今回のテーマは、
「半導体の工場では、なぜ空気を抜いた「真空」の中で作業するのか」
答え：空気が残っていると、製品の表面に余計なものが付いたり、材料の粒が空気にぶつかって届かなかったりするからです。そこで空気をポンプで抜き、どこまで抜くかを「低真空」「高真空」のような段階で管理します。
このコースの最初の講です。「真空」という言葉を、身近な例から出発して、少しずつ数字で扱えるようにします。
この講の流れ：① 真空を使う理由 → ② 圧力と単位 → ③ 真空の段階 → ④ 分子の数と飛べる距離 → ⑤ 真空をつくる3つの要素。
※各節の『くわしく見る』は、計算で確かめたい人向けです。
① 半導体づくりで真空を使う理由
大事なポイント：空気は汚れのもとになり、材料の粒の邪魔にもなります。そのため、必要な工程では、空気を抜いた容器の中で処理します。
食品の真空パックは、袋の空気を抜いて、中身が空気に触れて傷むのを防ぎます。半導体づくりで空気を抜く理由も、これとよく似ています。
「真空」と聞くと、何もない空間を思い浮かべる人が多いかもしれません。しかし日本の規格（JIS）は、真空を「通常の大気圧より低い圧力の気体で満たされた空間の状態」と定めています（大気圧は節2で説明します）。気体がゼロなのではなく、周りより気体が少ない状態です。掃除機の中がそうで、空気が少ないから、外の空気が吸い込まれます。
半導体の工場で空気を抜く理由は、3つあります。
- 汚れを減らすため：空気には酸素や水蒸気が含まれています。鉄が空気に触れるとさびるように、ウェハ（半導体の材料になる薄い円盤。くわしくはデバイス基礎3級）の表面も、空気があると余計なものが付いたり、反応したりします。
- 材料の粒を狙った場所へ届けるため：ウェハの上に薄い膜をつくる工程（成膜3級）では、材料を細かい粒にして飛ばします。人混みの中ではまっすぐ歩けないように、空気が多いと、粒は空気の分子（気体をつくる、目に見えない小さな粒）に次々とぶつかって進めません（節4）。
- 反応に使うガス（気体）の種類と量を、こちらで決めるため：エッチング（エッチング3級）のように、決めたガスだけを少しずつ入れて反応させる工程では、空気が残っているとガスの混ざり方が決められません。鍋に別の調味料が残っていたら味が決められないのと同じです。
どこまで抜くかは工程で違います。例を「くわしく見る」にまとめました。
ここだけ覚える：真空は、空気の影響を小さくして、狙った状態をつくるために使います。
確認クイズ：半導体の工場で空気を抜く理由を、本文から2つ挙げてください。
答え：汚れを減らすため、材料の粒を狙った場所へ届けるため、ガスの種類と量を決めるため、のうちの2つです。
くわしく見る：用途と真空の深さ（ある大学の講義資料の例）
この資料は、微細加工の用途を次のように分けています（圧力の区分は、この資料の独自のものです）。
- 粗い真空（760〜10-3 Torr。約100,000〜0.13 Pa）：ウェハを台に固定する用途、装置の入口の小部屋、スパッタリング、反応性イオンエッチング、LPCVD
- 高真空（10-3〜10-8 Torr）：蒸着、イオン注入
- 超高真空（10-8〜10-12 Torr）：表面の分析、分子線エピタキシー
節3で学ぶ日本の規格の区分とは、境界の数値が少し違います。単位の換算は節2で学びます。
② 圧力とその単位：パスカルを基準にする
大事なポイント：圧力は、面を押す力を面積で割ったものです。単位はパスカル（Pa）で、大気圧は約101,325Paです。
ストローでジュースを飲むとき、ジュースは吸い上げられるように見えますが、実際は、口で吸ってストローの中の空気を減らすと、中の圧力が下がり、コップの液面を押している外の空気が、ジュースをストローの中へ押し上げています。真空の話は、この「空気が押す力」の話です。
