半導體製程「超純水」怎麼來?Intel 用這三點搞定自家用水怪獸

【我們為什麼挑選這篇文章】隨著製程精密度愈來愈高,先進製程的耗電量也不斷提高,然而不只電量,半導體製程同樣需耗費大量用水。近年來多家台廠為布局全球供應鏈,前往國外設廠,要如何在符合當地法規、達高效生產的同時,做好企業社會責任,不讓廢水破壞環境生態,是眾廠共同面臨的挑戰。(責任編輯:賴佩萱)

文/劉煥彥

台積電(2330)於 5 月宣布,準備在美國亞利桑納州設立 5 奈米製程的晶圓廠,消息一出震撼業界。

有趣的是,外傳台積電最可能落腳的大城鳳凰城,已是美國半導體大廠英特爾的製造重鎮,在當地有四座晶圓廠,包括耗資 70 億美元(約合 2100 億元台幣)、今年才投產、技術最先進的 Fab 42。

問題是,晶圓廠不僅是吃電怪獸,也是用水怪獸,但亞利桑納州是亞熱帶沙漠氣候,全年降雨僅約 150 至 400 毫米,遠低於台灣年平均降雨量的 2500 毫米。

身為美國半導體巨擘的英特爾,為何選在沙漠氣候的地點設晶圓廠,又如何解決每天用水量龐大的問題?

晶圓廠不僅是吃電怪獸,更是用水怪獸

半導體製程需要大量用水 ,特別是使用乾淨程度為自來水 1000 倍的超純水(ultrapure water)。以往晶圓廠需要用上 1400 至 1600 加侖自來水,才可能轉化為 1000 加侖的超純水。

(美制 1 加侖液體相當於 3.7854 公升)

其次,若要在一片 12 吋晶圓上製造積體電路,需要用上 2200 加侖(8327 公升)的水,包括 1500 加侖的超純水,所以晶圓廠不僅是吃電怪獸,也是用水怪獸。

根據 2015 年英特爾企業責任報告書 ,該公司一年用水量高達 90 億加侖,相當於 75000 個美國家庭的正常用水量。水資源充沛與否,不僅攸關晶圓製程良率,一旦沒處理好甚至可能讓整座晶圓廠停擺

若打開英特爾的全美布局,可看出亞利桑納州已成為兩大製造重心之一。

在英特爾全球 14 座晶圓廠之中,亞州就有四座,而且都位於鳳凰城東南邊、車程半小時的小鎮錢德勒(Chandler)的 Ocotillo 園區 內,包括 Fab 12、Fab 22、Fab 32 及 Fab 42,其中 Fab 42 更是英特爾設立 7 奈米產線的重點晶圓廠。

亞利桑納州的水源,主要來自水資源豐沛的科羅拉多河,但近年已有科學研究預估,科羅拉多河水位恐逐年下降 ,使得半導體業的水資源循環利用愈來愈迫切。

Intel 啟動省水大作戰:先和當地政府達成協議

英特爾從 1990 年代設立 Ocotillo 園區至今,至少做了以下三件事,確保自家晶圓廠的用水循環比重愈來愈高,因此無須每天引進大量的當地自來水,還減輕自家工業廢水對錢德勒市府汙水處理廠的處理壓力。

第一,英特爾早在 1994 年就與錢德勒市政府議定,成立了一座 RO(逆滲透)廢水處理廠,是以 RO 搭配微過濾(MF)等方式,將晶圓廠廢水中的鹽度降低 75%,再排放至市政府的汙水處理廠。

到了 2014 年,英特爾與市政府商議,將這座 RO 廢水處理廠的技術升級,並更名為 OBRF(Ocotillo Brine Reduction Facility),兩大目的是要完全消除自家工業廢水中的鹽水,再排放至市府的汙水下水道,並降低英特爾晶圓廠消耗當地自來水的程度。

通常含鹽的工業廢水,都是直接排放至汙水下水道,但在英特爾的 Ocotillo 園區都是先送到 OBRF 處理。錢德勒市政府水務局督察 Kim Neill 就說:「如果直接排到下水道,我們汙水處理廠的 TDS(總溶解固體)會偏高。」

英特爾出資建立的廢水處理廠 OBRF,是當地晶圓廠水資源循環利用的關鍵。(圖片來源:亞利桑納水公司官網)

根據 2018 年英特爾公開發表的 OBRF 簡報 ,以及 2017 年 當地媒體報導 ,這座廢水處理廠每天可處理 150 萬加侖的半導體製程廢水,佔所有廢水的 94%。

OBRF 將處理後的廢水回復到飲用水的標準後,送回英特爾廠區內再利用(例如供給冷卻塔),並因此降低引進自來水的用水量。

OBRF 的營運方式也別有心裁,整座處理廠是由英特爾出資成立,並負責每年營運費用,市政府則出 15 位工作人員負責日常營運。

淨水技術大躍進,Intel 預計 2030 年達 100% 水資源循環利用

第二,英特爾持續改進晶圓廠製程的超純水淨水技術。

以往需要 2 加侖自來水才能過濾為 1 加侖的超純水,到了 2017 年英特爾只需要 1.1 加侖自來水就做得到。

第三,在今年啟用的 Fab 42 工程項目中,有一個是佔地 12 英畝(4.8 公頃)的廢水處理廠,每天可以處理 910 萬加侖的半導體製程廢水,處理後將其中 20% 送回給 Fab 42 的冷卻系統使用,其於 80% 送給市府淨水場做為民間灌溉用途。

不僅如此,今年 5 月英特爾發表了 2030 年願景,其中包括十年內英特爾在全球將達到水資源使用量的淨成長是零(net positive water use),意味其自有廢水處理技術可能再上一層樓,有助節省更多水資源。

(本文訊息由 今周刊 提供,內文與標題經 TechOrange 修訂後刊登。新聞稿 / 產品訊息提供,可寄至: [email protected] ,經編輯檯審核並評估合宜性後再行刊登。本文提供合作夥伴轉載;首圖來源:英特爾官方影片截圖。)

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