特種氣體主要包括高純氣體、電子氣體、標準氣體三大類，電子特種氣體（簡稱電子特氣）是特種氣體的一個重要分支，是超大規(guī)模集成電路（IC）、平面顯示器件（LCD、LED、OLED）、太陽能電池等電子工業(yè)生產不可或缺的原材料。

通常半導體生產行業(yè)，將氣體劃分成常用氣體和特殊氣體兩類。其中，常用氣體指集中供給而且使用非常多的氣體，比如N2、H2、O2、Ar、He等。特種氣體指半導體生產環(huán)節(jié)中，比如延伸、離子注進、摻和、洗滌、遮掩膜形成過程中使用到一些化學氣體，也就是氣體類別中的電子氣體，比如高純度的SiH4、PH3、AsH3、B2H6、N2O、NH3、SF6、NF3、CF4、BCl3、BF3、HCl、Cl2等，在IC生產環(huán)節(jié)中，使用的電子氣體有差不多有100多種，核心工段常見的在30種左右。正是這些氣體通過不同的制程使硅片具有半導體性能，它又決定了集成電路的性能、集成度、成品率，即使是某一種某一個特定雜質超標，都將導致質量嚴重缺陷，嚴重時會因不合格氣體的擴散，導致整個生產線被污染，乃至全面癱瘓。因此，電子氣體是制造過程基礎關鍵材料，是名副其實的電子工業(yè)“血液”。

當前我國電子氣體市場大部分由幾大國際巨頭所占據(jù)，高端氣體更是幾乎完全依賴進口，一方面價格昂貴，進口氣價格一般會達到國產氣的2-3倍甚至更高，增加IC產業(yè)制造成本，削弱了我國IC產業(yè)的競爭力；另一方面某些核心尖端氣體海外巨頭對我國實施各種封鎖限制，供應情況受國際關系影響，對我國國家安全及經濟發(fā)展構成威脅。此外，很多電子氣體本身屬于危險化學品，進口手續(xù)繁瑣、周期長，且某些電子氣體性質不穩(wěn)定自發(fā)分解，或強腐蝕長時間放置雜質含量提高，漂洋過海進口本身就存在諸多不便。綜合來看，我國發(fā)展電子特氣的自主生產，能夠完善集成電路產業(yè)鏈，具有重大的現(xiàn)實意義和深遠的戰(zhàn)略意義。

國際上電子氣體普遍釆用的標準為SEMI標準（國際半導體裝備和材料委員會標準），但國外幾大氣體公司均有自己的公司標準，這些標準突出了各公司的技術水平特征，在產品純度上較SEMI普遍高出1-2個數(shù)量級，在分析檢測、包裝物、使用方法、應用技術說明等方面各有特點，一些公司在某些關鍵雜質（金屬雜質、顆粒物雜質等）含量上只標明“需與用戶協(xié)商”，表明電子氣體技術、市場競爭非常激烈，關鍵技術保密。

根據(jù)成分與用途的不同，可以將電子特氣大致分為七種：摻雜用氣體、外延晶體生長氣、離子注入氣、刻蝕用氣體、氣相沉積（CVD）氣體、平衡/反應氣體、摻雜配方氣體。其中，某些特種氣體在多個環(huán)節(jié)都有所應用（比如硅烷）。各種電子特氣的細分品類如下表所示。

據(jù)統(tǒng)計，電子特氣占晶圓制造過程中材料成本的14%左右，與掩膜版的成本占比相當，為僅次于硅片的第二大材料。據(jù)中國電子報報道，2018年國內晶圓制造材料總體市場規(guī)模約28.2億美元；封裝材料包括引線框架、基板、陶瓷封裝材料、鍵合絲、封裝樹脂、芯片貼裝材料等，2018年國內封裝材料市場規(guī)模約為56.8億美元。2018年，晶圓制造材料與封裝測試材料總計市場規(guī)模約為85億美元。

電子特氣上游多為III（硼、鋁、鎵）、IV（碳、硅、鍺）、V（氮、磷、砷）族元素及鹵族元素（氟、氯）的基礎化工產業(yè)，下游在集成電路、面板、LED等領域的各個工藝環(huán)節(jié)均有多種用途。

