半導體晶圓廠如何使用水

大量的水是先進芯片架構、光刻和后端封裝的關鍵推動因素。它為接觸每個晶圓的超純水回路供電，從每個節點運行溫度更高的工具中散發出熱量，并將用過的化學品帶到處理中。

對晶圓廠“使用數百萬加侖水”的報道的自然反應令人擔憂，但工程現實更為微妙。“使用”并不意味著“消耗”。

從市政系統抽取的大部分水都經過處理，通過多個工作循環在內部再循環，然后返回工廠或城市工廠進行進一步處理。真正消耗的部分是主要作為冷卻和洗滌器系統蒸發離開現場的部分。正如國際設備和系統路線圖 （IRDS） 所說，“半導體設施平均每天使用數百萬加侖，而最大的單一損失途徑是冷卻塔。[1]

FTD Solutions 首席執行官 Slava Libman 表示：“在最大的綠地開發規模下，滿負荷生產負荷下的總用水需求可與一個擁有 100 萬人口的城市相媲美。“這并不意味著所有的水都流失了。其中大部分在內部進行處理和再利用，主要的真實損失是由設施的能源強度驅動的蒸發。

在炎熱、干旱的盆地，如北鳳凰城地區，蒸發負荷主導了現場的水平衡，因為熱氣流和氣流驅動塔的構成。在涼爽潮濕的氣候下，相同規模的工廠在相同的生產中可以表現出低得多的蒸發損失。晶圓廠可以通過更智能的隔離、再利用和熱回收來擠壓需求，但節點進展和工具熱預算卻朝著相反的方向推動。工程師的任務是量化平衡，投資于緩解措施，并對權衡保持透明。

“在亞利桑那州中部進行建設之前，指定的供水商必須證明他們已經擁有長期增長的水資源，”鳳凰城水資源管理顧問馬克斯·威爾遜說。“就臺積電和北鳳凰城周邊開發項目而言，鳳凰城是指定供應商，并已證明其增長可持續 100 年。”

對于市政合作伙伴來說，質量與數量同樣重要。工業回收廠和現場污染物過濾降低了下游風險，它們正在成為前沿項目的標準。

“我們對北鳳凰城半導體設施的期望是一個工業再生水廠，在排放的上游運行反滲透，”鳳凰城水務服務公司環境和安全副主任 Baria Kimball 說。“這一步驟在任何東西到達我們的下水道之前就消除了令人擔憂的成分，這有助于保護收集系統和城市的污水處理廠。”

晶圓廠水平衡的實踐

現代晶圓廠的供水系統是一組耦合的回路。原始或再生的進水被處理成超純水 （UPW），用于晶圓上步驟。用過的水流通過化學物質進行分離，經過拋光以在低臨界任務中重復使用，并最終在排放前輸送到冷卻和洗滌器系統。如果將提取、重用和消費分開，整個生態系統就更容易理解。

提款：站點的消耗取決于規模、節點和氣候。考慮英特爾的 Ocotillo 園區環境評估。在全面建設時，該工廠的三個先進晶圓廠每天消耗約 1400 萬加侖 （MGD），大約有 4 MGD 的飲用水和 10 MGD 的再生供應。單獨來看，Fab 52 的建模為 4 MGD，Fab 62 的建模為 5 MGD，Fab 42 的建模為 3 MGD。 [2]

這些是大型多晶圓廠園區的提款，而不是凈消費，嚴重依賴回收的市政供應，從而減少了三分之二以上的飲用負擔。炎熱氣候下類似的多晶圓廠園區將聚集在這個范圍內。較小的單模塊站點將相應縮小規模。這些是工程提款，而不是損失，它們涵蓋過程和非過程負載。

重復使用：在內部，晶圓廠將水推過多個占空比。高規格超純水只看到晶圓一次，但沖洗和輕負載的側流通常會被捕獲并路由到不太敏感的用途，例如冷卻塔、房屋洗滌器和公用水。重復使用的實際限制是成本、化學成分和在非常低的缺陷閾值下交叉污染的風險。

