〈一般研究課題〉 環境を配慮した半導体デバイス洗浄プロセスにおける静電気障害防止技術の確立
助 成 研 究 者

愛知工業大学

清家善之

環境を配慮した半導体デバイス洗浄プロセスにおける静電気障害防止技術の確立
清家 善之（愛知工業大学）

Establishing a technology of electrostatic discharge (ESD) during theenvironmental-friendly cleansing process of semiconductor devices
Yoshiyuki Seike(Aichi Institute of Technology)

Abstract：
There are many cleanning processes to remove partoicles by spraying pure water, during
manufacture of electronic devices such as semiconductor device and flat-panel display (FPD).
However, cleaning with pure water spray have a problem that droplet size of insulating pure waterwill become submicron order by repeating droplet breakups and electrically charged droplet willcause electrostatic dischrge (ESD). It is conventionally taken as a countermeasure to make purewater conductive by using function water with carbon dioxide (CO 2 ) or ammonia hydrogen water,
but it has a problem of mixing impurities to pure water.
To solve these problems, we have figured out the occurrence factor of electrostatic in thisreport, by measuring electric charge amount generated in Faraday gauge with experimentally
manufactured droplets sprayed from single-fluid nozzle. Also, we indicate the relationship between
droplets characteristics and generated electric charge amount by measuring the speed and the sizeof droplets with a high-speed camera. Moreover, to prevent electrostatic hazards, we took acountermeasure with derivative element and suppressed the amount of electrostatic generated bypure water spray.

－ 123 －

１．はじめに
半導体デバイスは、スマートフォンやテレビなどの情報通信機器、エアコン、冷蔵庫などの家電製品、自動車など暮らしを支える多くの製品に必要不可欠な電子部品である。この半導体デバイス
1. はじめにの製造工程において、シリコンウェハ基材上のナノメートルオーダの異物除去の必要性から、製造半導体デバイスは、スマートフォンやテレビなどの情報通信機器、エアコン、冷蔵庫などの家電工程の1/3は洗浄工程と言われいる。半導体デバイスは1バッチ25枚の単位で、アンモニア水、過製品、自動車など暮らしを支える多くの製品に必要不可欠な電子部品である。この半導体デバイス
酸化水素水、塩酸等に温度をかけた薬品に、順次浸漬させるRCA洗浄方式が一般的であった 1-4)。の製造工程において、シリコンウェハ基材上のナノメートルオーダの異物除去の必要性から、製造
しかし最近では、環境負荷の低減や半導体のデバイスの多品種化によって枚葉式の洗浄が求めら
工程の 1/3 は洗浄工程と言われいる。半導体デバイスは 1 バッチ 25 枚の単位で、アンモニア水、れ、純水をスプレーして洗浄する工程が増えてきている 5-10)。しかしこの洗浄方法は純水をスプ過酸化水素水、塩酸等に温度をかけた薬品に、順次浸漬させる RCA 洗浄方式が一般的であった 1-4)。
レーする際に半導体デバイスに静電気障害を生じる問題があり、静電気障害を防止するために純水
しかし最近では、環境負荷の低減や半導体のデバイスの多品種化によって枚葉式の洗浄が求められ、
11,12)に炭酸ガスを混入させ純水の伝導率を下げる方法で対策しているが、純度の高い純水に不純物純水をスプレーして洗浄する工程が増えてきている 5-10)。しかしこの洗浄方法は純水をスプレーすを入れてしまうという問題点がある。またこれらの静電気障害の解明や対策は、生産現場の経験的る際に半導体デバイスに静電気障害を生じる問題があり、静電気障害を防止するために純水に炭酸に行われていて、学術的な報告はまだ少ない。本研究では、スプレーした純水に電場を与え、純水ガスを混入させ純水の伝導率を下げる方法で対策しているが 11,12)、純度の高い純水に不純物を入れから発生する静電気を減らし、半導体デバイスの静電気障害を減らす取り組みである。この方法はてしまうという問題点がある。またこれらの静電気障害の解明や対策は、生産現場の経験的に行わ純水を改質することなく、薬品を使う洗浄工程を減らすことができるため、地球環境負荷低減に大れていて、学術的な報告はまだ少ない。本研究では、スプレーした純水に電場を与え、純水から発きく役立つものである。
生する静電気を減らし、半導体デバイスの静電気障害を減らす取り組みである。この方法は純水を改質することなく、薬品を使う洗浄工程を減らすことができるため、地球環境負荷低減に大きく役2．発生電荷量の測定立つものである。
図1に純水スプレーから発生した発生電荷量を計測するシステムを示す。電荷を収集するためのファラデーケージは内径200mm、高さ200mmと内径140mm、高さ140mmの大小二つのステンレス2. 発生電荷量の測定のポットを用いて試作した。図2に今回測定系の電気的等価回路を図2に示す。ファラデーケージ
図 1 に純水スプレーから発生した発生電荷量を計測するシステムを示す。電荷を収集するためのの静電容量はLCRメータで測定したところ35pFであり、抵ファラデーケージは内径（エヌエフ回路設計ブロックZM2371）200mm、高さ 200mm と内径 140mm、高さ140mm の大小二つのステンレスの抗値は漏れ電流より測定し、11kΩであった。この値を用いてファラデーケージで測定した電位差ポットを用いて試作した。図 2 に今回測定系の電気的等価回路を図 2 に示す。ファラデーケージのから電荷量へ変換する。実験は圧力を1MPaから5MPa、純水の比抵抗値を1MΩ･cmから8MΩ･cm
静電容量は LCR メータ（エヌエフ回路設計ブロック ZM2371）で測定したところ35pF であり、抵抗まで可変させて行った。スプレー距離は100mm一定とした。
値は漏れ電流より測定し、11kΩであった。この値を用いてファラデーケージで測定した電位差か
イオン交換器（野村マイクロ・サイエンスTW-S100-JSO）で生成した純水を高圧ポンプら電荷量へ変換する。実験は圧力を1MPa から 5MPa、純水の比抵抗値を1 MΩ･cm から （旭サナッ
8MΩ･cm まクAF2800S）で加圧し、孔径0.1mmのノズルよりスプレーする。その様子を図3に示すが、スプで可変させて行った。スプレー距離は100mm 一定とした。

