在半导体制造的核心环节——光刻中，人们往往关注光源、镜头、光刻胶，却很少知道，有一种气体虽不参与化学反应，却直接决定着芯片上纳米级图案能否”印”得出来。它就是氖（Ne），一种稀有气体，也是深紫外（DUV）光刻机中激光介质的关键组成部分。
一·氖在光刻机里到底起什么作用？
目前主流DUV光刻机（如ASML的193nm浸没式光刻机）使用的光源是准分子激光器，最常见的是ArF（氟化氩）准分子激光器。其基本工作原理是：在电激励下，氩（Ar）和氟（F₂）形成激发态分子——ArF*，该分子跃迁回基态时释放193nm紫外光。
但氖在这里不是旁观者，而是能量传递的关键介质。 在激光腔体内，氖作为缓冲气体（Buffer Gas），占混合气体体积的90%以上，承担两个核心任务：
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能量转移与放电稳定：氖通过复杂的步进电离和二次电离过程，持续释放自由电子，抑制阴极附近电子耗尽层的形成。研究表明，使用氖作缓冲气体时，电子耗尽层宽度（约7 μm）和阴极鞘层宽度（约11 μm）显著小于氦体系（15 μm和20 μm），从而有效抑制局部电场畸变，提升放电稳定性。
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高效能量传递：氖的激发态能级与ArF形成过程相匹配，能够高效地将电能传递给氩和氟。在优化输出耦合后，氖稀释体系的固有效率可达4%，而氦体系低于2%。
简单说：ArF产生光子，但氖让激光器稳定、高效地工作。
二·为什么是氖，而不是氦？
早期ArF激光器曾使用氦作缓冲气体，但氖在放电稳定性上具有明显优势：
| 特性 | 氖（Ne） | 氦（He） |
|---|---|---|
| 电子耗尽层宽度 | ~7 μm | ~15 μm |
| 阴极鞘层宽度 | ~11 μm | ~20 μm |
| 放电稳定性 | 更高 | 较低 |
| 固有效率（优化后） | ~4% | <2% |
| 单位体积输出能量 | 较低 | 较高 |
氦体系虽然能实现更高的单位体积输出能量，但氖体系在放电稳定性和能量利用效率上更优。此外，氖的原子质量适中，既能有效冷却激光介质，又不会引入过多杂散谱线。
氖的核心优势在于：让放电更稳定、激光脉冲更均匀——这对纳米级光刻精度至关重要。
三·没有氖，光刻机就会”不稳”
每台高功率ArF准分子激光器需要定期补充高纯氖（纯度99.999%以上）。全球数百台DUV光刻机（用于生产7nm到130nm节点芯片）几乎全部依赖氖。
若氖供应不稳定：
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ArF激光器放电稳定性下降，输出脉冲均匀性变差；
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直接替换为氦需重新优化激光腔设计，且效率会降低；
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直接影响光刻机的套刻精度和良率。
四·氖的供应链：高度集中且脆弱
氖是空气分离的副产品，大型空分装置从液空中提取氖。全球70%以上的半导体级氖提炼和纯化曾高度依赖乌克兰。2022年俄乌冲突期间，乌克兰两家主要供应商（Ingas、Cryoin）停产，氖价格暴涨逾20倍。
近年来，中国钢铁工业的副产气回收能力增强，氖气产能逐步提升，已成为全球供应链的重要一环。但高纯氖的提纯技术和检测标准仍面临挑战。
五·正在寻找替代方案吗？
业内已在多个方向探索：
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低氖/无氖激光腔设计：有研究尝试在氖中添加微量氙（Xe），利用光电离效应进一步降低放电阈值电压、提高稳定性。
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氮气吹扫替代氦气：激光光源制造商Gigaphoton已开发出用氮气替代氦气进行光学模块吹扫的工艺，但这针对的是吹扫气体而非激光腔内的缓冲气体。
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EUV光刻：下一代极紫外光刻采用锡等离子体光源，完全不依赖氖，但EUV与DUV是互补而非替代关系。
对于现有DUV光刻机，氖作为缓冲气体的地位短期内难以被完全取代。
每一颗用DUV光刻机生产的芯片——从手机处理器到汽车MCU——背后都有氖在激光腔中稳定着那束193nm的光。没有氖，那束光或许还能”亮”，但很难”亮得稳”。
