ごみを入れない：クリーンルーム

半導体の工場で、空気中の小さなごみが不良の原因になる理由と、それを防ぐクリーンルームの仕組みを説明する。天井から床へ流れる空気、室内の気圧、人が持ち込むごみへの対策、ウェーハを密閉した容器で運ぶ工夫を扱う。

小さなごみが、不良の原因になる

チップの上の回路は、髪の毛の太さよりもはるかに細い線でできている。そのため、普段の生活では気にならないほど小さなごみでも、ウェーハの上に落ちると問題になる。

たとえば、リソグラフィで回路の形を写すときに、ごみがあると、その部分の形が正しく写らない。配線と配線の間にごみが入ると、本来つながらない線がつながったり、つながるはずの線が切れたりする。一つのごみが、一つのチップを不良にすることもある。

不良が増えれば、良品の割合（歩留まり）が下がり、費用が上がる。そこで、半導体の工場では、空気中のごみを極めて少なくした部屋で製造を行う。この部屋を「クリーンルーム」と呼ぶ。

空気を、天井から床へ流し続ける

クリーンルームの基本は、きれいな空気を流し続けることである。

天井には、空気の中の細かいごみを取り除くフィルターが、すき間なく並んでいる。このフィルターを通ったきれいな空気が、天井から床へ向かって、部屋全体をゆっくり、そろって流れ落ちる。

床は、すのこのように穴の開いた形になっていて、空気はその穴から床下へ抜ける。床下に集めた空気は、壁の中などを通って天井の上に戻り、再びフィルターを通って部屋へ送られる。

部屋の中で生まれたごみは、この上から下への流れに乗って、すぐに床下へ運ばれる。空気が渦を巻かずにそろって流れるので、ごみが部屋の中を漂ったり、ウェーハの上に舞い上がったりしにくい。

外の空気を入れない

クリーンルームの中の気圧は、外より少し高く保たれている。そのため、扉を開けたときや、わずかなすき間があるときでも、空気は中から外へ流れる。外の汚れた空気は、中に入り込みにくい。

部屋に入る前には、空気を強く吹き付けて、体や服に付いたごみを落とす小部屋（エアシャワー）を通る。持ち込む物も、決まった方法で拭いたり、包装を外したりしてから入れる。

人が、大きなごみの元になる

クリーンルームの中で、ごみを多く出すのは、実は人である。人の皮膚や髪、普段の服からは、絶えず細かいごみが出ている。動くと、さらに多くなる。

そのため、クリーンルームで働く人は、頭から足先までを覆う、ごみの出にくい専用の服（防じん服）を着る。手袋やマスクも着ける。化粧品など、ごみの元になる物の持ち込みも制限される。部屋の中では、走らない、むやみに動かないといった決まりもある。

ウェーハのまわりだけを、さらにきれいにする

部屋全体を極めてきれいに保つには、大きな費用がかかる。そこで、ウェーハが触れる空間だけを、特にきれいに保つ考え方が広がっている。

ウェーハは、外の空気から遮った、密閉した容器に入れて運ぶ。装置には、この容器をつなぐ口があり、ウェーハは容器から装置の中へ、外の空気に触れずに移される。装置の中や、容器をつなぐ部分は、部屋よりもさらにきれいな空気で満たされている。

容器の運搬も、人の手から機械に移ってきた。天井に張りめぐらせた軌道を、運搬の機械が走り、装置から装置へ容器を届ける。人がウェーハに近づく機会が減るので、ごみを持ち込むおそれも減る。

ごみ以外にも、管理するもの

クリーンルームで管理するのは、目に見えるごみだけではない。

空気中に漂う、ごく少量の化学物質も、ウェーハの表面に付いて、膜の性質や形の写り方を変えることがある。そのため、こうした物質を取り除くフィルターも使われる。

温度と湿度も、一定に保たれる。温度が変わると、装置や材料がわずかに伸び縮みし、回路の形を写す位置がずれる。湿度は、リソグラフィで使う感光材の性質に影響する。

また、細かい形を写す装置は、わずかな揺れも嫌う。工場の建物は、床や柱の揺れを抑えるように作られる。リソグラフィの部屋では、感光材が反応しない色の照明が使われることもある。

きれいさを、数で表す

クリーンルームのきれいさは、決まった量の空気の中に、決まった大きさ以上のごみがいくつあるかで表す。ごみが少ないほど、きれいさの等級が高くなる。等級の決め方は、国際的な規格で定められている。

工場の中のすべての場所が、同じきれいさである必要はない。回路の形を写す場所や、ウェーハがむき出しになる場所は、特に高い等級に保つ。一方で、人の通路や、装置の裏側で保守をする場所は、それより低い等級でよい。場所ごとに必要なきれいさを決めることで、費用を抑えている。

部屋の中には、ごみの数を数える計器が置かれ、きれいさを常に見張っている。数が増えたときは、原因を探して取り除く。

空気を動かし続けるための電力

クリーンルームでは、大量の空気を一日中フィルターに通し、温度と湿度を整え続けている。そのため、空気を送る機械や、冷やしたり温めたりする設備が、多くの電力を使う。工場の電力の中で、こうした設備の占める分は小さくない。

空気の流れ方を工夫して必要な量を減らしたり、ウェーハのまわりだけを特にきれいにしたりする考え方は、電力を減らすことにもつながっている。

このページのまとめ

チップの回路は非常に細いので、小さなごみでも不良の原因になる。クリーンルームでは、天井のフィルターを通したきれいな空気を床へ流し続け、ごみをすぐに運び去る。室内の気圧を外より高くして、外の空気を入れない。ごみを多く出す人は専用の服を着て、ウェーハは密閉した容器に入れて機械で運ぶ。温度、湿度、化学物質、揺れも管理する。