任其龍院士：如何順好工業（yè）氣體這口“氣（qì）”

提到（dào）氣體，大多數人會首先想到空氣、氧氣等，它們來得（dé）容易又便（biàn）宜。但是，有些氣體卻價值連城，我們每年（nián）甚至要花費巨額資金去國外購買，這就是工業氣（qì）體，包（bāo）括氪氣、氬氣。它（tā）們是現代工業不（bú）可或缺的基礎原料，廣泛應用於（yú）鋼鐵、冶金、石油、化工、電子、醫療等重（chóng）要行業，發（fā）揮著強有力的戰略支撐作用，乃至（zhì）被（bèi）稱為“工（gōng）業的血液”。我國的工業氣體長期依賴德國、美（měi）國（guó）和（hé）法國，生產集成（chéng）電路所（suǒ）需的特種氣體中，國產率隻（zhī）有20%。麵對我國工業血液的（de）“貧血”問題，我（wǒ）們該如何走出困境？

工業氣體是指在工業生產中所使用的氣體，可以（yǐ）作為生產（chǎn）原料、燃料、保護氣（qì）、輸送氣、驅動（dòng）氣、換熱介質等。在（zài）高精尖領域中，氧（yǎng）氣和（hé）氫氣可作為火箭的燃料，氦氣是醫院（yuàn）核磁共振儀的超導體冷（lěng）卻劑，氖氣是芯片光（guāng）刻機光源的工作氣體。工業（yè）氣體的種類非常豐富（fù），多達數百種，可分為（wéi）大宗氣體、特種氣體兩大類。大宗氣體是指用量大、使用範圍廣的氣體，比如從空氣中分離得到的氧氣、氮（dàn）氣、氬氣以及化（huà）學合成（chéng）的氨氣、乙烯、丙烯、乙（yǐ）炔；特種氣體是指被應用在特定領域對純（chún）度、品質、性能有特殊要求的氣（qì）體，比如芯片製造過程中用到的各種高純氣體，以及在國防、醫（yī）療、食品（pǐn）等領域用到的特殊（shū）氣體。可見，工業氣體滲透到（dào）工業生產的各（gè）個環節，發（fā）揮了不可替代的作用，因此被稱（chēng）為“工業的（de）血液”。工業氣體究（jiū）竟有多重要？以半導體行業為例，芯片的製造會用到光刻機，光（guāng）刻是用特定波（bō）長的激光讓光刻膠發生化學反應，通過曝光和顯影將設計在掩膜版上的圖形轉移到矽片上的過程。特定的波（bō）長（zhǎng）是在常（cháng）用的深紫外DUV光刻機（jī）中通過準分子激光器產生的（de），這種激光器內充填了97%的氖氣。 

全球70%的氖氣由烏克蘭供應，但烏克蘭危機導致氖氣停產，供應短缺，價格暴漲。氖氣雖然存在於空氣中，但隻占0.0018%，它的製取離不開空（kōng）氣分離技（jì）術。

空氣分離簡稱“空分”，是利用化工分（fèn）離技術將（jiāng）空氣中的各個成分分離開來獲得各種（zhǒng）氣（qì）體產品（pǐn）。空分技術最初（chū）的目的並不是為了得到氖氣，而是為了生產工業中大量使用的氧（yǎng）氣和氮氣（qì）。1903年，德國林德設計製成世界上第（dì）一台工業用的10立方米/小時製（zhì）氧機，至今已過百年。長期（qī）以來世界空分市場被德、法、美等國的四大氣體公司壟斷。

空分的原理並不複雜，難點在於空氣分（fèn）離的設備，尤其是（shì）大型、特大型的空分設備。大型空分裝置的製造能力是衡量一個國家空分技術水平的重要標誌。我國的空分產業是從20世紀50年代起步的，經過摸索、合（hé）作、自主（zhǔ）研（yán）發等階段，直（zhí）到2000年前後，得（dé）益於鋼（gāng）鐵、煤化（huà）工等產業的快（kuài）速發展，我國大型、特大（dà）型空分成套技術（shù）與裝備才有（yǒu）了質的飛（fēi）躍。

