EUV成電老虎，臺積電將ESG壓力傳遞給每一位供應(yīng)商

近日，業(yè)界傳出臺積電將關(guān)停四臺EUV光刻機的消息。有人將該消息和消費電子行業(yè)低迷，聯(lián)發(fā)科、AMD、高通、英偉達(dá)等行業(yè)巨頭紛紛下達(dá)砍單的行為聯(lián)系到一起，稱通過該關(guān)停操作，臺積電月產(chǎn)能將銳減1.5萬片；還有人認(rèn)為是EUV耗電太大，當(dāng)產(chǎn)能利用率不高時關(guān)停幾個機臺可以降低運營成本。

面對這兩種外界的猜測，某設(shè)備廠內(nèi)部人士指出：“臺積電本次將舊的四臺EUV光刻機關(guān)機，是為了將設(shè)備升級到TWINSCAN NXE：3600D規(guī)格（ASML2021年推出的產(chǎn)品型號），升級后的單機產(chǎn)能可提升18％左右?！?/p>

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圖 | TWINSCAN NXE：3600D，圖源：ASML

然而，關(guān)掉EUV的理由猜想雖為假，但EUV電老虎的傳言卻是真。據(jù)悉，臺積電是目前全球最大的晶圓代工廠，僅EUV光刻機就擁有80多臺，并且還正在臺南廠安裝新一代的機器。這些EUV光刻機正在被用于生產(chǎn)7nm、5nm先進(jìn)制程的芯片，9月也開始用于3nm制程。由于EUV的耗電量非常驚人，專家預(yù)計，臺積電將很快消耗掉比斯里蘭卡這個擁有2100萬人口的國家還要多的能源。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，2020年臺積電的耗電量達(dá)到了160億kWh，約占中國臺灣地區(qū)整體能源消耗的5.9%，而2021年臺積電實際耗電量已接近170億kWh。彭博社預(yù)計，到2025年，臺積電的耗電量將占中國臺灣地區(qū)整體能源消耗的12.5%。

EUV成電老虎，能源轉(zhuǎn)換效率僅為0.02％

事實上，在EUV還沒被推出市場之前，遇到過一再延期上市的情況，而首要問題就是EUV光刻機的輸出功率過小，遲遲達(dá)不到量產(chǎn)的要求。

10年前，ASML EUV光刻機試驗機臺的輸出功率僅有25W，直到2017年在舊金山舉辦的Semicon West半導(dǎo)體設(shè)備展上，ASML才宣布其已成功將EUV的光源功率提升到了250W，晶圓曝光速度因此可達(dá)到每小時125片，這也是臺積電、英特爾等大客戶對EUV提出的最低量產(chǎn)要求。今天，最新款的TWINSCAN NXE:3600D EUV光刻系統(tǒng)在30mJ/cm2的曝光速度下，已經(jīng)實現(xiàn)了每小時處理160片晶圓的生產(chǎn)速度。近日更是傳出，ASML將在2024年底或2025年交付型號為TWINSCAN EXE:5200的EUV新機型，屆時新一代的High-NA極紫外光刻機數(shù)值孔徑將從3400B/C、3600D時代的0.33NA提升至0.55NA，解析度實現(xiàn)從13nm到8nm的大跨越，同時處理晶圓的能力也將大幅提升，每小時可處理220片12英寸的晶圓。

每一次性能的提升幾乎都伴隨著能耗的增加，據(jù)悉當(dāng)前最先進(jìn)的EUV機臺輸出功率約為250W，需要輸入1.25MW的電力，這意味著一臺EUV每天就要耗電3萬kWh，這個耗電量是傳統(tǒng)氬氟鐳射（ArF）的10倍以上。

臺積電廠務(wù)副總經(jīng)理莊子壽曾在接受《天下》雜志采訪時表示：“把光壓到這么短的波長，需要很強很強的能量，希望未來臺積電EUV用得越少越好，因為太貴了，用的電也太大了。”

話說回來，為什么EUV如此“吃電”呢？EUV又被稱為極紫外光，其物理特性與一般常見的紫外光差異非常大，要產(chǎn)生足夠大功率的極紫外光是個非常大的挑戰(zhàn)。

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圖 | EUV光源產(chǎn)生的光能最后只剩下不到2%能傳達(dá)到晶圓表面，圖源：ASML

