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【芯观点】为何台积电难过“水”关?

来源:爱集微

#台积电#

#芯观点#

15天前

集微网报道,晶圆制造企业不仅是电力“黑洞”,同时也是用水怪兽。

近段时间以来,中国台湾地区缺水危机日益严峻,也影响到用水大户台积电,甚至不少人开始担心旷日持久的缺芯问题。那么,晶圆制造过程中水的角色到底有多重要?具体到台积电,用水量又是如何?台积电缺水会对世界有哪些影响?本文我们将对此逐一分析。

“用水怪兽”,晶圆厂名副其实

半导体产业是名副其实的“水老虎”,在制造过程中需要依赖大量的水源,尤其是半导体制程需要使用超纯水(Ultrapure water),而制作超纯水的过程要使用几倍的自来水,用水量相当惊人。

超纯水(UPW)是被净化到高规格水平的水,其干净程度大约是自来水的1000倍。其标准是,水中仅含有H20,以及适度数量的H+和OH-离子。其电阻率为18.2MΩ.cm、TOC <10 ppb、细菌数<10 CFU/ml。这种水平的纯度使其成为实验室工作的完美试剂,最常用于半导体和制药行业。

为何晶圆生产要用到如此纯净的水?美国半导体工业协会(SIA)环境健康与安全主管Tom Diamond解释道:“加工晶圆有很多步骤,其中一个常见的步骤称为‘chemmech’,是化学机械抛光的缩写。化学部分是细砂浆,机械部分是抛光垫。表面抛光后,需要用超纯水将浆液洗掉。这些电路非常小,在某些情况下只有32纳米宽,并且尽可能紧密地塞在一起。用饮用水清洗时,水蒸发后会看到斑点,这些斑点来自溶解在水中的矿物质。这些矿物质分子可能会使数百个电路短路,这就是水必须如此纯净的原因。”

此外,产生超纯水所需的处理过程取决于水源的质量和制造过程的要求。“所需的超纯水量取决于许多因素,比如200毫米晶圆的用水量少于300毫米晶圆;与逻辑芯片相比,存储芯片所需的层数更少,而层数越多,所需的水就越多。”Diamond继续分析。行业统计数据表明,在300mm晶圆上创建集成电路总共需要大约2200加仑的水,其中就有1500加仑是超纯水。

正如Diamond所言,半导体制造过程中都需要用水反复清洗芯片基底,蚀刻图案,抛光层和冲洗组件。其主要原因就在于涉及到晶圆制程的良率问题,而且一旦没处理好甚至可能让整座晶圆厂停摆。

台积电官网也介绍到,半导体零配件的清洗成果对晶圆良率的影响非常大。零配件如果表面脆弱、或者是有细微分子残留,将会成为晶圆生产过程的污染源,尤其迈入高级制程后,一些过去没有影响良率的细微分子,也因为制程线径缩小,成为影响品质的关键。

台湾媒体此前就介绍过,为了提高12英寸晶圆厂的制程良率,以往是每25片晶圆集中清洗,后来就改成一片片单独清洗,大幅提高良率。

另外,随着先进制程的提高,超纯水用量也会随之增大。据了解,随着制作工艺技术越来越先进,对实际制造的几个环节也提出了新要求,对于晶圆的洁净度要求也不断增加,清洗环节的重要性日益凸显,为了增强清洗效果,最直接的措施是增加清洗的步骤。在90nm工艺节点制程下,只需要90次左右的清洗步骤就可以达到较好的良率。但是在下一代65nm工艺节点时,清洗步骤增加到140步左右。而到22nm/20n节点,清洗步骤增加到210次左右。

如此多次频繁的清洗,具体用水量如何?数据显示,在产能在4万片每月的200mm晶圆厂中,一天用水量约为8000到10000 吨,其中70%是用来生成超纯水。但是到16nm,7nm工艺,同样产能为4万片的12英寸晶圆厂,每天用水量大概是20000吨。

按照IC Insight数据,如果全球晶圆厂产能增加量按照200mm等效晶圆计算,全球晶圆产能在2020年至2022年三年增加量分别为1790万片,2080万片和 1440万片,按照这个数字计算,用水量将是无比巨大的!

与之相对应,晶圆厂还需为此付出不低的成本。据了解,每个半导体晶圆厂的成本可能高达25亿美元,其中很大一部分资本支出是与水相关的系统。UPW系统的成本约为总资本成本的1-1.5%,约为25-40百万美元。半导体行业每年在水和废水处理系统和服务上的支出约为10亿美元。

台积电苦“水”久矣

据TrendForce 2021年第一季度全球晶圆代工营收排名,台积电以56%的份额在市占率方面排名第一。按照这个市占,如果说晶圆厂是“用水怪兽”,那么台积电就是“超级怪兽”。

目前台积电却饱受缺水危机。台积电的主要工厂处于中国台湾,该地区本该是全球降雨量最多的地区之一。然而2020年全年都没有台风登陆,而且很少下雨,这使中国台湾陷入56年来最严重的干旱,久旱不雨,多数主要水库蓄水率持续下探,尤以新竹以南最为严峻,截至到4月22日的数据,宝山第二水库蓄水率为5.8%、德基水库3.9%、鲤鱼潭水库6.4%、曾文水库9%。

