國產(chǎn)率只有20%，我國戰(zhàn)略氣體也被“卡脖子”？院士解讀如何走出困境。

   提到氣體，大多數(shù)人會(huì)首先想到空氣、氧氣等，它們來得容易又便宜。但是，有些氣體卻價(jià)值連城，我們每年甚至要花費(fèi)巨額資金去國外購買，這就是工業(yè)氣體，包括氪氣、氬氣。它們是現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的基礎(chǔ)原料，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、冶金、石油、化工、電子、醫(yī)療等重要行業(yè)，發(fā)揮著強(qiáng)有力的戰(zhàn)略支撐作用，乃至被稱為“工業(yè)的血液”。我國的工業(yè)氣體長期依賴德國、美國和法國，生產(chǎn)集成電路所需的特種氣體中，國產(chǎn)率只有20%。面對(duì)我國工業(yè)血液的“貧血”問題，我們?cè)撊绾巫叱隼Ь常?/p>

　　“工業(yè)的血液”

　　工業(yè)氣體是指在工業(yè)生產(chǎn)中所使用的氣體，可以作為生產(chǎn)原料、燃料、保護(hù)氣、輸送氣、驅(qū)動(dòng)氣、換熱介質(zhì)等。在高精尖領(lǐng)域中，氧氣和氫氣可作為火箭的燃料，氦氣是醫(yī)院核磁共振儀的超導(dǎo)體冷卻劑，氖氣是芯片光刻機(jī)光源的工作氣體。工業(yè)氣體的種類非常豐富，多達(dá)數(shù)百種，可分為大宗氣體、特種氣體兩大類。大宗氣體是指用量大、使用范圍廣的氣體，比如從空氣中分離得到的氧氣、氮?dú)?、氬氣以及化學(xué)合成的氨氣、乙烯、丙烯、乙炔；特種氣體是指被應(yīng)用在特定領(lǐng)域?qū)兌?、品質(zhì)、性能有特殊要求的氣體，比如芯片制造過程中用到的各種高純氣體，以及在國防、醫(yī)療、食品等領(lǐng)域用到的特殊氣體?？梢?，工業(yè)氣體滲透到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，發(fā)揮了不可替代的作用，因此被稱為“工業(yè)的血液”。工業(yè)氣體究竟有多重要？以半導(dǎo)體行業(yè)為例，芯片的制造會(huì)用到光刻機(jī)，光刻是用特定波長的激光讓光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過曝光和顯影將設(shè)計(jì)在掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上的過程。特定的波長是在常用的深紫外DUV光刻機(jī)中通過準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的，這種激光器內(nèi)充填了97%的氖氣。

　　全球70%的氖氣由烏克蘭供應(yīng)，但烏克蘭危機(jī)導(dǎo)致氖氣停產(chǎn)，供應(yīng)短缺，價(jià)格暴漲。氖氣雖然存在于空氣中，但只占0.0018%，它的制取離不開空氣分離技術(shù)。

　　大型空氣分離裝置舉足輕重

　　空氣分離簡稱“空分”，是利用化工分離技術(shù)將空氣中的各個(gè)成分分離開來獲得各種氣體產(chǎn)品。空分技術(shù)最初的目的并不是為了得到氖氣，而是為了生產(chǎn)工業(yè)中大量使用的氧氣和氮?dú)狻?903年，德國林德設(shè)計(jì)制成世界上第一臺(tái)工業(yè)用的10立方米/小時(shí)制氧機(jī)，至今已過百年。長期以來世界空分市場(chǎng)被德、法、美等國的四大氣體公司壟斷。

　　空分的原理并不復(fù)雜，難點(diǎn)在于空氣分離的設(shè)備，尤其是大型、特大型的空分設(shè)備。大型空分裝置的制造能力是衡量一個(gè)國家空分技術(shù)水平的重要標(biāo)志。我國的空分產(chǎn)業(yè)是從20世紀(jì)50年代起步的，經(jīng)過摸索、合作、自主研發(fā)等階段，直到2000年前后，得益于鋼鐵、煤化工等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國大型、特大型空分成套技術(shù)與裝備才有了質(zhì)的飛躍。