“在高級節點上，重用不是可選的，”imec 首席戰略官兼執行副總裁 Joe De Boeck 說。“不能浪費水，因此我們的晶圓廠需要成為展示可持續性如何成為制造鏈一部分的實驗室。”

消耗：真正的消耗是不會返回管道的水。有兩種途徑占主導地位——冷卻塔中的蒸發，以及排放到大氣中的加濕或氣體洗滌。IRDS 強調冷卻塔是主要損失，這與整個行業的現場測量結果一致。洗滌器排污和漂移是存在的，但在運行良好的系統中它們是次要的。[3]

熱量方面解釋了縮放行為。每一代新的節點都會增加圖案化步驟、腔室清潔和更長的高溫循環。更多的熱量必須從工具轉移到冷凍水中，然后通過蒸發塔排出。這就是為什么在環境濕度較高、干球溫度較低的沿海氣候下，鳳凰城的領先晶圓廠將比同一晶圓廠消耗更大的取水量份額。

城市公用事業公司正在為這一現實而建設。他們希望工業客戶在現場進行更多的預處理，并基于與冷卻相關的消耗隨著節點熱量增長的假設來制定自己的工廠和含水層戰略。

“在我們的公用事業公司中，我們密切跟蹤新出現的污染物，并要求高影響用戶在排放前盡可能多地清除污染物，”金博爾說。“如果工業回收廠發揮作用，它就會保護我們的下游資產，并在水最終循環回飲用水時保持河流和含水層處于更好的狀態。”

報告必須識別不確定性。實際重復使用率是專有的，并因場地、季節和坡道狀態而異。公共企業報告可以闡明趨勢線，但工具制造商的數據集不會一對一地映射到晶圓廠上。例如，Lam Research 報告稱，自 2019 年以來，其自己的制造和實驗室累計節省了 8060 萬加侖，并記錄了重要的內部回收項目。[4]

這些數字驗證了有針對性的審計和大規模重用的有效性，但它們并不能代表 5nm 代工廠的晶圓廠級質量平衡。工程師應該將它們視為晶圓廠內部類似方法將找到真正節省成本的證據，而不是直接的基準。

最后，必須從長遠角度規劃市政供應。鳳凰城的指定供應商框架說明了城市如何評估工業需求以及住宅增長和迭代總體規劃更新。這種治理是水故事的一部分。它可以在回收偏移和管道排序方面明確地加速晶圓廠項目，或者如果規劃信號較弱，它可以阻止它們。

“我們每五年重新審視一次我們的基礎設施總體規劃，”威爾遜說。“這種節奏讓我們能夠適應重大變化，包括半導體需求和圍繞它的光環發展，然后按正確的順序對新的管道和工廠進行排序。”

大規模純度設定了再利用的上限

第一個限制不是您可以帶多少水到現場。這是一旦它進入植物，你能保持它的清潔程度。“根據 SEMI F63，高級節點清潔和 CMP 依賴于> 18.2 MΩ·cm 的超純水和亞 ppb 有機物，并且 IRDS 確定了現代節點所需的亞 10nm 顆粒控制。”[5]

只有當整個系統表現得像水潔凈室時，才能達到該標準。儲罐、襯里、閥門、墊圈和分配管道無法將可萃取物重新添加到回路中，否則回收潛力會崩潰，更多的水流被迫排污。

“去除超純水系統中原水中的污染物并不復雜。更復雜的是如何在不產生污染的情況下完成所有這些工作，因為該系統并不是完全惰性的，“利布曼說。“您需要所有組件都是高純度的，并且您需要設計它們以最大限度地減少污染，包括不會浸出且不會產生雙產品污染的材料（例如，TOC 處理紫外線燈會產生 H2O2不利于生產）。

因此，材料決策就是產量決策。如果污水坑涂層或水箱襯里產生低分子量有機物或痕量離子，則膜會更快地結垢，拋光步驟會更加努力，并且現場必須比計劃更早地廢掉部分用過的水。這表現在更高的補充需求上，在炎熱的氣候下，冷卻塔的蒸發損失更高。保持回收可行性的方法是根據可萃取物和滲透性來指定基礎設施，而不僅僅是通過通用的耐化學性，并驗證就地清潔配方不會隨著時間的推移而降解這些材料。

