近日,业界传出台积电将关停四台EUV光刻机的消息。有人将该消息和消费电子行业低迷,联发科、AMD、高通、英伟达等行业巨头纷纷下达砍单的行为联系到一起,称通过该关停操作,台积电月产能将锐减1.5万片;还有人认为是EUV耗电太大,当产能利用率不高时关停几个机台可以降低运营成本。


面对这两种外界的猜测,某设备厂内部人士指出:“台积电本次将旧的四台EUV光刻机关机,是为了将设备升级到TWINSCAN NXE:3600D规格(ASML2021年推出的产品型号),升级后的单机产能可提升18%左右。” 


 
图 | TWINSCAN NXE:3600D,图源:ASML


然而,关掉EUV的理由猜想虽为假,但EUV电老虎的传言却是真。据悉,台积电是目前全球最大的晶圆代工厂,仅EUV光刻机就拥有80多台,并且还正在台南厂安装新一代的机器。这些EUV光刻机正在被用于生产7nm、5nm先进制程的芯片,9月也开始用于3nm制程。由于EUV的耗电量非常惊人,专家预计,台积电将很快消耗掉比斯里兰卡这个拥有2100万人口的国家还要多的能源。


根据数据统计显示,2020年台积电的耗电量达到了160亿kWh,约占台湾地区整体能源消耗的5.9%,而2021年台积电实际耗电量已接近170亿kWh。彭博社预计,到2025年,台积电的耗电量将占台湾地区整体能源消耗的12.5%


EUV成电老虎,能源转换效率仅为0.02%


事实上,在EUV还没被推出市场之前,遇到过一再延期上市的情况,而首要问题就是EUV光刻机的输出功率过小,迟迟达不到量产的要求。


10年前,ASML EUV光刻机试验机台的输出功率仅有25W,直到2017年在旧金山举办的Semicon West半导体设备展上,ASML才宣布其已成功将EUV的光源功率提升到了250W,晶圆曝光速度因此可达到每小时125片,这也是台积电、英特尔等大客户对EUV提出的最低量产要求。今天,最新款的TWINSCAN NXE:3600D EUV光刻系统在30mJ/cm2的曝光速度下,已经实现了每小时处理160片晶圆的生产速度。近日更是传出,ASML将在2024年底或2025年交付型号为TWINSCAN EXE:5200的EUV新机型,届时新一代的High-NA极紫外光刻机数值孔径将从3400B/C、3600D时代的0.33NA提升至0.55NA,解析度实现从13nm到8nm的大跨越,同时处理晶圆的能力也将大幅提升,每小时可处理220片12英寸的晶圆。


每一次性能的提升几乎都伴随着能耗的增加,据悉当前最先进的EUV机台输出功率约为250W,需要输入1.25MW的电力,这意味着一台EUV每天就要耗电3万kWh,这个耗电量是传统氩氟镭射(ArF)的10倍以上


台积电厂务副总经理庄子寿曾在接受《天下》杂志采访时表示:“把光压到这么短的波长,需要很强很强的能量,希望未来台积电EUV用得越少越好,因为太贵了,用的电也太大了。”


话说回来,为什么EUV如此“吃电”呢?EUV又被称为极紫外光,其物理特性与一般常见的紫外光差异非常大,要产生足够大功率的极紫外光是个非常大的挑战。


 
图 | EUV光源产生的光能最后只剩下不到2%能传达到晶圆表面,图源:ASML


ASML采用的是液滴靶技术,液体锡从上向下滴落过程中会形成锡珠,同时CO₂激光脉冲被放大到非常高的功率,输出平均脉冲功率超过30kW、峰值脉冲功率高达数MW的激光束,然后用激光束轰击锡珠让其化为等离子态,此时该等离子体温度将达到22万℃,比太阳表面的温度还要高30~40倍,从而发射出波长为13.5 nm的极紫外光,极紫外光聚焦后,通过反射透镜首先传输到光刻掩模上,然后照射到晶圆基片上进行曝光处理。


值得一提的是,从种子光发生器到锡珠有500多米的光路,且生成这种极紫外光后还要面临衰减的难题。据悉,极紫外光非常容易被吸收,连空气都不透光,所以整个生产环境必须被抽成真空;同时,也无法在玻璃透镜上发生折射,必须用矽与钼制成的特殊镀膜反射镜,来修正光的前进方向。而即使这样,每一次反射仍会损失3成能量,以机台内平均10次以上的反射过程来计算,EUV光源产生的光能最后只剩下不到2%能传达到晶圆表面进行真正的曝光处理


这是EUV光刻机强耗电的主要原因之一,而除此之外还有另外一个重要的原因,它和前面提到的EUV光刻机功率提升难息息相关。曾与台积电合作EUV光源研究的台大电机系教授黄升龙表示,“在台大的EUV实验组,输出功率仅为mW等级,水冷系统整个架起来就有一个房间那么大,晶圆厂的EUV量产系统输出功率是台大的上万倍,要怎样将热导出去,是很复杂的技术难题。而且,冷却系统也得耗上不少电,所以散热问题也曾是EUV上市过程中的一个卡脖子问题。”


