成本砍半还能保良率？氩气替代氦气的半导体工艺可行性全拆解

当前全球半导体制造端的成本管控压力正持续向上游核心耗材环节传导，作为晶圆制造过程中不可或缺的惰性气体品类，氦气近三年的市场价格波动与供给端约束，正倒逼国内晶圆厂及气体服务商探索更具经济性的替代路径，氩气在半导体工艺场景的适配性验证，近期已成为行业内关注度最高的工艺优化方向之一。

半导体制造环节的惰性气体应用，核心需求集中在惰性保护、等离子体刻蚀载气、腔体吹扫及低温制冷等场景，此前氦气凭借低沸点、低密度、高导热系数的物理属性，长期占据高端制程相关气体耗材的核心位置，但全球氦气供给高度集中于北美、中东及部分地区的天然气伴生资源，国内氦气对外依存度长期维持在90%以上，2023年至2025年期间，工业级电子级氦气的终端采购价格最高涨幅超过120%，且多次出现阶段性供给缺口，直接推高了国内8英寸及12英寸晶圆厂的单晶圆制造成本，部分成熟制程产线的气体耗材成本占比因此提升了3个百分点以上。

氩气作为空气中占比接近1%的稀有气体，国内空分装置的产能供给充足，当前电子级高纯氩的终端采购成本仅为同纯度电子级氦气的1/5至1/4，成本优势极为显著，但此前行业普遍认为氩气的物理属性无法匹配部分高端制程的工艺要求，相关替代验证进展缓慢，直到2024年以来，国内多家头部晶圆厂联合气体服务商开展的工艺适配测试数据逐步落地，氩气替代氦气的可行性边界开始逐步清晰。

从已公开的测试结果来看，在成熟制程的刻蚀环节、腔体预吹扫环节以及部分封装测试环节，氩气替代氦气的工艺适配率已达到较高水平，针对0.11微米及以上制程的逻辑芯片、功率器件产线，采用氩气部分替代氦气作为载气及保护气的方案，在调整等离子体发生器功率、腔体压力及气体流量参数后，晶圆良率波动可控制在0.5%以内，完全符合量产线的稳定性要求，这部分场景对应的氦气消耗量，约占单条成熟制程产线氦气总消耗量的60%左右，若完成全面替代，单条月产能5万片的8英寸产线，每年可降低气体耗材成本超过1200万元。

而在14纳米至7纳米的先进制程产线，氩气替代的适配场景目前主要集中在非核心层的刻蚀及腔体吹扫环节，核心沉积环节及极低温制冷场景暂时无法实现完全替代，但通过混配气体调整的方案，将氩气按照30%至40%的比例掺入氦气使用，同样可以在不影响良率的前提下降低氦气消耗，这一方案已在部分国内先进制程产线完成小批量验证，对应的成本下降幅度约为20%至25%。

需要明确的是，氩气替代氦气的核心前提是气体纯度的稳定性，半导体级应用要求氩气的纯度达到99.9999%以上，且氧、水、碳氢化合物等杂质的含量必须控制在ppb级别，此前国内部分气体服务商的高纯氩产品在杂质稳定性上存在波动，也是制约替代方案落地的重要因素，近两年随着国内空分提纯及杂质检测技术的迭代，符合半导体制程要求的电子级氩气产能已逐步释放，能够满足国内现有晶圆厂的替代需求，无需额外依赖进口供给。

当前行业内的工艺调整节奏显示，多数国内晶圆厂已经将氩气替代方案纳入2026年至2027年的成本管控核心规划，其中成熟制程产线的替代落地速度明显快于先进制程，部分功率器件及模拟芯片厂商已经在今年上半年完成了全线工艺参数调整，替代比例接近70%，对应的单晶圆成本下降幅度已接近10%，且在连续6个月的量产跟踪中，未出现良率异常波动及器件可靠性下降的问题。

与此同时，工业气体供给端也在针对半导体场景的氩气应用进行配套升级，头部气体服务商已开始布局针对特定产线的现场纯化装置，进一步降低氩气的杂质波动风险，同时结合不同产线的工艺特性提供定制化的气体参数调整方案，避免了晶圆厂自行测试的时间成本，这也为替代方案的快速落地提供了支撑。

需要注意的是，氩气替代并非无差别适用，针对3纳米及以下的先进制程核心工艺，以及部分对热传导系数有极高要求的特殊制程场景，氦气的物理属性暂时无法被氩气完全替代，但这部分场景对应的氦气消耗量在整体半导体氦气需求中的占比不足20%，剩余80%的氦气需求均可通过氩气替代或混配方案实现成本优化，整体行业的成本下降空间预计超过40亿元/年。

随着国内半导体产业的自主化进程推进，上游耗材的本土化替代已经成为行业共识，氩气替代氦气的工艺路径，既符合当前制造端的成本管控需求，也能进一步降低国内半导体产业对海外氦气资源的依赖度，相关工艺的持续迭代，也将为后续其他惰性气体的场景适配提供可参考的验证框架，推动整个工业气体与半导体制造的协同升级。

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