高純電子特氣（Electronic Specialty Gas）

3 秒看懂

電子特氣是半導體制造中刻蝕、沉積、摻雜、清洗、光刻等核心工序所使用的超高純度氣體，純度要求通常在 5N（99.999%）至 8N+（99.999999+%）級別，是與矽片、光刻膠並列的半導體關鍵材料之一。其純度直接決定晶片良率，是”卡脖子”環節中常被忽視但不可或缺的一環。

3 分鐘產業解釋

為什麼”氣體”也能卡脖子？

半導體制造的核心邏輯是原子級精度控制。在晶圓表面每一步薄膜沉積、每一道刻蝕溝槽中，氣體中的哪怕 ppb（十億分之一）級別的雜質（水分、氧氣、金屬離子、顆粒）都可能導致：

薄膜缺陷 → 短路/漏電
刻蝕不均勻 → 圖形失真
離子注入偏移 → 器件引數漂移

因此，電子特氣不只是”工業氣體加個純”，而是涉及合成、純化、分析檢測、儲運、現場配送全鏈條的系統工程。

哪些工序用什麼氣？

工序	代表氣體	作用簡述
等離子刻蝕	CF₄、C₄F₈、SF₆、Cl₂、HBr、BCl₃	選擇性去除材料形成電路圖形
化學氣相沉積（CVD）	SiH₄（矽烷）、TEOS、NH₃、N₂O、WF₆	在晶圓上逐層生長薄膜
離子注入（摻雜）	PH₃、AsH₃、B₂H₆、BF₃	向矽中注入摻雜原子改變導電型別
爐管清洗/腔體清洗	NF₃、ClF₃	清除沉積在裝置腔壁上的副產物
光刻	Kr/Ne/F₂（KrF）、Ar/Ne/F₂（ArF）混合氣	激發準分子雷射器產生深紫外光源
外延生長	HCl、SiHCl₃、SiH₄	生長單晶矽外延層

市場格局一句話

全球電子特氣市場長期由液化空氣（Air Liquide）、林德（Linde）、大陽日酸（Taiyo Nippon Sanso）、SK Materials等少數國際巨頭主導。中國企業在中低端品種上已實現批次供應，但高純含氟氣體、摻雜氣體、光刻氣等高階品種仍存在顯著進口依賴。

15 分鐘專家深入

1. 產業核心壁壘：不只在於合成，更在於”全鏈控制”

電子特氣的難度從高到低排序：

合成：部分氣體合成路徑複雜（如 NF₃ 需電解 NH₄F·nHF，AsH₃ 需高溫氫化反應）
純化：精餾、吸附、膜分離、化學純化等多種技術組合，去除 O₂、H₂O、CO₂、金屬雜質至 ppt 級別
分析檢測：需配備 GC-MS、FTIR、ICP-MS 等分析手段，檢測極限達 ppt（萬億分之一） 水平——這本身就是重大技術壁壘
包裝與儲運：特種鋼瓶內壁電化學拋光（EP）、閥門潔淨度、管路焊接工藝、顆粒控制
現場配送系統（Gas Delivery System）：特氣櫃（Gas Cabinet）、閥門匯流盤（VMB）、尾氣處理系統，均需滿足潔淨度和安全要求
認證週期長：從材料驗證到進入半導體產線，通常需 1-3 年甚至更長的認證週期

2. 純度標準與關鍵雜質指標

電子特氣的純度不是單一指標，而是多維度雜質聯控體系：

┌──────────────────────────────────────────────────┐
│           電子特氣純度評估維度（示例）                │
├──────────────┬───────────────────────────────────┤
│ 主組分純度    │ 5N / 6N / 7N / 8N                 │
│              │ (99.999% / .../ 99.9999999%)       │
├──────────────┼───────────────────────────────────┤
│ 關鍵雜質      │ H₂O, O₂, CO, CO₂, N₂, H₂,        │
│              │ CH₄, 顆粒物, 金屬離子               │
├──────────────┼───────────────────────────────────┤
│ 典型控制水平  │ 常規工藝: 各雜質 &lt; 1 ppm            │
│              │ 先進工藝: 各雜質 &lt; 100 ppt 甚至更低  │
├──────────────┼───────────────────────────────────┤
│ 顆粒物       │ >0.1μm / >0.03μm 粒子數            │
│              │ (先進節點對亞微米顆粒零容忍)          │
└──────────────┴───────────────────────────────────┘

