半導体材料の純度とは？ppb・ロット管理・トレーサビリティ・供給リスクをわかりやすく解説【材料・ガス・薬液3級・第5講】

この記事でわかること

• ① なぜ汚染が問題か
• ② ppbとは何か
• ③ ロットと受け入れ検査
• ④ トレーサビリティ
• ⑤ 供給のリスク

※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。

① なぜ汚染が問題なのか：部品の小ささと歩留まり

大事なポイント：回路の部品は非常に小さいので、わずかな不純物でも動きを乱します。不純物が多いと、良品の割合（歩留まり）が下がります。

第1講から第4講で、ウェハ・ガス・薬液・超純水を学びました。どの材料にも共通する、最も大切な性質が純度です。純度が大切なのは、回路の部品が、ごく小さな範囲の電気の流れで動くからです。わずかな不純物でも、その部分の電気の性質が変わってしまいます。

参考にした資料では、鉄・銅・ニッケル・亜鉛などの重金属が、ウェハの上に残ると歩留まりが下がる、と説明されています。別の資料は、ppb〜ppmの濃度の汚れでも、配線の腐食、ショート、電気の流れによる断線などの原因になる、と書いています。また、超純水の資料では、問題になる粒子の大きさは、つくる最小の形の半分ほどです。形が小さくなるほど、小さな粒も不良になります。

汚れが入る道は、材料のほかにもあります。工場は、ろ過した空気を送り込んだクリーンルームで、作業する人も専用の服を着ます。ただし、どんなに環境をきれいにしても、材料そのものが汚れていると、汚れはウェハに直接運ばれます。だから、材料の純度の管理は、汚染対策の入口になります。

② ppb・pptとは何か：極めて小さな割合

大事なポイント：ppmは100万分の1、ppbは10億分の1、pptは1兆分の1の割合です。半導体の材料の純度は、ppb〜pptの水準で話されます。

ppmは「100万分の1」、ppbは「10億分の1」、pptは「1兆分の1」を表す単位です。1つ進むごとに、1000倍ずつ小さくなります。1kgの水の中なら、1ppmが1mg、1ppbが1µg（1mgの1000分の1）、1pptが1ng（1µgの1000分の1）にあたります。

どのくらい小さいのか、たとえで考えてみます。1ppbは、約32年のうち、わずか1秒ほどの割合です。半導体の材料について、参考資料から、次の値の例が分かります。ウェハは純度9N（99.9999999%）以上で、不純物は全体で約10億分の1です。電子用の多結晶シリコンの不純物も、1ppb未満とされています。濃い酸に含まれる遷移金属は、0.1〜1.0ppb、薬液の金属は10ng/L以下という水準が挙げられています。ガスの分析では、10ppt未満の値の測定が載っています。（どれも一例で、材料や規格によって変わります。）

ここで、疑問が浮かぶかもしれません。「そんなに小さな量を、どうやって知るのか」という疑問です。実は、ppt近くまで測れる分析装置（誘導結合プラズマ質量分析など）があり、その装置で測れるから、管理ができます。測れない量は、管理できません。純度の水準は、分析できる水準とセットで決まります。

③ ロットと受け入れ検査：一まとまりごとに確かめる

大事なポイント：材料は、同じ条件でつくった一まとまり（ロット）ごとに管理し、受け入れるときに検査して、基準に合うか確かめます。

ロットとは、同じ材料を、同じ条件・同じ時期につくった、一まとまりのことです。ボンベや薬液の容器、ウェハの箱には、ロットの番号がつけられます。ロットごとに管理するのは、品質は、つくるたびに少しずつ違うからです。何かあったとき、同じロットは同じ性質だと考えて、まとめて扱えます。

材料を受け取る工場では、受け入れ検査を行います。材料メーカーが出す検査成績書（ロットごとの検査結果の紙や記録）と、決めた基準（規格）を見比べます。必要に応じて、工場自身も成分や粒を測ります。たとえばガスには、SEMIの規格C3のように、主成分の最低の純度と、不純物の最大の量を決める規格があります。基準を満たしたロットだけが、工程で使われます。

なお、新しいロットに切り替えるときは、前のロットと同じ結果が出るかを確かめる工場もあります。材料のわずかな違いが、工程の結果を変える場合があるからです（一般的な考え方です）。ロットで区切って、受け入れで確かめることで、基準に合わない材料を工程に入れません。

