烏克蘭進(jìn)入戰(zhàn)爭(zhēng)狀態(tài)以后，大家突然發(fā)現(xiàn)一種稀有氣體出現(xiàn)了緊缺。這種稀有氣體就是氖氣，據(jù)報(bào)道氖氣主要應(yīng)用于芯片產(chǎn)業(yè)，烏克蘭承擔(dān)了世界上一半左右的氖氣供應(yīng)量，下來將可能出現(xiàn)新的芯片短缺危機(jī)。那氖氣在芯片產(chǎn)業(yè)中究竟是干什么的呢？中國(guó)氖氣提純行業(yè)迎來了重大機(jī)遇，但就在幾年前中國(guó)企業(yè)還無法生產(chǎn)符合要求的氖氣，只能高價(jià)進(jìn)口。

一、烏克蘭氖氣短缺的影響

根據(jù)媒體報(bào)道，烏克蘭危機(jī)造成的氖氣短缺對(duì)芯片產(chǎn)業(yè)造成重大影響，主要影響汽車芯片、路由器芯片等中低端芯片，像手機(jī)芯片、高端計(jì)算機(jī)芯片等最先進(jìn)的芯片幾乎不受影響。原因是，氖氣主要應(yīng)用在DUV光刻機(jī)上，高端芯片使用EUV光刻機(jī)，所以產(chǎn)量不受氖氣供應(yīng)的影響。

EUV光刻機(jī)，也就是極紫外光刻機(jī)，工作時(shí)并不需要氖氣的輔助，這一點(diǎn)是事實(shí)，但是就算是臺(tái)積電、三星和Intel這樣的芯片生產(chǎn)巨頭，也做不到全程只使用EUV光刻機(jī)，有一些步驟還是會(huì)用到DUV光刻機(jī)的，所以并非完全不受影響。當(dāng)然，由于這些大廠往往都儲(chǔ)存了幾個(gè)月到半年的氖氣，在優(yōu)先保證高端產(chǎn)能的背景下，手機(jī)芯片產(chǎn)量確實(shí)可以不受影響。但價(jià)格可能也會(huì)受到這些因素的影響。

二、氖氣到底是干什么的？

回來說DUV光刻機(jī)為什么必須用氖氣，而且用量還那么大。DUV光刻機(jī)，也叫深紫外光刻機(jī)，使用準(zhǔn)分子激光作為光源。現(xiàn)在常用的光源有248nm的KrF準(zhǔn)分子激光器和193nm的ArF準(zhǔn)分子激光器。其中，除了最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)以外，大家常說的浸沒式DUV光刻機(jī)，使用的光源就是ArF準(zhǔn)分子激光器。

其實(shí)，準(zhǔn)分子激光器能發(fā)光的關(guān)鍵，就是利用電極放電激發(fā)氣體生成不穩(wěn)定的準(zhǔn)分子，然后產(chǎn)生激光。之所以叫準(zhǔn)分子，是因?yàn)槟鞘窃谡Ｇ闆r下無法穩(wěn)定存在的分子，比如ArF，它的存在并不符合化學(xué)常識(shí)，也極其不穩(wěn)定，百萬分之一秒都不到的時(shí)間內(nèi)就會(huì)消失。這種分子含有非常高的能量，分解的過程釋放出特定波長(zhǎng)的紫外光。ArF分解釋放193nm紫外光，KrF分解釋放248nm紫外光，XeCl分解釋放308nm紫外光。

激光波長(zhǎng)越短，分辨率越高，所以現(xiàn)在芯片產(chǎn)業(yè)普遍使用紫外激光來做光源。其中DUV光刻機(jī)的光源基本上都是準(zhǔn)分子激光光源。從字面上來看，這些準(zhǔn)分子激光器好像跟氖氣都沒有什么關(guān)系。但是，氖氣卻是制作光源必不可少的元素。

了解化學(xué)的朋友都知道，氟氣是腐蝕性極強(qiáng)的化學(xué)物質(zhì)，能腐蝕絕大多數(shù)不含氟的化學(xué)物質(zhì)。同時(shí)，面對(duì)都能把稀有氣體電離的強(qiáng)電場(chǎng)，一般的化學(xué)物質(zhì)很容易被電離，也就很容易把電極給短路了。要想讓稀有氣體和氟氣的混合氣體能順利產(chǎn)生準(zhǔn)分子，又不至于把電極給短路掉，必須加入足夠量的緩沖氣體。這種緩沖氣體，必須是比氬氣等稀有氣體還要更穩(wěn)定的氣體，那就只剩下氦氣和氖氣兩種了。由于在緩沖性能上氖氣有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，所以絕大多數(shù)的準(zhǔn)分子激光器都用氖氣做緩沖氣體。

