供电老大难！新EUV光刻机为什么是“电力黑洞”

中国台湾地区又双叒叕电力不足了。

近几年，不少媒体都在关注台湾电力问题。2017年8月，因备用容率严重不足，大潭电厂部分机组跳机，影响592万户居民用电；2021年5月又经历连续两次备用容率不足，先后影响462万与100万户居民用电；今年3月又因事故导致南部地区供电失衡，549万户局面再次面对停电困扰。

一次又一次的大范围停电，背后其实有一只庞大的“电老虎”在疯狂吞噬电力，那就是台积电。

从台积电的年报可以看出，2017年开始台积电芯片代工业务业绩飞涨，外加与三星电子的“代工战争”愈发激烈，来自ASML的EUV极紫外光刻机大量进口。就是在这个时间段内，中国台湾一步步陷入了用电危机。

近日，为制造制程更先进、耗电更少的芯片，往往制造需要大量的电力。光刻机巨头ASML最先进极紫外（EUV）光刻机，每台预估耗电1MW（megawatt，百万瓦），约为前几代设备的10倍。鉴于目前中国台湾地区用电紧张的局势，恐将继续影响全台用电。

为什么芯片代工这么费电？EUV光刻机又为什么被称为电力黑洞？

极紫外光的特殊性质

我们知道，光线在穿过不同介质时会发生折射现象，不同波长的光线折射角度也不同。

第一次发现这一原理的人是牛顿。他将太阳光逛街穿过三棱镜后，发现了太阳光是由多种颜色的光组成的。其中的原理就是因为不同波长的光线折射率不同——红光波长较长，折射角度小，紫光波长短，折射角度大。

通过运用这一原理，我们将重要的交通信号灯与车尾设置为红色，即使在雾天司机也可以在远处看到灯亮。

红光的稳定为我们带来了安全便捷的交通环境，而在光谱的对面——紫光区域，则是另一番景象。

EUV（Extreme Ultra-violet）——极紫外光，通常指波长为10-14纳米的光源，具体为波长13.4nm 的紫外线，它的光路极易受到外界干扰。

为了达到超高的精确度来将光路图刻在晶圆上，芯片工程师们采用了不易发生衍射的短波光线——极紫外光。然而光线在从光源发射最终落地晶圆之前，需要经过十几次反射与折射，在 “长途跋涉”之后，到达晶圆的光线强度已经微乎其微。公开数据显示，当光线从光源到达晶圆的时候，光线强度度仅剩2%。

解决这一问题最简便的方法就是增大光源功率，目前ASML公司的EUV的极紫外光光刻机的输出功率是 250 瓦，要达到这样的输出功率，需要0.125万千瓦的电力输入才能维持——相当于2777块3090ti显卡全功率运行。就是这样的“电力黑洞”，仅维持极紫外光源这一项工作，一天就要消耗近3万度电。

此外，超高功率的极紫外激光光源在工作时会产生大量热量，为了维持光源稳定，也需要优秀且完备的冷却、散热系统来保证设备正常工作。

为了维持光线在光刻机内的留存率，光刻机内需要保持真空状态，来避免本就“脆弱”的极紫外光线被空气吸收。

据悉，目前台积电拥有80 台EUV 设备，且正在安装更新下一代。照此估算，台积电一年仅这80台EUV光刻机的耗电量将高达8亿千瓦时。而这也仅仅只是台积电晶圆制造的上百个环节当中最为耗电的其中一个部分。

光刻之外

电力消耗依旧不少

除了光刻曝光，刻蚀、离子注入、气相沉积等流程也是极其耗电的。

晶圆光刻曝光后，还需刻蚀、离子注入等阶段来雕刻集成电路。我们以干法刻蚀举例。干法刻蚀就是利用等离子体进行薄膜刻蚀的一项技术，具有各向异性。通过电场将离子流加速，轰击半导体材料表面来移走特定的硅原子。刻蚀后再将各种离子（如P与N离子）通过电场加速轰击刻蚀好的沟道内，来形成P-N结等电路结构。

目前芯片内部结构极其复杂，电路之间联系紧密，间距极小。一块芯片从开始制造到形成集成电路，像刻蚀、离子注入等流程要重复上百次，电力的大量消耗也在所难免。

今明两年，台积电将在中国台湾规划建设11座晶圆厂，其中大部分为生产2-3nm先进制程的晶圆厂。EUV光刻机必不可少，外加大量配套的刻蚀机等其他设备，因此台积电耗电量还会进一步大幅增长。

台积电2020年的耗电量就达到160亿度，占据整个中国台湾5.9%的用电总量。2021年台积电实际用电量已接近170亿度。预计2025 年，台积电的耗电量将将占中国台湾整体能源消耗的12.5%，较2020年的近6%还要高出1倍。

然而，中国台湾地区还没能摆脱“用爱发电”的束缚。

多次的“废核运动”，让当地已经建设好的核电厂无法获得有效维护。业内人士指出，中国台湾有许多需要运行如此高耗能设备的晶圆厂，使可再生能源更重要紧迫，但中国台湾却严重依赖化石燃料。

高能耗带来的电力危机，注定是半导体制造业绕不开的问题。如何省电，将成为芯片制造业的一大挑战。