イオン交換器（野村マイクロ・サイエンス TW-S100-JSO）で生成した純水を高圧ポンプ（旭サナ直流電圧計V

発⽣電荷→

R=11[kΩ]C=35[pF]

ファラデーケージ
図1. 静電気測定の実験システム

図2. ファラデーケージの等価回路図

図 1. 静電気測定の実験システム

図 2. ファラデーケージの等価回路図－ 124 －2

レーされた純水は約100mmまでは直線的であり、それ以降でパターン幅が若干広がっていくことを観測した。
図4に噴射圧力を変化させファラデーケージに溜まった純水からの発生電荷量を示す。発生電荷
ック AF2800S）で加圧し、孔径 0.1mm のノズルよりスプレーする。その様子を図 3 に示すが、スプ量はファラデーケージ間の電圧を読み取り、電荷量に換算している。図4より圧力が上がるにつれレーされた純水は約 100mm までは直線的であり、それ以降でパターン幅が若干広がっていくことをて、発生電荷量がpCのオーダーで比例して増加している。
観測した。
次に、図5に示すようにスプレーした液滴と発生電荷量の相関を確認するためにあらかじめ高速
図 4 に噴射圧力を変化させファラデーケージに溜まった純水からの発生電荷量を示す。発生電荷度スピードカメラ（キーエンスVW-9000）で液滴を測定し、液滴の径と速度を把握した。撮影する量はファラデーケージ間の電圧を読み取り、電荷量に換算している。図 4 より圧力が上がるにつれ位置はノズルのスプレー位置から25mmから200mmまで25mm毎とした。ハイスピードカメラの速て、発生電荷量が pC のオーダーで比例して増加している。
度は１フレームの速度は12.5μsである。圧力に対する液滴径および圧力に対する流速をそれぞれ次に、図 5 に示すようにスプレーした液滴と発生電荷量の相関を確認するためにあらかじめ高速
図6、図7に示す。図6において圧力が高くなるにつれて液滴径が小さくなることがわかる。また図
度スピードカメラ（キーエンス VW-9000）で液滴を測定し、液滴の径と速度を把握した。撮影する
7より圧力が高くなるにつれて、液滴の速度が速くなる。図4、図6、図7から、液滴に対する電荷位置はノズルのスプレー位置から 25mm から 200mm まで 25mm 毎とした。ハイスピードカメラの速度

