公開講座「水と環境」第５回

半導体製造における水利用= 環境課題と効率の探求 =2024年6月15日

中村 裕司

1

【アブストラクト】
半導体製造には1工場で20万トン以上の多量の水、しかも超純水を必要としている。また、ウェーハの洗浄、エッチングなどでは超純水にフッ素などの洗浄剤を微量混ぜた機能水が使用される。ここでは半導体製造工程、超純水の製造工程を簡単に説明し、今後の検討課題として半導体製造全体が環境に及ぼす影響について紹介する。

2

＝目

次

1/2＝

1. 自己紹介と概要
2. 半導体市場の動向
世界の半導体市場と主要なプレイヤー
世界の地域別、応用分野別シェア
半導体の主要ドライバーの予測
電気自動車需要の推移(IEA見通し)
世界の国別携帯電話普及率(％)
3. 半導体製造工程概要
準備工程
１ シリコンウェハ製造工程
２ フォトマスク作成工程
前工程
１ 洗浄工程２ 成膜工程
３フォトリソグラフィ工程
レジストとは露光用光線の波長
４ エッチング工程
3

＝目

次

2/2＝

3．半導体製造工程概要
５ イオン注入工程
６ 平坦化工程７ 検査工程その１【ウェハ検査工程】
その２【ウェハ電気特性検査工程】
後工程
１ ダイシング工程
２ 組立・検査工程
4．半導体製造における水の役割
半導体製造と水需要
半導体製造に使用される水(超純水と機能水)
半導体洗浄プロセス
半導体工程におけるフッ化水素の役割
おわりにかえて41．自己紹介1974年3月 東京大学工学部資源開発工学科卒業(地震探査)
1974年4月～2004年3月 三菱重工業株式会社勤務～1984年3月 技術本部開発部(深海底資源開発、中国石炭利用、他)～2000年4月 社長室国際部(ODA案件開発、市場戦略(東南アジア、中国、欧州・アフリカ・中東・西アジア)～2004年3月 欧州三菱重工業株式会社取締役ミュンヘン支店長兼プラハ事務所長
2004年5月～2011年3月 ワルタージャパン㈱社長(工具研削盤販売)
2011年4月～2012年4月 Walter Machinenbau GmbH顧問
2013年10月～2016年3月 PMG日本代表(焼結自動車部品販売)
2015年4月～

トランザーフィルター日本株式会社代表取締役社長(不水溶性切削油、放電加工油精密ろ過装置販売)

5

＝目

次

1/2＝

1. 自己紹介と概要
2. 半導体市場の動向
世界の半導体市場と主要なプレイヤー
世界の地域別、応用分野別シェア
半導体の主要ドライバーの予測
電気自動車需要の推移(IEA見通し)
世界の国別携帯電話普及率(％)
3. 半導体製造工程概要
準備工程
１ シリコンウェハ製造工程
２ フォトマスク作成工程
前工程
１ 洗浄工程２ 成膜工程
３フォトリソグラフィ工程
レジストとは露光用光線の波長
４ エッチング工程
6

7

IDM(Integrated Device Manufacturer)
Fabless(Fabrication facility less)8

地域別売上シェア
中南米,
1%

100%
中東,洋州,

21%

2021
5278.8億ドル

欧州,
13%

56%

2.4%
5.8%

90%

北米,

8%

アジア大

応用分野別市場シェア
3.0%
6.3%

6.0%

80%

9.2%

70%

13.2%

60%

6.7%
10.0%
13.5%

15.7%

16.1%

50%
40%

中南米,1%

中東,7%

北米,21%

アジア

2029

大洋州,13807.9億ドル

58%

21.8%

20.7%

30%
20%

欧州,13%

10%
0%
記憶回路
MPU
センサー

25.9%

23.6%

2029

2021
アナログ集積回路
Micro Control Unit

論理回路
パワー半導体その他(DSPなど)

