FTD Solutions 首席執(zhí)行官斯拉瓦?利布曼表示：“就大型新建項(xiàng)目而言，滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)的總需水量可能相當(dāng)于一座百萬(wàn)人口城市的用水量。但這并不意味著所有水都會(huì)流失 —— 大部分會(huì)在廠內(nèi)經(jīng)過(guò)處理后重新利用，而主要的實(shí)際損失是由工廠高能耗導(dǎo)致的蒸發(fā)量?！?/p>

在北鳳凰城等炎熱干旱的流域，由于熱量和氣流推動(dòng)冷卻塔補(bǔ)水，蒸發(fā)量在工廠水平衡中占主導(dǎo)地位；而在氣候涼爽濕潤(rùn)的地區(qū)，同等規(guī)模的工廠在相同產(chǎn)量下，蒸發(fā)損失會(huì)低得多。晶圓廠可通過(guò)更智能的污水分類、回用及熱回收技術(shù)減少需水量，但芯片工藝節(jié)點(diǎn)的升級(jí)和設(shè)備熱負(fù)荷的增加卻會(huì)產(chǎn)生相反的影響。工程師的任務(wù)便是量化這種平衡，投入資源采取緩解措施，并坦誠(chéng)面對(duì)其中的取舍。

菲尼克斯市水資源管理顧問(wèn)馬克斯?威爾遜稱：“要在亞利桑那州中部動(dòng)工建設(shè)，指定的供水商必須證明其已具備滿足長(zhǎng)期發(fā)展需求的水資源。以臺(tái)積電及北鳳凰城周邊的開發(fā)項(xiàng)目為例，菲尼克斯作為指定供水商，已證明其供水能力可支持該區(qū)域未來(lái) 100 年的發(fā)展?！?/p>

對(duì)市政合作方而言，水質(zhì)與水量同等重要。工業(yè)再生水廠和廠內(nèi)污染物過(guò)濾設(shè)施能降低下游風(fēng)險(xiǎn)，如今已成為前沿項(xiàng)目的標(biāo)配。

菲尼克斯市水務(wù)署環(huán)境與安全副主管巴里亞?金博爾表示：“我們對(duì)北鳳凰城半導(dǎo)體工廠的要求是，在排放前需通過(guò)工業(yè)再生水廠的反滲透處理。這一步驟會(huì)在污水進(jìn)入我們的下水道前去除相關(guān)污染物，有助于保護(hù)收集系統(tǒng)和城市污水處理廠。”

實(shí)際中的晶圓廠水平衡

現(xiàn)代晶圓廠的水系統(tǒng)由一系列相互關(guān)聯(lián)的循環(huán)組成。原水或再生進(jìn)水經(jīng)處理后成為超純水（UPW），用于晶圓相關(guān)工序。廢水分按化學(xué)性質(zhì)分類，經(jīng)凈化后用于要求較低的環(huán)節(jié)，最終進(jìn)入冷卻系統(tǒng)和洗滌系統(tǒng)，之后再排放。若將取水、回用和消耗分開來(lái)看，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)更容易理解。

取水：廠區(qū)取水量取決于規(guī)模、工藝節(jié)點(diǎn)和氣候。以英特爾奧科蒂洛園區(qū)的環(huán)境評(píng)估為例，全面建成后，該園區(qū)內(nèi)三座先進(jìn)晶圓廠的日取水量約為 1400 萬(wàn)加侖，其中約 400 萬(wàn)加侖為飲用水，1000 萬(wàn)加侖為再生水。具體到各晶圓廠，52 號(hào)廠的模擬取水量為 400 萬(wàn)加侖 / 日，62 號(hào)廠為 500 萬(wàn)加侖 / 日，42 號(hào)廠為 300 萬(wàn)加侖 / 日。

這些是大型多晶圓廠園區(qū)的取水量，而非凈消耗量，且主要依賴市政再生水，使飲用水的使用負(fù)擔(dān)減少了三分之二以上。在炎熱氣候下，類似的多晶圓廠園區(qū)取水量也大致在此范圍；小型單模塊廠區(qū)的取水量則會(huì)相應(yīng)減少。這些都是經(jīng)過(guò)工程設(shè)計(jì)的取水量（而非損失量），涵蓋了工藝和非工藝用水需求。

