引言： 纳米级芯片的精密之战，始于钢瓶内一缕高纯气体的升华

在半导体洁净车间里，一排排银色小钢瓶静默矗立，它们通过精密管道向光刻机和蚀刻腔室输送着“工业血液”——当氖气在准分子激光器中激发193纳米深紫外光，当氙气在3D NAND芯片的深孔刻蚀中创造10:1的深宽比，这些看似平凡的钢瓶，已成为芯片战争的战略级物资。

一：从化学惰性到技术不可或缺

稀有气体（氦He、氖Ne、氩Ar、氪Kr、氙Xe、氡Rn）是一组化学性质极不活泼的元素，无色无味且不易发生化学反应，在常温常压下均为气态。正是这种“惰性”使其在半导体制造中成为不可替代的工艺介质：

1、低沸点特性：氦的沸点低至-268.9°C，是超低温冷却的唯一选择

2、电离稳定性：氩、氖等在等离子体中保持稳定，可精确控制蚀刻过程

3、光学特性：氖气激发产生的特定波长光源，是光刻精度的基础

半导体制造要求气体纯度达99.999%（5N）至99.9999%（6N），金属杂质需控制在ppb（十亿分之一）级。如此苛刻的标准，使气体的生产、储运成为“纳米级战争”的第一道防线。

二：半导体制造的核心用途：气体分工与精密协作

1. 光刻工艺：氖气的“光影魔术”

在ArF准分子激光器中，氖气占比超96% 的混合气体被电子束激发，产生193nm深紫外光，直接决定光刻分辨率。随着EUV光刻机普及，氙气等离子体产生的13.5nm极紫外光成为7nm以下制程的关键。

2. 蚀刻工艺：氪氙搭档的“微观雕刻”

在3D NAND存储芯片堆叠层数突破300层时，氪气与氟化物的混合气实现深宽比超30:1的刻蚀，比传统气体效率提升40%。氙气用于DRAM电容结构的精密刻蚀，其高原子质量可减少侧壁损伤

3. 清洗与沉积：氩气的“双重角色”

氩离子轰击清洗晶圆表面污染物，洁净度达原子级

在溅射沉积中充当等离子体介质，均匀度偏差小于1%

4. 冷却与密封：氦气的“低温守护”

EUV光刻机需液氦维持超导磁体4K（-269°C）环境，单台年耗氦量超1万升。氦检漏技术确保芯片封装气密性，检出精度达10⁻⁹ Pa·m³/s

                              表：六种稀有气体在半导体制造中的关键应用

气体	主要应用环节	技术作用	纯度要求
氖(Ne)	光刻	ArF准分子激光源	6N
氪(Kr)	蚀刻	高深宽比结构刻蚀	5N
氙(Xe)	EUV光刻/蚀刻	极紫外光源/精密刻蚀	6N
氩(Ar)	清洗/沉积	等离子体介质	5N
氦(He)	冷却/检漏	超低温维持/微漏检测	5N
氡(Rn)	科研	辐射检测标定	4N

三：生产工艺：从空气分离到钢瓶分装的极限挑战

1. 原料提取：万吨空气取斤气的“大海捞针”

低温精馏法：将空气压缩至-200°C，根据沸点差异分离组分，氖氦收率仅0.001%。尾气回收：从钢铁厂废气中提氩，成本比空分法降30%，成中国主流工艺

2. 纯化技术：纯度跃升的“死亡之谷”

金属杂质去除：采用钯膜纯化器，氢渗透率控制于0.01ppm。同位素分离：激光激发法提纯氦-3，丰度可达99.95%

3. 小钢瓶分装：芯片良率的“最后一公里”

钢瓶内壁处理直接决定气体纯度寿命，国产技术近期实现突破：

内壁抛光：电化学抛光使粗糙度≤0.1μm，减少吸附点位

钝化处理：中船派瑞新专利技术，充入钝化气体形成保护膜，使存储期延长至2年

智能阀门：集成RFID芯片追踪钢瓶全生命周期，泄漏率<10⁻¹¹ mbar·L/s

四：市场供需：地缘政治重构中的百亿赛道

全球需求激增，半导体成最大引擎

2024年全球稀有气体市场规模34亿美元，预计2037年将突破85亿美元，CAGR达7.3%。核心驱动力来自：

存储芯片扩产：3D NAND堆叠层数增至500层，氪气单耗提升50%

EUV光刻普及：台积电EUV机台超200台，氙气年需求增30%

国产替代加速：中国半导体级氖气自给率从2020年15%升至2025年40%

五：供应格局剧变，中国产能崛起

传统巨头：林德、法液空等占据56% 市场份额

中国突围：杭氧股份氪氙精炼项目投产，纯度达6N；华特气体获ASML认证

地缘风险：2022年乌克兰危机致氖价暴涨20倍，倒逼供应链重组表：2025年稀有气体市场关键数据预测

指标	全球数据	中国市场	增量来源
市场规模	36亿美元	1500亿人民币	EUV光刻/3D NAND
电子级气体用量	850ML	占比超35%	存储芯片扩产
氦气进口依存度	—	>95%	MRI/半导体冷却
价格波动区间	±30%/年	±50%/年	地缘冲突/运输成本

六：未来趋势：“不再稀有”背后的产业革命

1. 技术突破重构稀缺性

月球氦-3开发：月壤含氦-3超百万吨，相当于地球储量的万倍。中科院突破低温提取技术，成本降60%。

工业尾气提氪氙：中国钢企配套气体回收装置，产能占比升至45%

2. 同位素应用打开新维度

氦-3核聚变：清洁能源革命核心燃料，聚变效率超铀裂变12.5倍。

氙-129医学影像：用于肺部MRI分辨率达微米级，较传统CT辐射降90%。

氪-85泄漏检测：半衰期10.7年，可追踪地下水污染路径

3. 智能化与绿色化并进

钢瓶物联网：航天晨光液氦罐箱集成液位/压力传感器，运输损耗降至0.5%。

循环经济模式：宏广新技将钢厂CO₂副产物纯化为8N级半导体气，成本降40%