俄乌大战牵动半导体产业链,氖气可能断供?韩国率先破局主标题。

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2022-10-18 09:10

中科院专家原创40000字《DRAM芯片风云》专栏

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作者：二马路的冰

排版：芯光犬

出品：SOlab

深度好文，3584字=12分钟阅读

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芯片产业是电子信息产业的核心和基础。电子特种气体（以下简称电子特气）属于工业气体的重要分支，是芯片产业重要的基础原料，位于芯片产业链的上游，被喻为“芯片产业的血液”。

根据国际半导体协会（SEMI）的数据，2021年，在晶圆材料404亿美元的市场份额中，电子特气占比约为11.4%，达46亿美元，是仅次于硅片的第二大材料领域。

电子特气的下游应用包括芯片制造、显示面板(LCD、OLED等)、光伏电池片和LED等。预计未来电子特气行业将保持在5%左右的增速,市场规模在2024年达到54亿美元。

图源：华特气体

电子特气是芯片产业的重要基础

先进芯片制造工艺包括硅片制造、氧化、光刻、气相沉积、蚀刻、离子注入等诸多工艺环节。比如，7nm及以下的先进芯片制造工序超过1000步，几乎每一步都要用到电子特气和混合气体，使用的电子特气种类超过50种。

光刻是先进芯片制造中技术难度最大、成本最高的环节。目前光刻领域的主流准分子激光光源是193nm ArF激光器和248nm KrF激光器。激光Laser取自首字母 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，指的是通过使用谐振器将光(电磁波)放大增幅后获得的“受激辐射”。

准分子激光的原理图源：Gigaphoton官网

氖气在193 nm ArF 激光器和 248 nm KrF 激光器中作为缓冲气体，用于与稀有气体（Ar/Kr）、氟气混合，防止电极短路。氖气混合比率超过90%，是不折不扣的电子特气耗材。

193nm ArF 激光器和 248nm KrF 激光器对电子特气的纯度有着苛刻的要求，在光刻过程中，极微量的杂质也可能导致产品重大缺陷，特种气体纯度越高，光刻良率越高，光刻质量越好。光刻技术要求氖气纯度达到6N（99.9999%）。氖气从生产到分离提纯以及运输供应阶段都存在较高的技术壁垒，其制造难度包括：

1、提纯技术。包括精馏分离、分子筛吸附分离以及膜分离三大类，具有极高的技术难度。

2、气体检测技术。随着电子特气的纯度达到6N，需要建立一系列高纯度电子特气的分析方法和仪器。

3、气体的储存和运输。要求使用高质量的气体包装储运容器、以及相应的气体输送管线、阀门和接口，以防止气体二次污染。

浸没式光刻光源图源：Gigaphoton官网

电子特气公司的机会与挑战

电子特气公司的平均毛利率超过50%。在芯片行业细分领域中，毛利率能达到50%这条“暴利线”的细分领域是不多的。比如，2022年第一季度，国内晶圆厂龙头中芯国际的毛利率为24.2%，属于历史较高水平。

电子特气在国际上被四家跨国公司垄断。美国空气化工Air Products、法国液化空气Air Liquide、日本大阳日酸TAIYO NIPPON SANSO和德国林德Linde（后收购普莱斯克集团）四大公司占据85%以上的电子特气国际市场份额。

电子特气行业的一个重要特征是极为容易受到地缘政治、自然灾害和战争的影响。2014年克里米亚危机前，乌克兰是氖气主要生产国，生产地是马里乌波尔Ingas和位于敖德萨的Cryoin和Iceblick，占全球氖气供应的70%。

具体流程是俄罗斯钢铁厂提供其副产品粗制氖气，然后上述三个乌克兰公司进行提纯成高纯氖气。据美国贸易委员会（ITC）的数据显示，2014年克里米亚半岛局势紧张时，氖气价格一度上涨了600%。

2022年2月24日，俄乌战争爆发。目前俄乌战争的状况已经是众所周知了。尤其是，马里乌波尔发生的激烈战斗大家已经知道了，Ingas已经停产。位于敖德萨的Cryoin和Iceblick尽管目前还在乌克兰控制之中，但是没有俄罗斯粗制氖气的供应，也近乎停产。全球氖气价格进一步上涨。据百川盈孚数据显示，我国高纯氖气价格已从2021年10月的400元/立方米上涨到目前逾1600元/立方米。

