晶圓制造企業(yè)不僅是電力“黑洞”，同時(shí)也是用水怪獸。

近段時(shí)間以來(lái)，中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)缺水危機(jī)日益嚴(yán)峻，也影響到用水大戶(hù)臺(tái)積電，甚至不少人開(kāi)始擔(dān)心曠日持久的缺芯問(wèn)題。那么，晶圓制造過(guò)程中水的角色到底有多重要？具體到臺(tái)積電，用水量又是如何？臺(tái)積電缺水會(huì)對(duì)世界有哪些影響？本文我們將對(duì)此逐一分析。

“用水怪獸”，晶圓廠名副其實(shí)

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是名副其實(shí)的“水老虎”，在制造過(guò)程中需要依賴(lài)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(guò)程要使用幾倍的自來(lái)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(lái)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(xì)菌數(shù)<10 CFU/ml。這種水平的純度使其成為實(shí)驗(yàn)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(guó)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)（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(gè)常見(jiàn)的步驟稱(chēng)為‘chemmech’，是化學(xué)機(jī)械拋光的縮寫(xiě)?；瘜W(xué)部分是細(xì)砂漿，機(jī)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(shí)，水蒸發(fā)后會(huì)看到斑點(diǎn)，這些斑點(diǎn)來(lái)自溶解在水中的礦物質(zhì)。這些礦物質(zhì)分子可能會(huì)使數(shù)百個(gè)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(guò)程取決于水源的質(zhì)量和制造過(guò)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(chǔ)芯片所需的層數(shù)更少，而層數(shù)越多，所需的水就越多。”Diamond繼續(xù)分析。行業(yè)統(tǒng)計(jì)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(guò)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(wèn)題，而且一旦沒(méi)處理好甚至可能讓整座晶圓廠停擺。

臺(tái)積電官網(wǎng)也介紹到，半導(dǎo)體零配件的清洗成果對(duì)晶圓良率的影響非常大。零配件如果表面脆弱、或者是有細(xì)微分子殘留，將會(huì)成為晶圓生產(chǎn)過(guò)程的污染源，尤其邁入高級(jí)制程后，一些過(guò)去沒(méi)有影響良率的細(xì)微分子，也因?yàn)橹瞥叹€徑縮小，成為影響品質(zhì)的關(guān)鍵。

臺(tái)灣媒體此前就介紹過(guò)，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(lái)就改成一片片單獨(dú)清洗，大幅提高良率。

另外，隨著先進(jìn)制程的提高，超純水用量也會(huì)隨之增大。據(jù)了解，隨著制作工藝技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，對(duì)實(shí)際制造的幾個(gè)環(huán)節(jié)也提出了新要求，對(duì)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(qiáng)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(diǎn)制程下，只需要90次左右的清洗步驟就可以達(dá)到較好的良率。但是在下一代65nm工藝節(jié)點(diǎn)時(shí)，清洗步驟增加到140步左右。而到22nm/20n節(jié)點(diǎn)，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(wàn)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(lái)生成超純水。但是到16nm，7nm工藝，同樣產(chǎn)能為4萬(wàn)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(jì)算，全球晶圓產(chǎn)能在2020年至2022年三年增加量分別為1790萬(wàn)片，2080萬(wàn)片和 1440萬(wàn)片，按照這個(gè)數(shù)字計(jì)算，用水量將是無(wú)比巨大的！

與之相對(duì)應(yīng)，晶圓廠還需為此付出不低的成本。據(jù)了解，每個(gè)半導(dǎo)體晶圓廠的成本可能高達(dá)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(wàn)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(tái)積電苦“水”久矣

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

目前臺(tái)積電卻飽受缺水危機(jī)。臺(tái)積電的主要工廠處于中國(guó)臺(tái)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(méi)有臺(tái)風(fēng)登陸，而且很少下雨，這使中國(guó)臺(tái)灣陷入56年來(lái)最嚴(yán)重的干旱，久旱不雨，多數(shù)主要水庫(kù)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(kù)蓄水率為5.8%、德基水庫(kù)3.9%、鯉魚(yú)潭水庫(kù)6.4%、曾文水庫(kù)9%。

在嚴(yán)重缺水的情況下還要面對(duì)現(xiàn)實(shí)用水問(wèn)題，中國(guó)臺(tái)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(tái)積電等用水大戶(hù)。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(wàn)億元新臺(tái)幣，每日用水量約十五萬(wàn)噸，占新竹地區(qū)每日用水量近三成。

這其中，臺(tái)積電是中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)科學(xué)園區(qū)產(chǎn)值最高的廠商，也是用水超級(jí)大戶(hù)。據(jù)臺(tái)積電2019年度企業(yè)社會(huì)責(zé)任報(bào)告書(shū)顯示，臺(tái)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(wàn)噸，約占供應(yīng)園區(qū)的主要水庫(kù)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(mǎn)足60多個(gè)奧林匹克規(guī)模的游泳運(yùn)動(dòng)池。

