大量的水是先进芯片架构、光刻和后端封装的关键推动因素。它为接触每个晶圆的超纯水回路供电，从每个节点运行温度更高的工具中散发出热量，并将用过的化学品带到处理中。
对晶圆厂“使用数百万加仑水”的报道的自然反应令人担忧，但工程现实更为微妙。“使用”并不意味着“消耗”。
从市政系统抽取的大部分水都经过处理，通过多个工作循环在内部再循环，然后返回工厂或城市工厂进行进一步处理。真正消耗的部分是主要作为冷却和洗涤器系统蒸发离开现场的部分。正如国际设备和系统路线图 （IRDS） 所说，“半导体设施平均每天使用数百万加仑，而最大的单一损失途径是冷却塔。[1]
FTD Solutions 首席执行官 Slava Libman 表示：“在最大的绿地开发规模下，满负荷生产负荷下的总用水需求可与一个拥有 100 万人口的城市相媲美。“这并不意味着所有的水都流失了。其中大部分在内部进行处理和再利用，主要的真实损失是由设施的能源强度驱动的蒸发。
在炎热、干旱的盆地，如北凤凰城地区，蒸发负荷主导了现场的水平衡，因为热气流和气流驱动塔的构成。在凉爽潮湿的气候下，相同规模的工厂在相同的生产中可以表现出低得多的蒸发损失。晶圆厂可以通过更智能的隔离、再利用和热回收来挤压需求，但节点进展和工具热预算却朝着相反的方向推动。工程师的任务是量化平衡，投资于缓解措施，并对权衡保持透明。
“在亚利桑那州中部进行建设之前，指定的供水商必须证明他们已经拥有长期增长的水资源，”凤凰城水资源管理顾问马克斯·威尔逊说。“就台积电和北凤凰城周边开发项目而言，凤凰城是指定供应商，并已证明其增长可持续 100 年。”
对于市政合作伙伴来说，质量与数量同样重要。工业回收厂和现场污染物过滤降低了下游风险，它们正在成为前沿项目的标准。
“我们对北凤凰城半导体设施的期望是一个工业再生水厂，在排放的上游运行反渗透，”凤凰城水务服务公司环境和安全副主任 Baria Kimball 说。“这一步骤在任何东西到达我们的下水道之前就消除了令人担忧的成分，这有助于保护收集系统和城市的污水处理厂。”
晶圆厂水平衡的实践
现代晶圆厂的供水系统是一组耦合的回路。原始或再生的进水被处理成超纯水 （UPW），用于晶圆上步骤。用过的水流通过化学物质进行分离，经过抛光以在低临界任务中重复使用，并最终在排放前输送到冷却和洗涤器系统。如果将提取、重用和消费分开，整个生态系统就更容易理解。
提款：站点的消耗取决于规模、节点和气候。考虑英特尔的 Ocotillo 园区环境评估。在全面建设时，该工厂的三个先进晶圆厂每天消耗约 1400 万加仑 （MGD），大约有 4 MGD 的饮用水和 10 MGD 的再生供应。单独来看，Fab 52 的建模为 4 MGD，Fab 62 的建模为 5 MGD，Fab 42 的建模为 3 MGD。 [2]
这些是大型多晶圆厂园区的提款，而不是净消费，严重依赖回收的市政供应，从而减少了三分之二以上的饮用负担。炎热气候下类似的多晶圆厂园区将聚集在这个范围内。较小的单模块站点将相应缩小规模。这些是工程提款，而不是损失，它们涵盖过程和非过程负载。
重复使用：在内部，晶圆厂将水推过多个占空比。高规格超纯水只看到晶圆一次，但冲洗和轻负载的侧流通常会被捕获并路由到不太敏感的用途，例如冷却塔、房屋洗涤器和公用水。重复使用的实际限制是成本、化学成分和在非常低的缺陷阈值下交叉污染的风险。
“在高级节点上，重用不是可选的，”imec 首席战略官兼执行副总裁 Joe De Boeck 说。“不能浪费水，因此我们的晶圆厂需要成为展示可持续性如何成为制造链一部分的实验室。”
