晶圓廠（半導體工廠）是什麼？為什麼需要巨額投資與大量水電

新聞裡的例子：日本熊本、北海道、廣島、三重的工廠

「台積電熊本廠開始量產」「Rapidus在北海道千歲市蓋了工廠」。這幾年，日本接連出現半導體工廠的新聞。廣島縣的美光工廠，以及三重縣和岩手縣的鎧俠工廠，也都已決定獲得日本政府的補助。

這些新聞裡的「工廠」，大多是業界稱為「晶圓廠」（fab）的工廠。fab是英文中代表製造的fabrication的縮寫。這篇文章會依序說明晶圓廠是做什麼的地方，以及為什麼需要這麼多錢、水和電。

晶圓廠是什麼：在晶圓上做出電路的工廠

晶片的製造大致分為2個階段。在晶圓上做出電晶體和配線的階段，稱為「前段製程」。把晶圓切成一顆一顆的晶片，再封裝和測試的階段，稱為「後段製程」。

晶圓廠通常是指前段製程的工廠。1片晶圓上排著數百顆晶片，要反覆進行鍍膜、轉印、蝕刻、清洗等作業數百次。根據搬運設備廠商大福（Daifuku）的說明，製造工序多達600到1,000道，最先進的工廠還會更多。後段製程常由別的工廠或別的公司負責。兩者的差異，可以在「半導體前段製程與後段製程的差異」的表格中確認。

工廠的核心，是把空氣中的灰塵減到極少的房間，也就是無塵室。它有多乾淨、如何維持，在「無塵室是什麼？」中說明。在晶圓廠裡，這個房間的上方和下方，也塞滿了送風設備、幫浦和配管。建築物外面，還有處理水、電和廢水的設施。

為什麼這麼貴：費用大多花在設備

說到工廠，大家容易想到巨大的建築，但大部分的錢其實花在廠內的機器上。美國國會研究處（CRS）2020年的報告，引用美國半導體產業協會（SIA）的說明指出，初期建廠費用的大部分是製造設備。也有1台超過1億美元（以1美元=150日圓計，約150億日圓）的設備。同一份報告也介紹了專家的看法：先進的工廠可能達到200億美元。

代表性的昂貴設備，是轉印最細微圖案的EUV微影設備。製造商是荷蘭的艾司摩爾（ASML）。用該公司2025年財報中EUV設備的營收除以台數，1台平均約2.4億歐元，換算成日圓是數百億日圓。包含其他設備在內的全貌，在「半導體設備是什麼？」中介紹。

來看看實際金額的例子。台積電把熊本第1座工廠的初期投資定為約70億美元（2021年）。加上第2座工廠，投資預計超過200億美元（2024年2月的發表）。在美國，台積電發表了包含6座工廠等、合計1,650億美元的投資計畫（2025年3月）。這些都是計畫的金額，不是已經花掉的金額。

這麼昂貴的設備，閒置越久就越虧本。所以多數晶圓廠日夜不停地運轉。由許多客戶分攤工廠產能的原因，在「晶圓代工是什麼？」中說明。

晶圓是自動搬運的

晶圓每經過一道工序，就要從一台設備移到另一台設備，總共數百次。如果用人手搬運，會因重量而疲累，也有掉落的風險，人身上的灰塵也會變多。所以現在的晶圓廠，會把晶圓放進密閉的容器（FOUP），由機器搬運。

容器由沿著天花板軌道行駛的搬運車抓起運送，再放到設備的入口。這種搬運車稱為OHT（天車式無人搬運車）。

搬運車、保管的貨架，以及指示它們目的地的電腦，整體稱為AMHS（自動化物料搬運系統）。

以規模來說，大福說明，大規模工廠的天花板軌道總長達10 km。數百台以上的搬運車，24小時365天持續運轉（該公司2019年的報告書）。大福也舉出最先進的工廠有更長軌道的例子。

水：清洗晶圓的「超純水」

晶圓在大多數作業的前後都要清洗。因為即使只有一點點金屬或灰塵，也會造成不良品。清洗用的，是把離子、微粒、有機物等從水中去除到極限的水。這種水稱為超純水。

超純水是以抽取的地下水或工業用水等為原料，在工廠內的專用設施製造。用過的水，有一部分會經過處理再使用。純度的確認方式，在「無塵室是什麼？」的後半說明。

用水量的例子，可以看日本熊本縣2023年10月的資料。JASM（台積電的子公司）第1座工廠抽取的地下水，計畫為每日平均8,500 m³（8,500公噸）。1年約310萬 m³。比2022年4月計畫的每日1萬2,000 m³，減少了約29%。

電與廢氣：讓工廠不停運轉的設備

晶圓廠也用很多電。因為讓無塵室空氣持續循環的風扇、維持溫濕度的空調、製造設備、製造超純水的設施，全都一年到頭在運轉。

來看台積電的永續報告書。該公司2024年在全球工廠等使用的能源為2萬7,456 GWh（274億5,600萬kWh）。GWh是家庭電費單上也會出現的kWh的100萬倍的單位。其中約93%，是向電力公司等購買的電力。2024年是閏年，共8,784小時。用購買的電力除以這個時數，平均每小時約290萬kWh（本文的計算）。