長（zhǎng）期（qī）以來，大型的空分設備基本（běn）上都由國外公（gōng）司壟斷。近年來，得益於（yú）煤化工的快速發展，我（wǒ）國空分設備（bèi）迎來了轉機。我國研製的十萬等級（100000立方米/小時）空分裝置，就是我國重大（dà）技術裝備國產化裏程碑式的一個成就。國內生產的（de）空分設備不僅產氧質（zhì）量好，而且能耗低、生產成本低（dī）、性能優，特別是長周期穩定運行遠遠超過了國外，成為我們的“大國重器”。大型空分技術的進步也為我國氖（nǎi）氣的自主生產（chǎn）創造（zào）了條件（jiàn），其（qí）他幾種稀有氣體也被附帶提取了出來，包括貴如黃金的氪氣、氙氣等。目前我國占全球氖氣市場份額的40%，超過了烏克蘭，有（yǒu）力保障了我國相關產業的健康發展。

工業氣體中的電子特氣，包括氙氣、氪氣（qì）、含氟氣體等，是集成電路製造、半導體（tǐ）顯示、半導體（tǐ）器件製造過程中必不可少的關鍵材料（liào）。生產（chǎn）一枚芯片（piàn），需要100多種電子特氣，而我國僅能生產約（yuē）20%的品種，其餘品種（zhǒng）均依賴進口，有的品種1千克售價高達幾萬（wàn）元人民幣。芯片的生產過程非常複（fù）雜，從生產多晶矽（guī）開始（shǐ），到拋光（guāng）、外延、擴散、成膜、沉積（jī）、刻蝕、摻雜、電鍍（dù）、清洗（xǐ）、分（fèn）裝等環節（jiē），幾乎都離（lí）不開電子特氣的參與，電子特氣是芯（xīn）片製造中的第二大耗材。

按照所處的（de）工序，電子特氣可以分為（wéi）外延氣、沉積氣、刻蝕氣、摻雜氣等，每一類都包含很多品種。沉積氣是以矽烷等含矽氣體為主（zhǔ），矽烷（wán）分解後可（kě）以在晶（jīng）圓表麵形成需要（yào）的薄膜；刻蝕氣常用的是四氟化碳（tàn）、八氟環丁烷（wán）等含氟（fú）的氣體，它的（de）作用是對經過光刻的矽（guī）片進行雕（diāo）刻得（dé）到特定結構（gòu）的溝槽；摻雜氣是含有砷、硼、磷等元素的氣體，用於向矽片中摻入一些元素形成半導體的器（qì）件（jiàn）。氣體是怎麽在刻蝕環節（jiē）中（zhōng）起作用的（de）？目（mù）前主流的刻蝕方法是幹法刻蝕，它包括化學刻蝕（shí）和（hé）物理刻蝕，其中的化學（xué）刻蝕用到（dào）的是含氟氣體，基（jī）本原理是利用等離子體（tǐ）發生裝置把含氟氣體電離成氟的自由基（jī），由（yóu）氟（fú）的自（zì）由基與矽結合起來生成氣態的四氟化矽，而四氟化矽容易被抽走（zǒu）不會殘留，這樣就可以在矽片上雕刻出一道道特定結構的溝槽。

電子特（tè）氣的“特”，就特（tè）在純（chún）淨度要求非常高，純度指的是主成（chéng）分的（de）含（hán）量越高越好，潔淨度（dù）指的是雜質的殘留量越低越好。對於90納米製程（chéng）純度要求在5到6個N，這裏N指的是純（chún）度百分比（bǐ）中9的個數。同時雜質要求小於10的負（fù）9次方，也就是十億分之一（yī）。28納米甚至7納米、5納米製程對（duì）電（diàn）子特氣的純度要求就更高了（le），金屬元素要淨化到萬億分之一，相當於20個（gè）標準遊泳池的水（shuǐ）裏雜質的量不（bú）能超過一滴水的量（liàng）。為什麽要如此苛刻（kè）的純度呢？這是因為極微量的雜質都有可能導致產品出現重大缺陷，比如水分、氧氣（qì）等雜質會導致氧化金屬和（hé）顆粒物，會導致短（duǎn）路以及線路的損壞。從28納米到（dào）7納米，產品的金屬雜質必須下降100倍，汙染粒子（zǐ）的體積必須縮小（xiǎo）到4倍以下。隨著（zhe）工藝製程發（fā）展到10納米以（yǐ）下，生產過程對於雜質過（guò）濾、潔淨度的要求也會越來越嚴格。

