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台积电3nm芯片工厂年耗电量将达70亿度

[发布日期:2020-12-30 13:06:15] 点击:


 

  台积电造的每一颗芯片需要经过数千道工序才能完工,而这其中需要利用大量的半导体设备,并一直维持恒温、高压等各种复杂环境,这一切都需要电,造的芯片越多、制程越先进,用的电就越多。

  数据显示,先进制程机台用电量占台积电公司能源使用50%以上,同时考虑先进制程机台数量逐年增加,台积电对于电能的消耗将进一步快速增长。

  由于7nm以下的先进工艺制程必须要使用EUV光刻机,而EUV光刻机的大量使用将会对台湾的供电能力提出巨大挑战。

  SK 海力士此前曾表示,“EUV 的能源转换效率(wall plug efficiency)只有 0.02% 左右。”而造成转换率低的一大原因是,极紫外光本身的损耗过大。

  “极紫外光物理特性与一般常见的紫外光差异极大。这种光非常容易被吸收,连空气都不透光,所以整个生产环境必须抽成真空;同时,也无法以玻璃透镜折射,必须以硅与钼制成的特殊镀膜反射镜,来修正光的前进方向,而且每一次反射仍会损失 3 成能量,但一台 EUV 机台得经过十几面反射镜,将光从光源一路导到晶圆,最后大概只能剩下不到 2% 的光线。”这也是 EUV 机台如此耗电的主因之一。

  如果按照前面的EUV能源转换效率只有0.02% 来计算,目前先进的能输出 250 瓦功率的 EUV的机台,需要输入0.125万千瓦的电力才能达到,这个耗电量是传统氩氟雷射的 10 倍以上。换句话来说,就是一台输出功率250W的EUV机器工作一天,将会消耗3万度电,这个数字确实吓人。

  根据芯智讯了解,要想达到 250 瓦功率的 EUV输出,需要将多台13kW CO2激光器串联接通达到所需的功率要求,最终从等离子体源产生所需的EUV光输出。高科技产生极紫外光的过程非常低效,过去被人们比拟为“用核反应堆提供动力”,但也成为了满足半导体工业批量生产要求扩展EUV输出功率的唯一可行方式。

  另外需要指出的是,如此大的耗电量也不可避免的带来了很大的发热量,因此需要部署相应的冷却系统,而这也将非常的耗电。

  根据今年7月台湾媒体的报道称,随着台积电5nm的大规模量产,台积电今年的单位产品用电量相比去年上升了17.9%,而该公司拟定的目标则为降低11.5%。台媒称,以执行力著称的台积电管理团队,如此大幅落后设定目标,是极罕见的事。

  台积电对此解释称,随着新制程技术与制程复杂度增加,新制程机台用电量上升,导致10nm以下制程产品用电量较16nm以上的制程倍增。有分析称,极可能是EUV导入的速度与量产之后的耗电量超乎预期。

  根据预计,一个7nm的EUV产线可能只需要1台ASML EUV光刻机NXE 3400B即可,但是到了3nm制程产线,如果继续用NXE 3400B,就可能需要4台才能实现,耗电量将更为惊人。

  不过,ASML也正在提升光刻机的效率,比如已推出的改进的NXE:3400C的产能从之前的125WPH(每小时处理晶圆数)提升到了175WPH,同时还将推出针对3nm及以下制程的EXE:5000系列EUV光刻机。希望届时新的EUV光刻机能够进一步提升能效比。但是,单机的能耗恐怕难以实现大幅的降低。

  根据之前的预测,台积电3nm半导体制造厂开启后,预计年耗电量将达到70亿度。而等到2nm制程Fab的量产,其耗电量必然将再度上升到一个新的台阶,未来台积电的用电量将有可能超过台湾总电量的10%。

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