圧力とは、面を押す力を、その面の面積で割ったものです。空気は小さな分子の集まりで、その分子が壁にぶつかる力が集まって、壁を押します。分子が多いほど、圧力は高くなります。
私たちの周りの空気が押す圧力を、大気圧といいます。高い山へ登るとお菓子の袋がふくらむのは、空気が少なくなって大気圧が下がり、袋の中の空気が外へ押し広がるからです。
圧力の国際単位はパスカル（記号Pa）で、1Paは「1m²の面を1ニュートン（N）の力で押す圧力」です。大気圧はおよそ101,325Paで、たとえば1cm²（指先ほどの面積）に、約1kgの物をのせたほどの力にあたります。
ところが、真空の世界では、Pa以外の単位もよく使われます。長さにメートルとインチがあるように、ヨーロッパではミリバール（mbar）、アメリカではトール（Torr）が昔から使われてきたからです。米国のNISTの換算表では、1 mbar＝100Pa、1 Torr＝約133.3Paです。同じ「1」でも単位で大きさが違うので、数字は単位と一緒に読みます。
圧力には、大気圧を0として測るゲージ圧と、完全な真空を0として測る絶対圧があります。タイヤの空気圧計が示すのは、ゲージ圧です。第5講の高圧ガス保安法は、ゲージ圧力で決められています。
ここだけ覚える：大気圧は約101,325Paで、1 mbar＝100Pa、1 Torr＝約133.3Paです。
確認クイズ：1 mbarは、何Paですか。
答え：100Paです（NISTの換算表では、1 mbar＝0.1 kPa）。
くわしく見る：ふたにかかる力を計算する
圧力の定義から、力は「圧力×面積」で求められます（一般的な式です）。直径30cm（半径0.15m）の丸いふたを考えます。面積は 3.14×0.15×0.15 ＝ 0.0707m² です。
容器の中が真空に近いとき、外の大気圧は101,325Paなので、力は 101,325×0.0707 ＝ 約7,160N です。1kg重は約9.8Nなので、7,160÷9.8 ＝ 約730kg重になります。小さなふたでも、大人1人以上の重さで押されている計算です。
Torrの換算も確かめます。760×133.3224 ＝ 101,325 なので、760Torrが大気圧に等しいことが分かります。
※数値は理解のための計算で、実際のふたの力は、中の圧力や構造で変わります。
③ 真空の段階：低真空から超高真空まで
大事なポイント：真空は、圧力の低さで「低真空・中真空・高真空・超高真空」などに分けます。段階が違うと、必要な容器やポンプまで変わります。
プールは、深く潜るほど専用の器材が要ります。真空も、空気を抜いて「深く」するほど、容器やポンプに本格的なものが必要です。そこで、深さを段階に分けて呼びます。
圧力の数字は、101,325Paから10-9Pa以下まで、幅が途方もなく広くなります。日本の規格JIS Z 8126-1は、2021年に国際規格ISO 3529-1に合わせて改正されました。産業技術総合研究所の解説による新しい区分は、次のとおりです。
- 低真空：大気圧未満で100Pa以上
- 中真空：100Pa未満で0.1Pa以上
- 高真空：0.1Pa未満で10-6Pa以上
- 超高真空：10-6Pa未満で10-9Pa以上
- 極高真空：10-9Pa未満
段階ごとに、必要な容器やつなぎ方も違います。低真空なら、普通の鉄の容器と粗引き用のポンプ（第2講）で足ります。高真空になると、ステンレスなどの真空用の材料、ゴムのOリングによる封止、高真空用のポンプ（ターボ分子ポンプなど）が必要です。超高真空では、さらに金属のガスケットで封止し、容器を加熱して水分を飛ばす作業（ベーキング）も行います。圧力が低いほど、わずかな漏れや、壁から出る気体が問題になるからです。
境界の数字は「おおよその値」で、境目で物理現象が急に変わるわけではありません。資料によって数字が違うときは、規格の版を見ましょう。