Fortune Business Insite、他
9半導体の主要ドライバーの予測

International Roadmap for Devices and Systems 2022 Edition Executive Summaryより

10電気自動車需要の推移(IEA見通し)
 世界の電気自動車総台数2030年
2億3000万台〜2億4000万台
車の7台に1台が電気自動車
 販売台数 4000万台〜4500万台
普及率は35％〜40％（Global EV Outlook 2023より）

11

世界の国別携帯電話普及率(％)(7,795百万人)（出典：世界事典 2018年）(1,006百万人)(779百万人)(1,272百万人)(4,315百万人)(395百万人)(43百万人)12

半導体微細化ロードマップ

トランジスタ個数/ドル

ベルギーの独立系半導体ナノテク半導体研究機関のimecはチップの積層から始まった3D実装の究極は、トランジスタ自体の3次元積層に行きつくと予測。

(出典) imec Technology Forum Japan 2019(ITF Japan 2019)

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＝目

次

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1. 自己紹介と概要
2. 半導体市場の動向
世界の半導体市場と主要なプレイヤー
世界の地域別、応用分野別シェア
半導体の主要ドライバーの予測
電気自動車需要の推移(IEA見通し)
世界の国別携帯電話普及率(％)
3. 半導体製造工程概要
準備工程
１ シリコンウェハ製造工程
２ フォトマスク作成工程
前工程
１ 洗浄工程２ 成膜工程
３フォトリソグラフィ工程
レジストとは露光用光線の波長
４ エッチング工程
14

前工程 ５

エッチング工程

準備工程 １

シリコンウェーハ製造工程

前工程 １

洗浄工程

前工程 ２

熱酸化工程

前工程 ３

薄膜形成工程前工程 ４リソグラフィ工程

前工程 ６

準備工程 ２

フォトマスク作成工程

半導体製造工程概要
伝統的な熱酸化法の場合

https://markethink.co.jp/contents/category/semicon-tech

イオン注入工程

前工程 ７

後工程 １

ダイシング工程後工程 ２ワイヤボンディング工程

前工程 ３
後工程
３

モールディング工程

平坦化工程

後工程 ４
前工程 ８

検査工程

最終検査工程

15

＝目

次

1/2＝

1. 自己紹介と概要
2. 半導体市場の動向
世界の半導体市場と主要なプレイヤー
世界の地域別、応用分野別シェア
半導体の主要ドライバーの予測
電気自動車需要の推移(IEA見通し)
世界の国別携帯電話普及率(％)
3. 半導体製造工程概要
準備工程
１ シリコンウェハ製造工程
２ フォトマスク作成工程
前工程
１ 洗浄工程２ 成膜工程
３フォトリソグラフィ工程
レジストとは露光用光線の波長
４ エッチング工程16

半導体製造「準備工程」
1 シリコンウェハ製造工程(https://www.semiconductor-industry.com/processより)

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半導体製造「準備工程」
２ フォトマスク作成工程(https://markethink.co.jp/contents/category/semicon-tech) 薄いクロムで被膜された石英ガラス上にレジストを塗りマスクライターで回路パターンを描く
 クロム(Cr)のエッチングにより、電子線が当たった箇所（または当たらなかった箇所）のみにクロム(Cr)を残し、パターンが形成されたフォトマク
スを生成

18

＝目次＝

1. 自己紹介
2. 半導体市場の動向
3. 半導体製造工程概要
準備工程
１ シリコンウェハ製造工程
２ フォトマスク作成工程
前工程
１ 洗浄工程２ 成膜工程
３フォトリソグラフィ工程
レジストとは露光用光線の波長
４ エッチング工程
５ イオン注入工程
６ 平坦化工程７ 検査工程その１【ウェハ検査工程】
その２【ウェハ電気特性検査工程】
19

