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中國特種氣體（標(biāo)準(zhǔn)氣體）的現(xiàn)狀及應(yīng)用

2012-6-11 14:23:16

摘要:特種氣體在電子行業(yè)、石油化工、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。主要闡述了我國電子氣體、高純氣體、標(biāo)準(zhǔn)氣體的發(fā)展現(xiàn)狀,并論述了其應(yīng)用領(lǐng)域。

　　關(guān)鍵詞:特種氣體；現(xiàn)狀；應(yīng)用

　　The Status And The Application of Specialty Gas in China

　　Jin Zhongwen Zhang Wenbo Yin Quansheng Yan Tingyong

　?。⊿uzhou Chuangxin Purification Co.,Ltd，Suzhou,Jiangsu,215144）

　　Abstract :Specialty gas have played great role in the fields of electronics industries ,

　　petro-chemical , medication and so on .The status and the application of high purity gas for electronic gas, petro-chemical and standard gas is reviewed briefly.

　　Key words :specialty gas ; status ; application

　　1 前言

　　氣體產(chǎn)品大致可以分為兩大類別, 即一般工業(yè)氣體和特種氣體。一般工業(yè)氣體是指經(jīng)過空氣分離設(shè)備制造的普通級的氧氣和氮?dú)?/a>、經(jīng)過焦?fàn)t氣分離或電解等方法制造出來的普通純度的其它種類氣體。工業(yè)氣體一般要求生產(chǎn)量大, 但對氣體的純度要求不高。特種氣體則是用途有別于一般氣體的氣體，是一個籠統(tǒng)的概念。它在純度、品種、性能等方面都是嚴(yán)格按照一定規(guī)格進(jìn)行生產(chǎn)和使用的。一般認(rèn)為, 它是由電子氣體、高純石油化工氣體、標(biāo)準(zhǔn)混合氣體組成。

　　特種氣體應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的很多行業(yè), 它在電子行業(yè)、石油化工、醫(yī)藥國防等各領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。我國特種氣體經(jīng)過30余年的發(fā)展, 無論在氣體品種上,還是在數(shù)量上, 都以前所未有的速度發(fā)展, 生產(chǎn)的品種基本上滿足了市場的需求,現(xiàn)如今我國特種氣體從原來的完全依賴進(jìn)口轉(zhuǎn)向基本自給自足。盡管如此, 受諸多方面的影響, 我國特種氣體無論在標(biāo)準(zhǔn)上、質(zhì)量上、生產(chǎn)規(guī)模化上, 甚至生產(chǎn)成本上, 同發(fā)達(dá)國家同行業(yè)相比, 仍存在一定的差距。

　　2 中國特種氣體的發(fā)展現(xiàn)狀

　　2.1 電子氣體[1]

　　在微電子、光電子器件生產(chǎn)過程中, 從芯片的生長到最后器件的封裝, 幾乎每一步、每一個環(huán)節(jié)都離不開電子氣體, 因此, 電子氣體被稱為半導(dǎo)體材料的“糧食”和“源”。半導(dǎo)體器件性能的好壞,在很大程度上取決于所用電子氣體的質(zhì)量, 電子氣體純度每提高一個數(shù)量級, 都會極大地推動半導(dǎo)體器件質(zhì)的飛躍, 正因如此, 發(fā)達(dá)國家都在積極發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電子化學(xué)氣體, 并且取得了明顯的效果, 由于電子氣體質(zhì)量決定著IC技術(shù)的發(fā)展, 而半導(dǎo)體器件又廣泛地應(yīng)用于民用和軍工領(lǐng)域, 且發(fā)展勢頭強(qiáng)勁, 它影響到國民經(jīng)濟(jì)和國防的許多方面, 因此, 有關(guān)電子氣體的生產(chǎn)、凈化、包裝、分析等在國際上多屬高度保密的技術(shù)。

