國產率隻（zhī）有20%，我（wǒ）國戰略氣體（tǐ）也（yě）被“卡脖（bó）子”？院士解讀如何走出困境

任其龍，中（zhōng）國工（gōng）程院院士，浙江大（dà）學教授（shòu）。長期從事化工分離領域的（de）應用基礎研究和工（gōng）程實踐，針對現代工業對高純（chún）化學（xué）品的重大（dà）需求，創建了分子辨識分離工程平台技術，在（zài）工業氣體分離、精細（xì）化學品分離等領域取得了重大（dà）突破，解決了組分極複雜、分子極相似混合物的分離難題，建成了十餘條高純化（huà）學品先進製造生產線，引領了我國化工（gōng）分離領域的高質量（liàng）發展。

　　提到氣體，大多數人會首先（xiān）想到空氣（qì）、氧氣等，它們來得容易又便宜。但是，有些氣體卻價值連城（chéng），我們每年甚至要花費巨額資金去國外購買，這就是工業氣體，包括氪氣、氬氣。它們是現代工業不可或缺的（de）基礎（chǔ）原料，廣泛應（yīng）用於鋼鐵、冶金、石油、化工、電子、醫療等重要行業，發揮著（zhe）強有力的戰略支撐作用，乃至被稱為“工業的（de）血液”。我國的工（gōng）業氣體長期依賴德國、美國和法（fǎ）國，生產集（jí）成電路所需的特種氣體中，國產率隻有20%。麵對我國（guó）工業血液的“貧血（xuè）”問題，我們該如何走出困境？

　　“工業的血液”

　　工（gōng）業（yè）氣體是指在工業生產中所使用（yòng）的氣體，可以作為生產（chǎn）原料、燃料、保護氣、輸（shū）送氣（qì）、驅動氣、換熱介質等。在高精尖領域中，氧氣和氫氣可作為（wéi）火箭的（de）燃料，氦氣是醫院核磁（cí）共振（zhèn）儀的（de）超導體冷卻劑，氖氣是芯片光刻機光源的工作氣體。工業氣體的種類非常豐富，多達（dá）數百種，可分為大宗氣體、特種氣（qì）體兩大（dà）類。大宗氣體是指用量大、使用範圍廣的氣體，比如從（cóng）空（kōng）氣中分離得到的氧氣（qì）、氮氣、氬氣以及化學合成的氨（ān）氣、乙（yǐ）烯、丙烯（xī）、乙炔；特種氣體是指被應用在特（tè）定領域對（duì）純度、品（pǐn）質、性能有特殊要求（qiú）的氣體，比如芯片製造過程（chéng）中用到的各種高純（chún）氣體，以及在國防、醫療、食（shí）品等（děng）領域用到的特殊氣體。可見，工業氣體滲透到工業生產（chǎn）的各個（gè）環節，發揮了不（bú）可替（tì）代的作用（yòng），因此被（bèi）稱為“工業（yè）的血液”。工業氣體究竟有多重（chóng）要？以半導（dǎo）體行業為例（lì），芯片的製造會用到光刻機，光刻是用特定（dìng）波長的激光（guāng）讓光刻膠（jiāo）發生化學反應，通過曝光和顯影（yǐng）將設計在掩膜版上的（de）圖形轉移到矽片上的過程。特定的波長是（shì）在常用的深紫外DUV光刻機中通過準分子激光器產生的，這種激光器內（nèi）充填（tián）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（zhì）氖氣停產，供應短缺，價（jià）格（gé）暴漲。氖氣雖然存在於空氣中，但（dàn）隻占0.0018%，它的製取離不開空氣分（fèn）離技術。

　　大型空氣分離裝置舉足輕重

　　空氣分離簡稱“空分”，是利用化工分離技術將空氣中的各個成分分離開來獲得各種氣體產品。空分技術最初（chū）的目的並不是（shì）為（wéi）了得到氖氣，而是為了生產工業中大量使用（yòng）的氧氣和氮氣。1903年，德國（guó）林德設計製成世界上（shàng）第一台工業用的10立方米/小時製氧機，至今已（yǐ）過百年。長期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，難點在於空氣分離的設備，尤其是大型、特大型的空分（fèn）設備。大型空（kōng）分裝置的製造能力是衡量一個國家空分技術（shù）水平的重（chóng）要標（biāo）誌（zhì）。我國的空分產業是從20世（shì）紀50年代（dài）起步的，經過摸索（suǒ）、合作、自主研發等階段（duàn），直到2000年前後，得益於鋼鐵、煤化工等產業（yè）的快速發展，我國大型、特大型空分成套技術與裝備才有了（le）質的飛躍。

