“霓虹”元素，為何牽動世界的神經(jīng)

蘇更林

氖（Ne）在室溫下以氣態(tài)形式存在。盡管氖在宇宙中的分布并不少，但在大氣中的含量極低（僅為0.0018%）。由于氖無色無味，生性“懶惰”，以至于在漫長的歲月中人們并不知道它的存在。

在門捷列夫最初的元素周期表中是沒有“惰性氣體”一族的。感謝英國化學(xué)家拉姆齊等人的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，從而為元素周期表增添了一個家族，拉姆齊也因此獲得1904年的諾貝爾化學(xué)獎，并被譽(yù)為“惰性氣體之父”。

拉姆齊是如何發(fā)現(xiàn)氖的呢？19世紀(jì)末，科學(xué)家對空氣的研究正盛。英國化學(xué)家瑞利發(fā)現(xiàn)，從氨氣中制得的氮氣與從空氣中獲得的氮氣具有不同的密度，前者要比后者輕千分之一。拉姆齊對這個問題非常感興趣，在與瑞利溝通后也投入到了大氣中氮的成分研究。

拉姆齊利用紅熱的鎂與空氣中氧和氮的反應(yīng)，來吸收空氣中的氧和氮，最后剩下了八十分之一的氣體。拉姆齊通過光譜分析，研究剩余氣體的譜線，發(fā)現(xiàn)其中存在未知的紅色和綠色譜線，這說明空氣中還有未知的微量氣體。

1894年，拉姆齊和瑞利在英國科學(xué)協(xié)會的大會上共同宣布了這一發(fā)現(xiàn)。在這次大會上，這種新氣體被定名為氬，意為“懶惰的氣體”。此后，拉姆齊從瀝青鈾礦中發(fā)現(xiàn)了另一種惰性氣體—氦，其光譜特征為深黃色的明線。

在拉姆齊的心里，空氣成分的謎底并未完全揭開。因此，他與特拉弗斯合作進(jìn)行了空氣液化分餾，從而進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了惰性氣體氪、氖和氙。他在談及氖的發(fā)現(xiàn)時說：“這是一個值得收藏的時刻—它具有極其壯麗的光譜，帶著許多條紅線、綠線、紫線、黃線。在高度真空下，甚至還閃著磷光……真是美麗極了！”

氖的霓虹之光，具有很高的應(yīng)用價值。不過，霓虹燈的發(fā)明者并不是拉姆齊，而是法國科學(xué)家克勞德?？藙诘率且粋€興趣廣泛的科學(xué)家，他涉足空氣分離行業(yè)最初并不是為了霓虹燈。1895年，有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)乙炔的燃燒極具推廣價值。不過，需要解決氧氣的生產(chǎn)和乙炔的安全性問題?？藙诘虏粌H找到了乙炔安全運輸和儲藏的方法，而且還探索出了液化空氣生產(chǎn)氧氣的工藝技術(shù)路線。要說空氣液化分離技術(shù)的發(fā)明，克勞德還算不上是第一人。1901年，德國科學(xué)家林德成為第一個商業(yè)化液化空氣的人。1902年，克勞德以其獨特的技術(shù)創(chuàng)辦了液化空氣公司，專門生產(chǎn)氧氣、氮氣、氫氣、氖氣等。

空氣液化分離技術(shù)的發(fā)明，使得惰性氣體作為液化空氣的副產(chǎn)品被大量生產(chǎn)出來?？藙诘略谒伎既绾螢檫@些惰性氣體找到商業(yè)應(yīng)用的出路時，首先想到的就是拉姆齊等人的發(fā)現(xiàn)以及蓋斯勒等人的放電管實驗，他便集中精力致力于霓虹燈的發(fā)明。

1910年，克勞德在巴黎車展上展示其公司的霓虹燈產(chǎn)品，從而吸引了全世界的目光。該霓虹燈產(chǎn)品由兩根充有氖氣的燈管組成，每根燈管大約有12米長。1911年，克勞德在美國為霓虹燈申請了專利（1915年授予專利）。