消耗：真正的消耗是不会返回管道的水。有两种途径占主导地位——冷却塔中的蒸发，以及排放到大气中的加湿或气体洗涤。IRDS 强调冷却塔是主要损失，这与整个行业的现场测量结果一致。洗涤器排污和漂移是存在的，但在运行良好的系统中它们是次要的。[3]
热量方面解释了缩放行为。每一代新的节点都会增加图案化步骤、腔室清洁和更长的高温循环。更多的热量必须从工具转移到冷冻水中，然后通过蒸发塔排出。这就是为什么在环境湿度较高、干球温度较低的沿海气候下，凤凰城的领先晶圆厂将比同一晶圆厂消耗更大的取水量份额。
城市公用事业公司正在为这一现实而建设。他们希望工业客户在现场进行更多的预处理，并基于与冷却相关的消耗随着节点热量增长的假设来制定自己的工厂和含水层战略。
“在我们的公用事业公司中，我们密切跟踪新出现的污染物，并要求高影响用户在排放前尽可能多地清除污染物，”金博尔说。“如果工业回收厂发挥作用，它就会保护我们的下游资产，并在水最终循环回饮用水时保持河流和含水层处于更好的状态。”
报告必须识别不确定性。实际重复使用率是专有的，并因场地、季节和坡道状态而异。公共企业报告可以阐明趋势线，但工具制造商的数据集不会一对一地映射到晶圆厂上。例如，Lam Research 报告称，自 2019 年以来，其自己的制造和实验室累计节省了 8060 万加仑，并记录了重要的内部回收项目。[4]
这些数字验证了有针对性的审计和大规模重用的有效性，但它们并不能代表 5nm 代工厂的晶圆厂级质量平衡。工程师应该将它们视为晶圆厂内部类似方法将找到真正节省成本的证据，而不是直接的基准。
最后，必须从长远角度规划市政供应。凤凰城的指定供应商框架说明了城市如何评估工业需求以及住宅增长和迭代总体规划更新。这种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确地加速晶圆厂项目，或者如果规划信号较弱，它可以阻止它们。
“我们每五年重新审视一次我们的基础设施总体规划，”威尔逊说。“这种节奏让我们能够适应重大变化，包括半导体需求和围绕它的光环发展，然后按正确的顺序对新的管道和工厂进行排序。”
大规模纯度设定了再利用的上限
第一个限制不是您可以带多少水到现场。这是一旦它进入植物，你能保持它的清洁程度。“根据 SEMI F63，高级节点清洁和 CMP 依赖于> 18.2 MΩ·cm 的超纯水和亚 ppb 有机物，并且 IRDS 确定了现代节点所需的亚 10nm 颗粒控制。”[5]
只有当整个系统表现得像水洁净室时，才能达到该标准。储罐、衬里、阀门、垫圈和分配管道无法将可萃取物重新添加到回路中，否则回收潜力会崩溃，更多的水流被迫排污。
“去除超纯水系统中原水中的污染物并不复杂。更复杂的是如何在不产生污染的情况下完成所有这些工作，因为该系统并不是完全惰性的，“利布曼说。“您需要所有组件都是高纯度的，并且您需要设计它们以最大限度地减少污染，包括不会浸出且不会产生双产品污染的材料（例如，TOC 处理紫外线灯会产生 H2O2不利于生产）。
因此，材料决策就是产量决策。如果污水坑涂层或水箱衬里产生低分子量有机物或痕量离子，则膜会更快地结垢，抛光步骤会更加努力，并且现场必须比计划更早地废掉部分用过的水。这表现在更高的补充需求上，在炎热的气候下，冷却塔的蒸发损失更高。保持回收可行性的方法是根据可萃取物和渗透性来指定基础设施，而不仅仅是通过通用的耐化学性，并验证就地清洁配方不会随着时间的推移而降解这些材料。
