Gigaphoton has introduced a neon gas recycling system capable of recovering approximately 50% of neon used in DUV lithography, addressing critical fab supply constraints.
일본 반도체 리소그래피 장비 제조사 Gigaphoton은 아르곤 불화물(ArF) 엑시머 레이저용 hTGM이라는 네온 가스 재활용 시스템을 개발했으며, 50% 재활용율을 입증했습니다. 회사는 구성 조정을 통해 이 비율을 상당히 개선할 수 있다고 믿고 있습니다. 이 개발은 2022년 러시아의 우크라이나 침략으로 반도체 산업 네온 가스의 최대 50%를 공급하던 주요 네온 정제 시설의 생산이 중단되면서 생긴 칩 공급망의 심각한 공백을 해결합니다. 전 세계 네온 생산량의 약 70%가 반도체 제조, 특히 첨단 DUV 리소그래피 공정에 소비됩니다.
이러한 공급 차질에 대응하여 중국, 대만, 한국은 국내 네온 생산을 확대하고 제조 공정에 재활용 시스템을 통합했습니다. 네온 재활용 기능을 갖춘 Gigaphoton의 더욱 효율적인 ArF 레이저는 이러한 폐순환 체계를 더욱 강화하여 재료비를 줄이고 변동성이 큰 전 지구적 공급망에 대한 의존성을 감소시킬 수 있습니다.
Gigaphoton만이 이 길을 추진하고 있는 것은 아닙니다. 일본 환경 보호 회사 Kanken Techno는 9월 초 SemiCon Taiwan에서 엑시머 레이저용 네온 재활용 시스템을 시연했으며, 90% 이상의 재활용율을 달성하여 추가 최적화의 상당한 여지가 있음을 시사했습니다.
네온은 희가스로서 불활성이고 다루기 쉽지만, 결합 능력이 제한되어 쉽게 기화되어 지구 대기에서 자연적으로 희귀합니다. 가장 효율적으로는 극저온 공기의 분별 증류를 통해 회수되며, 일반적으로 다른 산업 공정의 부산물로 나타납니다. 수십 년 동안 대규모 공기 분리 장치를 갖춘 우크라이나의 제강소들이 미정제 네온을 생산했으며, 우크라이나의 두 주요 기업이 이를 정제했습니다. 2022년 그 정제 시설들이 운영을 중단하면서 이 부족 현상은 전 세계적으로 확산되었습니다.
이에 대응하여 한국은 국내 생산을 가속화하고 팹 내 회수를 중심으로 한 국가 네온 재활용 이니셔티브를 시작했습니다. 대만은 기존 용광로 공기 분리 장치에 정제 시스템을 설치하여 자체 국내 공급망을 개발했으며, 향후 몇 년 내에 완전한 자급자족을 목표로 하고 있습니다. 중국은 네온 정제를 강철 및 석유화학 생산 인프라에 통합했습니다. 미국은 걸프만 연안의 석유화학 시설에 새로운 공기 분리 장치를 개발했지만, 미국의 네온 공급 개선은 이십년대 말까지는 기대하기 어렵습니다.
리소그래피는 전 세계 네온 소비량의 약 70%를 차지하며, 특히 첨단 DUV 공정에서입니다. 다만 주석 플라즈마 레이저를 사용하는 EUV 리소그래피에서는 주목할 만하게도 네온을 사용하지 않습니다. AI 인프라 확충과 함께 전 세계 DUV 반도체 생산이 가속화되면서, 네온 공급은 점점 더 전략적 방위 및 무역 자산을 나타내는 칩 공급망의 핵심 요소가 되었습니다.
공급망을 직접 통제할 수 없는 제조사들에게 재활용은 즉각적인 우선순위가 되었습니다. Cymer 엑시머 ArF 레이저용으로 인증된 첫 번째 네온 재활용 시스템은 2023년 말에 출시되었으며, Samsung과 SK Hynix는 2024년 네온 재활용을 구현한 첫 번째 주요 메모리 제조사들이 되었습니다. Gigaphoton은 이전에 KrF(크립톤 불화물) 레이저용 네온 재활용을 제공했으며, 이제 ArF 레이저로도 기능을 확대했습니다. 회사는 ArF용 단일 hTGM 장치가 연간 네온 소비량을 최대 470킬로리터까지 줄일 수 있다고 주장하며, 이는 상당한 비용 절감과 불안정한 공급망에 대한 의존성 감소로 이어집니다.
그러나 50% 재활용율은 전례가 없는 것은 아닙니다. Cymer의 엑시머 레이저 네온 회수 시스템은 2015년에 동일한 효율을 입증했으며, Gigaphoton의 자체 테스트는 2017년에 90% 이상의 최고 효율을 시사했습니다. 이는 회사가 성능을 더 빠르게 확대할 수 있어야 함을 의미합니다. 이는 특히 Kanken Techno가 최근 90% 이상의 효율을 갖춘 재활용 시스템을 공개했으며, 현재 인증 절차를 진행 중이고 가까운 미래에 승인이 예상된다는 점에서 관련이 있습니다.
칩 생산에서 네온 재활용이 여러 기술적 접근을 통해 효과적으로 해결되면서, 부족 현상은 일시적일 수 있습니다. 하지만 그 해결책 자체도 그럴 수 있습니다. DUV보다 훨씬 더 복잡한 칩을 생산하고 엑시머 레이저용 네온 가스가 필요 없는 EUV 리소그래피는 더 많은 첨단 전자기기가 더 높은 성능의 칩 설계를 채택함에 따라 산업의 미래 방향을 나타냅니다. 새로운 대체 기술들은 희가스 또는 독성 가스에 의존하지 않고도 첨단 반도체 생산을 위해 동일한 DUV 빛을 생성할 수 있을 것으로 예상됩니다.
고체 레이저 기술은 최근 몇 년간 빠르게 발전했지만, 현재 중국의 노력은 필요한 산업용 전력 기준에 못 미치고 있습니다. 나노임프린트 리소그래피도 DUV 대체 기술로서의 가능성을 보여주며 비용을 약 90% 정도 줄일 수 있을 것으로 예상됩니다. 상당한 성능 및 인증 관련 과제가 남아 있으며, 기존 제조 및 공급망 전반에 걸친 통합 도전도 있습니다. 그럼에도 불구하고, 반도체 리소그래피에서 네온 요구량을 극적으로 줄일 수 있는 가능성이 존재합니다. 향후 수 년 동안 네온 재활용 시스템과 대체 제조 기술을 결합하면 국제 네온 공급원에 대한 의존성을 현재 수준의 극히 일부로 줄일 수 있습니다.