回用：在廠內(nèi)，水會(huì)經(jīng)過(guò)多個(gè)使用周期。高規(guī)格的超純水僅與晶圓接觸一次，但沖洗水和低負(fù)荷側(cè)流通常會(huì)被收集起來(lái)，用于冷卻塔、廠房洗滌器和公用事業(yè)用水等敏感度較低的場(chǎng)景。回用的實(shí)際限制在于成本、化學(xué)性質(zhì)以及極低缺陷率下的交叉污染風(fēng)險(xiǎn)。

imec 首席戰(zhàn)略官兼執(zhí)行副總裁喬?德博克表示：“在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)中，水的回用并非可選項(xiàng)。不能浪費(fèi)水資源，因此我們的晶圓廠需要成為展示可持續(xù)發(fā)展如何融入制造鏈的實(shí)驗(yàn)室?！?/p>

消耗：真正的消耗是指未回流至管道的水。主要有兩種途徑 —— 冷卻塔中的蒸發(fā)，以及加濕或氣體洗滌過(guò)程中排放到大氣中的水。IRDS 強(qiáng)調(diào)冷卻塔是主要的損失來(lái)源，這與全行業(yè)的廠區(qū)測(cè)量結(jié)果一致。在運(yùn)行良好的系統(tǒng)中，洗滌器的排污和漂水雖存在，但屬于次要損失。

熱量方面可以解釋這種規(guī)模變化。每一代新工藝節(jié)點(diǎn)都會(huì)增加圖案化步驟、腔體清潔次數(shù)和更長(zhǎng)的高溫循環(huán)時(shí)間，更多的熱量必須從設(shè)備傳遞到冷凍水，再通過(guò)蒸發(fā)冷卻塔排出。這就是為什么在鳳凰城的前沿晶圓廠，其消耗水量占取水量的比例會(huì)高于在沿海氣候區(qū)（環(huán)境濕度更高、干球溫度更低）的同類型晶圓廠。

市政公用事業(yè)部門正根據(jù)這一實(shí)際情況進(jìn)行建設(shè)。他們期望工業(yè)用戶在廠內(nèi)進(jìn)行更多的預(yù)處理，并基于 “與工藝節(jié)點(diǎn)相關(guān)的熱量導(dǎo)致冷卻消耗水量增加” 這一假設(shè)，制定自身的工廠和含水層策略。

金博爾表示：“在我們的公用事業(yè)系統(tǒng)中，會(huì)密切跟蹤新興污染物，并要求高影響用戶在排放前盡可能去除污染物。如果工業(yè)再生水廠能做好本職工作，就能保護(hù)我們的下游資產(chǎn)，并在這些水最終循環(huán)回到飲用水供應(yīng)系統(tǒng)時(shí)，保持河流和含水層的良好狀態(tài)?！?/p>

報(bào)告必須指出不確定性。實(shí)際回用率屬于專有信息，且會(huì)因廠區(qū)、季節(jié)和產(chǎn)能提升狀態(tài)而異。公共企業(yè)報(bào)告可以揭示趨勢(shì)，但設(shè)備制造商的數(shù)據(jù)集并不能直接對(duì)應(yīng)晶圓廠的情況。例如，泛林半導(dǎo)體報(bào)告稱，自 2019 年以來(lái)，其在自身制造和實(shí)驗(yàn)室中累計(jì)節(jié)省了 8060 萬(wàn)加侖水，并記錄了重大的內(nèi)部再生項(xiàng)目。

這些數(shù)字證實(shí)了有針對(duì)性的審計(jì)和規(guī)?；赜玫挠行?，但不能作為 5nm 晶圓代工廠廠區(qū)級(jí)質(zhì)量平衡的直接基準(zhǔn)。工程師應(yīng)將其視為 “晶圓廠采用類似方法可實(shí)現(xiàn)實(shí)際節(jié)水” 的證據(jù)，而非直接的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

最后，市政供水必須進(jìn)行長(zhǎng)期規(guī)劃。菲尼克斯的指定供應(yīng)商框架展示了城市如何結(jié)合住宅增長(zhǎng)和迭代的總體規(guī)劃更新來(lái)評(píng)估工業(yè)需求。這種治理是水資源故事的一部分 —— 若能明確再生水補(bǔ)償和管道建設(shè)順序，可加速晶圓廠項(xiàng)目；若規(guī)劃信號(hào)不明確，則可能使項(xiàng)目停滯。

威爾遜表示：“我們每五年重新審視一次基礎(chǔ)設(shè)施總體規(guī)劃。這種節(jié)奏使我們能夠納入重大變化，包括半導(dǎo)體需求及其周邊的配套開發(fā)，然后按正確順序規(guī)劃新管道和工廠的建設(shè)。”