“随着可持续发展成为核心运营支柱，业主正在优先考虑支持水回收和化学品管理的基础设施，”宣伟保护与海洋建筑解决方案主管蒂莫西·麦克唐纳 （Timothy McDonough） 说。“低可萃取、低渗透的衬里可以在不浸出污染物的情况下实现更高的回收率，这对于在超纯环境中保持水纯度至关重要。”
边缘也存在测量问题。随着重复使用馏分的增加，痕量中性物质和非常小的碎片可能会以常规计量难以看到的方式积累。PFAS 和其他持久性物种就是显而易见的例子，现在有几个地点设计在这些风险首次出现时进行预处理或销毁。这是谨慎的工程设计，但这取决于通常等于或超过万亿分之一的检测限。实际的收获是将纯度视为全厂的约束。
隔离和适合用途的重用
随着纯度设定上限，下一个杠杆是如何分离和路由溪流，因为分离和适合用途的再利用决定了工厂在生产中与该上限的距离。
隔离是纸质回收计划和在与生产接触后幸存下来的回收计划之间的区别。原理很简单。将相对干净的冲洗液远离高 COD（化学需氧量）或含金属的排水管，局部或集中抛光，然后将它们送到适合规格的地方。在许多生产线中，这意味着将一部分返回超纯水补给，其余的则用于冷却塔和湿式洗涤器等服务，这些服务可以承受更高的电导率和总有机碳 （TOC）。工具处的排水管隔离得越忠实，中央工厂需要做的工作就越少，总回收率就越高，没有产量风险。
联华电子公布了足够多的硬数据，以显示晶圆代工规模的有纪律的隔离和再利用是什么样子。联华电子报告称，全公司工艺水回收率为 84.3%，“新晶圆厂区”将废水分为多达 27 个类别，以避免混合并简化下游处理。仅在 2023 年，该集团就记录了 ~825,000 吨增量节水量和 ~547 万吨多年项目的累计节水量。一旦纯度得到保护，布线和适合用途的抛光就可以完成繁重的工作。[6]
回收的源也是 UMC 运营的优先事项，而不是应急措施。Fab 12i（新加坡）在 2024 年使用了约 400 万吨再生水，占该晶圆厂总取水量的 97.6%。Fab 12A（中国台湾）在 2022 年底增加再生供应后增加了 ~58 万吨，使总再生使用量达到 458 万吨，同比增长 16.9%。联华电子的远期目标正式确定了这种组合，计划在 2025 年将再生水和淡化水达到 18%，到 2030 年在全公司达到 32%。[7]
这些回收系统的架构也很重要。使用点回收可以快速返回轻负载的冲洗液，停留时间短，从而减少生物生长并限制再次污染。它要求子晶圆厂空间、本地控制和强大的故障隔离。中央回收简化了维护和作，但如果分离薄弱，则会增加运输和混合风险。许多工厂现在都采用混合方案，在边缘抛光，在中心精加工，自动阀门和分析仪在质量超出范围时切换路线。控制目标不是不惜一切代价英勇地恢复。这是可预测的恢复，永远不会损害晶圆环路。
在 OSAT 规模上，ASE 展示了当它们被视为生产约束而不是副项目时，有纪律的隔离和适合目的的重用是什么样子。该公司报告称，2023 年总提取量为 2147 万吨，消耗量为 608 万吨，现场级回收计划使废水同比减少 12%。高雄和中壢的回收率约为 70%，马来西亚为 50%，新加坡为 37%，ISO 46001 用水效率管理现已嵌入多个站点。[8]
这些数字不是晶圆厂的基准，但它们证明了排水管的偏析、与目标规格相匹配的抛光以及积极的重新利用可以在复杂的组装和测试作中进行扩展，而不会破坏产量的稳定性。
这些费率背后的基础设施才是真正的教训。高雄的专用回收厂分阶段建成，每天处理多达 30,000 吨，回收率约为 75%，每天恢复使用约 22,500 吨。中壢日产约7000吨，回收率约70%。(8)
