今回のテーマは、
「半導体の工程で使う薬液と超純水は、何のために、どこまできれいにして使うのか」
答え：酸・アルカリ・有機溶剤の薬液は、汚れを除く、膜を溶かす、形を出すために使い、超純水は洗い流して薄めるために使います。どちらも不純物をごく少なくした品質で使い、使い終わった廃液は種類ごとに分けて処理します。
この記事でわかること
- ① 薬液の3つの仲間と役目
- ② 超純水とは何か
- ③ 純度のグレード
- ④ 容器・配管・管理
- ⑤ 廃液の考え方
※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。
① 薬液の3つの仲間：酸・アルカリ・有機溶剤
大事なポイント：薬液は、性質で、酸・アルカリ・有機溶剤に分けられます。汚れや膜の種類に合わせて、使い分けます。
工程で使う液体のうち、水以外の薬品を薬液といいます。薬液が要るのは、ウェハの表面にある「汚れ」や「不要な膜」が、気体や水だけでは除けないからです。
酸は、水に溶けると酸性を示す薬品で、金属の汚れや、シリコンの表面の酸化膜を溶かします。参考にした資料では、フッ化水素酸（フッ酸）が、シリコンウェハ上の酸化膜を溶かす洗浄に使われ、塩酸と過酸化水素を混ぜた液が、金属の汚れを除くとされています。アルカリは、水に溶けるとアルカリ性を示す薬品です。アンモニア水と過酸化水素を混ぜた液は、粒や有機物の汚れを除く、と書かれています。また、光で形を写したレジストを現像する液には、TMAHというアルカリ性の薬品が、0.26規定（濃度の単位）ほどの水溶液で使われます。有機溶剤は、炭素を含む液体で、油や樹脂を溶かします。アセトンが、洗浄用の溶剤の例として挙げられています。
ここで過酸化水素が何度も出てきました。過酸化水素は、相手を酸化する（酸素と結びつける）力が強く、汚れを落としやすい形に変える役目があります。くわしい洗浄の順序と薬液の組み合わせは、洗浄の講座（洗浄3級）で学びます。薬液は、除きたい汚れや膜の種類に合わせて、酸・アルカリ・有機溶剤を使い分けます。
確認クイズ：光で形を写したレジストを、現像するときに使われる薬液の仲間は何ですか？
答え：アルカリ性の薬液（TMAHの水溶液など）です。
② 超純水：洗い流すための、いちばんきれいな水
大事なポイント：超純水は、イオン・有機物・粒子・細菌をほとんど含まない水で、薬液の洗い流しと薄めるのに使われます。
薬液で汚れを落としたあとは、薬液そのものが残らないよう、水で洗い流します。ここで、ふつうの水道水を使うと、水に溶けているミネラルや粒が、新しい汚れになってしまいます。そのため、不純物をほとんど取り除いた超純水を使います。
参考資料では、超純水は、次の順に段階を追ってつくるとされています。まず、ろ過などの前処理で、大きな粒を除きます。次に、逆浸透膜（細かい穴の膜で、水以外を通りにくくする方法）で、イオンや有機物を大きく減らします。そして、イオン交換で、残ったイオンを除き、紫外線による殺菌と、さらに細かい膜で、粒や細菌を除きます。
どのくらいきれいなのかも、数字で見てみましょう。参考資料の一例では、25℃での抵抗率（電気の流れにくさ）が、純粋な水の理論値に近い約18MΩ·cm、有機物は1リットルあたり1µg未満、0.05µmを超える粒子は1リットルあたり200個未満、細菌は100mLあたり1個未満とされています。電気の流れにくさを目安にするのは、水に微量のイオンが混ざると、電気が流れやすくなる（抵抗率が下がる）ためです。
粒子にも理由があります。参考資料は、問題になる粒子の大きさを、「つくる最小の形の半分」と説明し、40nmの形をつくるなら20nmより大きい粒を除く必要がある、と例を挙げています。超純水は、イオン・有機物・粒子・細菌を段階的に除いた水で、薬液の洗い流しと薄めに使われます。
確認クイズ：超純水の抵抗率を測ると、水の中のイオンの量が分かるのは、なぜですか？
答え：水に微量のイオンが混ざると、電気が流れやすくなり、抵抗率が下がるからです。
くわしく見る：抵抗率で見る、イオンの影響