與農藥行業(yè)中的原藥和制劑類似，特氣行業(yè)也分為原料氣和充裝氣。原料氣一般情況下為高純度單品，下游客戶實際使用的一般是復配后的充裝氣。

純度要求極高，純化、雜質檢測、儲運技術面臨全方位考驗

12英寸、90納米制程的IC制造技術需要電子氣體純度要在99.999%-99.9999%（5N-6N）以上，有害的氣體雜質需要控制在10-9（ppb），對金屬元素雜質以及塵埃粒子做出了嚴格的限制。在更為先進的28nm及目前國際一線的6nm-10nm制程工藝中，電子特氣的純度要求則很可能更高，甚至達到ppb（10-12）級別。由于行業(yè)對產品純度的特殊要求，電子特氣的純化、雜質檢測、儲運技術面臨全方位考驗。純化技術自不必多說；雜質檢測方面，由于需要檢測的雜質含量低至ppb級別，常規(guī)分析方法無法勝任，需要使用特殊的氣相色譜、ICP-AES、ICP-MS等非常規(guī)分析方法；儲運方面，一方面由于純度要求極高，對容器的溶出性能提出了非常高的要求，少量雜質從容器材質中溶出都會導致儲存在其中的特氣受到污染；另一方面某些劇毒氣體需要使用負壓氣瓶儲運以減少泄露危險。

低溫精餾、膜分離、吸附分離為主流純化技術

目前，工業(yè)化應用的電子氣體制備方法主要有低溫精餾、膜分離、吸附分離和吸收等方法。

該技術是當前大多數(shù)高純電子氣體生產供應商主要采用的氣體分離提純技術，工業(yè)應用相當成熟。低溫精餾即將某些氣體的混合氣冷凍液化，依靠兩種氣體或多種氣體之間的相對揮發(fā)度的不同，通過溫度或壓力變化進行蒸餾，這種分離方法操作簡單，適用于氣體混合氣中的某些不凝氣，如氮氣、氫氣、氧氣等壓縮氣體的脫除。

高純BF3即主要使用低溫精餾的方式提純，流程如下圖所示，低溫精餾塔的具體設置為精餾塔中部溫度為-96℃左右，下部溫度為-98℃左右。BF3進入精餾塔，通過精餾塔溫度的控制可以使BF3以氣態(tài)的形式從精餾塔的上端進入冷凝器，而SiF4以液態(tài)的形式從底端進入再沸器，從而進行低溫精餾操作，實現(xiàn)兩種物質的分離，但該方法能耗比較大，操作條件要求嚴格。

吸附分離技術

吸附分離工藝已經成為工業(yè)上廣泛運用的分離純化方法，吸附可分為化學吸附和物理吸附。昭和電工曾公開了一種用于純化八氟丙烷、八氟環(huán)丁烷等全氟烷烴的吸附劑生產方法，該吸附劑能有效吸附八氟丙烷中的六氟丙烯、一氯五氟乙烷、七氟丙烷等雜質，將雜質含量降低至1×10-6以下。主要步驟為：1)將原炭進行酸洗和水洗；2)原炭在50-250℃下脫氧或脫水；3)原炭在500-700℃下再炭化；4)原炭在700-900℃下，于惰性氣體、二氧化碳和水蒸汽混合氣中活化。經該吸附劑純化后的八氟丙烷純度可大于6N（99.9999%）。

膜分離技術

膜是一種具有選擇性的分離材料。利用膜的選擇性分離并實現(xiàn)原料中不同組分之間的分離、純化、濃縮的過程稱作膜分離。

膜分離技術的核心是膜材料，膜材料是膜分離技術發(fā)展的關鍵。從20世紀70年代掀起氣體分離膜研究的高潮以來，幾乎對所有現(xiàn)成的、可以成膜的高分子材料如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚砜(PSF)、醋酸纖維素(CA)、聚碳酸酯(PC)等在氣體分離方面進行了評價，其共同存在的問題:凡是滲透系數(shù)大的膜，其選擇系數(shù)就低;凡是選擇系數(shù)高的膜，其滲透系數(shù)就低。因此，要想得到兩者都比較高的膜材料，必須從合成專用的氣體分離膜聚合物著手。

大金專利報道了一種使用氣體分離膜除去碳酰氟(COF2)中CO2的相關技術，此法成為高純碳酰氟項目中降低CO2含量的可能手段之一。其通過采用聚酰亞胺中空纖維膜的技術手段對碳酰氟進行精制純化，可以獲得用于半導體蝕刻的高純碳酰氟，所采用的膜分離裝置如下圖所示。所用的中空纖維膜為聚酰亞胺膜，可選用Kapton(DuPont)、MATRIMID(CibaGeigy)、UM、DM(宇部興產)等系列，中空纖維膜需要自制。使用前，通過流量調節(jié)器2通入N2除去裝置內的H2O、O2等可能對COF2造成不利影響的因素，分離氣體的中空纖維膜的透過側與未透過側的壓差范圍為0.01-1.00 MPa，溫度0-50℃。

在實際工業(yè)生產應用中，單獨使用某種純化方法都具有一定的局限性，只能針對某些雜質氣體，而且氣體的純度并不高。因此一般實際采用的多種方法聯(lián)用的純化方式。

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