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稀有 / 軟黃金氣體含量不到地球大氣總量的百分之一，在電子制造領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這些化學(xué)元素在元素周期表的第十八列，其中包括氦氣（He），氖氣（Ne），氬氣 (Ar)，氪氣（Kr），氙氣（Xe）和氡氣（Rn）。“稀有”代表有別于氧氣，而“氣體中的軟黃金”類似于金屬中的貴金屬，如金和鉑。 稀有氣體位于元素周期表的最右一列，因?yàn)樗鼈兊耐鈱油耆錆M電子。這使得它們幾乎不具備反應(yīng)性，意味著它們?cè)诃h(huán)境條件下是作為氣體存在，稀有氣體的獨(dú)特屬性，這使得它們?cè)陔娮又圃旃に囍胁豢苫蛉?。在本文中我們將揭示它們的歷史，屬性和應(yīng)用，生產(chǎn)和供應(yīng)鏈，以及市場(chǎng)。 
歷史在把希臘語(yǔ)中的氦氣，氖氣，氪氣和氙氣直接翻譯過(guò)來(lái)，意思就是太陽(yáng)神，新的，懶惰的，隱藏的，陌生的， 這表明出這些元素自被發(fā)現(xiàn)起就是難以捉摸的。由于它們具備難以被發(fā)現(xiàn)的特質(zhì)（ 惰性的，無(wú)形的，氣態(tài)的， 稀有的 ）稀有氣體在 18 世紀(jì)和 19 世紀(jì)的化學(xué)啟蒙階段很長(zhǎng)一段時(shí)間未被發(fā)現(xiàn)。事實(shí)上，直到 1868 年從氦氣在陽(yáng)光下光譜放電中才第一次識(shí)別到稀有氣體。屬性和應(yīng)用屬性。稀有氣體完整的外層電子層不僅是周期表的組織命名，而且也是與這些分子相關(guān)的關(guān)鍵性質(zhì)的物理來(lái)源的基礎(chǔ)?；旧吓c電子類似，稀有氣體通過(guò)它們的質(zhì)量的不同而將它們自己與彼此區(qū)分開(kāi)。在這里，我們要描述支持電子制造的四個(gè)重要性質(zhì)。 惰性 ：在稀有氣體的性質(zhì)中最重要的是它們對(duì)化學(xué)反應(yīng)的惰性。這就是為什么早期的研究人員發(fā)現(xiàn)它們類似貴金屬是因?yàn)樗鼈冊(cè)跇O端條件下極少氧化。完整的電子殼意味著這些分子已經(jīng)處于最低的化學(xué)能勢(shì)，且不會(huì)與其他原子發(fā)生反應(yīng)，改變其能量狀態(tài)。 由于電子制造中的許多應(yīng)用都是高能量的，稀有氣體被用作為用于質(zhì)量，熱和光的電導(dǎo)的惰性介質(zhì)。 應(yīng)用和性質(zhì) - 電離電位 ：電離是將電子電荷去除或添加到原子或分子上 ；電離電位是完成負(fù)載所需的能量。相對(duì)于類似質(zhì)量的原子，稀有氣體由于其完整的電子殼而具有非常高的電離電位。這使得它們能夠有效地將電荷負(fù)載到其他原子和分子上。 氦氣是任何原子或分子中電離電位最高的物質(zhì)。
- 導(dǎo)熱系數(shù) ：原子和分子具有不同的速率，在這些速率下，它們傳導(dǎo)熱能，這是通過(guò)它們的熱導(dǎo)率來(lái)量化的。氦氣和氫氣在氣體中具有最高的導(dǎo)熱系數(shù)，這是由于其質(zhì)量較低。由于許多電子制造反應(yīng)都是高能量反應(yīng)，改變其能量狀態(tài)。由于電子制造中的許多應(yīng)用都是高能量的，稀有氣體被用作為用于質(zhì)量，熱和光的電導(dǎo)的惰性介質(zhì)。
- 質(zhì)量 ：質(zhì)量本身是稀有氣體的重要屬性。將稀有氣體的質(zhì)量與某些物理使用的應(yīng)用相匹配，再次伴隨其惰性，意味著選擇特定的稀有氣體可以優(yōu)化其產(chǎn)出。
