在干法刻蝕設備中，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）設施關閉，直接導致全球氦氣（He）供應量減少33%。氦氣是干法刻蝕設備中，用于冷卻晶圓背面（該設備采用靜電吸盤（ESC）晶圓臺）的唯一熱控氣體，其供應中斷不僅會造成芯片良率下降，更會導致整個半導體工藝流程徹底停滯。

從尖端先進工藝到成熟制程，半導體制造的各個領域均受到波及，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月，臺積電更是遭遇氦氣短缺與電力限制的雙重擠壓。這場不可抗力事件的影響貫穿全產業(yè)鏈，從工業(yè)氣體供應商到半導體制造商、人工智能芯片供應商，再到超大規(guī)模數據中心，均未能幸免，甚至可能導致每年超3000億美元的人工智能基礎設施投資無法落地。這也意味著，人工智能熱潮面臨的最大風險，并非電力短缺或需求下滑，而是半導體芯片根本無法“量產”。

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施受到軍事壓力影響，導致生產和出口嚴重中斷。由于氦氣是LNG提煉過程的副產品，LNG生產的停止直接影響了氦氣的供應。美國工業(yè)氣體巨頭 Airgas（法國液化空氣集團的子公司）于 2026 年 3 月 17 日宣布遭遇不可抗力，確認從卡塔爾供應氦氣實際上已經停止。

預計2025年，全球氦氣產量份額將分別為：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嚴重中斷，簡單計算可知，全球約三分之一的氦氣供應已經損失。

然而，關鍵在于，這種供應減少并非僅僅是“數量短缺”。這種產品極難替代，其生產集中在特定地區(qū)，并且依賴于獨特的低溫運輸物流基礎設施。供應中斷將直接導致整個供應鏈崩潰。

氦氣的沸點極低（-269°C），具有高導熱性、化學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磁體）、航天（用于吹掃火箭燃料箱）和半導體制造（用于晶圓溫度控制和吹掃氣體）。然而，在半導體制造中，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”。

氦氣廣泛應用于半導體制造設備，包括干法刻蝕設備、化學氣相沉積（CVD）設備和極紫外（EUV）光刻設備。其中，干法刻蝕工藝受供應中斷的影響最為嚴重。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，如果這一機制失效，刻蝕過程將無法進行。在此，氦氣供應問題并非僅限于特定的先進工藝。干法刻蝕是一項核心工藝，無論器件類型如何，氦氣供應中斷都會動搖全球半導體制造業(yè)的根基。

干法蝕刻設備溫度控制原理

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

干法刻蝕設備溫度控制原理。來源：野尻和夫（納米技術研究），《半導體干法刻蝕技術導論》

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）內部的流動路徑中循環(huán)，以將 ESC 本身的溫度保持在目標值。

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從晶圓傳遞到ESC。

選擇氦氣（He）的原因在于其物理性質。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，其分子運動速度也遠高于氮氣或氬氣。由于氣體的熱導率與分子運動速度成正比，因此室溫下氦氣的熱導率約為0.15 W/(m·K)，約為氮氣的6倍，約為氬氣的8倍。此外，氦氣是一種完全化學惰性的氣體，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。這種“高導熱性”和“化學惰性”的結合，使得氦氣作為背面冷卻氣體無可替代。

此外，干法刻蝕設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有時會使用接近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、鉭和多晶硅等導電薄膜進行干法刻蝕時，最佳溫度因材料而異，但通常控制在20至80°C的范圍內。然而，在任何溫度范圍內，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現(xiàn)這一點。

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的工藝氣體以及蝕刻產生的反應產物混合，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，許多半導體工廠實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，而是干法刻蝕設備的核心“熱控制基礎設施”。考慮到氦氣供應中斷的后果，這一點的重要性就顯而易見了。

• 當背面冷卻氦氣耗盡時，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，因此平面內的溫度不均勻性直接導致 CD 的變化。
• 先進工藝需要納米級的關鍵尺寸控制，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，沒有氦氣就無法進行干法刻蝕工藝。

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