ASE 的运营商将相对干净的漂洗液输送到当地抛光剂，将再生水推送到耐受更高电导率和 TOC 的公用事业公司，并保护超纯水回路免受反污染。
偏析还设置了热侧。不再符合前端规格的水流仍然具有作为冷却塔补品的价值，特别是当预处理允许更高的浓缩循环时。这减少了排污量，并减少了最终成为消耗的取水量。权衡是特定于站点的。将周期推得太高会增加规模化风险和抑制剂需求。分离不足迫使清洁溪流进入肮脏的排水沟，并浪费了超纯水工厂的工作。中间路径是通过自动路由对漏极进行检测，并将重用网络视为具有 SPC 限制、警报和维护窗口的生产工具。
“在大多数情况下，我们仍然是一个单次行业。淡水变成超纯水，在晶圆厂使用后变成废水，“Ovivo 可持续发展全球经理 Rushikesh Matkar 说。“我们看到一代又一代的重复使用量在增加，但工艺用户和非工艺用户实际上正在相互竞争相同的淡水，因此分类和路由决定了您真正可以回收多少。”
数字孪生和监督控制
路由和重用可以让您实现一半。更困难的步骤是将整个水和能源循环作为一个耦合系统运行。这就是工厂级数字孪生和监督控制很重要的地方。一个有用的孪生从超纯水橇、回收装置、冷却回路和洗涤器中摄取实时数据，并将这些信号与工程师实际使用的 KPI 联系起来——塔的集中循环、超纯水回收率、隔离排水管中的 COD 和 TOC 偏移，以及与工具设定点的漂移。有了这个模型，您就可以完成普通 PLC 逻辑无法做到的事情。您可以在更改配方之前测试“假设”场景，仅在每兆瓦废弃物节水时才安排绝热辅助，并在不跨越纯度跳闸线的情况下推动回收。回报是每单位热量的加仑数更少，当工具组合或天气变化时，意外情况也更少。
第二个好处是失败的预见性。Twins 允许您将硬传感器与“软传感器”相结合，从压力、温度和电导率的细微变化中推断出结垢或浸出。当您运行高比例回收时，这很重要，因为风险不是单一的灾难性事件。这是有机物或可萃取物的缓慢漂移，您的常规计量在达到产量之前无法捕捉到。基于模型的警报和行动手册缩短了该循环。
“联电已经实施了数字孪生和实时监控系统，以优化我们设施中的水和化学品流动，”联电发言人说。“例如，联电在废水处理中利用智能控制来减少化学品消耗，并将智能管理应用于冷水机组系统以提高能源效率。”
在工具方面，虚拟化将同样的想法推向上游到研发中。Lam 描述了流程和资产的“虚拟孪生”，以减少物理实验。他们的结果表明，除了能源和材料之外，用经过验证的模拟代替部分工作台工作还可以节约水和化学品等资源。与此同时，泛林集团报告部署了ECO传感器和仪表板，以实时监控工艺冷却水和其他公用设施，这是使孪生在工厂车间发挥作用的遥测馈送。
实施细节仍然很重要。双胞胎的好坏取决于数据和它们背后的执行器。如果漏极偏析泄漏，或者如果塔的化学成分和风扇设定点无法从监控层寻址，则该模型将成为一个没有权威的漂亮可视化。同样，如果分析无法看到含 PFAS 的流或建筑材料中的小中性物质的万亿分之一趋势，那么孪生将无法阻止超纯水抛光和窄边距清洁的缓慢积累。实际测试很简单。该模型能否预测和防止下一次偏移，您能否看到不同季节每单位热量在水表上节省的水？
“我们的数字孪生版本是现有（或未来）设施、互连供水系统及其性能的模型表示，”Libman 说。“你不需要人工智能来构建模型，但一旦你开始向模型输入连续信息，包括自动报告、建议和风险管理，有些问题就需要人工智能。”
冷却和蒸发是消耗性的水槽