在整個(gè)晶片基板和器件制造工藝鏈中都要使用稀有氣體。簡(jiǎn)要展示稀有氣體的常見(jiàn)應(yīng)用，單個(gè)稀有氣體及其相關(guān)屬性。 
背部晶片冷卻 ：氦氣通常用于控制晶片的溫度，有時(shí)用于制造顯示器的玻璃基板。隨著熱敏，低溫沉積和刻蝕工藝的應(yīng)用，氦氣變得越來(lái)越重要。 加載互鎖冷卻 ：同樣地，氦氣還用于工藝步驟之間冷卻晶片。載氣 ：氦氣（有時(shí)是氬氣）被用于將較不易揮發(fā)的化學(xué)物質(zhì)（環(huán)境條件下通常是液體）輸送到反應(yīng)室中。 等離子氣體 ：氬氣，有時(shí)是氦氣，由于其高電離電位和惰性而被用于沉積和刻蝕工藝中的等離子體應(yīng)用。 硅錠生產(chǎn) ：氮?dú)庠?1414C 的熔點(diǎn)下可與硅反應(yīng)，因此可以使用氬氣來(lái)使熔融硅和新形成的鑄塊的表面惰性化。 低溫清洗 ：現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)液態(tài)氬氣的微觀氣溶膠可用于清潔先進(jìn)的半導(dǎo)體制造中的微細(xì)的高縱橫比結(jié)構(gòu)。 準(zhǔn)分子激光光刻 ：深紫外激光光刻在大容量半導(dǎo)體制造中已經(jīng)使用了 20 年，用于模式化器件的關(guān)鍵層。激光氣體是 98 +％的氖氣與其他稀有氣體（氬氣，氪氣， 氙氣）和鹵素（通常為氟氣）的混合物。 濺射 ：濺射是直接或間接去除材料的沉積。該過(guò)程是由氣相原子或分子在固體表面上進(jìn)行物理沖擊所引發(fā)的。通過(guò)選擇類似質(zhì)量的稀有氣體，可以優(yōu)化濺射產(chǎn)率。 刻蝕 ：稀有氣體用于刻蝕反應(yīng)。特別地，氙氣在某些高縱橫比刻蝕應(yīng)用中運(yùn)用其電離電位和化學(xué)惰性的組合來(lái)調(diào)節(jié)刻蝕反應(yīng)中的電荷分布。 - 生產(chǎn)和供應(yīng)低溫蒸餾：稀有氣體的生產(chǎn)和供應(yīng)是 130 多年前由 Carl von Linde 率先開(kāi)發(fā)出來(lái)的，與低溫蒸餾分離空氣的方式相同?？諝庵薪M分的相對(duì)豐度和沸點(diǎn)（圖 4）顯示了生產(chǎn)成本和供應(yīng)純度為 99.999+% 的主要材料的可用性。
氬氣 氬氣是地球大氣中第四多的氣體。它是通過(guò)空氣分離裝置（ASU） 分離氧氣和氮?dú)庵圃斓?，也就是說(shuō)它是通過(guò)二次蒸餾液氧得到的，而不是蒸餾初級(jí)空氣制得。因?yàn)闅鍤獾姆悬c(diǎn)在氮?dú)夂脱鯕獾姆悬c(diǎn)之間，所以要從蒸餾塔中心附近的井中取出富氬混合物，再進(jìn)行進(jìn)一步的低溫分離。也可在氨氣工廠吹掃氣流中回收氬氣，這也可以作為氮?dú)獾某跏荚咸幚矸浅４蟮目諝饬鳌?/span>氖氣，氪氣和氙氣氖氣，氪氣，氙氣也可以作為氮?dú)夂脱鯕獾母碑a(chǎn)物得到。由于它們?cè)诳諝庵械暮糠浅Ｐ?，因此只有大型的空氣分離裝置（ASU）才能獲得轉(zhuǎn)化商業(yè)價(jià)值數(shù)量的粗產(chǎn)品：每天（tpd）至少需要 1000 噸的氧氣量。氖氣的沸點(diǎn)比氮?dú)夂脱鯕獾姆悬c(diǎn)低得多，因此不能通過(guò)氮?dú)庹麴s塔液化得到。這種“輕的”氣流將被壓縮并輸送到次級(jí)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步凈化和包裝。相反地，氪氣和氙氣的沸點(diǎn)高得多，它們作為“重的廢料”被氧氣蒸餾塔排除。它們要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行精化以去除大部分的氧氣，再被輸送到次級(jí)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)一步純化 – 包括彼此分離，以及包裝。氦氣是除氫氣外在宇宙中發(fā)現(xiàn)的最豐富的元素，但它在地球上相對(duì)較少。由于地殼中釷和鈾的放射性衰變， 使得地球上形成氦氣。氦氣通過(guò)地質(zhì)裂縫的升高，與天然氣堆積在相同的巖層中。然而，只有某些沉積物具有足夠高的濃度才能在商業(yè)上可行，但它們比空氣蒸餾成本低。