　　長期以來，大型的空分設(shè)備基本上都由國外公司壟斷。近年來，得益于煤化工的快速發(fā)展，我國空分設(shè)備迎來了轉(zhuǎn)機(jī)。我國研制的十萬等級(jí)（100000立方米/小時(shí)）空分裝置，就是我國重大技術(shù)裝備國產(chǎn)化里程碑式的一個(gè)成就。國內(nèi)生產(chǎn)的空分設(shè)備不僅產(chǎn)氧質(zhì)量好，而且能耗低、生產(chǎn)成本低、性能優(yōu)，特別是長周期穩(wěn)定運(yùn)行遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國外，成為我們的“大國重器”。大型空分技術(shù)的進(jìn)步也為我國氖氣的自主生產(chǎn)創(chuàng)造了條件，其他幾種稀有氣體也被附帶提取了出來，包括貴如黃金的氪氣、氙氣等。目前我國占全球氖氣市場(chǎng)份額的40%，超過了烏克蘭，有力保障了我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

　　半導(dǎo)體生產(chǎn)要用到上百種氣體

　　工業(yè)氣體中的電子特氣，包括氙氣、氪氣、含氟氣體等，是集成電路制造、半導(dǎo)體顯示、半導(dǎo)體器件制造過程中必不可少的關(guān)鍵材料。生產(chǎn)一枚芯片，需要100多種電子特氣，而我國僅能生產(chǎn)約20%的品種，其余品種均依賴進(jìn)口，有的品種1千克售價(jià)高達(dá)幾萬元人民幣。芯片的生產(chǎn)過程非常復(fù)雜，從生產(chǎn)多晶硅開始，到拋光、外延、擴(kuò)散、成膜、沉積、刻蝕、摻雜、電鍍、清洗、分裝等環(huán)節(jié)，幾乎都離不開電子特氣的參與，電子特氣是芯片制造中的第二大耗材。

　　按照所處的工序，電子特氣可以分為外延氣、沉積氣、刻蝕氣、摻雜氣等，每一類都包含很多品種。沉積氣是以硅烷等含硅氣體為主，硅烷分解后可以在晶圓表面形成需要的薄膜；刻蝕氣常用的是四氟化碳、八氟環(huán)丁烷等含氟的氣體，它的作用是對(duì)經(jīng)過光刻的硅片進(jìn)行雕刻得到特定結(jié)構(gòu)的溝槽；摻雜氣是含有砷、硼、磷等元素的氣體，用于向硅片中摻入一些元素形成半導(dǎo)體的器件。氣體是怎么在刻蝕環(huán)節(jié)中起作用的？目前主流的刻蝕方法是干法刻蝕，它包括化學(xué)刻蝕和物理刻蝕，其中的化學(xué)刻蝕用到的是含氟氣體，基本原理是利用等離子體發(fā)生裝置把含氟氣體電離成氟的自由基，由氟的自由基與硅結(jié)合起來生成氣態(tài)的四氟化硅，而四氟化硅容易被抽走不會(huì)殘留，這樣就可以在硅片上雕刻出一道道特定結(jié)構(gòu)的溝槽。

　　電子特氣生產(chǎn)技術(shù)門檻極高

　　電子特氣的“特”，就特在純凈度要求非常高，純度指的是主成分的含量越高越好，潔凈度指的是雜質(zhì)的殘留量越低越好。對(duì)于90納米制程純度要求在5到6個(gè)N，這里N指的是純度百分比中9的個(gè)數(shù)。同時(shí)雜質(zhì)要求小于10的負(fù)9次方，也就是十億分之一。28納米甚至7納米、5納米制程對(duì)電子特氣的純度要求就更高了，金屬元素要凈化到萬億分之一，相當(dāng)于20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)游泳池的水里雜質(zhì)的量不能超過一滴水的量。為什么要如此苛刻的純度呢？這是因?yàn)闃O微量的雜質(zhì)都有可能導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)重大缺陷，比如水分、氧氣等雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致氧化金屬和顆粒物，會(huì)導(dǎo)致短路以及線路的損壞。從28納米到7納米，產(chǎn)品的金屬雜質(zhì)必須下降100倍，污染粒子的體積必須縮小到4倍以下。隨著工藝制程發(fā)展到10納米以下，生產(chǎn)過程對(duì)于雜質(zhì)過濾、潔凈度的要求也會(huì)越來越嚴(yán)格。

