晶圓制造企業(yè)不僅是電力“黑洞”同時也是用水怪獸！

晶圓制造企業(yè)不僅是電力“黑洞”，同時也是用水怪獸。

近段時間以來，中國臺灣地區(qū)缺水危機日益嚴(yán)峻，也影響到用水大戶臺積電，甚至不少人開始擔(dān)心曠日持久的缺芯問題。那么，晶圓制造過程中水的角色到底有多重要？具體到臺積電，用水量又是如何？臺積電缺水會對世界有哪些影響？本文我們將對此逐一分析。

“用水怪獸”，晶圓廠名副其實

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是名副其實的“水老虎”，在制造過程中需要依賴大量的水源，尤其是半導(dǎo)體制程需要使用超純水（Ultrapure water），而制作超純水的過程要使用幾倍的自來水，用水量相當(dāng)驚人。

超純水（UPW）是被凈化到高規(guī)格水平的水，其干凈程度大約是自來水的1000倍。其標(biāo)準(zhǔn)是，水中僅含有H20，以及適度數(shù)量的H+和OH-離子。其電阻率為18.2MΩ.cm、TOC <10 ppb、細菌數(shù)<10 CFU/ml。這種水平的純度使其成為實驗室工作的完美試劑，最常用于半導(dǎo)體和制藥行業(yè)。

為何晶圓生產(chǎn)要用到如此純凈的水？美國半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會（SIA）環(huán)境健康與安全主管Tom Diamond解釋道：“加工晶圓有很多步驟，其中一個常見的步驟稱為‘chemmech’，是化學(xué)機械拋光的縮寫?；瘜W(xué)部分是細砂漿，機械部分是拋光墊。表面拋光后，需要用超純水將漿液洗掉。這些電路非常小，在某些情況下只有32納米寬，并且盡可能緊密地塞在一起。用飲用水清洗時，水蒸發(fā)后會看到斑點，這些斑點來自溶解在水中的礦物質(zhì)。這些礦物質(zhì)分子可能會使數(shù)百個電路短路，這就是水必須如此純凈的原因?！?/p>

此外，產(chǎn)生超純水所需的處理過程取決于水源的質(zhì)量和制造過程的要求。“所需的超純水量取決于許多因素，比如200毫米晶圓的用水量少于300毫米晶圓；與邏輯芯片相比，存儲芯片所需的層數(shù)更少，而層數(shù)越多，所需的水就越多?！盌iamond繼續(xù)分析。行業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在300mm晶圓上創(chuàng)建集成電路總共需要大約2200加侖的水，其中就有1500加侖是超純水。

正如Diamond所言，半導(dǎo)體制造過程中都需要用水反復(fù)清洗芯片基底，蝕刻圖案，拋光層和沖洗組件。其主要原因就在于涉及到晶圓制程的良率問題，而且一旦沒處理好甚至可能讓整座晶圓廠停擺。

臺積電官網(wǎng)也介紹到，半導(dǎo)體零配件的清洗成果對晶圓良率的影響非常大。零配件如果表面脆弱、或者是有細微分子殘留，將會成為晶圓生產(chǎn)過程的污染源，尤其邁入高級制程后，一些過去沒有影響良率的細微分子，也因為制程線徑縮小，成為影響品質(zhì)的關(guān)鍵。

臺灣媒體此前就介紹過，為了提高12英寸晶圓廠的制程良率，以往是每25片晶圓集中清洗，后來就改成一片片單獨清洗，大幅提高良率。

另外，隨著先進制程的提高，超純水用量也會隨之增大。據(jù)了解，隨著制作工藝技術(shù)越來越先進，對實際制造的幾個環(huán)節(jié)也提出了新要求，對于晶圓的潔凈度要求也不斷增加，清洗環(huán)節(jié)的重要性日益凸顯，為了增強清洗效果，最直接的措施是增加清洗的步驟。在90nm工藝節(jié)點制程下，只需要90次左右的清洗步驟就可以達到較好的良率。但是在下一代65nm工藝節(jié)點時，清洗步驟增加到140步左右。而到22nm/20n節(jié)點，清洗步驟增加到210次左右。

如此多次頻繁的清洗，具體用水量如何？數(shù)據(jù)顯示，在產(chǎn)能在4萬片每月的200mm晶圓廠中，一天用水量約為8000到10000 噸，其中70%是用來生成超純水。但是到16nm，7nm工藝，同樣產(chǎn)能為4萬片的12英寸晶圓廠，每天用水量大概是20000噸。

