半导体制造，到底怎么用水？

水 —— 大量的水 —— 是先进芯片架构、光刻技术及后端封装的关键支撑。它为接触每片晶圆的超纯水循环系统供能，为各工艺节点中温度更高的设备散热，还将废弃化学物质输送至处理设施。

看到 “晶圆厂每日消耗数百万加仑水” 的报道，人们自然会担忧，但从工程角度看，实际情况更为复杂 ——“使用” 并不等同于 “消耗”。

从市政系统抽取的大部分水经处理后，会在厂内通过多个使用周期循环利用，之后再送回污水处理厂或市政设施进行进一步处理。真正被 “消耗” 的部分，主要是通过冷却系统和洗涤系统蒸发、脱离厂区的水量。正如《国际器件与系统路线图》（IRDS）所指出的：“半导体工厂平均每日用水量达数百万加仑，而最大的单一损失途径是冷却塔。”

FTD Solutions 首席执行官斯拉瓦・利布曼表示：“就大型新建项目而言，满负荷生产时的总需水量可能相当于一座百万人口城市的用水量。但这并不意味着所有水都会流失 —— 大部分会在厂内经过处理后重新利用，而主要的实际损失是由工厂高能耗导致的蒸发量。”

在北凤凰城等炎热干旱的流域，由于热量和气流推动冷却塔补水，蒸发量在工厂水平衡中占主导地位；而在气候凉爽湿润的地区，同等规模的工厂在相同产量下，蒸发损失会低得多。晶圆厂可通过更智能的污水分类、回用及热回收技术减少需水量，但芯片工艺节点的升级和设备热负荷的增加却会产生相反的影响。工程师的任务便是量化这种平衡，投入资源采取缓解措施，并坦诚面对其中的取舍。

菲尼克斯市水资源管理顾问马克斯・威尔逊称：“要在亚利桑那州中部动工建设，指定的供水商必须证明其已具备满足长期发展需求的水资源。以台积电及北凤凰城周边的开发项目为例，菲尼克斯作为指定供水商，已证明其供水能力可支持该区域未来 100 年的发展。”

对市政合作方而言，水质与水量同等重要。工业再生水厂和厂内污染物过滤设施能降低下游风险，如今已成为前沿项目的标配。

菲尼克斯市水务署环境与安全副主管巴里亚・金博尔表示：“我们对北凤凰城半导体工厂的要求是，在排放前需通过工业再生水厂的反渗透处理。这一步骤会在污水进入我们的下水道前去除相关污染物，有助于保护收集系统和城市污水处理厂。”

现代晶圆厂的水系统由一系列相互关联的循环组成。原水或再生进水经处理后成为超纯水（UPW），用于晶圆相关工序。废水分按化学性质分类，经净化后用于要求较低的环节，最终进入冷却系统和洗涤系统，之后再排放。若将取水、回用和消耗分开来看，整个系统会更容易理解。

取水：厂区取水量取决于规模、工艺节点和气候。以英特尔奥科蒂洛园区的环境评估为例，全面建成后，该园区内三座先进晶圆厂的日取水量约为 1400 万加仑，其中约 400 万加仑为饮用水，1000 万加仑为再生水。具体到各晶圆厂，52 号厂的模拟取水量为 400 万加仑 / 日，62 号厂为 500 万加仑 / 日，42 号厂为 300 万加仑 / 日。

这些是大型多晶圆厂园区的取水量，而非净消耗量，且主要依赖市政再生水，使饮用水的使用负担减少了三分之二以上。在炎热气候下，类似的多晶圆厂园区取水量也大致在此范围；小型单模块厂区的取水量则会相应减少。这些都是经过工程设计的取水量（而非损失量），涵盖了工艺和非工艺用水需求。

回用：在厂内，水会经过多个使用周期。高规格的超纯水仅与晶圆接触一次，但冲洗水和低负荷侧流通常会被收集起来，用于冷却塔、厂房洗涤器和公用事业用水等敏感度较低的场景。回用的实际限制在于成本、化学性质以及极低缺陷率下的交叉污染风险。

imec 首席战略官兼执行副总裁乔・德博克表示：“在先进工艺节点中，水的回用并非可选项。不能浪费水资源，因此我们的晶圆厂需要成为展示可持续发展如何融入制造链的实验室。”