標註：具體純度要求因氣體品種、工藝節點、客戶規格而異，上表為行業通用量級參考，具體數值屬各家晶圓廠機密工藝配方。

3. 為什麼先進製程對純度要求更高？

隨著製程從 28nm → 7nm → 5nm → 3nm 推進：

刻蝕深寬比增大（FinFET/GAA 三維結構）→ 刻蝕氣體中微量雜質改變等離子體化學平衡
薄膜厚度降至原子層級別（ALD 工藝）→ 沉積氣體雜質直接影響單原子層質量
摻雜區縮至奈米級→ 注入氣體純度影響摻雜均勻性
多層互連層數增加→ 每層工藝中雜質累積效應被放大

簡言之：工藝每前進一個節點，電子特氣純度要求至少提升一個數量級。

技術原理

核心化學機制

（一）等離子刻蝕氣體

刻蝕氣體在等離子體中解離產生活性基團（自由基），與晶圓表面材料發生化學反應 + 物理轟擊實現選擇性去除：

典型氟碳刻蝕（以SiO₂為例）:

  CF₄ + e⁻ → CF₃* + F*   (等離子解離)

  SiO₂ + 4F* → SiF₄↑ + O₂↑  (化學刻蝕)

  CF₃* 在表面沉積形成聚合物保護層 → 提高選擇性

  ──────────────────────────────────────
  刻蝕速率 ∝ [F*]濃度 × 離子能量 × 表面反應活性

  選擇性 = 目標材料刻蝕速率 / 掩膜層刻蝕速率

不同氣體在等離子體中的 C/F 比（碳氟比）或 F 自由基產量決定了刻蝕 vs 聚合的競爭關係：

不含碳的 F 基氣體（如 SF₆）→ 主要產生大量 F 自由基，表現為各向同性刻蝕，無聚合物沉積
C/F 比低（如 CF₄）→ F 原子多 → 各向同性刻蝕為主
C/F 比高（如 C₄F₈, C₄F₆）→ 聚合物沉積強 → 各向異性刻蝕（方向性好）

（二）CVD 沉積氣體

以矽烷沉積 SiO₂ 薄膜為例:

  SiH₄ + O₂  ─(等離子/熱)→ SiO₂ + 2H₂O

以 WF₆ 沉積鎢為例（接觸孔填充）:

  WF₆ + 3H₂ → W(固) + 6HF↑

以 SiH₄ + NH₃ 沉積 Si₃N₄ 為例:

  3SiH₄ + 4NH₃ → Si₃N₄ + 12H₂

（三）摻雜氣體（離子注入源）

PH₃ → P⁺ (磷離子)  → N型摻雜
AsH₃ → As⁺ (砷離子) → N型摻雜（擴散係數更低，用於淺結）
B₂H₆ → B⁺ (硼離子)  → P型摻雜
BF₃ → B⁺ (硼離子)   → P型摻雜

關鍵安全提示：AsH₃（砷化氫）、PH₃（磷化氫）均為劇毒氣體，LC₅₀ 極低，需在負壓氣櫃中操作並配備多重洩漏檢測與尾氣處理系統。

（四）腔體清洗氣體

NF₃ 在等離子體中分解產生活性氟自由基，與沉積在腔壁上的 Si、SiO₂、SiN 等薄膜副產物反應，生成揮發性產物排出：

NF₃ → NF₂* + F*   (等離子分解)
Si + 4F* → SiF₄↑
SiO₂ + 4F* → SiF₄↑ + O₂↑

NF₃ 因高分解率、低殘留、對腔體低損傷而成為主流清洗氣體，逐步替代了早期使用的 C₂F₆ 和 SF₆。

（五）光刻雷射氣體

DUV（深紫外）準分子雷射器的核心：

KrF 光刻 (248nm):
  Kr + F₂ + Ne(緩衝)  ─(放電激勵)→  KrF* → Kr + F + hν(248nm)

ArF 光刻 (193nm):
  Ar + F₂ + Ne(緩衝)  ─(放電激勵)→  ArF* → Ar + F + hν(193nm)

雷射氣體混合物中 F₂ 濃度極低（典型僅為緩衝氣體 Ne 的千分之幾量級），混合精度和純度直接影響雷射輸出能量穩定性、脈衝間能量均勻性，進而影響光刻CD（關鍵尺寸）一致性。

