Alrededor del 70 % del neón que se produce en todo el mundo se utiliza en la fabricación de chips semiconductores, y los problemas en la cadena de suministro podrían causar una gran interrupción.

Algunos de ustedes pueden preguntarse por qué hay tanta preocupación en las noticias sobre la escasez proyectada de neón debido a la guerra en Ucrania, el principal proveedor mundial de gas. No es la interrupción de la cadena de suministro de neón lo que se requiere para una iluminación colorida como la que se ve en Las Vegas o Tokio, que en cualquier caso está siendo reemplazada gradualmente por diodos emisores de luz más eficientes energéticamente, respetuosos con el medio ambiente y rentables.

Entonces, ¿qué es la escasez de neón?

La respuesta simple es: alrededor del 70% de las 540.000 toneladas de neón que se producen en todo el mundo se utilizan en la fabricación de chips semiconductores. Esta gran demanda existe porque el neón es un componente esencial, insustituible y principal de los láseres pulsados ​​de argón flúor neón excímero. Tenga en cuenta que excimer es la abreviatura de dímero excitado; consulte a continuación.

Esta clase de láseres es conocida por su longitud de onda ultravioleta profunda pulsada de nanosegundos de alta intensidad de 193 nm, así como por su tamaño de punto muy pequeño y limitado por difracción, que es fundamental para la fotolitografía de última generación con 7 nm espacial. resolución. Se utilizan principalmente en la fabricación de chips de computadora, pero tienen una variedad de otros usos que incluyen armas láser, fusión nuclear, mecanizado submicrónico, separación de isótopos y cirugía ocular.

Element neon on a black background

Para lograr la alta potencia pulsada, la consistencia y la confiabilidad del láser excimer de neón de fluoruro de argón requerido para este tipo de fotolitografía, el neón, que contiene hasta el 95% de la mezcla gaseosa de argón y flúor, debe ser excepcionalmente puro. (99,999%) para no afectar el rendimiento del láser.

Dado que la abundancia natural de neón en el aire es de solo 18 ppm, lograr este altísimo nivel de pureza requiere un proceso intensivo en energía, mano de obra y costos basado en el fraccionamiento criogénico del aire licuado, perfeccionado en Ucrania. Se requieren capacidades de planta de al menos 1000 toneladas por día para extraer cantidades utilizables de neón del proceso de separación de líquido y aire.

Irónicamente, Ucrania, que es un importante productor mundial de trigo, requiere grandes cantidades de nitrógeno para fabricar fertilizantes y el neón está demostrando ser un subproducto extremadamente valioso del proceso de separación de nitrógeno y oxígeno del aire líquido para el proceso de amoníaco de Haber-Bosch.

En particular, dos empresas ucranianas, Ingas y Cryoin, son responsables de la producción de alrededor del 50 % del suministro mundial de neón de grado semiconductor para la fabricación de chips con láser excimer. Es desconcertante por qué este tipo de láser excimer está tan hambriento de neón, ya que uno se imagina que la mezcla activa de gas argón-flúor-neón contenida en la cavidad del láser no se consumiría.

Aquí radica el enigma de la cadena de suministro de neón. Comprender el origen de su uso extenso e incesante requiere una comprensión de la química y la física que subyacen al funcionamiento del láser excimer. Esta es una familia de láseres de gas ultravioleta pulsado de alta intensidad. El origen de la emisión de luz se encuentra en una descarga eléctrica de gas noble-halógeno, cuya composición elemental determina la longitud de onda de la emisión láser.

En una descripción simplificada de un proceso complejo, específicamente en el caso del láser excimer de argón-flúor-neón, una descarga eléctrica pulsada o inducida por electrones provoca procesos de ionización y disociación en la mezcla gaseosa a alta presión de argón, flúor y neón, que conduce a un transitorio excitado (ArF) * Estado excímero según la ecuación de reacción:

2Ar + F2 → 2(ArF)* → 2Ar + F2 + hv (λ = 193nm)

Las colisiones de tres cuerpos entre los iones de argón y flúor y el neón producen la molécula de dímero excitada (ArF)*, que posteriormente se relaja radiactivamente mientras emite un pulso intenso de fotones ultravioleta profundo centrados en 193 nm. Estos fotones ultravioleta, alojados entre los espejos reflectantes de la cavidad del láser, inducen la emisión estimulada del (ArF)*. Este es el proceso responsable de la acción del láser de gas excimer.

Los entusiastas de la física láser apreciarán que la inversión de población, un fenómeno en el que un estado electrónico excitado está más poblado que el estado fundamental, es un requisito previo para el láser. Este es el caso de la molécula excitada (ArF)* porque el estado fundamental metaestable (ArF) fuertemente repulsivo se disocia rápidamente en argón y flúor libres. Esto provoca una reducción en la población del estado fundamental y, al mismo tiempo, una mayor inversión de la población del estado del excímero (ArF)*.

¿Dónde entra el neón en la historia?

Su función es aumentar la tasa de formación del (ArF)* que controla la eficiencia general del láser excimer. Reemplazar el neón por helio, por ejemplo, reduce la potencia del láser, de ahí el requisito esencial para el neón en el Ar-F.2 láser excimer.

Desafortunadamente, debido a las condiciones extremas de funcionamiento del láser, la interacción de iones y electrones de alta energía con la cavidad del láser introduce impurezas en la mezcla de gases, lo que provoca la degradación del rendimiento del láser. Este problema de contaminación requiere ventilar el argón-flúor-neón a los desechos, lo que requiere un reemplazo completo aproximadamente cada dos semanas, o una purificación y reciclaje complejos y costosos de la mezcla gaseosa. Es un análisis de costo-beneficio para la industria de semiconductores de $ 500 mil millones.

Con la guerra en Ucrania, la cadena de suministro global de semiconductores se vio interrumpida por la destrucción y/o el cierre de sus instalaciones de fabricación de neón y el precio de mercado del neón se vio afectado.

El neón almacenado por las principales industrias de semiconductores se prevé como una medida provisional para mantener la producción de chips durante uno o dos meses, pero el escenario de la cadena de suministro después de eso aún está por verse, ya que dependerá de la situación en Ucrania y la respuesta de otras naciones. a alternativas Encontrar fuentes y suministros para hacer frente a la escasez de neón.

Mientras tanto, a juzgar por el aumento del 600 por ciento en los precios del neón causado por la crisis de Crimea en 2014, los fabricantes de chips, las empresas de electrónica de consumo y los inversores están lidiando con las interrupciones de la cadena de suministro y la volatilidad de los costos causada por el impacto dual de la pandemia y la guerra causada por la pandemia en Ucrania.

Crédito de la imagen principal: Adi Goldstein en Unsplash

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