半導体製造「前工程」＝シリコンウェハ上に回路を形成する工程＝
１ 洗浄工程 パターンの欠陥や電気的特性の低下を防ぎ、半導体製品の歩留まりと信頼性を向上させる
ための極めて重要な工程
 各工程の間に必ず洗浄工程が入る ⇒実施回数が他の工程に比べて2倍ほど多い
洗浄レベルが低いと逆にパーティクルなどを付着させてしまう。
 洗浄で取り除く汚れ
μm、nmオーダーのパーティクルや有機成分、金属成分の汚れ
 洗浄方法
浸漬式(Dip)法
洗浄工程で広く使われている方法。化学物質(Chemical)または超純水蒸留水water)にを浸して行う。一度に多くのを処理可能。

(Deionizedスプレー(Spray)法
回転するに液体や気体の化学物質を噴射し、不純物を取り除く方法。
微細プロセスの高度化や使用物質の変化により、を1枚ずつ処理するスプレー法の割合が高まってる
ドライ洗浄
半導体製造前工程の後半で、溶液を使用できない場合、プラズマ化したガスによるプラ
ズマクリーナー、UVやオゾン(O3)を用いたUVオゾンクリーナーなどにより洗浄
20

半導体製造「前工程」＝シリコンウェハ上に回路を形成する工程＝２ 成膜工程

21

半導体製造「前工程」＝シリコンウェハ上に回路を形成する工程＝３フォトリソグラフィ工程に、光感応性のあるフォトレジストをスピンコートによって塗布し、ソフトベイクで水分を飛ばす。
スピンコートでは、高速回転させたウェハ上に液滴を垂らして均一な膜を形成させる方法。レジストの粘度やーの回転速度で、レジストの膜厚を調整します。
その後、短波長の光をフォトマスク越しに照射後、現像液に浸し、マスクのパターンを上に転写22レジストとはエッチングやはんだ付けなどの工程において特定の場所を保護する材料。
半導体製造における感光剤である「フォトレジスト」のことを単に「レジスト」と呼ぶ。
レジストは光の照射により化学構造が変化、耐薬品性を発現したり、現像液に溶解したりする性質がある。
この性質を利用し、シリコン上に塗布されたレジストに対して所定のパターンを描いたマスク越しに光を照射、最後に現像液で洗浄し、レジストが無い加工部分とレジストに保護された非加工部分を基板上に作り出す。
【レジストの種類】
 ポジティブレジスト:
露光された部分が溶解しやすくなるレジスト。露光後、開発液で露光された部分を除去。
微細なパターン製造に適す。
 ネガティブレジスト:
露光部分が硬化し、露光されない部分が溶解し易くなるレジスト。
太いパターンや高い側壁の特徴を持つデバイスに適す。
 ケミカルアンプリファイドレジスト:
露光されると化学増幅反応が起こり、非常に微細なパターンの製造が可能。
極端紫外線（EUV）リソグラフィーなどの先進的なリソグラフィー技術に使用。
出典：富士経済23

露光用光線の波長13.5nm
蘭ASML/独ツァイスの独り勝ち

ドライ: ニコン61.7％、ASML38.3％
液 浸:ASML94.3％、ニコン5.7％

Canonが50％のシェア

24半導体製造「前工程」＝シリコンウェハ上に回路を形成する工程＝
４ エッチング工程
ウェットエッチング：深さ方向と横方向に同じだけエッチングされる等方性エッチング
ドライエッチング ：横方向に対して深さ方向の方を選択的に多くエッチングすることができる異方性エッチング。
微細加工が必要な工程ではドライエッチングを使用。

25

半導体製造「前工程」＝シリコンウェハ上に回路を形成する工程＝
５ イオン注入工程

半導体材料（主にSi）に不純物をドーピングして、電気特性を変更するための工程。
ドービングする不純物は、周期表で4族のSiに対して、1つ価電子の少ない3族のボロンや１つ1つ価電子の多い5族のリンなど。

26

半導体製造「前工程」＝シリコンウェハ上に回路を形成する工程＝
５ イオン注入工程 その２「熱処理工程」
イオン注入で注入したイオンを拡散させる目的と、イオン注入で損傷したSiの結晶を修復するために、高温でアニーリングを行う。
ドービングする深さやドービングの量は、イオンの加速量や注入後の高温でのアニーリングの温度・時間で制御することが可能。
注) Boron Phosphorus Silicon Glass (ボロンリンケイ酸ガラス)の略、層間の絶縁膜

