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台積電最大美對手 竟在「沙漠」設晶圓廠!他們如何搞定自家用水怪獸?

英特爾。(路透)
英特爾。(路透)

【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。

英特爾晶圓廠省水大作戰 至少做了這三件事

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。」

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。

英特爾淨水技術大躍進

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。

2030年願景 100%水資源循環利用

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。

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