金宏氣體：國內電子氣體的進(jìn)展與難題
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編者按：電子氣體是芯片制造中的關(guān)鍵材料，近幾年在產(chǎn)業(yè)新聞中多次與卡脖子相掛鉤。在2024 IC NAN SHA大會(huì )上，電子氣體生產(chǎn)商金宏氣體副總經(jīng)理康立忠關(guān)于電子氣體國產(chǎn)化進(jìn)展和技術(shù)特點(diǎn)做了演講，現將其演講整理刊發(fā)，以饗讀者。
金宏氣體副總經(jīng)理康立忠
電子氣體廣泛應用于半導體制造的薄膜、光刻、刻蝕、摻雜、氣相沉積及擴散等各個(gè)工藝，是支撐半導體集成電路的基礎性“源”材料，它被稱(chēng)為電子工業(yè)的“血液”和“糧食”。電子氣體在半導體制造中是僅次于硅片的第二大材料需求，它存在于芯片制造及封裝的每一個(gè)環(huán)節。電子類(lèi)的工業(yè)氣體在半導體領(lǐng)域主要應用分為兩類(lèi)，一類(lèi)是電子大宗載氣，一種是電子特氣。用蓋樓來(lái)打比方說(shuō)明電子類(lèi)氣體的用途，硅基、硅片、襯底相當于地基，在地基上蓋樓的材料就用工業(yè)氣體來(lái)實(shí)現。無(wú)論是沉積膜、CVD鋪上去的各種材料，都通過(guò)工業(yè)氣體堆積到“地基”上。另外堆積材料還要去掉一些材料，無(wú)論是用刻蝕還是其它辦法，都要用到刻蝕類(lèi)氣體。還有光刻機的激光發(fā)生器隨著(zhù)波長(cháng)的不同使用的材料也不同，其中也要混配氣體。存儲的芯片因為層數不斷增加，最近幾年大分子氣體使用比較多，如氪、氙用量很大。我們粗略統計電子工業(yè)氣體在整個(gè)半導體的制程中的成本占比達到百分之十幾，是半導體材料中的第二大成本。這說(shuō)明兩件事，一是電子工業(yè)氣體在半導體生產(chǎn)中很重要；二是說(shuō)明外企主導的電子氣體定價(jià)體系有一定的調整空間。這幾年國內電子工業(yè)氣體有了非常大的進(jìn)展，但由于電子氣體供應的特殊性，現在國內無(wú)論內資Fab還是外資Fab，大宗氣體基本都由國外廠(chǎng)商提供。因為電子大宗氣體供應商要在Fab邊上買(mǎi)地建廠(chǎng)，此后10年、20年一直供應下去，在這個(gè)周期中不能有任何閃失，無(wú)論是氣體的壓力、純度、顆粒度都不能有任何變動(dòng)。其實(shí)電子氣體供應商對于量產(chǎn)的Fab，猶如水、電的供應須臾不可缺少，有非?；A的工業(yè)工程屬性，所以集成電路廠(chǎng)商選擇新供應商的時(shí)候態(tài)度偏保守。但是隨著(zhù)國內電子氣體快速進(jìn)步，Fab廠(chǎng)也對國內氣體供應商持開(kāi)放態(tài)度。近幾年國內很多廠(chǎng)商包括金宏氣體在供應大宗氣體方面獲得突破，已經(jīng)開(kāi)始供應包括硅基、化合物半導體、12寸、8寸、計算類(lèi)、存儲類(lèi)在內的所有Fab。隨著(zhù)國內氣體企業(yè)的成長(cháng)，已經(jīng)通過(guò)氣體供應推動(dòng)Fab的制造成本下降。中國半導體行業(yè)起步很早，有的企業(yè)建廠(chǎng)于20世紀90年代，到現在有些fab已經(jīng)生產(chǎn)20多年了。隨著(zhù)之前的電子大宗氣體合同到期，Fab業(yè)主面臨著(zhù)新的選擇。