首要限制并非能將多少水引入廠區(qū)，而是水進(jìn)入工廠后能保持多久的潔凈度?！案鶕?jù) SEMI F63 標(biāo)準(zhǔn)，先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的清潔和化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）依賴于電阻率> 18.2 MΩ?cm 且有機(jī)物含量低于亞 ppb 級(jí)的超純水，而 IRDS 指出，現(xiàn)代節(jié)點(diǎn)需要控制 10nm 以下的顆粒?！?/p>

只有當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)像水的潔凈室一樣運(yùn)作時(shí)，才能達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)。儲(chǔ)罐、襯里、閥門、墊片和配送管道不能向循環(huán)系統(tǒng)中釋放可提取物，否則循環(huán)潛力會(huì)下降，更多水流將被迫排放。

利布曼表示：“在超純水系統(tǒng)中去除原水中的污染物并不復(fù)雜，更復(fù)雜的是如何在處理過(guò)程中不產(chǎn)生污染 —— 因?yàn)橄到y(tǒng)并非完全惰性。你需要所有組件都具有高純度，并且設(shè)計(jì)時(shí)要最大限度地減少污染，包括不會(huì)滲出物質(zhì)且不會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物污染的材料（例如，處理總有機(jī)碳的紫外線燈會(huì)產(chǎn)生對(duì)生產(chǎn)有害的過(guò)氧化氫）?！?/p>

因此，材料的選擇決定了良率。如果集液槽涂層或儲(chǔ)罐襯里產(chǎn)生低分子量有機(jī)物或微量離子，會(huì)導(dǎo)致膜更快污染、凈化步驟負(fù)荷更重，廠區(qū)不得不比計(jì)劃更早地排放部分未完全使用的水。這會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)水量增加，在炎熱氣候下，還會(huì)增加冷卻塔的蒸發(fā)損失。要保持循環(huán)的可行性，就需根據(jù)可提取物和滲透性來(lái)指定基礎(chǔ)設(shè)施（而非僅根據(jù)一般的耐化學(xué)性），并驗(yàn)證原位清潔方案不會(huì)隨時(shí)間降解這些材料。

宣偉防護(hù)與海洋涂料公司施工解決方案主管蒂莫西?麥克多諾表示：“隨著可持續(xù)發(fā)展成為核心運(yùn)營(yíng)支柱，業(yè)主正優(yōu)先考慮支持水資源回收和化學(xué)物質(zhì)管理的基礎(chǔ)設(shè)施。低可提取性、低滲透性的襯里能在不滲出污染物的情況下提高回收率，這對(duì)維持超純環(huán)境中的水質(zhì)至關(guān)重要?！?/p>

此外，在檢測(cè)極限方面也存在問(wèn)題。隨著回用比例的提高，微量中性物質(zhì)和極小分子片段可能會(huì)以常規(guī)計(jì)量方法難以檢測(cè)的方式積累。全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）等持久性物質(zhì)就是典型例子，現(xiàn)在有多個(gè)廠區(qū)在這些風(fēng)險(xiǎn)首次出現(xiàn)的環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)預(yù)處理或銷毀工藝。這是審慎的工程做法，但依賴于往往達(dá)到或超過(guò)萬(wàn)億分之一級(jí)別的檢測(cè)極限。實(shí)際結(jié)論是，需將純度視為全廠范圍的約束條件。

在純度決定上限的前提下，下一個(gè)關(guān)鍵手段是如何對(duì)水流進(jìn)行分離和路由 —— 因?yàn)榉诸惡桶葱杌赜脹Q定了工廠在生產(chǎn)中能接近這一上限的程度。

分類是 “書面上的循環(huán)計(jì)劃” 與 “能在生產(chǎn)中實(shí)際生效的循環(huán)計(jì)劃” 之間的區(qū)別。原則很簡(jiǎn)單：將相對(duì)潔凈的沖洗水與高化學(xué)需氧量（COD）或含金屬的排水分開，在本地或中央進(jìn)行凈化，然后輸送到符合規(guī)格要求的地方。在許多生產(chǎn)線中，這意味著將一部分水返回至超純水補(bǔ)給系統(tǒng)，其余部分則用于冷卻塔、濕式洗滌器等可耐受更高電導(dǎo)率和總有機(jī)碳（TOC）的設(shè)施。在設(shè)備處對(duì)排水進(jìn)行越嚴(yán)格的分類，中央工廠的工作量就越小，在不影響良率的情況下整體循環(huán)率就越高。

