EUV光刻機(jī)這么耗電？臺(tái)積電都hold不住

根據(jù)能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，同時(shí)間全中國(guó)臺(tái)灣工業(yè)部門的用電僅增加 6%。 而這個(gè)增加量當(dāng)中超過(guò)一半是臺(tái)積電貢獻(xiàn)。

全中國(guó)臺(tái)灣用電量，過(guò)去 5 年的增加量當(dāng)中也有 33.6%，差不多三分之一的增加量由臺(tái)積電貢獻(xiàn)。

而且，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，這家世界級(jí)半導(dǎo)體天王每年用電增加的幅度，只怕還會(huì)加速擴(kuò)大。 因?yàn)榘雽?dǎo)體制程技術(shù)，又到了改朝換代時(shí)刻。

臺(tái)積電預(yù)計(jì) 2019 年量產(chǎn)的 7 奈米制程的第二版本──7 Plus，部分制程將首度導(dǎo)入極紫外光（EUV）微影制程，這是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)期待已久的「救世主」技術(shù)。

目前半導(dǎo)體制程的主流光源是氬氟雷射，波長(zhǎng)為 193 奈米，當(dāng)晶體管尺度已微縮到幾十奈米時(shí)，就像用一支粗毛筆寫蠅頭小字一般，生產(chǎn)起來(lái)有點(diǎn)力不從心。 這也是近幾年，摩爾定律即將告終的聲浪不斷的主因。
極紫外光的波長(zhǎng)僅有 13.5 奈米，業(yè)界期望這支「超細(xì)字小楷」能夠讓摩爾定律再延伸至少 10 年。

灑百億購(gòu)入夢(mèng)幻設(shè)備 足以買下兩架 A380
今年 1 月，臺(tái)積電 5 奈米案環(huán)差評(píng)估案通過(guò)的同一星期。 獨(dú)家生產(chǎn) EUV 微影機(jī)臺(tái)的荷蘭商艾司摩爾（ASML）在法說(shuō)會(huì)宣布，已接到 EUV 微影機(jī)臺(tái) 6 部訂單。 根據(jù)《霸榮周刊》（Barron’s）報(bào)導(dǎo)，分析師推測(cè)，臺(tái)積電訂走了其中 5 臺(tái)，亦即一口氣買下 5.5 億美元（約 167.8 億臺(tái)幣）的設(shè)備。

這個(gè)價(jià)錢，幾乎可以買下兩臺(tái)世界最大民航機(jī)──空巴 A380。

除了昂貴之外，但對(duì)中國(guó)臺(tái)灣而言，EUV 這個(gè)「救世主」技術(shù)還有一個(gè)大缺點(diǎn)──耗電。

有多耗電？ 「嚇?biāo)廊耍?」臺(tái)積電 300mm Fabs 廠務(wù)處資深處長(zhǎng)莊子壽心有余悸地說(shuō)。 他今年 3 月在一場(chǎng)記者會(huì)接受《天下》訪問(wèn)時(shí)表示，他希望未來(lái)臺(tái)積電 EUV 用得「愈少愈好」，「因?yàn)樘F了，用的電也太大了。 」
艾司摩爾至今尚未公布 EUV 機(jī)臺(tái)的耗電功率，但世界第二大內(nèi)存制造商、南韓的 SK 海力士曾在 2009 年的 EUV Symposium 表示，EUV 的能源轉(zhuǎn)換效率（wall plug efficiency）只有 0.02% 左右。

這個(gè)數(shù)字現(xiàn)在廣為業(yè)界引用。 也就是說(shuō)，當(dāng)前最先進(jìn)的 EUV 機(jī)臺(tái)能輸出 250 瓦功率的 EUV，需要輸入 0.125 萬(wàn)瓩的電力，這個(gè)耗電量是傳統(tǒng)氬氟雷射的 10 倍以上。

「要把光壓到這么短的波長(zhǎng)，需要很強(qiáng)很強(qiáng)的能量，」莊子壽解釋。

連冷卻系統(tǒng)用電也不容小覷
事實(shí)上，過(guò)去幾年，EUV 機(jī)臺(tái)的輸出功率過(guò)小，遲遲無(wú)法達(dá)到量產(chǎn)要求，是這個(gè)夢(mèng)幻技術(shù)一再延誤上市時(shí)機(jī)的主要理由。

臺(tái)積電法說(shuō)時(shí)，負(fù)責(zé)先進(jìn)制程的共同執(zhí)行長(zhǎng)劉德音也常被分析師問(wèn)到，他期待的 EUV 機(jī)臺(tái)功率、量產(chǎn)速度各為多少？