消耗：真正的消耗是指未回流至管道的水。主要有两种途径 —— 冷却塔中的蒸发，以及加湿或气体洗涤过程中排放到大气中的水。IRDS 强调冷却塔是主要的损失来源，这与全行业的厂区测量结果一致。在运行良好的系统中，洗涤器的排污和漂水虽存在，但属于次要损失。

热量方面可以解释这种规模变化。每一代新工艺节点都会增加图案化步骤、腔体清洁次数和更长的高温循环时间，更多的热量必须从设备传递到冷冻水，再通过蒸发冷却塔排出。这就是为什么在凤凰城的前沿晶圆厂，其消耗水量占取水量的比例会高于在沿海气候区（环境湿度更高、干球温度更低）的同类型晶圆厂。

市政公用事业部门正根据这一实际情况进行建设。他们期望工业用户在厂内进行更多的预处理，并基于 “与工艺节点相关的热量导致冷却消耗水量增加” 这一假设，制定自身的工厂和含水层策略。

金博尔表示：“在我们的公用事业系统中，会密切跟踪新兴污染物，并要求高影响用户在排放前尽可能去除污染物。如果工业再生水厂能做好本职工作，就能保护我们的下游资产，并在这些水最终循环回到饮用水供应系统时，保持河流和含水层的良好状态。”

报告必须指出不确定性。实际回用率属于专有信息，且会因厂区、季节和产能提升状态而异。公共企业报告可以揭示趋势，但设备制造商的数据集并不能直接对应晶圆厂的情况。例如，泛林半导体报告称，自 2019 年以来，其在自身制造和实验室中累计节省了 8060 万加仑水，并记录了重大的内部再生项目。

这些数字证实了有针对性的审计和规模化回用的有效性，但不能作为 5nm 晶圆代工厂厂区级质量平衡的直接基准。工程师应将其视为 “晶圆厂采用类似方法可实现实际节水” 的证据，而非直接的基准数据。

最后，市政供水必须进行长期规划。菲尼克斯的指定供应商框架展示了城市如何结合住宅增长和迭代的总体规划更新来评估工业需求。这种治理是水资源故事的一部分 —— 若能明确再生水补偿和管道建设顺序，可加速晶圆厂项目；若规划信号不明确，则可能使项目停滞。

威尔逊表示：“我们每五年重新审视一次基础设施总体规划。这种节奏使我们能够纳入重大变化，包括半导体需求及其周边的配套开发，然后按正确顺序规划新管道和工厂的建设。”

首要限制并非能将多少水引入厂区，而是水进入工厂后能保持多久的洁净度。“根据 SEMI F63 标准，先进节点的清洁和化学机械抛光（CMP）依赖于电阻率> 18.2 MΩ・cm 且有机物含量低于亚 ppb 级的超纯水，而 IRDS 指出，现代节点需要控制 10nm 以下的颗粒。”

只有当整个系统像水的洁净室一样运作时，才能达到这一标准。储罐、衬里、阀门、垫片和配送管道不能向循环系统中释放可提取物，否则循环潜力会下降，更多水流将被迫排放。

利布曼表示：“在超纯水系统中去除原水中的污染物并不复杂，更复杂的是如何在处理过程中不产生污染 —— 因为系统并非完全惰性。你需要所有组件都具有高纯度，并且设计时要最大限度地减少污染，包括不会渗出物质且不会产生副产物污染的材料（例如，处理总有机碳的紫外线灯会产生对生产有害的过氧化氢）。”

因此，材料的选择决定了良率。如果集液槽涂层或储罐衬里产生低分子量有机物或微量离子，会导致膜更快污染、净化步骤负荷更重，厂区不得不比计划更早地排放部分未完全使用的水。这会导致补水量增加，在炎热气候下，还会增加冷却塔的蒸发损失。要保持循环的可行性，就需根据可提取物和渗透性来指定基础设施（而非仅根据一般的耐化学性），并验证原位清洁方案不会随时间降解这些材料。

