日本半导体光刻设备制造商 Gigaphoton 近日宣布推出名为 hTGM 的新型氖气回收系统，专门用于其氟化氩（ArF）准分子激光器。据 Business Wire 报道，该系统已实现 50% 的氖气回收率。这一技术进步有望缓解因俄罗斯入侵乌克兰导致的芯片供应链紧张局势。
在 2022 年之前，乌克兰供应了全球半导体行业所需高达 50% 的氖气。随着主要生产商停止出口，芯片供应面临担忧。数据显示，全球约 70% 的氖气产量用于半导体制造，特别是在先进的深紫外（DUV）工艺中。
为应对供应短缺，中国、台湾和韩国均提升了国内氖气产能。与此同时，各大芯片制造商也在生产流程的不同环节整合回收系统。Gigaphoton 推出的高效 ArF 激光器结合氖气回收技术，旨在进一步闭环材料循环，降低生产成本，并减少对全球供应链的依赖。
并非只有 Gigaphoton 在推进此项技术。9 月初，日本环保公司 Kanken Techno 在台湾 SEMICON 展会上展示了其自研的氖气回收系统，宣称回收率超过 90%，显示出该技术仍有较大的提升空间。
氖气稀缺性的成因
氖气是少数几种惰性气体之一，在标准条件下易于处理。然而，由于其易蒸发且结合能力有限，氖气在地球大气层中相对稀缺。工业上通常通过超冷空气的分馏蒸馏获取氖气，使其作为其他工艺的副产品以最低成本获得。过去几十年间，乌克兰钢铁厂的空气分离装置（ASU）生产原始氖气，再由两家关键公司在国内进行精炼。
2022 年俄罗斯对乌克兰发动全面入侵后，这一供应渠道中断。据 SFA Oxford 解释，韩国加速了国内生产，并实施了以工厂内回收为重点的大规模国家氖气回收计划。台湾则在现有的高炉附属设备中安装净化系统，发展本土供应链，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到其工业基础的多个要素中，并与钢铁和石化生产设施相结合。在美国，预计要到本十年末才能显著改善氖气供应状况。
值得注意的是，虽然 DUV 制造占全球氖气使用量的约 70%，但极紫外（EUV）光刻并不依赖氖气，而是使用锡等离子激光。随着人工智能推动全球 DUV 半导体需求激增，氖气供应已成为芯片供应链的关键组成部分，并被迅速视为战略防御和全球贸易的重要资产。
现有技术的回收进展
对于无法直接控制上游供应链的企业而言，回收成为更紧迫的重点。首个氖气回收系统在 2023 年底获得了 Cymer ArF 准分子激光器的使用资格。三星（Samsung）和 SK 海力士（SK Hynix）成为首批于 2024 年实施氖气回收的主要内存制造商。
Gigaphoton 此前曾提供针对氟化氪（KrF）激光器的氖气回收方案，现已将该能力扩展至 ArF 激光器。该公司声称，单个 ArF 单元的 hTGM 系统每年可减少 470 千升的氖气消耗。这不仅大幅节省了材料成本，也降低了企业对近年来不稳定的全球供应链的依赖。
然而，50% 的回收率并非历史性突破。早在 2015 年，Cymer 的氖气回收系统就达到了同等效率水平；而 Gigaphoton 自己的测试显示，2017 年 ArF 回收率的峰值可能已超过 90%。这表明该技术有潜力迅速提升至更高百分比。特别是日本同行 Kanken Techno 最近公布了一种效率超过 90% 的氖气回收系统。Kanken 正与两家主要的 ArF 激光开发商合作，目前处于认证过程中，预计将在不久后获批。
长期替代方案的展望
随着芯片生产中氖气回收问题的有效解决，向芯片行业供应氖气可能成为一个暂时性问题。同时，未来几年内工业界对氖气的需求也可能大幅下降。
随着新一代电子产品采用更复杂的芯片设计，EUV 光刻技术能够构建比 DUV 更复杂的芯片，并提供了一条超越准分子激光器中氖气需求的发展路径。此外，正在开发的替代 DUV 技术也能产生相同的深紫外光以制造先进半导体，且无需贵重或有毒气体。
固态激光技术近年来发展迅速，尽管中国去年的努力尚未达到所需的工业能力值。纳米压印光刻也可作为 DUV 的替代品，并将成本降低 90%。
尽管在性能认证以及与现有制造计划和供应链的整合方面仍存在巨大障碍，但在半导体光刻领域摆脱对氖气的依赖是可行的。未来几年，激光氖气回收系统与替代制造技术的结合，将使国际光源对氖气的需求减少到现有水平的一小部分。
