氖氣在芯片生產中到底是幹什麽的？

烏克蘭進入戰爭狀態以後，大家突（tū）然（rán）發現一種稀有氣體出現了緊（jǐn）缺。這種稀有氣體就是氖氣，據報道氖氣主要應（yīng）用於芯片（piàn）產業，烏克（kè）蘭承（chéng）擔了世（shì）界上一半左右的氖氣供應量，下來將可（kě）能出（chū）現新的芯片短缺危（wēi）機。那氖氣（qì）在芯片產業中究竟是幹什（shí）麽的呢？中（zhōng）國氖氣提純行業迎來了（le）重大（dà）機遇，但就在幾年前中國企（qǐ）業還無法生產符合要求的氖氣，隻（zhī）能高價進口。我是（shì）東城觀星，給大家（jiā）送上（shàng）遲到（dào）的氖氣科普。雖然（rán）遲（chí）到，但保證讓你長見識（shí），現（xiàn）在全網都找不到這麽詳細的講解（jiě）。

一、烏克蘭氖氣短缺的影（yǐng）響

根據媒體報道，烏（wū）克蘭危機造成的氖氣短缺對芯片產業造成重大影響（xiǎng），主要影（yǐng）響汽車芯片、路由器（qì）芯（xīn）片等中低端芯片（piàn），像手機芯片（piàn）、高端計算機芯片（piàn）等最先進的芯片幾乎不受影響。原因是，氖氣主要應用在DUV光刻機上，高端芯片使用EUV光刻機，所以產量不受氖（nǎi）氣供應的影響。

EUV光刻機（jī），也就是極紫外光刻機（jī），工作時（shí）並不需要氖氣的輔助，這（zhè）一點是事（shì）實，但是就算是台積電、三星和Intel這（zhè）樣的芯片生產巨頭，也（yě）做不到全程隻使用EUV光刻機，有一些步驟還是會用到DUV光刻機的，所以並非完全不受影（yǐng）響（xiǎng）。當然，由（yóu）於這些大廠往往都儲存了幾（jǐ）個月到半年的氖氣，在優先保證高端產（chǎn）能的背景下，手機芯片產量確實可以不受影（yǐng）響。但價格可能也會受到這些因素的影響。

二、氖氣到底是幹什麽的？

回來說DUV光刻機為什麽必須用氖（nǎi）氣，而且用量還那麽大。DUV光刻機，也（yě）叫深紫外光刻機，使用（yòng）準分子激光作為光（guāng）源（yuán）。現在常用的光源有248nm的KrF準分（fèn）子激光（guāng）器和193nm的ArF準分（fèn）子激光器。其中，除了最先進的EUV光刻機（jī）以外，大家常說的浸沒（méi）式DUV光（guāng）刻（kè）機（jī），使用的光源就是ArF準分子激光器（qì）。

其實，準（zhǔn）分子激光器能發光的（de）關鍵，就是（shì）利用電極放電激發氣體生（shēng）成不穩定的準分子，然後產生激光。之所（suǒ）以叫（jiào）準分子，是因為那是在正常情況下無法穩定存在的分子，比如ArF，它（tā）的存在並不符合化學常識，也極其不穩定，百萬分之一秒都（dōu）不到（dào）的時間內（nèi）就會消（xiāo）失。這種分子含有非常高的能量，分解的（de）過程釋放出特定波長的紫外光。ArF分解釋放（fàng）193nm紫外光，KrF分解釋放248nm紫外光，XeCl分解釋放（fàng）308nm紫外光。

激光波長（zhǎng）越短，分辨率越高，所以現在芯片（piàn）產業普遍使用紫外激光來做光源。其中DUV光刻（kè）機（jī）的光源基本上都是準分子激光光源。從字麵上來看，這些準分（fèn）子激光器好像跟氖氣都沒有什麽關係。但是，氖氣卻是製作光源必不（bú）可少的元素。

了解化學（xué）的朋友都知道，氟氣是腐蝕性極強的（de）化（huà）學物質，能腐蝕（shí）絕大多數不含氟的化學物質（zhì）。同時，麵對都能把稀有氣（qì）體電離的（de）強電場，一般的化學（xué）物（wù）質很容（róng）易被電離，也就很容易把電極給短路了。要想讓稀有氣體和氟氣的（de）混（hún）合氣體能順利產生準分子（zǐ），又（yòu）不至於把電極給短路掉，必須（xū）加入（rù）足夠量的緩衝氣體。這（zhè）種緩（huǎn）衝氣體，必須是比氬氣等稀有氣體還要更穩定的氣體，那就隻剩下氦氣和氖氣兩種了。由於在緩衝性能上氖氣有獨特的優勢，所以絕大多數的準分子激光器都用氖氣做緩衝氣體。

