华出口限制重点，其中就包括电子气。就发展趋势看，中美之间的对抗可能长期存在，提高包括电子气在内的半导体材料及产品自给能力极为迫切[3]。

3.2 电子气依赖国际市场延缓国内半导体企业质量升级步伐

从商业经营方面看，过度依赖电子气国际市场导致企业经营被动。目前集成电路硅片市场呈寡头垄断格局，12英寸硅片市场占有率全球排名前五家的企业就达到97.8%，掌握着绝对的定价权[4]。其中Shin–Etsu和SUMCO两家日资企业市场占有率超过50%。目前我国12寸及以上硅片依然处于科研攻关阶段。2020年5月的研报称，全球硅片处于寡头垄断CR5超过90%，我国硅片2018年8英寸进口比例约70%，12英寸进口约100%[5]。

通过与外资企业交往，国内半导体企业普遍认为掌握垄断技术和产品的外资企业通过交货期限拖延以及定价对中国企业进行限制是“家常便饭”[6]。在集成电路硅片的上游材料端，我国电子级多晶硅材料生产能力的缺失一直是“卡脖子”工程，国内企业一直希望在这一方面做出突破，但是这种努力一直未取得令人期待的效果。由于外资电子气公司牢牢控制着我国电子气的供应，严重影响到国内硅片更新换代，表现在国内企业应用的气体质量不高使得企业无法对单晶硅进行高质量拉伸，这一点成为我国硅片制造业提升质量的重大瓶颈和“拦路虎”。随着芯片国产化的推进，光刻、封装和测试等环节也会遇到类似问题。国外也有类似的案例和前车之鉴，2020年日本对韩国限制销售电子级氟化氢，对韩国半导体制造造成非常大的影响，这一事件也进一步给我们敲响了警钟[7]。

4 我国电子气需求将步入快速增长期

4.1 半导体产能增长支撑电子气需求

4.1.1 新冠疫情后经济回暖拉升国内晶圆产能增长

根据IC Insight统计，2019年上半年中美贸易战导致全球各大晶圆厂都推迟了产能增加计划。随着2019年下半年中美贸易的复苏和5G市场的爆发，2019年全年全球晶圆产能还是维持了720万片的增长。新冠疫情后随着经济回暖及5G市场的换机潮，全球晶圆产能将在2020–2022年迎来增加高峰期，3年增加量预计分别为1 790万片、2 080万片和1 440万片，在2021年将创下历史新高，见图3。这些晶圆将会由韩国（三星、海力士），中国台湾（台积电）和中国大陆提供，其中中国大陆将占产能增加量的50%。

图3 2010-2024年全球晶圆厂产能增加量（等效8寸晶圆）

4.1.2 中长期集成电路项目密集上马进一步拉升电子气需求

国家关于发展半导体产业政策密集颁布。2020年3月，国家科技部等五部委发布《加强“从0到1”基础研究工作方案》。方案指出国家科技计划突出支持关键核心技术中的重大科学问题。面向国家重大需求，对关键核心技术中的重大科学问题给予长期支持。重点支持人工智能、网络协同制造、3D打印和激光制造、重点基础材料、先进电子材料、结构与功能材料、制造技术与关键部件、集成电路和微波器件，高端医疗器械、重大科学仪器设备等重大领域，推动关键核心技术突破[1]。

地方电子产业政策落地。全国多地在政府工作报告中纷纷提及集成电路产业。具体措施主要包括：加快重大项目落地与建设，集中力量实现现有项目突破，完善相关产业平台、产业基金等。地方政府扶持首先有利于重点集成电路项目开展，其次有利于各地方集成电路企业经营。电子产业已成为一些省市发展规划重点产业，北京、上海、天津、重庆、安徽、广东等地均有发展集成电路的产业规划，具体措施包括加快重大项目落地与建设，集中力量实现现有项目突破，完善相关产业平台、产业基金等，见表2。