技術演進史

時期	製程代際	電子特氣關鍵變化
1980s	>1μm	使用基礎氣體：Cl₂、HCl、SiH₄、PH₃、AsH₃、BF₃ 等；純度要求 4N-5N
1990s	0.5μm → 0.18μm	引入氟碳化學刻蝕（CF₄/C₂F₆/C₃F₈）；NF₃ 開始用於腔體清洗；KrF 光刻氣體商品化
2000s	90nm → 45nm	C₄F₈/C₄F₆ 替代 C₂F₆ 實現高深寬比刻蝕；ArF 準分子雷射氣體需求崛起；6N 純度成標配
2010s	28nm → 7nm	FinFET 結構引入對刻蝕氣體提出更高各向異性要求；ALD 前驅體氣體興起；EUV 光刻逐步匯入（Sn 靶+H₂ 環境氣體）；環保法規收緊（SF₆/NF₃ 高 GWP 推動替代）
2020s	5nm → 2nm →	GAA/奈米片結構對原子層刻蝕（ALE）氣體要求提升；含氟氣體替代研究活躍（C₄F₆ 替代 C₄F₈ 已有進展）；中國國產化加速

EUV 補充：EUV 光刻的光源採用 CO₂ 雷射轟擊錫（Sn）液滴的 LPP（雷射產生等離子體）方案，光源腔體中使用高純 H₂ 作為緩衝氣體並形成氫等離子體保護環境，以防止錫汙染收集鏡。這是 EUV 系統中對氣體純度有特殊要求的環節。

技術路線對比

主要刻蝕氣體對比

氣體	化學式	典型用途	刻蝕特性	GWP（百年尺度，估算）	環保趨勢
四氟化碳	CF₄	通用氟刻蝕（Si, SiN）	各向同性為主	~7,390	逐步減少用量
八氟環丁烷	C₄F₈	氧化矽高深寬比刻蝕	聚合物強、各向異性好	~10,300	尋找替代品
六氟丁二烯	C₄F₆	先進邏輯刻蝕	更優選擇性，可部分替代 C₄F₈	較低（待確認具體值）	研發熱點
六氟化硫	SF₆	Si 深刻蝕（MEMS/功率）	強刻蝕、側壁保護	~23,500	監管收緊、尋找替代
三氟化氮	NF₃	CVD 腔體清洗	高分解率、低殘留	~17,200	尋求低 GWP 替代
氯氣	Cl₂	金屬刻蝕（Al, W, TiN）	化學刻蝕選擇性好	—	用量穩定
溴化氫	HBr	多晶矽/金屬柵刻蝕	側壁保護好	—	用量穩定

注：GWP 資料為 IPCC 評估值量級，具體取值因評估報告版本略有差異。CF₄ / SF₆ / NF₃ 均為”長壽命溫室氣體”，是半導體行業碳減排的焦點之一。

含氟氣體替代路線

當前狀態:
  高 GWP 氣體 (SF₆, NF₃, C₄F₈) ←──── 主流使用
  │
  ├── 路線 A: C₄F₆ 替代 C₄F₈  → 部分工序已實現，GWP更低
  ├── 路線 B: 氟化有機氣體(F-gas)新品種 → 研發階段
  ├── 路線 C: 最佳化等離子工藝引數降低氣體消耗 → 工藝改善
  └── 路線 D: 固態氟源/其他物理清洗方案 → 概念階段

上下游

產業鏈全景

上游 ────────────── 中游 ──────────────── 下游

原材料/前驅體        氣體合成與純化           終端應用

┌───────────┐    ┌──────────────┐    ┌────────────────┐
│ 螢石(CaF₂) │    │ 合成反應       │    │ 晶圓代工廠      │
│ (氟化工原料)│───→│ 精餾/吸附純化  │───→│ (TSMC/三星/     │
│ 液氯/氫氣   │    │ 混配           │    │  Intel/中芯等)  │
│ 高純金屬    │    │ 分裝/鋼瓶處理  │    │                │
│ 工業氣體    │    │ 分析檢測       │    │ 儲存器廠商      │
│ (N₂,Ar,He) │    │              │    │ (SK海力士/三星) │
└───────────┘    │              │    │                │
                  │ 氣體配送系統   │    │ 面板/LED/光伏   │
                  │ (Gas Cabinet) │    │ 光電子/功率器件  │
                  └──────────────┘    └────────────────┘
                        │
                  ┌─────┴─────┐
                  │ 特種容器/閥門│
                  │ 管路/尾氣處理│
                  │ 裝置廠商    │
                  └───────────┘

關鍵上游依賴

氟資源：中國螢石儲量位居全球前列（約佔全球 13-15%[USGS 估算]），但高純氫氟酸（電子級）仍部分依賴進口
高純金屬雜質標準品：分析檢測所需的標準物質
特種容器：內壁電解拋光（EP）不鏽鋼氣瓶，高階產品供應商以海外企業為主
高純閥門與減壓器：如 Swagelok、AP Tech 等品牌的半導體級閥門