氦氣的商業(yè)化生產(chǎn)始于美國(guó)，它被作為第一次世界大戰(zhàn)期間軍事應(yīng)用觀察飛船的戰(zhàn)略物質(zhì)。20 世紀(jì)大部分時(shí)間的主要商業(yè)資源是來(lái)源于跨越堪薩斯州，俄克拉荷馬州和德克薩斯州的部分地區(qū)的雨果區(qū)。在此期間， 美國(guó)政府繼續(xù)把氦氣資源視為戰(zhàn)略性的，將獲得的過(guò)剩原料通過(guò)天然氣提取，并將副產(chǎn)品進(jìn)行存儲(chǔ)，再返還至廢棄的滲水巖的儲(chǔ)液中。被稱為聯(lián)邦氦氣存儲(chǔ)，由土地管理局（BLM）管理的存儲(chǔ)氦氣正按照 2013 年的氦氣管理法的流程被銷售，而此前的初級(jí)供應(yīng)的商業(yè)影響將逐漸變少并在不久的將來(lái)變得微乎其微。同時(shí)，在過(guò)去幾十年來(lái)，地球上開(kāi)發(fā)出了重要的新興資源。西伯利亞大量資源的潛在開(kāi)發(fā)將有望繼續(xù)滿足日益增長(zhǎng)的全球需求。由于稀有氣體的惰性性質(zhì)，在電子制造過(guò)程中，在化學(xué)變化或?qū)⑵洳⑷氤善分袝r(shí)，不會(huì)有所消耗。因此它們可以從工廠的廢液流中回收，盡管是被高度稀釋和污染的?；厥者@些材料的技術(shù)是簡(jiǎn)單的，可以將回收的產(chǎn)物用于電子或其他應(yīng)用中。然而，與大多數(shù)回收工藝一樣，回收還是采用新材料的選擇取決于整個(gè)供應(yīng)鏈的相對(duì)成本。只有非常大的使用的應(yīng)用中才會(huì)進(jìn)行成功的商業(yè)回收。稀有氣體可使用各種氣體和液體包裝，如圖 5 所示。這些包裝的范圍從小到幾升氣體容量的鋼瓶大到通過(guò)道路運(yùn)輸?shù)拇笞谝后w槽罐車和通過(guò)海上運(yùn)輸?shù)目扇菁{幾百萬(wàn)升氣體產(chǎn)品的ISO 儲(chǔ)罐。從商業(yè)角度來(lái)說(shuō)，與大多數(shù)原材料一樣，運(yùn)輸成本直接與材料的價(jià)值相關(guān)（圖 6）。由于大多數(shù)稀有氣體都是稀缺資源，所以它們通常散布在全球范圍，并且每種氣源通常獨(dú)立在一個(gè)地理位置處。相對(duì)便宜的氬氣是個(gè)例外，它可以在許多地方的大型空氣分離裝置（ASU）中生產(chǎn)。但是， 由于供應(yīng)不平衡，所以它僅可以在區(qū)域內(nèi)運(yùn)輸。
市場(chǎng)由于電子和非電子市場(chǎng)的新的應(yīng)用，所以稀有氣體的過(guò)去幾十年來(lái)需求大幅增長(zhǎng)。雖然對(duì)這些材料的整體需求已經(jīng)呈現(xiàn)或多或少穩(wěn)定的上升趨勢(shì)，但潛在的基礎(chǔ)應(yīng)用卻發(fā)生了巨大變化。例如，LED 照明的開(kāi)發(fā)和迅速采用已經(jīng)很快地消除了鹵素照明和顯示標(biāo)識(shí)的市場(chǎng)。還有等離子顯示屏作為陰極射線管電視的繼承者，其市場(chǎng)也因 LCD 技術(shù)的引入而曇花一現(xiàn)。下面我們簡(jiǎn)單介紹一下電子市場(chǎng)的需求，以及非常重要的非電子的應(yīng)用。