　　同光電子、微電子工業(yè)一樣, 我國電子氣體的研究與生產(chǎn)起步較晚, 資金投入量也顯得相對不足。改革開放以來, 中國政府已將IC產(chǎn)業(yè)列為國家重點(diǎn)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè), 因此, 電子工業(yè)、光電子產(chǎn)業(yè)、光纖制造業(yè)發(fā)展迅猛。為滿足家用電子、汽車電子巨大的市場需求, 中國在原電子部的幾條IC生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上, 又相繼開發(fā)和引進(jìn)幾十條相對比較先進(jìn)的IC生產(chǎn)線, 近年來又有大批民營資金相繼投入IC業(yè), 這極大地推動了中國超大規(guī)模集成電路(VLSI)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步。隨著IC產(chǎn)業(yè)國際化競爭日益加劇, 中國完全依賴進(jìn)口電子氣體生產(chǎn)IC的現(xiàn)狀正面臨著嚴(yán)峻的市場考驗(yàn)。此外, 電子氣體多為易燃、易爆、劇毒化學(xué)品, 在國際上屬于控制范疇, 進(jìn)口相對麻煩, 運(yùn)輸周期較長, 這嚴(yán)重制約著國內(nèi)光電子、微電子產(chǎn)業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展, 因此, 中國的IC制造商一直渴望國內(nèi)開展電子氣體的研究與生產(chǎn), 以解決IC生產(chǎn)的“源”的問題, 從根本上解除IC制造業(yè)的后顧之憂, 打通兆位級集成電路和VLSI級集成電路發(fā)展的“瓶頸”問題。

　　我國電子氣體的發(fā)展從整體上看, 相對落后于國外同行水平。電子氣體其特點(diǎn)是“超純”、“超凈”、“超前”, 由于它應(yīng)用于IC工藝的各個環(huán)節(jié),有的用量非常小, 但又不能缺少, 同時其本身又多為易燃、易爆、有毒物質(zhì), 需要從業(yè)人員有極高的業(yè)務(wù)能力, 又需要非常大的資金投入, 因此, 單靠國內(nèi)某一單位或某一部門孤立開展電子氣的研制與生產(chǎn)在目前的經(jīng)濟(jì)環(huán)境中是不可想象的。電子氣在IC產(chǎn)業(yè)中的重要性, 以及我國尖端技術(shù)的牽制作用, 已經(jīng)引起中國高層主管部門的高度重視, 因此, 從國家“十五”“863”等多個資金渠道, 已開始對國產(chǎn)電子氣體的研究及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了資金扶持, 所以筆者認(rèn)為隨著我國IC產(chǎn)業(yè)向縱深方向發(fā)展, 我國民營企業(yè)逐漸做大、做強(qiáng), 在未來幾年中中國電子氣發(fā)展徘徊的局面將會打破, 受IC 產(chǎn)業(yè)的極大牽動, 一大批技術(shù)比較成熟的電子氣體如NH3、N2O、Cl2、BF3、SF6 ，甚至PH3、B2H6等電子氣品種, 將采用國內(nèi)外先進(jìn)的設(shè)備、儀控配套進(jìn)行批量化、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展, 此外, 國際電子氣制造廠也將盯住我國IC產(chǎn)業(yè)的巨大市場, 屆時競爭將加劇, 由于IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度日新月異, 電子氣無疑要“糧草未動、兵馬先行”, 為適應(yīng)電子氣體發(fā)展的急需, 中國各專業(yè)研究院所、大專院校, 也將在電子氣的研發(fā)上有所突破, 在落后的一些氣體品種上進(jìn)行實(shí)用化研究, 以期在合成、純化等方面有所創(chuàng)新, 最終實(shí)現(xiàn)中國電子氣體產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的目標(biāo)?？傊? 中國電子氣體經(jīng)過三十余年的發(fā)展, 盡管在“九五”期間國家在此方面沒有投入, 但中國電子氣在某些品種已在市場的競爭中占有一定的優(yōu)勢, 這對平衡國際電子氣體在中國的價格起了重要作用, 隨著中國IC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展, 中國電子氣體將有所突破, 市場占有率也必將不斷提高。

　　2.2 高純氣體[2]

　　高純氣體通常指利用現(xiàn)代提純技術(shù)能制取的某個純度等級的氣體, 純度等級可以不同。但對不同氣體“高純”的概念也完全不同。目前市售的高壓鋼瓶裝氣體, 若按能夠達(dá)到的最高純度來分類, 請參見下表:

純度	高純氣體名稱
6N 以上	H2、He、N2
5N 以上	N2、A r、N e、He、PH3、O2、AsH3
4N 以上	Kr、CO、C2H4、C3H4、SF6、CH4、C3H8、HCl、N2O、NH3、SO2、SiH4、B2H6、BCl3、Cl2、H2S、BF3、CF4
3N 以上	C3H6、n-C4H10、i-C4H10、NO、HF、CCl3F、CCl2F2
2.5N 以上	CH2Cl2、CH3Br、CH3F、C2H2、C4H6、D2、C2F6
2N 以上	C4F6、C4H6、CHClF2、CH3F

