苏更林

氖（Ne）在室温下以气态形式存在。尽管氖在宇宙中的分布并不少，但在大氣中的含量极低（仅为0.0018%）。由于氖无色无味，生性“懒惰”，以至于在漫长的岁月中人们并不知道它的存在。

在门捷列夫最初的元素周期表中是没有“惰性气体”一族的。感谢英国化学家拉姆齐等人的科学发现，从而为元素周期表增添了一个家族，拉姆齐也因此获得1904年的诺贝尔化学奖，并被誉为“惰性气体之父”。

拉姆齐是如何发现氖的呢？19世纪末，科学家对空气的研究正盛。英国化学家瑞利发现，从氨气中制得的氮气与从空气中获得的氮气具有不同的密度，前者要比后者轻千分之一。拉姆齐对这个问题非常感兴趣，在与瑞利沟通后也投入到了大气中氮的成分研究。

拉姆齐利用红热的镁与空气中氧和氮的反应，来吸收空气中的氧和氮，最后剩下了八十分之一的气体。拉姆齐通过光谱分析，研究剩余气体的谱线，发现其中存在未知的红色和绿色谱线，这说明空气中还有未知的微量气体。

1894年，拉姆齐和瑞利在英国科学协会的大会上共同宣布了这一发现。在这次大会上，这种新气体被定名为氩，意为“懒惰的气体”。此后，拉姆齐从沥青铀矿中发现了另一种惰性气体—氦，其光谱特征为深黄色的明线。

在拉姆齐的心里，空气成分的谜底并未完全揭开。因此，他与特拉弗斯合作进行了空气液化分馏，从而进一步发现了惰性气体氪、氖和氙。他在谈及氖的发现时说：“这是一个值得收藏的时刻—它具有极其壮丽的光谱，带着许多条红线、绿线、紫线、黄线。在高度真空下，甚至还闪着磷光……真是美丽极了！”

氖的霓虹之光，具有很高的应用价值。不过，霓虹灯的发明者并不是拉姆齐，而是法国科学家克劳德。克劳德是一个兴趣广泛的科学家，他涉足空气分离行业最初并不是为了霓虹灯。1895年，有科学家发现乙炔的燃烧极具推广价值。不过，需要解决氧气的生产和乙炔的安全性问题。克劳德不仅找到了乙炔安全运输和储藏的方法，而且还探索出了液化空气生产氧气的工艺技术路线。要说空气液化分离技术的发明，克劳德还算不上是第一人。1901年，德国科学家林德成为第一个商业化液化空气的人。1902年，克劳德以其独特的技术创办了液化空气公司，专门生产氧气、氮气、氢气、氖气等。

空气液化分离技术的发明，使得惰性气体作为液化空气的副产品被大量生产出来。克劳德在思考如何为这些惰性气体找到商业应用的出路时，首先想到的就是拉姆齐等人的发现以及盖斯勒等人的放电管实验，他便集中精力致力于霓虹灯的发明。

1910年，克劳德在巴黎车展上展示其公司的霓虹灯产品，从而吸引了全世界的目光。该霓虹灯产品由两根充有氖气的灯管组成，每根灯管大约有12米长。1911年，克劳德在美国为霓虹灯申请了专利（1915年授予专利）。

克劳德最初发明霓虹灯，看中的无疑是其照明特性。然而，霓虹灯的照明属性并不具有优势，直到荧光涂层的引入才使其在照明领域大放异彩。克劳德最初为霓虹灯充的只是氖气，后来还加入了氦、氩、氪、氙等惰性气体，并因此发明了五彩缤纷的霓虹灯。特别是汞蒸气的引入，使得霓虹灯的色彩更加丰富。

1923年，克劳德的公司为美国帕卡德汽车经销商制作了大型霓虹灯标志，该标志还成了一个著名的旅游景点。此后，霓虹灯作为现代化都市的点缀风靡全球。霓虹灯在建筑和景观方面的应用，特别是向商业广告业的渗透，更使其拥有了无限的生命力。

如今，LED的普及让霓虹灯的辉煌不再。然而，霓虹灯曾经带给我们的视觉盛宴，仍然是一个时代无法抹去的记忆。现在，诸如辉光灯、电子管、气体激光器、验电笔等仍在使用氖灯。氖气低压放电管被广泛应用于飞机信标以及港口、机场、车站等交通要地的显示标志。

认识世界，离不开观察。然而，我们肉眼的观察范围存在很大的局限性，例如微观世界的高能粒子，我们的肉眼是观察不到的。科学家发明的粒子探测器实际上就是观测微观粒子的“眼睛”。火花室就是观测微观粒子的“眼睛”之一。

在高能物理学研究中，火花室一向被誉为“粒子之眼”。火花室实际上是一种利用气体火花放电原理的粒子探测器。火花室气体通常由氦气和氖气的混合物组成，气体混合物可根据要求来定制，如10%氦气和90%氖气。

