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如何顺好工业气体这口“气”
任其龙，中国工程院院士，浙江大学教授。长期从事化工分离领域的应用基础研究和工程实践，针对现代工业对高纯化学品的重大需求，创建了分子辨识分离工程平台技术，在工业气体分离、精细化学品分离等领域取得了重大突破，解决了组分极复杂、分子极相似混合物的分离难题，建成了十余条高纯化学品先进制造生产线，引领了我国化工分离领域的高质量发展。
提到气体，大多数人会首先想到空气、氧气等，它们来得容易又便宜。但是，有些气体却价值连城，我们每年甚至要花费巨额资金去国外购买，这就是工业气体，包括氪气、氩气。它们是现代工业不可或缺的基础原料，广泛应用于钢铁、冶金、石油、化工、电子、医疗等重要行业，发挥着强有力的战略支撑作用，乃至被称为“工业的血液”。我国的工业气体长期依赖德国、美国和法国，生产集成电路所需的特种气体中，国产率只有20%。面对我国工业血液的“贫血”问题，我们该如何走出困境？
“工业的血液”
工业气体是指在工业生产中所使用的气体，可以作为生产原料、燃料、保护气、输送气、驱动气、换热介质等。在高精尖领域中，氧气和氢气可作为火箭的燃料，氦气是医院核磁共振仪的超导体冷却剂，氖气是芯片光刻机光源的工作气体。工业气体的种类非常丰富，多达数百种，可分为大宗气体、特种气体两大类。大宗气体是指用量大、使用范围广的气体，比如从空气中分离得到的氧气、氮气、氩气以及化学合成的氨气、乙烯、丙烯、乙炔；特种气体是指被应用在特定领域对纯度、品质、性能有特殊要求的气体，比如芯片制造过程中用到的各种高纯气体，以及在国防、医疗、食品等领域用到的特殊气体。可见，工业气体渗透到工业生产的各个环节，发挥了不可替代的作用，因此被称为“工业的血液”。工业气体究竟有多重要？以半导体行业为例，芯片的制造会用到光刻机，光刻是用特定波长的激光让光刻胶发生化学反应，通过曝光和显影将设计在掩膜版上的图形转移到硅片上的过程。特定的波长是在常用的深紫外DUV光刻机中通过准分子激光器产生的，这种激光器内充填了97%的氖气。
全球70%的氖气由乌克兰供应，但乌克兰危机导致氖气停产，供应短缺，价格暴涨。氖气虽然存在于空气中，但只占0.0018%，它的制取离不开空气分离技术。
大型空气分离装置举足轻重
空气分离简称“空分”，是利用化工分离技术将空气中的各个成分分离开来获得各种气体产品。空分技术最初的目的并不是为了得到氖气，而是为了生产工业中大量使用的氧气和氮气。1903年，德国林德设计制成世界上第一台工业用的10立方米/小时制氧机，至今已过百年。长期以来世界空分市场被德、法、美等国的四大气体公司垄断。
空分的原理并不复杂，难点在于空气分离的设备，尤其是大型、特大型的空分设备。大型空分装置的制造能力是衡量一个国家空分技术水平的重要标志。我国的空分产业是从20世纪50年代起步的，经过摸索、合作、自主研发等阶段，直到2000年前后，得益于钢铁、煤化工等产业的快速发展，我国大型、特大型空分成套技术与装备才有了质的飞跃。
长期以来，大型的空分设备基本上都由国外公司垄断。近年来，得益于煤化工的快速发展，我国空分设备迎来了转机。我国研制的十万等级（100000立方米/小时）空分装置，就是我国重大技术装备国产化里程碑式的一个成就。国内生产的空分设备不仅产氧质量好，而且能耗低、生产成本低、性能优，特别是长周期稳定运行远远超过了国外，成为我们的“大国重器”。大型空分技术的进步也为我国氖气的自主生产创造了条件，其他几种稀有气体也被附带提取了出来，包括贵如黄金的氪气、氙气等。目前我国占全球氖气市场份额的40%，超过了乌克兰，有力保障了我国相关产业的健康发展。
半导体生产要用到上百种气体
工业气体中的电子特气，包括氙气、氪气、含氟气体等，是集成电路制造、半导体显示、半导体器件制造过程中必不可少的关键材料。生产一枚芯片，需要100多种电子特气，而我国仅能生产约20%的品种，其余品种均依赖进口，有的品种1千克售价高达几万元人民币。芯片的生产过程非常复杂，从生产多晶硅开始，到抛光、外延、扩散、成膜、沉积、刻蚀、掺杂、电镀、清洗、分装等环节，几乎都离不开电子特气的参与，电子特气是芯片制造中的第二大耗材。
按照所处的工序，电子特气可以分为外延气、沉积气、刻蚀气、掺杂气等，每一类都包含很多品种。沉积气是以硅烷等含硅气体为主，硅烷分解后可以在晶圆表面形成需要的薄膜；刻蚀气常用的是四氟化碳、八氟环丁烷等含氟的气体，它的作用是对经过光刻的硅片进行雕刻得到特定结构的沟槽；掺杂气是含有砷、硼、磷等元素的气体，用于向硅片中掺入一些元素形成半导体的器件。气体是怎么在刻蚀环节中起作用的？目前主流的刻蚀方法是干法刻蚀，它包括化学刻蚀和物理刻蚀，其中的化学刻蚀用到的是含氟气体，基本原理是利用等离子体发生装置把含氟气体电离成氟的自由基，由氟的自由基与硅结合起来生成气态的四氟化硅，而四氟化硅容易被抽走不会残留，这样就可以在硅片上雕刻出一道道特定结构的沟槽。
电子特气生产技术门槛极高
电子特气的“特”，就特在纯净度要求非常高，纯度指的是主成分的含量越高越好，洁净度指的是杂质的残留量越低越好。对于90纳米制程纯度要求在5到6个N，这里N指的是纯度百分比中9的个数。同时杂质要求小于10的负9次方，也就是十亿分之一。28纳米甚至7纳米、5纳米制程对电子特气的纯度要求就更高了，金属元素要净化到万亿分之一，相当于20个标准游泳池的水里杂质的量不能超过一滴水的量。为什么要如此苛刻的纯度呢？这是因为极微量的杂质都有可能导致产品出现重大缺陷，比如水分、氧气等杂质会导致氧化金属和颗粒物，会导致短路以及线路的损坏。从28纳米到7纳米，产品的金属杂质必须下降100倍，污染粒子的体积必须缩小到4倍以下。随着工艺制程发展到10纳米以下，生产过程对于杂质过滤、洁净度的要求也会越来越严格。