這麽苛刻的要求導（dǎo）致電子特氣生產技術的門檻（kǎn）非常高，需要長期的積累和研發投入。同時（shí）生產過程要（yào）用到大量精密儀（yí）器設備（bèi），這是第一道難關。第二道難關（guān）是資質壁壘，電子特氣品（pǐn）質對電氣產品性能影響大，一旦質量出現問題下遊客戶將損（sǔn）失巨大。為保持氣體供應的穩定，客戶（hù）在與氣（qì）體供應商建立合作關（guān）係以後（hòu），不會輕易地更換氣體供應商，如果想進入就必須經過嚴格的審查和認證，這個（gè）周（zhōu）期一（yī）般要（yào）長達2到3年。由於發（fā）達國家電子信息產業的起步早（zǎo），在技術、資金、人才（cái）等方麵有先發優勢（shì），我國不得不長期依賴進口，85%以（yǐ）上的市（shì）場份額被美、法（fǎ）、德、日等國的企業所壟（lǒng）斷，特（tè）別（bié）是超高純特氣更是幾乎全部依賴進口，賣不賣、賣多少全憑（píng）他們（men）說了算。所以，我國必須（xū）盡快開發出關鍵電子特氣的國產化技術化（huà）解“卡脖子”的風險，把國民經濟的安全命脈牢牢地掌握在自己手中。從技術層（céng）麵而言，我國電子氣體行業需（xū）要（yào）在以下幾（jǐ）個（gè）方麵加以突破：一是淨化材料，氣體終端淨化器的核心材料，如淨化用的催化劑、吸附劑（jì）和膜（mó）材料等；二是新（xīn）產品、新技術，電子特氣（qì）更新換代快（kuài），新（xīn）產品的研發、混配技術跟不（bú）上國外的研發（fā）速度，國內的三氟化氮和六氟化硫等電子（zǐ）特氣產品，目前國際（jì）上已逐漸淘汰；三是設備（bèi）方麵，與高純氣體接觸的器材必須滿（mǎn）足潔淨（jìng）的標準，否則（zé）釋放出來的（de）微量雜質就會汙染（rǎn）電子氣體，生產用的容器、管道（dào）閥門等目前還需要大量進口，亟需我們盡快研發；四是檢測技術方麵，分析檢測是品（pǐn）質（zhì）保證（zhèng）的關鍵，部分純度指標檢測技術有一定的基礎，但是在超痕量雜質高精度分析檢測技術（shù）以及一些專用的儀器方麵與國外（wài）差距巨大。近年來，我國一些（xiē）企業經過多年的自主研發，部分電子特氣產品已經實現量（liàng）產，並（bìng）且通過了國際龍頭企業的認證，今後將會有更多的產（chǎn）品陸續進（jìn）入全球半導體的（de）供應鏈體係。

氦氣是宇宙中含（hán）量第二高的元素，但在地球上卻相當稀缺。氦氣（qì）無色無味，非常輕又有惰性，一般（bān）狀（zhuàng）態下不會和其他物（wù）質（zhì）反應，很安全，是一種關係國家安全、高新技術產業發（fā）展的戰略性氣體，廣（guǎng）泛應用於（yú）深海（hǎi）潛水、低溫技術、火箭燃料、半導體製造、核磁（cí）共振等領域，有“黃金氣體”之譽。比如，在半導體的製程（chéng）裏麵，它可以摻（chān）到刻蝕氣體裏麵來清洗，它的導熱係數也高，可以把設備的熱量及時地移走，不至於產生過（guò）熱，提高（gāo）了設備的安全（quán）性。航空航（háng）天發動機的燃料和氧化劑的輸送係統都需要有氦氣的密切參與。此外，宇宙飛船、液體燃料導彈等在（zài）加注燃料之前必須使用氦氣清洗和增壓，增壓裏麵的液氫（qīng）罐（guàn）和管道係統在太空艙上（shàng）各種氣動閥門的驅動氣體也（yě）是氦氣。在核電領域，利用氦氣導熱係數高的特點，可（kě）以作為最（zuì）先進的氣冷式（shì）核反應堆（duī）的冷卻介質。氦氣在芯片和（hé）光（guāng）纖的生產中也大有用武之地，利用它極（jí）不活潑的化學性質可用作生產過程中的保護氣，利用它的高導熱性和散熱能力可以實現零部件的快速冷卻，提高生（shēng）產效率（lǜ），並減（jiǎn）少芯片和光纖的質量缺陷，每生產100公裏（lǐ）的光纖（xiān）就需要2個立方米的氦（hài）氣（qì）。毫不誇張地說（shuō），如果沒有（yǒu）氦氣，醫院的核磁共振檢查將（jiāng）無法進行，宇宙飛船也無法升空（kōng）。