克勞德最初發(fā)明霓虹燈，看中的無疑是其照明特性。然而，霓虹燈的照明屬性并不具有優(yōu)勢，直到熒光涂層的引入才使其在照明領(lǐng)域大放異彩?？藙诘伦畛鯙槟藓鐭舫涞闹皇悄蕷?，后來還加入了氦、氬、氪、氙等惰性氣體，并因此發(fā)明了五彩繽紛的霓虹燈。特別是汞蒸氣的引入，使得霓虹燈的色彩更加豐富。

1923年，克勞德的公司為美國帕卡德汽車經(jīng)銷商制作了大型霓虹燈標(biāo)志，該標(biāo)志還成了一個著名的旅游景點。此后，霓虹燈作為現(xiàn)代化都市的點綴風(fēng)靡全球。霓虹燈在建筑和景觀方面的應(yīng)用，特別是向商業(yè)廣告業(yè)的滲透，更使其擁有了無限的生命力。

如今，LED的普及讓霓虹燈的輝煌不再。然而，霓虹燈曾經(jīng)帶給我們的視覺盛宴，仍然是一個時代無法抹去的記憶。現(xiàn)在，諸如輝光燈、電子管、氣體激光器、驗電筆等仍在使用氖燈。氖氣低壓放電管被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)信標(biāo)以及港口、機(jī)場、車站等交通要地的顯示標(biāo)志。

認(rèn)識世界，離不開觀察。然而，我們?nèi)庋鄣挠^察范圍存在很大的局限性，例如微觀世界的高能粒子，我們的肉眼是觀察不到的?？茖W(xué)家發(fā)明的粒子探測器實際上就是觀測微觀粒子的“眼睛”?；鸹ㄊ揖褪怯^測微觀粒子的“眼睛”之一。

在高能物理學(xué)研究中，火花室一向被譽(yù)為“粒子之眼”?；鸹ㄊ覍嶋H上是一種利用氣體火花放電原理的粒子探測器?；鸹ㄊ覛怏w通常由氦氣和氖氣的混合物組成，氣體混合物可根據(jù)要求來定制，如10%氦氣和90%氖氣。

火花室的原理是這樣的：在密封的盒子中置有一堆金屬板，在板與板之間充有惰性氣體混合物，帶電粒子穿過盒子時會使氣體發(fā)生電離。當(dāng)施加高電壓時，沿著粒子的軌跡會產(chǎn)生火花。利用高科技手段記錄下這些徑跡數(shù)據(jù)就可以研究高能粒子的運動規(guī)律了?；鸹ㄊ揖哂斜容^好的空間分辨率，其定位精度稍低于氣泡室。

要說氖牽動世界的神經(jīng)，其原因基于氖在半導(dǎo)體行業(yè)中具有舉足輕重的地位。那么，氖是如何與半導(dǎo)體扯上關(guān)系的呢？

我們知道，光刻機(jī)是芯片制造的核心裝備，其作用在于用光學(xué)技術(shù)把設(shè)計好的電路刻在晶圓上。這里涉及極其復(fù)雜的工藝過程，但激光器光源無疑是光刻機(jī)的核心。

DUV光刻機(jī)也叫深紫外光刻機(jī)，主要用于制造7nm及以上制程的芯片，其光源采用的是準(zhǔn)分子激光器。準(zhǔn)分子是指在正常情況下無法穩(wěn)定存在的分子。準(zhǔn)分子激光器就是利用電極放電激發(fā)氣體生成不穩(wěn)定分子來產(chǎn)生激光的。

通常，準(zhǔn)分子激光器用的是稀有氣體/鹵化物分子。如氟激光氣體混合物可以產(chǎn)生4種波長的紫外光：F2（氟氣）產(chǎn)生157nm的紫外光；ArF（氟化氬）產(chǎn)生193nm的紫外光；KrF（氟化氪）產(chǎn)生248nm的紫外光；XeF（氟化氙）產(chǎn)生351nm的紫外光。

DUV光刻機(jī)常用的光源為KrF準(zhǔn)分子激光器和ArF準(zhǔn)分子激光器。KrF和ArF極其不穩(wěn)定，其存在時間在百萬分之一秒之內(nèi)。但它們都含有非常高的能量，在分解過程中會釋放特定波長的紫外光。并且，激光波長越短，其分辨率越高，所以現(xiàn)在芯片產(chǎn)業(yè)普遍使用紫外激光作為光源。

