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俄罗斯对西方断供“氖气”,没有它造不了芯片,中国才是老大

时间:2022-07-14 11:32来源:购彩中心 点击:

氖气和芯片制造有什么关系?俄罗斯为什么会宣布限制氖气出口,“断供氖气”对于全球半导体产业会带来哪些影响?我们中国的相关行业又能从中找到哪些机会呢?大家好 ,我是老羊,今天我们就来聊聊俄罗斯给西方芯片产业“断供氖气”这个话题。

先来说一下这一次俄罗斯给西方“断供氖气”的背景。

俄乌冲突后,西方几乎每天都在对俄罗斯发起各种制裁。先是减少了从俄罗斯进口石油和天然气,然后又要求欧美企业停止在俄罗斯的投资,并禁止向俄罗斯供应核心零部件,最近又要求芯片供应商暂停向俄罗斯供应芯片以及设备。但同时,俄罗斯却一直在向欧美出口芯片生产所需的一些原材料,其中就包括惰性气体。而现在俄罗斯却没法从欧美进口芯片,相当于自己白白给别人做了嫁衣,所以在这种情况下,俄罗斯宣布限制氖气等惰性气体出口也就在情理之中了。

那么俄罗斯为什么会将限制“氖气”等惰性气体出口作为反制裁的手段呢?

氖气是一种惰性气体,是1898年由两位英国科学家发现的。提到惰性气体,可能很多人都认为只是在实验室里面才会用到,但实际上在工业生产的过程当中,惰性气体也是一种重要的工业气体。而工业气体被喻为“工业的粮食”,根据用途不同,又被分为大宗气体和特种气体两类。

其中,电子特种气体是特种气体的一个重要分支,是大规模集成电路、 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的基础材料之一。电子特种气体一共有260多种单元气体,可配制成25000多种混合气体。在制造芯片的生产过程中,使用到的材料和化学品达到4000多种,虽然惰性气体总体占比很小,但氖气却是不可或缺的一种,所以氖气也有“电子气体稀土”之称。

那么氖气在芯片生产过程中是用来做什么的呢?

我们知道,芯片生产离不开光刻机,而光刻机一般都是使用“准分子激光”作为光源。比较常见的光源有193nm的氟化氩(ArF)准分子激光器和248nm的氟化氪(KrF)准分子激光器。

准分子激光器有一个充满混合气体的腔室,至于要混合什么气体,主要是取决于激光器的类型,但其中至少有一种是氖气,原因嘛我后面再说。以氟化氩激光器为例,它混合了氟气、氩气和氖气,但是你别以为它叫氟化氩激光器,氟气和氩气就占得多,实际上氖气占到了97%以上。

在电极的高能电脉冲作用下,氩原子和氟原子被电离,离子被暂时激发,合并在一起形成氟化氩。但是这种氟化氩分子十分不稳定,会在百万分之一秒内消失,因此它才被称为准分子。但氟化氩在分解离回氩原子和氟原子的过程中,它会释放出深紫外的光子,这个就是光刻机的光源。

不过细心的你一定发现问题了,整个过程好像没氖气什么事儿嘛,把它和其它两种气体混合只是为了充数吗?当然不是。

我们知道,氟气腐蚀性极强,能腐蚀绝大多数化学物质,同时,高能电脉冲也很容易把电极给短路了。要想让氟和氩的混合气体能顺利产生准分子,又不至于把电极短路,就必须加入足够量的缓冲气体。而这种缓冲气体必须要比氩气等稀有气体更稳定,而符合条件的只有氦气和氖气。

由于在缓冲性能上氖气优势更明显,所以现在绝大多数的准分子激光器都用氖气做缓冲气体。而且由于激光器每发光一次,都会产生一些污染物,因此准分子激光器中的气体也需要定期更换。现在的光刻机一般都安装了气体循环系统,加一次气体大概可连续使用几天时间,长年累月的工作,因此用量就十分可观了。看到这里,你就明白了,为什么氖气是芯片生产过程中不可或缺的一种材料的原因了吧。

那么在全球氖气产业链中俄罗斯又手握多少筹码呢?

先说答案,俄罗斯在全氖气供应链中占有非常重要的地位,否则俄罗斯也不会用“断氖”来反制西方制裁了。

氖气属于惰性气体,很难和其他元素化合,所以地球上“氖”这种元素非常少。目前工业生产氖的唯一途径,就是来自于空气。但是,空气中的氖也只有百万分之十八左右,另外氖气的沸点是-246°C,属于不凝气,一般的常规的提取方法,难以获得有用的氖气。

目前,唯一比较可行的方法是通过大型空气分离设备,进行除氢、冷凝、吸附,再快速地抽取馏分,进行提纯,最后压缩、液化、冲罐。但如果单独上这样一套装置来提纯氖气,显然成本上也不划算。

