特種氣體和半導體：挑戰(zhàn)、機遇和未來

特種氣體通常被認為是電子行業(yè)的命脈和半導體制造的心臟。全球特種氣體市場用于半導體芯片制造過程中的四個關(guān)鍵應(yīng)用，與我們當今使用的技術(shù)的可用性和潛力直接相關(guān)。

Linx Consulting 執(zhí)行合伙人 Mike Corbett在今天（7 月 7 日）舉行的“2023 年特種氣體”網(wǎng)絡(luò)研討會上向天然氣界發(fā)表了講話，討論了與該行業(yè)相關(guān)的挑戰(zhàn)、機遇和未來增長。

Corbett 透露，2022 年市場價值約為 53 億美元，并解釋說特種氣體市場目前正在經(jīng)歷低迷。

“今年是有點下滑的一年，但特種電子氣體的大部分需求來自半導體行業(yè)，因此四分之三以上的需求來自硅半導體行業(yè)，并且在過去五年中一直在增加到十年。”

大約 80% 的電子特種氣體總體需求來自半導體。

大多數(shù)需求實際上是由幾個因素驅(qū)動的。其中之一是垂直擴展的概念，其中設(shè)備的層數(shù)不斷增加，但設(shè)備的復(fù)雜性也與此有很大關(guān)系。”

Corbett 補充道，20 年前，制造半導體器件或處理器晶圓需要幾百個步驟，而現(xiàn)在這個數(shù)字可能超過一千個。

“因此，技術(shù)復(fù)雜性正在增加，現(xiàn)在正導致電子特種氣體更多地集中到半導體行業(yè)。”

市場概況

市場通常根據(jù)不同的氣體組和功能進行細分，但通常大多數(shù)氣體將用于半導體行業(yè)的真空工藝，包括蝕刻處理、沉積、注入、外延生長層、熱處理以及一些光刻應(yīng)用。

“當我們研究氣體時，我們將其分為特定組，其中一種是 HFC（氫氟碳化物）類型氣體，主要用于蝕刻應(yīng)用，然后我們看到許多用于沉積類型的硅基氣體應(yīng)用程序，”科貝特解釋道。

還有用于改變半導體器件性能的摻雜氣體、用于沉積碳基薄膜的碳氫化合物和也用于許多沉積工藝的氮基氣體。

半導體行業(yè)也是全球氙、氪和氖等稀有氣體的最大消費者，預(yù)計這一趨勢將持續(xù)下去。

就主導產(chǎn)品而言，迄今為止最大的氣體是NF3，它用于半導體行業(yè)和平板顯示行業(yè)的腔室清潔。

在供應(yīng)方面，大型工業(yè)氣體公司往往在市場上占據(jù)強勢地位。由于稀有氣體的強勁增長，主要參與者林德和液化空氣集團的地位不斷提高，而大洋日酸和 Matheson 也繼續(xù)鞏固其作為領(lǐng)先供應(yīng)商的聲譽。

“市場上還有默克 (Merck) 和 EMD Electronics 等一些規(guī)格氣體公司，韓國的 SK Materials 一直在建立廣泛的產(chǎn)品組合，而在日本，KDK 也有著強大的影響力。”

“我們開始看到一些來自中國市場的新興參與者，因為其中許多公司已經(jīng)建立業(yè)務(wù)來服務(wù)當?shù)厥袌?，但越來越多地跨入硅半導體領(lǐng)域。”

市場低迷和潛在復(fù)蘇

盡管特種氣體行業(yè)潛力巨大，但半導體領(lǐng)域在 2023 年迄今為止經(jīng)歷了“低迷的一年”。為了確定市場地位，Linx 跟蹤了一個稱為 MSI（百萬平方英寸硅工藝）的關(guān)鍵指標。

“今年我們將看到整體硅工藝下降約 10% 以上，”Corbett 說道。“這導致 2023 年規(guī)格天然氣市場下滑，我們可能要到 2025 年初才能真正看到恢復(fù)到 2022 年的水平。”

然而，該公司仍然看到硅半導體領(lǐng)域是行業(yè)中增長最快的領(lǐng)域，而且就個別產(chǎn)品而言，許多需求都圍繞著 HFC 類型的蝕刻氣體。

“我們相信一些稀有氣體將繼續(xù)增長，許多沉積氣體也將繼續(xù)增長。”

大約六七年前發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變，當時非易失性存儲器領(lǐng)域從 2D 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向 3D 結(jié)構(gòu)，這推動了對大量氣體的需求。

未來的挑戰(zhàn)

盡管全球化一直是半導體行業(yè)的關(guān)鍵驅(qū)動力，但它也引發(fā)了與多個地區(qū)同時投資相關(guān)的問題，這意味著供應(yīng)商將面臨在何處投入新產(chǎn)能的挑戰(zhàn)。

“天然氣產(chǎn)能方面的許多新投資已經(jīng)在亞洲進行，現(xiàn)在他們的供應(yīng)商將不得不投資于他們在過去幾十年中可能只進行增量投資的地區(qū)，例如北美。”

科貝特提到了默克公司在賓夕法尼亞州注資 3 億美元的投資，并補充說，隨著北美等地區(qū)的天然氣需求翻倍，他預(yù)計將看到更多投資。

該行業(yè)面臨的另一個挑戰(zhàn)是可持續(xù)性和有針對性地減少溫室氣體 (GHG)。

HFC 和 FC 等蝕刻氣體在整個行業(yè)和多個技術(shù)代中廣泛使用。由于氫氟碳化合物在大氣中的壽命很長，因此被認為是有效的溫室氣體，因為它們吸收紅外輻射。

最常用的五種 HFC 的溫室氣體效應(yīng)比二氧化碳強 150 至 5,000 倍。

“要替代大量這些氣體并通過限制其使用來實現(xiàn)更好的環(huán)境控制將非常困難。因此，可持續(xù)性主要集中在氟化氣體上。”Corbett 解釋道。

另一個關(guān)鍵問題圍繞著日益全球化的市場中的供應(yīng)鏈。從2023年8月1日起，鎵、鍺（制造半導體芯片的兩種關(guān)鍵元素）和某些相關(guān)化合物的中國出口商在出口這些材料之前，必須獲得商務(wù)部的出口許可證。

此舉是為了回應(yīng)西方對制造半導體器件至關(guān)重要的設(shè)備的限制。2022年的《美國芯片和科學法案》限制了對中國的高端微芯片和技術(shù)出口，這可能會影響北京在國防等領(lǐng)域的高性能計算能力。

這些新的限制可能會使西方公司生產(chǎn)電子設(shè)備變得更加昂貴和困難，進而導致消費者的價格上漲。

此舉還可能迫使西方制造商通過從中國愿意出口的國家獲得含有這些元素的組件來實現(xiàn)供應(yīng)鏈的多樣化，從而導致成本和復(fù)雜性進一步增加。

科貝特認為，除了俄羅斯的氦氣供應(yīng)問題外，供應(yīng)鏈的不穩(wěn)定將是該行業(yè)未來必須解決的問題。

“這些是我們今天看到的該行業(yè)面臨的一些最大挑戰(zhàn)，因為它在垂直縮放和3D設(shè)備方面繼續(xù)增長，并繼續(xù)消耗更多的電子氣體。”