　　長期以來，大型的空分設備基本上都由國外公司壟斷。近年來，得益於煤（méi）化工的快速發（fā）展，我國空分設備迎來了（le）轉機。我國研製的十萬等級（100000立方米/小時）空（kōng）分裝置，就是我國重大技術裝備國產化裏程碑式的一個成就。國內生產的空分設備不僅產氧質量好，而且能耗（hào）低（dī）、生產成本低、性能優，特別是長（zhǎng）周期穩定運行遠遠超過（guò）了國外，成（chéng）為我們的“大國重器（qì）”。大型空分技術的進步也為我國氖氣的自主（zhǔ）生產創造了條件，其他幾種稀有氣體也被（bèi）附帶提取了出來，包括貴如黃金（jīn）的氪氣、氙氣等。目（mù）前我國占（zhàn）全球氖氣市場份額（é）的40%，超過了烏克蘭，有（yǒu）力保障（zhàng）了我國相關產業的健康發展。

　　半導體生（shēng）產要用到上百種氣體

　　工業氣體中的電子特氣，包括氙氣、氪氣、含氟氣體等，是集成電路製造、半導體顯示、半導體器件製造過程中必不可少的關鍵材料。生產一枚（méi）芯片，需要100多種電子特氣（qì），而我國僅能生產約20%的品種，其餘品種均依賴（lài）進口，有的品種1千克售價高達幾萬（wàn）元人民（mín）幣。芯片的（de）生產過程非常複（fù）雜，從生（shēng）產多晶（jīng）矽開始，到（dào）拋光、外（wài）延、擴散、成膜、沉積、刻蝕、摻雜、電鍍、清洗、分裝等環（huán）節，幾乎都離不開電子特氣的參與，電子特氣是芯片製（zhì）造中的第二大耗材。

　　按照所（suǒ）處的工序，電子特氣可以分為外延氣、沉積（jī）氣、刻蝕氣、摻雜氣等，每（měi）一類都包含很多品種。沉（chén）積氣是（shì）以矽烷等含矽氣體為主，矽烷分解後可以在晶圓表麵形成需要的薄膜；刻蝕（shí）氣常用的是四氟化碳、八氟環丁烷等含氟的氣體，它的作用是對經過光刻的矽片進行雕刻得到特定結構的溝槽；摻（chān）雜氣是含有（yǒu）砷、硼、磷等元素的氣體，用於向矽（guī）片中摻入一些元素形成半導體的器件。氣體是怎麽在刻蝕環節中（zhōng）起作用的？目前主流的刻蝕方法是幹法刻蝕（shí），它包括化（huà）學刻蝕和物理刻蝕，其中的化學（xué）刻蝕用到的是含氟氣體，基本原理是利（lì）用等離子（zǐ）體發生裝置把含氟氣體電離成氟的自由基，由氟的自由（yóu）基（jī）與矽結合起來生成氣態的四氟（fú）化矽，而四氟化（huà）矽容（róng）易被抽走不（bú）會殘留（liú），這樣就可以在矽片上雕刻出一（yī）道道特定結構的溝槽（cáo）。

　　電子特（tè）氣生產技術門檻極高

　　電子（zǐ）特氣的“特”，就特（tè）在純淨（jìng）度要求非常（cháng）高，純度指的是主成分的（de）含量越高（gāo）越好，潔（jié）淨度指的是雜質的殘留量越低越好。對於90納米製程純度（dù）要求在5到6個N，這裏（lǐ）N指的是純度百分比中9的個數。同時雜質要（yào）求小於10的負9次方，也就是十億分之一。28納（nà）米甚至7納米、5納米製程對電子特氣的純度要求就更高了，金屬（shǔ）元素要淨化到萬億（yì）分之一，相當於20個標準（zhǔn）遊泳（yǒng）池（chí）的水裏（lǐ）雜質的量不能超過（guò）一滴水的量。為什麽（me）要如此苛刻的純度呢？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、氧氣等雜質會導（dǎo）致（zhì）氧（yǎng）化金屬和顆粒（lì）物，會導致短路以（yǐ）及線路的損（sǔn）壞。從（cóng）28納米到7納米，產品的金屬雜質必須下降100倍，汙（wū）染粒子的體積必須縮小到4倍以下。隨著工藝製程發展到10納米以下，生產過程對於雜質過濾、潔淨度的（de）要求也會越來越嚴格。

