芯片生产，磨难重重

2024-04-11 18:08

?4月3日据台气象部门统计，主震过后，截至3日晚10时37分，已有216起震中在中国台湾花莲县及花莲近海的地震。就此次地震对半导体产业链的影响，全球市场研究机构TrendForce集邦咨询调查各厂受损及运作状况指出，DRAM（动态随机存取存储器）产业多集中在台湾北部与中部，Foundry（晶圆代工）产业则北中南三地区，3日上午北部林口地区地震最大约4到5级间，其他地区地震约在4级左右，各厂已陆续进行停机检查。尽管检查尚未结束，但目前为止各厂都没有发现重大的机台损害。

中国台湾地区是世界最大的晶圆生产基地。2023年，全球晶圆代工产能中，中国台湾地区占约46%。当前，业界最为关心的是，全球的芯片供应是否会受阻，是否会重现2021年的芯片短缺情况？

牵一发而动全身，芯片今年的困难还不只地震、缺电、缺水……

无水不可持续

美国和欧洲正在宣布或正在建设的生产设施均位于已经面临严重缺水压力的地区。英特尔、台积电和三星都在美国西南部建设新工厂，该地区自 1994 年以来一直处于干旱状态。2021年，美国垦务局首次宣布科罗拉多河流域缺水。未来的气候变化情景表明，自 2021 年以来宣布的所有新半导体制造设施中，超过 40% 将处于可能经历高风险或极高风险缺水情景的分水岭。

在减少导致地球变暖的温室气体排放的背景下，半导体制造的耗能性质和巨大的碳足迹受到了相当多的关注。事实证明，我们既渴又饿。我们的工业消耗大量的水，每年多达 2640 亿加仑，随着气候变化，这种资源可能会变得更加稀缺。单个晶圆厂每天可以使用数千万加仑的水。从这个角度来看，美国的平均用水量约为每人每天310 升，1000 万加仑相当于一个小城市人口 122,000的日常家庭用水量。

简而言之，气候变化和水资源短缺正在给半导体制造带来短期和长期风险。

水安全将成为影响半导体公司信用状况的一个日益重要的因素。水资源处理不当可能会扰乱公司的运营，损害财务业绩，并可能影响客户关系。推而广之，鉴于半导体供应链普遍集成，任何潜在的生产中断都可能影响其终端市场。

气候变化正在考验芯片制造商。随着加工技术的进步，半导体公司的绝对用水量和单位用水量都在增加。与此同时，气候变化正在增加极端天气的发生率、干旱的频率和降水的波动性，限制了芯片制造商管理生产稳定性的能力。

标准普尔全球评级认为，水安全将成为影响半导体公司信用状况的一个日益重要的因素。虽然到目前为止，大多数公司都善于处理这个问题，但日益严重和频繁的缺水可能会压垮实体的应急计划。

在产能扩张和先进工艺技术需求的推动下，半导体行业的用水量有望每年以中高个位数百分比增长。

如图台积电在 2015 年升级到 16 纳米 (nm) 工艺节点后，单位功耗增长了 35% 以上，这主要是由于向先进节点的迁移，需要更多的制造工艺。用水量和芯片复杂程度之间存在直接联系，因为晶圆厂在每个工艺之间使用超纯水（经过处理至极高纯度的淡水）来冲洗晶圆。半导体越先进，工艺步骤越多，消耗的水就越多。

台积电的水安全问题是有意义的，但相对于同行来说是适度的。未来三年内水资源短缺不会影响代工厂的运营，然而三年后就不好说了，产能扩张和技术开发可能会让台积电抵御严重干旱的余地较小。有预测称到 2030 年，台积电对给水的需求可能会比 2022 年的水平翻一番。

以中国台湾为例

2020年10月至2021年6月，中国台湾发生了56年来最严重的干旱。这是由于2020年没有台风，2021年春季降水有限，水库水位下降到库容的5%以下。当局下令限水约两个月，影响了超过 100 万家庭和企业。政府在受影响最严重的地区每周关闭两天供水，其中包括中国台湾第二大城市台中。岛上四分之一的水稻种植面积没有灌溉。据当地报道，官员要求科技行业（尤其是半导体行业）将用水量减少 20%。水电站也受到干扰，导致 2021 年 5 月发生两次大停电。

