芯片生產(chǎn)，磨難重重

4月3日據(jù)臺(tái)氣象部門統(tǒng)計(jì)，主震過后，截至3日晚10時(shí)37分，已有216起震中在中國臺(tái)灣花蓮縣及花蓮近海的地震。就此次地震對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的影響，全球市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)TrendForce集邦咨詢調(diào)查各廠受損及運(yùn)作狀況指出，DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）產(chǎn)業(yè)多集中在臺(tái)灣北部與中部，F(xiàn)oundry（晶圓代工）產(chǎn)業(yè)則北中南三地區(qū)，3日上午北部林口地區(qū)地震最大約4到5級(jí)間，其他地區(qū)地震約在4級(jí)左右，各廠已陸續(xù)進(jìn)行停機(jī)檢查。盡管檢查尚未結(jié)束，但目前為止各廠都沒有發(fā)現(xiàn)重大的機(jī)臺(tái)損害。

中國臺(tái)灣地區(qū)是世界最大的晶圓生產(chǎn)基地。2023年，全球晶圓代工產(chǎn)能中，中國臺(tái)灣地區(qū)占約46%。當(dāng)前，業(yè)界最為關(guān)心的是，全球的芯片供應(yīng)是否會(huì)受阻，是否會(huì)重現(xiàn)2021年的芯片短缺情況？

牽一發(fā)而動(dòng)全身，芯片今年的困難還不只地震、缺電、缺水……

01

無水不可持續(xù)

美國和歐洲正在宣布或正在建設(shè)的生產(chǎn)設(shè)施均位于已經(jīng)面臨嚴(yán)重缺水壓力的地區(qū)。英特爾、臺(tái)積電和三星都在美國西南部建設(shè)新工廠，該地區(qū)自 1994 年以來一直處于干旱狀態(tài)。2021年，美國墾務(wù)局首次宣布科羅拉多河流域缺水。未來的氣候變化情景表明，自 2021 年以來宣布的所有新半導(dǎo)體制造設(shè)施中，超過 40% 將處于可能經(jīng)歷高風(fēng)險(xiǎn)或極高風(fēng)險(xiǎn)缺水情景的分水嶺。

在減少導(dǎo)致地球變暖的溫室氣體排放的背景下，半導(dǎo)體制造的耗能性質(zhì)和巨大的碳足跡受到了相當(dāng)多的關(guān)注。事實(shí)證明，我們既渴又餓。我們的工業(yè)消耗大量的水，每年多達(dá) 2640 億加侖，隨著氣候變化，這種資源可能會(huì)變得更加稀缺。單個(gè)晶圓廠每天可以使用數(shù)千萬加侖的水。從這個(gè)角度來看，美國的平均用水量約為每人每天310 升，1000 萬加侖相當(dāng)于一個(gè)小城市人口 122,000的日常家庭用水量。

簡(jiǎn)而言之，氣候變化和水資源短缺正在給半導(dǎo)體制造帶來短期和長期風(fēng)險(xiǎn)。

水安全將成為影響半導(dǎo)體公司信用狀況的一個(gè)日益重要的因素。水資源處理不當(dāng)可能會(huì)擾亂公司的運(yùn)營，損害財(cái)務(wù)業(yè)績，并可能影響客戶關(guān)系。推而廣之，鑒于半導(dǎo)體供應(yīng)鏈普遍集成，任何潛在的生產(chǎn)中斷都可能影響其終端市場(chǎng)。

氣候變化正在考驗(yàn)芯片制造商。隨著加工技術(shù)的進(jìn)步，半導(dǎo)體公司的絕對(duì)用水量和單位用水量都在增加。與此同時(shí)，氣候變化正在增加極端天氣的發(fā)生率、干旱的頻率和降水的波動(dòng)性，限制了芯片制造商管理生產(chǎn)穩(wěn)定性的能力。

標(biāo)準(zhǔn)普爾全球評(píng)級(jí)認(rèn)為，水安全將成為影響半導(dǎo)體公司信用狀況的一個(gè)日益重要的因素。雖然到目前為止，大多數(shù)公司都善于處理這個(gè)問題，但日益嚴(yán)重和頻繁的缺水可能會(huì)壓垮實(shí)體的應(yīng)急計(jì)劃。