27

半導体製造「前工程」＝シリコンウェハ上に回路を形成する工程＝

６ 平坦化工程
トランジスタの間を電気的に分離するためのLOCOSでできた段差の平坦化や、多層配線工程で各配線層を形成した際に凹凸を発生させないため表面を削り表面を平坦にするための工程。
微細化が進み、リソグラフィ工程で焦点深度が浅くなっているため、平坦度の要求がきつくなっている。

LOCOS：Local Oxidation of Silicon。代表的素子分離法。窒化膜で酸化防止マスクされた部分以 外の シリコン基板を酸化し、この酸化膜の層により周囲から電気的に絶縁された領域（活性領域）を作る方法。

28

半導体製造「前工程」＝シリコンウェハ上に回路を形成する工程＝

７ 検査工程 その１【ウェハ検査工程】
前工程で作成したデバイスの特性に問題がないか、回路が正常に動作するかなどを確認する工程。
【ウェハ検査】
膜厚測定、アライメント精度測定(マスクパターンの合わせ精度を測定)、異物・欠陥検査、外観検査、特性検査からなる。

29

半導体製造「前工程」＝シリコンウェハ上に回路を形成する工程＝

７ 検査工程 その２【ウェハ電気特性検査工程】【ウェハ電気特性検査】
ウエハ上に作り込まれたICを1チップずつ電気特性試験を行う工程。
専用のテスト装置に、上のパッドに針を落とすためのプローブカードをセットし、プローブカードを通して、上の回路の特性を測定。

30

＝目次2/2＝

3．半導体製造工程概要
５ イオン注入工程
６ 平坦化工程７ 検査工程その１【ウェハ検査工程】
その２【ウェハ電気特性検査工程】
後工程
１ ダイシング工程
２ 組立・検査工程
4．半導体製造における水の役割
半導体製造と水需要
半導体製造に使用される水(超純水と機能水)
半導体洗浄プロセス
半導体工程におけるフッ化水素の役割
おわりにかえて31

半導体製造「後工程」＝ウェハ上のチップをパッケージに収める工程＝

１ ダイシング工程
ウェハを切断して１つ１つのチップに分ける工程。
１つ１つのチップのことを「ダイ」と呼ぶ。ウェハからダイを切り出す工程ゆえ、「ダイシング」と呼ぶ。

32

半導体製造「後工程」＝ウェハ上のチップをパッケージに収める工程＝

２ 組立・検査工程
組立工程はダイボンディング工程、ワイヤボンディング工程、モールド工程で構成される。
ダイボンディング工程 ：リードフレームの中心にICチップを銀ペーストで接着。
ワイヤボンディング工程：リードフレームのリードとICの電極を金ワイヤで接続。
モールド工程：外部からの物理的な接触や汚染等を避けるために樹脂でチップ全体を封止。
最終検査工程：DCテスト、ACテスト、機能テスト、寿命テスト、機械的ストレステストを実施。

33

＝目次

2/2＝

3．半導体製造工程概要
５ イオン注入工程
６ 平坦化工程７ 検査工程その１【ウェハ検査工程】
その２【ウェハ電気特性検査工程】
後工程
１ ダイシング工程
２ 組立・検査工程
4．半導体製造における水の役割
半導体製造と水需要
半導体製造に使用される水(超純水と機能水)
半導体洗浄プロセス
半導体工程におけるフッ化水素の役割
おわりにかえて34

半導体製造と水需要

 １⼯場で最低でも200メガリットル/日(⽔道⽔なら約67万⼈の給⽔規模)
 全世界で毎年推定120万メガリットルの水を使用。( 東京都 平均使用量約4,060メガリットル/日)

主要各社の水資源利用状況
 TSMC（TSMC Annual Report 2023ほかより）
台湾での水の消費量は113,610メガリットル、内1,263メガリットルが再利用水。
2030年までに全世界における水の再利用率を2010年比30%以上増加させることを目標。
2025年運開予定のアリゾナ州新工場で65%の水リサイクル施設を建設予定。

