电子气体有多重要？（二）
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电子气体对半导体行业的重要作用
时间：2017-11-06
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随着全球半导体产业的发展，半导体材料已成为二十一世纪信息社会和大数据时代高新技术产业的基础材料，它的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武器装备的小型化和智能化，甚至对国民经济的发展和国家安全等都具有非常重要的意义。
电子气体作为极大规模集成电路、平面显示器件、化合物半导体器件、太阳能电池、光纤等电子工业生产中不可缺少的基础和支撑性材料之一，被广泛应用于薄膜、刻蚀、掺杂、气相沉积、扩散等工艺，没有这些基本原材料，其下游的IC、LCD/LED、光伏太阳能就无法制造，引进的设备正常产能无法释放，这样我国制造成本必将被少数原料供应商控制，因此中国电子气体的发展对我国半导体产业的发展起着至关重要的作用。
一、 全球半导体材料市场分析及半导体发展对电子气体的要求
1.全球半导体材料市场分析
根据全球领先的信息技术研究和顾问公司Gartner研究显示，2017年全球半导体收入有望首次突破4000亿美元，达到4014亿美元，较2016年增长18.4%;2016年全球半导体市场销售额为3435亿美元，较2015年3349亿美元提升2.6%。根据国际半导体设备材料产业协会(SEMI)发表最新统计数据指出，2016年全球半导体材料市场收入为443亿美元，与 2015 年相比增长2.3%;其中晶圆制造材料市场为 247亿美元，封装材料市场为 196 亿美元，相较2015年分别成长3.1%及1.4%;其中台湾地区为97.9亿美元，占比达22.1%，连续7年蝉联最大市场，其动力源于大型晶圆制造厂和先进封装基地。韩国、北美与欧洲都有微幅成长，中国大陆市场份额较上年则有8%的涨幅。显现出中国半导体材料市场的兴起，未来中国基于广大的市场消费群体，预计仍将保持增长态势，2015与2016年各地区半导体材料市场规模如下表。
2015与2016年各地区半导体材料市场规模(单位：亿美元)
注：资料来源：国际半导体设备材料产业协会(SEMI)。金额和百分比可能由于四舍五入导致结果不一致;其他地区指新加坡、马来西亚、菲律宾、东南亚其他地区以及规模较小的全球性市场。
2.半导体集成电路发展趋势
集成电路产业按照摩尔定律持续发展，制程节点不断缩小，今天三星已掌握7nm，台积电10nm已量产，芯片3D技术越来越成熟，整体发展趋势为线宽越来越窄，3D NAND层数越来越多。几十年来，集成电路产业沿着摩尔定律发展，1971年集成电路的制程节点是10 微米(百分之一毫米)，今年台积电将开始量产10 纳米(十万分之一毫米)，技术节点缩小到千分之一，意味着晶体管面积缩小百万分之一。近几年国内外半导体技术发展趋势如下图1所示。
图1 国内外半导体技术发展趋势
3.半导体发展对电子气体的要求
随着半导体集成电路技术的发展，对电子气体的纯度和质量要求越来越高，我国电子气体目前发展目标是增加品种、增加产量、提高国产化率，并向完成对特气生产及应用的全套技术开发的目标努力，技术包括：高危、易燃易爆、腐蚀性、剧毒气体纯化、监测、充装、输送、贮存技术，以及安全、环保技术、现场配气技术、回收与再利用技术等。
同时为提高混合气使用效率，解决安全使用和运输电子气体，特别是高纯氟气的问题， 以推动绿色气体的使用，以及满足降低处理废气成本和环保要求，从而确定高纯电子气体发展方向为：绿色气体、现场发生技术和回收技术。
二、 中国电子气体发展现状
1.中国集成电路产业发展情况
作为全球电子产品制造大国，近年来中国电子信息产业的全球地位迅速提升，产业链日渐成熟，为中国集成电路产业发展提供了机遇。特别是2014年《国家集成电路产业推动纲要》的细则落地，大规模集成电路的国产化已被列为我国政府中长远发展规划，大基金项目启动，地方各基金纷纷建立，各企业在科技部02专项和集成电路材料和零部件产业技术创新战略联盟集成电路生产厂家的共同努力和支持下，经过近十年努力，中国内地已初步形成集成电路产业、制造材料和零部件供应链雏形，并推动中国集成电路产业进入新的黄金发展期，中国市场已成为全球集成电路市场增长的主要推动力之一。
集成电路一直以来占据半导体产品80%的销售额，近几年更是90%以上，业务规模远远超过半导体中分立器件、光电子器件和传感器三大细分领域，长期以来占据着行业大部分市场规模，具备广阔的市场空间，近年来呈现出快速增长的态势。截至目前预测2017年国内集成电路产业将达5355.2亿元，较去年同比增长23.5%。
2.中国半导体材料发展现状
