氖气在芯片生产中到底是干什么的?

2022-05-25

乌克兰进入战争状态以后,大家突然发现一种稀有气体出现了紧缺。这种稀有气体就是氖气,据报道氖气主要应用于芯片产业,乌克兰承担了世界上一半左右的氖气供应量,下来将可能出现新的芯片短缺危机。那氖气在芯片产业中究竟是干什么的呢?中国氖气提纯行业迎来了重大机遇,但就在几年前中国企业还无法生产符合要求的氖气,只能高价进口。

 

一、乌克兰氖气短缺的影响

根据媒体报道,乌克兰危机造成的氖气短缺对芯片产业造成重大影响,主要影响汽车芯片、路由器芯片等中低端芯片,像手机芯片、高端计算机芯片等最先进的芯片几乎不受影响。原因是,氖气主要应用在DUV光刻机上,高端芯片使用EUV光刻机,所以产量不受氖气供应的影响。

EUV光刻机,也就是极紫外光刻机,工作时并不需要氖气的辅助,这一点是事实,但是就算是台积电、三星和Intel这样的芯片生产巨头,也做不到全程只使用EUV光刻机,有一些步骤还是会用到DUV光刻机的,所以并非完全不受影响。当然,由于这些大厂往往都储存了几个月到半年的氖气,在优先保证高端产能的背景下,手机芯片产量确实可以不受影响。但价格可能也会受到这些因素的影响。

 

二、氖气到底是干什么的?

回来说DUV光刻机为什么必须用氖气,而且用量还那么大。DUV光刻机,也叫深紫外光刻机,使用准分子激光作为光源。现在常用的光源有248nm的KrF准分子激光器和193nm的ArF准分子激光器。其中,除了最先进的EUV光刻机以外,大家常说的浸没式DUV光刻机,使用的光源就是ArF准分子激光器。

其实,准分子激光器能发光的关键,就是利用电极放电激发气体生成不稳定的准分子,然后产生激光。之所以叫准分子,是因为那是在正常情况下无法稳定存在的分子,比如ArF,它的存在并不符合化学常识,也极其不稳定,百万分之一秒都不到的时间内就会消失。这种分子含有非常高的能量,分解的过程释放出特定波长的紫外光。ArF分解释放193nm紫外光,KrF分解释放248nm紫外光,XeCl分解释放308nm紫外光。

激光波长越短,分辨率越高,所以现在芯片产业普遍使用紫外激光来做光源。其中DUV光刻机的光源基本上都是准分子激光光源。从字面上来看,这些准分子激光器好像跟氖气都没有什么关系。但是,氖气却是制作光源必不可少的元素。

了解化学的朋友都知道,氟气是腐蚀性极强的化学物质,能腐蚀绝大多数不含氟的化学物质。同时,面对都能把稀有气体电离的强电场,一般的化学物质很容易被电离,也就很容易把电极给短路了。要想让稀有气体和氟气的混合气体能顺利产生准分子,又不至于把电极给短路掉,必须加入足够量的缓冲气体。这种缓冲气体,必须是比氩气等稀有气体还要更稳定的气体,那就只剩下氦气和氖气两种了。由于在缓冲性能上氖气有独特的优势,所以绝大多数的准分子激光器都用氖气做缓冲气体。

不仅ArF准分子激光器是这样,KrF准分子激光器、XeCl准分子激光器等所使用的缓冲气体也往往是氖气。这里的缓冲气体,添加量要比反应气体还要多很多,比如ArF准分子激光器中,缓冲气体的含量达到97%左右。也就是虽然名字叫ArF准分子激光,氖气的含量却远远高于Ar气和氟气。所以你就可以理解,同样是稀有气体,为什么大家都在谈氖气危机,却很少谈氩气危机或其他稀有气体危机。

 

此外,准分子激光器中的气体是有寿命的,需要定期更换。就像前面说的,因为氟气具有极强的腐蚀性,激光器中哪怕极微量的杂质,都会让气体中毒。所以不仅激光器内部所用的所有材料都极其讲究,就连缓冲气体氖气也需要极高的纯度。就算这些都能做到,激光器每一次发光,都会损耗一些氟气,产生一些污染物,污染物越积累越多,气体的发光能力就会越来越差,很快就不符合要求了。

早期的准分子激光器,内部气体只能支持一千万次左右的发光,如果发光频率低还好,现在用来制芯片的光刻机光源,每秒钟就要发光6000次,按这个标准不到半个小时就要报废了。好在通过不断改进,利用气体循环系统,现在的准分子光源中加一次气体已经可以持续使用几天的时间了。但是就算可以维持几天,也意味着每台仪器,每过几天就要换一次气体,一年下来少说也需要换个几十次气体,每年的用量非常可观啊。这就是芯片产业每年需要大量高纯度氖气的主要原因。