35 韓国半導体メーカーSKハイニックス（SK Hynix Sustainability Report 2023より）⇒ (2022) 111,639メガリットル
水消費量：(2019) 90,555メガリットル
再利用 ：(2019) 32.622メガリットル(36%) ⇒ (2022) 47,877メガリットル(43%)
2030年までに2019年比3倍以上の量の水の再利用を目標
消費量削減：(2020) 121 メガリットル/1億Gb⇒ (2022) 104 メガリットル/1億Gb (14%)
2026年までに35%削減を目標

36

半導体製造に使用される水
超純水:
半導体製造における洗浄工程、エッチング工程で超純水を使用
超純水の不純物の割合(50mプール一杯の水に含まれる不純物の量)
水道水：ドラム缶2～3本分の不純物
純 水：角砂糖1個分の不純物
超純水：耳かき一杯分の不純物
水質指標：
比抵抗(@25℃)が一般的に用いられる。
（純水）1 MΩ･cm以上 vs （超純水）10 MΩ･cm以上
半導体工場では18MΩ・cm以上の厳守を要求
理論純水の比抵抗 18.24MΩ･cm
国際半導体技術ロードマップが発行した要求水質を次ページに示す

機能水:
超純水をベースに洗浄力を高めた水。
半導体製造において、薬品使用量の低減や電子材料の多様化に対応。
超純水に対してさらなる高純度化や特定の機能を持たせることで、製造プロセスの要件に合わせて調整。
37

半導体製造における超純水の要求水質
2015

2016

201720182019

202020212022(nm)2422.0

20.0

18.0

17.0

15.0

14.0

13.0

MPU/ASIC Metal 1(M1) 1/2 p (nm)3228.3

25.3

22.5

20.0

17.9

15.9

14.2

MPU 物理ゲート長(nm)1715.3

14.0

12.8

11.7

10.7

9.78.9臨界粒子サイズ(nm)1211109

8.5

7.5

7.06.5

TOC(全有機炭素)μg/L<1<1<1<1<1<1<1<1

総シリカ（SiO2）μg/L<0.3<0.3<0.3<0.3<0.3<0.3<0.3<0.3

微粒子数¹#/L<1000<1000<1000<1000<1000<1000<1000<1000

溶存酸素μg/L<10<10<10<10<10<10<10<10

溶存窒素μg/L

8-18

8-18

8-18

8-18

8-18

8-18

8-18

8-18

過酸化水素

μg/L

<10<10<10<10<10<10<10<10金属²ng/L<10<10<10<10<10<10<10<10重要金属³ng/L<1.0<1.0<1.0<1.0<1.0<1.0<1.0<1.0

他の重要イオン

ng/L<50<50<50<50<50<50<50<50リン酸(HPO4)

ng/L<20<20<20<20<20<20<20<20

ボロン

ng/L

<50<50<50<50<50<50<50<50DRAM 1/2 pitch¹: 臨界粒子径²: As、Ba, Mn, Pb, Sn, Sb, V

ピッチ：³: Al, Ca, Cr, Cu, Fe, K, Li, Mg, Na, Ni, Ti, Zn
MPU（Micro Processing Unit）物理ゲート長：

周期的に並んだ一つの配線幅とトランジスタのゲート(On/Offスイッチ)の長さ。

配線間隔を合計したもの小さくなるほど高い集積度と高性能を実現。

38

半導体製造の主要工程と利用技術
工程

除去
対象項目

前処理システム

一次純水システム

サブシステム(ポリシングシステム)

