晶圓廠為什麼那麼耗電？

晶圓廠那麼耗電，是因為兩大塊東西都要一直用電。一塊是做晶片的製程機台：把氣體變成電漿、把晶圓加熱、把腔體抽成真空。另一塊是讓整座廠活著的廠務系統：無塵室的空調和送風、做冰水的冰水機、超純水、冷卻水、廢氣處理。幾份公開的研究，年份和算法不一樣，量級卻差不多：機台大約佔全廠用電的四成到一半，剩下的多半是廠務，其中最大的常是空調和做冰水。而且這些東西一年到頭都不關。

晶圓廠的電，都用到哪裡去了？

用電的地方	在做什麼
製程機台	電漿、加熱、真空泵浦、曝光用的光源
無塵室空調與送風	一直把過濾過的風往下吹，讓溫度、濕度不變
冰水機	做冰水，給空調和機台降溫
其他廠務系統	超純水、冷卻水、排氣、尾氣處理、壓縮空氣

這些系統在做什麼，見「廠務工程師在做什麼？」；超純水見「超純水有多純？」，fab 裡還有什麼見「fab 是什麼？」。這裡只看它們為什麼吃電。

無塵室的空調，為什麼那麼吃電？

家裡的冷氣，只要讓房間涼。無塵室的空調要同時做四件事：

1. 風要一直吹：天花板吹下過濾過的風，從有孔的地板回去，再過濾一次。最乾淨的地方，一小時要把整間的空氣換上百次（見「無塵室有多乾淨？」）。風扇二十四小時都在轉。
2. 溫度、濕度要穩：有些步驟，例如黃光，對溫濕度很敏感。外面忽冷忽熱、忽乾忽濕，室內卻要一直一樣。
3. 一直要補新的空氣：機台的排氣一直把空氣抽走，室內氣壓又要比外面高一點。少掉的空氣要從外面補進來，每一口都要過濾，再看天氣降溫、除濕，或加熱、加濕。
4. 要把機台的熱帶走：機台用掉的電，最後幾乎都變成熱，要靠空調和冷卻水搬出去，而做冰水的冰水機本身也要用電。所以機台每用一份電，還要再多花一些電，把它變成的熱搬走。

美國一座國家實驗室研究過：有無塵室、實驗室的建築，同樣大的地方，用的能源可以是一般商業大樓的好幾倍到一百倍。

製程機台的電，用在哪？

• 電漿：蝕刻和長薄膜的很多步驟，要用高頻的電，把氣體變成電漿（見「蝕刻是什麼？」）。一台機台常有好幾個腔體。
• 加熱：爐管把一大批晶圓加熱到很高的溫度（見「爐管在做什麼？」）。
• 真空泵浦：很多步驟在真空裡做。抽真空的泵浦多半放在樓下的廠務層，一直在轉；旁邊把廢氣燒掉或分解的尾氣處理，也要耗能。
• 曝光：最先進的曝光機用的光很難產生，花很大的力氣，只有一小部分變成能用的光（見「極紫外光（EUV）是什麼？」）。

為什麼越先進的製程越耗電？

新一代的晶片，每個開關用的電更少（見「新聞說的「2 奈米」」）。可是做它，要用的電更多：

• 步驟更多：線越細、層越多，一層常要印好幾次、刻好幾次，前後再多洗幾次、量幾次。每多一步，就多一段機台時間，空調和泵浦也陪著多跑一段。
• 有些機台更耗電：例如最先進的曝光機。不過它能把好幾次曝光併成一次，前後的步驟跟著變少，那些步驟的電也省下來。

研究機構和大學的分析都算出：同樣大的一塊晶片，每新一代，製造要用的電都往上加。

為什麼不能關掉省電？

大原因見「晶圓廠為什麼 24 小時不停？」：機台很貴，晶圓要走好幾個月，停了很難再開。電這邊還多兩個理由：

• 空調一關，無塵室就不是無塵室了：微粒、溫濕度、氣壓差都會跑掉，要重新開、重新確認，才能再放晶圓。
• 閒著的機台也在用電：真空要一直維持，爐管常保持在比較溫的狀態；有毒氣體的排氣，更是一刻都不能停（見「晶圓廠用哪些氣體？」）。

停電或電壓一跳，為什麼很嚴重？

外面的電壓突然掉一下，多半不到一秒，叫壓降。家裡的燈閃一下就過了；晶圓廠的機台，可能就這樣停了：機台裡只要一個小零件撐不住，例如某一塊控制電路，整台都會停。

停下來的代價有三個：

1. 裡面的晶圓：停在步驟中間的那幾片，要量過才知道能不能用，有些只能報廢。
2. 重新開機：機台要重開、測機，確認做出來的東西沒問題，才能復機。輕的幾個小時，嚴重的更久。
3. 樓下也要回來：泵浦、排氣、尾氣處理、冷卻水也可能跟著跳。它們沒回來，機台開了也做不了，還可能再跳一次。

所以業界訂了標準，要機台撐過一些短暫的壓降；重要的設備也常接著不斷電系統或發電機。真的停電時，安全排第一：有毒、易燃氣體的供應會自己關上，緊急電源先撐住照明、消防，和有毒氣體的排氣與偵測，檢查過才重新供氣。

晶圓廠怎麼省電？

• 回收熱：從廠裡搬出來的熱，不一定要丟掉。外面的空氣除濕之後常要再加熱，拿回收的熱來用，就能少燒鍋爐、少用電熱。要排出去的空氣，也可以先跟要進來的空氣交換冷熱。
• 風只吹剛好的量：風扇的電跟風量不是一比一，風量少一成，風扇的電可以少兩成到將近三成。風扇和泵浦也常裝變頻，照需要調轉速，不必一直全速。
• 把最乾淨的地方縮小：晶圓裝在密封的 FOUP 裡，到了機台門口才打開，最嚴的乾淨只留給這一小段（見「晶圓怎麼在廠裡移動？」）。整間房間不用吹那麼強的風，就省下不少電。
• 冰水分兩種溫度：不是每個地方都要最冰的水。只有需要的地方用很冰的，其他用沒那麼冰的，冰水機就輕鬆一點。
• 機台閒著，一起休息：業界的標準定義了機台的待機省電狀態；沒在做的時候，還可以通知樓下的泵浦和尾氣處理先放慢，有晶圓要來再回到正常。

在 fab24hr 裡

按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「量產廠」，左右滑到廠務工程師。深夜班「值夜」，你在中控室看一面牆，電力、冷卻水、無塵室溫濕度各是一格；點「電力」，寫著外面送進來的電很穩，沒有掉下來過。早班、午班、晚班，可能遇到隨機事件「電壓驟降」：燈閃了一下，不到一秒，中控室說三台機台、一台泵浦跳了。你要決定先確認排氣、尾氣處理、冷卻水、泵浦都回來了，再請各區復機，還是讓各區先自己復機。當蝕刻製程工程師，也可能從機台那一端遇到同一件事。遊戲裡的廠、人物、機台編號都是虛構的，也沒有寫這座廠用多少電；晶圓廠的電用在哪、為什麼不能停，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。