　　這麽苛刻的要求導致電子特氣（qì）生產技術的門檻非常（cháng）高，需要長期的積累和研發投入。同時生產過程要用到大量精密儀器設備（bèi），這（zhè）是第一道難關。第二道難關是資質壁壘（lěi），電子特氣品質對電氣產（chǎn）品性能影響大（dà），一旦質量出現問題下遊客戶將損失巨大。為保持（chí）氣體供應的穩定，客戶在與氣體供（gòng）應商建（jiàn）立合作關係以後，不會輕易地更換（huàn）氣體供應商，如果（guǒ）想進（jìn）入就必須經過嚴格的審查和認證，這個周期一般要長達2到3年。由於發達國家電子信息產業的起步早，在技術（shù）、資金（jīn）、人才等方麵有（yǒu）先發優勢，我國不（bú）得不長期依賴進口，85%以上的市場份額被美、法、德、日等國的企業所壟斷，特別（bié）是超高純特氣更是幾乎全部依賴進（jìn）口，賣不賣（mài）、賣多少全憑他們說了算。所以，我國必須盡快開發出關鍵電子特氣的國產化技術化解（jiě）“卡脖子”的風險，把國民經（jīng）濟的安全命脈牢牢地掌握在自己手中。從技（jì）術層麵（miàn）而言，我國電子氣體行業需要在以下幾個方麵加以突破：一是淨化材料，氣體（tǐ）終端淨化器的核心材料，如淨化用的催化劑、吸（xī）附劑和膜材料等；二是新產品、新（xīn）技術，電子特氣更新換代快，新產品（pǐn）的研（yán）發、混配技術跟不上國外的研發速度，國內的三氟化氮和六氟化硫等電子特氣產品，目（mù）前國際上已逐漸淘汰；三是設備方麵，與高純氣體接觸的（de）器材必須滿足潔淨的標準，否則釋放出來的（de）微量雜質就會汙染電子氣體（tǐ），生產用的容器、管道閥門等目前還需要大量進口，亟需（xū）我們盡快研發；四是檢測技術方麵，分（fèn）析檢測是（shì）品質保證的關鍵（jiàn），部分（fèn）純度指標（biāo）檢測技術有一定的基礎，但是在超（chāo）痕（hén）量雜質高精（jīng）度分析檢測技術以及一些專用（yòng）的儀器方麵與國外差距巨大。近年來，我國一些企（qǐ）業經過多年的自主研發，部（bù）分電子特氣產品已經實現量產，並（bìng）且通（tōng）過（guò）了國際龍頭企（qǐ）業的認證，今（jīn）後將會有更多的產品陸續進入全球半導（dǎo）體的供應鏈體係。

　　宇（yǔ）宙含量第二的地球珍稀氣體（tǐ）

　　氦氣是宇宙中含量第二高（gāo）的元素，但在地球上卻相當稀缺。氦氣無色無味，非常輕又有惰性，一般狀態下不會和其他物質反應，很安全，是一種關係國家安全、高新技術產業發展的戰略性氣體，廣泛應用於深海潛水、低溫技術、火箭燃料、半導體製造、核磁共振等（děng）領（lǐng）域，有“黃金（jīn）氣體”之（zhī）譽。比如，在半導體的製（zhì）程裏麵，它可以摻（chān）到刻蝕氣體裏麵（miàn）來清洗，它的導熱係數也（yě）高（gāo），可以把設（shè）備的熱量（liàng）及時地移走，不（bú）至（zhì）於產生過熱，提高（gāo）了設備的安全性。航空航天發動機的燃料和（hé）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、液體燃料導彈等在加注燃料之前必須使用氦氣清洗和增壓，增壓裏麵的液氫罐和管道係統在太空艙上各種氣動閥門的驅動氣體也（yě）是（shì）氦氣。在核電領域，利用氦氣導熱係數高的（de）特點，可以作為最先進的氣冷式核反應堆的冷卻介質（zhì）。氦氣在芯（xīn）片和光纖的生產中也大有用武（wǔ）之地，利用它（tā）極不活潑（pō）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（hé）散熱能力可以實現（xiàn）零（líng）部件（jiàn）的快速冷卻，提高生產效率，並減少（shǎo）芯片（piàn）和光纖的質量缺陷，每生產100公裏（lǐ）的光纖就（jiù）需要2個立（lì）方米的氦氣。毫不（bú）誇（kuā）張（zhāng）地說，如果沒有氦氣，醫（yī）院的核磁共振檢查將無法（fǎ）進行，宇宙（zhòu）飛船也無法升空。

