超純水はどれくらい純粋？ 半導体工場はなぜ水をたくさん使うのか

超純水とは、水分子のほかのものをほとんどすべて取り除いた水です。溶けているイオン、粒子、有機物、酸素、細菌を、どれもごくわずかになるまで減らします。半導体工場は、これでウェーハをすすぎます。どれくらい純粋かは、ふつう「比抵抗」で見ます。完全に純粋な水の比抵抗は、25°Cで約18.2 MΩ·cm（メガオーム・センチメートル）。これが理論上の上限で、工場が求めるのは、この数字にほぼ届く水です。水道水は、その1000分の1から1万分の1ほどしかありません。ウェーハは工場の中で何度もすすがれるので、先端の工場では1日に数百万ガロンの超純水を使います。超純水をつくること自体にも、それ以上の原水が要ります。

なぜウェーハを、こんなに純粋な水で洗うのか

ウェーハはつくられるあいだに、何度も薬液に浸かります。パーティクルや有機物、金属を落とすため、あるいは材料の層を溶かすためです（ウェットエッチング。「エッチングとは？ ドライエッチングとウェットエッチングは何が違う？」を参照）。浸けたあとは、すぐに水で薬液をすすぎ落とします。最後にウェーハの表面に触れるのは、このすすぎの水です。水の中に何かあれば、それがウェーハに残るかもしれません。

チップのいちばん細い線は数十ナノメートルか、それより細いので、ほんの少しのものでも問題になります。

• イオン：ナトリウムのようなイオンがトランジスタのごく薄い絶縁膜に入ると、スイッチの性質がずれます。鉄やニッケルのような金属がシリコンに入ると、トランジスタがリークしやすくなります。
• 粒子：ウェーハに落ちると、1本の線を切ったり、2本の線をつなげたりします。このことは「クリーンルームはどれくらいきれい？」で書きました。水の中のパーティクルも同じです。
• 有機物：表面に見えない薄い膜を残し、次の層の材料がうまく育ちません。
• 溶けた酸素：酸化膜を落としたばかりのむき出しのシリコンは、酸素を含む水に浸かっていると、ごく薄い酸化膜がゆっくり戻ってきます。
• 細菌：生きていても死んでいても、粒子であり有機物です。水が止まっているところでは増えていきます。

つまり超純水は「塩の入っていない水」というだけではありません。この5つをすべて管理します。

なぜ「比抵抗」で純度を見るのか

純粋な水分子は、ほとんど電気を通しません。水道水が電気を通すのは、カルシウム、マグネシウム、ナトリウム、塩素などが、電気を帯びた小さな粒（イオン）として溶けているからで、電流はそれに乗って運ばれます。だから水の中のイオンが少ないほど電気は通りにくく、抵抗は高くなります。比抵抗とは、「同じ大きさの水のかたまりを、電気がどれくらい通りにくいか」をひとつの数字にしたものです。

イオンを全部取り除いても、水は完全な絶縁体にはなりません。水分子のごく一部が自分で分かれて、水素イオンと水酸化物イオンになるからです。このわずかなイオンが上限を決めていて、25°Cでは約18.2 MΩ·cmです。水道水の比抵抗は数千〜2万Ω·cmほどで、1000倍から1万倍の差があります。

比抵抗はとても敏感です。イオンがほんの少し混ざるだけで下がり、空気中の二酸化炭素が溶けこむだけでも、水は少し電気を通しやすくなります。そのため工場では、比抵抗計を配管にそのまま取り付けて、ずっと測っています。比抵抗が下がったら、イオンが入ってきたということ。たとえば、イオンを取り除く段がもうすぐ使い切られる、といったことです。

ただし、比抵抗でわかるのはイオンだけです。粒子、有機物、溶けた酸素、細菌は、それぞれ別の装置で測ります。

超純水はどうやってつくるのか

だいたい、いくつもの段で、いらないものを順に取り除いていきます。細かいところは工場ごとに違いますが、よくある段はこうです。

1. まずろ過：原水から砂や浮いているものをこし取り、あとの膜が詰まらないようにします。
2. 逆浸透：圧力をかけて、水をとても細かい膜に押し通します。溶けている塩類や有機物の大部分は通れず、反対側に残ります。
3. イオン交換：樹脂の小さな粒がいっぱいに詰まったタンクに水を通します。樹脂が残りのイオンをつかまえ、代わりに水素イオンと水酸化物イオンを出し、この2つがくっついてまた水になります。樹脂がいっぱいになったら、新しいものに替えるか再生します。
4. 紫外線：強い紫外線を当てて、残ったごく微量の有機物を分解し、ついでに殺菌もします。
5. 脱気：水に溶けている酸素などの気体を抜きます。
6. 最後にもう一度ろ過：さらに目の細かい膜で、いちばん小さい粒子を止めます。