噴霧の様子
図図33 噴霧の様子

スプレー圧力に対する発生電荷量
図 図4
4 スプレー圧力に対する発生電荷量

図5 ハイスピードカメラによるスプレーした飛行液滴径と速度の測定の様子
図 5 ハイスピードカメラによるスプレーした飛行液滴径と速度の測定の様子－ 125 －3

図6 スプレー圧力に対する飛行液滴径

図 6 スプレー圧力に対する飛行液滴径

図8

飛行液滴径に対する発生電荷量

図 8 飛行液滴径に対する発生電荷量量と液滴速度に対する電荷量を図8, 図9に示す。

図7 スプレー圧力に対する飛行液滴速度

図 7 スプレー圧力に対する飛行液滴速度

図9

図9

飛行液滴速度に対する発生電荷量

飛行液滴速度に対する発生電荷量

これらの結果から、圧力を上げることで粒径は小さくなり、流速は速くなることがわかる。飛行は１フレームの速度は 12.5μs である。圧力に対する液滴径および圧力に対する流速をそれぞれ図
液滴の速度が増すつれ発生電荷量が増す。この原因としては速度が増すにつれ液滴の微粒化が進
6、図 7 に示す。図 6 において圧力が高くなるにつれて液滴径が小さくなることがわかる。また図
み、純水の分裂帯電で発生電荷量が多くなったと考えている。
7 より圧力が高くなるにつれて、液滴の速度が速くなる。図 4、図 6、図 7 から、液滴に対する電スプレーされた純水が正極の電荷を持つ原因は色々と議論がなされているが、いまだ解明はされ荷量と液滴速度に対する電荷量を図 8, 図 9 に示す。 +
外側に向けて配列するとともに、プロトンが(H )がていない。多くの議論は、飛行液滴の気液界面付近で、水分これらの結果から、圧力を上げることで粒径は小さくなり、流速は速くなることがわかる。飛行発生し、液滴に正の電荷を帯びていると考えた。純子の配向双極子が負イオンを外側に向けて配列し、液滴界面液滴の速度が増すつれ発生電荷量が増す。この原因としては速度が増すにつれ液滴の微粒化が進み、水中にヒドロニウムが増えると、純水の pH が低下す近くでは負イオンが優勢となり、液体内部では正イオンが優純水の分裂帯電で発生電荷量が多くなったと考えている。
るので、純水の pH とスプレーした液滴の pH を比較
勢となるとされている。今回の実験から我々は、スプレーすスプレーされた純水が正極の電荷を持つ原因は色々と議論がなされているが、いまだ解明はされした。その結果を図 10 に示す。スプレーした純水のる液滴の表面では、水分子の配向双極子が負イオンを外側にていない。多くの議論は、飛行液滴の気液界面付近で、水分子の配向双極子が負イオンを外側に向pH は 0.29 下がり、飛行液滴気界面に水分子のヒドロ+向けて配列するとともに、プロトンが(H)が発生し、液滴にけて配列し、液滴界面近くでは負イオンが優勢となり、液体内部では正イオンが優勢となるとされニウム濃度が高くなったためと考えている。
正の電荷を帯びていると考えた。純水中にヒドロニウムが増ている。今回の実験から我々は、スプレーする液滴の表面では、水分子の配向双極子が負イオンを
図 8 と図 9 において、純水の比抵抗値が高くなる
えると、純水のpHが低下するので、純水のpHとスプレーしと発生電荷量が多くなった。これは純水中の不純物た液滴のpHを比較した。その結果を図10に示す。スプレー
図10 純水と噴射した純水のpH比較が除去され、純水の抵抗率が高くなるにつれ、純水
4
図 10 純水と噴射した純水の pH 比較の比誘電率が高くなるためと考えている。実際の電－ 126 －子デバイス製造現場で用いられている比抵抗値 18M
Ω･cm の超純水では、さらに大きな電位の静電気となり、ESD が生じやすい状態になっていると推した純水のpHは0.29下がり、飛行液滴気界面に水分子のヒドロニウム濃度が高くなったためと考えている。
外側に向けて配列するとともに、プロトンが(H+)が
図8と図9において、純水の比抵抗値が高くなると発生電荷量が多くなった。これは純水中の不発生し、液滴に正の電荷を帯びていると考えた。純純物が除去され、純水の抵抗率が高くなるにつれ、純水の比誘電率が高くなるためと考えている。
水中にヒドロニウムが増えると、純水の pH が低下す
実際の電子デバイス製造現場で用いられている比抵抗値18MΩ･cmの超純水では、さらに大きな電るので、純水の pH とスプレーした液滴の pH を比較
位の静電気となり、ESDが生じやすい状態になっていると推測している。
した。その結果を図 10 に示す。スプレーした純水のpH は 0.29 下がり、飛行液滴気界面に水分子のヒドロ
3.
静電気防止対策
ニウム濃度が高くなったためと考えている。
3.1図静電気防止対策方法
8 と図 9 において、純水の比抵抗値が高くなる
高圧ジェットで純水をスプレーすると静電気が生じ、電子デバイスに静電気障害が生じる可能性と発生電荷量が多くなった。これは純水中の不純物を持つことを示した。半導体デバイスメーカはこの対策として炭酸ガスを純水に混入させる方法等が除去され、純水の抵抗率が高くなるにつれ、純水
図 10 純水と噴射した純水の pH 比較の比誘電率が高くなるためと考えている。実際の電をとっているが、根本的な対策でなく、純水を改質しない新たな方法が求められている。今回、ス子デバイス製造現場で用いられている比抵抗値 18Mプレーする純水に高電圧を印加した誘導帯電素子で、帯電した液滴に誘導帯電させて静電気を除去
Ω･cm の超純水では、さらに大きな電位の静電気となり、ESD が生じやすい状態になっていると推させる方法を発案し、実験でその効果を確かめた。
測している。
図11に示すように実験システム図において、図12に示すような内径40mmの円筒形のポリアセ
タール樹脂内部にアルミ電極を形成した誘導帯電素子に高電圧電源(松定プレシジョンHEOPS-