聯(lián)電（UMC）公布的數(shù)據(jù)足以說(shuō)明在晶圓代工廠規(guī)模下，規(guī)范的分類和回用是什么樣的。聯(lián)電全公司的工藝用水回收率為 84.3%，“新晶圓廠區(qū)” 將廢水分為多達(dá) 27 類，以避免混合并簡(jiǎn)化下游處理。僅 2023 年，該集團(tuán)通過(guò)多年項(xiàng)目就實(shí)現(xiàn)了約 82.5 萬(wàn)噸的增量節(jié)水和約 547 萬(wàn)噸的累計(jì)節(jié)水。在確保純度的前提下，路由和按需凈化發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

再生水源也是聯(lián)電運(yùn)營(yíng)的優(yōu)先事項(xiàng)，而非應(yīng)急措施。2024 年，新加坡 12i 廠使用了約 400 萬(wàn)噸再生水，占該廠總?cè)∷康?97.6%；臺(tái)灣 12A 廠在 2022 年底增加再生水供應(yīng)后，新增約 58 萬(wàn)噸再生水使用量，使得再生水總使用量達(dá)到 458 萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng) 16.9%。聯(lián)電的遠(yuǎn)期目標(biāo)明確了這種用水結(jié)構(gòu) —— 計(jì)劃到 2025 年，再生水和淡化水的使用比例達(dá)到 18%，到 2030 年在全公司范圍內(nèi)達(dá)到 32%。

這些再生系統(tǒng)的架構(gòu)也很重要?，F(xiàn)場(chǎng)回用能快速回收低負(fù)荷沖洗水，且停留時(shí)間短，可減少生物滋生并限制再污染，但需要子廠房空間、本地控制和可靠的故障隔離。中央回用簡(jiǎn)化了維護(hù)和運(yùn)營(yíng)，但如果分類不嚴(yán)格，會(huì)增加輸送和混合風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)在許多設(shè)施采用混合方案：在邊緣進(jìn)行凈化，在中央完成最終處理，并配備自動(dòng)閥門和分析儀，當(dāng)水質(zhì)超出范圍時(shí)切換路由。控制目標(biāo)并非不惜一切代價(jià)實(shí)現(xiàn)高回收率，而是在不影響晶圓循環(huán)系統(tǒng)的前提下實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)的回收。

在封測(cè)廠（OSAT）規(guī)模下，日月光（ASE）展示了將分類和按需回用視為生產(chǎn)約束而非附加項(xiàng)目時(shí)的成效。該公司報(bào)告稱，2023 年總?cè)∷繛?2147 萬(wàn)噸，消耗量為 608 萬(wàn)噸，廠區(qū)級(jí)循環(huán)計(jì)劃使廢水排放量同比減少 12%。高雄和中壢的回收率約為 70%，馬來(lái)西亞為 50%，新加坡為 37%，目前多個(gè)廠區(qū)已引入 ISO 46001 水效管理體系。

這些數(shù)字雖不能作為晶圓廠的基準(zhǔn)，但證明了在復(fù)雜的封裝測(cè)試運(yùn)營(yíng)中，排水分類、與目標(biāo)規(guī)格匹配的凈化以及積極的再利用能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；?，且不會(huì)影響良率。

支撐這些回收率的基礎(chǔ)設(shè)施才是真正的經(jīng)驗(yàn)所在。高雄的專用再生水廠分階段建設(shè)，日處理能力達(dá) 3 萬(wàn)噸，回收率約 75%，每日可回用水約 2.25 萬(wàn)噸；中壢廠日處理量約 7000 噸，回收率約 70%。

日月光的操作人員將相對(duì)潔凈的沖洗水輸送至本地凈化設(shè)施，將再生水用于可耐受更高電導(dǎo)率和 TOC 的公用設(shè)施，并保護(hù)超純水循環(huán)系統(tǒng)免受反向污染。