　　高純氣體以高純石油化工氣體為主，高純石油化工氣體是配制標(biāo)準(zhǔn)氣體必需的原料, 它的質(zhì)量好壞、價格高低, 直接決定了標(biāo)準(zhǔn)氣體的質(zhì)量與價格。石油化工氣體包括: 甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷; 乙烯、丙烯、正丁烯、異丁烯、正戊烯、異戊烯、丙二烯; 乙炔、丙炔、丁炔、2-丁炔; 1 ,2 -丁二烯、1 ,3 -丁二烯、環(huán)丙烷、硫化氫、羰基硫、甲硫醇、乙硫醇、甲硫醚、乙硫醚、二甲基二硫醚、異丙基硫醚; 氯甲烷、氯乙烷、氯乙烯等品種。其中烷、烯、炔類氣體在石油化工氣體中用量較大, 而其它用量則相對較少, 有的品種在市場上以“g”為單位出售, 價格也較高。

　　改革開放以來, 我國高純石油化工氣體發(fā)展十分迅猛, 由于乙烯項(xiàng)目發(fā)展的需要, 高純氣體應(yīng)用品種也在不斷增加, 尤其是近年來石油化工向深加工發(fā)展, 各種生產(chǎn)用催化劑活性不斷提高, 對原材料中有毒、有害雜質(zhì)含量要求越來越低, 控制也越來越嚴(yán)格, 為定值的需要, 提出了一系列的標(biāo)準(zhǔn)氣體, 因此,對諸如以硫化物為代表的高純度氣體或液體試劑等高純氣體提出了更高要求。市場刺激了生產(chǎn), 目前國內(nèi)有為數(shù)不少的生產(chǎn)單位, 也開展各種石油化工用高純氣體的生產(chǎn), 其目的基本上是滿足自己配氣的需要。

　　高純石油氣體用量小, 純度要求高, 各品種由于相互污染一般難以互用,在產(chǎn)業(yè)化方面, 做大有一定的困難, 盡管如此, 我國石油化工氣體的生產(chǎn)規(guī)模已發(fā)生驚人的變化, 分離方式也由以往采用單一的吸附分離, 發(fā)展到低溫精餾再到各種催化方式的結(jié)合。石油化工用高純氣體的原料, 基本上是乙烯生產(chǎn)的副產(chǎn)品, 純度變化較大,現(xiàn)在由于采用各種分離方法相結(jié)合, 因此, 對原料有一定的要求, 但同過去相比已大不相同, 如丙烷氣體, 市場上售出的多為燃燒用氣。目前石油價格上漲, 生產(chǎn)分離控制指標(biāo)不嚴(yán), 雖有純度為99%的原料, 但實(shí)際純度多為95%左右, 若采用過去的凈化手段生產(chǎn)100 kg 高純丙烷, 幾乎不可想象。但采用丙烯氣相加氫技術(shù), 則可完全解決因原料純度引起的分離難點(diǎn)! 因此, 我國目前石油化工用高純氣體在質(zhì)量上已達(dá)到國外公司標(biāo)準(zhǔn), 在某些品種上甚至大大超過其水平, 在產(chǎn)量上也可同國外廠家一比高低, 這為我國生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)氣體提供了難得的平臺。

　　2.3 標(biāo)準(zhǔn)氣體

　　從嚴(yán)格意義上講, 我國標(biāo)準(zhǔn)氣體起步較晚, 以前分析定標(biāo)基本上采用分壓法, 最常用的氮—氧標(biāo)氣多采用指數(shù)稀釋瓶, 其它則采用玻璃球配氣。我國引進(jìn)大型乙烯生產(chǎn)線及大氮肥后, 對標(biāo)準(zhǔn)氣體的需求無論在品種上, 還是在數(shù)量上都極大, 因此原有的方法難以滿足市場需求, 并且標(biāo)氣的準(zhǔn)確度也不可信。為滿足我國大型石油化工的急需, 我國開展了重量法配制高壓瓶裝標(biāo)準(zhǔn)氣的工作。目前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣體生產(chǎn)單位很多, 生產(chǎn)的各種標(biāo)準(zhǔn)氣, 滿足了我國石油、化肥、環(huán)保、傳感器校核等諸多領(lǐng)域的需求。迄今為止, 我國已很少從國外進(jìn)口標(biāo)準(zhǔn)氣體, 國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)氣體行業(yè)的發(fā)展和成熟, 對我國氣體標(biāo)準(zhǔn)體系的建立及量值的傳遞起到了非常大的作用。近年來,分壓法所用的壓力表精度不斷提高,150型壓力表逐漸被254型取代, 稱量已采用高精密天平, 稱量精度也不斷提高, 德國塞多利斯公司已推出32kg 最小稱量為1mg 的高精度天平, 這為提高標(biāo)氣的準(zhǔn)確度提供了難得的稱量工具。