当然,需要用到准分子激光器的领域可不是只有芯片制造领域,还有医学领域、工业雕刻等方面,有准分子激光光源的地方,就需要用到氖气。此外,除了准分子激光领域需要的高纯度氖气以外,氖气在各行业的用途也挺大的。比如城市霓虹灯、信号灯、高端制冷剂、深海潜水等领域都可以用到氖气,据我了解导弹的精确制导功能也需要氖气的参与。只不过芯片产业对氖气纯度的要求是最高的。

 

三、为啥只有乌克兰和中国大量供应氖气

通过媒体报道,大家也多少了解一些了,氖气是钢铁产业的副产物,乌克兰的氖气是用俄罗斯钢厂生产的粗氖气提炼的,中国是世界上最大的钢铁生产国,氖气的产量自然也不低。

之所以氖气是钢铁厂的副产品,最主要的原因是钢铁厂炼钢时必须用大量氧气,这些氧气靠购买是不划算的,所以一般成规模的钢厂都会自己建设空气分馏工厂,除了能得到生产需要的氧气以外,还可以生产氮气、氩气、氖气、氦气等副产品,这些副产品对外销售可以收回一部分生产成本。

当然,传统的空气分馏设备是无法有效分离氖气的,一方面氖气含量很低,在空气中只占十万分之一左右,另一方面氖气的沸点极低,跟液氢差不多,很难变成液体,传统分馏方法难以获得有用的氖气,明知道这东西值钱,却也无能为力。

 

 

还是德国人比较有经济头脑,他们发现中国的钢铁产量如此之大,空气分馏需求也非常巨大,宝贵的氖气重新排回空气实在可惜。他们主动把能生产氖气的初级浓缩塔设备卖给中国,让中国帮他们生产粗产品。他们低价买到粗产品以后,再进行纯化,得到高纯氖气,返过来还能再高价卖给中国。至于提纯氖气的高端设备以及相关技术是绝对保密的。长期以来,世界上只有德国的林德公司和乌克兰一家公司掌握相关设备的生产技术。世界上绝大多数的高纯氖气,由乌克兰几家公司和德国林德公司遍布世界的工厂来提供,利润非常高。

当然,中国也高度重视这个领域的研发,经过十多年的潜心研发,到2015年,中国杭州的一家设备公司研发的稀有气体精制装置投产成功,通过了验收。中国国产设备制造的氖气纯度达到99.9997%,达到国际先进水平,完全符合芯片生产工艺的需求。值得一提的是,当初该设备投入生产仅半年,创收1.3亿元,利润达到1.1亿元。可见高纯氖气堪称是气体领域的黄金,而相关生产设备堪比印钞机。

现如今,由于乌克兰的氖气工厂生产受限,世界上氖气的供应量严重不足,全世界的芯片厂家都跑到中国来抢购高纯氖气。氖气的价格也是抬高了数倍,利润率再创新高。当然,中国的钢铁产能处于世界第一位,高纯氖气的产量却远比不上乌克兰之前的水平,可挖掘潜力还是很大的。估计短时间内还会有更大的产能被开发出来,以弥补世界上高纯氖气的需求缺口。

 

四、氖气提纯到底难在什么地方?

空气里21%的气体是氧气,78%的气体是氮气,剩下的气体绝大多数是稀有气体,稀有气体约占空气的0.94%。稀有气体里面绝大多数都是氩气,占99%以上,按比例来说,氩气的含量是氖气含量的一千倍左右,所以氖气虽然是含量第二多的稀有气体,但确实非常稀少。

不仅含量低,沸点低也是个难题。氩气的沸点介于氮气和氧气之间,在制氧气的过程中,捎带脚就可以得到氮气和氩气,工艺比较简单,所以氩气并不算太贵。但是氖气则不同,氖气的沸点跟氢气差不多,只比氦气高一些,传统的空气分离设备无法把它们三个给液化。要想提取氖气和氦气,必须用深度冷却法。通常需要用液氢或液氦才能把氖气给液化。

当然,按照沸点来划分的话,跟氖气比较接近的只有氢气和氦气,而且氢气和氦气沸点都比氖气更低一些,理论上通过分馏的方法也可以把它们三个分开。但是芯片产业用的高纯氖气,可不是通过简单分馏就能得到的,各种杂质不可能通过简单的分馏就去除干净,尤其是化学性质跟氖气比较接近的氦气。

 

简单概括起来,高纯氖气的提纯流程是深冷法空分设备浓缩、除氢、除氮、低温吸附、氖氦分离等步骤。最难的步骤是氖氦分离,这里面涉及的技术是机密的。所有高纯氖气生产工艺研究,都是重点关注怎样把氖气中微量的氦气去掉。

好在现在中国已经有了成熟的分离方法了,而且成本控制得还不错。希望后面能进一步扩大生产,尽快弥补世界芯片产业的气体缺口。近几年影响芯片产能的坏消息太多了,我们需要一些好消息。