文 | 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫

在干法刻蝕設(shè)備中，氦氣是一種不可或缺的氣體。

2026年3月，卡塔爾液化天然氣（LNG）設(shè)施關(guān)閉，直接導(dǎo)致全球氦氣（He）供應(yīng)量減少33%。氦氣是干法刻蝕設(shè)備中，用于冷卻晶圓背面（該設(shè)備采用靜電吸盤（ESC）晶圓臺）的唯一熱控氣體，其供應(yīng)中斷不僅會造成芯片良率下降，更會導(dǎo)致整個(gè)半導(dǎo)體工藝流程徹底停滯。

從尖端先進(jìn)工藝到成熟制程，半導(dǎo)體制造的各個(gè)領(lǐng)域均受到波及，包括3D NAND閃存所需的低溫刻蝕、寬帶存儲器（HBM）的硅通孔（TSV）制備、環(huán)柵（GAA）納米片形成所需的高選擇性等離子體刻蝕及等離子體表面處理。目前，韓國存儲器制造商的氦氣庫存僅能維持不足五個(gè)月，臺積電更是遭遇氦氣短缺與電力限制的雙重?cái)D壓。這場不可抗力事件的影響貫穿全產(chǎn)業(yè)鏈，從工業(yè)氣體供應(yīng)商到半導(dǎo)體制造商、人工智能芯片供應(yīng)商，再到超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，均未能幸免，甚至可能導(dǎo)致每年超3000億美元的人工智能基礎(chǔ)設(shè)施投資無法落地。這也意味著，人工智能熱潮面臨的最大風(fēng)險(xiǎn)，并非電力短缺或需求下滑，而是半導(dǎo)體芯片根本無法“量產(chǎn)”。

氦氣采購，愈發(fā)困難

自2026年3月以來，卡塔爾的液化天然氣設(shè)施受到軍事壓力影響，導(dǎo)致生產(chǎn)和出口嚴(yán)重中斷。由于氦氣是LNG提煉過程的副產(chǎn)品，LNG生產(chǎn)的停止直接影響了氦氣的供應(yīng)。美國工業(yè)氣體巨頭 Airgas（法國液化空氣集團(tuán)的子公司）于 2026 年 3 月 17 日宣布遭遇不可抗力，確認(rèn)從卡塔爾供應(yīng)氦氣實(shí)際上已經(jīng)停止。

預(yù)計(jì)2025年，全球氦氣產(chǎn)量份額將分別為：美國43%，卡塔爾33%，俄羅斯9%，阿爾及利亞6%。由于卡塔爾的氦氣供應(yīng)嚴(yán)重中斷，簡單計(jì)算可知，全球約三分之一的氦氣供應(yīng)已經(jīng)損失。

然而，關(guān)鍵在于，這種供應(yīng)減少并非僅僅是“數(shù)量短缺”。這種產(chǎn)品極難替代，其生產(chǎn)集中在特定地區(qū)，并且依賴于獨(dú)特的低溫運(yùn)輸物流基礎(chǔ)設(shè)施。供應(yīng)中斷將直接導(dǎo)致整個(gè)供應(yīng)鏈崩潰。

氦氣的沸點(diǎn)極低（-269°C），具有高導(dǎo)熱性、化學(xué)惰性和極小的原子半徑。這些特性使其成為眾多行業(yè)不可或缺的資源，包括醫(yī)療（用于冷卻磁共振成像中的超導(dǎo)磁體）、航天（用于吹掃火箭燃料箱）和半導(dǎo)體制造（用于晶圓溫度控制和吹掃氣體）。然而，在半導(dǎo)體制造中，氦氣的作用不僅僅是一種材料，更接近于一種“工藝延續(xù)條件”。

氦氣廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造設(shè)備，包括干法刻蝕設(shè)備、化學(xué)氣相沉積（CVD）設(shè)備和極紫外（EUV）光刻設(shè)備。其中，干法刻蝕工藝受供應(yīng)中斷的影響最為嚴(yán)重。在干法刻蝕系統(tǒng)中，等離子體加熱晶圓的溫度由氦氣精確控制，如果這一機(jī)制失效，刻蝕過程將無法進(jìn)行。在此，氦氣供應(yīng)問題并非僅限于特定的先進(jìn)工藝。干法刻蝕是一項(xiàng)核心工藝，無論器件類型如何，氦氣供應(yīng)中斷都會動搖全球半導(dǎo)體制造業(yè)的根基。

干法蝕刻設(shè)備溫度控制原理

在干法刻蝕技術(shù)中，晶圓溫度控制一直是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。然而，隨著微型化技術(shù)的進(jìn)步以及對納米級（nm）精度控制關(guān)鍵尺寸（CD）的需求不斷增長，其重要性比以往任何時(shí)候都更加凸顯。