在 5 年前，艾司摩爾試驗(yàn)機(jī)臺(tái)的輸出功率還僅有 25 瓦。 但就在上個(gè)月，該公司達(dá)到歷史里程碑。 在舊金山的 2017 年 Semicon West 半導(dǎo)體設(shè)備展，艾司摩爾宣布，該公司已成功地將 EUV 光源功率提升到 250 瓦，晶圓生產(chǎn)速度因此達(dá)到每小時(shí) 125 片──這都是臺(tái)積電、英特爾等大客戶之前提出的量產(chǎn)最低要求。 現(xiàn)有的微影系統(tǒng)量產(chǎn)速度為每小時(shí) 200 片以上。

為什么提升功率這么難？
曾與臺(tái)積電合作 EUV 光源研究的臺(tái)大電機(jī)系教授黃升龍解釋，主要是卡在散熱問(wèn)題。 他在臺(tái)大的 EUV 實(shí)驗(yàn)機(jī)組，輸出功率僅有毫（千分之一）瓦等級(jí)，水冷系統(tǒng)整個(gè)架起來(lái)就有一個(gè)房間這么大。 晶圓廠的 EUV 量產(chǎn)系統(tǒng)輸出功率是臺(tái)大的上萬(wàn)倍，要怎樣將熱導(dǎo)出去，是很復(fù)雜的技術(shù)難題。 而且，「冷卻系統(tǒng)也得耗上不少電，」黃升龍說(shuō)。

整個(gè) EUV 技術(shù)商用化的過(guò)程之艱辛、投入研發(fā)金額之巨，堪稱半導(dǎo)體業(yè)的「登月計(jì)劃」。 曾有業(yè)者估計(jì)，整個(gè)業(yè)界投入的研發(fā)經(jīng)費(fèi)超過(guò) 200 億美元（約臺(tái)幣 6,100 億元）。
EUV 稱為「極紫外光」，但物理特性與一般常見(jiàn)的紫外光差異極大。

首先，這種光非常容易被吸收，連空氣都不透光，所以整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境必須抽成真空；同時(shí)，也無(wú)法以玻璃透鏡折射，必須以硅與鉬制成的特殊鍍膜反射鏡，來(lái)修正光的前進(jìn)方向，而且每一次反射仍會(huì)損失 3 成能量，但一臺(tái) EUV 機(jī)臺(tái)得經(jīng)過(guò)十幾面反射鏡，將光從光源一路導(dǎo)到晶圓，最后大概只能剩下不到 2% 的光線。

這也是 EUV 機(jī)臺(tái)如此耗電的主因之一。

為了確保供電，臺(tái)積電曾考慮自蓋電廠
然而，半導(dǎo)體除了最核心的微影，還有蝕刻、蒸鍍、平面化等多道制程。 導(dǎo)入高耗電的 EUV 光源，這道制程對(duì)于整廠的用電影響有多大？

這次南科新廠的環(huán)差評(píng)估過(guò)程，臺(tái)積電主管出示的一張投影片，給了清楚的答案。

若以廠房單位土地規(guī)劃用電來(lái)算，5 奈米制程用電是當(dāng)今臺(tái)積電的主流 28 奈米制程的 1.48 倍。 也就是說(shuō)，如果同樣都是 40 公頃的廠區(qū)，2020 年量產(chǎn)的 5 奈米制程，總用電會(huì)是目前的一倍半。

「而且，5 奈米應(yīng)該只有一半制程用到 EUV，」一位外資分析師說(shuō)。 他表示，由于 EUV 技術(shù)極為昂貴，臺(tái)積電仍只有在部分較難的制程才采用新技術(shù)。 但到了在下一個(gè)世代，已經(jīng)逼近摩爾定律極限的 3 奈米制程，EUV 采用比例就會(huì)大幅增加，用電量會(huì)進(jìn)一步暴增。

去年 6 月，行政院長(zhǎng)林全首度透露，臺(tái)積電有意自蓋電廠。 這位分析師表示，當(dāng)時(shí)臺(tái)積電就是擔(dān)心大量導(dǎo)入 EUV 光源的 5 奈米制程，南科電力系統(tǒng)無(wú)法負(fù)荷，直到臺(tái)電出具供電保證，才打消念頭。

一位臺(tái)積電前主管表示，臺(tái)積電的企業(yè)文化是高度專注本業(yè)，像自蓋電廠這類事，「過(guò)去根本連想都不會(huì)想，會(huì)去考慮這件事，就表示缺電非常嚴(yán)重。 」

但接下來(lái)更耗電的的 3 奈米制程，便傳出臺(tái)積電有意設(shè)廠美國(guó)，除了土地與環(huán)評(píng)，電力穩(wěn)定度也是考慮因素之一。

在第二季法說(shuō)會(huì)上，臺(tái)積電共同執(zhí)行長(zhǎng)劉德音表示，3 奈米的選址決定明年上半年將會(huì)正式?jīng)Q定，目前仍是以中國(guó)臺(tái)灣為優(yōu)先。

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