氦氣、石腦油、光刻膠，半導體工廠的三大命門

本文通過追蹤氦氣、石腦油和光刻膠的供應鏈來探究原因，并探討未來的前景。

2026年3月，伊朗襲擊了卡塔爾拉斯拉凡的一座液化天然氣（LNG）設施。這引發了人們對液化天然氣生產副產品氦氣（He）供應可能受到重大影響的廣泛擔憂。

大約在同一時間，伊朗封鎖了霍爾木茲海峽，導致能源物流陷入混亂。2026年4月，據報道有超過600艘船只，其中包括325艘油輪，滯留在海峽附近；隨后，約有2000艘船只滯留在波斯灣。據信，這些油輪中許多載有氦氣和石腦油，石腦油是各種半導體制造設備的消耗品，也是光刻膠的原材料。

鑒于上述情況，全球半導體工廠因“氦氣短缺”、“石腦油短缺”和“光刻膠短缺”三重打擊而停產的局面已成為人們高度關注的問題。本文通過追蹤氦氣、石腦油和光刻膠的供應鏈來探究原因，并探討未來的前景。

涉及前端加工廠停產的危機的整體情況

首先，讓我們概述一下氦氣在半導體前端工藝中的應用，以及石腦油衍生的組件和材料的應用（圖1）。

圖1：在上述工藝流程中，氦氣在何處使用？石腦油衍生的組分和材料又在何處使用？

在前端工藝中，一系列步驟，包括清洗、薄膜沉積、光刻、干法刻蝕、清洗和檢測，在硅（Si）晶圓上重復50到100次甚至更多，從而同時形成數十到數百個芯片。根據芯片的不同，總步驟數可能超過1000次。這不僅適用于先進的邏輯電路，也適用于所有半導體器件，包括成熟的邏輯電路、DRAM、NAND閃存、電源和模擬電路。

以下兩點至關重要。

首先，如果氦氣供應中斷，一些薄膜沉積工藝和干法刻蝕將變得不可能，“瞬間失效”，極紫外（EUV）光刻也可能面臨風險。

其次，從清洗和薄膜沉積到光刻、干法刻蝕和檢測的所有設備都使用石腦油衍生的耗材部件，光刻膠和異丙醇等化學品的原材料也是石腦油衍生的。

換句話說，氦氣（He）和石腦油都可以被視為半導體前端工藝的“阿喀琉斯之踵”。

依賴氦氣的前端工藝，特別是干法刻蝕

圖2展示了氦氣供應中斷對各工藝的影響程度。干法刻蝕受影響最為嚴重，風險等級為“極高”，這意味著該工藝本身將無法進行（“立即失效”）。其次，單晶圓高精度化學氣相沉積 (CVD)、窄溫窗邊緣原子層沉積 (ALD)、嚴格溫控濺射以及邊緣外延生長均處于“高”風險狀態，會導致薄膜厚度、薄膜質量、應力和結晶度下降。另一方面，批量爐式 CVD 和一般 ALD 只需進行少量條件調整即可繼續進行。

圖2：氦氣供應中斷對各種前端流程的影響程度。

那么，為什么干法刻蝕會導致瞬間失敗呢？原因在于晶圓溫度控制的原理（圖3）。在干法刻蝕設備中，大量熱量會從等離子體傳遞到晶圓上。因此，需要在晶圓臺的靜電吸盤內循環冷卻劑（例如 -60°C），以冷卻晶圓（該冷卻劑的溫度會變化，范圍從低于 -100°C 到高于 +100°C，并針對每個工藝進行優化）。

圖3. 干法刻蝕裝置的溫度控制原理

然而，在微觀層面上，靜電吸盤與晶圓背面僅有一個接觸點，因此僅靠制冷劑循環無法充分冷卻晶圓。所以，需要將1-2 kPa的氦氣（He）注入靜電吸盤與晶圓之間的間隙。由于氦氣是輕質單原子分子，且運動速度極快，因此能夠有效地將熱量從晶圓傳遞到靜電吸盤。之后，這些氦氣會被真空泵排出。換句話說，它是“一次性”的。

換句話說，沒有氦氣，晶圓溫度控制就無法實現，干法刻蝕工藝本身也無法進行。不僅像用于3D NAND的深孔鉆孔這樣的低溫刻蝕工藝無法進行，所有干法刻蝕工藝都無法完成。這就是所謂的“瞬間失效”。

石腦油相關設備部件和光刻膠

那么石腦油呢？所有半導體制造設備的耗材都使用石腦油衍生的零部件和材料，包括：(1) 高性能樹脂；(2) 橡膠和彈性體，例如 O 型圈；(3) 耐等離子體和耐化學腐蝕的氟基材料；(4) 流體部件，例如管道和閥門；以及 (5) 電纜和絕緣材料。由于制造設備需要定期更換耗材才能保持穩定運行，因此零部件庫存的耗盡會直接導致設備停機，進而導致整個工廠停產。

另一個嚴重的問題是光刻膠。光刻膠的生產工藝為：石腦油→丙烯→環氧丙烷（PO）→PGME→PGMEA→光刻膠（注）。五家日本公司（東京櫻化工業株式會社、JSR、信越化學工業株式會社、富士膠片和住友化學株式會社）壟斷了全球超過90%的光刻膠市場，而這五家公司幾乎全部從日本制造商大塞爾公司采購PGME和PGMEA。如果這條供應鏈的任何環節中斷，全球半導體工廠都將停產。

那么，為什么半導體工廠沒有關閉呢？我們先來看看石腦油的生產情況。圖4顯示了各地區的石腦油產量。全球每年生產約10億噸石腦油，其中約18%（約1.8億噸）來自中東。在這10億噸石腦油中，約6億噸用作乙烯原料，約2億噸用作汽油調合物，約1億噸用作BTX（苯、甲苯、二甲苯）。不到100萬噸，即不到全球石腦油總量的0.1%，用于生產PGME、PGMEA和光刻膠等半導體材料。