宣伟防护与海洋涂料公司施工解决方案主管蒂莫西・麦克多诺表示：“随着可持续发展成为核心运营支柱，业主正优先考虑支持水资源回收和化学物质管理的基础设施。低可提取性、低渗透性的衬里能在不渗出污染物的情况下提高回收率，这对维持超纯环境中的水质至关重要。”

此外，在检测极限方面也存在问题。随着回用比例的提高，微量中性物质和极小分子片段可能会以常规计量方法难以检测的方式积累。全氟和多氟烷基物质（PFAS）等持久性物质就是典型例子，现在有多个厂区在这些风险首次出现的环节设计预处理或销毁工艺。这是审慎的工程做法，但依赖于往往达到或超过万亿分之一级别的检测极限。实际结论是，需将纯度视为全厂范围的约束条件。

在纯度决定上限的前提下，下一个关键手段是如何对水流进行分离和路由 —— 因为分类和按需回用决定了工厂在生产中能接近这一上限的程度。

分类是 “书面上的循环计划” 与 “能在生产中实际生效的循环计划” 之间的区别。原则很简单：将相对洁净的冲洗水与高化学需氧量（COD）或含金属的排水分开，在本地或中央进行净化，然后输送到符合规格要求的地方。在许多生产线中，这意味着将一部分水返回至超纯水补给系统，其余部分则用于冷却塔、湿式洗涤器等可耐受更高电导率和总有机碳（TOC）的设施。在设备处对排水进行越严格的分类，中央工厂的工作量就越小，在不影响良率的情况下整体循环率就越高。

联电（UMC）公布的数据足以说明在晶圆代工厂规模下，规范的分类和回用是什么样的。联电全公司的工艺用水回收率为 84.3%，“新晶圆厂区” 将废水分为多达 27 类，以避免混合并简化下游处理。仅 2023 年，该集团通过多年项目就实现了约 82.5 万吨的增量节水和约 547 万吨的累计节水。在确保纯度的前提下，路由和按需净化发挥了关键作用。

再生水源也是联电运营的优先事项，而非应急措施。2024 年，新加坡 12i 厂使用了约 400 万吨再生水，占该厂总取水量的 97.6%；台湾 12A 厂在 2022 年底增加再生水供应后，新增约 58 万吨再生水使用量，使得再生水总使用量达到 458 万吨，同比增长 16.9%。联电的远期目标明确了这种用水结构 —— 计划到 2025 年，再生水和淡化水的使用比例达到 18%，到 2030 年在全公司范围内达到 32%。

这些再生系统的架构也很重要。现场回用能快速回收低负荷冲洗水，且停留时间短，可减少生物滋生并限制再污染，但需要子厂房空间、本地控制和可靠的故障隔离。中央回用简化了维护和运营，但如果分类不严格，会增加输送和混合风险。现在许多设施采用混合方案：在边缘进行净化，在中央完成最终处理，并配备自动阀门和分析仪，当水质超出范围时切换路由。控制目标并非不惜一切代价实现高回收率，而是在不影响晶圆循环系统的前提下实现可预测的回收。

在封测厂（OSAT）规模下，日月光（ASE）展示了将分类和按需回用视为生产约束而非附加项目时的成效。该公司报告称，2023 年总取水量为 2147 万吨，消耗量为 608 万吨，厂区级循环计划使废水排放量同比减少 12%。高雄和中坜的回收率约为 70%，马来西亚为 50%，新加坡为 37%，目前多个厂区已引入 ISO 46001 水效管理体系。

这些数字虽不能作为晶圆厂的基准，但证明了在复杂的封装测试运营中，排水分类、与目标规格匹配的净化以及积极的再利用能够实现规模化，且不会影响良率。

支撑这些回收率的基础设施才是真正的经验所在。高雄的专用再生水厂分阶段建设，日处理能力达 3 万吨，回收率约 75%，每日可回用水约 2.25 万吨；中坜厂日处理量约 7000 吨，回收率约 70%。