凝集＋ろ過

RO

イオン交換

脱気

UV殺菌

UV酸化デミナー

UFイオン×◎◎×××◎×

TOC△◎◎△×◎◎×微粒子◎○△××××◎

溶存酸素×××

◎××××

シリカ

△

○

◎×××

○

×

生菌×△

××

◎

××

◎

炭酸ガス

×△

○

○

××

△

×

RO：逆浸透膜(Reverse osmosis membrane)。孔径は2nm以下。(水分子約0.38nm)
UV：紫外線(Ultraviolet)
デミナー：イオン交換樹脂を概ね数百リットル以下の容器に入れたもの。純水器。
UF：限界ろ過膜(UltraFiltration membrane membrane)。孔径は概ね0.01～0.001μm。
RO＜ＵＦ＜MF (精密ろ過膜、50nm~10μｍ)
39代表的な超純水製造工程(栗田工業水処理教室より)排水回収システム
回収装置

総合排水

生物処理

中和・酸化・還元

有機排水

無機排水

その他排水

工程 A
工程 B

排水回収システム
排水回収システム40

半導体洗浄プロセス
500以上の半導体の製造工程数の内30%～40%が洗浄工程「RCA洗浄」半導体製造に用いられる代表的な洗浄プロセス。米国RCA社が開発「RCA洗浄」の種類と役割
第1段階：SPM（Sulfuric acid(硫酸)とhydrogen peroxide(過酸化水素)の混合液）
SPMを使い、有機物を除去。別称「ピラニア洗浄」とも呼ばれる。
第2段階：APM（Ammonia(アンモニア)と過酸化水素を混合液）
APMにより、パーティクルと有機物を除去。
APM溶液はウエハー表面にパーティクルが付着する力を弱め、剥がれるのを促進。超音波による振動をかけ、パーティクルの除去を促進。
第3段階：DHF（Dolute Hydrogen Fluoride(フッ酸と純水の混合液)）
DHFにより、金属や酸化物（酸化膜）を除去。フッ酸そのままではシリコンも溶かしてしまうので、純水にフッ酸を少量、ウエハー表面のみに作用するように調製。
第4段階：HPM（Hydrochloric acid(塩酸)と過酸化水素の混合液）
HPMにより、残った金属や酸化物を除去。同時にウエハー表面に不働態化層（酸化膜）を再形成しパーティクルや金属が再付着するのを抑制。
第5段階：乾燥
最後にウエハーを純水により洗い流した（リンス工程）後、乾燥工程を実施。
41

半導体工程におけるフッ化水素の役割
 反応性がよく、プラスチックやガラスを溶かす。
 フッ化水素の沸点は19.5℃のため、常温(25℃)では気体。
 温度が非常に低かったり、高い圧力をかけると、簡単に液化できる。
 フッ化水素は水に溶けやすい特徴があり、半導体製造において、各工程の前後に実施される「洗浄工程」「エッチング工程」で使用される。
 「エッチング工程」では回路以外の不要な部分を除去する際に使用。
BHF、濃フッ酸、フッ硝酸、など
 「洗浄工程」では回路に損傷を防ぐために極微細な残留物を除去するために使用。
日増しに高まる集積度(結線幅の微細化)に対応するためには、不良率を最小限に抑えるには、超高純度のフッ化水素が必要。

42

おわりにかえて 半導体製造では多大なエネルギーと大量の純水/ガス/薬品などの材料を使用する。
 デバイスの高集積化・高機能化とシリコン基板の大口径化に伴い、環境負荷は増大する方向にある。
 地球温暖化防止に向けて省エネルギー対策と温暖化ガスであるPFC(パーフルオロカーボン)の削減対策には目を向けられているが、水質汚染に関する取り組みは緒に就いたばかりといえる。
大気汚染

半導体工場の環境負荷図

地球温暖化
排ガス
（PFC、有機溶剤）
材料

騒音・振動

半導体工場

（水、薬品、ガス、基板、等）(施設、設備、人）作業環境、安全エネルギー

製品

廃製品環境影響/有害性
廃棄物処理/リサイクル（電気、燃料）

地球温暖化
資源消費

排水

水質汚濁

廃液、廃材、スラッジ

土壌汚染
産業廃棄物

応用物理 第69巻 第3号(2000)
半導体工場の環境対策 下野次男 より
43

ご清聴ありがとうございました44