　　3 特種氣體的應(yīng)用[3]

　　3.1 電子氣體

　　電子工業(yè)是當(dāng)今推動科技發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè), 由于所用氣體的品種多、質(zhì)量要求高, 為有別于其它領(lǐng)域應(yīng)用的氣體, 人們把這類在電子工業(yè)中用的氣體統(tǒng)稱為電子特種氣體, 它是當(dāng)今興起的高技術(shù)含量、高投入、高附加值的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。電子行業(yè)常用的特氣超過三十余種，按危險性質(zhì)可分為不燃?xì)怏w、可燃?xì)怏w、氧化性氣體、腐蝕性氣體、毒性氣體等。按照物理形態(tài)可分為壓縮氣體、液化氣體和低溫氣體。

　　特種氣體的應(yīng)用領(lǐng)域主要在集成電路制造、太陽能電池、化合物半導(dǎo)體、液晶顯示器、光纖生產(chǎn)四大領(lǐng)域, 其中主要應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電路的生產(chǎn)制造。在半導(dǎo)體工業(yè)中應(yīng)用的有110 余種單元特種氣體,其中常用的有20～30 種。

　　在集成電路制造應(yīng)用方面具體包括集成電路芯片制程、化學(xué)氣相沉積和氣體應(yīng)用、刻蝕和氣體應(yīng)用、摻雜和氣體應(yīng)用；在太陽能電池應(yīng)用方面具體包括太陽能電池的應(yīng)用、晶體硅太陽能電池生產(chǎn)工藝和氣體應(yīng)用、薄膜太陽能電池生產(chǎn)工藝和氣體應(yīng)用；在化合物半導(dǎo)體應(yīng)用方面具體包括化合物半導(dǎo)體的應(yīng)用、MOCVD／LED生產(chǎn)工藝和氣體應(yīng)用；在液晶顯示器應(yīng)用方面具體包括TFT／LCD的應(yīng)用、TFT／LCD生產(chǎn)工藝和氣體應(yīng)用；在光纖應(yīng)用方面具體包括光纖應(yīng)用和光纖預(yù)制棒的生產(chǎn)工藝和氣體應(yīng)用[4]。

　　3.2 一般混合氣體

　　由兩種以上氣體混合配制而成的氣體,而且主要標(biāo)出大致濃度, 即可滿足使用要求,這種氣體稱為一般混合氣體。

　　對氣體分析儀用氣體, 如含氫10%，其余是氦的混合氣以及含甲烷5%或10%，其余是氬的混合氣，被用作氣相色譜儀的載氣；含氫40%，其余是氮或氦的混合氣被用作氫火焰總烴檢測儀的燃料氣。另外, 含氧20%～60% , 其余是氬的混合氣被用來發(fā)生化學(xué)熒光分析儀用的臭氧。

　　在測定放射性物質(zhì)時, 使用的混合氣有下列幾種組成: 含異丁烷0.95% , 或含丁烷1.3%，或含丙烷1.5%，或含甲烷5%～10%，均以氦為底氣。

　　各種混合氣也常被用作照明燈具的充填氣和數(shù)字顯示管等的充填氣，這類氣體大多是用下列兩種以上氣體混合而成的: 氬、氖、氦、氪、氮。鹵光源生產(chǎn)則用溴甲烷、氯甲烷、溴化氫、碘甲烷、氯仿等氣體與氬的混合氣。

　　深海呼吸用含氧20%～60% , 其余是氮或氦的混合氣。激光用氣含CO2 4%～16% ,N2 10%～25%，其余是氦。

　　金屬熱處理保護(hù)氣可用含氫0.5%～10% , 其余為氬的混合氣或二氧化碳10%～40%、20%～60% , 其余為氮?dú)宓幕旌蠚狻?/font>

　　光化學(xué)反應(yīng)、動植物實(shí)驗(yàn)室和金屬腐蝕等研究用的混合氣因關(guān)系到公害問題, 所以其中二氧化氮、二氧化硫和硫化氫等都要保持低濃度。

