在半导体工厂中,一旦氦气消失,生产线就会停工。智能手机、电动车、数据中心服务器等芯片的制造将中断。用于派对气球的这种气体正是掌控先进工业命脉的关键。

氦气是无色无味的,是宇宙中第二轻的元素。它是一种不发生化学反应的惰性气体,沸点为-269℃,在地球上没有任何物质的沸点低于它。这两种特性在半导体工艺中起到了决定性的作用。
半导体回路是以仅头发丝厚度数万分之一的纳米(nm)单位雕刻的。在这种精细的过程中,杂质意味着废品。氦气的作用是清除工艺腔室内残留的气体。由于氦气原子小而轻,扩散速度快,可以深入到其他气体无法清理的微小缝隙中。
氦气在晶圆冷却工艺中也不可或缺。在曝光工艺中,当晶圆温度上升时,电路图案会发生扭曲。氦气迅速降低这种温度,从而保持精确度。激光切割和蚀刻工艺中也同样使用氦气。
半导体行业顾问Phil Kornbluth 表示:“在氦气可以替代的地方已经使用了替代品。”这意味着目前在半导体工艺中使用氦气的地方实际上没有替代方案。
美国半导体行业协会(SIA)也官方声明:“在现有技术水平下,没有替代超高纯度氦气的材料”。如果氦气供应中断,工艺速度会减慢,最糟糕的情况是生产线停止。

氦从哪里来……副产品的悖论
氦虽然存在于地球大气中,但浓度太低,无法从大气中提取具有经济性。工业用氦大多在天然气处理过程中获得。在天然气冷却至-162℃以下液化(LNG)的过程中,从气体中分离出0.1%至0.5%的氦并予以保存。
关键在于氦是LNG的“副产品”。不是直接生产氦,而是在生产LNG时产生氦。因此,LNG生产一旦停止,氦供应也会自动中断。
根据美国地质调查局(USGS)今年初发布的报告估计,全球氦储量约为3130亿立方米。卡塔尔拥有1010亿立方米,居世界首位,美国为850亿立方米,俄罗斯为680亿立方米,阿尔及里亚为820亿立方米。去年实际生产量来看,美国排名第一,卡塔尔负责全球约三分之一的供应。

韩国65%的氦气从卡塔尔进口
伊朗对卡塔尔LNG设施的攻击直接袭击了氦气供应链。卡塔尔国营能源公司卡塔尔能源本月初宣布现有合同无法履行,为“不可抗力(force majeure)”事由。因为卡塔尔的关键LNG处理设施法拉姆(P5)遭到袭击,氦气生产也出现连锁中断。目前伊朗正阻止通过霍尔木兹海峡的船舶通行,即便生产重新开始,出口依然受阻处于双重封锁状态。

根据韩国贸易协会的数据,去年韩国进口氦气中,64.7%是来自卡塔尔。进口总量2116吨中有1375吨是从卡塔尔进口。据行业推测,用于半导体工艺的高纯度氦气的卡塔尔依赖度高达80%。
三星电子和SK海力士已确保了当前数个月的库存。行业官方立场是短期生产不受影响。然而,如果供应不稳定持续超过六周,可能会出现生产障碍的可能性。国际信用评级机构惠誉分析称,如果出现严重的供应短缺情况,氦现货价格可能会飙涨到200%。仅在过去一周内,现货价格已经上涨了35%至50%。
再利用与多样化……行业面临的两大对策
三星电子已经开始采取对策。自去年4月起,部分生产线引入了自主开发的氦气再生系统(HeRS)。通过回收并重新精炼使用后的氦气,然后再次投入工艺中。三星电子初步运营结果分析显示,预计每年可以减少约4.7吨的氦气使用。如果将此系统推广到所有生产线,预计可减少每年约18.6%的氦气使用量。

业界也在加速供应渠道的多样化。卡塔尔之后的主要供应国是美国(28%)和俄罗斯(6.2%)。首先考虑以美国为替代方案,同时,全球工业气体公司如Linde、Air Products 和 Air Liquide 也在检视供应源的重组可能性。
但由于氦气供应与LNG生产密切相关的结构性特性,短时间内找到新的供应源并不容易。建立新的氦气生产设施至少需要数个月的时间,并且由于长期供货合同,许多物量已被绑定。这次事态再次表明,半导体供应链的薄弱环节在能源争端面前是多么脆弱地暴露无遗。