光刻機(jī)是芯片制造工藝中最核心、最復(fù)雜的設(shè)備之一。特別是隨著先進(jìn)制程技術(shù)的推進(jìn)，比如7nm、5nm乃至4nm節(jié)點(diǎn)，對(duì)光刻機(jī)性能提出了極高的要求。光刻機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中需要消耗大量的電能，這不僅僅是因?yàn)樗С指呔鹊膱D案轉(zhuǎn)印，更是因?yàn)閮?nèi)部各種復(fù)雜子系統(tǒng)的運(yùn)作對(duì)能源有著極大的需求。

首先，最大的電力消耗來(lái)自光源系統(tǒng)。對(duì)于EUV光刻機(jī)而言，必須使用波長(zhǎng)僅13.5納米的極紫外光，而這種光線無(wú)法通過(guò)常規(guī)手段產(chǎn)生。EUV光源通常通過(guò)激光轟擊錫微滴，在極端高溫下產(chǎn)生等離子體，進(jìn)而發(fā)出極紫外光。這個(gè)過(guò)程極度耗能，需要強(qiáng)大的高能激光器連續(xù)高速地發(fā)射脈沖。為了產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的EUV光束，激光器每秒要釋放成千上萬(wàn)個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖都需要極高的能量支持。僅光源模塊一項(xiàng)，就可能持續(xù)消耗200千瓦到300千瓦以上的電力，而且其中大部分能量以熱量的形式損失掉，實(shí)際可用的極紫外光能量非常有限，因此系統(tǒng)整體能效偏低。

其次，光刻機(jī)內(nèi)部需要維持高度真空的環(huán)境，特別是EUV系統(tǒng)，因?yàn)闃O紫外光在空氣中傳播會(huì)被完全吸收。為了保證真空環(huán)境，光刻機(jī)配備了大量的高效真空泵和真空維持設(shè)備。這些真空泵需要長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，以維持腔體內(nèi)部壓力在10??托以下。這一部分的持續(xù)電力消耗通常也在數(shù)十千瓦以上，并且對(duì)電力供應(yīng)的穩(wěn)定性要求非常高，一旦中斷就可能導(dǎo)致系統(tǒng)污染或設(shè)備損壞。

溫控系統(tǒng)同樣是光刻機(jī)耗電的重要部分。芯片制造對(duì)溫度控制極為苛刻，比如晶圓臺(tái)和掩膜臺(tái)的溫度變化需要控制在0.01攝氏度以內(nèi)，任何微小的溫度波動(dòng)都可能導(dǎo)致曝光位置偏移，造成芯片缺陷。為了保證溫度的恒定，光刻機(jī)內(nèi)部布置了復(fù)雜的液冷、氣冷以及溫控模塊。這些系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定運(yùn)作，還要實(shí)時(shí)響應(yīng)外部環(huán)境變化，特別是在車間溫度、濕度波動(dòng)較大的時(shí)候，需要額外投入更多電力來(lái)穩(wěn)定系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境。溫控系統(tǒng)總體的耗電量可以達(dá)到幾十千瓦，且基本處于常年持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。

此外，光刻機(jī)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)也需要大量電力。光刻機(jī)的晶圓臺(tái)和掩膜臺(tái)需要以極高的速度、極高的精度運(yùn)動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的定位誤差，必須使用精密的線性電機(jī)、電磁懸浮系統(tǒng)以及高速反饋控制單元。這些運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)需要非常穩(wěn)定且強(qiáng)勁的動(dòng)力支持，同時(shí)也要搭配各種測(cè)量?jī)x器如干涉儀、激光追蹤儀實(shí)時(shí)監(jiān)控位置。這部分系統(tǒng)在工作時(shí)的耗電量通常在十幾千瓦到幾十千瓦之間，尤其在高通量生產(chǎn)模式下，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載增加，耗電量也隨之上升。

再者，控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理模塊也是光刻機(jī)的重要耗能部分?，F(xiàn)代光刻機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)處理大量的數(shù)據(jù)，例如圖案對(duì)準(zhǔn)、畸變校正、曝光補(bǔ)償、缺陷檢測(cè)等等。所有這些數(shù)據(jù)處理任務(wù)要求極高的運(yùn)算能力，因此光刻機(jī)內(nèi)部配備了多個(gè)高性能服務(wù)器、圖像處理器以及定制芯片。這些設(shè)備全天候運(yùn)行，每小時(shí)處理的數(shù)據(jù)量達(dá)到數(shù)百GB乃至更高，對(duì)電力的需求也不容忽視。

綜合來(lái)看，一臺(tái)先進(jìn)的EUV光刻機(jī)在全負(fù)荷運(yùn)作時(shí)，總功率消耗通常在300千瓦到400千瓦之間。這相當(dāng)于一棟大型商業(yè)寫字樓的電力需求。如果按全年24小時(shí)不停機(jī)計(jì)算，一臺(tái)光刻機(jī)每年的電力消耗可以輕松超過(guò)250萬(wàn)度電，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通工業(yè)設(shè)備的能耗水平。而一個(gè)大型芯片工廠往往需要部署幾十臺(tái)甚至上百臺(tái)光刻機(jī)，整體電力消耗極為龐大，因此半導(dǎo)體廠區(qū)通常需要配備獨(dú)立的高壓供電系統(tǒng)，甚至有些大型工廠需要自建電廠來(lái)保障供電。

從產(chǎn)業(yè)層面來(lái)看，光刻機(jī)的高能耗也推動(dòng)了整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)向綠色制造轉(zhuǎn)型。比如，有廠商正在研究提升EUV光源效率，降低能量損耗；也有企業(yè)在開(kāi)發(fā)低功耗冷卻技術(shù)與智能能耗調(diào)度系統(tǒng)，力求在保證芯片生產(chǎn)良率的同時(shí)，減少能源浪費(fèi)。