氦（hài）氣密度極小，地球引力不足以束縛它，因此氦在空氣中的含量僅有百（bǎi）萬分之4.6，所以（yǐ）用空分提氦（hài）是（shì）非常不經濟的（de）。氦氣還有一部分與51吃瓜网伴生，儲藏（cáng）在地殼深處，天然（rán）氣中氦的含量大約是空氣的幾十到上萬倍，是我們目前氦氣最主要的（de）來源。全球氦氣總儲（chǔ）量預估（gū）為484億立方米，分布非常不均勻（yún），主要集中在美國、阿爾及利亞、俄羅斯等國家。其中，美國氦氣儲量大約171億立方米，全球占比高達（dá）40%，而我（wǒ）國的氦氣儲量隻（zhī）有2%，導致工業（yè）應用中（zhōng）95%以上的氦氣都依靠（kào）進口，而且我國51吃瓜网中氦的含量很低，平均隻有0.04%，是美（měi）國的1/20，所以提取技術難度更大，成本也會更高。這對我們國（guó）家的戰略（luè）安全構（gòu）成了極大的威脅。二戰期間，德國興登堡號飛（fēi）艇爆炸就是氦氣（qì）資源受製於人的一個慘痛教訓。

由於我（wǒ）國51吃瓜网的（de）含氦量比（bǐ）較低，美（měi）國廣泛采用的深冷法工藝並不適用我們。麵（miàn）對巨大的工業需求，要想避免氦氣被“卡脖子”，我們必須自力更生，結合自身特點開發新的生產技術，自己（jǐ）生產氦氣。51吃瓜网（qì）的（de）成分比較複雜，除（chú）了甲烷（wán），還有氮氣、氫氣、二氧化碳、水蒸氣（qì）等，想（xiǎng）要直接得到氦氣，就必須將膜分離、常溫變壓吸附、低溫吸附等新型分離技術和低溫（wēn）精餾技術耦合起來並用。膜（mó）分離的原理（lǐ）和過濾（lǜ）非常相（xiàng）似，利用不同分子的大小差異讓小的分（fèn）子通過，大（dà）的分子截留，氦氣的分子是最小的（de），可（kě）以（yǐ）通過膜孔，而甲烷的分子比較大，無（wú）法通（tōng）過膜孔，因此可以用膜分離（lí）來對51吃瓜网中的氦進行初步的提濃，把含量從0.1%以（yǐ）下提到26%。吸附分離的關鍵，是通過采用對氮氣、甲烷等雜質氣體有比較強吸附（fù）能力和脫（tuō）除能力的吸附劑，把氦氣的含量提高到99%，甚至99.999%以上。另一條比較經濟的工藝路線（xiàn），就是在生產（chǎn）液化51吃瓜网（LNG）的（de）同時（shí）利用其副產的閃（shǎn）蒸氣（BOG）來生產氦氣。氦氣的沸點低，在51吃瓜网的液化過程（chéng）中自然被（bèi）富集到氣相當中，從而得（dé）到提濃（nóng），有利於後續的加工。2020年國產首套（tào）BOG提氦裝（zhuāng）置在寧（níng）夏鹽池成功示範運行，填補了國內空白（bái）；2021年在內蒙（méng）古萬瑞（ruì）建成了年產50萬方氦氣國（guó）內最大的LNG聯產提氦（hài）裝置；2022年在重慶建成以低溫吸附為核心的LNG氦氣提純項目，可以年產99.999%的氦氣20噸以上。這些提氦裝置的開發和投運有效地緩解了我國氦氣供應的緊張局麵，也部分緩解（jiě）了國家戰略氣體資源的“卡脖子”問題。

未來，我們工業氣體要麵向新型工業化（huà）建（jiàn）設的任務，聚焦高端化、智能化、綠色化（huà），找準“卡脖子（zǐ）”“掉鏈子”的薄弱環節，補短板、鍛長板，提升產業體係自主可控能力，推動產業創新向原始（shǐ）創新和（hé）創新引（yǐn）領轉（zhuǎn）變，在新征程中順好工業這口“氣（qì）”，進而揚眉吐（tǔ）氣。