據(jù)悉，臺(tái)積電每年需消耗約160億噸淡水，目前臺(tái)積電已經(jīng)實(shí)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(duì)于半導(dǎo)體制造廠商來(lái)說(shuō)，每天的用水量巨大，如果供水出現(xiàn)問(wèn)題，恐影響生產(chǎn)。為了減少用水量同時(shí)也為了緩解缺水危機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣也同步采取了多項(xiàng)措施。一是相關(guān)部門(mén)要求產(chǎn)業(yè)界提出節(jié)水計(jì)劃，臺(tái)積電被要求將用水量減少7%以上。臺(tái)積電發(fā)言人還表示，“臺(tái)當(dāng)局”將撥款170億元新臺(tái)幣（約合39億元人民幣），在2026年之前建造11座水回收廠。

臺(tái)積電正面臨著嚴(yán)峻的缺水危機(jī)，據(jù)臺(tái)媒經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)最新消息，市場(chǎng)傳出，考量中國(guó)臺(tái)灣缺水缺電，臺(tái)積電計(jì)劃轉(zhuǎn)移產(chǎn)能，將中國(guó)臺(tái)灣大約2萬(wàn)片的12英寸28納米以下成熟型制程設(shè)備，移至中國(guó)大陸南京廠，等于南京廠產(chǎn)能將擴(kuò)增一倍。雖然此消息并未得到證實(shí)，但也從側(cè)面說(shuō)明缺水對(duì)臺(tái)積電的影響。

臺(tái)積電“水”荒，全球“芯”荒

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

除了手握大量訂單，臺(tái)積電也掌握著最先進(jìn)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(jī)、IoT 等對(duì)先進(jìn)制程需求也愈加旺盛，而離開(kāi)臺(tái)積電，很多公司是“玩不轉(zhuǎn)”的。

美國(guó)金融研究公司InvestorPlace甚至曾撰文指出：“毫不夸張地說(shuō)，臺(tái)積電是世界上最重要的公司——因?yàn)樗闹圃靸?yōu)勢(shì)，造就這樣的地位?！?/p>

事實(shí)確實(shí)如此，現(xiàn)如今全球“缺芯潮”的席卷之下，更突顯臺(tái)積電的重要地位。始于2020年上半年的“缺芯潮”，最早在汽車(chē)領(lǐng)域爆發(fā)，并在汽車(chē)、消費(fèi)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(jià)等問(wèn)題不斷擴(kuò)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(guó)臺(tái)灣已受到來(lái)自美、日、歐等汽車(chē)大國(guó)的多方壓力，要求確保芯片的穩(wěn)定供應(yīng)，而臺(tái)積電更是成為全球產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略焦點(diǎn)。消息報(bào)道稱(chēng)，在中國(guó)臺(tái)灣“經(jīng)濟(jì)部長(zhǎng)”王美花與臺(tái)積電高層交談之后，臺(tái)積電表態(tài)，如果能夠進(jìn)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(chē)芯片。

禍不單行，此次的缺水危機(jī)無(wú)疑加重了“缺芯”危機(jī)。臺(tái)媒“聯(lián)合報(bào)”報(bào)道稱(chēng)，為不耽誤生產(chǎn)，包括臺(tái)積電、聯(lián)電、世界先進(jìn)在內(nèi)的中國(guó)臺(tái)灣半導(dǎo)體大廠已從2月23日起先后宣布啟動(dòng)水車(chē)供水，提高水資源的利用效率。臺(tái)積電在回復(fù)彭博社的郵件中確認(rèn)，公司已經(jīng)開(kāi)始削減用水量。

缺水導(dǎo)致芯片生產(chǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，可能加劇全球各行業(yè)芯片供應(yīng)緊張局面。臺(tái)積電CEO魏哲家在第一季度財(cái)報(bào)會(huì)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(zhǎng)期持續(xù)，還可能限制臺(tái)灣晶圓廠擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃。根據(jù)擴(kuò)建方案，臺(tái)積電計(jì)劃新建4座2nm芯片加工廠，每天新增用水量達(dá)12萬(wàn)噸，但眼下整個(gè)新竹園區(qū)的用水量顯然無(wú)法滿(mǎn)足其需求，擴(kuò)建計(jì)劃或要推遲一到兩年。也就是說(shuō)，臺(tái)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(jī)，臺(tái)積電已經(jīng)啟動(dòng)水車(chē)的辦法。但這方法也只能起到“杯水車(chē)薪”的效果，據(jù)了解，臺(tái)積電全臺(tái)廠區(qū)日用水量達(dá)15.89萬(wàn)噸，若全以水車(chē)載水，每天要達(dá)近8000車(chē)次。另外，最新的消息稱(chēng)臺(tái)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(wú)論是哪種方式，勢(shì)必都將增加臺(tái)積電的運(yùn)營(yíng)成本，我們不得不從長(zhǎng)遠(yuǎn)思考，如果缺水問(wèn)題遲遲未解，這成本是否會(huì)讓客戶(hù)買(mǎi)單？

結(jié)語(yǔ)：按照往年規(guī)律，中國(guó)臺(tái)灣將在5～6月迎來(lái)梅雨季節(jié)，因此目前全球?qū)τ谌彼畣?wèn)題也存在樂(lè)觀看法。但世事難料，風(fēng)云難測(cè)，如果今年也像2020年一樣少雨的話，勢(shì)必會(huì)對(duì)全球范圍內(nèi)的半導(dǎo)體不足問(wèn)題帶來(lái)進(jìn)一步影響。無(wú)論如何，臺(tái)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