氖氣背后的科學

全球生產的氖氣約70%用于制造半導體芯片，供應鏈問題可能導致嚴重中斷

為什么戰爭導致天然氣供應商烏克蘭的氖氣短缺，一段時間前就引起了人們的關注。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鏈，而是逐漸被更節能、更環保、更實惠的LED所取代。

缺少氖氣是什么？

一個簡單的答案是，全球生產的54萬噸氖氣中，約70%用于半導體生產。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尺寸而聞名。它們主要用于制造計算機芯片，但也有無數其他應用，包括激光武器、核聚變、亞微米加工、同位素分離和眼科手術。

為了實現這種光刻所需的高功率、穩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現這種非常高的純度。為了從液體空氣分離過程中獲得實際量的氖氣，需要每天至少1000噸的工廠容量。

烏克蘭是世界上小麥生產大國，需要大量的氮來生產化肥，而氖氣是哈伯-博世氨法液態空氣氮氧分離工藝中非常有價值的副產品。令人驚訝的是，為什么這種eximer激光器如此熱衷于氖，因為人們想象激光孔中含有的活性氬-氖氣體混合物不會被消耗掉。

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

在復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生加速的（ArF）*二聚體分子，然后暴露于輻射弛豫，并發射以193 nm為中心的強大深紫外傳輸。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）*。這個過程負責準分子氣體激光器的操作。激光物理學愛好者認為，轉換粒子數是激光相互作用的先決條件。這適用于加速態（ArF）*-分子，因為高度排斥的轉移性基態（ArF）迅速降解為未結合的氬和氟。這導致土壤狀態的種群減少，而（ArF）*準分子水平種群的反轉增加。

氖氣出現在哪里？

其功能是提高（ArF）*的形成速率，從而控制準分子激光器的整體效率。例如，使用氦氣代替氖氣會降低激光器性能，因此設定了Ar-F2準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帶入氣體混合物中，導致激光器性能下降。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，或者清潔和回收復雜而昂貴的氣體混合物。這是對價值5000億美元的半導體行業的成本效益分析。