按照IC Insight數(shù)據(jù)，如果全球晶圓廠產(chǎn)能增加量按照200mm等效晶圓計算，全球晶圓產(chǎn)能在2020年至2022年三年增加量分別為1790萬片，2080萬片和 1440萬片，按照這個數(shù)字計算，用水量將是無比巨大的！

與之相對應(yīng)，晶圓廠還需為此付出不低的成本。據(jù)了解，每個半導(dǎo)體晶圓廠的成本可能高達25億美元，其中很大一部分資本支出是與水相關(guān)的系統(tǒng)。UPW系統(tǒng)的成本約為總資本成本的1-1.5％，約為25-40百萬美元。半導(dǎo)體行業(yè)每年在水和廢水處理系統(tǒng)和服務(wù)上的支出約為10億美元。

臺積電苦“水”久矣

據(jù)TrendForce 2021年第一季度全球晶圓代工營收排名，臺積電以56%的份額在市占率方面排名第一。按照這個市占，如果說晶圓廠是“用水怪獸”，那么臺積電就是“超級怪獸”。

目前臺積電卻飽受缺水危機。臺積電的主要工廠處于中國臺灣，該地區(qū)本該是全球降雨量最多的地區(qū)之一。然而2020年全年都沒有臺風(fēng)登陸，而且很少下雨，這使中國臺灣陷入56年來最嚴(yán)重的干旱，久旱不雨，多數(shù)主要水庫蓄水率持續(xù)下探，尤以新竹以南最為嚴(yán)峻，截至到4月22日的數(shù)據(jù)，寶山第二水庫蓄水率為5.8%、德基水庫3.9%、鯉魚潭水庫6.4%、曾文水庫9%。

在嚴(yán)重缺水的情況下還要面對現(xiàn)實用水問題，中國臺灣人口較多且有大量的工業(yè)，特別是半導(dǎo)體代工企業(yè)如臺積電等用水大戶。據(jù)悉，匯集半導(dǎo)體、面板等科技大廠的新竹科學(xué)園區(qū)（竹科），年產(chǎn)值逾一萬億元新臺幣，每日用水量約十五萬噸，占新竹地區(qū)每日用水量近三成。

這其中，臺積電是中國臺灣地區(qū)科學(xué)園區(qū)產(chǎn)值最高的廠商，也是用水超級大戶。據(jù)臺積電2019年度企業(yè)社會責(zé)任報告書顯示，臺積電在新竹、中部與南部科學(xué)園區(qū)三大園區(qū)內(nèi)的廠區(qū)每日用水量約15.6萬噸，約占供應(yīng)園區(qū)的主要水庫每日供水量的5%。換算成比較直觀的數(shù)據(jù)，這么大的用水量足以滿足60多個奧林匹克規(guī)模的游泳運動池。

據(jù)悉，臺積電每年需消耗約160億噸淡水，目前臺積電已經(jīng)實現(xiàn)了86%的廢水回收利用率，平均每升水可重復(fù)利用3-4次，但仍然消耗巨大。

對于半導(dǎo)體制造廠商來說，每天的用水量巨大，如果供水出現(xiàn)問題，恐影響生產(chǎn)。為了減少用水量同時也為了緩解缺水危機，中國臺灣也同步采取了多項措施。一是相關(guān)部門要求產(chǎn)業(yè)界提出節(jié)水計劃，臺積電被要求將用水量減少7%以上。臺積電發(fā)言人還表示，“臺當(dāng)局”將撥款170億元新臺幣（約合39億元人民幣），在2026年之前建造11座水回收廠。

臺積電正面臨著嚴(yán)峻的缺水危機，據(jù)臺媒經(jīng)濟日報最新消息，市場傳出，考量中國臺灣缺水缺電，臺積電計劃轉(zhuǎn)移產(chǎn)能，將中國臺灣大約2萬片的12英寸28納米以下成熟型制程設(shè)備，移至中國大陸南京廠，等于南京廠產(chǎn)能將擴增一倍。雖然此消息并未得到證實，但也從側(cè)面說明缺水對臺積電的影響。

