一、工业气体的常用分类方式
工业气体通常按照制备方式、化学性质、纯度等级进行分类,不同分类方式对应不同应用场景,核心分类如下。
(一)按照制备与供应方式分类
可分为大宗气体与特种气体两类:大宗气体是产量大、应用范围广的常见气体,主要包括氧气、氮气、氩气、氢气、二氧化碳等,通常通过空气分离或者化石燃料提纯制备,供应量较大,多采用管道或者液态储罐集中供应;特种气体是满足特定行业特殊需求的气体,具有纯度高、杂质控制严格、种类多、用量小的特点,主要包括电子特种气体、医疗用气体、标准气体等,通常采用高压钢瓶或者集束管包装供应。
(二)按照化学性质分类
可分为不燃性气体、可燃性气体、氧化性气体、腐蚀性气体四类:不燃性气体包括氮气、氩气、二氧化碳等,化学性质稳定,不易发生反应;可燃性气体包括氢气、乙炔、丙烷、硅烷等,遇明火容易发生燃烧爆炸;氧化性气体包括氧气、笑气、氯气等,能够助燃,和可燃性气体混合容易引发爆炸;腐蚀性气体包括氯化氢、氨气、氟气等,对金属、人体组织有腐蚀性,储存运输需要特殊防腐处理。
(三)按照纯度等级分类
可分为工业级、高纯级、电子级三类:工业级纯度一般在99%~99.9%之间,满足普通工业生产需求;高纯级纯度在99.99%~99.999%之间,用于精密制造、医疗等领域;电子级纯度在99.999%以上,部分特种电子气体纯度可达99.9999%以上,杂质含量控制在ppb级别,满足半导体芯片制造的严苛要求。
二、半导体行业工业气体的核心气源
半导体行业是对工业气体要求最高的领域之一,芯片制造全流程需要几十种工业气体,核心气源分为大宗基础气源与特种电子气源两类。
(一)大宗基础气源
半导体芯片制造工厂需要消耗大量大宗气体作为基础气源,核心包括氮气、氧气、氩气、氢气四种:氮气是用量最大的气源,主要用于晶圆加工过程中的吹扫、保护、干燥,防止晶圆被氧化污染,要求纯度达到99.999%以上,一般由工厂自建空分设备供应,通过管道输送到各个生产环节;氧气主要用于氧化工艺、刻蚀工艺,制备二氧化硅绝缘层,要求纯度不低于99.99%;氩气主要用于等离子体刻蚀、溅射工艺,作为惰性保护气体,要求纯度达到99.999%;氢气主要用于退火工艺、还原工艺,去除晶圆表面的氧化物,要求露点低于-70℃,纯度不低于99.99%。
(二)特种电子核心气源
特种电子气体是决定芯片性能与良率的关键气源,核心品类包括硅烷、砷烷、磷烷、三氟化氮、六氟化钨、氯化氢、氨气等:硅烷是沉积多晶硅、非晶硅薄膜的核心原料,要求纯度达到99.9999%以上,杂质含量控制在ppb级别;砷烷、磷烷是离子注入工艺的掺杂源,用于调整半导体的导电性能,对纯度与颗粒度要求极高;三氟化氮、六氟化钨主要用于刻蚀、清洗工艺,去除晶圆表面的多余材料,清洁反应腔室;氯化氢、氨气主要用于外延生长、化学沉积工艺,是制备氮化镓等化合物半导体的核心原料。
三、医疗行业工业气体的核心气源
医疗行业的工业气体主要用于临床治疗、器械消毒、检验检测等场景,核心气源分为医用治疗气体与加工辅助气体两类。
(一)临床治疗核心气源
直接用于患者治疗的医用气体,核心包括医用氧气、医用氮气、医用笑气、医用二氧化碳、医用氩气五种:医用氧气是临床应用最广泛的气体,用于缺氧患者的氧疗、急救复苏,要求严格符合中国药典标准,纯度不低于99.5%,严格控制一氧化碳等有害杂质;医用笑气也就是一氧化二氮,主要用于麻醉镇痛,分娩镇痛、牙科麻醉中应用广泛,要求纯度不低于99.0%,控制有毒杂质含量;医用二氧化碳主要用于腹腔镜手术打气、呼吸兴奋试验,也用于碳酸饮料的医疗制剂制备,要求无微生物污染;医用氩气主要用于高频氩刀手术,凝血止血效果好,减少手术出血,要求纯度不低于99.99%。
(二)医疗加工与辅助气源
用于医疗器械生产、消毒、检验的辅助气源,核心包括液氮、环氧乙烷、高纯氮气等:液氮是低温冷冻治疗、冷冻存储生物样本、疫苗的核心气源,利用超低温特性进行冷冻治疗或者样本保存,要求纯度不低于99.9%;环氧乙烷是一次性医疗器械灭菌消毒的核心气体,穿透力强,能够杀灭所有微生物,对器械无损伤,消毒后需要解析残留符合安全标准;高纯氮气主要用于医疗器械包装的保护气,延长器械保质期,也用于医疗检验设备的载气,要求无油无水无杂质,避免污染检验样本。