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(jī)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(xì)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(jī)械拋光的縮寫?；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，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?！八璧某兯咳Q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(xì)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(xì)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(jìn)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(jìn)，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(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(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(jī)。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(yùn)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(jī)，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(jī)，據(jù)臺媒經(jīng)濟(jì)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(kuò)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(jìn)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(jìn)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(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 等對先進(jìn)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?！?/p>

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(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(jì)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(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)汽車芯片。

禍不單行，此次的缺水危機(jī)無疑加重了“缺芯”危機(jī)。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(jìn)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(rèn)，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(kuò)產(chǎn)計劃。根據(jù)擴(kuò)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(dá)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(kuò)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(jī)，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(dá)15.89萬噸，若全以水車載水，每天要達(dá)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(yùn)營成本，我們不得不從長遠(yuǎn)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(jìn)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