Đài Loan với nước và sản xuất bán dẫn

ngày này năm ngoái, Đài Loan đang trải qua nạn hạn hán lớn nhất. Dù miền tây bắc – thành phố Đài Bắc ít chịu ảnh hưởng, nhờ có đủ bể chứa nước, những khu khác như Đài Nam, Cao Hùng, Đài Trung và Tân Trúc đang đau khổ. Cơ sở dự trữ nước không đủ và nhu cầu nước lớn hơn.

hồ Baoshan ở thành phố Tân Trúc

báo đưa tin TSMC chi ra 28.6 triệu usd vận chuyển xe tải nước xuống nhà máy tỉnh Đài Nam.

TSMC và Intel và loạt công ty chíp bán dẫn khác cũng đang xây dựng dây chuyền làm chíp bán dẫn trọn gói của họ ở Arizona, vùng đất được thiên nhiên ban tặng rừng vàng biển bạc và nhiều nước ngọt.

Ngành công nghiệp từ lâu đã phải đối mặt với vấn đề sử dụng nước trong sản xuất.

Tiêu thụ nước trong nông nghiệp và công nghiệp từ lâu đã vượt trội so với sử dụng của cư dân hộ gia đình. Dây chuyền sản xuất bán dẫn trọn gói, đặc biệt dùng nhiều hơn cả. Hầu hết nước dùng để rửa sạch tấm wafer, 30 đến 40% các bước đúc chế wafer hiện đại liên quan đến một dạng làm sạch wafer.

Ví dụ một bước tên là “Làm sạch ướt”, trong bước đó là một loạt các bước nhỏ hơn gột sạch tế bào sinh học, kim loại và dị vật khỏi tấm wafer. Giữa mỗi bước nhỏ đó nước được đưa vào để xoay (như trong máy giặt) giặt sạch các chất hóa học từ bước nhỏ trước.

Nước trong công nghiệp bán dẫn phải siêu tinh khiết (ultrapure), không chứa dị vật nhỏ sẽ làm xước tấm wafer. Nước ultrapure vẫn được dùng trong năng lượng hạt nhân và sản xuất hóa học, tuy vậy tiêu chuẩn của ngành bán dẫn vẫn cao hơn cả. Dị vật đáng kể (killer particle) đủ lớn để làm xước cấu trúc kích cỡ nano-mét của chíp bán dẫn phải bị loại bỏ. Đó là những tế bào chết, cơ thể vi sinh, vụn kim loại, khí gas… cần được lọc khỏi nước. Rất nhiều nỗ lực để lọc ra và chứng nhận độ tinh khiết của nước siêu tinh khiết. Ít nhất 12 bước và một số bước phải lặp đi lặp lại nhiều lần.

Cứ 6000 lít nước thành phố để lọc ra được 3800 lít nước siêu tinh khiết. Và một tấm wafer 200 milimet đơn lẻ cần dùng hơn 5600 lít nước siêu tinh khiết.

Loại mạch cũng ảnh hưởng đến tiêu thụ nước. Tấm wafer được chế thành từng lớp, và mỗi lần một lớp được làm, nó lại cần được gột rửa cho lớp tiếp theo. Mạch logic như chíp xử lý có nhiều lớp hơn và phức tạp hơn linh kiện bán dẫn khác như bộ nhớ, IC chíp điều khiển, tấm màn hình hay tấm năng lượng mặt trời. Do đó sản xuất cần nhiều nước và năng lượng hơn.

Năm 2020 TSMC lưu ý trong báo cáo trách nhiệm xã hội của họ là sẽ không đạt mục tiêu tiêu thụ nước, bị trễ lại vài năm. Họ đã muốn cắt giảm tiêu thụ nước cho mỗi tấm wafer 200 milimet với một lớp layer xuống 27%. Họ chỉ làm được 5%, lý do vì yêu cầu cho quá trình làm sạch gia tăng.

Có thể nói, với mỗi node xử lý càng hiện đại, nó sẽ lại càng khát nước. Thêm lớp layer để rửa, thêm nước siêu tinh khiết cần đến. Thêm tiêu chuẩn tinh khiết cho nước đó. Với mỗi node xử lý mới, kích cỡ dị vật đáng kể (killer particle) càng nhỏ đi, khiến càng khó gột đi hơn.