3. 静電気防止対策
10B2)で0から20kVの電圧を印加し、その内部にスプレーした純水を通過させて、純水の液滴に誘3.1 静電気防止対策方法
導帯電させた。スプレーした純水の電荷量の測定はスプレーした下部に試作したファラデーケージ
高圧ジェットで純水をスプレーすると静電気が生じ、電子デバイスに静電気障害が生じる可能性を設置して行った。スプレーは直径0.1mmのオリフィスよりストレート状にスプレーする一流体方を持つことを示した。半導体デバイスメーカはこの対策として炭酸ガスを純水に混入させる方法等式で、流量はで50ml/min(噴射圧力5MPa)である。純水の比抵抗は10 MΩ･cmであった。
をとっているが、根本的な対策でなく、純水を改質しない新たな方法が求められている。今回、ス測定結果を図13に示す。スプレーした純水は正極に帯電し、圧力が高くなるほど、帯電量が多プレーする純水に高電圧を印加した誘導帯電素子で、帯電した液滴に誘導帯電させて静電気を除去くなることが、前章の実験で確認されているが、本実験においても、電圧をかけていない時は、同させる方法を発案し、実験でその効果を確かめた。
じ傾向を示している。ただし、純水をスプレーする際の発生電荷量は、純水の温度変化による比抵図 11 に示すように実験システム図において、図 12 に示すような内径 40mm の円筒形のポリアセ
抗値の変化やスプレーする温室度による純水の導電性の違いからばらつきを生じる。
タール樹脂内部にアルミ電極を形成した誘導帯電素子に高電圧電源(松定プレシジョン
誘導帯電素子に正の電圧を印加すると、各圧力において、発生電荷量が比例して減少することがHEOPS-10B2)で 0 から 20kV の電圧を印加し、その内部にスプレーした純水を通過させて、純水の確認された。それぞれの圧力で、直線近似をして傾きを確認すると、それぞれ1MPa時で-1.35pC/液滴に誘導帯電させた。スプレーした純水の電荷量の測定はスプレーした下部に試作したファラデ
⾼圧ポンプ

