半导体工厂对压缩气体的需求呈现高纯度、多品类、稳定供应和严格质量管控的特点，具体需求如下：
一、核心需求：高纯度与多品类气体
- 高纯度要求
半导体制造对气体纯度要求极高，通常需达到 9N（99.9999999%）以上，部分先进制程（如7纳米及以下）甚至要求单项杂质浓度低于 0.1 ppb（100ppt）。例如：
- 氮气（N₂）：作为最常用的惰性气体，用于吹扫晶圆传送盒（FOUP）、保护反应室环境，防止氧化或污染。大型工厂氮气消耗量可达每小时 50,000立方米。
- 氩气（Ar）：在光刻胶等离子体刻蚀中作为保护气，防止晶圆表面被氧化。
- 硅烷（SiH₄）：用于化学气相沉积（CVD），形成硅基薄膜，纯度需达 6N（99.9999%）以上。
- 多品类气体应用
- 蚀刻气体：如六氟化硫（SF₆）、三氟化氮（NF₃），通过等离子体刻蚀在晶圆上形成精密电路图案。
- 掺杂气体：如磷烷（PH₃）、砷化氢（AsH₃），用于改变半导体材料的电性能，形成p型或n型区域。
- 薄膜沉积气体：如氨气（NH₃）、一氧化硅（SiO），通过CVD或原子层沉积（ALD）技术生长薄膜。
- 光刻支持气体：如高纯氧气（O₂），用于光刻胶去除环节，确保图案转移精度。
二、关键需求：稳定供应与流量控制
- 稳定供应体系
- 半导体工厂需建立 多源供应体系，包括现场制气、管道输送、槽车运输或钢瓶组供应，以应对突发需求或供应中断风险。例如，大型工厂通常配备制氮机，但需保留备用钢瓶组。
- 智能监控系统：通过流量计（如热式气体质量流量计）实时监测气体消耗，结合物联网技术实现远程监控与数据可视化，优化用气效率。例如，某工厂通过安装TGF460流量计，将压缩空气用量测量精度提升至 ±(1.5%RD+0.5%FS)，量程比达 100:1，显著降低能耗。
- 精确流量控制
- 在蚀刻、沉积等工艺中，气体流量需精确控制至 sccm（标准立方厘米每分钟）级别，以确保反应条件一致性。例如，压电冲洗阀可实现氮气流量的高精度计量，能耗极低。
- 高压扩散器（HPD）：用于气体采样环节，通过扩散气体降低压力，保护颗粒计数器传感器，确保颗粒计数精度。
三、核心挑战：质量管控与成本控制
- 质量管控
- 颗粒与杂质控制：气体中微粒、油蒸气或水分可能导致晶圆缺陷。例如，一颗直径 0.1μm 的微粒即可引发光刻短路，因此压缩空气需达到 Class 0级标准（含油量＜0.003mg/m³，压力露点＜-70℃）。
- 在线监测系统：通过多级吸附干燥、纳米级过滤净化，搭配传感器实时检测气体纯度，防止污染扩散。
- 成本控制
- 能耗优化：压缩气体系统占半导体工厂总能耗的 20%-30%，需通过节能技术（如变频压缩机、余热回收）降低运营成本。
- 减少浪费：例如，采用闭合控制回路主动计量氮气冲洗流程，可显著降低大型工厂的氮气消耗及二氧化碳排放。
四、未来趋势：技术升级与绿色制造
- 技术升级
- 随着 3D NAND存储器 和 大尺寸晶圆 需求增长，对气体纯度和流量控制要求更严苛，推动特种气体研发（如高纯度氙气、氪气）及智能化生产技术融合。
- 先进制程驱动需求：7纳米及以下工艺中，蚀刻气体市场份额预计提升至 50%以上，薄膜沉积气体需求因ALD技术普及而增长。
- 绿色制造
- 政府与企业合作推广循环经济模式，减少气体生产中的环境影响。例如，通过优化供应链布局降低运输能耗，或采用低全球变暖潜值（GWP）的替代气体。