十幾年前簽署的合同價(jià)格比較高，但是如果替換原來(lái)的供應商難度很大。首先要在Fab旁邊騰出一塊地給新的氣體供應商建廠(chǎng)；其次，Fab在正常生產(chǎn)的情況下，如何在不影響生產(chǎn)質(zhì)量的情況下替換氣體供應商也是很有難度的事。但是今年3月我們?yōu)闊o(wú)錫的業(yè)主成功把國際同行替代了，每年可以節省一大筆運營(yíng)成本，這對Fab的發(fā)展非常有利。氣體供應商也面臨很多困難。由于電子氣體屬于危險化學(xué)品，國家對危險化學(xué)品管控非常嚴格，要求所有電子氣體生產(chǎn)廠(chǎng)必須建在化工園區。但是半導體企業(yè)不會(huì )把工廠(chǎng)搬到化工園區，這么大量的氣體運輸到Fab也不現實(shí)，這里就出現了一些難題。現在國家做了一些嘗試，地方也出了一些政策，允許我們在Fab周邊設廠(chǎng)，但有一個(gè)前提條件，所有產(chǎn)品只能供應這家企業(yè)。這又產(chǎn)生一個(gè)新的問(wèn)題，為了應對客戶(hù)未來(lái)擴產(chǎn)，我們需要提前建設相應的產(chǎn)能。在業(yè)主還沒(méi)有擴產(chǎn)時(shí)，這些超前產(chǎn)能會(huì )過(guò)剩。我們希望政策能夠做出調整，讓這些多余的氣體可以對外銷(xiāo)售。因為總體成本下降，也會(huì )反哺Fab擴產(chǎn)成本下降。國內電子氣體產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度很快，電子氣體整個(gè)行業(yè)供應100多種氣體，每個(gè)Fab大概需要60種到70種。金宏氣體的供應能力經(jīng)過(guò)不斷研發(fā)，電子氣體產(chǎn)品線(xiàn)也越來(lái)越豐富。從技術(shù)角度來(lái)看，電子氣體提純工藝并不復雜。第一種方法是通過(guò)膜吸附掉雜質(zhì)，第二種方式是用分子篩去除雜質(zhì)，第三是通過(guò)低溫精餾把沸點(diǎn)不同的組分分開(kāi)。所有氣體類(lèi)、液體類(lèi)的提純方式就這三種，無(wú)非在各種情況下組合使用，技術(shù)手段已經(jīng)很成熟。中國制造業(yè)門(mén)類(lèi)在全世界最完整，很多電子特氣都是化合物的副產(chǎn)品、中間產(chǎn)物，或者通過(guò)簡(jiǎn)單的合成就可以獲得。當電子氣體的原料非常容易獲得，提純工藝又相對明確，有了這兩點(diǎn)我們很容易把產(chǎn)品做好。唯一的問(wèn)題是，是否有Fab工廠(chǎng)愿意使用，如果Fab工廠(chǎng)創(chuàng )造機會(huì )，所有這些電子氣體都相對容易制備。有兩種氣體中國獲取難度比較大。第一種是經(jīng)常用到的氦，它在大自然中很難獲取，在空氣中的含量和氙氣差不多。如果在空氣里提取，成本至少要漲到1萬(wàn)元每立方，因為俄烏戰爭氦氣曾經(jīng)漲到60萬(wàn)元每立方，我們誰(shuí)也無(wú)法承受如此高價(jià)。氦主要存在于天然氣的伴生礦，中國此類(lèi)伴生礦很少，而美國、卡塔爾、俄羅斯的儲量比較多。所以我們的自給率原來(lái)只有3%左右，現在提高到了6%到7%。中國儲量低是無(wú)法改變的事實(shí)，最近中石化、中石油、中國工程院對油氣礦做了初步摸底調研，雖然我們的整體含量低，但若要保障氦的戰略供應還是可以做到，再過(guò)段時(shí)間氦的問(wèn)題基本可以解決。