即使在具有严格隔离和内部回收的晶圆厂中，实际消耗的最大份额也是物理而不是化学——散热中的蒸发。工具功率密度、占空比和当地天气决定塔的补电率。排污取决于浓缩和预处理的循环。现代消除器中的漂移很小，但从来都不为零，这就是为什么几何形状、消除器条件和风扇设定点在校园规模上仍然很重要。工程问题是在不牺牲可靠性的情况下将可变热负荷转换为最小的实际蒸发需求。
杠杆很熟悉，但是耦合的。提高循环可以减少排污，从而减少抽水量，但会收紧结垢和腐蚀的化学窗口。提高塔式化妆的预处理质量有助于循环，但会增加资本和运营成本。混合冷却器和干式冷却器会减少蒸发，尽管空间、噪音和接近温度限制使它们在许多气候下无法取代塔。热回收降低了到达塔的负载，但它需要稳定的废热等级。好处是租户可以使用它，这在高级节点中并不总是给定的。
这些选择都不是一次性的。塔的化学反应、风扇算法和设定点会随着季节和工具组合而漂移。不对这些回路进行仪器仪表和调整的工厂，即使流程图在纸面上是正确的，消耗也会逐渐增加。
“整个行业都指望冷却塔利用水的潜热来排热，”Ovivo 的 Matkar 说。“效率越来越高，但与此同时，晶圆厂也越来越大、越来越热、越来越快。一代又一代，我们看到重复使用量在增加，但工艺用户和非工艺用户实际上正在相互竞争相同的淡水。
对于工程师来说，实用的路径是将水模型与能源模型联系起来。瞄准最强烈驱动塔蒸发的热源，然后使用仪器验证增益。减少一些高负载工具闲置热量的配方更改可能比英雄的塔化学反应更有价值。使用点回收可将少量使用的冲洗液输送到塔式化妆品，提高循环次数，同时避免将干净的水输送到肮脏的排水管中。在气候允许的情况下，在干球高峰时间左右安排绝热模式可以在不损害方法的情况下减少化妆。
在控制方面，Cohu 给出了一个清晰的例子，说明如何通过更好的系统设计和分析来减少非工艺用水。2024 年，全公司取水量降至 4870 万升，比 2023 年下降 16%，部分原因是菲律宾拉古纳新工厂的雨水收集和回收系统，该系统节省了该工厂年取水量的约 9%。同一份报告记录了 2023 年的 5790 万升，并指出了其他项目，包括加利福尼亚州波威的去离子水回收。[9]
虽然这些不是晶圆厂的数量，但它们说明了晶圆厂内部重要的相同杠杆——分离的清洁流、收获非工艺源和节省仪器。
“存在单个水和废水处理装置的技术，但保持整个场地的循环性优化，以及与气候相关的蒸发和特定位置的限制，是核心挑战，”Libman 说。“困难的部分是以最低的成本和生产或合规风险来完成所有这些。”
PFAS、TMAH 和 ZLD：风险管理与节水
有争议的化学成分不是抽象的。PFAS（全氟烷基物质和多氟烷基物质）可以从光刻胶化学物质和聚合物基础设施中进入，而 TMAH（四甲基氢氧化铵）则因仍然相关的遗留原因而成为急性毒性的焦点。捕获只是工作的一半。如果没有可靠的销毁或经过验证的封存，捕获的 PFAS 就会成为递延责任。
工程师了解工具包。在捕获方面，这意味着在适当的情况下进行反渗透 （OR） 和纳滤 （NF），并在适当的情况下使用离子交换 （IX） 和颗粒活性炭 （GAC）。在破坏方面，热和电化学路线正在取得进展，但实际能源预算下矿化的证据仍然参差不齐。工程判断的呼唤是在工具或子晶圆厂测量和处理的内容、转移到中央处理的内容以及根本不离开设施的内容之间设定界限。
“我们一直专注于用于饮用水的 PFAS MCL，我们目前正在努力引入废水方法，以便我们可以开始收集数据和信息，”凤凰城水务局环境和安全副主任 Baria Kimball 说。“我们现在的策略是获取数据，了解我们的水平，然后做我们需要做的事情来遵守限制。”