分類對(duì)熱側(cè)也有影響。不再符合前端規(guī)格的水流仍可作為冷卻塔補(bǔ)水 —— 尤其是在預(yù)處理可提高濃縮倍數(shù)的情況下。這會(huì)減少排污量，降低消耗水量占取水量的比例。但這種取舍因廠區(qū)而異：濃縮倍數(shù)過(guò)高會(huì)增加結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)和緩蝕劑需求量；分類不充分則會(huì)導(dǎo)致潔凈水流進(jìn)入污水排水系統(tǒng)，浪費(fèi)超純水廠的處理成果。折中的辦法是為排水配備自動(dòng)路由儀表，將回用網(wǎng)絡(luò)視為具有統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（SPC）限值、警報(bào)和維護(hù)窗口的生產(chǎn)工具。

奧維沃（Ovivo）全球可持續(xù)發(fā)展經(jīng)理魯?？耸?馬特卡爾表示：“在很大程度上，我們行業(yè)仍處于‘一次性用水’階段 —— 淡水變成超純水，在晶圓廠使用后變成廢水。一代又一代，我們看到回用率在提高，但工藝和非工藝用水用戶實(shí)際上在爭(zhēng)奪相同的淡水，因此分類和路由決定了真正的可循環(huán)量。”

路由和回用能解決部分問(wèn)題，更難的是將整個(gè)水 - 能循環(huán)作為一個(gè)耦合系統(tǒng)來(lái)運(yùn)行 —— 這正是廠區(qū)級(jí)數(shù)字孿生和監(jiān)控控制發(fā)揮作用的地方。一個(gè)實(shí)用的數(shù)字孿生系統(tǒng)會(huì)接收來(lái)自超純水設(shè)備、再生裝置、冷卻回路和洗滌器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將這些信號(hào)與工程師實(shí)際使用的關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)（KPI）關(guān)聯(lián)起來(lái)，例如冷卻塔的濃縮倍數(shù)、超純水回收率、分類排水中的 COD 和 TOC 超標(biāo)情況，以及與設(shè)備設(shè)定值的偏差。有了這個(gè)模型，就能完成普通可編程邏輯控制器（PLC）邏輯無(wú)法完成的工作：在更改工藝方案前測(cè)試 “假設(shè)” 場(chǎng)景；僅在每兆瓦排熱節(jié)水的情況下安排絕熱輔助；在不突破純度限制的前提下提高回收率。其成果是降低單位熱量的用水量，且在設(shè)備組合或天氣變化時(shí)減少意外情況。

第二個(gè)好處是故障預(yù)判。數(shù)字孿生可將硬傳感器與 “軟傳感器” 結(jié)合，通過(guò)壓力、溫度和電導(dǎo)率的細(xì)微變化推斷污染或滲出情況。在高比例循環(huán)運(yùn)行時(shí)，這一點(diǎn)至關(guān)重要 —— 風(fēng)險(xiǎn)并非來(lái)自單一的災(zāi)難性事件，而是有機(jī)物或可提取物的緩慢漂移，而常規(guī)計(jì)量方法往往在其影響良率后才能檢測(cè)到。基于模型的警報(bào)和操作手冊(cè)能縮短這一反饋循環(huán)。

聯(lián)電發(fā)言人稱：“聯(lián)電已在設(shè)施中實(shí)施數(shù)字孿生和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，以優(yōu)化水和化學(xué)物質(zhì)的流動(dòng)。例如，聯(lián)電在廢水處理中采用智能控制以減少化學(xué)物質(zhì)消耗，并在冷水機(jī)組系統(tǒng)中應(yīng)用智能管理以提高能源效率。”

在設(shè)備方面，虛擬化將同樣的理念推向了上游的研發(fā)環(huán)節(jié)。泛林半導(dǎo)體描述了通過(guò)工藝和資產(chǎn)的 “虛擬孿生” 減少物理實(shí)驗(yàn)的做法。其結(jié)果表明，用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的模擬替代部分實(shí)驗(yàn)室工作，除了節(jié)省能源和材料外，還能節(jié)約水和化學(xué)物質(zhì)等資源。同時(shí)，泛林半導(dǎo)體報(bào)告稱已部署生態(tài)傳感器和儀表板，實(shí)時(shí)監(jiān)控工藝?yán)鋮s水和其他公用設(shè)施 —— 這是使數(shù)字孿生在工廠層面發(fā)揮作用的遙測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源。

