工場に届ける：超純水と、ガス・薬液

半導体の工場で大量に使う超純水が、なぜ必要で、どのように作られるのかを説明する。工場の中に配る大量のガスと、成膜やエッチングに使う特殊なガス、薬液を安全に届け、使った後に処理する仕組みも扱う。

工場は、水とガスを大量に使う

前のページでは、空気中のごみを入れないクリーンルームを学んだ。半導体の工場では、空気と同じように、水やガス、薬液の汚れも、不良の原因になる。

製造の工程では、ウェーハを洗い、すすぐために、非常に多くの水を使う。また、膜を付ける、削る、ドーパントを入れるといった工程では、膜の材料になるガスや、表面を削るガスなど、目的に合ったガスを使う。これらを、極めてきれいな状態で、決まった量を、決まった時に、装置へ届ける必要がある。このページでは、そのための仕組みを見ていく。

超純水：極めてきれいな水

水道水には、目に見えない多くのものが溶けている。塩やミネラルのもとになるイオン、細かい粒子、微生物、有機物、溶けた空気などである。

ウェーハを水ですすぐと、水の中にあったものが、表面に残ることがある。溶けていたイオンが残ると、トランジスタの性質を変える。粒子が残ると、回路の形を乱す。そのため、半導体の工場では、こうしたものを極限まで取り除いた水を使う。これを「超純水」と呼ぶ。

超純水は、洗浄の後のすすぎ、CMPで磨いた後の洗い流し、薬液を薄めるときなど、多くの工程で使われる。

超純水のつくり方

超純水は、川や地下の水、水道水などをもとに、何段階もの処理を重ねて作る。

まず、大きなごみや濁りを、ろ過で取り除く。次に、非常に細かい穴の開いた膜に、圧力をかけて水を通す。水の分子は通るが、溶けているイオンや有機物の多くは通れないので、これらを取り除ける。この方法を「逆浸透」と呼ぶ。

さらに、イオンを吸い取る樹脂（イオン交換樹脂）に水を通し、残ったイオンを取り除く。紫外線を当てて、有機物を分解したり、微生物を増えにくくしたりもする。水に溶けた酸素などの気体も取り除く。最後に、細かい粒子を取るフィルターを通してから、装置へ送る。

できた超純水は、配管を回り続けるように流す。水を止めて置いておくと、配管から物が溶け出したり、微生物が増えたりして、きれいさが落ちるからである。

きれいさを、電気で確かめる

超純水がどれだけきれいかを確かめる目安の一つが、電気の通りにくさである。

水が電気を通すのは、主に水に溶けたイオンが電気を運ぶからである。イオンを取り除くほど、水は電気を通しにくくなる。そこで、水の電気の通りにくさを常に測り、イオンが十分に取り除かれているかを見張る。そのほかに、粒子の数、有機物の量、溶けた酸素の量なども測る。

使った水を、もう一度使う

超純水を作るには、多くの手間と電力がかかる。また、工場の周りの水の資源を守ることも大切である。

そこで、使った後の水のうち、汚れの少ないものを集め、処理して、もう一度超純水の原料として使う。汚れの多い水は、薬品などを取り除く処理をしてから、決まりに従って外へ流す。水を何度も使う割合を高めることは、工場の大きな課題になっている。

工場の中に配る、大量のガス

半導体の工場では、窒素などのガスを大量に使う。たとえば窒素は、装置の中やウェーハを運ぶ容器の中を満たして、空気中の酸素や水分からウェーハを守るのに使われる。

こうした大量に使うガスは、工場の敷地の中や近くで、空気から分けて作ることもある。作ったガスは、さらに不純物を取り除いてから、配管を通して工場の中の装置に配る。配管の内側も、ガスを汚さないように、なめらかで汚れの出にくい材料で作られる。

工程に使う特殊なガスと、安全

成膜、エッチング、ドーパントを入れる工程などでは、それぞれの目的に合った特殊なガスを使う。これらの中には、燃えやすいもの、毒性の強いもの、ほかの物と激しく反応するものがある。

そのため、こうしたガスは、容器ごと専用の箱（ガスキャビネット）に収め、箱の中の空気を常に吸い出しながら使う。配管にガスが漏れていないかを見張る検知器を置き、漏れを見つけたときには、自動でガスを止める仕組みを備える。

装置で使った後のガスにも、有害なものが残っている。そこで、装置の出口に、残ったガスを燃やしたり、薬品と反応させたり、吸着させたりして無害にする装置（除害装置）をつなぎ、処理してから外へ出す。

薬液も、きれいに届ける

洗浄やエッチングには、酸やアルカリ、溶剤などの薬液も使う。薬液にも、極めて高い純度が求められる。不純物の少ない薬液を作り、汚れを出しにくい容器と配管で、装置まで届ける。使った薬液は、種類ごとに分けて集め、処理したり、再び使えるようにしたりする。

このページのまとめ

半導体の工場では、水やガス、薬液の汚れも不良の原因になる。超純水は、ろ過、逆浸透、イオン交換、紫外線などの処理を重ねて作り、電気の通りにくさなどできれいさを見張る。使った水はもう一度使う。窒素などの大量のガスは配管で装置に配り、燃えやすいものや毒性のある特殊なガスは、専用の箱、漏れの検知、使った後の除害装置で安全に扱う。