關鍵指標

指標	說明	行業水平（量級參考）
主組分純度	核心氣體純度等級	5N~8N+（視品種和工藝節點）
雜質總量	單項雜質之和	先進節點要求單項雜質 < 100 ppt 量級
水分（H₂O）	最常見且最難去除的雜質	高階品 < 10 ppb，先進需求 < 1 ppb
氧（O₂）	影響氧化敏感工藝	同上量級
顆粒物	粒徑與數量密度	>0.03μm 粒子控制為先進節點關注指標
金屬離子	Fe, Na, K, Ca, Cu 等	< 10 ppt（高階需求）
供應壓力穩定性	流量與壓力波動	±1% 以內（精密刻蝕工藝）
認證週期	從送樣到量產匯入	1~3 年（視客戶與品種）

供需與市場資料

全球市場規模

全球電子特氣市場約 40-50 億美元/年（[行業綜合估算，含光刻氣]）；若計入工業大宗氣體在半導體中的份額則更大
半導體用電子特氣佔整體電子氣體市場的比例因口徑不同有差異，通常佔 50-60% 左右[行業估算]

中國市場

中國半導體用電子特氣市場約 150-250 億元人民幣/年[國內行業報告估算，口徑差異較大]
高階品種（含氟刻蝕氣、摻雜氣、光刻氣）國產化率差異顯著：
- 部分通用品種（如 N₂O、NH₃ 高純級）國產化率較高
- NF₃、WF₆、高純摻雜氣等：國產化率正在提升但仍需追趕
- 光刻雷射氣體混合物：國產化程度有限

供給端特徵

寡頭壟斷：全球前五大企業（Air Liquide、Linde、Taiyo Nippon Sanso/Matheson、SK Materials、Hyosung 等）合計佔據全球主要份額[估算]
產能擴張週期：新建設施從投產到通過客戶認證通常需 2-3 年
地緣因素：中美科技博弈背景下，中國晶圓廠對國產電子特氣的驗證意願顯著增強，國產替代視窗期開啟

代表公司與資本對映

國際龍頭

公司	總部	核心品種	競爭優勢
Air Liquide	法國	全品種覆蓋	全球最大工業氣體公司，半導體級全線供應
Linde	德國/愛爾蘭	全品種覆蓋	與 Air Liquide 並列雙寡頭
SK Materials	韓國	NF₃、WF₆、SiH₄ 等	韓系供應鏈核心配套，本土化優勢
Hyosung	韓國	NF₃ 等	全球 NF₃ 主要供應商之一
Kanto Denka Kogyo	日本	刻蝕氣體、摻雜氣體	日系半導體供應鏈深度繫結
Resonac（原昭和電工）	日本	多種特氣	日本半導體材料龍頭之一
Taiyo Nippon Sanso（Matheson）	日本/美國	光刻氣混合物等	光刻氣領域領先地位

中國主要企業

公司	A 股程式碼	核心品種	備註
華特氣體	688268.SH	氟碳類、混合氣、高純氣體	國內電子特氣龍頭之一，光刻混合氣已獲認可
金宏氣體	688106.SH	超純氨、高純氧化亞氮等	特種氣體+大宗氣體雙輪驅動
南大光電	300346.SZ	MO 源（前驅體）、部分特氣	MO 源領域國內領先，向特氣延伸
雅克科技	002409.SZ	光刻膠、前驅體、特氣	多品類版面配置的半導體材料平台
昊華科技	600378.SH	含氟電子氣體	中國化工集團旗下，氟化工基礎雄厚
凱美特氣	002549.SZ	電子級 CO₂、CO 等	氣體純化技術向電子級延伸

注：以上公司產品線和競爭地位會動態變化，具體資訊請以最新公告為準。

投資邏輯

核心驅動力

晶圓廠擴產週期：全球範圍內的成熟製程與先進製程產能建設（中國大陸多條產線在建），直接拉動電子特氣需求量
國產替代：在地緣政治與供應鏈安全考量下，中國晶圓廠對國產電子特氣的匯入加速，認證壁壘即護城河——一旦通過認證，客戶粘性極高
工藝升級量價齊升：先進節點對純度要求更高 → 高階產品單價提升 + 品種數量增加（如新的刻蝕化學體系需要新氣體）
碳中和催化替代品：SF₆/NF₃ 等高 GWP 氣體面臨法規壓力 → 低 GWP 替代品的研發可能催生新品類機會

