半導体づくりの3割は“洗いもの”だった——髪の毛の1万分の1のゴミ1個が回路を殺すから、ウェハーは数百回洗われる

なぜ「洗うだけ」の工程が全体の3割も占めるのか

理由は単純で、ゴミ1個が回路を丸ごと殺すからです。先端半導体の回路線幅は10nm台——髪の毛の太さ（約0.07mm）の1万分の1に近いスケールです。そこに同じくらいの大きさのゴミが1個乗れば、配線はショートし、断線し、そのチップは不良品になります。SCREENの技術解説によると、問題になるパーティクル（微細なゴミ粒）のサイズは大きくて数μm、小さいものは0.1μm以下です。

しかも、汚れは外から入ってくるだけではありません。成膜・露光・エッチングといった工程そのものが、削りカスや薬品の残りといった汚れを生み出します。つまり「一度きれいにすれば終わり」ではなく、何かをするたびに洗い直す必要があります。だから洗浄は工程の合間ごとに挟まり、全工程の30%近くという最多クラスの回数になるのです。

「「1枚のシリコンが、チップになるまでの数百工程をたどる」」で見た数百工程の流れは、実は3歩進むごとに1回洗いものを挟む行進でした。半導体そのものの基礎は「半導体とは何か」で確認できます。「前回のエッチング」で型どおりに回路を刻んだ直後も例外ではありません。まず、使い終わった型そのものを片付ける必要があります。

アッシングとは——使い終わった型を「灰」にして飛ばす方法

アッシング（灰化）とは、役目を終えたレジストを酸素プラズマで分解して取り除く工程です。レジストは炭素・水素・酸素からなる有機物、いわば「プラスチックの型」です。SCREENの解説によると、プラズマ化した酸素とレジストを反応させると、CO2と水蒸気と酸素——すべて気体に変わって消えます。焚き火で紙が灰になって飛ぶのと同じ理屈で、だから「灰化」と呼ばれます。

仕組みはこうです。真空の部屋に酸素を入れて電気エネルギーを加えると、酸素が活性の高いバラバラの状態（プラズマ）になります。Semi Journalの解説によると、この酸素ラジカルがレジストの炭素や水素と結びつき、CO2と水蒸気として揮発していきます。ブラシでこするわけではないので、下に刻んだばかりの回路を傷つけずに、有機物のレジストだけを選んで消せるのが利点です。

型を灰にして飛ばし、残ったゴミを洗い流して乾かすまでの流れを、3Dモデルで見てください。

ただし、アッシングだけでは終わりません。プラズマで分解しきれなかった残りカスや、レジストに含まれていた微量の金属汚れは表面に残ります。そこで灰化のあとに薬液洗浄を組み合わせて、化学の力で残りを溶かし落とします。「剥がす」と「洗う」はワンセットなのです。

数百回の洗浄では、何をどうやって落とすのか

落とす相手は1種類ではありません。SCREENの技術解説は、パーティクルのほかに、装置や薬液に由来する微量の金属汚染、人のフケや垢・バクテリアに由来する有機汚染、油脂、さらに放っておくと勝手に育つ自然酸化膜を挙げています。相手ごとに効く薬液が違うため、洗浄は複数の薬液と超純水すすぎを組み合わせたコース料理のような手順になります。

洗い方には大きく2つの方式があります。

かつては効率のよいバッチ式が主役でした。しかし槽にまとめて浸ける方式では、いったん剥がれたゴミが液の中を漂って別のウェハーに付き直すリスクがあります。微細化でゴミ1個の再付着すら許されなくなり、主役は枚葉式（まいようしき）に交代しました。

日経クロステックの記事によると、SCREENの出荷では枚葉式が7割を超えています。回転するウェハーの中心に液をかけると、遠心力で液が外へ流れ、ゴミごと縁から弾き飛ばされていく——3Dモデルの③で見た動きです。

超純水とは——なぜ「何も入っていない水」で洗うのか

超純水とは、イオン・有機物・微粒子・細菌などの不純物を極限まで取り除いた、理論上の純水に近づけた水です。薬液で洗ったウェハーは最後に水ですすぎますが、水道水はもちろん、実験室レベルの純水でもまだ汚すぎます。水に溶けた不純物が乾いた後に残れば、それ自体が回路を殺すゴミになるからです。

どれくらい純粋なのか。不純物の量を50mプールで例えると、水道水はドラム缶2〜数本分、超純水は耳かき1さじ分しかありません。栗田工業の解説によると、半導体用の超純水は電気の通しにくさ（抵抗率）で管理され、水1リットルに鉄イオンがわずか100万分の1グラム混ざっただけで基準を外れるほどの世界です。この水を工場内で大量に作り続ける超純水製造装置は、半導体工場の隠れた心臓部です。

なお、水を大量に使うのは半導体工場だけではありません。チップを使う側のAIデータセンターも冷却で水を消費します。その話は「「AIはなぜ水を使うのか」」でまとめています。

洗浄の世界は、どの企業が握っているのか

洗浄装置の世界トップは、京都のSCREENホールディングスです。主流の枚葉式洗浄装置で世界シェア約45%とNo.1を握り、3種類の洗浄装置の分野で世界トップシェアを獲得しています。印刷機器から出発した会社が「表面を精密に処理する」技術を突き詰めた先に洗浄の王座があった経緯は、「「チップを“洗う”工程で世界一。京都の老舗が握る地味な急所」」で分析しています。

これを追うのが東京エレクトロンです。最大50枚を同時に洗うバッチ式のEXPEDIUSやスクラバなどを展開し、洗浄でも上位に付けます。塗布・現像で世界9割を握る同社の全体像は「「半導体の“塗って・削って・盛る”工程は、この日本企業が握っている」」をどうぞ。

そして超純水製造装置では、栗田工業が半導体向け世界シェア約2割で首位、オルガノと並ぶ日本勢2強です。装置の種類や競争構造は「「工程の合間に何度も洗う。洗浄装置とSCREENの強み」」で詳しく整理しています。洗うことに関しては、装置も水も、世界の半導体工場は日本企業に頼っているのです。

次回は、洗い上がったウェハーに不純物を打ち込んで電気の性質を作り込む「イオン注入と熱処理」の工程を歩きます。