　　這么苛刻的要求導(dǎo)致電子特氣生產(chǎn)技術(shù)的門檻非常高，需要長期的積累和研發(fā)投入。同時(shí)生產(chǎn)過程要用到大量精密儀器設(shè)備，這是第一道難關(guān)。第二道難關(guān)是資質(zhì)壁壘，電子特氣品質(zhì)對(duì)電氣產(chǎn)品性能影響大，一旦質(zhì)量出現(xiàn)問題下游客戶將損失巨大。為保持氣體供應(yīng)的穩(wěn)定，客戶在與氣體供應(yīng)商建立合作關(guān)系以后，不會(huì)輕易地更換氣體供應(yīng)商，如果想進(jìn)入就必須經(jīng)過嚴(yán)格的審查和認(rèn)證，這個(gè)周期一般要長達(dá)2到3年。由于發(fā)達(dá)國家電子信息產(chǎn)業(yè)的起步早，在技術(shù)、資金、人才等方面有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，我國不得不長期依賴進(jìn)口，85%以上的市場(chǎng)份額被美、法、德、日等國的企業(yè)所壟斷，特別是超高純特氣更是幾乎全部依賴進(jìn)口，賣不賣、賣多少全憑他們說了算。所以，我國必須盡快開發(fā)出關(guān)鍵電子特氣的國產(chǎn)化技術(shù)化解“卡脖子”的風(fēng)險(xiǎn)，把國民經(jīng)濟(jì)的安全命脈牢牢地掌握在自己手中。從技術(shù)層面而言，我國電子氣體行業(yè)需要在以下幾個(gè)方面加以突破：一是凈化材料，氣體終端凈化器的核心材料，如凈化用的催化劑、吸附劑和膜材料等；二是新產(chǎn)品、新技術(shù)，電子特氣更新?lián)Q代快，新產(chǎn)品的研發(fā)、混配技術(shù)跟不上國外的研發(fā)速度，國內(nèi)的三氟化氮和六氟化硫等電子特氣產(chǎn)品，目前國際上已逐漸淘汰；三是設(shè)備方面，與高純氣體接觸的器材必須滿足潔凈的標(biāo)準(zhǔn)，否則釋放出來的微量雜質(zhì)就會(huì)污染電子氣體，生產(chǎn)用的容器、管道閥門等目前還需要大量進(jìn)口，亟需我們盡快研發(fā)；四是檢測(cè)技術(shù)方面，分析檢測(cè)是品質(zhì)保證的關(guān)鍵，部分純度指標(biāo)檢測(cè)技術(shù)有一定的基礎(chǔ)，但是在超痕量雜質(zhì)高精度分析檢測(cè)技術(shù)以及一些專用的儀器方面與國外差距巨大。近年來，我國一些企業(yè)經(jīng)過多年的自主研發(fā)，部分電子特氣產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，并且通過了國際龍頭企業(yè)的認(rèn)證，今后將會(huì)有更多的產(chǎn)品陸續(xù)進(jìn)入全球半導(dǎo)體的供應(yīng)鏈體系。

　　宇宙含量第二的地球珍稀氣體

　　氦氣是宇宙中含量第二高的元素，但在地球上卻相當(dāng)稀缺。氦氣無色無味，非常輕又有惰性，一般狀態(tài)下不會(huì)和其他物質(zhì)反應(yīng)，很安全，是一種關(guān)系國家安全、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略性氣體，廣泛應(yīng)用于深海潛水、低溫技術(shù)、火箭燃料、半導(dǎo)體制造、核磁共振等領(lǐng)域，有“黃金氣體”之譽(yù)。比如，在半導(dǎo)體的制程里面，它可以摻到刻蝕氣體里面來清洗，它的導(dǎo)熱系數(shù)也高，可以把設(shè)備的熱量及時(shí)地移走，不至于產(chǎn)生過熱，提高了設(shè)備的安全性。航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料和氧化劑的輸送系統(tǒng)都需要有氦氣的密切參與。此外，宇宙飛船、液體燃料導(dǎo)彈等在加注燃料之前必須使用氦氣清洗和增壓，增壓里面的液氫罐和管道系統(tǒng)在太空艙上各種氣動(dòng)閥門的驅(qū)動(dòng)氣體也是氦氣。在核電領(lǐng)域，利用氦氣導(dǎo)熱系數(shù)高的特點(diǎn)，可以作為最先進(jìn)的氣冷式核反應(yīng)堆的冷卻介質(zhì)。氦氣在芯片和光纖的生產(chǎn)中也大有用武之地，利用它極不活潑的化學(xué)性質(zhì)可用作生產(chǎn)過程中的保護(hù)氣，利用它的高導(dǎo)熱性和散熱能力可以實(shí)現(xiàn)零部件的快速冷卻，提高生產(chǎn)效率，并減少芯片和光纖的質(zhì)量缺陷，每生產(chǎn)100公里的光纖就需要2個(gè)立方米的氦氣。毫不夸張地說，如果沒有氦氣，醫(yī)院的核磁共振檢查將無法進(jìn)行，宇宙飛船也無法升空。