日月光的操作人员将相对洁净的冲洗水输送至本地净化设施，将再生水用于可耐受更高电导率和 TOC 的公用设施，并保护超纯水循环系统免受反向污染。

分类对热侧也有影响。不再符合前端规格的水流仍可作为冷却塔补水 —— 尤其是在预处理可提高浓缩倍数的情况下。这会减少排污量，降低消耗水量占取水量的比例。但这种取舍因厂区而异：浓缩倍数过高会增加结垢风险和缓蚀剂需求量；分类不充分则会导致洁净水流进入污水排水系统，浪费超纯水厂的处理成果。折中的办法是为排水配备自动路由仪表，将回用网络视为具有统计过程控制（SPC）限值、警报和维护窗口的生产工具。

奥维沃（Ovivo）全球可持续发展经理鲁希克什・马特卡尔表示：“在很大程度上，我们行业仍处于‘一次性用水’阶段 —— 淡水变成超纯水，在晶圆厂使用后变成废水。一代又一代，我们看到回用率在提高，但工艺和非工艺用水用户实际上在争夺相同的淡水，因此分类和路由决定了真正的可循环量。”

路由和回用能解决部分问题，更难的是将整个水 - 能循环作为一个耦合系统来运行 —— 这正是厂区级数字孪生和监控控制发挥作用的地方。一个实用的数字孪生系统会接收来自超纯水设备、再生装置、冷却回路和洗涤器的实时数据，并将这些信号与工程师实际使用的关键绩效指标（KPI）关联起来，例如冷却塔的浓缩倍数、超纯水回收率、分类排水中的 COD 和 TOC 超标情况，以及与设备设定值的偏差。有了这个模型，就能完成普通可编程逻辑控制器（PLC）逻辑无法完成的工作：在更改工艺方案前测试 “假设” 场景；仅在每兆瓦排热节水的情况下安排绝热辅助；在不突破纯度限制的前提下提高回收率。其成果是降低单位热量的用水量，且在设备组合或天气变化时减少意外情况。

第二个好处是故障预判。数字孪生可将硬传感器与 “软传感器” 结合，通过压力、温度和电导率的细微变化推断污染或渗出情况。在高比例循环运行时，这一点至关重要 —— 风险并非来自单一的灾难性事件，而是有机物或可提取物的缓慢漂移，而常规计量方法往往在其影响良率后才能检测到。基于模型的警报和操作手册能缩短这一反馈循环。

联电发言人称：“联电已在设施中实施数字孪生和实时监控系统，以优化水和化学物质的流动。例如，联电在废水处理中采用智能控制以减少化学物质消耗，并在冷水机组系统中应用智能管理以提高能源效率。”

在设备方面，虚拟化将同样的理念推向了上游的研发环节。泛林半导体描述了通过工艺和资产的 “虚拟孪生” 减少物理实验的做法。其结果表明，用经过验证的模拟替代部分实验室工作，除了节省能源和材料外，还能节约水和化学物质等资源。同时，泛林半导体报告称已部署生态传感器和仪表板，实时监控工艺冷却水和其他公用设施 —— 这是使数字孪生在工厂层面发挥作用的遥测数据来源。

实施细节仍很重要。数字孪生的效果取决于其背后的数据和执行器。如果排水分类存在漏洞，或者冷却塔的化学性质和风扇设定值无法从监控层进行调控，那么模型就只是一个好看的可视化工具，没有实际调控能力。同样，如果分析无法检测到 PFAS 流中万亿分之一级别的趋势，或建筑材料中的微量中性物质，数字孪生也无法防止会给超纯水净化和窄 margin 清洁带来压力的缓慢积累。实际测试很简单：模型能否预测并防止下一次超标？能否跨季节通过仪表看到单位热量的节水量？

利布曼表示：“我们所说的数字孪生是对现有（或未来）设施、相互关联的水系统及其性能的模型表示。构建模型不需要人工智能，但一旦开始向其中持续输入信息（包括自动报告、建议和风险管理），一些问题就需要人工智能来解决。”

