半導体の装置は、なぜ真空にするのか

半導体の装置を真空にするのは、ふつうの空気に分子がぎっしり詰まっているからです。ウェーハへ飛んでいく原子やイオンは途中ではじき飛ばされ、酸素や水蒸気は表面を酸化させて膜に入りこみ、半導体工場で使う均一なプラズマもうまくつきません。だからプラズマエッチング、多くの成膜、イオン注入の装置は、ウェーハを加工する前にチャンバーの中の空気を抜きます。これを「真空引き」といいます。ここでいう「真空」は何もない状態ではなく、気体がある程度まで少ない状態のことです。どこまで少なくするかは、工程ごとに違います。

空気の中の分子は、どれくらい混んでいる？

ふつうの空気の中では、分子は平均して1万分の1ミリも進まないうちに、ほかの分子にぶつかります。この距離を「平均自由行程」といいます。満員の駅のようなもので、半歩も進まないうちに人にぶつかります。

圧力を10分の1にすると、この距離はおよそ10倍になります。大気の100万分の1くらいまで下げると、分子は平均5センチ飛べます。10億分の1くらいなら数十メートル。がらんとした運動場を歩くようなものです。

真空にするのは、何のため？

1. 原子やイオンを、まっすぐウェーハに届ける：スパッタリングでターゲットからたたき出された金属の原子（「成膜とは？」）や、注入装置で加速されたイオン（「イオン注入とは？」）は、途中で気体の分子にぶつかると、向きが変わったり散らばったりします。
2. 酸素や水蒸気を入れない：ふつうの空気の中では、洗ったばかりの表面に当たった分子がすべてくっつくとすると、10億分の数秒で分子の層に覆われます。大気の10億分の1くらいの圧力なら、およそ1秒かかります。入りこんだ酸素や水蒸気は、金属の膜を酸化させ、質を落とします。
3. プラズマをつけ、均一にする：分子が詰まっていると、電子は加速する前に次の分子にぶつかります。そのため、とても高い電圧がないとプラズマがつかず、ついても小さな稲妻のような細い筋に縮まりやすくなります。圧力が低いと、全体に広がった均一なプラズマが得やすくなります（「プラズマとは？」）。
4. 熱が決めた道だけを通る：まわりで空気が動かないので、ウェーハの温度はおもに、載っているヒーターや冷却台で決まります。逆に、真空はほとんど熱を伝えないので、エッチングではウェーハの裏にヘリウムを流して冷やします（He背圧）。

工程ごとに、どこまで真空にする？

工程	圧力（大気と比べて、およそ）	分子が平均して飛べる距離
ふつうの空気	1	1万分の1ミリ未満
炉での減圧成膜	数千分の1〜数百分の1	100分の数ミリ〜10分の数ミリ
プラズマエッチング	10万分の1〜1万分の1、さらに低いことも	10分の数ミリ〜数ミリ
スパッタリング（金属の膜）	まず100億分の1くらいまで引き、アルゴンを入れて100万分の1〜10万分の1に	成膜中は数ミリ〜数センチ
イオン注入（イオンが通る道）	10億分の1くらい、またはそれ以下	数十メートル以上

すべての装置が真空を使うわけではありません。コータデベロッパ、多くの露光装置、ウェット洗浄の槽、CMPは、ふつうの気圧で動きます。極端紫外線の露光装置は例外で、その光は空気にさえ吸収されるため、光の通り道全体を真空にします（「極端紫外線（EUV）とは？」）。

真空はどうやってつくる？

ふつうの気圧から、とても空っぽな状態まで1台で引けるポンプはありません。そこで2段階に分けます。

• 粗引き：まずドライポンプで、空気の大部分を抜きます。「ドライ」とは、気体を引く部分に油を使わないという意味で、油の蒸気が逆流してウェーハを汚すことがありません。
• 高真空：残った薄い気体は、チャンバーの横の高真空ポンプが引きます。ターボ分子ポンプは、何段もの羽根が1分間に数万回転して、分子を下へ「はたき」出します。ただ、後ろの粗引きポンプへ送ることしかできず、直接大気へは出せないので、2台をつないで使います。クライオポンプは、マイナス250度より冷たい面で気体を凍らせて捕まえます。いっぱいになったら、温めて気体を放し、また冷やします。これを再生といいます。

ウェーハはどうやって真空に出入りする？ 一歩ずつ

真空の装置の多くは、花のような形をしています。真ん中にいつも真空の搬送チャンバーがあり、まわりに工程を行う反応チャンバーがいくつか付き、正面にウェーハケースを置くロードポートがあります。

ステップ1：予備真空室に入れて、扉を閉める

• 何をする：アームがウェーハを、装置の正面にある小部屋「予備真空室」（ロードロック室とも呼ばれます）に入れ、外側の扉を閉めます。
• なぜ：宇宙船のエアロックと同じです。2枚の扉が同時に開くことはないので、内側はずっと真空のままです。
• しないと：ウェーハを直接メインのチャンバーに入れると、1枚入れ替えるたびに、メインのチャンバーに空気を入れて一から引き直すことになります。