在產(chǎn)能擴(kuò)張和先進(jìn)工藝技術(shù)需求的推動(dòng)下，半導(dǎo)體行業(yè)的用水量有望每年以中高個(gè)位數(shù)百分比增長。

如圖臺(tái)積電在 2015 年升級(jí)到 16 納米 (nm) 工藝節(jié)點(diǎn)后，單位功耗增長了 35% 以上，這主要是由于向先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的遷移，需要更多的制造工藝。用水量和芯片復(fù)雜程度之間存在直接聯(lián)系，因?yàn)榫A廠在每個(gè)工藝之間使用超純水（經(jīng)過處理至極高純度的淡水）來沖洗晶圓。半導(dǎo)體越先進(jìn)，工藝步驟越多，消耗的水就越多。

臺(tái)積電的水安全問題是有意義的，但相對(duì)于同行來說是適度的。未來三年內(nèi)水資源短缺不會(huì)影響代工廠的運(yùn)營，然而三年后就不好說了，產(chǎn)能擴(kuò)張和技術(shù)開發(fā)可能會(huì)讓臺(tái)積電抵御嚴(yán)重干旱的余地較小。有預(yù)測(cè)稱到 2030 年，臺(tái)積電對(duì)給水的需求可能會(huì)比 2022 年的水平翻一番。

以中國臺(tái)灣為例

2020年10月至2021年6月，中國臺(tái)灣發(fā)生了56年來最嚴(yán)重的干旱。這是由于2020年沒有臺(tái)風(fēng)，2021年春季降水有限，水庫水位下降到庫容的5%以下。當(dāng)局下令限水約兩個(gè)月，影響了超過 100 萬家庭和企業(yè)。政府在受影響最嚴(yán)重的地區(qū)每周關(guān)閉兩天供水，其中包括中國臺(tái)灣第二大城市臺(tái)中。島上四分之一的水稻種植面積沒有灌溉。據(jù)當(dāng)?shù)貓?bào)道，官員要求科技行業(yè)（尤其是半導(dǎo)體行業(yè)）將用水量減少 20%。水電站也受到干擾，導(dǎo)致 2021 年 5 月發(fā)生兩次大停電。

隨著向更先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不可避免的遷移，水的純度要求也應(yīng)該提高。這意味著臺(tái)積電可能必須過濾掉更多未達(dá)到其日益嚴(yán)格的純度標(biāo)準(zhǔn)的水。這可能會(huì)限制臺(tái)積電進(jìn)一步提高水回收率的能力。全球科技硬件供應(yīng)鏈僅依賴于少數(shù)主要芯片制造商。其中一家企業(yè)的運(yùn)營減少可能會(huì)影響眾多下游企業(yè)的生產(chǎn)。疫情期間全球芯片供應(yīng)短缺，充分說明了科技供應(yīng)鏈錯(cuò)綜復(fù)雜、易受事件風(fēng)險(xiǎn)影響。

02

應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)

認(rèn)識(shí)到可持續(xù)發(fā)展的必要性

半導(dǎo)體生產(chǎn)需要大量的水和能源，其中大部分被處理并作為廢水排放。隨著制造商尋求擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模并建設(shè)新設(shè)施來滿足前所未有的需求水平，有必要提醒業(yè)界高效廢水處理的重要性。

半導(dǎo)體制造涉及廣泛而復(fù)雜的漿料和化學(xué)品，需要嚴(yán)格的廢水分離、處理和回收系統(tǒng)。處理這些含有金屬和其他危險(xiǎn)廢物的污泥是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，執(zhí)行廢水排放標(biāo)準(zhǔn)等環(huán)境法規(guī)可能會(huì)帶來巨大的成本。

半導(dǎo)體生產(chǎn)中涉及的化合物包括用于清潔和蝕刻感光元件的氫氟酸以及用于沖洗的氨、氟化銨、過氧化氫以及鹽酸、硫酸和磷酸。清洗半導(dǎo)體晶圓是該工藝中耗水量最大的部分，會(huì)產(chǎn)生富含氟的廢水，需要用石灰中和。