不僅ArF準分子激光（guāng）器是這樣，KrF準分子激光器、XeCl準分子激光器等所使用的緩衝氣（qì）體也（yě）往（wǎng）往是氖氣。這（zhè）裏的緩衝氣體，添加量要比反應（yīng）氣體還（hái）要多很多，比如（rú）ArF準分子激光器中，緩衝氣體的（de）含（hán）量達到97%左右。也（yě）就是雖然名字叫（jiào）ArF準分子激光（guāng），氖氣的含量卻（què）遠遠高於Ar氣和氟氣。所以你就可以理解，同樣是稀有氣（qì）體（tǐ），為什麽大家都在談氖氣危機，卻很少談氬氣危機或其他稀有氣體危機。

此外，準分子激光器中的氣體是有壽命的（de），需要定期更換。就像前麵說（shuō）的，因為氟氣具有極強的腐蝕性，激光器中（zhōng）哪（nǎ）怕極微量的雜質，都會（huì）讓氣體中毒。所（suǒ）以不僅激光器內（nèi）部所用的所（suǒ）有材料都極其講究，就連緩衝氣體氖氣（qì）也需（xū）要極高的純度。就（jiù）算這（zhè）些都（dōu）能做到（dào），激（jī）光器（qì）每一次發（fā）光，都會損（sǔn）耗一些氟氣，產生一些汙染物，汙染物越積累越多，氣體的發（fā）光能力就會越來越差，很快就不符合要（yào）求了。

早期的（de）準分子激光器，內部氣（qì）體隻能支持一（yī）千萬次左右的發光，如果發光頻率低還好（hǎo），現在用來製芯片的光（guāng）刻機光源，每秒鍾就要發光（guāng）6000次，按這個標準不到半（bàn）個小時就要報（bào）廢了。好在通過不斷改（gǎi）進，利用氣體循環係統（tǒng），現在的準分子光源中加一次氣體已經可以持續使用幾天的時（shí）間了（le）。但是就算可以維持幾天，也意味著每台儀器，每過幾天就要換一次（cì）氣體，一年下來少說也需（xū）要換個幾十次氣體，每年的用量非常可觀啊。這就是芯片產業每年需要大量高純度氖氣的主要原因。

當然，需要用到準分子激光器的領域可不是（shì）隻有芯片製造領域，還有醫學領域、工業雕刻等方麵，有（yǒu）準分（fèn）子激光（guāng）光源的地方，就需要用到氖氣。此外（wài），除了準分子（zǐ）激光領域需要的高純度氖氣以外，氖氣在各行業的用途也（yě）挺大的。比如城（chéng）市霓虹燈、信號燈（dēng）、高端製冷劑、深海潛水等領域（yù）都（dōu）可以用到（dào）氖氣，據我了解導彈的精確製導功能也需（xū）要氖氣（qì）的參與。隻不過芯片產業對氖氣純度的要求是（shì）最高的。

三、為啥隻有烏（wū）克蘭和中國大量供應氖氣

通過媒體報道，大家也多少了解一些了（le），氖氣是鋼鐵產業的副產物，烏克蘭的氖氣是（shì）用俄羅斯鋼廠生產的粗氖氣提煉的，中國（guó）是世界上最大的鋼鐵生產國，氖氣的產量自然也（yě）不低。

之所以氖氣是鋼鐵廠的副產品，最主要的原因是（shì）鋼鐵廠煉（liàn）鋼時必須用大量氧氣，這些（xiē）氧（yǎng）氣靠購買是不劃算的，所以一般成規模的鋼廠（chǎng）都會自己建設空氣分（fèn）餾工廠，除了能得到生產需要（yào）的氧氣以外，還可以生產氮氣、氬氣（qì）、氖氣（qì）、氦氣等副產品，這些副產品對外銷（xiāo）售可以收回（huí）一部分生產成本（běn）。

當然，傳（chuán）統的空氣分餾設備是無法有效分離氖氣的，一方麵氖氣（qì）含量很低，在（zài）空氣中隻（zhī）占十萬分之（zhī）一（yī）左右，另一方麵氖氣的沸點極低，跟液氫差（chà）不多，很難變成液體，傳統分（fèn）餾方法難以獲得有用（yòng）的氖氣，明（míng）知道這東西值錢，卻也無能為（wéi）力。