俄乌战争造成芯片制造成本增加图源：CCTV

2022年10月6日，俄罗斯卫星通讯社宣称马里乌波尔氖气工厂计划恢复生产。

马里乌波尔氖气工厂Ingas 图源：气体圈子

2022年10月11晚， Ingas公司负责人称，关于留在马里乌波尔本属于Ingas公司的设备，其中一些关键设备在企业被接管的第一天就被洗劫一空。目前，主要生产设施也在炮击中受损，剩余的精密设备难免受大气污染。况且，电力供应尚未恢复。当寒冷来临时，暖气供应也是个问题。Ingas认为，所有这些因素都将导致工厂的设备永久失效。

Ingas表示，公司管理层和所有关键生产人员早在3月份就前往乌克兰控制区，并在那里成功恢复了备用工厂的氖气生产。他们认为，俄罗斯在马里乌波尔的设备上恢复生产是非法的，与Ingas公司没有任何关系。

日韩双雄在特气领域的合作与博弈

韩国是芯片产业的后发者，经过数十年的发展。在美国扶持、经济发展、产业技术方向等多重因素下，韩国三星电子、SK海力士在芯片产品端处于垄断地位。但是，在在芯片产业链上游的材料和设备环节仍然处于下风。全球氖气价格的进一步上涨，影响了韩国三星电子和SK海力士的产品竞争力。

2019年7月，日本政府宣布加强对韩国出口含氟聚酰亚胺、光刻胶和高纯度氟化氢三种半导体关键材料的审查，对韩国三星电子、SK海力士进行精准打击。上述三种半导体关键材料作为化学品都难以长期保存，韩国国内库存最多只能维持三个月左右。随着美国的介入和日本、韩国国内政局的变化，双方的贸易摩擦逐步缓和，日本政府对韩国的出口管制逐渐放宽。

图源：CCTV

2019年7月，日本对韩国的光刻胶出口管控，自此感受到危机的韩国政府对芯片产业供应链的自主可控重视度不得不进一步加强。韩国政府在积极寻找替代进口来源的同时，国产化提速，从设备到基础原材料产业驶入发展快车道。据韩国方面表示，半导体材料对日依赖度从2019年的30.9%下降到2021年底的24.9%。

2021年5月，韩国政府发布《K—半导体战略》， “打造世界最强的半导体供应链”。专门成立“原材料、零部件和装备的竞争力委员会”，未来10年，斥资约4500亿美元，支持三星电子等153家企业，建立集芯片生产、原材料、零部件、设备和尖端设备、设计等为一体的高效产业集群，在2030年前构建全球最大规模的半导体产业供应链。

日本化工企业高管表示，“日本加强出口管理在一定程度上加速了韩国的国产化趋势”，同时还表示“韩国政府和企业的投资决策速度令人吃惊”。

氖气使用成本较高，不仅用于193nm ArF激光器和248nm KrF激光器，还用于OLED的激光退火。氖气占准分子激光气体的95%，但它是一种稀缺资源，空气中只有0.00182%。

为了应对俄乌战争爆发后全球氖气价格进一步上涨这一危机，韩国加快了光刻氖气国产化的步伐。近日，SK海力士、半导体专业气体公司TEMC和浦项制铁（POSCO）进行紧密合作，联合开发了一种利用现有设施以低成本生产氖气的方法，正式宣布完成了韩国本地化的氖气生产和技术本地化。

SK海力士公司图源：百度

SK海力士公司的氖气来源本土化，SK 海力士解释说，它已经找到了一种与生产半导体生产气体的TEMC和浦项制铁合作生产氖气的方法。过去几年，韩国半导体公司的氖气一直完全依赖进口。由于主要海外生产地局势不稳定（指的是俄乌战争），氖气供应存在不稳定的风险。

2022年4月，SK Hynix将国产氖气引入其半导体光刻工艺，目前韩国国产的氖气使用率已经达到40%。TEMC公司设备年生产能力约为22000标准立方米，相当于韩国国内需求的16%。TEMC和浦项制铁两家公司还在研究其他电子特气，包括氪气和氙气的韩国国产替代，用于芯片刻蚀等。

粗制氖气由浦项制铁公司生产，在供应给SK Hynix之前由TEMC进行提纯处理。韩国浦项制铁公司成立于1968年，为全球最大的钢铁制造厂商之一，每年为全球超过六十个国家的用户提供二千六百多万吨钢铁产品, 被美国Morgan Stanley投资银行评定为“全球最具竞争力的钢铁制造商”。氖气是浦项制铁公司的副产品。