できた水は、タンクで使われるのを待っているわけではありません。輪になった配管の中をずっと回っていて、装置のそばまで送られ、使われなかった分は戻ってきて、もう一度処理されます。水が動き続けていれば、細菌は増えにくくなります。配管の材料も選びます。管の壁そのものから水に何かが少し溶け出すことがあるので、ふつうの金属管ではなく、特に選んだ樹脂の管がよく使われます。このシステムも、工場全体と同じく24時間止まりません（「半導体工場はなぜ24時間止まらないのか」）。

なぜ半導体工場は、こんなに水を使うのか

おもな理由は3つです。

1. 洗う回数が多い：チップは1層ずつ積み上げてつくり、1層ごとにウェーハは何度も洗浄されます。洗浄は、フロー全体の中でいちばん回数の多い工程のひとつです（「半導体工場の7つのプロセスエリアは、それぞれ何をしている？」）。薬液に浸かるたびに超純水ですすぎ、しかもラインの上には、いつも何千、何万枚ものウェーハが流れています。
2. 超純水をつくること自体に、もっと水が要る：逆浸透で止められた塩類や不純物は、濃くなった水の流れに残って排出されます。だから超純水を1つ分つくるには、1つ分より多い原水を取り込まなければなりません。
3. ウェーハのすすぎだけではない：装置の熱は冷却水で運び出され、最後は冷却塔で逃がされます。そこでは水がたくさん蒸発します。装置によっては排ガス処理でも水で排ガスを洗います。こうしたところの水はそれほど純粋でなくてかまいませんが、量は少なくありません。

超純水だけでも、先端の工場では1日に数百万ガロンになります。1ガロンは約3.8リットル、オリンピック規格のプールは約250万リットル（約66万ガロン）入ります。毎日使う超純水は、プール数杯分にあたります。

使った水はどこへ行く？ 再利用できる？

できます。工場もこのことをとても気にしています。使った水は全部をまとめて捨てるのではなく、汚れ具合によって分けて集めます。

• 比較的きれいな水：たとえば最後のほうのすすぎの水で、ごくわずかなものしか増えていません。確かめて処理すれば、超純水をつくる原水として戻せます。
• それほどきれいでない水：冷却塔や排ガスの洗浄など、それほど純度が要らないところで、もう一度使います。
• 薬液を多く含む水：排水の基準を満たすまで処理してから、外に出します。

回収でとくに厄介なもののひとつが、小さくて電気を帯びていない有機物の分子です。たとえば、洗浄で使う溶剤の一部がそうです。逆浸透でもイオン交換でもつかまえにくいので、回収した水に混ざると、超純水まで入りこむおそれがあります。だから回収する水はずっと測り続け、おかしければ回収しません。

fab24hrでは

fab24hrでは、超純水はファシリティが見ています。「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びます。深夜シフトは中央監視室で当直です。壁一面に工場全体の水・電気・ガス・化学品が並び、そのマスのひとつが超純水で、比抵抗はいちばん上の目盛りに張りついています。明け方4時ごろ、純水システムをもう一組の設備に切り替える定期切り替えがあり、切り替えたあと、比抵抗が動かなかったかを確かめます。エッチングのプロセスエンジニアや製造部では、朝シフトと昼シフトに、ランダムイベント「超純水の比抵抗が下がっている」に出会うことがあります。洗浄をいったん止めてファシリティを待つか、そのまま洗うかを決めます。洗浄のプロセスエンジニアと洗浄装置エンジニアが見ているのはWET-05です。槽が一列に並び、薬液に浸け、超純水ですすぎ、回転させて乾かします。ゲームに出てくる工場、人物、装置番号、時刻は架空のもので、この工場がどれだけ水を使い、どれだけ再利用しているかも書いていません。超純水がどれくらい純粋か、どうつくるのか、なぜ水をたくさん使うのかは、公開されている一般的な資料をもとに書いています。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。