电子特种气体重要性提升 国内企业正尝试填补缺口

2022-08-30

 随着新兴产业的发展,气体又被广泛应用于集成电路、显示面板、光伏、光纤光缆等行业的生产过程中,这类气体被成为“电子特种气体”。近段时间,在俄乌冲突持续的背景下,特种气体受到市场的广泛关注。

  作者:李靖恒

  近段时间,在俄乌冲突持续的背景下,特种气体受到市场的广泛关注。

  根据央视报道,俄罗斯工业和贸易部在6月2日表示,俄罗斯在2022年年底前将限制氖气等惰性气体的出口。惰性气体又称稀有气体,包括氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气,可以应用于半导体制造等行业。例如,在芯片的光刻工艺中,稀有气体的混合物在高压受激发后,会产生固定波长的光线,用于晶圆的光刻。

  国内生产惰性气体的公司包括华特气体(88.760, 7.68, 9.47%)(688268.SH)、金宏气体(22.830, 0.13, 0.57%)(688106.SH)、凯美特气(19.430, 0.09, 0.47%)(002549.SZ)等。金宏气体董事会秘书办人士近日告诉经济观察网记者,芯片的制造过程要经过一些气态相关的工艺,总共需要几十种、甚至上百种的各类气体,其中就包括稀有气体。目前,稀有气体的行情比较好,价格也一直上涨。该公司正重点布局氦气,预计未来两年内产能会翻倍。

  6月5日,浙商证券(10.830, -0.10, -0.91%)分析师王华君和张杨表示在研报中表示,俄罗斯占全球惰性气体供应量约30%,俄罗斯的出口限制可能会加剧全球芯片市场的供应紧张。此外,乌克兰也曾是世界上**的惰性气体供应国之一,全球约45%至54%的半导体级氖气产自乌克兰在马里乌波尔和敖德萨的惰性气体工厂。俄乌战争后,两家工厂都关闭了业务,意味着全球的氖气产能突然失去了一半,引发全球氖气、氙气等价格一度跳涨。

  截止6月14日,根据卓创资讯的数据,氖气的市场价格区间为每立方米1.25万元-1.6万元,年初的价格区间为每立方米1700元-2000元;氪气价格区间为每立方米4.9万元-5.2万元,年初的价格区间为2万元-2.2万元;氙气的价格区间为每立方米49万元-52万元,年初的价格区间为23万-26万元。

  事实上,气体的在工业中的应用非常广泛。比如,根据华特气体年报介绍,普通工业气体产品主要为氧气、氮气、氩气等。其中,氧气主要用作金属冶炼等行业的助燃剂、化肥等化工工业的氧化剂;氮气主要用作化工、机械制造、家电等行业的保护气、金属冶炼等行业的炉温退火;氩气主要用作电弧焊接的保护气、填充光电管等。

  随着新兴产业的发展,气体又被广泛应用于集成电路、显示面板、光伏、光纤光缆等行业的生产过程中,这类气体被成为“电子特种气体”。凯美特气在年报中称,电子特种气体是半导体产业的“血液”。

  特种气体重要性正在提升

  金宏气体人士告诉记者,该公司所生产的气体大致可以分为大宗气体和特种气体。相对大宗气体,芯片生产过程中所需的特种气体的量不是特别多,但是种类非常多。实际上,在芯片的整个生产过程中,很多的工艺环节都需要气体,总共需要几十种、甚至上百种各类气体。

  金宏气体生产的大宗气体包括氮气、氢气、氧气等,特种气体包括超纯氨、高纯氧化亚氮、八氟环丁烷、正硅酸乙酯、高纯二氧化碳等。事实上,特种气体和电子级的大宗气体都是半导体行业不可或缺的原材料。

  华特气体亦在年报中介绍,工业气体根据其用量大小可以分为大宗气体和特种气体两类,其中大宗气体又可分为空分气体(从空气中分离出的气体,包括氧气、氮气等)和合成气体(氢气、一氧化碳、乙炔等),特种气体根据用途不同可分为电子特种气体、医疗保健用气体、食品饮料用气体、航天用气体等。

  其中,电子特种气体(简称“电子特气”)是指用于半导体、显示面板、光伏、LED及其它电子产品生产过程的特种气体。根据深圳市亿渡数据科技有限公司发布的《2021年中国特种气体行业短报告》,2021年中国的特种气体市场规模预计达342亿元,其中电子特气预计达216亿元,电子特气占特种气体接近6成。

  “电子特气深度参与芯片、显示面板、光伏、LED等核心制程,往往具有‘牵一发而动全身’的效应。”华特气体称。

  金宏气体人士对记者表示,芯片不同的制程和工艺,相应的气体用量、品种都会有所不同。这段时间大家所关注的惰性气体也叫稀有气体,也被应用于芯片制造环节。

  华特气体在年报中介绍,在芯片产品的清洗、刻蚀工艺中,需要用到氟碳类产品,包括高纯四氟化碳、高纯六氟乙烷、八氟丙烷、高纯二氧化碳等;在光刻工艺中,需要用到光刻稀混气体(稀有气体的混合气),包括氪氖混合气、氟氖混合气等。此外,在芯片的外延、沉积、离子注入等工艺过程都需要使用不同种类的电子特气。