综上,EUV光刻机耗电的两大主要源头是光源和散热,而ASML至今尚未公布EUV光刻机的耗电功率,但世界第二大存储制造商、韩国的SK海力士曾在2009年的EUV Symposium上表示:“EUV光刻机的能源转换效率只有0.02%”。


缺电的台湾与“吃电”的台积电


DUV光刻机耗电,EUV光刻机更耗电,若以厂房单位土地规划用电来算,5nm制程用电是当今台积电主流28nm制程的1.48倍。而与其形成鲜明对比的是台湾地区的缺电实情以及台湾地区政府制定的碳中和目标:2025年达到天然气发电比例占50%,再生能源发电比例占20%,燃煤发电比例占27%。


现实是,在能源结构方面,根据台湾地区7月最新能源审查结果显示,截至2021年底,只有6%电力是可再生能源,这也促使当局下调2025年的目标至15%;在总体电量供给方面,根据近期台湾地区的民调结果显示,有高达87.3%的民众认为台湾地区缺电问题严重,其中认为非常严重者有50%之高,仅有10.6%的人认为不严重。


 
图 | 台积电Fab厂示意图,图源:台积电


事实上,早在2015年底,马英九参观台积电中科厂时,台积电创始人张忠谋便指出:“目前台湾地区最大的隐忧之一就是缺电,2017年可能就会面临限电危机,这对产业的影响相当大,虽然台积电每个厂都有备用电源,但备用电源的用电成本比起台电提供的电贵3倍,如果未来长期限电,这就很累了。”


根据台湾地区政府的另一项统计,全台湾用电过去5年的增加量,约三分之一由台积电贡献。而如今3nm制程已经逼近摩尔定律极限,作为电老虎的EUV采用比例将会大幅增加,用电量会进一步暴增。


绿色和平组织的气候和能源活动家Tracy Cheng直言:“台积电将占据台湾地区的大部分能源供应,这将损害其他行业”。因此,对于芯片制造行业的高耗能问题,业内认为提高可再生能源发电的比例势在必行。同时,台湾地区桃园市国立中央大学管理学讲座教授梁志远表示:“除非芯片制造商开始建设自己的发电厂,否则台湾地区将没有足够的电力容量来容纳其半导体产业。”


台积电将ESG压力传递给供应链的每一环


虽然在面对以上质疑时,台积电喊出了“台积电用一度电,就能为社会节省4度电”的口号,但面对节能和减碳要求,台积电达成ESG的KPI压力真不小,而EUV光刻机便顺理成章地成为需要优先改善的重点。


对此,台积电从光刻机的主要耗电点出发,从三大方向做了同步改进:第一,运用大数据对EUV产生过程中的能耗情况及运作模式进行透析,在发现极紫外光产生的脉冲与反射镜面反射率不佳,是造成设备能耗高的主因后,于2020年通过光刻机机台程序的修正,达到了EUV光脉冲能量的最佳化;第二,重新设计镜面反射结构,将反射率提高了3%;第三,分析CO₂镭射系统放大器的运转数据,发现利用变频取代固定频率的运作模式,可以进一步强化放大器10%的能源使用效率。


台积电方面表示:“通过以上三管齐下的方法,台积电已成功提升EUV光刻机5%的能源使用效率,而这些改进成果同样适用于3nm的EUV新机台。”


然而,单从软硬件着手来提高光刻机的能源效率还不够,从2021年开始,台积电高层在许多公开场合都毫不避讳地提到:“以后台积电的所有供应商,也必须全力配合台积电的ESG政策目标,一方面协助台积电减少碳足迹,另一方面也要减少自身的碳足迹。对于供应商,台积电会进行全面的审计核查,对于不达标的供应商,会先采取积极辅导的措施,倘若迟迟不达标,则将撤换该供应商。”这些规则也被同步写入了台积电的《永续报告书》。


 
图 | 台积电《永续报告书》截图,来源:台积电


以被盯得最紧的光阻材料供应商为例,由于光阻材料与EUV曝光制程息息相关,敏感度足够高的光阻材料,只需要少许曝光剂量,就能引发材料变质,进而完成工作,而敏感度不好的光阻材料就得多照几次,才能达到相同的效果。在EUV光刻机能源效率不好的情况下,台积电肯定会希望曝光次数越少、剂量越低,才能减少EUV光刻机曝光制程的耗电量。因此,在EUV光刻机被运用在3nm制程量产前,台积电就已经将这些光阻材料供应商分为三类:优等生、普通生和问题学生


在光阻材料产业的小圈子里,近期一直有传言称:某家光阻材料商可能被台积电换掉,因为其敏感度表现实在太差了,使用该材料商的材料不仅会增加用电成本,还不利于实现ESG目标。


当然,材料商只是台积电供应链中的一环,而为了达成其ESG目标,台积电将逐步分解其压力,并传递到每一位供应商的肩上,而他们如果不想被淘汰,就不得不接下这军令状。