圖4 區域和全球石腦油產量（2025-2026 年） 來源：作者根據全球煉油能力、原油加工量和石腦油收率（約 15-20%）估算。

因此，即使霍爾木茲海峽被封鎖導致石腦油短缺，大塞爾公司和光刻膠制造商也能優先確保獲得這極少量的石腦油用于半導體材料。由于用于光刻膠的石腦油比例極小，這種結構使得半導體材料的供應更容易得到保障。

氦氣（He）的情況則截然不同。如圖5所示，全球氦氣年產量為1.9億立方米，其中美國占42.6%，卡塔爾占33.2%。卡塔爾氦氣供應的中斷將意味著全球供應量的三分之一損失。此外，半導體行業預計消耗全球約21%至24%的氦氣，即每年3900萬至4600萬立方米。卡塔爾每年6300萬立方米的氦氣供應量超過了全球半導體行業的年總消耗量。即使只是簡單的定量比較，也能揭示其影響之巨大。

圖5 區域和全球氦氣產量（2025 年）。來源：美國地質調查局 (USGS) 2026 年數據

然而，半導體工廠沒有關閉的原因有三點。

首先，“儲備”是關鍵；林德、液化空氣集團、空氣產品公司和巖谷株式會社等氣體生產商儲備了一定數量的氣體，這有助于吸收最初的沖擊。

其次，關于“庫存和回收”，各公司根據以往氦氣短缺的經驗增加了庫存，臺積電和三星電子已經實施了氦氣回收系統（盡管并非全部）。

第三，根據“優先供應規則”，優先順序為醫療→航空航天/國防→半導體行業→一般工業→氣球，而最先被削減的是氣球和一般工業用品。

然而，氦氣（He）無法長期儲存。液氦需要在低于-269°C的超低溫下儲存，并且每天約有1%的氦氣會因蒸發而損失。因此，如果不及時補充，氦氣的儲量將在30天內降至75%以下，70天內降至50%以下，230天內降至10%以下。此外，液氦的運輸需要使用專用的ISO集裝箱，而這種集裝箱全球僅有數百個。

此外，半導體工廠的氦氣庫存只能維持幾天到幾周，而天然氣公司和物流中心的庫存則能維持幾周到幾個月，這意味著即使動用一切可用資源，最多也只能維持大約六個月的供應。換句話說，氦氣供應中斷的危害遠大于石腦油衍生光刻膠的短缺。當前的氦氣危機并未解決，只是暫時延緩了。

對邏輯半導體的影響

如果氦氣（He）供應中斷持續時間過長，受影響最大的將是尖端邏輯器件。用于2nm工藝（N2）的GAA（環柵納米片結構）的形成涉及眾多需要精確溫度控制的工藝，例如Si和SiGe的多層外延生長、犧牲層SiGe的選擇性等離子體刻蝕以及內間隔層的原子層沉積（ALD）（圖6）。其中，SiGe的等離子體刻蝕是最困難的工藝，且離不開氦氣。換句話說，沒有氦氣，GAA工藝本身也無法進行。

圖6. GAA 納米片形成過程中的多個步驟需要精確的溫度控制。來源：由 Takashi Yunogami 根據 IBM 研究院納米片 GAA 工藝流程圖 (IEDM 2019-2021) 改編并注釋，作者亦作補充。

圖7顯示了氦氣供應中斷對邏輯半導體節點的影響以及半導體工廠預計停產的時間。由臺積電、三星、英特爾和 Rapidus 等公司生產的下一代尖端邏輯芯片 A14 和 N2 受到的影響“極其嚴重”，導致工廠在氦氣供應中斷后立即停產，最長不超過三個月。N3 芯片也將在三個月內停產，N5 和 N7 芯片則將在六個月內停產。

圖7 邏輯半導體節點、主要應用及預測的半導體工廠停產時間（粉色表示日本半導體工廠、其主要應用及與汽車行業的關系）

尤其值得注意的是成熟節點：10-28nm（包括臺積電熊本第一工廠）將停產 6-12 個月，瑞薩電子和羅姆等公司的汽車、模擬和功率半導體（40nm 及以上）也將在 12 個月后停產，所有這些都可能導致“汽車行業的毀滅”。

這是因為，即使在成熟的制程節點上，汽車半導體的認證標準也極其嚴格，汽車制造商不會接受未采用氦氣干法刻蝕的芯片。換句話說，氦氣供應中斷的問題并非僅僅對尖端技術構成風險。

如果卡塔爾的氦氣供應持續為零，半導體行業還能生存多久？

在最初的0-3個月里，可以通過庫存、地下存儲、增加來自美國的航班以及在不同用途之間重新分配來控制局面，雖然價格會飆升，但主要的半導體工廠仍將繼續運營。

3至6個月內，配額削減將開始，首先從非合同用戶、小型半導體工廠、研究機構、后端流程和通用產品開始。

在接下來的6到12個月里，部分運營限制（包括先進半導體工廠的運營限制）將成為現實，這將給依賴液氦長途進口的韓國、中國和日本等亞洲國家帶來特別沉重的負擔。

如果短缺持續一年以上，除非美國、加拿大、阿爾及利亞和俄羅斯等國的增產能夠填補33% 的缺口，否則半導體行業將被迫優先考慮生產哪些產品。

這表明，這場危機不會導致所有半導體工廠同時關閉，而是會按以下順序悄然發生：分配→價格大幅上漲→減少老舊低利潤產品的產量→按地區和公司進行部分停產。

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