從工廠排出的東西，也很費工夫。製造過程會使用有毒或易燃的氣體。這些氣體不能直接排到空氣中，要先燃燒或用水洗淨，使其無害後再排出。這種設備稱為廢氣處理設備。用過的水，也要處理後才排放。

從開始興建到量產，要花幾年？

晶圓廠並不是建築物蓋好就能馬上運轉。要先蓋好建築物和無塵室，再把設備運進去安裝。接著要逐台調整條件，讓設備做出預期的薄膜和形狀。試做確認之後，才進入量產。

熊本第1座工廠從發表計畫到量產約3年，從動工算起約2年8個月。千歲的Rapidus在2023年9月動工。該公司發表，2024年無塵室完工，到2025年6月已連接超過200台設備。量產計畫在2027年度下半年開始。

開始量產之後，事情也還沒結束。剛開始時，良品的比例（良率）偏低，要逐一找出原因改善，把良率提高。此外，光是1片晶圓跑完前段製程，平均就要約12週（美國半導體產業協會，2021年）。

在晶圓廠工作的人

晶圓廠的自動化程度很高，但並不是沒有人。有決定並監看製程條件的工程師、維修設備的工程師、分析數據的人，以及維護設施與安全的人等。台積電表示，熊本的2座工廠預計創造超過3,400個專業職缺（2024年）。

日本政府為什麼要補助

日本經濟產業省把半導體定位為許多產品製造不可或缺的零件。因為一旦供應中斷，可能對社會和經濟造成重大影響。2022年12月，半導體依日本的《經濟安全保障推進法》，被指定為必須穩定取得的「特定重要物資」。在2020～2022年的缺貨中，就實際發生過晶片送不到、汽車停產的情況（「晶片短缺為什麼會發生？」）。

另一方面，如前面所見，晶圓廠的興建需要巨額資金和好幾年的時間。所以日本政府會補助在日本國內建廠的公司一部分費用。經濟產業省認定的主要計畫如下。

表中的「邏輯」是負責計算和控制的晶片，快閃記憶體和DRAM是負責儲存的晶片。補助金額是「上限」，計畫改變時會重新檢討。據報導，2026年10月熊本第1座工廠的計畫變更已獲認定（EE Times Japan）。包含變更後金額的最新一覽，可以在經濟產業省的網頁確認。

對於Rapidus，日本政府一直以委託研究開發的形式提供支援。此外，政府機構日本資訊處理推進機構（IPA）也出資了：2026年2月1,000億日圓，6月1,500億日圓。2024年11月，日本政府也決定了一個框架，到2030年度對AI與半導體領域提供10兆日圓以上的公共支援。

其他國家也採取類似的政策。美國在2022年8月通過了《晶片與科學法》（CHIPS法）。527億美元的預算中，390億美元用於補助建廠等。另外也設立了可從稅金中扣除工廠投資額25%的制度。

地方與環境：熊本的地下水

在日本熊本的工廠，地下水成了很大的話題。根據熊本市的說明，包含熊本市在內的熊本地區約100萬人，自來水水源幾乎全部仰賴地下水。而這裡要蓋一座大量用水的工廠。

因此，當地正推動把與抽取量相當的水送回地下的措施。讓雨水等滲入地面、增加地下水，稱為「涵養」。2023年5月，JASM、熊本縣、菊陽町等5方簽訂了推動涵養的協定。JASM的計畫是涵養抽取量的104.7%（熊本縣，2023年10月）。JASM也參與了冬季在稻田蓄水、讓水滲入地下的措施。

熊本縣在2023年9月修訂指針，要求新抽取地下水的公司等，涵養與取水量相同的水量。在此之前是1成。縣政府也用模擬計算重現地下水的流動，預測影響。結果顯示，即使以原計畫的水量（每日1萬2,000 m³）計算，地下水位最多下降約30 cm。影響的範圍也很有限（2024年11月的縣政府資料）。在工廠所在的地區也新設了觀測井，持續監看地下水位。

水質也有調查。熊本縣測量工廠周邊的河川和地下水等，由專家委員會檢驗後公布結果。測量的物質，也包括日本國內法令未規範的物質（例如部分有機氟化合物）。2026年2月的委員會評估，受規範的物質低於基準，目前尚未確認有影響。未受規範的物質，多數也未確認有明顯變化。

常見的誤解

用數字來看

把數字排在一起，晶圓廠的樣貌就清楚了。數百道工序，靠昂貴的設備和自動搬運，24小時不停地進行。為此要用掉大量的水和電。在熊本，守護地方水資源的機制也一併建立起來。補助金額和投資金額會隨計畫改變，最新數值請以各公司和日本經濟產業省的發表為準。

深入學習

• 工廠內的作業流程：「半導體晶片是怎麼做出來的？」，材料的圓板請見「矽晶圓是什麼？」
• 轉印圖案的製程：「微影是什麼？」「EUV微影是什麼？」
• 用表格看公司形態：「IDM、無晶圓廠、晶圓代工的差異」
• 用數字試試看：晶片大小與良品比例的關係，可以用「晶粒良率計算器」計算。
• 從用語深入：天花板上的過濾箱FFU（風扇過濾機組）、在設備前打開FOUP的EFEM（設備前端模組）、製造時使用的特殊材料氣體。