⽐抵抗測定器

静電気発⽣

純⽔

ノズル

電場発⽣
機器

⾼電圧発⽣装置

純⽔純⽔装置
半導体
ウェハ
ファラデー
ケージ

図11 誘導帯電素子を用いた静電気防止

図12 試作した誘導帯電素子

図 11 誘導帯電素子を用いた静電気防止対策のための実験システム

図 12 試作した誘導帯電素子対策のための実験システム
－ 127
5 －

ーケージを設置して行った。スプレーは直径レーする一流体方式で、流量はで50ml/min
4MPa時で-2.29pC/kV、5MPa時で-3.21pC/kVであっ
0.1mmのオリフィスよりストレート状にスプ(噴射圧力 5MPa)である。純水の比抵抗は10 Mレーする一流体方式で、流量はで50ml/minた。これらのデータの傾向をみると、圧力が高くなる
Ω･cm であった。
。
(噴射圧力5MPa)である。
純水の比抵抗は 10 M
程、傾きが大きくなる。まだ明らかではないが、この測定結果を図 13 に示す。スプレーした純Ω･cm であった。。
現象はスプレーした純水の圧力が高くなるにつれてス
水は正極に帯電し、圧力が高くなるほど、帯測定結果を図 13 に示す。スプレーした純プレーされた液滴の速度が速くなり、その結果、誘導電量が多くなることが、前章の実験で確認さ

180

1Mpa
2MPa
3MPa
1Mpa
4MPa
2MPa
5MPa
3MPa
4MPa
5MPa

160
180140160120140100120801006080406020400200

Electrical Charge in the Faraday Cage [pC]Electrical Charge in the Faraday Cage [pC]

0.1mm のオリフィスよりストレート状にスプ
kV、2MPa時で-1.90pC/kV、3MPa時で-2.28pC/kV、ーケージを設置して行った。スプレーは直径Electrical Carge in the Faraday Cage [pC]Electrical Carge in the Faraday Cage [pC]

水は正極に帯電し、圧力が高くなるほど、帯帯電素子を通過する液滴（純水）の量が多くなるためだ
れているが、本実験においても、電圧をかけ電量が多くなることが、前章の実験で確認さと考えられる。また、印加電圧20kV以上であると、ていない時は、同じ傾向を示している。ただ
5101520
れているが、本実験においても、電圧をかけApplied Voltage [kV]
0誘導帯電素子内で静電破壊が生じる現象の確認していし、純水をスプレーする際の発生電荷量は、ていない時は、同じ傾向を示している。ただ
05101520
純水の温度変化による比抵抗値の変化やス
図 15 誘導帯電素子に印加した電圧とスプレーる。
Applied Voltage [kV]
し、純水をスプレーする際の発生電荷量は、プレーする温室度による純水の導電性の違による帯電量
図15誘導帯電素子に印加した電圧とスプレーによ
次に、誘導体帯電素子の設置位置の最適化をねら
純水の温度変化による比抵抗値の変化やス
図 15 る帯電量
誘導帯電素子に印加した電圧とスプレーいからばらつきを生じる。
い、ノズル先端と誘導体素子端面間の距離を変えてプレーする温室度による純水の導電性の違による帯電量
誘導帯電素子に正の電圧を印加すると、各17030mmから90mmと変えて発生電荷量を測定した。スプいからばらつきを生じる。
圧力において、発生電荷量が比例して減少す

160170150160140150130レーの圧力は5MPa一定とした。また装置の設置の都誘導帯電素子に正の電圧を印加すると、各ることが確認された。それぞれの圧力で、直合上、ノズルとファラデーケージ間の距離は580mm一圧力において、発生電荷量が比例して減少す線近似をして傾きを確認すると、それぞれることが確認された。それぞれの圧力で、直定とした。1MPa 時 で -1.35pC/kV 、 2MPa 時 で
実 験 結 線近似をして傾きを確認すると、それぞれ果を 図 14 に示すが、 距 離 50mmを除き、-1.90pC/kV、3MPa時で-2.28pC/kV、4MPa時で1MPa
時 で -1.35pC/kV、 2MPa時 で30mm、70mm、90mmの時を考えると、誘導体帯電素-2.29pC/kV、5MPa時で-3.21pC/kVであった。