▶ 2級でくわしく：検査する個数の決め方（サンプリング）と、統計による管理。

④ トレーサビリティ：どの材料が、どの製品に使われたか

大事なポイント：トレーサビリティとは、材料から製品まで、どこで何を使ったかを記録で追えることです。問題が出たときに、原因を探し、影響を狭められます。

トレーサビリティは、「たどれること」です。材料のロット番号と、そのロットを使ったウェハのロット、さらに出荷した製品を、記録で結びつけておきます。

この記録には、2つの使い方があります。1つめは、製品に不具合が見つかったとき、さかのぼって原因を探す使い方です。同じ材料のロットを使った製品に不具合が集まっていれば、そのロットが疑われます。2つめは、ある材料のロットに問題が見つかったとき、そのロットを使った製品をたどって、影響の範囲を知る使い方です。記録があれば、材料の問題が起きても、影響を受けた製品だけに絞って対応できます。記録がなければ、広い範囲を疑うしかありません。

これは、材料に限らず、工程や装置の記録にも使われる考え方です（一般的な説明です）。

⑤ 供給のリスク：切らさず届けるために

大事なポイント：材料は、一部が止まっても生産が止まります。供給元の偏り・輸送・在庫の3つが、止まる主な理由です。

材料は、原料の採掘から、精製、材料メーカー、輸送を経て、半導体工場に届きます。この流れのどこかが止まると、工場は材料を使えません。

止まる理由のうち、1つめは、供給元の偏りです。たとえば、ヘリウムは、長い間、アメリカが世界の商業用の大部分をつくり、その後、何度も不足した、と参考資料にあります（割合や現在の状況は、時期や資料で変わります）。電子用の多結晶シリコンも、特定の国の企業に生産が集まっている、と書かれています（ただし、その資料は古く、数字が合っていないため、ここでは「偏りがある」という方向だけを扱います）。2つめは、高い純度にできる工場が少ない点です。3つめは、輸送や容器の不足、使用期限、そして在庫の少なさです。

そのため、供給元を複数にする、在庫を持つ、代わりの材料を事前に評価しておく、といった対策が使われます（一般的な考え方です）。材料の供給は、「純度」だけでなく、「切らさず届くか」まで含めて管理します。

安全のひとこと

ガスや薬液の容器の運搬・保管・受け取りは、職場の決まりと、安全データシート（SDS）に従ってください。ロット番号や期限の表示は、勝手に消したり貼り替えたりしないでください。

この講のまとめ

これで、材料・ガス・薬液3級は終わりです。次は、洗浄や成膜など、それぞれの工程の講座で、この材料がどう使われるかを学んでください。

ことばのおさらい

• ppb：10億分の1を表す単位です。
• ppt：1兆分の1を表す単位です。
• 歩留まり：つくった製品のうち、良品の割合です。
• ロット：同じ条件・同じ時期につくった一まとまりです。
• 受け入れ検査：材料を受け取るときに、基準に合うかを確かめる検査です。
• 検査成績書：ロットごとの検査結果を書いた記録です。
• トレーサビリティ：材料から製品まで、記録でたどれることです。

よくある誤解

Q. 純度は、高ければ高いほど、いつも良いのですか？

工程が許す不純物の量に合わせて決めます。高すぎると費用が増えます。

Q. ロットが同じなら、材料に違いはないのですか？

同じロットは同じ条件でつくりますが、ロットが違うと、わずかに違うことがあります。だからロットごとに管理します。

参考にした公式情報

• Wikipedia「Semiconductor device fabrication」（重金属の汚染と歩留まり、クリーンルーム）
• 分析機器メーカーの技術解説ページ（ppb〜ppmの汚染の影響、0.1〜1.0ppb、10ng/L以下、10ppt未満の分析）
• Wikipedia「Ultrapure water」（粒子の大きさの考え方）
• Wikipedia「Wafer (electronics)」（純度9N、遷移金属のppb）
• halbleiter.org「Raw silicon」（電子用シリコンは「ナイン」が9〜11個の純度）
• Wikipedia「Polysilicon」（1ppb未満、生産の集中（古い記述））
• Wikipedia「Helium」（供給の偏りと不足）
• SEMI C3 ガス規格の案内ページ（主成分の最低純度と不純物の最大値）

ロット・受け入れ検査・トレーサビリティ・供給リスクの対策の説明、25枚=1ロット、プールの大きさは、一般的な説明や仮の値です（出典なし）。ppb・pptの換算とたとえは算術です。図は、記事用に描いた簡易の図です。