测量是第一种限制试剂。在万亿分之一的水平上，计量预算可能会超过处理预算。这就是为什么一些运营商将零液体排放 （ZLD） 设计为合规工具而不是节水工具。ZLD 消除了放电不确定性，但不会消除物理场。它浓缩了必须处理的盐水，增加了出现在天平其他地方的热负荷，并且它需要与任何前端公用事业相同的可靠性。
“EPA 对饮用水中 PFAS 的指导意见是万亿分之 4，这是非常非常非常低的。在这种痕量水平下，废水监测变得困难，“FTD 的 Libman 说。“高效的 PFAS 处理解决方案仍在开发中。如果您不能保证可以有效地监控和控制，那么通常构建为零液体排放会更容易。虽然 ZLD 最大限度地提高了水的回用机会，但它也有其自身的副作用，增加了碳足迹和风险，因为它需要将部分处理后的废水重新用于超纯水系统。
PFAS 控制正在改进，但在重复使用率很高且计量必须设置护栏的前沿节点，实践仍然落后于目标。ZLD 在有限情况下可以成为正确的风险对冲工具，但一旦将能源、盐水结晶和维护纳入成本函数，它就不是一个通用的答案。晶圆厂和城市的首要任务是尽早分离含有 PFAS 的溪流，避免混合导致处理量成倍增加，并制定经得起第三方审查的监测计划。
还有什么需要改进的
每个高级节点程序都有三条故障线。第一个是以万亿分之一的持久性化学物质进行测量。其次是高馏分再循环是否能够保持足够的清洁度以保护产量而不会产生隐藏的副作用。第三是减少蒸发损失，而不会用难以控制的能源和维护负担来换取。每个在原则上都是可以解决的，并且每个仍然需要生产级证据，而不仅仅是试点结果。
在测量方面，科学领先于许多植物。捕获列车可以去除多种 PFAS 物种和 TMAH 等有毒碱，但可信度取决于仪表上可以显示的内容。在万亿分之一时，采样伪影和分析噪声可以与信号相媲美。这就是为什么一些工厂将零液体排放评估为合规对冲，而不是节水计划。它解决了排放问题，但只能将负担转移到盐水管理和能源上。
再循环带来了另一种不确定性。每个循环都会增加停留时间，并增加低分子量中性物或短链氟化片段在常规计量困难的地方积累的机会。工程解决方案是在工具上更强地隔离，对风险流进行更早的预处理，以及可以在问题到达晶圆之前发现问题的持续分析。在这些控制成为常规控制之前，近乎封闭的超纯水环的声明应被视为特定地点而不是普遍的。
结论
故事并不是晶圆厂使用或不使用大量水。他们确实如此。重要的是水去了哪里，回收了多少，真正消耗了多少。消耗对热量的跟踪多于对晶圆数量的跟踪，这就是为什么蒸发处于平衡的核心。工程师有真正的杠杆。隔离和路由在不影响产量的情况下提高了回收率。材料选择可以保护纯度，因此水可以拥有第二次或第三次生命。乐器是闭环的，因此变化会随着季节和工具组合而保持。当围栏的预处理使特殊化学品远离下水道时，市政合作伙伴可以将回收水源转化为可靠的供应。
怀疑仍然存在。万亿分之一的监测必须与索赔的可信度相匹配。高馏分再循环需要生产级证据，证明它不会以超出常规计量的方式积累痕量中性物质或聚合物衍生的可萃取物。ZLD 是一种合规工具，而不是一种美德，它带来了需要长期计划的能源和盐水义务。
工程师会识别出这种模式。下一个收获将来自编排，而不是单一的突破。排水管隔离和适合用途的重复使用使最清洁的升水保持循环。热感知作减少了必须以蒸汽形式离开的加仑数。围栏线预处理和透明的报告与城市和公众建立了信任。
当这些部件一起运行并且节省的费用显示在仪表上时，大规模的水就成为先进节点制造中可解决的一部分，而不是一个引人注目的部分。
如您对我们的产品感兴趣，欢迎联系咨询电话：135 1009 9916（微信同号）
想了解更多关于碳化硅功率器件产品知识 请查看碳化硅课堂