半导体材料是制造环节必不可少基础材料，是制造环节的上游产业，同时也是整个产业链的上游。集成电路产业离不开材料的支撑，集成电路制造过程中需要的主要原材料有几十种。材料的质量和供应直接影响着集成电路的质量和竞争力，因此材料产业是集成电路产业链中上游重要的一环。目前，集成电路制造主要材料包括硅材、掩膜、电子气体、工艺化学品、光刻胶、抛光材料、靶材、封装材料等。我国晶圆制造电子材料在2016年市场总额达343.03亿，较2015年增长6.9%，预计2017年将达359.36亿元。
3.中国电子气体发展现状
⑴中国电子气体是仅次于硅片和硅基材料的第二大市场需求半导体材料，电子气体2016年的国内市场需求为48.02亿，占比14%。据全球半导体协会统计，目前常用的电子气体纯气有60多种，混合气80多种。中国电子气体经过近10年的发展，国内涌现了一些生产质量稳定，能够被半导体客户接受的电子气生产企业，但是，与巨大的、快速发展的国内需求相比还远远不够，据业内不完全数据统计，从2012年至2016年，国内电子气体企业实际生产销售额占中国晶圆制造电子气市场需求由3.8%增加至25.0%，预计2017年将增加至28.4%，虽然有了较大的发展和进步，但国内电子气体企业生产总量远远满足不了国内市场需求。
⑵国外电子气体企业多为大型跨国公司，具有较强的实力和技术积淀，业务涵盖范围较宽，可以同时为企业打包提供很多气体服务，具有很强竞争力。国内电子气体生产企业与国外大公司相比有较大差距，有着巨大的发展空间。
另外目前国内电子气体发展问题具体表现为：A.产业整体规模不大，国产化率低，企业规模小，缺乏领军型企业，容易被受到国外大企业排挤和打压;B.高端制造方面的新材料技术不足，技术门槛低的气体种类大量重复建设和扩产，无序竞争现象严重;C.部分电子气体企业是从大化工行业或工业气体转型而来，其品质意识、管理理念和安全管理水平不到位，造成个别产品质量稳定性欠佳。
综上所述，我国电子气体目前还属于电子材料发展的短板，需着力发展，因此建议：国家应落实和完善对该类企业的财税、资金等优惠政策支持，加大财政资金、大基金和金融部门的扶持力度，引导集成电路厂家使用国产电子气体，从而帮助企业把握发展机遇，加快企业技术进步和做大做强;企业应努力提升技术创新和管理水平，加强质量管控，用过硬产品为客户服务。
中国船舶重工集团公司第七一八研究所(以下简称：中船七一八所)坚持深度军民融合、持续技术创新，突破技术壁垒，相继研制出高纯三氟化氮、六氟化钨气体和三氟甲磺酸系列产品，并实现规模化生产，填补了国内空白，打破国外企业对三氟化氮、六氟化钨的价格控制，增强了下游产品在国际市场上的竞争力，为国内半导体和液晶面板行业的发展作出了突出贡献。
截止目前三氟化氮、六氟化钨产能近期将分别达9000吨/年、1300吨/年，两个产品生产规模均位居国内第一，世界前三，基本进入了国内所有的半导体、液晶面板及太阳能行业的厂家及全球知名的半导体厂家，例如台积电、格罗方德、海力士、因特尔、东芝、三星、中芯国际、群创光电、京东方、中电熊猫、华星光电等国际国内知名大型半导体厂及液晶面板厂均在使用。现在中船七一八所把握时机，持续做好技术创新，加快产能建设，将在2020年把三氟化氮和六氟化钨产能扩大至16000吨/年、2000吨/年，并致力打造成为世界第一的电子特种气体材料生产服务商。
另外，中船七一八所自2013年国家科技部批准02专项“高纯电子气体研发与产业化”项目立项后，又开始从事SiF4、C2F6、C3F8、C4F8、HF、HCl、COF2等七种电子气体及十种混合气体的研发和产业化工作。目前，上述气体的研制工作已顺利完成，大部分已通过国内知名半导体企业的测试，并积极实现量产。
总之，中国电子气体产业目前仍处于发展的初级阶段，总体产业规模较小，个别企业实力不足，而此时中国半导体产业从之前的千亿扶持计划，到中国制造2025，恰逢新兴增长点的孕育崛起期，因此中国电子气体产业面临着前所未有的发展机遇。希望各电子气体企业加快前瞻布局，加强技术创新，加速应用推广，积极发展壮大;也希望各主管部门、投资单位、半导体企业都能够高度重视，为完善我国集成电路材料和零部件产业链和半导体发展做出新的更大贡献。
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气体工厂探秘：半导体制造气体供应原来是这样实现的！
icbank
2018-11-01
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现代社会里，气体是不可或缺的一个重要组成部分。在衣食住行的各个环节，几乎都离不开气体。以芯片制造厂为例，他们在生产芯片的薄膜、刻蚀、掺杂、气相沉积和扩散过程中，就少不了电子气体。不同领域对气体的要求不一样，给供应商提出了极高的技术要求。在发展多年之后，全球的气体供应以四大供应商主导，分别是林德集团、法国液化空气集团、普莱克斯和空气产品公司。
