电子工程中的特殊气体
引言
在现代电子工程中，特殊气体扮演着至关重要的角色。这些气体不仅在半导体制造、显示面板生产、LED照明和太阳能电池等领域有着广泛的应用，而且在芯片制造过程中的刻蚀和清洁工段也是不可或缺的关键性化工材料。本文将详细介绍特殊气体在电子工程中的重要性、应用场景、市场现状以及未来发展趋势。
特殊气体的重要性
特殊气体，也称为电子特气，是指那些在特定领域中应用的，对气体有特殊要求的纯气、高纯气或由高纯单质气体配制的二元或多元混合气。它们在电子工业中被誉为“血液”和“粮食”，因为它们是电子工业生产不可或缺的原材料。电子特气通常对纯度要求极高，一般在5N级，部分品种的纯度要求6N级甚至更高2。
应用场景
半导体制造
在半导体制造过程中，电子特气主要用于光刻、刻蚀、离子注入等关键步骤。例如，C4FSiHClHF、HCl、HBr、FSiHPHAsHB2HC4FN2O、NHSFNFCOS、CFBClBFClSi2H6等高纯度气体被广泛应用于这些工艺环节。为了保证半导体器件的质量与成品率，特种气体产品必须同时满足“超纯”和“超净”的要求3。
显示面板和LED照明
除了半导体制造，电子特气在显示面板和LED照明领域也有广泛应用。据统计，电子特气在集成电路中的应用占比达43%，其次为显示面板，占比21%，LED和光伏分别占比13%和6%3。
市场现状
国际市场
全球电子气体市场规模在2020年达到55亿美元，预计到2025年将超过80亿美元，年复合增速达到5%。目前，国际市场上的电子气体主要由几大国际巨头所占据，高端气体更是几乎完全依赖进口。这不仅增加了IC产业制造成本，削弱了我国IC产业的竞争力，而且某些核心尖端气体海外巨头对我国实施各种封锁限制，供应情况受国际关系影响，对我国国家安全及经济发展构成威胁4。
国内市场
中国电子特气市场在过去几年中保持了快速增长的趋势。2016年的市场规模为156亿元，至2020年达到282亿元，2016-2020年期间中国特种气体市场平均增速达15%以上。有机构预测2020年之后仍将保持以15%以上高速增长趋势，2025年中国特气市场有望达到691亿元的规模。国内电子特气行业技术研发稳步推进，有望实现进口替代3。
技术挑战与解决方案
技术挑战
电子特气的纯度要求极高，纯化、杂质检测、储运技术面临全方位考验。由于需要检测的杂质含量低至ppb级别，常规分析方法无法胜任，需要使用特殊的气相色谱、ICP-AES、ICP-MS等非常规分析方法。储运方面，一方面由于纯度要求极高，对容器的溶出性能提出了非常高的要求；另一方面某些剧毒气体需要使用负压气瓶储运以减少泄露危险4。
解决方案
目前，工业化应用的电子气体制备方法主要有低温精馏、膜分离、吸附分离和吸收等方法。低温精馏即将某些气体的混合气冷冻液化，依靠两种气体或多种气体之间的相对挥发度的不同，通过温度或压力变化进行蒸馏。这种方法操作简单，适用于气体混合气中的某些不凝气，如氮气、氢气、氧气等压缩气体的脱除4。
未来发展趋势
随着对电子特气需求逐年增大，电子特气用包装容器也越来越受人们重视。目前电子特气用包装容器还是以进口为主，且行业内还未出台专门针对电子特气用包装容器的相关法规标准。未来的发展方向之一是研发和推广国产化的电子特气包装容器2。
结论
特殊气体在电子工程中的应用不仅限于上述几个方面，它们在其他领域如医疗、环保等也有着广泛的应用前景。随着科技的进步和市场需求的增长，特殊气体的研究和开发将会更加深入，为各行各业的发展提供强有力的支持。
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