参考資料では、25℃の純粋な水の抵抗率が約18.18MΩ·cmで、塩化ナトリウム（食塩）が0.1ppb混ざるだけで、約18.11MΩ·cmに下がると書かれています。差は 18.18 − 18.11 ＝ 0.07MΩ·cm で、率にすると 0.07 ÷ 18.18 ＝ 約0.4%です。10億分の1のうち0.1という、ごく少ない量でも、抵抗率が目に見えて動きます。
③ 純度のグレード：用途で、きれいさの等級が違う
大事なポイント：薬液や水には、きれいさの等級（グレード）があります。半導体用は、一般の試薬よりずっと厳しい決まりです。
グレードは、純度の等級です。たとえば、工場の掃除に使う薬品と、ウェハに直接触れる薬液では、許される不純物の量が違います。半導体用の薬液や水には、業界団体が決めた規格があり、参考資料では、SEMIの規格で、濃い酸に含まれる遷移金属（鉄や銅などの仲間）は、およそ0.1〜1.0ppbに抑えるとされています。超純水についても、SEMIとASTMの規格があるとされています。
なぜ、これほど厳しいのでしょうか。参考資料は、ppbからppmの濃度の汚染でも、配線の腐食やショート、不良の原因になる、と説明しています。薬液は、ウェハの全面に触れるので、薬液の中の不純物は、そのままウェハに運ばれてしまうのです。
また、薬液の中の金属の量は、とても小さいので、はかる技術も大切です。参考資料では、10ng/L（1リットルあたり10ナノグラム）以下の金属の濃度が求められる薬液があり、専用の分析装置ではかる、とされています。薬液や水のグレードは、「その工程が許す不純物の量」から逆算して決まります。
▶ 2級でくわしく：薬液の濃度や混ぜる比の管理、規格の読み方。
確認クイズ：ウェハに直接触れる薬液のグレードが、特に厳しいのは、なぜですか？
答え：薬液がウェハの全面に触れるので、不純物がそのままウェハの汚れになり、不良の原因になるからです。
くわしく見る：単位の換算：ppb・ppt・ng/L
水に近い液体（1リットルが約1kg）では、1ppb ＝ 1µg/kg ≒ 1µg/L、1ppt ＝ 1ng/kg ≒ 1ng/L と考えられます（1µg ＝ 1000ng）。すると、10ng/L ≒ 10ppt、0.1〜1.0ppb ＝ 100〜1000ppt です。薬液の種類で密度は異なるため、この換算は目安です。
④ 容器・配管・管理：きれいさを保つ工夫
大事なポイント：きれいにつくった薬液も、容器や配管から汚れが溶け出すと台なしです。そのため、容器や配管の材料まで、考えて選びます。
薬液を入れる容器には、薬液と反応しにくく、不純物を出しにくい材料が選ばれます。たとえばフッ化水素酸は、ガラスと反応するため、フッ素系の樹脂（PTFEなど）の容器に入れる、と参考資料にあります。洗浄に使う容器でも、参考資料は、ふつうのガラスでは不純物が溶け出すため、石英などを使うべきだと説明しています。電子工業用の薬液を使わないと、洗浄のたびに汚れが付き直す（再汚染）恐れがある、とも書かれています。
また、薬液は、時間がたつと成分が変わったり、容器から不純物が出たりします。そのため、受け入れたときと、使う直前の2回、成分をはかる考え方があります（これは一般的な説明です）。ほかにも、配管の継ぎ目から空気や粒が入らないようにする、使う場所まで循環させてフィルターで粒を除く、といった管理が行われます。
水と同じく、薬液もきれいにつくることと、きれいな状態で運び・保つことは、同じくらい大切です。管理の細かい方法は、第5講で、純度の管理や、ロットの考え方として学びます。
確認クイズ：フッ化水素酸の容器に、ふつうのガラスを使わないのは、なぜですか？
答え：フッ化水素酸が、ガラスと反応するからです。フッ素系の樹脂の容器が使われます。
⑤ 廃液の考え方：分けて集め、混ぜない
大事なポイント：使い終わった薬液（廃液）は、種類ごとに分けて集め、種類に合った方法で処理します。
薬液は、使うと汚れや反応の生成物が混ざります。そのまま排水口へ流すことはできません。そこで、工場では、使い終わった薬液を、配管で集めて処理します。