　　氦氣密度極小，地球引（yǐn）力不足以束縛它，因此氦（hài）在空氣中的含（hán）量僅有百萬分之4.6，所以用空分提氦是非常不經濟的。氦氣還有（yǒu）一部分與51吃瓜网伴生，儲藏在地殼深處，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（qì）最主要（yào）的來（lái）源。全球氦氣總儲量預估為484億立方米，分布非常不均勻，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（gāo）達40%，而我（wǒ）國的氦氣儲量隻有2%，導致工業應用中95%以上的氦氣都依靠進（jìn）口，而且我國（guó）51吃瓜网中氦的含（hán）量（liàng）很低，平均隻有0.04%，是美國的1/20，所以提取技術難度更大，成本也會更高。這對我們國家的戰略安（ān）全構成了極大的威脅。二戰期間，德國興登堡號飛艇爆（bào）炸就是氦氣資源受製於人的一個慘（cǎn）痛教訓。

　　突破戰略氣體“卡脖子”危機

　　由於我國（guó）51吃瓜网的含氦量比較（jiào）低，美國（guó）廣泛采用的深冷（lěng）法工藝並不適用我們。麵對（duì）巨大的工業（yè）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（tè）點開發新（xīn）的生產技術，自己生產氦氣。51吃瓜网的成分比較複雜，除了甲烷，還有（yǒu）氮氣、氫氣、二氧化碳、水蒸氣等（děng），想要直接得到氦氣，就必須將膜分離、常溫變壓吸附、低溫吸附等（děng）新型分離技術（shù）和低溫精餾技術（shù）耦（ǒu）合起來並用。膜分（fèn）離的原理和過濾非常相似，利用不（bú）同分子的大小（xiǎo）差異讓小的分子通過，大（dà）的分子截留，氦氣的分子是最小的，可以（yǐ）通過膜孔，而甲烷的分子比較大（dà），無法通過膜孔，因此可以用膜分離來對（duì）51吃瓜网中的氦（hài）進行初步的提濃，把含（hán）量從（cóng）0.1%以下提到26%。吸附分離的關鍵，是通過采用對（duì）氮氣、甲（jiǎ）烷等雜質氣（qì）體有比較強吸（xī）附能力和脫除能力的吸附劑，把氦氣的含量提高到99%，甚（shèn）至99.999%以上。另一條比較（jiào）經濟的工藝路線，就是在生（shēng）產液化51吃瓜网（LNG）的同時利用其副產的閃蒸氣（qì）（BOG）來生產氦氣。氦氣的沸（fèi）點低，在51吃瓜网（qì）的液化過程中自然被富（fù）集到氣相當中（zhōng），從而（ér）得到提濃，有利於後續的加工。2020年（nián）國產首套BOG提氦裝置（zhì）在寧夏鹽池成功示範運（yùn）行，填補了國內空白；2021年（nián）在內蒙（méng）古萬瑞建成了（le）年產50萬（wàn）方氦氣國內最（zuì）大的LNG聯產提氦（hài）裝置；2022年在重慶建（jiàn）成以低溫吸附為核（hé）心的LNG氦氣提純（chún）項目，可以年產99.999%的氦氣20噸（dūn）以上（shàng）。這些提（tí）氦裝置的開發和投運有效地緩解了我國氦氣供應的緊張（zhāng）局（jú）麵（miàn），也（yě）部分緩解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建設的任務，聚焦高（gāo）端（duān）化、智能化、綠色化，找準“卡脖子”“掉鏈子”的薄（báo）弱環節，補短板、鍛長板，提（tí）升產業體係自主可控能力，推動產業創新向原始創新（xīn）和創新引領轉變，在新征程中順好工業這口“氣（qì）”，進而揚眉吐氣（qì）。

 來源：光（guāng）明日報