文 | 半导体产业纵横
在干法刻蚀设备中，氦气是一种不可或缺的气体。
2026 年 3 月，卡塔尔液化天然气（LNG）设施关闭，直接导致全球氦气（He）供应量减少 33%。氦气是干法刻蚀设备中，用于冷却晶圆背面（该设备采用静电吸盘（ESC）晶圆台）的唯一热控气体，其供应中断不仅会造成芯片良率下降，更会导致整个半导体工艺流程彻底停滞。
从尖端先进工艺到成熟制程，半导体制造的各个领域均受到波及，包括 3D NAND 闪存所需的低温刻蚀、宽带存储器（HBM）的硅通孔（TSV）制备、环栅（GAA）纳米片形成所需的高选择性等离子体刻蚀及等离子体表面处理。目前，韩国存储器制造商的氦气库存仅能维持不足五个月，台积电更是遭遇氦气短缺与电力限制的双重挤压。这场不可抗力事件的影响贯穿全产业链，从工业气体供应商到半导体制造商、人工智能芯片供应商，再到超大规模数据中心，均未能幸免，甚至可能导致每年超 3000 亿美元的人工智能基础设施投资无法落地。这也意味着，人工智能热潮面临的最大风险，并非电力短缺或需求下滑，而是半导体芯片根本无法 " 量产 "。
氦气采购，愈发困难
自 2026 年 3 月以来，卡塔尔的液化天然气设施受到军事压力影响，导致生产和出口严重中断。由于氦气是 LNG 提炼过程的副产品，LNG 生产的停止直接影响了氦气的供应。美国工业气体巨头 Airgas（法国液化空气集团的子公司）于 2026 年 3 月 17 日宣布遭遇不可抗力，确认从卡塔尔供应氦气实际上已经停止。
预计 2025 年，全球氦气产量份额将分别为：美国 43%，卡塔尔 33%，俄罗斯 9%，阿尔及利亚 6%。由于卡塔尔的氦气供应严重中断，简单计算可知，全球约三分之一的氦气供应已经损失。
然而，关键在于，这种供应减少并非仅仅是 " 数量短缺 "。这种产品极难替代，其生产集中在特定地区，并且依赖于独特的低温运输物流基础设施。供应中断将直接导致整个供应链崩溃。
氦气的沸点极低（-269 ° C），具有高导热性、化学惰性和极小的原子半径。这些特性使其成为众多行业不可或缺的资源，包括医疗（用于冷却磁共振成像中的超导磁体）、航天（用于吹扫火箭燃料箱）和半导体制造（用于晶圆温度控制和吹扫气体）。然而，在半导体制造中，氦气的作用不仅仅是一种材料，更接近于一种 " 工艺延续条件 "。
氦气广泛应用于半导体制造设备，包括干法刻蚀设备、化学气相沉积（CVD）设备和极紫外（EUV）光刻设备。其中，干法刻蚀工艺受供应中断的影响最为严重。在干法刻蚀系统中，等离子体加热晶圆的温度由氦气精确控制，如果这一机制失效，刻蚀过程将无法进行。在此，氦气供应问题并非仅限于特定的先进工艺。干法刻蚀是一项核心工艺，无论器件类型如何，氦气供应中断都会动摇全球半导体制造业的根基。
干法蚀刻设备温度控制原理
在干法刻蚀技术中，晶圆温度控制一直是至关重要的环节。然而，随着微型化技术的进步以及对纳米级（nm）精度控制关键尺寸（CD）的需求不断增长，其重要性比以往任何时候都更加凸显。
在干法刻蚀过程中，热量不仅通过等离子体的辐射热传递到晶圆，还通过离子、中性自由基和电子的入射以及各种波长的紫外光照射传递。如果不采取措施抵消这些热输入，晶圆温度将无限升高，导致刻蚀速率、选择性比和图案形状等刻蚀特性无法控制。此外，晶圆表面这些刻蚀特性的均匀性也会受到影响。
因此，冷却器（温控循环装置）使制冷剂（其温度由冷却器控制）在用作晶圆台的静电吸盘（ESC）内部的流动路径中循环，以将 ESC 本身的温度保持在目标值。
然而，ESC 与晶圆之间存在微小间隙（约几十微米），仅靠物理接触无法实现足够的热传递。因此，需要向该间隙中引入压力为几托至几十托的氦气，以辅助热量通过气体热传导从晶圆传递到 ESC。
选择氦气（He）的原因在于其物理性质。氦气是单原子分子，原子量极小，仅为 4，因此即使在相同温度下，其分子运动速度也远高于氮气或氩气。由于气体的热导率与分子运动速度成正比，因此室温下氦气的热导率约为 0.15 W/ ( m · K ) ，约为氮气的 6 倍，约为氩气的 8 倍。此外，氦气是一种完全化学惰性的气体，即使在等离子体环境下也不会与晶圆或 ESC 表面发生反应。这种 " 高导热性 " 和 " 化学惰性 " 的结合，使得氦气作为背面冷却气体无可替代。
此外，干法刻蚀设备的温度范围非常宽广。虽然在刻蚀二氧化硅和氮化硅等绝缘薄膜时有时会使用接近 100 ° C 的高温，但对于高深宽比的 3D NAND 刻蚀，则采用 -60 至 -80 ° C 的极低温（低温刻蚀）。
此外，在对钨、氮化钛、铝、钽和多晶硅等导电薄膜进行干法刻蚀时，最佳温度因材料而异，但通常控制在 20 至 80 ° C 的范围内。然而，在任何温度范围内，最重要的是保持晶圆表面温度均匀性在 ± 1 ° C 或以下，而氦气冷却有助于实现这一点。
需要特别注意的是，用于背面冷却的氦气不会被回收或循环利用，而是直接排放。从 ESC 和晶圆之间的缝隙泄漏的氦气会与腔室内的工艺气体以及蚀刻产生的反应产物混合，然后通过真空泵（例如涡轮分子泵）排出。此外，由于废气中氦气浓度低，且从工艺气体中分离和提纯氦气成本高昂，许多半导体工厂实际上将氦气视为消耗品。这种 " 一次性 " 的做法推高了干法刻蚀设备的氦气消耗量。
如上所述，氦气不仅仅是一种辅助气体，而是干法刻蚀设备的核心 " 热控制基础设施 "。考虑到氦气供应中断的后果，这一点的重要性就显而易见了。
当背面冷却氦气耗尽时，晶圆与 ESC 之间的热传递效率会显著降低。
来自等离子体的热量输入无法充分散发，导致晶圆温度升高，并显著恶化晶圆表面的温度均匀性。
由于蚀刻特性（如蚀刻速率和选择性）很大程度上取决于温度，因此平面内的温度不均匀性直接导致 CD 的变化。
先进工艺需要纳米级的关键尺寸控制，而不用氦气几乎不可能保持这种精度。这并不意味着性能 " 下降 "，而是意味着该工艺变得 " 不可行 "。
因此，在干法刻蚀设备中，氦气现在是一种不可或缺的气体，毫不夸张地说，没有氦气就无法进行干法刻蚀工艺。