ここで大切なのは、種類ごとに分けて集めることです。理由は2つあります。1つめは、混ぜると危険な反応が起こることがある点です。参考資料にも、廃棄用の溶剤に、廃棄する過酸化水素を注ぐと、アセトンと反応して、不安定で爆発しやすい物質（過酸化アセトン）ができる恐れがある、と書かれています。2つめは、処理の方法が種類によって違う点です（酸とアルカリは中和する、有機溶剤は別の方法で処理する、などが一般的な例です）。分けておけば、それぞれに合った方法で、効率よく処理できます。
廃液の分け方や処理の方法は、法律や事業所の決まりで細かく決まっています。ここでは「分ける」「混ぜない」という考え方だけを押さえてください。廃液は、種類ごとに分けて集め、混ぜないことが、安全と処理の両方の基本です。
確認クイズ：廃液を、種類ごとに分けて集めるのは、なぜですか？
答え：混ぜると危険な反応が起こることがあり、また処理の方法が種類によって違うからです。
安全のひとこと
薬液には、強い酸やアルカリ、燃えやすい溶剤など、人や設備に害のあるものがあります。取り扱いと廃液の分け方は、職場の決まりと、その薬液の安全データシート（SDS）に従ってください。混ぜてはいけない組み合わせがあります。
この講のまとめ
薬液は、酸・アルカリ・有機溶剤に分けられ、汚れや膜の種類に合わせて使い分けます。超純水は、洗い流しと薄めるために使います。
薬液や水には、用途ごとのグレードがあり、半導体用はppbの水準で不純物を抑えます。
容器・配管まで考えて汚れを防ぎ、廃液は種類ごとに分けて、混ぜずに処理します。
次の講では、材料の純度の考え方と、ロット管理、供給の問題を学びます。
ことばのおさらい
- 薬液：工程で使う水以外の薬品の液体です。
- 酸：水に溶けると酸性を示す薬品です。
- アルカリ：水に溶けるとアルカリ性を示す薬品です。
- 有機溶剤：炭素を含む液体で、油や樹脂を溶かします。
- 超純水：イオン・有機物・粒子・細菌をほとんど含まない水です。
- グレード：純度の等級です。
- 廃液：使い終わった薬液です。
よくある誤解
Q. 超純水は、飲んでもおいしい、きれいな水ですか？
味や安全のことではなく、不純物の量が極めて少ない水を指します。工程専用の水で、飲むためのものではありません。
Q. 薬液は、純度が高いほどどの工程でも良いのですか？
工程が許す不純物の量に合わせたグレードを選びます。高すぎても、費用が増えます。
参考にした公式情報
- Wikipedia「Ultrapure water」（抵抗率、規格、製法、粒子の大きさ、食塩0.1ppbの影響）
- The Physics Factbook「Resistivity of Water」（純粋な水の抵抗率は25℃で18.18MΩ·cm。論文Light他, 2005の値）
- ASTM D5127-13 案内ページ（電子・半導体向け超純水の推奨品質の表。25℃の抵抗率は最も厳しい区分で18.2MΩ·cm、表の数値は目安）
- NIOSH Emergency Response Card「Hydrogen Fluoride」（フッ化水素はガラスなどを侵す）
- Wikipedia「RCA clean」（アンモニア水・塩酸と過酸化水素の洗浄、フッ酸、容器の材質）
- Wikipedia「Photoresist」（TMAHの現像液）
- Wikipedia「Hydrofluoric acid」（酸化膜のエッチング、ガラスと反応するため樹脂容器）
- Wikipedia「Acetone」（溶剤としての用途、過酸化物との危険な反応）
- 分析機器メーカーの技術解説ページ（濃い酸の遷移金属0.1〜1.0ppb、10ng/L以下、汚染の影響）
- Wikipedia「Semiconductor device fabrication」（洗浄・エッチングに使う液体）
「酸・アルカリ・有機溶剤」の分け方、廃液の処理方法（中和など）、薬液の成分をはかるタイミング、フッ素系樹脂以外の容器の考え方は、一般的な説明です。単位換算は、水に近い液体の目安です。図は、記事用に描いた簡易の図です。