實(shí)施細(xì)節(jié)仍很重要。數(shù)字孿生的效果取決于其背后的數(shù)據(jù)和執(zhí)行器。如果排水分類存在漏洞，或者冷卻塔的化學(xué)性質(zhì)和風(fēng)扇設(shè)定值無(wú)法從監(jiān)控層進(jìn)行調(diào)控，那么模型就只是一個(gè)好看的可視化工具，沒(méi)有實(shí)際調(diào)控能力。同樣，如果分析無(wú)法檢測(cè)到 PFAS 流中萬(wàn)億分之一級(jí)別的趨勢(shì)，或建筑材料中的微量中性物質(zhì)，數(shù)字孿生也無(wú)法防止會(huì)給超純水凈化和窄 margin 清潔帶來(lái)壓力的緩慢積累。實(shí)際測(cè)試很簡(jiǎn)單：模型能否預(yù)測(cè)并防止下一次超標(biāo)？能否跨季節(jié)通過(guò)儀表看到單位熱量的節(jié)水量？

利布曼表示：“我們所說(shuō)的數(shù)字孿生是對(duì)現(xiàn)有（或未來(lái)）設(shè)施、相互關(guān)聯(lián)的水系統(tǒng)及其性能的模型表示。構(gòu)建模型不需要人工智能，但一旦開始向其中持續(xù)輸入信息（包括自動(dòng)報(bào)告、建議和風(fēng)險(xiǎn)管理），一些問(wèn)題就需要人工智能來(lái)解決。”

即使在分類和內(nèi)部循環(huán)良好的晶圓廠，大部分實(shí)際消耗也是物理過(guò)程（而非化學(xué)過(guò)程）導(dǎo)致的 —— 即排熱過(guò)程中的蒸發(fā)。設(shè)備功率密度、工作周期和當(dāng)?shù)靥鞖鉀Q定了冷卻塔的補(bǔ)水量；排污量取決于濃縮倍數(shù)和預(yù)處理；現(xiàn)代除霧器的漂水量雖小但不為零，因此在廠區(qū)規(guī)模下，冷卻塔的幾何形狀、除霧器狀態(tài)和風(fēng)扇設(shè)定值仍很重要。工程上的問(wèn)題是，在不影響可靠性的前提下，將可變熱負(fù)荷轉(zhuǎn)化為最小的實(shí)際蒸發(fā)需求量。

可采取的手段雖常見但相互關(guān)聯(lián)：提高濃縮倍數(shù)可減少排污、降低取水量，但會(huì)縮小防結(jié)垢和腐蝕的化學(xué)控制窗口；提高冷卻塔補(bǔ)水的預(yù)處理質(zhì)量有助于提高濃縮倍數(shù)，但會(huì)增加資本和運(yùn)營(yíng)成本；混合式和干式冷卻器能減少蒸發(fā)量，但在許多氣候區(qū)，空間、噪音和逼近溫度限制使其無(wú)法取代冷卻塔；熱回收可降低進(jìn)入冷卻塔的負(fù)荷，但需要穩(wěn)定的廢熱品位，而在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)中，并非總能滿足這一條件。

這些選擇都不是一勞永逸的解決方案。冷卻塔的化學(xué)性質(zhì)、風(fēng)扇算法和設(shè)定值會(huì)隨季節(jié)和設(shè)備組合而變化。若工廠不對(duì)這些循環(huán)進(jìn)行儀表監(jiān)測(cè)和調(diào)試，即使流程圖在理論上正確，消耗量也會(huì)逐漸增加。

馬特卡爾表示：“整個(gè)行業(yè)都依賴?yán)鋮s塔利用水的潛熱進(jìn)行排熱。效率在不斷提高，但與此同時(shí)，晶圓廠也在變得更大、更熱、更快。一代又一代，我們看到回用率在提高，但工藝和非工藝用水用戶實(shí)際上在爭(zhēng)奪相同的淡水。”

對(duì)工程師而言，切實(shí)可行的方法是將水模型與能源模型關(guān)聯(lián)起來(lái)：針對(duì)最能推動(dòng)冷卻塔蒸發(fā)的熱源制定目標(biāo)，然后通過(guò)儀表驗(yàn)證收益。調(diào)整部分高負(fù)荷設(shè)備的工藝方案以減少閑置熱量，可能比優(yōu)化冷卻塔化學(xué)處理更有價(jià)值；將低負(fù)荷沖洗水通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)回用于冷卻塔補(bǔ)水，既能提高濃縮倍數(shù)，又能避免潔凈水進(jìn)入污水排水系統(tǒng)；在氣候允許的情況下，圍繞干球溫度峰值時(shí)段安排絕熱模式運(yùn)行，可在不影響逼近溫度的情況下減少補(bǔ)水量。