即使在分类和内部循环良好的晶圆厂，大部分实际消耗也是物理过程（而非化学过程）导致的 —— 即排热过程中的蒸发。设备功率密度、工作周期和当地天气决定了冷却塔的补水量；排污量取决于浓缩倍数和预处理；现代除雾器的漂水量虽小但不为零，因此在厂区规模下，冷却塔的几何形状、除雾器状态和风扇设定值仍很重要。工程上的问题是，在不影响可靠性的前提下，将可变热负荷转化为最小的实际蒸发需求量。

可采取的手段虽常见但相互关联：提高浓缩倍数可减少排污、降低取水量，但会缩小防结垢和腐蚀的化学控制窗口；提高冷却塔补水的预处理质量有助于提高浓缩倍数，但会增加资本和运营成本；混合式和干式冷却器能减少蒸发量，但在许多气候区，空间、噪音和逼近温度限制使其无法取代冷却塔；热回收可降低进入冷却塔的负荷，但需要稳定的废热品位，而在先进工艺节点中，并非总能满足这一条件。

这些选择都不是一劳永逸的解决方案。冷却塔的化学性质、风扇算法和设定值会随季节和设备组合而变化。若工厂不对这些循环进行仪表监测和调试，即使流程图在理论上正确，消耗量也会逐渐增加。

马特卡尔表示：“整个行业都依赖冷却塔利用水的潜热进行排热。效率在不断提高，但与此同时，晶圆厂也在变得更大、更热、更快。一代又一代，我们看到回用率在提高，但工艺和非工艺用水用户实际上在争夺相同的淡水。”

对工程师而言，切实可行的方法是将水模型与能源模型关联起来：针对最能推动冷却塔蒸发的热源制定目标，然后通过仪表验证收益。调整部分高负荷设备的工艺方案以减少闲置热量，可能比优化冷却塔化学处理更有价值；将低负荷冲洗水通过现场回用于冷却塔补水，既能提高浓缩倍数，又能避免洁净水进入污水排水系统；在气候允许的情况下，围绕干球温度峰值时段安排绝热模式运行，可在不影响逼近温度的情况下减少补水量。

在控制方面，科休（Cohu）给出了一个清晰的例子，说明如何通过更好的系统设计和分析减少非工艺用水。2024 年，该公司全公司取水量降至 4870 万升，较 2023 年减少 16%—— 部分原因是菲律宾拉古纳新厂的雨水收集和循环系统节省了该厂约 9% 的年取水量。同一份报告还记录了 2023 年的取水量为 5790 万升，并提到了其他项目，包括加利福尼亚州波威的去离子水循环利用。

虽然这些并非晶圆厂的水量，但它们展示了晶圆厂内部同样适用的手段 —— 分离洁净水流、收集非工艺水源、仪表监测节水量。

利布曼表示：“单个水和废水处理单元的技术已存在，但在考虑气候相关蒸发和特定地点约束的情况下，保持整个厂区的循环优化是核心挑战。困难在于在最低成本下完成所有工作，同时不影响生产或合规性。”

涉及的化学物质并非抽象概念。PFAS 可能来自光刻胶化学品和聚合物基础设施，而四甲基氢氧化铵（TMAH）因历史原因一直处于急性毒性关注的焦点，且相关问题仍具有现实意义。捕获只是工作的一半 —— 若没有可靠的销毁或经证实的封存方法，捕获的 PFAS 会成为递延负债。

工程师了解相关技术工具：在捕获方面，可在适当情况下采用反渗透（RO）和纳滤（NF），在合适场景中使用离子交换（IX）和颗粒活性炭（GAC）；在销毁方面，热解法和电化学方法正在发展，但在实际能耗下的矿化效果仍不稳定。工程上的判断在于确定边界：哪些需在设备或子厂房处进行测量和处理，哪些移至中央处理，哪些完全不允许离开厂区。

菲尼克斯市水务署环境与安全副主管巴里亚・金博尔表示：“我们一直关注针对饮用水中 PFAS 的最大污染物限值（MCL），目前正致力于引入废水检测方法，以便开始收集数据和信息。我们现在的策略是获取数据，了解我们的 PFAS 水平，然后采取必要措施达标。”