“隨著可持續發展成為核心運營支柱，業主正在優先考慮支持水回收和化學品管理的基礎設施，”宣偉保護與海洋建筑解決方案主管蒂莫西·麥克唐納 （Timothy McDonough） 說。“低可萃取、低滲透的襯里可以在不浸出污染物的情況下實現更高的回收率，這對于在超純環境中保持水純度至關重要。”

邊緣也存在測量問題。隨著重復使用餾分的增加，痕量中性物質和非常小的碎片可能會以常規計量難以看到的方式積累。PFAS 和其他持久性物種就是顯而易見的例子，現在有幾個地點設計在這些風險首次出現時進行預處理或銷毀。這是謹慎的工程設計，但這取決于通常等于或超過萬億分之一的檢測限。實際的收獲是將純度視為全廠的約束。

隔離和適合用途的重用

隨著純度設定上限，下一個杠桿是如何分離和路由溪流，因為分離和適合用途的再利用決定了工廠在生產中與該上限的距離。

隔離是紙質回收計劃和在與生產接觸后幸存下來的回收計劃之間的區別。原理很簡單。將相對干凈的沖洗液遠離高 COD（化學需氧量）或含金屬的排水管，局部或集中拋光，然后將它們送到適合規格的地方。在許多生產線中，這意味著將一部分返回超純水補給，其余的則用于冷卻塔和濕式洗滌器等服務，這些服務可以承受更高的電導率和總有機碳 （TOC）。工具處的排水管隔離得越忠實，中央工廠需要做的工作就越少，總回收率就越高，沒有產量風險。

聯華電子公布了足夠多的硬數據，以顯示晶圓代工規模的有紀律的隔離和再利用是什么樣子。聯華電子報告稱，全公司工藝水回收率為 84.3%，“新晶圓廠區”將廢水分為多達 27 個類別，以避免混合并簡化下游處理。僅在 2023 年，該集團就記錄了 ~825,000 噸增量節水量和 ~547 萬噸多年項目的累計節水量。一旦純度得到保護，布線和適合用途的拋光就可以完成繁重的工作。[6]

回收的源也是 UMC 運營的優先事項，而不是應急措施。Fab 12i（新加坡）在 2024 年使用了約 400 萬噸再生水，占該晶圓廠總取水量的 97.6%。Fab 12A（中國臺灣）在 2022 年底增加再生供應后增加了 ~58 萬噸，使總再生使用量達到 458 萬噸，同比增長 16.9%。聯華電子的遠期目標正式確定了這種組合，計劃在 2025 年將再生水和淡化水達到 18%，到 2030 年在全公司達到 32%。[7]

這些回收系統的架構也很重要。使用點回收可以快速返回輕負載的沖洗液，停留時間短，從而減少生物生長并限制再次污染。它要求子晶圓廠空間、本地控制和強大的故障隔離。中央回收簡化了維護和作，但如果分離薄弱，則會增加運輸和混合風險。許多工廠現在都采用混合方案，在邊緣拋光，在中心精加工，自動閥門和分析儀在質量超出范圍時切換路線。控制目標不是不惜一切代價英勇地恢復。這是可預測的恢復，永遠不會損害晶圓環路。

在 OSAT 規模上，ASE 展示了當它們被視為生產約束而不是副項目時，有紀律的隔離和適合目的的重用是什么樣子。該公司報告稱，2023 年總提取量為 2147 萬噸，消耗量為 608 萬噸，現場級回收計劃使廢水同比減少 12%。高雄和中壢的回收率約為 70%，馬來西亞為 50%，新加坡為 37%，ISO 46001 用水效率管理現已嵌入多個站點。[8]

這些數字不是晶圓廠的基準，但它們證明了排水管的偏析、與目標規格相匹配的拋光以及積極的重新利用可以在復雜的組裝和測試作中進行擴展，而不會破壞產量的穩定性。

這些費率背后的基礎設施才是真正的教訓。高雄的專用回收廠分階段建成，每天處理多達 30,000 噸，回收率約為 75%，每天恢復使用約 22,500 噸。中壢日產約7000噸，回收率約70%。(8)

