Gigaphoton 发布氖气回收系统，回收率达 50%
日本半导体光刻设备制造商 Gigaphoton 为其氩氟（ArF）准分子激光器开发了一款名为 hTGM 的新型氖气回收系统。该方法已实现 50% 的回收率，公司希望通过调整配置进一步提升效率，Business Wire 报道称。这有助于弥补俄罗斯入侵乌克兰后芯片供应链出现的缺口。2022 年之前，乌克兰供应了半导体行业所用的近一半氖气，但其主要生产商被迫停止出口，引发了人们对芯片供应的担忧。全球 70% 的氖气产量用于半导体制造，尤其是先进的深紫外（DUV）工艺。
事件发生后，中国、台湾和韩国纷纷加大本土氖气产量，多家芯片制造商也在制造流程的不同环节引入了回收系统。Gigaphoton 结合氖气回收、效率更高的 ArF 激光器，能进一步实现循环闭环，降低材料成本并减少对全球供应链的依赖。
推动该技术发展的并非 Gigaphoton 一家。9 月初，日本环保公司 Kanken Techno 在 SemiCon Taiwan 展会上 演示了其自研的准分子激光器氖气回收系统。其回收率超过 90%，显示该流程未来仍有极大的优化空间。
氖气是少数惰性气体之一，在标准条件下化学性质稳定，易于处理。但因其极易气化且结合能力有限，在地球大气中相对稀少。最高效的获取方式是通过分馏超冷却空气，作为其他工艺的副产品时成本最低。数十年来，乌克兰的钢厂空气分离装置通过大型空分装置（ASU）从空气中提取粗氖气，再在境内由两家关键企业完成精炼。
这意味着，当俄罗斯在 2022 年将对乌克兰的战争升级为全面入侵，导致乌克兰氖气精炼厂停产时，全球市场做出了迅速反应。
正如 SFA Oxford 所指出的，韩国加速了国内生产，并启动了大规模的国家氖气回收计划，重点在于晶圆厂内的回收。台湾在现有的高炉空气分离装置（ASU）中安装了净化系统，建立了本土供应链。通过利用国家基础设施，其目标是在几年内实现氖气生产的完全自给自足。
中国将氖气净化整合进了工业体系的多个环节，使其与钢铁和石油化工生产设施同步运行。美国也通过在海湾沿岸石油化工中心建设新的 ASU 来应对，但这些设施预计要到本十年末才能实质性改善美国的氖气供应。
光刻约占全球氖气用量的 70%，特别是在更先进的 DUV 工艺中——但值得注意的是，EUV 光刻并不使用氖气，而是采用锡等离子体激光。随着 AI 基础设施建设推动全球 DUV 半导体供应链快速扩张，氖气供应成为芯片供应链中的重要组成部分，而该供应链已迅速演变为战略防御和全球贸易中的关键资产。
利用现有资源
对于无法直接控制自身供应链的个别企业而言，回收已成为更为紧迫的关注焦点。首批氖气回收系统已于 2023 年底获得认证，可用于 Cymer 准分子 ArF 激光，而 三星 和 SK Hynix 则成为首批在 2024 年 实施氖气回收的主要内存制造商。
Gigaphoton 此前已提供基于 KrF（氟化氪）激光器的氖气回收方案，如今又将其回收能力扩展至 ArF 激光器。该公司声称，单台用于 ArF 的 hTGM 设备每年最多可减少 470 公斤的氖气消耗，不仅带来可观的材料成本节约，也降低了对近年来供应链稳定性不足的全球氖气市场的依赖。
不过，其宣称的 50% 回收率算不上多么突破性的成就。Cymer 的准分子激光器氖气回收系统早在 2015 年就展示了同等水平的效率，而 Gigaphoton 自己的测试在 2017 年也显示 ArF 回收率的潜在峰值可超过 90%。
这表明 Gigaphoton 应能迅速将回收率提升至更高水平。尤其是，同在日本厂商 Kanken Techno 最近展示了一套效率超过 90% 的氖气回收系统。Kanken 与两家主要的 ArF 激光器开发商均有合作，目前正处于认证流程中，预计不久后即可获得批准。
权宜之计？
既然芯片生产过程中的氖气回收问题已基本得到解决，氖气供应对芯片行业而言或许只是一次短期的挑战。但这个解决方案本身也可能只是暂时的，因为未来几年内行业内氖气的使用量可能会大幅缩减。
EUV 光刻能够制造比 DUV 复杂得多的芯片，并指明了未来的技术演进方向，随着更先进的芯片设计被新型电子设备采用，准分子激光器对氖气的需求将逐渐消失。除此之外，业界正在开发 DUV 的替代技术，这些技术也能产生相同的 DUV 光线以制造先进半导体，但无需使用惰性气体或有毒气体。
固态激光技术近年来发展迅猛，但去年中国研究团队的相关成果（参考链接）仍未达到工业所需的功率门槛。光刻胶模板纳米压印（Nanoimprint lithography）技术也展现出作为 DUV 替代方案的潜力，并能将成本大幅降低 90%。 不过，该领域在性能、认证以及与现有制造工艺和供应链的整合方面，仍面临巨大障碍。但半导体光刻摆脱对氖气依赖的潜在优势确实存在。在未来几年内，激光氖气回收系统与替代制造工艺的结合，有望使国际氖气需求降至现有水平的一小部分。