所以现在的氖气生产一般都是用钢铁厂的副产品来作原料。因为钢铁厂炼钢时要用大量氧气,所以一般成规模的钢厂都会自己建设空气分馏装置,除了能得到生产需要的氧气以外,还可以生产氮气、氩气、氖气、氦气等副产品,这些副产品对外销售可以收回一部分生产成本。

前苏联时期,一度把钢铁产业看作是美苏战略竞争的核心,所以当时苏联修建了大量的钢铁厂,直到80年代苏联的钢铁产量仍然傲视全球。苏联解体后,作为前苏联工业主要遗产的继承者,俄罗斯和乌克兰也继承了氖气生产的完整产业链。

正是因为这个原因,在相当长的一段时间里,芯片生产所使用的一些惰性气体都是由俄罗斯和乌克兰合作生产的。其中氖气占到全球市场份额近一半儿,另外氪气(Kr)、氙气(Xe)也分别占到了40%和30%的市场份额。那为什么说是俄乌合作生产呢?

原来在这条产业链中,俄罗斯实际上主要是属于原料提供商,做的是粗氖提取的工作。俄罗斯通过大量的大型空分机设备,提取一定纯度的粗氖,然后卖给乌克兰的两大制氖公司Ingas和Cryoin,再由他们进行进一步的提纯和分装,然后运输到全球。在这个产业链中,乌克兰的两家公司生产了全球大约50%的氖气。

但是乌克兰的两家制氖企业一家位于马里乌波尔,如今已经被俄罗斯控制,另一家位于敖德萨,但这两家公司早在3月中旬就已经停止了运营。在这种情况下,俄罗斯作为氖气原料供应国和氖气产品生产国的地位就更加重要,这也是俄罗斯此次选择用“断氖”的方式回应西方制裁的主要原因。

那么俄罗斯的“断氖”行动会给全球芯片产业带来哪些影响呢。

其实,自俄乌冲突爆发以后,芯片行业就弥漫着一种恐慌情绪,各大晶圆工厂开始囤积电子特气,氖气的价格也一路水涨船高,一度达到了1.8万元-2万元/立方米,比2020年底上涨了60倍,超出了很多人的预期。所以很多人都担心在俄罗斯限制惰性气体出口之后,会对芯片产业造成冲击。

而实际上,无论是俄罗斯还是乌克兰这两家公司供应的氖气,并不是全都能直接用于先进制程芯片生产的氖气。

电子特气核心指标是纯度,根据应用场景不同,分为普通气体、纯气体、高纯气体和超高纯气体四个标准,其中超纯气体要求纯度达到5N、6N甚至7N以上,这里的“N”代表的就是数字 “9”。5N就是99.999%,而6N则是99.9999%,因为气体纯度每提高一个数量级,都会极大地推动半导体器件品质的飞跃,而气体的纯度一旦出现问题,可能就会造成芯片的各种缺陷,甚至污染整个生产线。

目前用于大规模集成电路制造的氖气一般都要求5N以上的级别,在先进制程的制造工艺中,气体纯度更是要求在6N以上。但是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。

目前,有能力处理提纯和混制光刻级别氖气的公司实际上并不多,全球90%的市场份额都被海外四大龙头所垄断,它们分别是德国林德集团、法国液化空气集团、美国空气化工产品集团和日本大阳日酸株式公社。

中国氖气产业现状如何?

而我们国内的华特气体,是我国唯一一家有能力生产氖、氩、氪、氟混合气的供应商,在2017年得到阿斯麦尔的认证,在此之前获得这一认证的仅有前面提到的四大气体巨头。

目前华特生产的电子特气已经能够批量供应14nm和7nm的生产线,部分产品已经打入了5nm工艺的生产线,并且还成功的进入了台积电、Intel、中芯国际、华虹、长江等全球晶圆代工厂商的供应链。

同时,我国作为全球最大的钢铁生产国之一,最近几年我国的惰性气体产量也一直在不断增加,武钢、邯钢、首钢等企业都有配套的气体分离设备,可以为国内外提供充足的氖气原料。

根据近年的数据统计,目前中国的氖、氙、氪三种气体产能已经超过了乌克兰的产能。其中以氖气为例,截止到今年1月份,乌克兰氖气在全球供应链中的占比约为30%-35%,中国氖气的占比约为40-45%。

由此可见目前全球的氖气供应其实是相对比较充足的,而过去一段时间惰性气体价格之所以出现大幅增长,更多的是市场炒作因素引起的。而且台积电等头部晶圆制造厂都表示已经做好了提前准备,并拥有氖气的“安全库存”。所以综合各种因素来看,短期内即便俄罗斯限制了惰性气体出口,对全球芯片生产也不会造成太大的影响。

不过在全球芯片产能还没有完全恢复到正常状态,同时全球对芯片的需求仍然持续增长的背景下,俄罗斯方面放出的这个消息,无疑会加重市场的恐慌情绪,会进一步加深“芯片慌”,甚至会推高芯片价格。

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