ASE 的運營商將相對干凈的漂洗液輸送到當地拋光劑，將再生水推送到耐受更高電導率和 TOC 的公用事業公司，并保護超純水回路免受反污染。

偏析還設置了熱側。不再符合前端規格的水流仍然具有作為冷卻塔補品的價值，特別是當預處理允許更高的濃縮循環時。這減少了排污量，并減少了最終成為消耗的取水量。權衡是特定于站點的。將周期推得太高會增加規模化風險和抑制劑需求。分離不足迫使清潔溪流進入骯臟的排水溝，并浪費了超純水工廠的工作。中間路徑是通過自動路由對漏極進行檢測，并將重用網絡視為具有 SPC 限制、警報和維護窗口的生產工具。

“在大多數情況下，我們仍然是一個單次行業。淡水變成超純水，在晶圓廠使用后變成廢水，“Ovivo 可持續發展全球經理 Rushikesh Matkar 說。“我們看到一代又一代的重復使用量在增加，但工藝用戶和非工藝用戶實際上正在相互競爭相同的淡水，因此分類和路由決定了您真正可以回收多少。”

數字孿生和監督控制

路由和重用可以讓您實現一半。更困難的步驟是將整個水和能源循環作為一個耦合系統運行。這就是工廠級數字孿生和監督控制很重要的地方。一個有用的孿生從超純水橇、回收裝置、冷卻回路和洗滌器中攝取實時數據，并將這些信號與工程師實際使用的 KPI 聯系起來——塔的集中循環、超純水回收率、隔離排水管中的 COD 和 TOC 偏移，以及與工具設定點的漂移。有了這個模型，您就可以完成普通 PLC 邏輯無法做到的事情。您可以在更改配方之前測試“假設”場景，僅在每兆瓦廢棄物節水時才安排絕熱輔助，并在不跨越純度跳閘線的情況下推動回收。回報是每單位熱量的加侖數更少，當工具組合或天氣變化時，意外情況也更少。

第二個好處是失敗的預見性。Twins 允許您將硬傳感器與“軟傳感器”相結合，從壓力、溫度和電導率的細微變化中推斷出結垢或浸出。當您運行高比例回收時，這很重要，因為風險不是單一的災難性事件。這是有機物或可萃取物的緩慢漂移，您的常規計量在達到產量之前無法捕捉到。基于模型的警報和行動手冊縮短了該循環。

“聯電已經實施了數字孿生和實時監控系統，以優化我們設施中的水和化學品流動，”聯電發言人說。“例如，聯電在廢水處理中利用智能控制來減少化學品消耗，并將智能管理應用于冷水機組系統以提高能源效率。”

在工具方面，虛擬化將同樣的想法推向上游到研發中。Lam 描述了流程和資產的“虛擬孿生”，以減少物理實驗。他們的結果表明，除了能源和材料之外，用經過驗證的模擬代替部分工作臺工作還可以節約水和化學品等資源。與此同時，泛林集團報告部署了ECO傳感器和儀表板，以實時監控工藝冷卻水和其他公用設施，這是使孿生在工廠車間發揮作用的遙測饋送。

實施細節仍然很重要。雙胞胎的好壞取決于數據和它們背后的執行器。如果漏極偏析泄漏，或者如果塔的化學成分和風扇設定點無法從監控層尋址，則該模型將成為一個沒有權威的漂亮可視化。同樣，如果分析無法看到含 PFAS 的流或建筑材料中的小中性物質的萬億分之一趨勢，那么孿生將無法阻止超純水拋光和窄邊距清潔的緩慢積累。實際測試很簡單。該模型能否預測和防止下一次偏移，您能否看到不同季節每單位熱量在水表上節省的水？

“我們的數字孿生版本是現有（或未來）設施、互連供水系統及其性能的模型表示，”Libman 說。“你不需要人工智能來構建模型，但一旦你開始向模型輸入連續信息，包括自動報告、建議和風險管理，有些問題就需要人工智能。”