ASML采用的是液滴靶技術(shù)，液體錫從上向下滴落過程中會形成錫珠，同時CO?激光脈沖被放大到非常高的功率，輸出平均脈沖功率超過30kW、峰值脈沖功率高達(dá)數(shù)MW的激光束，然后用激光束轟擊錫珠讓其化為等離子態(tài)，此時該等離子體溫度將達(dá)到22萬℃，比太陽表面的溫度還要高30~40倍，從而發(fā)射出波長為13.5 nm的極紫外光，極紫外光聚焦后，通過反射透鏡首先傳輸?shù)焦饪萄谀Ｉ?，然后照射到晶圓基片上進(jìn)行曝光處理。

值得一提的是，從種子光發(fā)生器到錫珠有500多米的光路，且生成這種極紫外光后還要面臨衰減的難題。據(jù)悉，極紫外光非常容易被吸收，連空氣都不透光，所以整個生產(chǎn)環(huán)境必須被抽成真空；同時，也無法在玻璃透鏡上發(fā)生折射，必須用矽與鉬制成的特殊鍍膜反射鏡，來修正光的前進(jìn)方向。而即使這樣，每一次反射仍會損失3成能量，以機臺內(nèi)平均10次以上的反射過程來計算，EUV光源產(chǎn)生的光能最后只剩下不到2%能傳達(dá)到晶圓表面進(jìn)行真正的曝光處理。

這是EUV光刻機強耗電的主要原因之一，而除此之外還有另外一個重要的原因，它和前面提到的EUV光刻機功率提升難息息相關(guān)。曾與臺積電合作EUV光源研究的臺大電機系教授黃升龍表示，“在臺大的EUV實驗組，輸出功率僅為mW等級，水冷系統(tǒng)整個架起來就有一個房間那么大，晶圓廠的EUV量產(chǎn)系統(tǒng)輸出功率是臺大的上萬倍，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，所以散熱問題也曾是EUV上市過程中的一個卡脖子問題。”

綜上，EUV光刻機耗電的兩大主要源頭是光源和散熱，而ASML至今尚未公布EUV光刻機的耗電功率，但世界第二大存儲制造商、韓國的SK海力士曾在2009年的EUV Symposium上表示：“EUV光刻機的能源轉(zhuǎn)換效率只有0.02％”。

缺電的中國臺灣與“吃電”的臺積電

DUV光刻機耗電，EUV光刻機更耗電，若以廠房單位土地規(guī)劃用電來算，5nm制程用電是當(dāng)今臺積電主流28nm制程的1.48倍。而與其形成鮮明對比的是中國臺灣地區(qū)的缺電實情以及中國臺灣地區(qū)政府制定的碳中和目標(biāo)：2025年達(dá)到天然氣發(fā)電比例占50%，再生能源發(fā)電比例占20%，燃煤發(fā)電比例占27%。

現(xiàn)實是，在能源結(jié)構(gòu)方面，根據(jù)中國臺灣地區(qū)7月最新能源審查結(jié)果顯示，截至2021年底，只有6%電力是可再生能源，這也促使當(dāng)局下調(diào)2025年的目標(biāo)至15%；在總體電量供給方面，根據(jù)近期中國臺灣地區(qū)的民調(diào)結(jié)果顯示，有高達(dá)87.3％的民眾認(rèn)為中國臺灣地區(qū)缺電問題嚴(yán)重，其中認(rèn)為非常嚴(yán)重者有50％之高，僅有10.6％的人認(rèn)為不嚴(yán)重。

事實上，早在2015年底，馬英九參觀臺積電中科廠時，臺積電創(chuàng)始人張忠謀便指出：“目前中國臺灣地區(qū)最大的隱憂之一就是缺電，2017年可能就會面臨限電危機，這對產(chǎn)業(yè)的影響相當(dāng)大，雖然臺積電每個廠都有備用電源，但備用電源的用電成本比起臺電提供的電貴3倍，如果未來長期限電，這就很累了?！?/p>

根據(jù)中國臺灣地區(qū)政府的另一項統(tǒng)計，全中國臺灣用電過去5年的增加量，約三分之一由臺積電貢獻(xiàn)。而如今3nm制程已經(jīng)逼近摩爾定律極限，作為電老虎的EUV采用比例將會大幅增加，用電量會進(jìn)一步暴增。

