半導体工場ではどんなガスを使う？ なぜそこまで慎重なのか

半導体工場で使うガスは、大きく2種類に分かれます。バルクガスは窒素、酸素、アルゴン、水素などで、使う量がとても多く、工場の外の大きなタンクや製造設備から配管で送られてきます。特殊ガスは、エッチング用の塩素や成膜用のシランなどです。使う量は少なくても、毒性のあるもの、腐食性のあるもの、空気に触れると燃えるものがあり、たいていボンベキャビネットから1本ずつ送り出します。どちらもとても純粋でなければなりません。だから工場では、何重もの設備と手順でガスを見守っています。

なぜ半導体工場はこんなにガスを使う？

多くの工程が、ガスの中で行われるからです。拡散炉では酸素を流して酸化膜を育てます。成膜では、ガスをウェーハの表面で反応させて新しい材料の層を敷きます。エッチングはガスをプラズマにして、材料をガスに変えて運び去ります。イオン注入は、ホウ素やリンを含むガスをイオンにして、シリコンに打ち込みます。

装置の中では、流量制御器がそれぞれのガスをどれだけ流すかを決めます。単位はよく sccm を使います。

バルクガスとは？ それぞれ何に使う？

バルクガスは、家の水道のようなものです。量が多く、いつも使っていて、開ければ出てきます。

ガス	よく使うところ
窒素	ほとんど反応しないので、配管や装置の中の空気と水分を追い出し、酸化しやすいものを守る
酸素	拡散炉で、シリコンの上に二酸化シリコンを育てる（「拡散炉では何をしている？」）
アルゴン	反応せず、原子も十分に重いので、スパッタリングでプラズマにしてターゲットにぶつける（「成膜とは？」）
水素	ほかのガスをチャンバーへ運ぶのに使う成膜工程や、加熱の工程で流すことがある

窒素、酸素、アルゴンは、どれも空気から取り出します。空気はおよそ8割が窒素、2割が酸素で、1%足らずのアルゴンも含みます。空気を冷やして液体にし、沸点の違いで1つずつ分けると、この3つが得られます。ヘリウムもよく使います。熱をとてもよく伝えるので、エッチング中にウェーハの裏側に流して冷やします（He背圧）。

特殊ガスとは？ なぜ危ないの？

特殊ガスは工程で使うガスで、その多くに毒性、腐食性、可燃性があります。薬局の鍵のかかった棚の薬に似ています。どれも量は少なく、それぞれに専用の役目があり、それぞれに危なさがあります。

• エッチング用：塩素を含むガスはシリコンや金属を、フッ素を含むガスは二酸化シリコンを削るのによく使われます（プラズマでどう削るかは「エッチングとは？」）。塩素は空気より重く、漏れると低いところにたまります。目やのどのような湿ったところに触れると、強い腐食性があります。
• 成膜用：シラン（モノシラン）は、膜に必要なシリコンを運びます。空気に触れると、火がなくてもひとりでに燃え出すことがあります。
• イオン注入用：ホウ素、リン、ヒ素を含むガスで、なかには毒性がとても強いものがあります。政府の労働安全機関の資料は、そのうちのひとつについて、吸い込んでも刺激がなく、すぐには症状も出ないので、においだけでは気づけないと注意しています。

バルクガスにも油断はできません。水素はとても燃えやすく、空気中に4%ほどあるだけで火がつくことがあります。窒素そのものに毒はありませんが、閉ざされた場所で大量に漏れると、酸素を押しのけてしまいます。においも感覚もなく、計器でしかわかりません。

だから原則は、人の鼻に頼らず、設備と手順に頼ることです。

ガスは下の階からどうやって装置に届く？

特殊ガスの通り道は、おおよそ「ボンベキャビネット → バルブボックス → 装置」です。その多くはクリーンルームの下の階、サブファブにあり、ファシリティが見ています（ファブの中にほかに何があるかは「ファブとは？」）。

1. ボンベキャビネット：ボンベは鉄のキャビネットの中に収めます。キャビネットはいつも排気していて、中の気圧が外より少し低いので、万一漏れても、ガスは先に吸い出されます。奥には一面のバルブと減圧器があり、ボンベの高い圧力を下げます。検知器が漏れをとらえたり、排気が止まったりすると、出口のバルブがひとりでに閉まります。
2. バルブボックス：1本のガス配管を何台もの装置に分ける箱です。枝ごとに自分のバルブがあり、箱も排気につながっています。
3. 配管：高純度のガスを送る配管には、内側をとてもなめらかにしたステンレス管を使うことが多いです。毒性のあるガスは二重管で送ることが多く、ガスは内側の管を流れ、漏れたら外側の管が先に受け止め、そのあいだをセンサーが見張ります。外せる継手には、あいだに金属のガスケットをはさみます。