  据华特气体统计,半导体晶圆制造在电子特气应用中占比约70%,其次是面板显示市场占比约20%,剩下的部分包括光纤通信、太阳能(8.380, -0.19, -2.22%)电池等领域。

  华特气体表示,随着全球晶圆厂的加速扩建以及产能的逐步释放,下游市场对电子特气的需求广阔,电子特气的市场空间持续扩大。而且,下游产业的迅速发展不仅在规模上增加了特种气体的需求,产业创新、技术迭代带来新工艺、新产品等,也进一步拓宽了特种气体的应用领域,不断产生新的特种气体产品需求。

  金宏气体人士告诉记者,该公司的稀有气体占营收比例正在上升。因为行情比较好,目前金宏气体正在重点布局氦气。在明后年的规划上,氦气的产量会有翻倍以上的增长。氦气往往从天然气中提取,该公司从海外采购一手的氦气生产资源。

  根据金宏气体年报,该公司2021年大宗气体产量为24.34万吨,同比下降13.21%;特种气体产量为7.24万吨,同比上升29.78万吨。其中,大宗气体毛利率为27.21%,特种气体毛利率为35.46%。

  金宏气体表示,根据业界经验数据,工业气体行业增速是全球GDP增速的2到2.5倍。传统上,大型钢铁冶炼、化工企业往往自行建造空气分离装置,以满足自身气体需求。随着专业化分工合作的快速发展,外包气体供应商可以满足客户对气体种类、纯度和压力等不同需求,为其提供综合气体解决方案,有利于减少客户在设备、技术、研发上的巨额投入。2019年中国工业气体外包率约为55%,到2020年为57%,相比发达国家80%的外包率仍有较大差距。

  纯度要求趋近** 国产替代进行中

  金宏气体人士向记者介绍,芯片制造通常对气体纯度要求都比较高。该公司生产的电子气体,很多产品都达到了9N纯度。这个N代表的是纯度中9的数量,比如5N代表99.999%纯度。不同的产品需要的纯度不同,超纯氨能达到7N,高纯氧化亚氮是5N(也被称为“笑气”)。

  金宏气体也在年报中表示,半导体行业对于气源及其供应系统有着苛刻的要求,电子气体的深度提纯难度大,而纯度是气体质量最重要的指标。在芯片加工过程中,微小的气体纯净度差异将导致整个产品性能的降低甚至报废。

  据金宏气体介绍,电子气体纯度往往要求5N以上级别。此外,还要将气体中的金属元素杂质含量净化到10的负9次方级别至10的负12次方级别。气体纯度每提高一个层次对纯化技术就提出了更高的要求,技术难度也将显著上升。

  华特气体也在年报中表示,气体纯度是特种气体产品的核心参数,要求超纯、超净。其中,超纯要求气体纯度达到4.5N、5N甚至6N、7N,超净要求严格控制粒子与金属杂质的含量,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。

  随着气体纯度的提升,检测微量杂质的单位也越来越小。金宏气体人士向记者表示,衡量微量气体的浓度单位可以用ppm、ppb、ppt等单位表示,其中,ppm代表10的负6次方级别,ppb代表10的负9次方级别,ppt代表10的负12次方级别。

  据金宏气体年报介绍,随着新兴行业对工业气体纯度要求的日益提升,对气体中杂质含量的检测分析技术也更为严格,从早期的常量级逐渐发展到目前的ppm级、ppb级甚至达到ppt级。

  华特气体亦表示,在配制混合气的过程中,随着产品组分的增加、配制精度的上升,常常要求气体供应商能够对多种ppm乃至ppb级浓度的气体组进行精细操作,其配制过程的难度与复杂程度也显著增大。

  华特气体进一步表示,集成电路领域技术快速更迭,晶圆尺寸从6寸、8寸发展到12寸,制程技术从28nm、14nm、7nm到5nm。作为集成电路行业的关键性材料,特种气体的精细化程度也持续提高,对特种气体生产企业在气体纯度、混配精度等方面的技术要求都将持续提高。

  然而,凯美特气在年报中介绍,目前国内电子特气市场,特别是高端电子特气的国内自给率非常低,中国电子特种气体有80%以上依赖进口。

  “2022年2月俄乌冲突给稀有气体供应带来重大不确定性,一时间供应紧张,价格飙涨,给供应安全带来负面冲击,未来如何进一步实现特种气体国产化,保障国内高端制造业发展是公司面临的一个新形势。”华特气体称。

  不过,国内的特种气体生产企业也在逐渐填补缺口。据华特气体介绍,该公司逐步实现了高纯六氟乙烷、高纯三氟甲烷、光刻气等近20多个产品的进口替代。而且,华特气体研发生产的4种光刻混合气分别在2017年和2021年获得了光刻机制造厂商阿斯麦公司(ASML)和日本GIGAPHOTONR公司的认证,成为了国内**一家获得两家光刻机厂商认证的气体公司。

  目前,华特气体部分产品已批量供应14nm、7nm等产线,部分氟碳类产品已进入到5nm的工艺使用。“客观上国内的特种气体开始逐步具备替代进口的能力,未来国产替代进口的市场需求广阔。”华特气体称。


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