2026年3月,伊朗袭击了卡塔尔拉斯拉凡的一座液化天然气(LNG)设施。这引发了人们对液化天然气生产副产品氦气(He)供应可能受到重大影响的广泛担忧。
大约在同一时间,伊朗封锁了霍尔木兹海峡,导致能源物流陷入混乱。2026年4月,据报道有超过600艘船只,其中包括325艘油轮,滞留在海峡附近;随后,约有2000艘船只滞留在波斯湾。据信,这些油轮中许多载有氦气和石脑油,石脑油是各种半导体制造设备的消耗品,也是光刻胶的原材料。
鉴于上述情况,全球半导体工厂因“氦气短缺”、“石脑油短缺”和“光刻胶短缺”三重打击而停产的局面已成为人们高度关注的问题。本文通过追踪氦气、石脑油和光刻胶的供应链来探究原因,并探讨未来的前景。
涉及前端加工厂停产的危机的整体情况
首先,让我们概述一下氦气在半导体前端工艺中的应用,以及石脑油衍生的组件和材料的应用(图1)。
图1:在上述工艺流程中,氦气在何处使用?石脑油衍生的组分和材料又在何处使用?
在前端工艺中,一系列步骤,包括清洗、薄膜沉积、光刻、干法刻蚀、清洗和检测,在硅(Si)晶圆上重复50到100次甚至更多,从而同时形成数十到数百个芯片。根据芯片的不同,总步骤数可能超过1000次。这不仅适用于先进的逻辑电路,也适用于所有半导体器件,包括成熟的逻辑电路、DRAM、NAND闪存、电源和模拟电路。
以下两点至关重要。
首先,如果氦气供应中断,一些薄膜沉积工艺和干法刻蚀将变得不可能,“瞬间失效”,极紫外(EUV)光刻也可能面临风险。
其次,从清洗和薄膜沉积到光刻、干法刻蚀和检测的所有设备都使用石脑油衍生的耗材部件,光刻胶和异丙醇等化学品的原材料也是石脑油衍生的。
换句话说,氦气(He)和石脑油都可以被视为半导体前端工艺的“阿喀琉斯之踵”。
依赖氦气的前端工艺,特别是干法刻蚀
图2展示了氦气供应中断对各工艺的影响程度。干法刻蚀受影响最为严重,风险等级为“极高”,这意味着该工艺本身将无法进行(“立即失效”)。其次,单晶圆高精度化学气相沉积 (CVD)、窄温窗边缘原子层沉积 (ALD)、严格温控溅射以及边缘外延生长均处于“高”风险状态,会导致薄膜厚度、薄膜质量、应力和结晶度下降。另一方面,批量炉式 CVD 和一般 ALD 只需进行少量条件调整即可继续进行。
图2:氦气供应中断对各种前端流程的影响程度。
那么,为什么干法刻蚀会导致瞬间失败呢?原因在于晶圆温度控制的原理(图3)。在干法刻蚀设备中,大量热量会从等离子体传递到晶圆上。因此,需要在晶圆台的静电吸盘内循环冷却剂(例如 -60°C),以冷却晶圆(该冷却剂的温度会变化,范围从低于 -100°C 到高于 +100°C,并针对每个工艺进行优化)。
图3. 干法刻蚀装置的温度控制原理
然而,在微观层面上,静电吸盘与晶圆背面仅有一个接触点,因此仅靠制冷剂循环无法充分冷却晶圆。所以,需要将1-2 kPa的氦气(He)注入静电吸盘与晶圆之间的间隙。由于氦气是轻质单原子分子,且运动速度极快,因此能够有效地将热量从晶圆传递到静电吸盘。之后,这些氦气会被真空泵排出。换句话说,它是“一次性”的。
换句话说,没有氦气,晶圆温度控制就无法实现,干法刻蚀工艺本身也无法进行。不仅像用于3D NAND的深孔钻孔这样的低温刻蚀工艺无法进行,所有干法刻蚀工艺都无法完成。这就是所谓的“瞬间失效”。
石脑油相关设备部件和光刻胶
那么石脑油呢?所有半导体制造设备的耗材都使用石脑油衍生的零部件和材料,包括:(1) 高性能树脂;(2) 橡胶和弹性体,例如 O 型圈;(3) 耐等离子体和耐化学腐蚀的氟基材料;(4) 流体部件,例如管道和阀门;以及 (5) 电缆和绝缘材料。由于制造设备需要定期更换耗材才能保持稳定运行,因此零部件库存的耗尽会直接导致设备停机,进而导致整个工厂停产。
另一个严重的问题是光刻胶。光刻胶的生产工艺为:石脑油→丙烯→环氧丙烷(PO)→PGME→PGMEA→光刻胶(注)。五家日本公司(东京樱化工业株式会社、JSR、信越化学工业株式会社、富士胶片和住友化学株式会社)垄断了全球超过90%的光刻胶市场,而这五家公司几乎全部从日本制造商大塞尔公司采购PGME和PGMEA。如果这条供应链的任何环节中断,全球半导体工厂都将停产。
那么,为什么半导体工厂没有关闭呢?我们先来看看石脑油的生产情况。图4显示了各地区的石脑油产量。全球每年生产约10亿吨石脑油,其中约18%(约1.8亿吨)来自中东。在这10亿吨石脑油中,约6亿吨用作乙烯原料,约2亿吨用作汽油调合物,约1亿吨用作BTX(苯、甲苯、二甲苯)。不到100万吨,即不到全球石脑油总量的0.1%,用于生产PGME、PGMEA和光刻胶等半导体材料。
图4 区域和全球石脑油产量(2025-2026 年) 来源:作者根据全球炼油能力、原油加工量和石脑油收率(约 15-20%)估算。