在控制方面，科休（Cohu）給出了一個(gè)清晰的例子，說(shuō)明如何通過(guò)更好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析減少非工藝用水。2024 年，該公司全公司取水量降至 4870 萬(wàn)升，較 2023 年減少 16%—— 部分原因是菲律賓拉古納新廠的雨水收集和循環(huán)系統(tǒng)節(jié)省了該廠約 9% 的年取水量。同一份報(bào)告還記錄了 2023 年的取水量為 5790 萬(wàn)升，并提到了其他項(xiàng)目，包括加利福尼亞州波威的去離子水循環(huán)利用。

雖然這些并非晶圓廠的水量，但它們展示了晶圓廠內(nèi)部同樣適用的手段 —— 分離潔凈水流、收集非工藝水源、儀表監(jiān)測(cè)節(jié)水量。

利布曼表示：“單個(gè)水和廢水處理單元的技術(shù)已存在，但在考慮氣候相關(guān)蒸發(fā)和特定地點(diǎn)約束的情況下，保持整個(gè)廠區(qū)的循環(huán)優(yōu)化是核心挑戰(zhàn)。困難在于在最低成本下完成所有工作，同時(shí)不影響生產(chǎn)或合規(guī)性?！?/p>

涉及的化學(xué)物質(zhì)并非抽象概念。PFAS 可能來(lái)自光刻膠化學(xué)品和聚合物基礎(chǔ)設(shè)施，而四甲基氫氧化銨（TMAH）因歷史原因一直處于急性毒性關(guān)注的焦點(diǎn)，且相關(guān)問(wèn)題仍具有現(xiàn)實(shí)意義。捕獲只是工作的一半 —— 若沒(méi)有可靠的銷毀或經(jīng)證實(shí)的封存方法，捕獲的 PFAS 會(huì)成為遞延負(fù)債。

工程師了解相關(guān)技術(shù)工具：在捕獲方面，可在適當(dāng)情況下采用反滲透（RO）和納濾（NF），在合適場(chǎng)景中使用離子交換（IX）和顆?；钚蕴浚℅AC）；在銷毀方面，熱解法和電化學(xué)方法正在發(fā)展，但在實(shí)際能耗下的礦化效果仍不穩(wěn)定。工程上的判斷在于確定邊界：哪些需在設(shè)備或子廠房處進(jìn)行測(cè)量和處理，哪些移至中央處理，哪些完全不允許離開廠區(qū)。

菲尼克斯市水務(wù)署環(huán)境與安全副主管巴里亞?金博爾表示：“我們一直關(guān)注針對(duì)飲用水中 PFAS 的最大污染物限值（MCL），目前正致力于引入廢水檢測(cè)方法，以便開始收集數(shù)據(jù)和信息。我們現(xiàn)在的策略是獲取數(shù)據(jù)，了解我們的 PFAS 水平，然后采取必要措施達(dá)標(biāo)。”

測(cè)量是首要的限制因素。在萬(wàn)億分之一級(jí)別，計(jì)量成本可能超過(guò)處理成本。這就是為什么有些運(yùn)營(yíng)商將零液體排放（ZLD）作為合規(guī)工具而非節(jié)水工具來(lái)設(shè)計(jì)。ZLD 消除了排放的不確定性，但并未改變物理規(guī)律：它會(huì)濃縮必須處理的鹽水，增加其他環(huán)節(jié)的熱負(fù)荷，且需要與任何前端公用設(shè)施相當(dāng)?shù)目煽啃浴?/p>

FTD 的利布曼表示：“美國(guó)環(huán)保署（EPA）對(duì)飲用水中 PFAS 的指導(dǎo)限值為萬(wàn)億分之四，這一數(shù)值非常非常低。在如此低的水平下，廢水中的監(jiān)測(cè)變得困難。高效的 PFAS 處理解決方案仍在開發(fā)中。如果無(wú)法保證能有效監(jiān)測(cè)和控制，通常建造零液體排放設(shè)施會(huì)更簡(jiǎn)單。雖然 ZLD 最大限度地提高了水資源回用的機(jī)會(huì)，但也有其副作用 —— 會(huì)增加碳足跡，且由于需要將部分處理后的出水回用于超純水系統(tǒng)，也帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>

