半導体工場のガス状汚染物質対策：ケミカルろ材の選び方

HEPA フィルターでは捕まえられない汚染

現代のファブは粒子数を ISO クラス 3 以上に保てても、粒子計数器に見えない汚染で歩留まりを落とすことがあります。分子状汚染物質（AMC）は気相の汚染で、HCl や SO₂ などの酸、アンモニアやアミンなどの塩基、有機化合物、ドーパントを含みます。臭いを感じるにははるかに低い、しばしば ppb 以下の濃度でも、表面を変えるには十分です。

気体分子の大きさは 1 ナノメートルにも満たず、HEPA フィルターが捕まえるよう作られた粒子より何千倍も小さく、粒子のようにガラス繊維に付着しません。吸着または中和されない限り通り抜けます。それがケミカルろ過の役割です。

ppb が問題になる理由

最初によく記録された例はリソグラフィーから来ました。1990 年代初め、IBM の研究者は、少量の光発生酸で働く化学増幅型レジストが空気中の塩基に敏感であることを示しました。微量のアンモニアやアミンがレジスト表面で酸を中和するため、露光パターンの上部が現像されず、線が T 字形の断面になります。これが T トップと呼ばれる現象です [4]。それ以来、塩基の管理はすべてのリソグラフィー区域で必須になりました。

酸は別の損傷を与えます。金属配線、コンタクト、ボンドパッドを腐食させ、制御機器や電力機器の銅や銀を侵します。凝縮性有機物はウェーハ、光学部品、レチクルに付着し、膜の密着性を変えることがあります。ホウ素やリンの化合物などのドーパントは、デバイスの電気的特性を変える可能性があります。

AMC の分類

半導体業界は AMC を化学的な性質でグループ分けします。SEMI F21 は酸（MA）、塩基（MB）、凝縮性有機物（MC）、ドーパント（MD）の 4 つに分け、それぞれ濃度でクラスを定めています [2]。ISO 14644-8 はあらゆるクリーンルームに使える一般的な方法を示し、空気の化学的清浄度を ISO-ACC クラス N で表します。物質またはグループの濃度は 10ᴺ g/m³ で、対象は 10⁰ から 10⁻¹² g/m³ までの濃度です [1]。1 µg/m³（10⁻⁶ g/m³）の濃度は ISO-ACC クラス −6 です。

制御室、データセンター、電気室の基準は ANSI/ISA-71.04 で、銅と銀の試験片に 30 日間で成長する腐食膜から空気の腐食性を分類します [3]。

2013 年版 ISA-71.04 は銀の反応性も求めており、銅と銀の結果のうち高い方が重大度レベルを決めます。同じガス濃度でも、湿度が高いほど腐食速度は上がります。

汚染物質に合わせたろ材

ケミカルフィルターは 2 つの方法でガスを除きます。活性炭は非常に大きな内部表面に分子を物理吸着し、ほとんどの有機物によく効きます。アンモニア、HCl、H₂S のような小さく反応性の高いガスは普通の活性炭には弱くしか保持されないため、ろ材にそれらと反応する薬剤を添着し（化学吸着）、しっかり固定します。

フィルター形式の選び方

• 封入型活性炭フィルターは粒状炭を不織布に封入して発じんを抑え、ファブの外気や循環空気に適しています。
• 粒状充填層は最も多くのろ材を保持し、低い面風速での高めの濃度に向いています。
• ハニカムフィルターは大風量で低抵抗となり、FFU など低濃度の用途に向いています。
• 複数の系統の汚染物質がある場合はろ材を層状に重ねるか混合し、ばらの粒状ろ材の下流には粒子フィルターを設けます。

ケミカルフィルターの設置場所

• 外気処理機：SO₂、NO₂、オゾンなどの屋外汚染物質を建物に入る前に除きます。
• 敏感な装置の上の循環経路と FFU：洗浄薬品からのアンモニアやウェット装置からの酸など、ファブ内で発生する汚染物質を除きます。
• 装置やストッカーの内部：工程間でウェーハが待機する場所で、最も厳しい管理を行います。
• 制御室と電気室：空気を ISA-71.04 の G1 に保ち、電子機器を守ります。

選定に必要な情報

寿命と除去効率は、現場の条件に完全に左右されます。ろ材と充填層の厚さを選ぶには、対象ガスとその濃度、風量、温度、相対湿度、そして求める除去レベルまたは寿命が必要です。ガスの組成が分からない場合は、外気取入口や室内での空気サンプリングが第一歩で、反応性試験片を使えば空気の腐食性を低コストで把握できます。

設置後のケミカルフィルターは、下流空気の測定、試験片の暴露、またはろ材サンプルの残存容量分析で確認します。粒子フィルターと違い、圧力損失ではほとんど予兆が出ません。ろ材は抵抗が変わるずっと前に消耗していることがあるからです。