ここだけ覚える：圧力が低いほど「深い」真空で、低真空、中真空、高真空、超高真空の順に、容器もポンプも本格的になります。
確認クイズ：0.01Paは、新しいJISの区分で、どの段階ですか。
答え：高真空です（0.1Pa未満で、10-6Pa以上の範囲にあります）。
くわしく見る：桁数を数える
大気圧は約101,325Pa（約105Pa）、超高真空の入口は10-6Paです。この2つの比は、105÷10-6 ＝ 1011 で、約1,000億倍です。
つまり、超高真空の入口でも、大気圧の約1,000億分の1という低さです。0.1Paから10-6Paまでの高真空だけでも、10-1÷10-6 ＝ 105、つまり5桁（10万倍）の幅があります。真空の世界では、圧力を「桁」で数えます。
昔の規格では高真空の下限が10-5Paでしたが、技術の進歩に合わせて10-6Paになりました。
半導体に関わる言葉として、新しい規格には「超清浄真空」もあります。圧力は中〜高真空でも、邪魔な不純物のガスの量だけは、超高真空と同じくらい低くしたい状態です。解説は、最先端の露光の分野にこの要求があると述べています。真空の「深さ」だけでなく、「何が残っているか」も大切だ、という考え方です。
※別の資料（Torr基準の大学資料、1980年の米国真空学会の区分など）は、境界の数値が異なります。
④ 分子の数と飛べる距離：圧力を下げると何が変わるか
大事なポイント：圧力を下げると、分子の数が減り、ぶつからずに飛べる距離が伸びます。ただし、高真空でも分子はゼロではありません。
満員のホームでは数歩でだれかにぶつかりますが、人が少ないホームなら、遠くまでまっすぐ歩けます。容器の中の分子も同じです。
圧力を下げると、まず分子の数が減ります。温度が同じなら、圧力は分子の密度（1cm³にある個数）に比例します（式は P＝nkT）。
次に、分子が飛べる距離が伸びます。ある分子が、ほかの分子にぶつかるまでに進む距離の平均を、平均自由行程といいます。これは圧力に反比例し、圧力が10分の1になると、距離は約10倍になります。大気圧では約0.07µm（髪の毛の太さの約1,000分の1）しか飛べませんが、10-4Paでは約70mも飛べます。学校のプールより長く、容器の大きさより大きいので、分子は容器の壁にぶつかりながら進みます。
この違いで、気体の流れ方が変わります。圧力が高いうちは、分子どうしがぶつかり合い、気体はまとまった流体のように流れます（粘性流）。満員電車で、人が押し合いながら動くのに似ています。圧力が低くなると、分子が1つずつ勝手に飛び、壁との衝突が主になります（分子流）。ある大学の資料は、およそ1.3Pa（10-2Torr）を境目の目安にしています。この違いが、第2講・第4講の土台です。
「高真空なら、分子はほぼゼロでは？」と思うかもしれません。実際は、10-4Paでも、1cm³に約240億個が残っています（大気圧の約10億分の1）。さらに低くなると、壁の表面から出てくる気体が、圧力を決める大きな要素になります（CERNの講義資料）。
▶ 2級でくわしく：粘性流と分子流の境目を決める数（クヌーセン数）と中間流は、2級で学びます。
ここだけ覚える：圧力が下がるほど、分子は減って遠くまで飛べますが、高真空でも分子はゼロになりません。
確認クイズ：圧力が10分の1になると、平均自由行程は、およそどうなりますか。
答え：約10倍に長くなります（平均自由行程は圧力に反比例します）。
くわしく見る：分子の数と距離を計算する
圧力 P ＝ n×k×T から、n ＝ P÷(k×T) です。k（ボルツマン定数）＝1.38×10-23 J/K、T ＝300K（約27℃）とすると、kT ＝ 1.38×10-23×300 ＝ 4.14×10-21 J です。