你也許會問，無論是KrF準(zhǔn)分子激光器，還是ArF準(zhǔn)分子激光器，怎么都看不出與氖氣有什么關(guān)系呢？其實，氖氣在準(zhǔn)分子激光器中的應(yīng)用并不是充當(dāng)激光氣體，而是用作緩沖氣體。原來，準(zhǔn)分子激光器中的氟具有極強(qiáng)的腐蝕性，加之在強(qiáng)電場條件下化學(xué)物質(zhì)易被電離，因此很容易發(fā)生電極短路。為此，需充入足量、穩(wěn)定的惰性氣體作為緩沖氣體，以確保其既能產(chǎn)生準(zhǔn)分子，又不發(fā)生電極短路。一般準(zhǔn)分子激光器都選擇氖氣作為緩沖氣體，其含量甚至高達(dá)97%左右。這說明，氖氣的用量要遠(yuǎn)比準(zhǔn)分子激光器反應(yīng)氣體更多。

芯片產(chǎn)業(yè)還對氖氣的純度有著極高的要求。要知道，準(zhǔn)分子的化學(xué)性質(zhì)十分脆弱，要求起始?xì)怏w必須十分純凈。定期換氣是保證氖氣新鮮純凈的重要措施，也是去除工作環(huán)境雜質(zhì)的方法之一。一年下來就需要更換幾十次氣體，可見對氖氣的依賴度之高。

烏克蘭擁有高純度氖氣的生產(chǎn)基地，承擔(dān)著世界上一半左右的氖氣供應(yīng)量。進(jìn)入戰(zhàn)爭狀態(tài)的烏克蘭，氖氣生產(chǎn)基地處于停產(chǎn)狀態(tài)。由于目前氖氣具有不可替代性，因此加劇了世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對氖氣的需求缺口。

需要說明的是，代表先進(jìn)光刻技術(shù)的EUV光刻機(jī)（極深紫外光刻機(jī)），主要用于5nm及更先進(jìn)制程芯片的制造，覆蓋了手機(jī)芯片、CPU、GPU等高端芯片。EUV光刻機(jī)的光源目前主要采用二氧化碳激光照射錫等靶材，從而激發(fā)出13.5nm的光子。因此，EUV光刻機(jī)的光源是不需要氖氣作為緩沖氣體的。

在地球上，氖氣因稀有而珍貴。由于大氣中的氖氣含量極微，單純分離提純氖氣是不劃算的。氖氣量產(chǎn)一直與鋼鐵產(chǎn)業(yè)捆綁在一起，因為鋼鐵企業(yè)需要消耗大量的氧氣，如果依靠購買氧氣來維持生產(chǎn)顯然是不可取的，所以有規(guī)模的鋼鐵企業(yè)一般都建有自己的空氣分餾工廠。

既然是空氣分餾工廠，除了氧氣這個主產(chǎn)品之外，還會有氮氣這樣的大宗產(chǎn)品以及氬氣、氖氣、氦氣等“副產(chǎn)品”以粗品形式出售。俄羅斯鋼鐵制造廠原來都是把生產(chǎn)出來的粗氖銷售給烏克蘭，這才有了烏克蘭的粗氖提純基地的崛起。

用于半導(dǎo)體制造業(yè)的氖氣要求達(dá)到99.999%的純度。因此，這些氖氣粗品需要經(jīng)過復(fù)雜的提純工藝才能得到一定純度的產(chǎn)品，以滿足不同純度要求。

粗氖的提純是個技術(shù)活，存在一定的技術(shù)門檻，其中以氖氣和氦氣的提取和分離尤為困難。因為氖氣的沸點與氫氣、氦氣接近，并且高純氖氣很難通過簡單分餾把雜質(zhì)去除。通常，高純氖氣的提純需要采用深度冷卻法空分工藝，并經(jīng)過濃縮、除氫、除氮、低溫吸附、氖氦分離等多重操作才能奏效。

我國作為一個鋼鐵生產(chǎn)大國，空分產(chǎn)業(yè)已形成一定的規(guī)模，并且有著豐厚的技術(shù)積淀。氖氣的純化工藝也相對成熟，并已實現(xiàn)了精氖的量產(chǎn)，因此不會受到世界氖氣供需缺口的影響。