Gigaphoton, 네온 재활용 시스템 공개, 회수율 50% 달성

일본의 반도체 리소그래피 장비 제조업체인 Gigaphoton은 ArF(불화아르곤) 엑시머 레이저를 위한 새로운 네온 가스 재활용 시스템 hTGM을 개발했습니다. 이 방법은 50%의 재활용률을 입증했으며, 조정된 설정을 통해 극적으로 개선될 수 있다는 기대가 있습니다. Business Wire 보고서 이는 우크라이나의 러시아 침공으로 인해 발생한 칩 공급망의 공백을 메우는 데 도움이 될 수 있습니다. 2022년 이전에는 우크라이나가 반도체 산업에서 사용되는 네온 가스의 최대 50%를 수출했으나, 주요 생산 업체들이 수출을 중단하면서 칩 공급에 대한 우려가 커졌습니다. 전 세계 네온 생산량의 70%는 특히 첨단 DUV 공정에서 반도체 제조에 사용됩니다.

이러한 상황 이후, 중국, 대만, 한국 모두 자체적인 국내 네온 생산 노력을 강화했지만, 다양한 칩 제조업체들은 또한 제조 과정의 여러 지점에서 재활용 시스템을 통합하고 있습니다. Gigaphoton의 네온 재활용 기능을 갖춘 보다 효율적인 ArF 레이저는 이러한 순환 고리를 더욱 닫는 데 도움을 주어, 소재 비용을 절감하고 글로벌 공급망에 대한 의존도를 추가적으로 낮출 수 있습니다.

이 기술을 발전시키는 유일한 회사는 아닙니다. 지난 9월 초에는 일본의 환경 보호 회사인 Kanken Techno가 SemiCon Taiwan에서 엑시머 레이저용 자체 네온 가스 재활용 시스템을 시연했습니다. 이들은 90% 이상의 재활용률을 입증하며, 향후 이 공정을 개선할 수 있는 상당한 여지가 있음을 시사했습니다.

네온이 왜 그렇게 부족한가요?

네온은 소수의 비활성 기체 중 하나로, 표준 조건에서 불활성이며 취급하기 쉽습니다. 하지만 쉽게 증발하고 결합 능력이 제한적이라는 특성 때문에 지구 대기 중에서는 상대적으로 희귀하여 부족합니다. 네온을 가장 효율적으로 얻는 방법은 초저온 공기를 분별 증류하는 것이므로, 다른 공정의 부산물로 얻는 것이 가장 경제적입니다. 수십 년 동안 우크라이나의 철강 공장 공기 분리 설비(ASU)들은 대규모 공기 분리 설비에서 원시 네온을 생산했고, 이후 두 개의 주요 회사를 통해 국내에서 정제했습니다.

이는 2022년 러시아가 우크라이나에 대한 전쟁을 전면 침공으로 확대하고 우크라이나의 네온 정제 시설이 가동을 중단했을 때 즉각적인 글로벌 대응을 의미했습니다.

SFA Oxford에서 설명하듯이, 한국은 국내 생산을 가속화하고 공정 내 회수(in-fab recovery)에 중점을 둔 대규모 국가 네온 재활용 이니셔티브를 시행했습니다. 대만은 기존의 용광로 ASU에 정제 시스템을 설치하여 자체적인 국내 공급망을 개발했습니다. 국가 인프라를 활용함으로써 몇 년 안에 네온 가스 생산의 완전한 자급자족을 목표로 했습니다.

중국은 네온 가스 정제를 산업 기반의 여러 요소와 통합하여 철강 및 석유화학 생산 시설과 연계했습니다. 미국 역시 걸프 해안 석유화학 허브에 새로운 ASU를 개발하며 대응했지만, 이 설비들이 미국의 네온 공급을 의미 있게 개선하는 것은 십 년 말경이 되어서야 예상됩니다.