在严重缺水的情况下还要面对现实用水问题,中国台湾人口较多且有大量的工业,特别是半导体代工企业如台积电等用水大户。据悉,汇集半导体、面板等科技大厂的新竹科学园区(竹科),年产值逾一万亿元新台币,每日用水量约十五万吨,占新竹地区每日用水量近三成。

这其中,台积电是中国台湾地区科学园区产值最高的厂商,也是用水超级大户。据台积电2019年度企业社会责任报告书显示,台积电在新竹、中部与南部科学园区三大园区内的厂区每日用水量约15.6万吨,约占供应园区的主要水库每日供水量的5%。换算成比较直观的数据,这么大的用水量足以满足60多个奥林匹克规模的游泳运动池。

据悉,台积电每年需消耗约160亿吨淡水,目前台积电已经实现了86%的废水回收利用率,平均每升水可重复利用3-4次,但仍然消耗巨大。

对于半导体制造厂商来说,每天的用水量巨大,如果供水出现问题,恐影响生产。为了减少用水量同时也为了缓解缺水危机,中国台湾也同步采取了多项措施。一是相关部门要求产业界提出节水计划,台积电被要求将用水量减少7%以上。台积电发言人还表示,“台当局”将拨款170亿元新台币(约合39亿元人民币),在2026年之前建造11座水回收厂。

台积电正面临着严峻的缺水危机,据台媒经济日报最新消息,市场传出,考量中国台湾缺水缺电,台积电计划转移产能,将中国台湾大约2万片的12英寸28纳米以下成熟型制程设备,移至中国大陆南京厂,等于南京厂产能将扩增一倍。虽然此消息并未得到证实,但也从侧面说明缺水对台积电的影响。

台积电“水”荒,全球“芯”荒

台积电的生产要看“水”,全球半导体产业则要看台积电。如前文所述,台积电这一家企业就占据了全球过半的晶圆代工市场。另外,在目前已生产的全球最先进制程节点中,台积电几乎占据了90% 的市场占有率。在2020年,美国老牌芯片厂商英特尔以及高通纷纷将更先进制程工艺的芯片代工订单交给了台积电。

除了手握大量订单,台积电也掌握着最先进的制程工艺。目前其在7nm、5nm方面已经领先全球,3nm制程的研发和量产也日益临近。可以预期的是,随着科技创新,5G、智能手机、IoT 等对先进制程需求也愈加旺盛,而离开台积电,很多公司是“玩不转”的。

美国金融研究公司InvestorPlace甚至曾撰文指出:“毫不夸张地说,台积电是世界上最重要的公司——因为它的制造优势,造就这样的地位。”

事实确实如此,现如今全球“缺芯潮”的席卷之下,更突显台积电的重要地位。始于2020年上半年的“缺芯潮”,最早在汽车领域爆发,并在汽车、消费电子等行业引发了一系列连锁反应,停产停工、出货延期、产品涨价等问题不断扩大。为了缓解缺芯的压力,作为全球晶圆产能最高的地区,中国台湾已受到来自美、日、欧等汽车大国的多方压力,要求确保芯片的稳定供应,而台积电更是成为全球产业的战略焦点。消息报道称,在中国台湾“经济部长”王美花与台积电高层交谈之后,台积电表态,如果能够进一步增加产能,该公司将优化芯片生产流程,提高效率,并优先考虑生产汽车芯片。

祸不单行,此次的缺水危机无疑加重了“缺芯”危机。台媒“联合报”报道称,为不耽误生产,包括台积电、联电、世界先进在内的中国台湾半导体大厂已从2月23日起先后宣布启动水车供水,提高水资源的利用效率。台积电在回复彭博社的邮件中确认,公司已经开始削减用水量。

缺水导致芯片生产出现问题,可能加剧全球各行业芯片供应紧张局面。台积电CEO魏哲家在第一季度财报会上就表示,全球“缺芯”局面可能延续到2022年。

此外,如果干旱缺水的状态长期持续,还可能限制台湾晶圆厂扩产计划。根据扩建方案,台积电计划新建4座2nm芯片加工厂,每天新增用水量达12万吨,但眼下整个新竹园区的用水量显然无法满足其需求,扩建计划或要推迟一到两年。也就是说,台积电领先全球的2nm芯片量产可能要被推迟到2024年之后。

为了缓解缺水危机,台积电已经启动水车的办法。但这方法也只能起到“杯水车薪”的效果,据了解,台积电全台厂区日用水量达15.89万吨,若全以水车载水,每天要达近8000车次。另外,最新的消息称台积电正在建设一座能够处理工业用水的工厂,以便将水可以再利用,用于制造半导体。无论是哪种方式,势必都将增加台积电的运营成本,我们不得不从长远思考,如果缺水问题迟迟未解,这成本是否会让客户买单?

结语:按照往年规律,中国台湾将在5~6月迎来梅雨季节,因此目前全球对于缺水问题也存在乐观看法。但世事难料,风云难测,如果今年也像2020年一样少雨的话,势必会对全球范围内的半导体不足问题带来进一步影响。无论如何,台积电和其他芯片制造商都需要为最坏的情况做准备了。

(校对/holly)

责编: Aki

木棉

作者

微信:lm071137

邮箱:limei@lunion.com.cn

作者简介

关注半导体制造、设计,通信等领域,聚焦中国台湾地区产业的风向与动态。

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