不僅ArF準(zhǔn)分子激光器是這樣，KrF準(zhǔn)分子激光器、XeCl準(zhǔn)分子激光器等所使用的緩沖氣體也往往是氖氣。這里的緩沖氣體，添加量要比反應(yīng)氣體還要多很多，比如ArF準(zhǔn)分子激光器中，緩沖氣體的含量達(dá)到97%左右。也就是雖然名字叫ArF準(zhǔn)分子激光，氖氣的含量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Ar氣和氟氣。所以你就可以理解，同樣是稀有氣體，為什么大家都在談氖氣危機(jī)，卻很少談氬氣危機(jī)或其他稀有氣體危機(jī)。

此外，準(zhǔn)分子激光器中的氣體是有壽命的，需要定期更換。就像前面說的，因?yàn)榉鷼饩哂袠O強(qiáng)的腐蝕性，激光器中哪怕極微量的雜質(zhì)，都會(huì)讓氣體中毒。所以不僅激光器內(nèi)部所用的所有材料都極其講究，就連緩沖氣體氖氣也需要極高的純度。就算這些都能做到，激光器每一次發(fā)光，都會(huì)損耗一些氟氣，產(chǎn)生一些污染物，污染物越積累越多，氣體的發(fā)光能力就會(huì)越來越差，很快就不符合要求了。

早期的準(zhǔn)分子激光器，內(nèi)部氣體只能支持一千萬次左右的發(fā)光，如果發(fā)光頻率低還好，現(xiàn)在用來制芯片的光刻機(jī)光源，每秒鐘就要發(fā)光6000次，按這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不到半個(gè)小時(shí)就要報(bào)廢了。好在通過不斷改進(jìn)，利用氣體循環(huán)系統(tǒng)，現(xiàn)在的準(zhǔn)分子光源中加一次氣體已經(jīng)可以持續(xù)使用幾天的時(shí)間了。但是就算可以維持幾天，也意味著每臺(tái)儀器，每過幾天就要換一次氣體，一年下來少說也需要換個(gè)幾十次氣體，每年的用量非常可觀啊。這就是芯片產(chǎn)業(yè)每年需要大量高純度氖氣的主要原因。

當(dāng)然，需要用到準(zhǔn)分子激光器的領(lǐng)域可不是只有芯片制造領(lǐng)域，還有醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、工業(yè)雕刻等方面，有準(zhǔn)分子激光光源的地方，就需要用到氖氣。此外，除了準(zhǔn)分子激光領(lǐng)域需要的高純度氖氣以外，氖氣在各行業(yè)的用途也挺大的。比如城市霓虹燈、信號(hào)燈、高端制冷劑、深海潛水等領(lǐng)域都可以用到氖氣，據(jù)我了解導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)功能也需要氖氣的參與。只不過芯片產(chǎn)業(yè)對(duì)氖氣純度的要求是最高的。

三、為啥只有烏克蘭和中國(guó)大量供應(yīng)氖氣

通過媒體報(bào)道，大家也多少了解一些了，氖氣是鋼鐵產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)物，烏克蘭的氖氣是用俄羅斯鋼廠生產(chǎn)的粗氖氣提煉的，中國(guó)是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國(guó)，氖氣的產(chǎn)量自然也不低。

之所以氖氣是鋼鐵廠的副產(chǎn)品，最主要的原因是鋼鐵廠煉鋼時(shí)必須用大量氧氣，這些氧氣靠購(gòu)買是不劃算的，所以一般成規(guī)模的鋼廠都會(huì)自己建設(shè)空氣分餾工廠，除了能得到生產(chǎn)需要的氧氣以外，還可以生產(chǎn)氮?dú)狻鍤狻⒛蕷狻⒑獾雀碑a(chǎn)品，這些副產(chǎn)品對(duì)外銷售可以收回一部分生產(chǎn)成本。

當(dāng)然，傳統(tǒng)的空氣分餾設(shè)備是無法有效分離氖氣的，一方面氖氣含量很低，在空氣中只占十萬分之一左右，另一方面氖氣的沸點(diǎn)極低，跟液氫差不多，很難變成液體，傳統(tǒng)分餾方法難以獲得有用的氖氣，明知道這東西值錢，卻也無能為力。