風險點

認證週期長：新材料從開發到放量耗時久，營收兌現節奏慢
技術追趕仍需時間：高階品種（光刻氣混合物、超高純摻雜氣等）國產化尚在早期
競爭加劇：國內企業集中湧入可能帶來階段性產能過剩和價格壓力
大宗氣體價格波動：部分企業兼營工業氣體，工業端價格波動影響業績
環保政策不確定性：含氟氣體政策法規變化可能影響特定品種需求

常見誤讀糾偏

誤讀 ①：“電子特氣就是工業氣體提純一下”

糾偏：這是最大的認知誤區。電子特氣遠非簡單的”提純”：

合成路徑完全不同：工業級 NF₃ 與電子級 NF₃ 雖然化學式相同，但合成工藝、催化劑選擇、反應條件控制均有差異
純化是系統工程：將工業級 99.9% 提純到 6N/7N 不是線性放大過程，不同雜質需要不同的純化手段（精餾去重雜質、吸附去水分、膜分離去特定組分），且純化過程中不能引入新的汙染
包裝與配送同為核心環節：即使氣體本身達標，若鋼瓶內壁潔淨度不足、閥門密封件出氣、管路焊接粗糙，到達晶圓表面時純度也會劣化
分析能力是入場券：無法檢測到 ppt 級別的雜質，就無法證明產品達標。高階分析檢測裝置（GC-MS、ICP-MS 等）本身就是重大投入

誤讀 ②：“中國電子特氣已基本實現國產替代”

糾偏：

中低端品種（部分高純大宗氣體、通用刻蝕氣體的中低純度等級）確實已有國產供應
但高階品種方面，如滿足 7nm 以下先進製程需求的超高純含氟氣體、光刻雷射氣體混合物、特定摻雜氣體等，國產化率仍顯著偏低
即使技術上達到了純度標準，進入先進製程量產線的驗證和大規模供應還需時間和業績積累
“國產替代”是趨勢，但需區分”已有突破”和”規模替代”，不宜一刀切樂觀

誤讀 ③：“特氣行業的壁壘主要在技術，有技術就能快速放量”

糾偏：

技術是必要非充分條件。電子特氣的真正壁壘是 “技術+認證+服務” 三位一體
半導體客戶驗證週期長達 1-3 年，涉及小試、中試、可靠性驗證、產線試用等多個階段
一旦通過認證，客戶不會輕易更換供應商（切換成本極高、風險極大），形成天然鎖定效應
此外，現場配送系統的設計、安裝、運維服務也是客戶粘性的重要來源

學習路徑

入門級

瞭解半導體制造基本流程（刻蝕、沉積、光刻、摻雜、清洗）
閱讀各氣體品種的 Material Safety Data Sheet（MSDS/SDS），建立對氣體物理化學性質的基本認知
瀏覽國內上市公司（華特氣體、金宏氣體等）招股書和年報中的”行業介紹”章節

進階級

學習等離子體刻蝕基礎：推薦閱讀《Plasma Etching Fundamentals》等教材
研讀 SEMI 標準（如 SEMI C1-C12 系列氣體純度標準）
關注行業會議論文：如 SEMICON、AVS、ECS 等會議中的氣體純度和分析技術主題

專家級

深入研究特定氣體的合成化學與純化工藝（可參考各公司專利文獻）
追蹤全球含氟氣體法規（F-gas Regulation、京都議定書等）對行業的影響
調研各晶圓廠的氣體消耗量與品種結構（部分資料散見於環評報告、行業研究報告）

一句話總結

電子特氣是半導體制造的”血液”，其純度即良率、供應即安全——技術壁壘在於合成純化全鏈條控制，商業壁壘在於漫長認證帶來的客戶鎖定，是典型的”小而關鍵”的半導體材料賽道。

延伸閱讀與來源

SEMI 標準：SEMI C1-C12 系列（高純氣體純度與檢測標準），訪問 semi.org
行業研究報告：各大券商半導體材料深度報告（中信/華泰/中金等均有專題覆蓋）
公司公告：華特氣體（688268.SH）、金宏氣體（688106.SH）等招股書及年報中的行業分析部分
環保法規：IPCC 關於 SF₆/NF₃ 等 F-gas 的評估報告；歐盟 F-gas Regulation
學術參考：《Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology》（第二版）中氣體與等離子體相關章節
資料來源說明：本文市場規模及國產化率資料為行業綜合估算，標註 [行業估算] 的資料因統計口徑不同可能存在差異，請以最新行業報告為準