　　氦氣密度極小，地球引力不足以束縛它，因此氦在空氣中的含量僅有百萬分之4.6，所以用空分提氦是非常不經(jīng)濟(jì)的。氦氣還有一部分與天然氣伴生，儲(chǔ)藏在地殼深處，天然氣中氦的含量大約是空氣的幾十到上萬倍，是我們目前氦氣最主要的來源。全球氦氣總儲(chǔ)量預(yù)估為484億立方米，分布非常不均勻，主要集中在美國、阿爾及利亞、俄羅斯等國家。其中，美國氦氣儲(chǔ)量大約171億立方米，全球占比高達(dá)40%，而我國的氦氣儲(chǔ)量只有2%，導(dǎo)致工業(yè)應(yīng)用中95%以上的氦氣都依靠進(jìn)口，而且我國天然氣中氦的含量很低，平均只有0.04%，是美國的1/20，所以提取技術(shù)難度更大，成本也會(huì)更高。這對(duì)我們國家的戰(zhàn)略安全構(gòu)成了極大的威脅。二戰(zhàn)期間，德國興登堡號(hào)飛艇爆炸就是氦氣資源受制于人的一個(gè)慘痛教訓(xùn)。

　　突破戰(zhàn)略氣體“卡脖子”危機(jī)

　　由于我國天然氣的含氦量比較低，美國廣泛采用的深冷法工藝并不適用我們。面對(duì)巨大的工業(yè)需求，要想避免氦氣被“卡脖子”，我們必須自力更生，結(jié)合自身特點(diǎn)開發(fā)新的生產(chǎn)技術(shù)，自己生產(chǎn)氦氣。天然氣的成分比較復(fù)雜，除了甲烷，還有氮?dú)?、氫氣、二氧化碳、水蒸氣等，想要直接得到氦氣，就必須將膜分離、常溫變壓吸附、低溫吸附等新型分離技術(shù)和低溫精餾技術(shù)耦合起來并用。膜分離的原理和過濾非常相似，利用不同分子的大小差異讓小的分子通過，大的分子截留，氦氣的分子是最小的，可以通過膜孔，而甲烷的分子比較大，無法通過膜孔，因此可以用膜分離來對(duì)天然氣中的氦進(jìn)行初步的提濃，把含量從0.1%以下提到26%。吸附分離的關(guān)鍵，是通過采用對(duì)氮?dú)?、甲烷等雜質(zhì)氣體有比較強(qiáng)吸附能力和脫除能力的吸附劑，把氦氣的含量提高到99%，甚至99.999%以上。另一條比較經(jīng)濟(jì)的工藝路線，就是在生產(chǎn)液化天然氣（LNG）的同時(shí)利用其副產(chǎn)的閃蒸氣（BOG）來生產(chǎn)氦氣。氦氣的沸點(diǎn)低，在天然氣的液化過程中自然被富集到氣相當(dāng)中，從而得到提濃，有利于后續(xù)的加工。2020年國產(chǎn)首套BOG提氦裝置在寧夏鹽池成功示范運(yùn)行，填補(bǔ)了國內(nèi)空白；2021年在內(nèi)蒙古萬瑞建成了年產(chǎn)50萬方氦氣國內(nèi)最大的LNG聯(lián)產(chǎn)提氦裝置；2022年在重慶建成以低溫吸附為核心的LNG氦氣提純項(xiàng)目，可以年產(chǎn)99.999%的氦氣20噸以上。這些提氦裝置的開發(fā)和投運(yùn)有效地緩解了我國氦氣供應(yīng)的緊張局面，也部分緩解了國家戰(zhàn)略氣體資源的“卡脖子”問題。

　　未來，我們工業(yè)氣體要面向新型工業(yè)化建設(shè)的任務(wù)，聚焦高端化、智能化、綠色化，找準(zhǔn)“卡脖子”“掉鏈子”的薄弱環(huán)節(jié)，補(bǔ)短板、鍛長板，提升產(chǎn)業(yè)體系自主可控能力，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新向原始創(chuàng)新和創(chuàng)新引領(lǐng)轉(zhuǎn)變，在新征程中順好工業(yè)這口“氣”，進(jìn)而揚(yáng)眉吐氣。

   氦氣充裝回收裝置