　　3.2 標(biāo)準(zhǔn)氣體

　　所謂標(biāo)準(zhǔn)氣體就是用來校正測量儀器、評價測定方法、給出未知樣品氣標(biāo)準(zhǔn)值的氣體。它分為調(diào)整零位用標(biāo)準(zhǔn)氣體(零位氣體)、監(jiān)測環(huán)境用標(biāo)準(zhǔn)氣、工業(yè)分析用標(biāo)準(zhǔn)氣體、醫(yī)療儀器用標(biāo)準(zhǔn)氣體、可燃性氣體泄漏用標(biāo)準(zhǔn)氣體、燃燒器尾氣用標(biāo)準(zhǔn)氣體六大類。由于使用了標(biāo)準(zhǔn)氣, 所以即使在不同場所測定, 也具有相同測定值。

　　標(biāo)準(zhǔn)氣體應(yīng)用范圍很廣, 在化工、石油冶金、機(jī)械、航天、電子、軍工玻璃、陶瓷、醫(yī)藥醫(yī)療、汽車、光纖、激光、潛水、環(huán)保、切割、焊接、食品加工等工業(yè)部門均使用大量的常用氣體和特種氣體。其中在石油化工領(lǐng)域?qū)?biāo)準(zhǔn)氣體的需求量相對較大。

　　4 結(jié)束語

　　當(dāng)前氣體行業(yè)競爭激烈, 由于特種氣體行業(yè)要求氣體品種多、質(zhì)量高, 而氣體產(chǎn)品屬于高技術(shù)、高附加值產(chǎn)品, 所以競爭與空分行業(yè)相比相對較少, 但多數(shù)單位的人員素質(zhì)高、技術(shù)實(shí)力強(qiáng)。目前中國特氣行業(yè)呈現(xiàn)出三足鼎立的局面, 它們是: 化工部光明化工研究設(shè)計(jì)院、上海計(jì)量測試技術(shù)研究院、北京氦普北分氣體工業(yè)有限公司(原北分科學(xué)氣體公司)。它們的共同特點(diǎn)是: 知名度高,歷史悠久; 技術(shù)力量雄厚(尤其在電子行業(yè)、石化行業(yè))；產(chǎn)品品種齊全, 有研制分析能力；分銷網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)。除以上三家主要特氣單位外,還有北京普萊克斯實(shí)用氣體有限公司、浙江大學(xué)半導(dǎo)體材料研究所、核工業(yè)理化工程研究院、化工部西南化工研究院、北京華元?dú)怏w化工公司、河北保定紅星單晶硅廠、南京特氣公司等單位。除電子行業(yè)(主要是獨(dú)資和合資企業(yè)) 外, 這些單位可以提供大部分工業(yè)生產(chǎn)和科研所需的特種氣體。

　　隨著我國工業(yè)的發(fā)展和改革開放的不斷深入, 主要跨國氣體公司都紛紛進(jìn)入中國,APCI、法液空公司、BOC公司、普萊克斯、日本酸素公司、日商巖谷氣體公司等已占領(lǐng)我國部分特氣市場, 尤其是電子氣體市場, 合資和獨(dú)資的半導(dǎo)體集成電路企業(yè)生產(chǎn)工藝中所使用的電子氣體被這些國外氣體公司所壟斷, 這與半導(dǎo)體集成電路對氣體質(zhì)量、供應(yīng)的特殊要求有關(guān)。目前我國不能規(guī)模生產(chǎn)亞微米級集成電路生產(chǎn)用氣體。據(jù)初步估計(jì), 目前我國特種氣體年銷售額中, 電子行業(yè)約占40%，石油化工約占40%；醫(yī)療環(huán)保約占10%，其它約占10%。

　　隨著我國市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 企業(yè)管理水平的提高, 一些有實(shí)力的生產(chǎn)和科研企業(yè)對特氣市場產(chǎn)生了極大的興趣, 由于特氣產(chǎn)品的附加值高, 在特氣產(chǎn)品的生產(chǎn)及市場開發(fā)上采取較過去靈活的經(jīng)營策略, 一些企業(yè)的市場占有率會逐漸上升的。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2] 孫福楠等.中國特種氣體的現(xiàn)狀及發(fā)展走向[M]. 大連：低溫與特氣.2005

　　電子氣研制國內(nèi)、外概況及發(fā)展趨勢

　　[3] 崔十安.特種氣體市場及應(yīng)用[M]. 北京：低溫與特氣.1999

　　[4] 李東升.特種氣體在電子行業(yè)中的應(yīng)用[M].上海:低溫與特氣.2009

　　作者簡介：

　　金仲文（1982— ），男，工程師，2005年畢業(yè)于南昌航空大學(xué)，現(xiàn)工作于蘇州市創(chuàng)新凈化有限公司。具有豐富的氣體凈化方面產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),主要從事各種氣體產(chǎn)品的開發(fā)和研究工作。

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