干法刻蝕設(shè)備溫度控制原理。來源：野尻和夫（納米技術(shù)研究），《半導(dǎo)體干法刻蝕技術(shù)導(dǎo)論》

在干法刻蝕過程中，熱量不僅通過等離子體的輻射熱傳遞到晶圓，還通過離子、中性自由基和電子的入射以及各種波長的紫外光照射傳遞。如果不采取措施抵消這些熱輸入，晶圓溫度將無限升高，導(dǎo)致刻蝕速率、選擇性比和圖案形狀等刻蝕特性無法控制。此外，晶圓表面這些刻蝕特性的均勻性也會受到影響。

因此，冷卻器（溫控循環(huán)裝置）使制冷劑（其溫度由冷卻器控制）在用作晶圓臺的靜電吸盤（ESC）內(nèi)部的流動路徑中循環(huán)，以將 ESC 本身的溫度保持在目標(biāo)值。

然而，ESC與晶圓之間存在微小間隙（約幾十微米），僅靠物理接觸無法實(shí)現(xiàn)足夠的熱傳遞。因此，需要向該間隙中引入壓力為幾托至幾十托的氦氣，以輔助熱量通過氣體熱傳導(dǎo)從晶圓傳遞到ESC。

選擇氦氣（He）的原因在于其物理性質(zhì)。氦氣是單原子分子，原子量極小，僅為4，因此即使在相同溫度下，其分子運(yùn)動速度也遠(yuǎn)高于氮?dú)饣驓鍤?。由于氣體的熱導(dǎo)率與分子運(yùn)動速度成正比，因此室溫下氦氣的熱導(dǎo)率約為0.15 W/(m·K)，約為氮?dú)獾?倍，約為氬氣的8倍。此外，氦氣是一種完全化學(xué)惰性的氣體，即使在等離子體環(huán)境下也不會與晶圓或ESC表面發(fā)生反應(yīng)。這種“高導(dǎo)熱性”和“化學(xué)惰性”的結(jié)合，使得氦氣作為背面冷卻氣體無可替代。

此外，干法刻蝕設(shè)備的溫度范圍非常寬廣。雖然在刻蝕二氧化硅和氮化硅等絕緣薄膜時(shí)有時(shí)會使用接近100°C的高溫，但對于高深寬比的3D NAND刻蝕，則采用-60至-80°C的極低溫（低溫刻蝕）。

此外，在對鎢、氮化鈦、鋁、鉭和多晶硅等導(dǎo)電薄膜進(jìn)行干法刻蝕時(shí)，最佳溫度因材料而異，但通?？刂圃?0至80°C的范圍內(nèi)。然而，在任何溫度范圍內(nèi)，最重要的是保持晶圓表面溫度均勻性在±1°C或以下，而氦氣冷卻有助于實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

需要特別注意的是，用于背面冷卻的氦氣不會被回收或循環(huán)利用，而是直接排放。從ESC和晶圓之間的縫隙泄漏的氦氣會與腔室內(nèi)的工藝氣體以及蝕刻產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物混合，然后通過真空泵（例如渦輪分子泵）排出。此外，由于廢氣中氦氣濃度低，且從工藝氣體中分離和提純氦氣成本高昂，許多半導(dǎo)體工廠實(shí)際上將氦氣視為消耗品。這種“一次性”的做法推高了干法刻蝕設(shè)備的氦氣消耗量。

如上所述，氦氣不僅僅是一種輔助氣體，而是干法刻蝕設(shè)備的核心“熱控制基礎(chǔ)設(shè)施”?？紤]到氦氣供應(yīng)中斷的后果，這一點(diǎn)的重要性就顯而易見了。

• 當(dāng)背面冷卻氦氣耗盡時(shí)，晶圓與 ESC 之間的熱傳遞效率會顯著降低。
• 來自等離子體的熱量輸入無法充分散發(fā)，導(dǎo)致晶圓溫度升高，并顯著惡化晶圓表面的溫度均勻性。
• 由于蝕刻特性（如蝕刻速率和選擇性）很大程度上取決于溫度，因此平面內(nèi)的溫度不均勻性直接導(dǎo)致 CD 的變化。
• 先進(jìn)工藝需要納米級的關(guān)鍵尺寸控制，而不用氦氣幾乎不可能保持這種精度。這并不意味著性能“下降”，而是意味著該工藝變得“不可行”。

因此，在干法刻蝕設(shè)備中，氦氣現(xiàn)在是一種不可或缺的氣體，毫不夸張地說，沒有氦氣就無法進(jìn)行干法刻蝕工藝。