全產(chǎn)業(yè)鏈的解決方案

如果中國臺(tái)灣地區(qū)某地發(fā)生四級(jí)以上地震，芯片制造商要做的第一件事就是疏散潔凈室和工廠的所有員工，等待主震停止。下一步包括通過中央控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控工廠，以檢測(cè)火災(zāi)、有毒氣體或任何可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故的化學(xué)品泄漏。如果情況安全，設(shè)備、設(shè)施和材料團(tuán)隊(duì)可以返回指定站點(diǎn)并開始對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際檢查。

首先要確定設(shè)備內(nèi)正在加工的晶圓是否完好。如果是這樣，稍后可以對(duì)其進(jìn)行返工。然而如果晶圓破裂，工程師需要仔細(xì)清潔設(shè)備室，然后重新啟動(dòng)機(jī)器。接下來，他們運(yùn)行一批控制晶圓，以確保機(jī)器正常運(yùn)行，然后再將機(jī)器重新上線。這些程序必須一絲不茍地進(jìn)行，生產(chǎn)的全面恢復(fù)需要時(shí)間。

一位設(shè)備供應(yīng)商經(jīng)理說：“所有流程恢復(fù)正?？赡苄枰獛讉€(gè)小時(shí)到幾天甚至幾周的時(shí)間，具體取決于情況的嚴(yán)重程度?！睒I(yè)內(nèi)人士表示，最重要的是，所有類型的光刻機(jī)通常比其他芯片制造設(shè)備需要更長的時(shí)間才能重啟?！暗卣鸷笾匦滦?zhǔn)光刻機(jī)的偏差始終是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。你需要設(shè)備供應(yīng)商提供大量支持，使用特定的工具。它需要極高的精度，而且你不能急于恢復(fù)光刻機(jī)?！边@就是中國臺(tái)灣工程師引以為豪的職業(yè)道德的用武之地。

一位設(shè)備工程師說：“如果發(fā)生在節(jié)假日，或者不是正常辦公時(shí)間，所有員工都會(huì)在不到一小時(shí)的時(shí)間內(nèi)立即返回工廠。”他還回憶說，他曾經(jīng)不間斷地工作 48 小時(shí)，以確保生產(chǎn)效率。確保他負(fù)責(zé)的車站在另一次事件中恢復(fù)正常運(yùn)行。“復(fù)蘇的迅速也與中國臺(tái)灣芯片行業(yè)的工作文化密切相關(guān)……”

地震發(fā)生后，工廠、設(shè)備和材料工程師以及供應(yīng)商在國定假日期間加班加點(diǎn)，以盡快使生產(chǎn)恢復(fù)正常。“我們要做很多檢查和重新校準(zhǔn)。我可以向你保證，中國臺(tái)灣地區(qū)所有的工程師都在值班，就像黃蜂從巢里沖出來，幫助生產(chǎn)工具恢復(fù)上線?！币晃唤?jīng)理說。

03

總結(jié)經(jīng)驗(yàn)

水變得越來越有價(jià)值，也越來越稀缺。半導(dǎo)體制造需要大量的水，主要是為了生產(chǎn)工藝本身的超純水。工廠中的水還有許多其他用途：冷卻、洗滌、使用點(diǎn)減排和滅火等。一座工廠抽取的水量相當(dāng)于數(shù)萬戶家庭的用水量，現(xiàn)在許多晶圓廠位于水資源緊張的地區(qū)。

我們可以做什么？水的使用、再利用、處理和回收的通用衡量標(biāo)準(zhǔn)都是必要的。氣候變化將對(duì)許多半導(dǎo)體設(shè)備生產(chǎn)地區(qū)的水資源供應(yīng)產(chǎn)生負(fù)面影響。了解回收效率、能源使用和碳足跡之間的平衡也很重要。隨著產(chǎn)量的增加，需要采取涉及晶圓廠、地方和國家政府的創(chuàng)新方法來管理這種水風(fēng)險(xiǎn)。