14012013011030mm

120-1.90pC/kV、3MPa 時で-2.28pC/kV、4MPa 時で100
これらのデータの傾向をみると、圧力が高く50mm
子がノズルに近いほど、傾きが大きく、発生電荷量を70mm
110-2.29pC/kV、5MPa時で-3.21pC/kVであった。
90なる程、傾きが大きくなる。まだ明らかでは打ち消す傾向にある。この現象もまだ明らかではない
90mm
30mm
10080
これらのデータの傾向をみると、圧力が高く50mmないが、この現象はスプレーした純水の圧力が、スプレーされた液滴が分裂を始める前に電荷を誘05 70mm 10152090なる程、傾きが大きくなる。まだ明らかではが高くなるにつれてスプレーされた液滴の速90mm
Applied Voltage [kV]導させたためか、もしくは液滴の速度が速いため誘電80ないが、この現象はスプレーした純水の圧力度が速くなり、その結果、誘導帯電素子を通ズル先端とファラデーケージ間の距離を可変
図図14ノ14 ノズル先端とファラデーケージ間の距離を05101520効率が上がったと考えている。いずれにせよ、本結果させた場合の発生電荷量が高くなるにつれてスプレーされた液滴の速過する液滴（純水）の量が多くなるためだとAppliedVoltage[kV]
可変させた場合の発生電荷量よりノズル先端と誘導体素子との距離の近い方が、発度が速くなり、その結果、誘導帯電素子を通考えられる。また、印加電圧 20kV 以上である
図 14 ノズル先端とファラデーケージ間の距離を生電荷量を打ち消し、誘導帯電素子の効果があることが分かった。と、誘導帯電素子内で静電破壊が生じる現象
過する液滴（純水）の量が多くなるためだと可変させた場合の発生電荷量の確認している。
考えられる。また、印加電圧20kV 以上である

4．まとめと、誘導帯電素子内で静電破壊が生じる現象
次に、誘導体帯電素子の設置位置の最適化をねらい、ノズル先端と誘導体素子端面間の距離を変えて 30mm から 90mm と変えて発生電荷量を測定した。スプレーの圧力は 5MPa一定とした。また装本報告では、電子デバイスの純水によるスプレー洗浄時に生じる静電気障害（ESD）問題についの確認している。
置の設置の都合上、ノズルとファラデーケージ間の距離は580mm 一定とした。
次に、誘導体帯電素子の設置位置の最適化をねらい、ノズル先端と誘導体素子端面間の距離を変て取り上げ、試作したファラデーケージを用いて発生電荷量を測定した。そして静電気障害の対策実験結果を図14 に示すが、距離50mm を除き、30mm、70mm、90mm の時を考えると、誘導体帯電えて30mm から 90mmと変えて発生電荷量を測定した。スプレーの圧力は5MPa 一定とした。また装として、スプレーする純水に高電圧を印加した誘導帯電素子で、帯電した液滴に誘導帯電させて静素子がノズルに近いほど、傾きが大きく、発生電荷量を打ち消す傾向にある。この現象もまだ明ら置の設置の都合上、ノズルとファラデーケージ間の距離は580mm 一定とした。
電気を除去させる方法を発案し、実験で以下の効果を確かめた。

かではないが、スプレーされた液滴が分裂を始める前に電荷を誘導させたためか、もしくは液滴の実験結果を図 14 に示すが、距離 50mm を除き、30mm、70mm、90mm の時を考えると、誘導体帯電(1)純水スプレー洗浄においては、飛行液滴が小さく、液滴の速度が速い方が、発生電荷量が多く速度が速いため誘電効率が上がったと考えている。いずれにせよ、本結果よりノズル先端と誘導体素子がノズルに近いほど、傾きが大きく、発生電荷量を打ち消す傾向にある。この現象もまだ明らなる。静電気の発生個所はノズルからスプレーされた分裂帯電による影響が大きいと推測される。
素子との距離の近い方が、発生電荷量を打ち消し、誘導帯電素子の効果があることが分かった。
かではないが、スプレーされた液滴が分裂を始める前に電荷を誘導させたためか、もしくは液滴の(2)誘導帯電素子に正の電圧を印加することで、各圧力において、発生電荷量が比例して減少する。
速度が速いため誘電効率が上がったと考えている。いずれにせよ、本結果よりノズル先端と誘導体(3)ノズル先端と誘導帯電素子との距離の近い方が、発生電荷量を打ち消し、誘導体電素子の効果
6素子との距離の近い方が、発生電荷量を打ち消し、誘導帯電素子の効果があることが分かった。
があることが分かった。

6－ 128 －参考文献
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