表2 2019年部分地区半导体相关布局

4.2 国内电子气市场规模近期增速可达20%

2016年全球半导体行业用电子特种气体市场规模达到36.8亿美元，同比增长5.7%；国内方面集成电路用电子特种气体需求约25亿元，预计到2021年将突破80亿元。近10年电子特气市场增长速度稳定在12%。从国家和行业层面看，芯片国产化率持续提升是我国半导体行业发展的重要目标。这一目标的实现是支撑制造业质量升级，服务以5G为核心的新基建，助力双循环经济发展格局构建的基础手段，也是推动电子气需求持久增长的重要力量。预计到2025年前后，在国家政策和高科技的驱动下，我国电子特气市场增长速度会显著提高到20%以上，而全球的电子特气市场增长速度持续稳定在6%左右。

5 国内电子气体供应瓶颈主要原因是技术短缺

5.1 大宗气体生产与国际差距主要表现在提纯净化

大宗气体的氮气、氩气、氢气、氧气原料级气体质量（到99.999%级别）已经和国外接轨。在大宗气体的现场净化和终端净化技术上，国内已经达到8N级水平，正在向9N及以上纯度迈进。国内在大宗气体净化工艺上取得了一定的进步，但是在净化材料核心技术上和国外还存在一定的差距。这些差距主要体现在：气体分离用硅酸盐基中空纤维开发；超高纯气体净化用的非蒸散型吸气剂开发（9N和9N以上）；超精净化用催化剂开发；大型气体终端净化器的开发；超高纯气体程控阀门研制；高稳定新加热器（连续使用寿命高于5年）的开发。

5.2 特种气体生产技术不过关，总体供应呈短缺状态

仅部分电子气实现自主供应能力。国内已经解决了高纯氨、三氟化氮、氧化亚氮、六氟化硫等电子气品种，三氟化氮、六氟化钨、四氟化碳进入国内主流12寸晶圆Fab厂商生产线。其中，三氟化氮、六氟化硫等气体具有很高的全球变暖潜能值（GWP），国际上已经逐渐淘汰，被环境友好型的绿色产品替代。国外公司已经先于我们进行开发和技术储备，国内仅有少数单位从事研究[9]。

硅族气体、含氟气体、卤素气体、掺杂气体、电子工业用同位素气体、成膜气体以及混配气体均处于短缺状态。其中硅族气体生产和技术至少落后发达国家整整一代以上，国产的硅烷、二氯氢硅、三氯氢硅只能用来成膜，无法用到更高端的领域；含氟化合物的开发缓慢、品种短缺，合成技术和纯化技术需要进一步提高；国内已经开发出氯气、氯化氢、氟化氢、溴化氢等含卤素的电子气，但气体标示纯度高于实际纯度的现象普遍，关键有害杂质无法全部去除，限制了国产卤素气体的高端应用；掺杂气体纯化过程涉及工艺从4N9到6N9的纯度升级过程，任重道远；我国电子同位素气体及新材料和发达国家相比也是整体落后；成膜气体、混配气体也是严重受制于西方。

5.3 包装、检测及处理等共性技术方面普遍存在短板

5.3.1 管路、阀门及包装物等金属表面处理

半导体工艺中，高纯特气在储存和运输过程中要求使用高质量的气体包装储运容器、以及相应的气体输送管线、阀门和接口，确保避免二次污染。与高纯气体接触的各种材料必须满足洁净标准，否则释放出的吸附物会污染电子气体[10]。内在制造材料和包装物内部处理技术与国外有明显差距，只是解决了可靠性问题，但是高端的表面处理等需求仍然无法解决。超高纯气体用的容器和管道以进口为主，亟需开发。国内的浙江淘特科技在表面处理技术方面，石家庄安瑞科在包装容器方面取得了长足的进步，缩短了和国外的差距。但是更多的表面处理材料和技术仍然亟待开发。

5.3.2 尾气处理与回收技术

近几年，半导体工艺在使用大宗特殊气体过程中，从成本考虑，需要进行尾气回收。另外，在半导体器件的生产过程中，由各种生产设备排出的废气中会含有相当浓度的有害和有毒气体。这些气体是设备中各类反应的副产品，或者是没有反应的原料气体。为了将这些气体从排放气流中去除，废气处理系统很必要。目前，除氦气回收外，电子混合气体，同样需要配套燃烧处理设备、尾气处理设备。我国这些尾气回收和处理技术存在技术突破和工程应用，市场基本被国外所垄断。