2017年全球四大气体巨头营业利润及营业利润率对比（单位：亿欧元）
气体如此重要，甚至连它们的提取、储存、运输和转充都给人带来了极大的神秘感。为了对这个产业有更多的了解，半导体行业观察记者近日走访了林德集团在中国的几家工厂，为大家揭开其神秘的面纱。
空气分离装置是根本
行内的人都知道，林德集团创始人卡尔林德的一大贡献就是发明了空气液化分离。
公开资料显示，1895年，德国人卡尔·林德研究成功了一次节流循环液化空气的方法，这是最简单的深度冷冻循环。它采用节流膨胀和逆流换热，称为林德循环。1902年，德国林德公司制成了第一套林德循环单级精馏工业装置，自此开始了林德集团在气体领域的伟大征程。
据林德电子市场开发负责人Paul Stockman博士介绍，林德在过去的一百多年里通过其旗下的林德工程向全球80个国家和地区提供了3000套装置，而公司旗下的林德气体拥有和运营400套。通过这些装置，能够为全球的客户提供氧气和氮气等气体供应，满足他们的需求。设计和建造空气分离装置是林德传统业务的一部分，一切都得益于他们在空气分离技术方面的积累。联华工业气体(苏州)有限公司工厂经理李慧岗也表示，自1902年制造第一套制氮机以来，空气液化分离一直林德的专长。
林德的空气分离原理
从他的介绍中我们得知，林德的空气分离工艺流程分为五个部分，分别是Air Compression（空气压缩）、Air Purification（空气净化系统）、Cooling and Re-warming（冷却和再加热）、Separation by distillation（蒸馏分离）和后备系统。
具体操作是首先在Air Compression环节将空气压缩到一定压力等级并冷却到环境温度；然后在第二步（Air Purification）通过预纯化装置（PPU）带催化剂，去除空气中的杂质，把空气中的水分清除掉；到了Cooling and Re-warming（冷却和再加热），则通过热交换器对压缩空气进行冷却，把正常的空气温度冷却（通常会达到-174到-175℃左右），这时候空气就接近于液化温度；Separation by distillation（蒸馏分离）则是林德比较优势的一个工艺，经过这一步，空气就能进入精馏塔底部，经过深度冷却分离，从顶部抽取高纯氮气。同时可以经过工艺调整，在冷箱上附设氧气精馏塔，用以生产高纯度氧气；
“通常，从这个氮气装置里面生产出来的产品会达到20个PPB以下，再经过纯化系统可以达到1个PPB以下满足客户的需求”，李慧岗强调。
最后，林德还提供一个后备系统，将富余产品经过液化后存储在储罐中备用。它的主要作用就是说在装置遇到紧急情况的时候，这个后备系统的富余气体能补充到整个管网里面，确保整个管网的平稳运行。
通过空气分离装置、氦气与合成气体装置、天然液化气装置与石化装置，林德集团在国内获得了客户的高度认可。他们生产的各种气体也能通过多样化的传送方式为客户提供高品质的服务。
灵活的供气方式是核心竞争力
作为一个以气体著称的公司，林德能够为工业、医疗和军事等各个产业提供工业气体、医用气体、电子气体还有特种气体等多种气体。例如联华工业气体(苏州)有限公司就能为客户提供包括氧气、氮气、氩气、氦气和还有CDA（压缩空气）在内的大宗气体。
基于这些不同方式产生、不同使用需求的气体，林德能够为客户提供多样化的便利服务。
例如，联华工业气体(苏州)在几万平方米的工业园区里埋下了供气管道，借助其大宗气体、特需供应、气体管路分配、气体纯化、CQC和GMS六大系统，为园区内包括三星、博世、AMD、英飞凌等厂商提供不间断的供气服务。这种模式有点像城市的液化气系统，客户如需要，联华林德会为其装配一些分支管。最值得一提的是，这些系统是通过远程控制、监控的模式，提高管理质量。
“我们可以通过设置在苏州和上海的远程控制系统对这些供气进行集中管理，大大节省了人力物力”，李慧岗表示。在参观过程中，我们看到林德国内工厂的转充或者加工操作是在一个负压的房间内完成的，而所有的员工也都是装备齐全，这样不但保证了员工的安全，也避免了气体泄漏的风险。
林德集团发布的2018年上半年财务报告显示，公司今年上半年的营业收入为86.40亿欧元，同比增长4.7％；营业利润为22.10亿欧元，也比去年同期增长了3.5％。其中气体业务创造的收入为71.82亿欧元，营业利润为21.84亿欧元。在国内近来兴起的晶圆厂建设大潮中，林德集团也加快了在国内的布局，为中芯国际等厂商提供更多的支持。
正如林德集团首席执行官Aldo Belloni博士在今年年中财报披露会上所说：“林德正走在正确的轨道上。我们看到了令人鼓舞的收入增长，并且能够再次实现集团利润的显著增长。因此，我们正在努力确保我们引入的效率改进措施得到成功实施，并继续优化我们的产品组合。”
文/半导体行业观察 李寿鹏
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