冷卻和蒸發是消耗性的水槽

即使在具有嚴格隔離和內部回收的晶圓廠中，實際消耗的最大份額也是物理而不是化學——散熱中的蒸發。工具功率密度、占空比和當地天氣決定塔的補電率。排污取決于濃縮和預處理的循環。現代消除器中的漂移很小，但從來都不為零，這就是為什么幾何形狀、消除器條件和風扇設定點在校園規模上仍然很重要。工程問題是在不犧牲可靠性的情況下將可變熱負荷轉換為最小的實際蒸發需求。

杠桿很熟悉，但是耦合的。提高循環可以減少排污，從而減少抽水量，但會收緊結垢和腐蝕的化學窗口。提高塔式化妝的預處理質量有助于循環，但會增加資本和運營成本。混合冷卻器和干式冷卻器會減少蒸發，盡管空間、噪音和接近溫度限制使它們在許多氣候下無法取代塔。熱回收降低了到達塔的負載，但它需要穩定的廢熱等級。好處是租戶可以使用它，這在高級節點中并不總是給定的。

這些選擇都不是一次性的。塔的化學反應、風扇算法和設定點會隨著季節和工具組合而漂移。不對這些回路進行儀器儀表和調整的工廠，即使流程圖在紙面上是正確的，消耗也會逐漸增加。

“整個行業都指望冷卻塔利用水的潛熱來排熱，”Ovivo 的 Matkar 說。“效率越來越高，但與此同時，晶圓廠也越來越大、越來越熱、越來越快。一代又一代，我們看到重復使用量在增加，但工藝用戶和非工藝用戶實際上正在相互競爭相同的淡水。

對于工程師來說，實用的路徑是將水模型與能源模型聯系起來。瞄準最強烈驅動塔蒸發的熱源，然后使用儀器驗證增益。減少一些高負載工具閑置熱量的配方更改可能比英雄的塔化學反應更有價值。使用點回收可將少量使用的沖洗液輸送到塔式化妝品，提高循環次數，同時避免將干凈的水輸送到骯臟的排水管中。在氣候允許的情況下，在干球高峰時間左右安排絕熱模式可以在不損害方法的情況下減少化妝。

在控制方面，Cohu 給出了一個清晰的例子，說明如何通過更好的系統設計和分析來減少非工藝用水。2024 年，全公司取水量降至 4870 萬升，比 2023 年下降 16%，部分原因是菲律賓拉古納新工廠的雨水收集和回收系統，該系統節省了該工廠年取水量的約 9%。同一份報告記錄了 2023 年的 5790 萬升，并指出了其他項目，包括加利福尼亞州波威的去離子水回收。[9]

雖然這些不是晶圓廠的數量，但它們說明了晶圓廠內部重要的相同杠桿——分離的清潔流、收獲非工藝源和節省儀器。

“存在單個水和廢水處理裝置的技術，但保持整個場地的循環性優化，以及與氣候相關的蒸發和特定位置的限制，是核心挑戰，”Libman 說。“困難的部分是以最低的成本和生產或合規風險來完成所有這些。”

PFAS、TMAH 和 ZLD：風險管理與節水

有爭議的化學成分不是抽象的。PFAS（全氟烷基物質和多氟烷基物質）可以從光刻膠化學物質和聚合物基礎設施中進入，而 TMAH（四甲基氫氧化銨）則因仍然相關的遺留原因而成為急性毒性的焦點。捕獲只是工作的一半。如果沒有可靠的銷毀或經過驗證的封存，捕獲的 PFAS 就會成為遞延責任。

工程師了解工具包。在捕獲方面，這意味著在適當的情況下進行反滲透 （OR） 和納濾 （NF），并在適當的情況下使用離子交換 （IX） 和顆粒活性炭 （GAC）。在破壞方面，熱和電化學路線正在取得進展，但實際能源預算下礦化的證據仍然參差不齊。工程判斷的呼喚是在工具或子晶圓廠測量和處理的內容、轉移到中央處理的內容以及根本不離開設施的內容之間設定界限。

“我們一直專注于用于飲用水的 PFAS MCL，我們目前正在努力引入廢水方法，以便我們可以開始收集數據和信息，”鳳凰城水務局環境和安全副主任 Baria Kimball 說。“我們現在的策略是獲取數據，了解我們的水平，然后做我們需要做的事情來遵守限制。”

