氦气：半导体制造的关键战略物资，为何EUV光刻机离不开它？

在精密程度要求极高的半导体制造领域，氦气扮演着一种不可替代的关键角色。这种常温下无色无臭的惰性气体，凭借其独特的物理化学性质，成为芯片生产流程中至关重要的基础材料。

氦气的独特性质与核心价值

氦气在半导体工业中的独特地位，源于它一系列无可比拟的物理和化学特性：

• 极强的化学惰性：氦气几乎不与其他元素发生反应，不易燃烧或爆炸。这一特性使其在需要超高纯净度和安全性的半导体洁净室环境中成为理想选择。
• 极低的沸点与熔点：氦气的沸点低至-268.9°C，熔点为-272.1°C，是所有已知元素中最低的。这使它成为获得和维持极低温环境的唯一或最优介质。
• 极高的热传导性：在极低温条件下，液氦的导热性能极强，远超常见金属。同时，其密度低、渗透能力强的特性，也为其在半导体制造中的多样化应用提供了基础。

氦气在芯片制造中的关键应用场景

在整个复杂的芯片制造流程中，氦气的应用深入多个核心环节：

1. 作为超精密工艺的冷却与控制介质
这是氦气最核心的应用之一。在光刻、蚀刻、沉积等关键工序中，设备会产生大量热量。氦气凭借其卓越的导热性，被用作晶圆背部的冷却剂，精确控制硅片温度，确保纳米级电路图形的刻蚀精度与稳定性。尤其是在极紫外（EUV）光刻机中，液氦是维持其超导磁体处于4K（-269°C）超低温环境不可或缺的冷却剂，单台EUV设备年耗氦量可超1万升。此外，氦气也用于控制热传递速率，实现快速导热，提升生产效率和良率。在芯片测试环节，液氦的深冷特性也用于维持稳定的低温测试环境。

2. 作为高纯环境的保护与运载气体
利用其化学惰性，氦气常被用作保护气体，在硅片周围形成惰性氛围，防止半导体材料在高温加工中被氧化或污染。在化学气相沉积（CVD）和干法蚀刻等工艺中，高纯氦气也常作为运载气或稀释气，帮助反应气体均匀输送并有效清除副产物，且不损伤精密的电路结构。

3. 作为泄漏检测的关键介质
半导体器件封装要求极高的气密性。氦气分子量小、渗透能力极强，是高灵敏度泄漏测试（氦质谱检漏）的首选示踪气体，能够有效检测出极其微小的泄漏点，确保最终产品的长期可靠性。

供应链的脆弱性与战略重要性

尽管宇宙中氦气储量丰富，但在地球上它是一种不可再生的稀缺资源，且分布高度集中。美国、卡塔尔、俄罗斯和阿尔及利亚四国控制了全球约87%的氦资源，这种格局使全球半导体产业面临显著的供应链风险。

中国作为全球最大的半导体市场之一，挑战尤为严峻。中国氦气年消耗量巨大，但长期高度依赖进口。尽管近年来通过技术努力降低了进口依存度，但对外依赖依然严重，且主要供应渠道易受地缘政治因素影响。因此，保障氦气供应链的稳定与安全，对维护国家半导体产业的健康发展具有深远的战略意义，这需要从底层构建更有韧性的云原生基础设施类似的战略思维来应对系统性风险。

应对挑战的技术与战略路径

面对供应瓶颈，产业界正从多个维度寻求突破：

• 技术突破与自主生产：例如，采用LNG-BOG（液化天然气闪蒸气）提氦技术，可以从氦含量极低的天然气尾气中提炼出超高纯度的氦气，国内产能已实现显著增长。
• 布局海外资源与拓展渠道：通过国际合作开发新的氦气田，是多元化供应、保障长期安全的重要途径。
• 发展回收与循环利用技术：在半导体制造、医疗（如MRI）等领域建立高效的氦气回收净化系统，实现资源的循环利用，是缓解供应压力、降低成本的有效手段。

随着半导体技术向3D NAND、更先进EUV工艺演进，对工艺环境和冷却的要求将更为严苛，对高纯氦气的需求可能会持续增长。构建涵盖技术自主、资源多元、循环高效的综合保障体系，已成为应对这一“隐形”战略资源挑战的必由之路。