리소그래피(Lithography)는 전 세계 네온 사용량의 약 70%를 차지하며, 특히 더 진보된 DUV 공정에서 많이 사용됩니다. 하지만 결정적으로 EUV 리소그래피에서는 스테인-플라즈마 레이저가 대신 사용되기 때문에 네온은 쓰이지 않습니다. AI 구축 열풍에 힘입어 글로벌 DUV 기반 반도체 공급이 빠르게 발전함에 따라, 네온 공급은 칩 공급망의 중요한 구성 요소가 되었습니다. 이 공급망은 전략적 국방 및 글로벌 무역 분야에서 핵심 자산으로 급속히 진화했습니다.

현존 자원 활용하기

공급망을 직접 통제할 수 없는 개별 기업들에게는 재활용이 훨씬 더 즉각적인 초점이 되어 왔습니다. 최초의 네온 가스 재활용 시스템은 2023년 말에 Cymer excimer ArF 레이저 사용 적격 판정을 받았으며, 삼성과 SK하이닉스는 주요 메모리 제조사 중 최초로 2024년에 네온 가스 재활용을 구현했습니다.

Gigaphoton은 이전에 KrF(크립톤 플루오라이드) 레이저용 네온 재활용 시스템을 제공했지만, 이제 ArF 레이저까지 재활용 역량을 확장했습니다. 이 회사는 ArF 장치에 대한 단일 hTGM이 연간 최대 470킬로트레(kilotres)의 네온 가스 소비를 줄여줄 수 있다고 주장하며, 이는 상당한 자재 비용 절감은 물론 최근 몇 년 동안 충분히 불안정했던 글로벌 공급망에 대한 기업의 의존도를 낮춰줍니다.

하지만 50% 재활용률이라는 주장은 그다지 혁신적이지 않습니다. Cymer의 excimer 레이저 네온 회수 시스템은 2015년에 이미 같은 수준의 효율성을 입증했으며, Gigaphoton 자체 테스트에서도 2017년에 ArF 회수 잠재력이 90%를 넘는 것으로 시사된 바 있습니다

이는 해당 시스템이 상당히 빠르게 높은 비율로 노력을 증대시킬 수 있음을 시사합니다. 특히 일본의 또 다른 기업인 Kanken Techno가 90% 이상의 효율을 가진 네온 재활용 시스템을 최근 공개했기 때문입니다. Kanken은 주요 ArF 레이저 개발업체들과 협력하고 있으며, 현재 인증 절차를 거치고 있고 가까운 시일 내에 승인이 예상됩니다.

임시방편일까?

반도체 칩 생산 과정에서 네온 가스 재활용이 효과적으로 해결되면서, 반도체 산업의 네온 공급 문제가 일시적인 문제였음이 밝혀졌을 수 있습니다. 하지만 이는 또 다른 임시적인 해결책일 수도 있는데, 향후 몇 년 동안 업계 내 네온 사용량이 극적으로 감소할 것으로 예상되기 때문입니다.

EUV 리소그래피는 DUV보다 훨씬 더 복잡한 칩을 만들 수 있으며, 새로운 전자기기가 더 뛰어난 칩 설계를 채택함에 따라 엑시머 레이저에서 네온 가스 사용의 필요성을 넘어설 미래 경로를 제공합니다. 게다가, DUV의 대안 기술들이 개발되고 있는데, 이는 고귀하거나 독성 가스의 필요 없이 첨단 반도체를 생성하는 데 동일한 DUV 빛을 생산할 수 있습니다.

고체 레이저 기술은 최근 몇 년 동안 빠르게 발전해 왔지만, 작년 중국의 노력은 여전히 요구되는 산업 전력 임계치보다 낮습니다. 나노임프린트 리소그래피(Nanoimprint lithography) 역시 DUV 대안으로서의 가능성을 지니고 있으며, 비교하여 90% 비용 절감을 달성할 수 있습니다.

성능 및 인증 측면에서 여전히 큰 난관이 있으며, 기존 제조 계획 및 공급망과의 통합도 필요합니다. 하지만 반도체 리소그래피 과정에서 네온 가스에 대한 의존도를 벗어날 잠재력은 존재합니다. 앞으로 몇 년 동안 레이저 네온 재활용 시스템과 대체 제조 기술의 조합은 국제적인 네온 공급원 필요성을 기존 수준의 일부로 줄일 수 있을 것입니다.