綠色和平組織的氣候和能源活動家Tracy Cheng直言：“臺積電將占據(jù)中國臺灣地區(qū)的大部分能源供應(yīng)，這將損害其他行業(yè)”。因此，對于芯片制造行業(yè)的高耗能問題，業(yè)內(nèi)認(rèn)為提高可再生能源發(fā)電的比例勢在必行。同時，中國臺灣地區(qū)桃園市國立中央大學(xué)管理學(xué)講座教授梁志遠(yuǎn)表示：“除非芯片制造商開始建設(shè)自己的發(fā)電廠，否則中國臺灣地區(qū)將沒有足夠的電力容量來容納其半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)?！?/p>

臺積電將ESG壓力傳遞給供應(yīng)鏈的每一環(huán)

雖然在面對以上質(zhì)疑時，臺積電喊出了“臺積電用一度電，就能為社會節(jié)省4度電”的口號，但面對節(jié)能和減碳要求，臺積電達(dá)成ESG的KPI壓力真不小，而EUV光刻機便順理成章地成為需要優(yōu)先改善的重點。

對此，臺積電從光刻機的主要耗電點出發(fā)，從三大方向做了同步改進(jìn)：第一，運用大數(shù)據(jù)對EUV產(chǎn)生過程中的能耗情況及運作模式進(jìn)行透析，在發(fā)現(xiàn)極紫外光產(chǎn)生的脈沖與反射鏡面反射率不佳，是造成設(shè)備能耗高的主因后，于2020年通過光刻機機臺程序的修正，達(dá)到了EUV光脈沖能量的最佳化；第二，重新設(shè)計鏡面反射結(jié)構(gòu)，將反射率提高了3%；第三，分析CO?鐳射系統(tǒng)放大器的運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)利用變頻取代固定頻率的運作模式，可以進(jìn)一步強化放大器10%的能源使用效率。

臺積電方面表示：“通過以上三管齊下的方法，臺積電已成功提升EUV光刻機5%的能源使用效率，而這些改進(jìn)成果同樣適用于3nm的EUV新機臺?！?/p>

然而，單從軟硬件著手來提高光刻機的能源效率還不夠，從2021年開始，臺積電高層在許多公開場合都毫不避諱地提到：“以后臺積電的所有供應(yīng)商，也必須全力配合臺積電的ESG政策目標(biāo)，一方面協(xié)助臺積電減少碳足跡，另一方面也要減少自身的碳足跡。對于供應(yīng)商，臺積電會進(jìn)行全面的審計核查，對于不達(dá)標(biāo)的供應(yīng)商，會先采取積極輔導(dǎo)的措施，倘若遲遲不達(dá)標(biāo)，則將撤換該供應(yīng)商。”這些規(guī)則也被同步寫入了臺積電的《永續(xù)報告書》。

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圖 | 臺積電《永續(xù)報告書》截圖，來源：臺積電

以被盯得最緊的光阻材料供應(yīng)商為例，由于光阻材料與EUV曝光制程息息相關(guān)，敏感度足夠高的光阻材料，只需要少許曝光劑量，就能引發(fā)材料變質(zhì)，進(jìn)而完成工作，而敏感度不好的光阻材料就得多照幾次，才能達(dá)到相同的效果。在EUV光刻機能源效率不好的情況下，臺積電肯定會希望曝光次數(shù)越少、劑量越低，才能減少EUV光刻機曝光制程的耗電量。因此，在EUV光刻機被運用在3nm制程量產(chǎn)前，臺積電就已經(jīng)將這些光阻材料供應(yīng)商分為三類：優(yōu)等生、普通生和問題學(xué)生。

在光阻材料產(chǎn)業(yè)的小圈子里，近期一直有傳言稱：某家光阻材料商可能被臺積電換掉，因為其敏感度表現(xiàn)實在太差了，使用該材料商的材料不僅會增加用電成本，還不利于實現(xiàn)ESG目標(biāo)。

當(dāng)然，材料商只是臺積電供應(yīng)鏈中的一環(huán)，而為了達(dá)成其ESG目標(biāo)，臺積電將逐步分解其壓力，并傳遞到每一位供應(yīng)商的肩上，而他們?nèi)绻幌氡惶蕴?，就不得不接下這軍令狀。