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(zhàn)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(jié)能、更環(huán)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(shù)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(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(tài)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(zhàn)。為了理解其廣泛和持續(xù)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(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(fā)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(shù)是激光相互作用的先決條件。這適用于加速態(tài)（ArF）*-分子，因為高度排斥的轉移性基態(tài)（ArF）迅速降解為未結合的氬和氟。這導致土壤狀態(tài)的種群減少，而（ArF）*準分子水平種群的反轉增加。

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(yè)的成本效益分析。