ファシリティの巡回やボンベ交換のようすは「半導体工場のファシリティエンジニアは何をしている？」へ。

なぜそこまで慎重なの？ 守りは何重にも重なっている

労働安全では、よくこんな順番が語られます。設備で人と危険を引き離せるなら、まず設備を使う。次に決まりと手順。個人用保護具は最後の守り。ガスの守りも、この順に並んでいます。ここで書くのは考え方で、作業の手順ではありません。実際のやり方は、工場ごとに手順と訓練があります。

• まず閉じ込める：排気して中を低い気圧にしたボンベキャビネット、二重管、ひとりでに閉まるバルブ。
• いつもかいでいる：ガス検知器が、人にはにおわないガスをかぎ分けます。時間がたつとずれるので、定期的に少量の試験ガスを吹きかけて、ちゃんと鳴るかを確かめます（バンプテスト）。
• 配管を開ける前：まずロックアウト・タグアウトでバルブに鍵をかけ、作業中だとまわりに知らせます。次にパージで、配管に残ったガスを窒素で追い出します。
• つないだあと：リークチェックで、継手にすき間がないかを確かめます。新しい配管は保圧テストも行います。窒素を満たして閉じたまま置き、圧力が少しずつ下がらないかを見ます。
• 人の守り：毒性のあるガスのボンベを替えるときは、2人1組で呼吸用保護具をつけるのが一般的なやり方です。
• 使ったあとも見る：ガスは装置の中で全部使われるわけではありません。残ったガスや反応でできたものは、まず排ガス処理で燃やしたり、分解したり、水で洗ったりしてから外に出します。フッ素を含むガスのなかには、強い温室効果ガスもあります。

なぜガスはそこまで純粋でなければならない？

チップのいちばん細い線は数十ナノメートルしかなく、数ナノメートルの厚さしかない膜もあります。ガスにほかのものが混じっていれば、いっしょにチャンバーへ入り、膜の中やウェーハの表面に残るかもしれません。とくに困るのは水分と酸素です。ほんのわずかでも、膜がうまく育たなかったり、酸化してはいけないところが酸化したりします。

純度は「9がいくつ並ぶか」で言うことがよくあります。99.9999%は「シックスナイン」で、不純物は100万分の1しか残りません。工場が気にする不純物は、さらにその下、10億分の1（ppb）の単位で数えます。10億分の1とはどれくらいでしょう。オリンピックサイズのプールにはおよそ250万リットルの水が入り、その10億分の1はおよそ2.5ミリリットル、小さじ半分ほどです。

きれいでなければならないのは、ガスそのものだけではありません。通り道もです。配管の壁は水分を少し吸いつけ、ゆっくり放します。だから配管の内側はなめらかにし、ガスが流れない行き止まりもなるべくつくりません。ボンベ交換で配管を開けると、空気や水分が入りこむことがあります。だからパージは人を守るだけでなく、そのあとに流れるウェーハも守っています。水についても同じ話は「超純水はどれくらい純粋？」へ。

fab24hrでは

「出勤」を押して「工場の一日」を選び、「今日のあなたは」のカードで「量産工場」を押し、左右にスワイプしてファシリティエンジニアを選ぶと、ガスと化学品を見る仕事です。深夜シフト「当直」では、中央監視室で壁を見ます。バルクガスと特殊ガスにも、それぞれ1マスあります。朝シフト「ボンベ交換」では、フイルーさんと2人で呼吸用保護具をつけ、サブファブのキャビネットBにあるエッチング用の特殊ガスのボンベを交換します。省いた手順は、あとで戻ってきます。昼シフト「搬入」では、新しい装置を1本ずつフックアップし、新しいガス配管の保圧テストを最後まで待つかどうかを決めます。夜シフト「キャビネットの中のわずかな反応」では、キャビネットBの検知器がわずかに反応し、本当に漏れているのか、検知器がずれただけなのかを見分けます。ボンベキャビネットは「半導体工場の装置を、分解して見る」で分解して見ることもできます。

ゲームに出てくる工場、人物、装置番号、どのキャビネットにどのガスが入っているかは架空のもので、パージを何回するか、警報をいくつに設定するかといった数字も書いていません。半導体工場がどんなガスを使い、なぜ慎重に扱うのかは、公開されている一般的な資料をもとに書いていて、どの会社のやり方を示すものでもありません。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。