・P ＝ 1Pa のとき：n ＝ 1÷4.14×10-21 ＝ 2.4×1020 個/m³ ＝ 2.4×1014 個/cm³（1m³ ＝ 106cm³ で割りました）。
・P ＝ 101,325Pa のとき：2.4×1019 個/cm³。P ＝ 10-4Pa のとき：2.4×1010 個/cm³。
平均自由行程は、ある大学の資料にある近似式「5×10-3 Torr・cm ÷ 圧力（Torr）」を使いました（空気など、一般的な気体で300Kのとき）。大気圧（760Torr）では 5×10-3÷760 ＝ 6.6×10-6cm ＝ 約0.07µm。1Pa（約7.5×10-3Torr）では 0.67cm、10-4Pa（約7.5×10-7Torr）では約6,700cm ＝ 約67mです。
※近似式なので、「一例」の値です。気体の種類や温度で変わります。
表面の話も1つ。ある大学の資料は、1×10-6Torr（約1.3×10-4Pa）の真空でも、表面に分子の層が1枚たまるのに、およそ1秒しかかからないと書いています。真空でも、ウェハは汚れうるということです。
⑤ 真空をつくる3つの要素と、このコースの進め方
大事なポイント：真空は、チャンバー（容器）、真空ポンプ、真空計の3つがそろって初めてつくれ、確かめられます。
自転車のタイヤに空気を入れるときは、空気を送る「ポンプ」、空気をためる「タイヤ」、圧力を見る「空気圧計」の3つを使います。真空は、空気を入れずに抜く点が逆ですが、必要なものは同じ3つです。日本の規格の解説では、これを真空技術の三要素と呼びます。
- チャンバー（真空の容器）：空間と大気を隔てる壁です。これがないと、ポンプが空気を抜いても、外から空気が流れ込み、空間を保てません。
- 真空ポンプ：容器の中の圧力を、大気圧より低くするための機械です。これがないと、容器の中の気体を外へ出せません。
- 真空計：圧力が下がったことを確かめるための測定器です。これがないと、必要な圧力に届いたのか、漏れがないのか、判断できません。
実際の装置には、配管とバルブ（気体の通り道と、開け閉めする部品）も加わります。第2講は真空ポンプ、第3講は真空計、第4講は配管・バルブ・漏れ、第5講はトラブルと安全を学びます。
保全の視点では、「圧力が下がらない」という相談を受けたとき、圧力の数字を単位と一緒に読むのが出発点です。同じ「1」でも、mbarなら100Pa、Torrなら約133Paで、1.3倍以上の差があります。仕様書と画面の単位がそろっているかを、最初に見ましょう。
ここだけ覚える：真空は、チャンバー、ポンプ、真空計の3つでつくり、確かめます。
確認クイズ：真空をつくるための3つの要素は何ですか。
答え：チャンバー（真空の容器）、真空ポンプ、真空計です。
くわしく見る：単位を換算してみる
・5×10-6 Torr ＝ 5×10-6×133.3 ＝ 約6.7×10-4 Pa
・1×10-5 mbar ＝ 1×10-5×100 ＝ 1×10-3 Pa
どちらも、新しいJISの区分では、高真空（0.1Pa未満、10-6Pa以上）に入ります。
※換算の係数は、NISTの表に基づいています。
ポンプと真空計は、既存の記事でも扱っています。第2講・第3講のあとに、ターボ分子ポンプ（TMP）とは？粗引きが必要な理由と高真空を作る二段構えと、半導体装置の真空計とは？圧力の測り方と読み方を読むと、理解が深まります。
安全のひとこと
真空の容器は、大気圧で外から押されています。ふたや窓、ガラスの部品がある装置では、傷や割れのまま使わないでください。容器やふたを開ける作業は、職場の決まりと手順書に従い、許可を受けた人が行ってください。
この講のまとめ
今回の問いの答えは、空気の影響を小さくして、狙った状態をつくるためです。空気による汚れを減らし、材料の粒を狙った場所へ届け、ガスの種類と量を決めます。真空は「大気圧より気体が少ない状態」で、気体がゼロの状態ではありません。