因此,即使霍尔木兹海峡被封锁导致石脑油短缺,大塞尔公司和光刻胶制造商也能优先确保获得这极少量的石脑油用于半导体材料。由于用于光刻胶的石脑油比例极小,这种结构使得半导体材料的供应更容易得到保障。
氦气(He)的情况则截然不同。如图5所示,全球氦气年产量为1.9亿立方米,其中美国占42.6%,卡塔尔占33.2%。卡塔尔氦气供应的中断将意味着全球供应量的三分之一损失。此外,半导体行业预计消耗全球约21%至24%的氦气,即每年3900万至4600万立方米。卡塔尔每年6300万立方米的氦气供应量超过了全球半导体行业的年总消耗量。即使只是简单的定量比较,也能揭示其影响之巨大。
图5 区域和全球氦气产量(2025 年)。来源:美国地质调查局 (USGS) 2026 年数据
然而,半导体工厂没有关闭的原因有三点。
首先,“储备”是关键;林德、液化空气集团、空气产品公司和岩谷株式会社等气体生产商储备了一定数量的气体,这有助于吸收最初的冲击。
其次,关于“库存和回收”,各公司根据以往氦气短缺的经验增加了库存,台积电和三星电子已经实施了氦气回收系统(尽管并非全部)。
第三,根据“优先供应规则”,优先顺序为医疗→航空航天/国防→半导体行业→一般工业→气球,而最先被削减的是气球和一般工业用品。
然而,氦气(He)无法长期储存。液氦需要在低于-269°C的超低温下储存,并且每天约有1%的氦气会因蒸发而损失。因此,如果不及时补充,氦气的储量将在30天内降至75%以下,70天内降至50%以下,230天内降至10%以下。此外,液氦的运输需要使用专用的ISO集装箱,而这种集装箱全球仅有数百个。
此外,半导体工厂的氦气库存只能维持几天到几周,而天然气公司和物流中心的库存则能维持几周到几个月,这意味着即使动用一切可用资源,最多也只能维持大约六个月的供应。换句话说,氦气供应中断的危害远大于石脑油衍生光刻胶的短缺。当前的氦气危机并未解决,只是暂时延缓了。
对逻辑半导体的影响
如果氦气(He)供应中断持续时间过长,受影响最大的将是尖端逻辑器件。用于2nm工艺(N2)的GAA(环栅纳米片结构)的形成涉及众多需要精确温度控制的工艺,例如Si和SiGe的多层外延生长、牺牲层SiGe的选择性等离子体刻蚀以及内间隔层的原子层沉积(ALD)(图6)。其中,SiGe的等离子体刻蚀是最困难的工艺,且离不开氦气。换句话说,没有氦气,GAA工艺本身也无法进行。
图6. GAA 纳米片形成过程中的多个步骤需要精确的温度控制。来源:由 Takashi Yunogami 根据 IBM 研究院纳米片 GAA 工艺流程图 (IEDM 2019-2021) 改编并注释,作者亦作补充。
图7显示了氦气供应中断对逻辑半导体节点的影响以及半导体工厂预计停产的时间。由台积电、三星、英特尔和 Rapidus 等公司生产的下一代尖端逻辑芯片 A14 和 N2 受到的影响“极其严重”,导致工厂在氦气供应中断后立即停产,最长不超过三个月。N3 芯片也将在三个月内停产,N5 和 N7 芯片则将在六个月内停产。
图7 逻辑半导体节点、主要应用及预测的半导体工厂停产时间(粉色表示日本半导体工厂、其主要应用及与汽车行业的关系)
尤其值得注意的是成熟节点:10-28nm(包括台积电熊本第一工厂)将停产 6-12 个月,瑞萨电子和罗姆等公司的汽车、模拟和功率半导体(40nm 及以上)也将在 12 个月后停产,所有这些都可能导致“汽车行业的毁灭”。
这是因为,即使在成熟的制程节点上,汽车半导体的认证标准也极其严格,汽车制造商不会接受未采用氦气干法刻蚀的芯片。换句话说,氦气供应中断的问题并非仅仅对尖端技术构成风险。
如果卡塔尔的氦气供应持续为零,半导体行业还能生存多久?
在最初的0-3个月里,可以通过库存、地下存储、增加来自美国的航班以及在不同用途之间重新分配来控制局面,虽然价格会飙升,但主要的半导体工厂仍将继续运营。
3至6个月内,配额削减将开始,首先从非合同用户、小型半导体工厂、研究机构、后端流程和通用产品开始。
在接下来的6到12个月里,部分运营限制(包括先进半导体工厂的运营限制)将成为现实,这将给依赖液氦长途进口的韩国、中国和日本等亚洲国家带来特别沉重的负担。
如果短缺持续一年以上,除非美国、加拿大、阿尔及利亚和俄罗斯等国的增产能够填补33% 的缺口,否则半导体行业将被迫优先考虑生产哪些产品。
这表明,这场危机不会导致所有半导体工厂同时关闭,而是会按以下顺序悄然发生:分配→价格大幅上涨→减少老旧低利润产品的产量→按地区和公司进行部分停产。
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本文来自微信公众号 “半导体产业纵横”(ID:ICViews),作者:汤之上隆