测量是首要的限制因素。在万亿分之一级别，计量成本可能超过处理成本。这就是为什么有些运营商将零液体排放（ZLD）作为合规工具而非节水工具来设计。ZLD 消除了排放的不确定性，但并未改变物理规律：它会浓缩必须处理的盐水，增加其他环节的热负荷，且需要与任何前端公用设施相当的可靠性。

FTD 的利布曼表示：“美国环保署（EPA）对饮用水中 PFAS 的指导限值为万亿分之四，这一数值非常非常低。在如此低的水平下，废水中的监测变得困难。高效的 PFAS 处理解决方案仍在开发中。如果无法保证能有效监测和控制，通常建造零液体排放设施会更简单。虽然 ZLD 最大限度地提高了水资源回用的机会，但也有其副作用 —— 会增加碳足迹，且由于需要将部分处理后的出水回用于超纯水系统，也带来了风险。”

PFAS 控制技术正在改进，但在回用率高且需以计量为保障的前沿工艺节点，实际应用仍落后于目标。在有限情况下，ZLD 可作为合理的风险对冲手段，但一旦将能源、盐水结晶和维护成本纳入考虑，它就不是放之四海而皆准的解决方案。晶圆厂和城市的首要任务是尽早对含 PFAS 的水流进行分类，避免混合以减少处理量，并制定能经受第三方审查的监测计划。

每个先进工艺节点项目都面临三个难题：一是持久性化学物质的万亿分之一级别测量；二是高比例循环能否在不产生隐藏副作用的情况下保持足够洁净以保障良率；三是在不带来难以控制的能源和维护负担的前提下减少蒸发损失。理论上每个问题都可解决，但都需要生产级别的证据，而非仅仅是试点结果。

在测量方面，科学研究已领先于许多工厂。捕获系统可去除多种 PFAS 物质和 TMAH 等有毒碱，但可信度取决于仪表的检测结果。在万亿分之一级别，采样误差和分析噪声可能与信号相当 —— 这也是一些设施将零液体排放作为合规对冲手段而非节水计划来评估的原因。它解决了排放问题，但只是将负担转移到了盐水管理和能源消耗上。

循环带来了另一种不确定性。每个循环都会增加停留时间，增加低分子量中性物质或短链含氟片段以常规计量方法难以检测的方式积累的可能性。工程上的解决办法是在设备处加强分类、对高风险水流进行早期预处理，以及采用能在问题影响晶圆前发现它的连续分析技术。在这些控制措施普及之前，关于超纯水系统近乎封闭循环的说法应视为特定厂区的情况，而非普遍现象。

关键不在于晶圆厂是否使用大量水 —— 它们确实使用大量水 —— 而在于这些水去了哪里、有多少被循环利用、有多少被真正消耗。消耗量与热量的关联比与晶圆数量的关联更密切，因此蒸发是水平衡的核心。工程师有切实可行的手段：分类和路由可在不影响良率的情况下提高循环率；材料选择可保护纯度，使水能二次或三次利用；仪表监测可闭合循环，使变化在不同季节和设备组合下保持稳定；当厂界预处理将特殊化学物质挡在下水道外时，市政合作方可将再生水源转化为可靠的供应。

质疑仍然存在：万亿分之一级别的监测必须与声明的可信度相匹配；高比例循环需要生产级证据证明其不会以常规计量方法难以检测的方式积累微量中性物质或聚合物衍生可提取物；零液体排放是合规工具，本身并非美德，且带来了需要长期规划的能源和盐水处理义务。

工程师会认可这种模式：下一轮进展将来自协同协作，而非单一突破。排水分类和按需回用使最洁净的水保持循环；热感知运营减少必须以蒸汽形式流失的水量；厂界预处理和透明报告建立与城市和公众的信任。

当这些环节协同运作且节水量在仪表上得到体现时，规模化用水将成为先进工艺节点制造中可解决的问题，而非障碍。

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