圧力の単位はPa（パスカル）で、大気圧は約101,325Paです。1 mbar＝100Pa、1 Torr＝約133.3Paです。JISでは、低真空・中真空・高真空・超高真空と段階を分けます。
圧力が下がると、分子の数が減り、飛べる距離が伸びます。真空はチャンバー、ポンプ、真空計の3つでつくり、確かめます。
次の講では、真空をつくる主役、真空ポンプの種類と使い分けを学びます。
ことばのおさらい
- 真空：大気圧より低い圧力の気体で満たされた空間の状態です。
- 分子：気体をつくる、目に見えない小さな粒です。
- 圧力：面を押す力を、その面積で割ったものです。単位はパスカル（Pa）です。
- 大気圧：私たちの周りの空気が押す圧力です。標準では101,325Paです。
- ゲージ圧・絶対圧：大気圧を0とする圧力と、完全な真空を0とする圧力です。
- 低真空・中真空・高真空・超高真空：圧力の低さで分けた真空の段階です。数字が小さいほど、真空が深くなります。
- 平均自由行程：分子が、ほかの分子にぶつかるまでに進む距離の平均です。圧力に反比例します。
- 粘性流・分子流：分子どうしがぶつかって流れる状態と、壁との衝突が主な状態です。
- 真空技術の三要素：チャンバー（真空の容器）、真空ポンプ、真空計の3つです。
よくある誤解
Q. 真空とは、気体がまったくない状態ですか。
いいえ。規格では、大気圧より低い圧力の気体で満たされた状態をいいます。高真空でも、1cm³に数十億個の分子が残っています。
Q. 真空の数字は、大きいほど真空が深いのですか。
反対です。圧力の数字が小さいほど、気体が少なく、真空は深くなります。「真空度が高い」という言い方は、圧力が低いという意味で使われることが多いので、数字と単位で確かめましょう。
参考にした公式情報
- 吉田 肇「JIS Z 8126-1:2021 真空技術―用語―第1部：一般用語の改正」表面と真空 65(8), 2022（産業技術総合研究所。真空の定義、低真空〜極高真空の区分と注釈、三要素、超清浄真空、旧規格との違い）
- NIST Guide to the SI, Appendix B.8: Factors for Units Listed Alphabetically（米国NIST。bar、mbar、atm、Torrとパスカルの換算）
- V. Baglin, Vacuum in Accelerators for Mechanical & Materials Engineering（CERN Accelerator School 2024）（CERN。圧力の定義、PaとTorrなどの換算、P＝nkT、平均自由行程は圧力に反比例、分子流）
- University of Utah, Fundamentals of Micromachining, Lecture 3: Vacuum Systems（米国の大学の講義資料。単位、粘性流と分子流の目安、平均自由行程の近似式、用途と真空の深さ）
- Penn State University, Nanofabrication Lab 2: Vacuum Assembly and Troubleshooting（米国の大学の実習資料。真空を使う理由（汚染、平均自由行程、ガスの組成の制御））
平均自由行程の近似式と、分子の数・ふたの力の計算（P＝nkT、F＝P×A）は一般的な式で、数値は理解のための一例です。1cm²に約1kg重の説明は、CERNの講義資料（1kg/cm²）に沿った概数です。「ゲージ圧と絶対圧」の定義は一般知識で、高圧ガス保安法がゲージ圧力で定めている点は、e-Gov法令検索の条文で確認しました。図は記事用に描いた簡易の模式図です。JIS Z 8126-1の本文は有料のため未読で、解説記事（産業技術総合研究所）に基づいています。
