氖氣背后的科學(xué)

全球生產(chǎn)的氖氣約70%用于制造半導(dǎo)體芯片，供應(yīng)鏈問題可能導(dǎo)致嚴(yán)重中斷

為什么戰(zhàn)爭導(dǎo)致天然氣供應(yīng)商烏克蘭的氖氣短缺，一段時(shí)間前就引起了人們的關(guān)注。這并不是為了破壞拉斯維加斯或東京彩色照明所需的氖氣供應(yīng)鏈，而是逐漸被更節(jié)能、更環(huán)保、更實(shí)惠的LED所取代。

缺少氖氣是什么？

一個(gè)簡單的答案是，全球生產(chǎn)的54萬噸氖氣中，約70%用于半導(dǎo)體生產(chǎn)。這種高需求的原因是氖是必不可少的氟化銀-氖出口脈沖激光器的主要成分。

這種類型的激光器以其高強(qiáng)度、脈沖、納秒、193nm深紫外波長和尖端7nm空間分辨率光刻所需的非常小的衍射限制點(diǎn)尺寸而聞名。它們主要用于制造計(jì)算機(jī)芯片，但也有無數(shù)其他應(yīng)用，包括激光武器、核聚變、亞微米加工、同位素分離和眼科手術(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)這種光刻所需的高功率、穩(wěn)定性和可靠性的氬氟neoneximer激光器，氖的純度（氬氟混合物的95%）必須非常高，以降低激光器性能。由于空氣中氖氣的天然豐度僅為18ppm，因此需要能源、人力和基于液體空氣低溫分餾的成本效益高的工藝來實(shí)現(xiàn)這種非常高的純度。為了從液體空氣分離過程中獲得實(shí)際量的氖氣，需要每天至少1000噸的工廠容量。

烏克蘭是世界上小麥生產(chǎn)大國，需要大量的氮來生產(chǎn)化肥，而氖氣是哈伯-博世氨法液態(tài)空氣氮氧分離工藝中非常有價(jià)值的副產(chǎn)品。令人驚訝的是，為什么這種eximer激光器如此熱衷于氖，因?yàn)槿藗兿胂蠹す饪字泻械幕钚詺?氖氣體混合物不會(huì)被消耗掉。

這是霓虹燈供應(yīng)鏈面臨的挑戰(zhàn)。為了理解其廣泛和持續(xù)應(yīng)用的起源，人們需要了解支持準(zhǔn)分子激光操作的化學(xué)和物理。這是一系列高強(qiáng)度紫外脈沖氣體激光器。發(fā)光的起源是稀有氣體鹵素放電，其基本成分決定了激光發(fā)射的波長。

在復(fù)雜過程的簡化描述中，特別是在氟化銀-neoneximer激光器的情況下，脈沖放電或電子誘導(dǎo)放電在氬、氟和氖的高壓氣體混合物中引起電離和離解過程。準(zhǔn)分子模式：2Ar+F2→2（ArF）*→2Ar+F2+hv（λ=193nm）

氬、氟和氖之間的三體碰撞產(chǎn)生加速的（ArF）*二聚體分子，然后暴露于輻射弛豫，并發(fā)射以193 nm為中心的強(qiáng)大深紫外傳輸。這些紫外線光子位于激光腔的主反射鏡之間，可以引起受激（ArF）*。這個(gè)過程負(fù)責(zé)準(zhǔn)分子氣體激光器的操作。激光物理學(xué)愛好者認(rèn)為，轉(zhuǎn)換粒子數(shù)是激光相互作用的先決條件。這適用于加速態(tài)（ArF）*-分子，因?yàn)楦叨扰懦獾霓D(zhuǎn)移性基態(tài)（ArF）迅速降解為未結(jié)合的氬和氟。這導(dǎo)致土壤狀態(tài)的種群減少，而（ArF）*準(zhǔn)分子水平種群的反轉(zhuǎn)增加。

氖氣出現(xiàn)在哪里？

其功能是提高（ArF）*的形成速率，從而控制準(zhǔn)分子激光器的整體效率。例如，使用氦氣代替氖氣會(huì)降低激光器性能，因此設(shè)定了Ar-F2準(zhǔn)分子激光器的基本氖氣要求。由于激光器的極端工作條件，高能離子和電子與激光腔的相互作用將雜質(zhì)帶入氣體混合物中，導(dǎo)致激光器性能下降。這種污染問題需要將氬氟作為廢物排放，大約每兩周需要完全更換一次，或者清潔和回收復(fù)雜而昂貴的氣體混合物。這是對(duì)價(jià)值5000億美元的半導(dǎo)體行業(yè)的成本效益分析。