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2020年电子特种气体行业研究报告.pdf
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2020 年电子特种气体行业研究报告
1、电子工业的“血液”——电子特气
工业中,常温常压下呈气态的产品被人们统称为工业
气体产品。根据制备方式和应用领域的不同,工业气体可
分为大宗气体和特种气体。大宗气体主要包括氧、氮、氩
等空分气体,及乙炔、二氧化碳等合成气体,特种气体主
要包括电子气体、高纯气体和标准气体。大宗气体产销量
大,但是对纯度要求不高。特种气体产销量虽小,但根据
不同的用途,对不同特种气体的纯度或组成、有害杂质允
许的最高含量、产品的包装贮运等,都有极其严格的要求,
属于高技术、高附加值产品。
在半导体的生产中,大宗气体和电子特气都有应用。
大宗气体主要包括空分气体中的氧气、氮气,品种少、用
量大,对纯度要求不高( 99.99% 左右甚至是普通纯度),
可用于助燃、防氧化等,供应方式以现场制气、集中供应
为主。电子特气主要包括氢化物、氟化物、氟代烷烃、金
属有机化合物等等,是超大规模集成电路、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不
可缺少的基础性支撑原材料,被广泛应用于薄膜、刻蚀、
掺杂、气相沉积、扩散等工艺,供应方式以零售分散供应
为主。
随着半导体和微电子工业的迅猛发展, 业界对电子特
气的品种、数量、质量及纯度都提出了更高的要求。 一般
而言,对电子特气的纯度要求达到了 4.5N 、5N 甚至
6N、8N(N 指纯度百分比中 9 的个数,小数点后的 5
表示最后一位不满 9 的小数,4.5N 表示 99.995% ,8N
表 示 99.999999% ) , 同 时 还 要 求 将 金 属 元 素 净化 到
10-9 级至 10-12 级。纯度每提升一个 N,以及粒子、
金属杂质含量浓度每降低一个数量级, 都将带来工艺复杂
度和难度的显著提升。 一旦电子特气的纯度或是净度不达
标,轻则使得产品质量不过关, 重则扩散污染整条产品线,
甚至报废,造成巨额损失。 电子特气在半导体工业中起到
举足轻重的作用,被称为电子工业的“血液”。
1.1. 品种庞杂、功能多样,不可或缺的关键材料
电子特气下游的主要应用包括半导体、显示面板、光
伏和 LED。全球范围内来看,半导体行业对电子特气的
需求占到总量的 71%,显示面板需求占到 18%。与其余
地区相比,我国的晶圆代工产业的发展稍显滞后,而以京
东方为代表的显示面板企业则已经初具规模。因此,与全
球范围相比,我国电子特气的下游应用比例有所差别,其
中半导体行业对电子特气需求占到国内总需求的 42%,
显示面板需求占到 37%。
在半导体工业中,常用的特种气体有 100 多种,其
中在集成电路制造中的硅片制造、 氧化、光刻、气相沉积、
蚀刻、离子注入等核心工艺环节中,需要的特种气体种类
超过 50 种。目前电子特气并没有形成国际通行的分类体
系,通常根据气体的用途对其进行区分,比如外延晶体生
长气、热氧化气、外延气、掺杂气、扩散气、化学气相沉
积气、喷射气、离子注人气、等离子蚀刻气、载气 /吹洗
气、光刻气、退火气、焊接气、烧结气和平衡气(有的气
体有多种用途)等。
尽管半导体生产中要用的特种气体品种繁多, 但单种
气体的用量并不是太大。 根据统计,一个月产量 5 万片
的 8 英寸晶圆厂一年要用的电子特气数量有 56 种,金
额约为 5000 万元。具体到个别品种,以下表中用量最
大的三氟化氮气体为例,一年用量为 628 瓶,常用的规
格一瓶为 50Kg,一年大约消耗 31.4 吨,按某上市公司
出厂价 15 万元/吨左右计,折合金额 471 万元。
也正是由于电子特气多品种、 小批量、高频次的特点,
使得下游半导体产业的客户希望气体供应商能够覆盖更
多类别的产品,并且提供包装容器处理、检测、维修及供
气系统的设计、安装等专业化的配套服务,从而满足其一
站式的用气需求,这对气体公司的综合服务能力提出了较
高的要求。因此,为了满足客户的需求,气体公司不仅需
要内生性地提升产能和产品质量, 还需要通过不断地研发
新品种的特气,或者通过外延并购其余气体公司拓展产品
线。
1.2. 气体工业百年,垄断格局已成
工业气体行业起源于 1886 年的英国,Brins 兄弟建
立了 BOC(英国氧气公司),起初气体行业的主要产品
包括氧气、氢气、一氧化碳、氮气等等重要的大宗工业原
料,对纯度要求并不高。
20 世纪 60 年代,随着电子工业等高新技术的发
展,出现了电子气体及其它特殊用途的高纯气和混合气,
统称为特种气体。由于特种气体是当时的新兴行业, 涉
及的气体品种繁多,应用范围又很广,各国对特种气体没
有形成统一的定义和分类。
到 20 世纪 80 年代,经过十多年的发展,全球各
主要气体公司都相继成立了特种气体部, 或设立专门生产
和供应各种高纯气体及混合气体的类似机构, 高纯气体的
种类扩展到 130 多种,半导体产业中, 高纯氨、氯化氢、
二氧化碳、硅烷、乙硼烷、硒烷、磷烷、砷烷等气体得到
广泛的应用。到 80 年代末,高纯气体的种类膨胀到 260
多种。这一时代业界对气体的纯度要求达到 4.5-5N 。彼
时,我国的电子气体工业发展还不完善,研究多是对国外
技术的跟踪与翻译, 特种气体品种和纯度上大约落后于国
外先进技术 10 年左右。国家通过“六五”、 “七五”计
划针对高纯烷类气体、蚀刻气、三氟化氮等特种气体展开
技术攻关,实现部分品种的初步自主供应。
20 世纪 90 年代,业界对气体的纯度要求进一步提
高到 6N 甚至 8N,国外的大型气体公司逐步建立了具
有自己特色的、分工明确和门类齐全的气体控制体系。尽
管我国的气体工业也有了长足的发展,但在气体纯度、混
配、贮运、分析、净化和应用上,与国外仍然有着 10 年
左右的技术代差。据统计,截止到 1997 年,已经有 7 家
国外大型气体公司在我国近三十个城市建厂。 国内以光明
院(上市公司昊华科技的前身)、南京大学(孵化上市公
司南大光电)为代表的研究机构实现了一些电子气体品种
的突破。
21 世纪,跨国气体公司通过大量整合兼并,最终组
成了以美国空气集团、法国液化空气、德国林德、日本大
阳日酸为首的几家巨头气体公司,垄断格局形成。我国通
过“十五”、“ 863”等多个渠道对气体行业提供资金支
持,也因为上游半导体产业的高速发展,国产电子气体的
研究及产业化生产开始加速, 我国成功结束了国产电子气
体无法大规模批量稳定使用的历史,以高纯氨、氯化氢、
四氟化碳等为代表的国产电子气体,在 8 英寸晶圆、太
阳能电池、 LED 领域有不俗的表现。我国基本建成品种
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