PFAS 控制技術(shù)正在改進(jìn)，但在回用率高且需以計(jì)量為保障的前沿工藝節(jié)點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用仍落后于目標(biāo)。在有限情況下，ZLD 可作為合理的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)沖手段，但一旦將能源、鹽水結(jié)晶和維護(hù)成本納入考慮，它就不是放之四海而皆準(zhǔn)的解決方案。晶圓廠和城市的首要任務(wù)是盡早對(duì)含 PFAS 的水流進(jìn)行分類，避免混合以減少處理量，并制定能經(jīng)受第三方審查的監(jiān)測(cè)計(jì)劃。

每個(gè)先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)項(xiàng)目都面臨三個(gè)難題：一是持久性化學(xué)物質(zhì)的萬(wàn)億分之一級(jí)別測(cè)量；二是高比例循環(huán)能否在不產(chǎn)生隱藏副作用的情況下保持足夠潔凈以保障良率；三是在不帶來(lái)難以控制的能源和維護(hù)負(fù)擔(dān)的前提下減少蒸發(fā)損失。理論上每個(gè)問(wèn)題都可解決，但都需要生產(chǎn)級(jí)別的證據(jù)，而非僅僅是試點(diǎn)結(jié)果。

在測(cè)量方面，科學(xué)研究已領(lǐng)先于許多工廠。捕獲系統(tǒng)可去除多種 PFAS 物質(zhì)和 TMAH 等有毒堿，但可信度取決于儀表的檢測(cè)結(jié)果。在萬(wàn)億分之一級(jí)別，采樣誤差和分析噪聲可能與信號(hào)相當(dāng) —— 這也是一些設(shè)施將零液體排放作為合規(guī)對(duì)沖手段而非節(jié)水計(jì)劃來(lái)評(píng)估的原因。它解決了排放問(wèn)題，但只是將負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移到了鹽水管理和能源消耗上。

循環(huán)帶來(lái)了另一種不確定性。每個(gè)循環(huán)都會(huì)增加停留時(shí)間，增加低分子量中性物質(zhì)或短鏈含氟片段以常規(guī)計(jì)量方法難以檢測(cè)的方式積累的可能性。工程上的解決辦法是在設(shè)備處加強(qiáng)分類、對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)水流進(jìn)行早期預(yù)處理，以及采用能在問(wèn)題影響晶圓前發(fā)現(xiàn)它的連續(xù)分析技術(shù)。在這些控制措施普及之前，關(guān)于超純水系統(tǒng)近乎封閉循環(huán)的說(shuō)法應(yīng)視為特定廠區(qū)的情況，而非普遍現(xiàn)象。

關(guān)鍵不在于晶圓廠是否使用大量水 —— 它們確實(shí)使用大量水 —— 而在于這些水去了哪里、有多少被循環(huán)利用、有多少被真正消耗。消耗量與熱量的關(guān)聯(lián)比與晶圓數(shù)量的關(guān)聯(lián)更密切，因此蒸發(fā)是水平衡的核心。工程師有切實(shí)可行的手段：分類和路由可在不影響良率的情況下提高循環(huán)率；材料選擇可保護(hù)純度，使水能二次或三次利用；儀表監(jiān)測(cè)可閉合循環(huán)，使變化在不同季節(jié)和設(shè)備組合下保持穩(wěn)定；當(dāng)廠界預(yù)處理將特殊化學(xué)物質(zhì)擋在下水道外時(shí)，市政合作方可將再生水源轉(zhuǎn)化為可靠的供應(yīng)。

質(zhì)疑仍然存在：萬(wàn)億分之一級(jí)別的監(jiān)測(cè)必須與聲明的可信度相匹配；高比例循環(huán)需要生產(chǎn)級(jí)證據(jù)證明其不會(huì)以常規(guī)計(jì)量方法難以檢測(cè)的方式積累微量中性物質(zhì)或聚合物衍生可提取物；零液體排放是合規(guī)工具，本身并非美德，且?guī)?lái)了需要長(zhǎng)期規(guī)劃的能源和鹽水處理義務(wù)。

工程師會(huì)認(rèn)可這種模式：下一輪進(jìn)展將來(lái)自協(xié)同協(xié)作，而非單一突破。排水分類和按需回用使最潔凈的水保持循環(huán)；熱感知運(yùn)營(yíng)減少必須以蒸汽形式流失的水量；廠界預(yù)處理和透明報(bào)告建立與城市和公眾的信任。

當(dāng)這些環(huán)節(jié)協(xié)同運(yùn)作且節(jié)水量在儀表上得到體現(xiàn)時(shí)，規(guī)模化用水將成為先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)制造中可解決的問(wèn)題，而非障礙。