Vậy là chíp mới nhất ngày nay sẽ cần thêm nước để đúc nên hơn 10 năm trước, bất chấp những tiến bộ trong tái sử dụng và tiết kiệm nước. Xu hướng này có lẽ sẽ tiếp diễn.

Thế còn nước thải ra?
Năm 2013 dây chuyền của TSMC ở Đài Nam sản sinh 19 triệu tấn nước thải, trong khi cùng năm đó Đài Nam cả thành phố chỉ đẩy ra 29 triệu tấn.

Nước thải từ bước “Làm sạch ướt” này chứa lượng lớn chất ô nhiễm như amoniac NH3, phôt phát và flor. Có những nghiên cứu cho thấy công nhân dây chuyền bán dẫn mắc ung thư do tiếp xúc những hóa chất này.

Một số loại nước thải cũng cần xử lý đặc biệt và tốn kém hơn. Ví dụ tia cực tím dùng để diệt vi khuẩn thì tương đối rẻ, nhưng phương pháp như điện thẩm tách tốn nhiều hơn.

Biến nước mặn thành ngọt bằng điện thẩm tách - hệ thống EDI

tiết kiệm chi phí thì mỗi nhà máy tách biệt các loại nước thải ra để xử lý riêng, chú ý đến tổng cộng 25 chất hóa học. Một số có thể được tái sử dụng để chế nước siêu tinh khiết, phần lớn không tái dùng được sẽ được đặt vào thùng làm mát, để nhiệt làm bốc hơi, làm nguội nhiệt độ, khống chế môi trường bên trong nhà máy, là lượng tiêu thụ năng lượng và nước lớn nhất toàn nhà máy sau quá trình sản xuất.

Hệ thống phức tạp như vậy cho nên với nhiều công ty nhỏ, sẽ tiết kiệm chi phí hơn nếu chỉ đơn giản gom nước lại, xử lý thô và trả về thành phố sau khi đã đạt tiêu chuẩn sức khỏe và an toàn tối thiểu. Rồi lấy nước mới từ thành phố để xử lý thành nước siêu tinh khiết.

Dây chuyền lớn của TSMC, Samsung và Intel phải áp dụng công nghệ tái sử dụng và tái chế nước vì quy mô. Họ làm quá nhiều chíp đến nỗi nếu không dùng kỹ thuật tái chế nước này, họ sẽ không đủ nước. Điều này lý giải tại sao tỷ lệ tái chế của TSMC năm 2017 là 87% trong khi tỷ lệ tái chế của các dây chuyền bán dẫn trung bình chỉ có 42%.

Năm 2019 các dây chuyền của TSMC ở Đài Nam tiêu thụ 50 000 tấn (50 triệu lít) nước một ngày. Hồ Vu Sơn và đập chứa nước sông Tăng Văn hiện tại đang cạn nước ở mức nguy hiểm. Trong khi miền nam Đài Loan cũng là trung tâm nông nghiệp, cần nước ngọt để sản xuất.

sông Tăng Văn ở Đài Loan

Tối ưu hóa sử dụng nước, bên cạnh kỹ thuật tái chế, công ty xây dựng một hệ thống hứng nước mưa lớn trữ vào các bể 700 tấn. Công ty cũng ký quyết định xây dây chuyền tái chế nước gần dây chuyền bán dẫn, để tái chế nước thải công nghiệp bằng thẩm thấu ngược, màng siêu vi lọc, lọc cát… học theo công đoạn của NeWater bên Singapore. Dây chuyền đầu tiên sẽ lên sóng ở công viên khoa học Đài Nam. Dung tích trữ nước bổ sung được mong chờ xuất hiện trong những năm tới, từ những dây chuyền ở An Bình và Vĩnh Khang của Đài Nam.