随着向更先进的半导体工艺技术的不可避免的迁移，水的纯度要求也应该提高。这意味着台积电可能必须过滤掉更多未达到其日益严格的纯度标准的水。这可能会限制台积电进一步提高水回收率的能力。全球科技硬件供应链仅依赖于少数主要芯片制造商。其中一家企业的运营减少可能会影响众多下游企业的生产。疫情期间全球芯片供应短缺，充分说明了科技供应链错综复杂、易受事件风险影响。

应对风险

认识到可持续发展的必要性

半导体生产需要大量的水和能源，其中大部分被处理并作为废水排放。随着制造商寻求扩大生产规模并建设新设施来满足前所未有的需求水平，有必要提醒业界高效废水处理的重要性。

半导体制造涉及广泛而复杂的浆料和化学品，需要严格的废水分离、处理和回收系统。处理这些含有金属和其他危险废物的污泥是一项挑战，执行废水排放标准等环境法规可能会带来巨大的成本。

半导体生产中涉及的化合物包括用于清洁和蚀刻感光元件的氢氟酸以及用于冲洗的氨、氟化铵、过氧化氢以及盐酸、硫酸和磷酸。清洗半导体晶圆是该工艺中耗水量最大的部分，会产生富含氟的废水，需要用石灰中和。

全产业链的解决方案

如果中国台湾地区某地发生四级以上地震，芯片制造商要做的第一件事就是疏散洁净室和工厂的所有员工，等待主震停止。下一步包括通过中央控制系统远程监控工厂，以检测火灾、有毒气体或任何可能导致严重事故的化学品泄漏。如果情况安全，设备、设施和材料团队可以返回指定站点并开始对设备进行实际检查。

首先要确定设备内正在加工的晶圆是否完好。如果是这样，稍后可以对其进行返工。然而如果晶圆破裂，工程师需要仔细清洁设备室，然后重新启动机器。接下来，他们运行一批控制晶圆，以确保机器正常运行，然后再将机器重新上线。这些程序必须一丝不苟地进行，生产的全面恢复需要时间。

一位设备供应商经理说：“所有流程恢复正常可能需要几个小时到几天甚至几周的时间，具体取决于情况的严重程度。”业内人士表示，最重要的是，所有类型的光刻机通常比其他芯片制造设备需要更长的时间才能重启。“地震后重新校准光刻机的偏差始终是一项挑战。你需要设备供应商提供大量支持，使用特定的工具。它需要极高的精度，而且你不能急于恢复光刻机。”这就是中国台湾工程师引以为豪的职业道德的用武之地。

一位设备工程师说：“如果发生在节假日，或者不是正常办公时间，所有员工都会在不到一小时的时间内立即返回工厂。”他还回忆说，他曾经不间断地工作 48 小时，以确保生产效率。确保他负责的车站在另一次事件中恢复正常运行。“复苏的迅速也与中国台湾芯片行业的工作文化密切相关……”

地震发生后，工厂、设备和材料工程师以及供应商在国定假日期间加班加点，以尽快使生产恢复正常。“我们要做很多检查和重新校准。我可以向你保证，中国台湾地区所有的工程师都在值班，就像黄蜂从巢里冲出来，帮助生产工具恢复上线。”一位经理说。

总结经验

水变得越来越有价值，也越来越稀缺。半导体制造需要大量的水，主要是为了生产工艺本身的超纯水。工厂中的水还有许多其他用途：冷却、洗涤、使用点减排和灭火等。一座工厂抽取的水量相当于数万户家庭的用水量，现在许多晶圆厂位于水资源紧张的地区。

我们可以做什么？水的使用、再利用、处理和回收的通用衡量标准都是必要的。气候变化将对许多半导体设备生产地区的水资源供应产生负面影响。了解回收效率、能源使用和碳足迹之间的平衡也很重要。随着产量的增加，需要采取涉及晶圆厂、地方和国家政府的创新方法来管理这种水风险。

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