電子 ：電子應(yīng)用中氦氣需求量原本不到全球需求量 1% ，如今這個(gè)使用量成倍增長(zhǎng)，已經(jīng)占到當(dāng)前市場(chǎng)需求的 15% 以上。一個(gè)工廠的氦氣總需求量每年可能超過(guò)200,000 m3。
非電子 ：非電子應(yīng)用包括金屬生產(chǎn)中的冷卻和MRI 掃描儀的應(yīng)用， 氣超導(dǎo)磁體需要液氦來(lái)作為制冷劑。光纖制造業(yè)可使用氦氣來(lái)作為冷卻劑來(lái)加速制造工藝。 氖氣 電子 ：由于 DUV 激光平板印刷占據(jù)主導(dǎo)地位，隨著尖端芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜性推動(dòng)而采用了多圖案平板印刷技術(shù)，out-scale 晶片的使用使用率正在持續(xù)增長(zhǎng)。新型顯示技術(shù)的激光退火和 lift-off 工藝將進(jìn)一步加快需求。非電子 ：引導(dǎo)標(biāo)識(shí)應(yīng)用的減少使得氖氣的非電子應(yīng)用需求減少， 從而降低了電子產(chǎn)品的供應(yīng)。氬氣 電子 ：氬氣是工廠中主要使用的惰性氣體，因?yàn)槠涔?yīng)成本相對(duì)低廉。隨著工藝的復(fù)雜化，氣使用量有持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。當(dāng)大的晶片或鑄塊工廠建造在一些缺乏的惰性化（如不銹鋼制造和用于焊接的等離子體氣體）使用。氪氣 電子 ：電子應(yīng)用中的用途是作為DUV 準(zhǔn)分子激光器和濺射中的共反應(yīng)物，是需求量相對(duì)較小的氣體。·非電子 ：在非電子應(yīng)用中，氪氣被用作于玻璃窗之間的絕緣體。氙氣 ·電子 ：氙氣作為高縱橫比刻蝕增長(zhǎng)劑長(zhǎng)久以來(lái)在研發(fā)中被廣泛應(yīng)用， 氙氣還被大量商業(yè)化用于新型 3D 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的刻蝕工藝中。非電子 ：LED 的應(yīng)用減少了鹵素照明中氙氣的使用量，比過(guò)去三年減少了三分之一。然而，作為非軍事發(fā)射中的太空衛(wèi)星推進(jìn)劑的使用正在迅速增長(zhǎng)，這正在替代照明作為需求的驅(qū)動(dòng)力。結(jié)論很久以來(lái)稀有氣體一直在空氣中環(huán)繞著我們但未被我們察覺(jué)。直到 Carl von Linde 發(fā)明了液化空氣后， 很快就發(fā)現(xiàn)了稀有氣體。生產(chǎn)這些小宗氣體需要先進(jìn)的技術(shù)是稀有氣體的資源采集和生產(chǎn)屬于專業(yè)尖端領(lǐng)域?？諝夥蛛x裝置（ASU）規(guī)模越來(lái)越大， 從商業(yè)盈利的角度可以實(shí)現(xiàn)稀有氣體供應(yīng)擴(kuò)大。同時(shí)，還可以通過(guò)地質(zhì)源勘探和開(kāi)發(fā)擴(kuò)大氦氣資源。從半導(dǎo)體加工開(kāi)始，稀有氣體的惰性性質(zhì)顯得至關(guān)重要。隨著行業(yè)在技術(shù)復(fù)雜性上的發(fā)展，稀有氣體填補(bǔ)了不斷擴(kuò)大的基本應(yīng)用的矩陣。現(xiàn)在， 除了氬氣之外，電子應(yīng)用在所有這些領(lǐng)域的市場(chǎng)需求中占有很大的份額。本文轉(zhuǎn)載于【氣體咨詢】，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系:Jo0729，承諾三天內(nèi)刪除。
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