臺積電“水”荒，全球“芯”荒

臺積電的生產(chǎn)要看“水”，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)則要看臺積電。如前文所述，臺積電這一家企業(yè)就占據(jù)了全球過半的晶圓代工市場。另外，在目前已生產(chǎn)的全球最先進制程節(jié)點中，臺積電幾乎占據(jù)了90% 的市場占有率。在2020年，美國老牌芯片廠商英特爾以及高通紛紛將更先進制程工藝的芯片代工訂單交給了臺積電。

除了手握大量訂單，臺積電也掌握著最先進的制程工藝。目前其在7nm、5nm方面已經(jīng)領(lǐng)先全球，3nm制程的研發(fā)和量產(chǎn)也日益臨近?？梢灶A(yù)期的是，隨著科技創(chuàng)新，5G、智能手機、IoT 等對先進制程需求也愈加旺盛，而離開臺積電，很多公司是“玩不轉(zhuǎn)”的。

美國金融研究公司InvestorPlace甚至曾撰文指出：“毫不夸張地說，臺積電是世界上最重要的公司——因為它的制造優(yōu)勢，造就這樣的地位。”

事實確實如此，現(xiàn)如今全球“缺芯潮”的席卷之下，更突顯臺積電的重要地位。始于2020年上半年的“缺芯潮”，最早在汽車領(lǐng)域爆發(fā)，并在汽車、消費電子等行業(yè)引發(fā)了一系列連鎖反應(yīng)，停產(chǎn)停工、出貨延期、產(chǎn)品漲價等問題不斷擴大。為了緩解缺芯的壓力，作為全球晶圓產(chǎn)能最高的地區(qū)，中國臺灣已受到來自美、日、歐等汽車大國的多方壓力，要求確保芯片的穩(wěn)定供應(yīng)，而臺積電更是成為全球產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略焦點。消息報道稱，在中國臺灣“經(jīng)濟部長”王美花與臺積電高層交談之后，臺積電表態(tài)，如果能夠進一步增加產(chǎn)能，該公司將優(yōu)化芯片生產(chǎn)流程，提高效率，并優(yōu)先考慮生產(chǎn)汽車芯片。

禍不單行，此次的缺水危機無疑加重了“缺芯”危機。臺媒“聯(lián)合報”報道稱，為不耽誤生產(chǎn)，包括臺積電、聯(lián)電、世界先進在內(nèi)的中國臺灣半導(dǎo)體大廠已從2月23日起先后宣布啟動水車供水，提高水資源的利用效率。臺積電在回復(fù)彭博社的郵件中確認，公司已經(jīng)開始削減用水量。

缺水導(dǎo)致芯片生產(chǎn)出現(xiàn)問題，可能加劇全球各行業(yè)芯片供應(yīng)緊張局面。臺積電CEO魏哲家在第一季度財報會上就表示，全球“缺芯”局面可能延續(xù)到2022年。

此外，如果干旱缺水的狀態(tài)長期持續(xù)，還可能限制臺灣晶圓廠擴產(chǎn)計劃。根據(jù)擴建方案，臺積電計劃新建4座2nm芯片加工廠，每天新增用水量達12萬噸，但眼下整個新竹園區(qū)的用水量顯然無法滿足其需求，擴建計劃或要推遲一到兩年。也就是說，臺積電領(lǐng)先全球的2nm芯片量產(chǎn)可能要被推遲到2024年之后。

為了緩解缺水危機，臺積電已經(jīng)啟動水車的辦法。但這方法也只能起到“杯水車薪”的效果，據(jù)了解，臺積電全臺廠區(qū)日用水量達15.89萬噸，若全以水車載水，每天要達近8000車次。另外，最新的消息稱臺積電正在建設(shè)一座能夠處理工業(yè)用水的工廠，以便將水可以再利用，用于制造半導(dǎo)體。無論是哪種方式，勢必都將增加臺積電的運營成本，我們不得不從長遠思考，如果缺水問題遲遲未解，這成本是否會讓客戶買單？

結(jié)語：按照往年規(guī)律，中國臺灣將在5～6月迎來梅雨季節(jié)，因此目前全球?qū)τ谌彼畣栴}也存在樂觀看法。但世事難料，風(fēng)云難測，如果今年也像2020年一樣少雨的話，勢必會對全球范圍內(nèi)的半導(dǎo)體不足問題帶來進一步影響。無論如何，臺積電和其他芯片制造商都需要為最壞的情況做準(zhǔn)備了。

編輯：jq