還是德國(guó)人比較有經(jīng)濟(jì)頭腦，他們發(fā)現(xiàn)中國(guó)的鋼鐵產(chǎn)量如此之大，空氣分餾需求也非常巨大，寶貴的氖氣重新排回空氣實(shí)在可惜。他們主動(dòng)把能生產(chǎn)氖氣的初級(jí)濃縮塔設(shè)備賣給中國(guó)，讓中國(guó)幫他們生產(chǎn)粗產(chǎn)品。他們低價(jià)買到粗產(chǎn)品以后，再進(jìn)行純化，得到高純氖氣，返過來還能再高價(jià)賣給中國(guó)。至于提純氖氣的高端設(shè)備以及相關(guān)技術(shù)是絕對(duì)保密的。長(zhǎng)期以來，世界上只有德國(guó)的林德公司和烏克蘭一家公司掌握相關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)技術(shù)。世界上絕大多數(shù)的高純氖氣，由烏克蘭幾家公司和德國(guó)林德公司遍布世界的工廠來提供，利潤(rùn)非常高。

當(dāng)然，中國(guó)也高度重視這個(gè)領(lǐng)域的研發(fā)，經(jīng)過十多年的潛心研發(fā)，到2015年，中國(guó)杭州的一家設(shè)備公司研發(fā)的稀有氣體精制裝置投產(chǎn)成功，通過了驗(yàn)收。中國(guó)國(guó)產(chǎn)設(shè)備制造的氖氣純度達(dá)到99.9997%，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，完全符合芯片生產(chǎn)工藝的需求。值得一提的是，當(dāng)初該設(shè)備投入生產(chǎn)僅半年，創(chuàng)收1.3億元，利潤(rùn)達(dá)到1.1億元。可見高純氖氣堪稱是氣體領(lǐng)域的黃金，而相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備堪比印鈔機(jī)。

現(xiàn)如今，由于烏克蘭的氖氣工廠生產(chǎn)受限，世界上氖氣的供應(yīng)量嚴(yán)重不足，全世界的芯片廠家都跑到中國(guó)來搶購(gòu)高純氖氣。氖氣的價(jià)格也是抬高了數(shù)倍，利潤(rùn)率再創(chuàng)新高。當(dāng)然，中國(guó)的鋼鐵產(chǎn)能處于世界第一位，高純氖氣的產(chǎn)量卻遠(yuǎn)比不上烏克蘭之前的水平，可挖掘潛力還是很大的。估計(jì)短時(shí)間內(nèi)還會(huì)有更大的產(chǎn)能被開發(fā)出來，以彌補(bǔ)世界上高純氖氣的需求缺口。

四、氖氣提純到底難在什么地方？

空氣里21%的氣體是氧氣，78%的氣體是氮?dú)猓Ｏ碌臍怏w絕大多數(shù)是稀有氣體，稀有氣體約占空氣的0.94%。稀有氣體里面絕大多數(shù)都是氬氣，占99%以上，按比例來說，氬氣的含量是氖氣含量的一千倍左右，所以氖氣雖然是含量第二多的稀有氣體，但確實(shí)非常稀少。

不僅含量低，沸點(diǎn)低也是個(gè)難題。氬氣的沸點(diǎn)介于氮?dú)夂脱鯕庵g，在制氧氣的過程中，捎帶腳就可以得到氮?dú)夂蜌鍤猓に嚤容^簡(jiǎn)單，所以氬氣并不算太貴。但是氖氣則不同，氖氣的沸點(diǎn)跟氫氣差不多，只比氦氣高一些，傳統(tǒng)的空氣分離設(shè)備無法把它們?nèi)齻€(gè)給液化。要想提取氖氣和氦氣，必須用深度冷卻法。通常需要用液氫或液氦才能把氖氣給液化。

當(dāng)然，按照沸點(diǎn)來劃分的話，跟氖氣比較接近的只有氫氣和氦氣，而且氫氣和氦氣沸點(diǎn)都比氖氣更低一些，理論上通過分餾的方法也可以把它們?nèi)齻€(gè)分開。但是芯片產(chǎn)業(yè)用的高純氖氣，可不是通過簡(jiǎn)單分餾就能得到的，各種雜質(zhì)不可能通過簡(jiǎn)單的分餾就去除干凈，尤其是化學(xué)性質(zhì)跟氖氣比較接近的氦氣。

簡(jiǎn)單概括起來，高純氖氣的提純流程是深冷法空分設(shè)備濃縮、除氫、除氮、低溫吸附、氖氦分離等步驟。最難的步驟是氖氦分離，這里面涉及的技術(shù)是機(jī)密的。所有高純氖氣生產(chǎn)工藝研究，都是重點(diǎn)關(guān)注怎樣把氖氣中微量的氦氣去掉。

好在現(xiàn)在中國(guó)已經(jīng)有了成熟的分離方法了，而且成本控制得還不錯(cuò)。希望后面能進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn)，盡快彌補(bǔ)世界芯片產(chǎn)業(yè)的氣體缺口。近幾年影響芯片產(chǎn)能的壞消息太多了，我們需要一些好消息。