火花室的原理是这样的：在密封的盒子中置有一堆金属板，在板与板之间充有惰性气体混合物，带电粒子穿过盒子时会使气体发生电离。当施加高电压时，沿着粒子的轨迹会产生火花。利用高科技手段记录下这些径迹数据就可以研究高能粒子的运动规律了。火花室具有比较好的空间分辨率，其定位精度稍低于气泡室。

要说氖牵动世界的神经，其原因基于氖在半导体行业中具有举足轻重的地位。那么，氖是如何与半导体扯上关系的呢？

我们知道，光刻机是芯片制造的核心装备，其作用在于用光学技术把设计好的电路刻在晶圆上。这里涉及极其复杂的工艺过程，但激光器光源无疑是光刻机的核心。

DUV光刻机也叫深紫外光刻机，主要用于制造7nm及以上制程的芯片，其光源采用的是准分子激光器。准分子是指在正常情况下无法稳定存在的分子。准分子激光器就是利用电极放电激发气体生成不稳定分子来产生激光的。

通常，准分子激光器用的是稀有气体/卤化物分子。如氟激光气体混合物可以产生4种波长的紫外光：F2（氟气）产生157nm的紫外光；ArF（氟化氩）产生193nm的紫外光；KrF（氟化氪）产生248nm的紫外光；XeF（氟化氙）产生351nm的紫外光。

DUV光刻机常用的光源为KrF准分子激光器和ArF准分子激光器。KrF和ArF极其不稳定，其存在时间在百万分之一秒之内。但它们都含有非常高的能量，在分解过程中会释放特定波長的紫外光。并且，激光波长越短，其分辨率越高，所以现在芯片产业普遍使用紫外激光作为光源。

你也许会问，无论是KrF准分子激光器，还是ArF准分子激光器，怎么都看不出与氖气有什么关系呢？其实，氖气在准分子激光器中的应用并不是充当激光气体，而是用作缓冲气体。原来，准分子激光器中的氟具有极强的腐蚀性，加之在强电场条件下化学物质易被电离，因此很容易发生电极短路。为此，需充入足量、稳定的惰性气体作为缓冲气体，以确保其既能产生准分子，又不发生电极短路。一般准分子激光器都选择氖气作为缓冲气体，其含量甚至高达97%左右。这说明，氖气的用量要远比准分子激光器反应气体更多。

芯片产业还对氖气的纯度有着极高的要求。要知道，准分子的化学性质十分脆弱，要求起始气体必须十分纯净。定期换气是保证氖气新鲜纯净的重要措施，也是去除工作环境杂质的方法之一。一年下来就需要更换几十次气体，可见对氖气的依赖度之高。

乌克兰拥有高纯度氖气的生产基地，承担着世界上一半左右的氖气供应量。进入战争状态的乌克兰，氖气生产基地处于停产状态。由于目前氖气具有不可替代性，因此加剧了世界半导体产业对氖气的需求缺口。

需要说明的是，代表先进光刻技术的EUV光刻机（极深紫外光刻机），主要用于5nm及更先进制程芯片的制造，覆盖了手机芯片、CPU、GPU等高端芯片。EUV光刻机的光源目前主要采用二氧化碳激光照射锡等靶材，从而激发出13.5nm的光子。因此，EUV光刻机的光源是不需要氖气作为缓冲气体的。

在地球上，氖气因稀有而珍贵。由于大气中的氖气含量极微，单纯分离提纯氖气是不划算的。氖气量产一直与钢铁产业捆绑在一起，因为钢铁企业需要消耗大量的氧气，如果依靠购买氧气来维持生产显然是不可取的，所以有规模的钢铁企业一般都建有自己的空气分馏工厂。

既然是空气分馏工厂，除了氧气这个主产品之外，还会有氮气这样的大宗产品以及氩气、氖气、氦气等“副产品”以粗品形式出售。俄罗斯钢铁制造厂原来都是把生产出来的粗氖销售给乌克兰，这才有了乌克兰的粗氖提纯基地的崛起。

用于半导体制造业的氖气要求达到99.999%的纯度。因此，这些氖气粗品需要经过复杂的提纯工艺才能得到一定纯度的产品，以满足不同纯度要求。

粗氖的提纯是个技术活，存在一定的技术门槛，其中以氖气和氦气的提取和分离尤为困难。因为氖气的沸点与氢气、氦气接近，并且高纯氖气很难通过简单分馏把杂质去除。通常，高纯氖气的提纯需要采用深度冷却法空分工艺，并经过浓缩、除氢、除氮、低温吸附、氖氦分离等多重操作才能奏效。

我国作为一个钢铁生产大国，空分产业已形成一定的规模，并且有着丰厚的技术积淀。氖气的纯化工艺也相对成熟，并已实现了精氖的量产，因此不会受到世界氖气供需缺口的影响。