還是德國（guó）人比（bǐ）較有經濟頭（tóu）腦，他們發現中國（guó）的鋼鐵產量如此之大，空氣分餾（liú）需求也非常巨大，寶貴的（de）氖氣重（chóng）新排回（huí）空氣實在可惜。他們主動把能生產氖氣（qì）的初（chū）級濃縮塔設備賣給中國，讓中國幫他們生產粗產品。他們低價買到粗產品以後，再進（jìn）行純化，得（dé）到高純氖氣，返過來還（hái）能再高價賣給中國。至於提純氖（nǎi）氣的（de）高端設備以（yǐ）及相關技術是絕對保密的。長期以來，世界上（shàng）隻有德國的林德（dé）公司和烏克蘭一家公司掌握相關設備的生產技術。世界上絕大多（duō）數的（de）高純氖氣，由烏克蘭幾家公司和德國林德公司（sī）遍布世界的工廠來提供，利潤非常高。

當然，中國也高度（dù）重視這個領域的研發，經過（guò）十多年的潛心研發，到2015年，中國（guó）杭州的一家設備公司研發的稀有氣體（tǐ）精製裝置投產成功，通（tōng）過了驗收。中國（guó）國產設備製造的氖氣純度達到99.9997%，達到國（guó）際先進水平，完全符合芯（xīn）片生產工藝的需求。值（zhí）得一提的是，當初（chū）該（gāi）設備（bèi）投入生產僅半年，創收（shōu）1.3億元，利（lì）潤達到1.1億元（yuán）。可見高純氖氣堪（kān）稱是氣體領域的黃金，而相關（guān）生產設備堪比印（yìn）鈔機。

現如今（jīn），由於烏克蘭（lán）的氖氣（qì）工廠生產受限，世界上氖氣的供應量嚴重不足，全（quán）世界的芯片廠家都跑到中國來搶購高純氖氣。氖氣的價格也是抬高了數倍，利潤率再創（chuàng）新高。當然，中國（guó）的鋼鐵產能處於（yú）世界第一位，高純氖（nǎi）氣的產量（liàng）卻遠比不上烏克蘭（lán）之前的水平，可挖掘潛（qián）力還是很大的。估（gū）計短時間內還會有更大的產能被開發出來，以彌補（bǔ）世界上高純氖（nǎi）氣的需求缺口。

四（sì）、氖氣提純到底難在什麽地方？

空氣裏21%的氣體是氧氣，78%的氣體是氮氣，剩下的氣體絕大多數是（shì）稀有氣體（tǐ），稀有氣體（tǐ）約占空氣的0.94%。稀有氣體裏麵絕大多數都是（shì）氬氣，占（zhàn）99%以上（shàng），按比例來說，氬氣的含量是氖（nǎi）氣含量的一千倍左右，所以氖氣（qì）雖然（rán）是（shì）含量第二多的稀有氣體，但確實非常（cháng）稀少。

不僅含量低（dī），沸點低也是個難題。氬氣的沸點介於氮氣和氧氣之間，在製氧氣的過程中，捎帶腳（jiǎo）就（jiù）可（kě）以得到氮氣和氬氣，工藝比較簡單，所以氬氣並不算（suàn）太貴。但是氖氣則不同，氖氣的沸點跟氫氣（qì）差不多，隻比氦氣高一些，傳統的空氣分離設備無法把它們三（sān）個給液化。要想（xiǎng）提取氖氣和氦氣，必須用深度冷卻法。通常需要用液氫或液氦才（cái）能把氖氣給液化。

當（dāng）然（rán），按（àn）照沸點來劃（huá）分（fèn）的（de）話，跟氖（nǎi）氣比較接近的隻有氫氣和氦氣，而（ér）且氫氣和氦氣沸點都比（bǐ）氖氣更低一些（xiē），理論上通過分餾的（de）方法也可以把它（tā）們（men）三個分開。但是芯片產（chǎn）業用的高純氖氣，可不是通過簡單（dān）分餾就能（néng）得到的，各種雜質不可能通過簡單的分餾就去除幹淨，尤其是化（huà）學性質跟氖氣比較接近的氦氣。

簡單概括起來，高純氖氣的提純流程是深冷法空分設備濃縮、除氫、除氮、低溫吸附、氖氦分（fèn）離等步驟。最難的步驟是氖氦（hài）分離，這裏麵涉及的技（jì）術是機密的。所有高純氖氣生產工藝研（yán）究，都是重點關注（zhù）怎樣把氖氣中微量的氦氣去（qù）掉。

好在現（xiàn）在中國已經有了成熟（shú）的分（fèn）離方法了，而且（qiě）成本控（kòng）製得還不錯（cuò）。希望後（hòu）麵能進一步擴大生產，盡快彌補世界芯片產業（yè）的氣體缺（quē）口。近幾（jǐ）年影響芯片產能的壞消息（xī）太多了，我們需要一（yī）些（xiē）好消息。