ステップ2：予備真空室を真空にする

• 何をする：予備真空室を搬送チャンバーと同じくらいの圧力まで引き、それから内側の扉を開けます。
• なぜ：部屋が小さいので、すぐに引けます。ふつうの気圧と真空を行き来するのは、ここだけです。
• しないと：引ききる前に扉を開けると、空気や水蒸気がいっしょに入ります。勢いよく引きすぎると、ガスの流れがパーティクルを巻き上げることがあり、水蒸気が一気に小さな水滴になって、乾いたあとにパーティクルを残すこともあります。

ステップ3：反応チャンバーへ

• 何をする：搬送チャンバーの真空側アームがウェーハを反応チャンバーに入れ、あいだの細い扉（スリットバルブ）を閉めます。
• なぜ：メインのチャンバーはずっと真空のままなので、1枚ごとにベントしなくて済みます。
• しないと：ベントするたびに内壁に水蒸気がつき、また真空引きに長い時間がかかります。

ステップ4：もう少し引いてから、プロセスガスを入れる

• 何をする：まず工程の圧力よりも低く引いてから、レシピどおりにガスを入れ、バルブを開け閉めして圧力を設定値に保ちます。
• なぜ：よけいなガスが十分に少ないことを先に確かめれば、残るのは使いたいガスだけになります。
• しないと：残った酸素や水蒸気が反応に加わり、膜や削った形が設定と違ってしまいます。

ステップ5：ガスを抜いて取り出し、ふつうの気圧に戻す

• 何をする：工程が終わったら、まずチャンバーのガスを引き切り、ウェーハを予備真空室に戻します。予備真空室には乾いた窒素をゆっくり入れ、ふつうの気圧に戻してから外側の扉を開けます。
• なぜ：使う特殊ガスには、毒性や腐食性のあるものが少なくなく、ウェーハといっしょに外へ出すわけにはいきません。窒素は乾いたものをゆっくり入れるので、水蒸気を持ちこまず、パーティクルも巻き上げません。
• しないと：残ったガスが搬送チャンバーに入ります。ふつうの空気を入れると内壁に水蒸気がつき、次の真空引きが遅くなります。

漏れがあると、どうなる？ どう見つける？

チャンバーのつなぎ目は、ゴムのOリングや金属のガスケットでふさいであります。どこかがきちんとふさがっていないと、空気がずっとしみこんできます。圧力が下がりきらない。膜に酸素が入って、金属の膜が酸化する。漏れこんだ空気がプロセスガスと反応して細かい粉になり、ウェーハに落ちてパーティクルになることもあります。

漏れの見つけ方は、よく使う方法が2つあります。ひとつは昇圧テストです。チャンバーを閉じきって引くのをやめ、圧力がどう上がるかを見ます。まっすぐ上がり続けるなら、たいてい漏れです。上がり方がだんだん鈍くなるなら、たいていは内壁の水蒸気がまだ少しずつ出ているだけです。もうひとつはリークチェックです。継ぎ目の外側に1か所ずつヘリウムを少し吹きつけ、チャンバーにつないだ検出器を見ます。数字がいちばん跳ね上がった場所が、漏れているところです。だから修理でチャンバー開放をしたら、組み戻したあとは必ず真空引きとリークチェックをしてから先へ進みます（「半導体工場の装置エンジニアは何をしている？」）。

ポンプと排ガスは、どこにある？

粗引きのドライポンプと、排ガスを燃やしたり分解したりする排ガス処理は、たいていクリーンルームの下の階のサブファブにあり、その装置の真下の近くに置かれます。ポンプは24時間回り続け、多くは熱を冷却水で運び去ります。どれくらい電気を使うかは「半導体工場はなぜ大量の電力を使うのか」、この階をだれが見ているかは「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。

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装置エンジニアで止め、名前の下の「成膜」を押すと、薄膜装置エンジニアになります（Betaの印がついています）。深夜シフト「じわじわ悪くなる真空」では、PVD-01の圧力がひと晩じゅう上がっていきます。昇圧テストでは上がり方がだんだん鈍くなるので、漏れではなく、クライオポンプがいっぱいになりかけています。いますぐ再生するか、先にロットを流し終えるか。昼シフトのターゲット交換では、ベント、真空引き、昇圧テストを行います。名前の下で「イオン注入」を押すと、夜シフト「エンドステーションの真空」も、いっぱいになりかけたクライオポンプの話です。「エッチング」を押すと、朝シフトでチャンバーを開けて静電チャックを交換し、ヘリウムで継ぎ目を1か所ずつリークチェックします。メインストーリー「チップの一生」第7章「火消し」では、テストランのときに真空引きとベーキングをどれだけ続けるかを決めます。

ウェーハがどうやって真空に出入りするかは、クラスタツールを開いて「動きを見る」を押すと見られます。下の階のポンプと排ガス処理は、サブファブにあります。

ゲームの会社、人物、装置番号、数字は架空のものです。真空のしくみや、ポンプと予備真空室の使われ方は、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。