màng siêu vi lọc

Arizona phần lớn là sa mạc, hiện nay 40% nhu cầu nước đáp ứng nhờ nước ngầm tự nhiên. Sông Colorado và sông hồ khác cấp 57%, còn lại nước tái xử lý. Về cơ bản nếu sông Colorado thiếu nước, người ta hút nước ngầm lên dùng. Trong hầu hết các trường hợp, chính quyền bang kiểm soát sử dụng nước bằng cách đưa nước rời khỏi ruộng đồng về thành phố. Nông nghiệp là nguồn tiêu thụ chủ yếu nước ở miền tây nam Mỹ, đến 90% tổng nhu cầu vào năm 1980. Biến đổi đất ruộng thành đất thành phố và khu nhà ngoại ô, qua năm tháng, đã kiềm chế tổng lượng nước sử dụng. Bang đã nỗ lực đưa ra một kế hoạch tổng quát để quây thêm nhu cầu nước. Nhưng kết quả vẫn khô hạn và mọi người vẫn cần đào nước ngầm.

Tại sao ngành bán dẫn chọn Arizona?
Đầu tiên: sản xuất quy mô lớn chíp bán dẫn mang lại lợi nhuận cao và do đó bang sẵn lòng chấp nhận giá trả, dù là trả thêm tiền xây dựng cơ sở vật chất nước hoặc lấy đi khẩu phần nước của người khác. Bang được trả rất nhiều tiền để xây dựng dây chuyền bán dẫn trên đất của mình, hơn các nhu cầu sử dụng khác.

Năm 2012 một báo cáo so sánh giá trị kinh tế của 4 mục đích sử dụng đất ở thành phố Chandler, Arizona là sản xuất chíp bán dẫn, công nghiệp, nhà công sở một tầng và bán lẻ, con số lần lượt là khoảng 147 000, 40 000, 46 000, 25 000 usd. Kết luận rằng lợi ích kinh tế từ sản xuất chíp bán dẫn là đủ thỏa mãn chi phí cung cấp nước. Chính quyền được trả nhiều hơn cho mỗi hecta đất sử dụng so với ba mục đích kia. Họ rất có động lực mang cơ sở sản xuất bán dẫn về đây. Hầu hết những thu nhập này mang về cho ngân khố bang qua đánh thuế bất động sản. Ngành công nghiệp mang về ít công việc lương cao hơn trên mỗi hecta so với ba ngành, có vẻ do hầu hết các công việc của dây chuyền bán dẫn đều tự động hóa. Ngành công nghiệp cũng đủ giàu để đầu tư vào công nghệ tiết kiệm, tái sử dụng và tái chế nước, cho nên tỷ lệ nước đổ về hệ thống nước thải, trên lý thuyết sẽ cao hơn các mục đích dùng đất khác. Arizona cũng có những lợi ích mang lại – chất xám được đào tạo sẵn sàng, ưu đãi thuế, ít động đất… đã chiếm ưu thế hơn khía cạnh thiếu nước.

Kết
sản xuất chíp bán dẫn mang giá trị cao đến mức các chính quyền có thể ưu tiên tìm nước cho ngành bằng cách lấy đi khẩu phần của người khác – thường là nông dân. Đó đã xảy ra với cả Đài Loan và Arizona, nơi mà nông dân đã thấy nước của họ bị phân phối chia cho các công ty công nghệ. Nông nghiệp sử dụng nhiều nước nhất gần như ở tất cả mọi nơi. Có tranh cãi đã đưa ra rằng hầu hết nông nghiệp không có hiệu quả kinh tế thực tiễn trong sử dụng nước quý, đặc biệt khi nước ngầm đào lên từ đất. Nhưng có những hậu quả chính trị liên đới. Nông dân ở Hoa Kỳ là một trong những lá phiếu bầu mang giá trị cao nhất. Mất ủng hộ của nông dân là cách nhanh nhất để thua cuộc tái bầu cử kế tiếp. Cho nên các chính quyền phải nỗ lực để cân bằng.

Cơn khát của công nghiệp bán dẫn sẽ không dịu đi. Luật Moore sẽ tiếp tục được đẩy tới. Tái chế nước, kỹ thuật cắt giảm và tái sử dụng nước phải nâng cấp. Nếu không, đến lúc nào đó sẽ không đủ wafer để đáp ứng nhu cầu người dùng