測量是第一種限制試劑。在萬億分之一的水平上，計量預算可能會超過處理預算。這就是為什么一些運營商將零液體排放 （ZLD） 設計為合規工具而不是節水工具。ZLD 消除了放電不確定性，但不會消除物理場。它濃縮了必須處理的鹽水，增加了出現在天平其他地方的熱負荷，并且它需要與任何前端公用事業相同的可靠性。

“EPA 對飲用水中 PFAS 的指導意見是萬億分之 4，這是非常非常非常低的。在這種痕量水平下，廢水監測變得困難，“FTD 的 Libman 說。“高效的 PFAS 處理解決方案仍在開發中。如果您不能保證可以有效地監控和控制，那么通常構建為零液體排放會更容易。雖然 ZLD 最大限度地提高了水的回用機會，但它也有其自身的副作用，增加了碳足跡和風險，因為它需要將部分處理后的廢水重新用于超純水系統。

PFAS 控制正在改進，但在重復使用率很高且計量必須設置護欄的前沿節點，實踐仍然落后于目標。ZLD 在有限情況下可以成為正確的風險對沖工具，但一旦將能源、鹽水結晶和維護納入成本函數，它就不是一個通用的答案。晶圓廠和城市的首要任務是盡早分離含有 PFAS 的溪流，避免混合導致處理量成倍增加，并制定經得起第三方審查的監測計劃。

還有什么需要改進的

每個高級節點程序都有三條故障線。第一個是以萬億分之一的持久性化學物質進行測量。其次是高餾分再循環是否能夠保持足夠的清潔度以保護產量而不會產生隱藏的副作用。第三是減少蒸發損失，而不會用難以控制的能源和維護負擔來換取。每個在原則上都是可以解決的，并且每個仍然需要生產級證據，而不僅僅是試點結果。

在測量方面，科學領先于許多植物。捕獲列車可以去除多種 PFAS 物種和 TMAH 等有毒堿，但可信度取決于儀表上可以顯示的內容。在萬億分之一時，采樣偽影和分析噪聲可以與信號相媲美。這就是為什么一些工廠將零液體排放評估為合規對沖，而不是節水計劃。它解決了排放問題，但只能將負擔轉移到鹽水管理和能源上。

再循環帶來了另一種不確定性。每個循環都會增加停留時間，并增加低分子量中性物或短鏈氟化片段在常規計量困難的地方積累的機會。工程解決方案是在工具上更強地隔離，對風險流進行更早的預處理，以及可以在問題到達晶圓之前發現問題的持續分析。在這些控制成為常規控制之前，近乎封閉的超純水環的聲明應被視為特定地點而不是普遍的。

結論

故事并不是晶圓廠使用或不使用大量水。他們確實如此。重要的是水去了哪里，回收了多少，真正消耗了多少。消耗對熱量的跟蹤多于對晶圓數量的跟蹤，這就是為什么蒸發處于平衡的核心。工程師有真正的杠桿。隔離和路由在不影響產量的情況下提高了回收率。材料選擇可以保護純度，因此水可以擁有第二次或第三次生命。樂器是閉環的，因此變化會隨著季節和工具組合而保持。當圍欄的預處理使特殊化學品遠離下水道時，市政合作伙伴可以將回收水源轉化為可靠的供應。

懷疑仍然存在。萬億分之一的監測必須與索賠的可信度相匹配。高餾分再循環需要生產級證據，證明它不會以超出常規計量的方式積累痕量中性物質或聚合物衍生的可萃取物。ZLD 是一種合規工具，而不是一種美德，它帶來了需要長期計劃的能源和鹽水義務。

工程師會識別出這種模式。下一個收獲將來自編排，而不是單一的突破。排水管隔離和適合用途的重復使用使最清潔的升水保持循環。熱感知作減少了必須以蒸汽形式離開的加侖數。圍欄線預處理和透明的報告與城市和公眾建立了信任。

當這些部件一起運行并且節省的費用顯示在儀表上時，大規模的水就成為先進節點制造中可解決的一部分，而不是一個引人注目的部分。