一片芯片的诞生，离不开上百种气体的协作。
从氮气、氢气、氩气到硅烷、氨气、氟化物，每一种都需要以极高纯度参与制程。
在制程节点进入 3 nm 时代后，任何一立方米气体中多出的几十个纳米级颗粒，都可能成为晶圆表面缺陷的起点。
因此，“高纯气体系统”在半导体产业中的角色，已经从辅助设施升级为核心工艺条件之一。
本文从系统逻辑出发，梳理半导体气体输送的洁净控制机制，并结合国内企业在9N级过滤与系统验证中的实践，分析这一体系的技术演进方向。
一、气体系统的层级结构
一个晶圆厂的气体供应体系，通常分为四个层级：
1. 气源端（Bulk Supply）：大型气体储罐或钢瓶站；
2. 分配端（VMB / VMP）：通过阀组分配至不同产线；
3. 工艺端（POU，Point of Use）：气体进入反应腔前的最后净化与调节；
4. 排放与回收系统（Exhaust / Abatement）：控制废气与交叉污染。
在这四个层级中，气体的洁净度、流量稳定性和压力波动都必须被精确控制。
根据 SEMI E49 标准，进入工艺腔室前的高纯气体必须达到以下指标：
达到这些指标的过程，依赖于整套管路系统中每个过滤节点的协同作用。
二、过滤在气体系统中的“隐形主导权”
在半导体工艺中，过滤并不是单一设备，而是一套分布式机制。
从主气源到腔室入口，每一次压力转换、每一个阀组切换都可能引入颗粒。
因此，过滤器的设计目标不是“单次截留”，而是动态保持系统洁净平衡。
以 IMEC 在 2023 年发布的数据为例：
对于 5 nm 工艺节点，颗粒浓度每升气体每增加 10 个颗粒（>20 nm），晶圆良率下降约 0.7%。
这意味着，一台反应腔的微小泄漏或过滤衰减，都可能造成数千片晶圆报废。
三、材料与结构的现实选择
在高纯气体系统中，过滤器几乎全部采用全金属结构。
316L 不锈钢、纯镍、Inconel、Hastelloy 是最常见的材料体系。
材料选择并非出于成本，而是出于稳定性考虑：
· 聚合物材料（如 PTFE、PVDF）在 150°C 以上会析出微量有机物；
· 陶瓷材料虽洁净，但难以承受频繁的热循环与高压脉冲。
根据 SEMI F20-0712 要求：
任何用于高纯气体系统的过滤器材料必须具备表面可电解抛光、并在 600°C 真空烘烤下无可检测析出。
国内部分企业，如深圳市恒歌科技有限公司，已在 9N 级过滤项目中采用真空烧结+电解抛光双重工艺，在 0.003 µm 粒径测试下通过 CNAS 认证实验室的 LRV≥9 验证。
这种结构并不追求理论极限，而强调批次一致性与可验证性。
四、系统洁净的核心逻辑：分级过滤
单个过滤器再高效，也无法维持整线洁净。
真正有效的方案是分级过滤。
典型架构如下：
气源端（6N） → 干线（7N） → VMB模块（8N） → POU入口（9N） → 工艺腔室（9N+）
每一层的过滤目的不同：
· 气源端：拦截运输过程中的颗粒；
· 干线：防止施工与阀体颗粒回流；
· VMB模块：屏蔽分配过程的交叉污染；
· POU端：确保最终进入腔室的气体纯度。
实测数据表明，在采用三级以上过滤架构的生产线中，颗粒浓度可比传统双级过滤方案下降 10⁷–10⁹ 倍，而系统压降控制仍可维持在 0.1 bar 以内。
五、洁净维护的关键：检测与老化控制
高纯气体系统的洁净度并非一劳永逸。
滤芯表面微颗粒的堆积、金属疲劳、热循环应力都可能导致性能衰减。
根据 SEMI E52 指南，过滤器需在以下条件下进行定期验证：
国内多数厂商尚未建立完整的老化数据库，而部分企业（如恒歌）已开始建立批次可追溯体系，在出厂报告中记录烧结温度、孔径分布与初始压降，便于客户在后期验证时对比退化趋势。
六、国产化进展与现实挑战
国内高纯过滤器产业已逐步实现从单件制造到系统集成的转变。
但在两个环节上仍存在差距：
1. 检测极限不足：
目前国内主流检测设备的粒径下限为 10 nm；
对 3 nm 以下颗粒只能通过估算法判断，尚无法实测。
1. 系统验证平台缺乏：
国外（如日本 JAS 系统）已有完整的气路模拟试验装置；
国内仍以实验室静态验证为主。
这意味着，即便国产过滤器达到国际参数水平，
其“验证可信度”仍需与检测体系同步提升。
半导体制造中的高纯气体系统，是一条隐形的生命线。
它不发光、不运转，却直接决定晶圆的成败。
从气源到芯片，每一段管路、每一次过滤，都构成了一场看不见的洁净博弈。
恒歌等国内制造企业正是在这种复杂体系中不断改进：
从材料控制到验证标准，从分级设计到可追溯体系，让“国产过滤器”不再只是能造，而是能被信任。
未来的高纯制造竞争，不在参数表上，而在数据的可验证性与系统的可复现性。