第二類(lèi)比較缺的特氣是大分子的刻蝕氣體氪和氙，因為存儲芯片的層數要求不斷提高，需求量比較大，加之俄烏戰爭影響，這些氣體價(jià)格漲了10-20倍。這兩種氣體的獲取倒不太難，它們可以從空氣中提取。只是以前我們沒(méi)有重視此類(lèi)氣體的生產(chǎn)，導致現在缺貨?，F在國內空氣分離產(chǎn)能非常大，很多設備都已經(jīng)增加了提氪、提氙的裝置，所以這個(gè)難題也比較容易解決。再來(lái)看電子大宗載氣的競爭格局，電子大宗載氣的復合增長(cháng)率比較高，主要動(dòng)力有兩個(gè)，一是上馬了很多新建廠(chǎng)；二是很多廠(chǎng)已經(jīng)有十年、二十年了，面臨后期的升級改造以及供應商的替換。二者疊加起來(lái)電子大宗載氣中國市場(chǎng)規模大概有120億元。中國工業(yè)氣體市場(chǎng)體量大概是每年2000億元左右，電子大宗載氣占了其中10%左右。雖然金宏氣體在科創(chuàng )板上市只有三年左右，但我們在工業(yè)氣體行業(yè)已經(jīng)深耕了近30年。我們于1999年成立公司，一直在工業(yè)氣體板塊。經(jīng)過(guò)最近十幾年的發(fā)展，金宏氣體30%多的營(yíng)收與電子工業(yè)氣體相關(guān)，另外的部分是針對一般的工業(yè)需求，包括冶金、石油煉化、醫療、食品等其他通用行業(yè)。金宏氣體是國內為半導體或者集成電路行業(yè)提供最完善服務(wù)的氣體公司，從電子大宗載氣、電子特氣、TGCM（電子特氣和化學(xué)品管理）服務(wù)、工程類(lèi)服務(wù)全面覆蓋。這個(gè)行業(yè)比較特殊，客戶(hù)的廠(chǎng)建到哪里，我們就到哪里建廠(chǎng)。所以我們的公司雖然不大，去年實(shí)現了二十多億的營(yíng)收，但我們在全國已經(jīng)建了69家子公司?，F在金宏氣體產(chǎn)品還有一部分供應海外，因為有很多中國企業(yè)出海，半導體之外還包括泛半導體企業(yè)如太陽(yáng)能企業(yè)，我們已經(jīng)在越南和新加坡設立了子公司。國內我們已經(jīng)供應無(wú)錫華潤、廣東芯粵能等客戶(hù)。這里分享一下我們?yōu)槿A潤的一個(gè)8寸線(xiàn)項目做的服務(wù)，我們把一個(gè)為華潤現場(chǎng)服務(wù)了15年的國際友商替代了?，F在我們在華潤的Fab旁邊新建了一個(gè)基地，氧、氮、氬、氫、氦供應都切換上去了，氣體供應的壓力、純度、顆粒度沒(méi)有任何波動(dòng)。經(jīng)過(guò)這次操作我們積累了一整套在不影響生產(chǎn)的情況下，在線(xiàn)更換老氣站的經(jīng)驗。在業(yè)主的配合下我們順利完成了新舊切換，這在國內首開(kāi)記錄，此前還沒(méi)有在線(xiàn)量產(chǎn)的情況下切換過(guò)大宗載氣的先例，這為以后開(kāi)展類(lèi)似業(yè)務(wù)打下了良好基礎。電子氣體公司是最貼近客戶(hù)的供應商，一輩子嫁給客戶(hù)?？蛻?hù)到哪兒電子氣體公司就跟到哪兒，合同一簽就是15到20年，幾乎一輩子為客戶(hù)服務(wù)。隨著(zhù)中國電子氣體制造能力的提升，金宏氣體將把電子氣體的品質(zhì)、供應鏈穩定性以及成本做到極致，為中國集成電路行業(yè)做出我們該做的貢獻。
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