5.3.3 气体检测技术

电子气不仅要求主含量具有很高的纯度（99.99%～99.9999%），还对其中的痕量杂质成分含量有严格的要求（ppm/ppb/ppt级），如水分、颗粒物、金属元素、非金属离子等，必须逐项检测痕量杂质含量，然后再确定高纯气体的纯度，即分析出高纯气体中痕量杂质成分的含量，然后用差减法确定高纯气体的纯度。这就意味着需要多种分析检测技术。目前，部分检测技术已有一定基础，如常规的气相色谱法和化学分析法国内基本掌握，而部分超痕微量分析检测技术与国外差距较大。

6 发展对策与建议

我国在电子气全面自主的道路上有一定的困难和挑战，但是优势在于我们有资源，有门类齐全的基础。通过体制机制改革整合资源，深入推进电子气供给侧改革，形成有序分工合作、整体攻关协调的发展模式，对于提升电子气供应效率将产生重要影响。为此提出如下建议。

1）结合双循环格局构建、新基建以及《中国制造2025规划》相关目标，对半导体集成电路等影响电子气需求的主要产业和领域，本着保障国内循环需求和保障企业参与国际分工的原则做出评估，在此基础上系统规划设计近中期国内半导体产业发展路线图，防止同质化竞争和产能过剩，从宏观层面把握电子气体数量和质量需求。

2）加强半导体行业上下游一体化战略融合力度。中国电子气行业企业规模小，研发能力不足，同时电子气开发、生产与应用的关系未能达成战略融合，上下游脱节较为严重。尤其下游企业过去基本依赖国外大的气体公司，对国内企业产品缺乏信心，也不愿意合作培植，才造成今天的尴尬局面。

3）设立重大专项基础研究项目，对电子气行业进行精准扶持。对于亟需发展的九大类核心关键技术，建议政府出资立专项进行集中攻关；鼓励国内电子气生产企业加大联合研发力度；鼓励国有企业发挥好体制机制优势，持续加大电子气科研投入；继续加大力度给予企业科技创新经费加计扣除政策扶持；加大成果共享力度，通过产学研一体化加快科技成果转化现实生产力的节奏。

4）建设半导体材料的中试评价线。包括电子气产品在内的半导体材料缺乏应用评价平台，对其推广带来限制。半导体企业不具有相应的产品评价能力，即便上游气体企业有能力生产出产品，也未必能被企业所认可和接受。建议建设半导体材料的中试评价线，对各类气体产品进行权威鉴定，促进国产材料的开发和应用。

5）整合现有行业资源，整体提升行业竞争力。现阶段电子气行业无序竞争，同质化情况严重。企业各自为政且从事科技攻关积极性不足。建议以资本为纽带对各企业优势资源进行整合，将目前各自为政的中小散资源整合成具有一定规模竞争力的集团，培养若干家具有国际竞争力的大型电子气企业，形成有利于电子气发展的机制、技术和人才队伍。

6）加大力度发展电子气体制造过程的共性技术，巩固产业基础。我国从“七五”开始仅针对某些品种组织攻关，但电子气体纯度一旦提高，行业缺少共性技术支撑。我国电子气某些品种虽然进步不小，但是在IC的关键制程中仍存在无法使用的问题，这些现象的克服有赖于共性技术的尽快形成。

7）改革现有的安评环评机制，营造有利于电子气研发的良好环境。电子气的更新换代快，采用当前的安评环评机制去对待电子气的研发、小试和模式装置的建设不尽合理。目前电子气研发通常审批需要2～5年周期，部分品种电子气更新换代时间就3～5年。因此，在保证安全和环保的条件下，研发阶段的审批需要加快。对电子气研发或小试阶段的管控性原料，建议实行限量放权管控。

7 结语

我国经济社会发展正处于承前启后的重要时期，这一时期需要解决好制造业质量升级，推动新基建，优化升级产业结构等诸多工作，需要高度依赖智能化。通过供给侧改革发展好电子气产业，补齐目前的供应能力不足短板，是推动半导体产业发展上台阶的重要一环，对于全面提升我国各领域智能化水平也有重要意义。就目前的发展形势看，制约电子气产业发展的不仅有技术方面的因素，也有体制机制方面的因素，改革需要双管齐下，快速推进。