半導体製造におけるPFASの役割

PFASは半導体ファブやその他の施設でどのような役割を果たしているのでしょうか。また、これらの化合物に対する規制強化に業界はどのように対応しているのでしょうか。

Michael Mariani

1分
半導体製造におけるPFASの役割

PFAS概要

パーフルオロアルキル・ポリフルオロアルキル物質（PFASとして広く知られる）は、1940年代から1950年代にかけて3Mおよびデュポンといった大手メーカーによって開発された、約1万5,000種類の合成化学物質のファミリーです。市場に登場して以降、PFASは防水性、防汚性、耐油性など有用な特性が評価され、衣服・家具・調理器具から食品包装といった日用品に幅広く採用されてきました。

電子部品分野におけるPFASの使用

PFASは電子部品製造分野にも広く取り入れられており、電子ケーブル、コンピュータ部品、電気絶縁材、医療機器、シール・ガスケット、チューブなど様々な用途で使われています。そのため、以下のような電子機器にもPFASが含まれていることがあります。

  • PCBA（プリント回路基板組立品）
  • PCBラミネート
  • コンピュータハードディスク
  • 半導体
  • PTFEテープ

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PFASへの突然の悪評の理由

過去四半世紀にわたる研究と80年近い運用経験の結果、PFASが危険であることが示されています。多くのPFAS化学物質は生物蓄積性が高く、人間や動物に有害で、環境中でも数十年、場合によっては数百年残存します。PFASへの懸念が高まる中で、PFASおよびその利用を大幅に制限し、人類と生態系の健康を守るべきとの社会的合意が強まっています。

PFAS：必要悪なのか？

いわゆる「永久化学物質」を含む製品分野に対する一般の関心が高まる一方で、PFASの利用停止の議論から半導体製造分野はしばしば除外されています。

PFASは長らく半導体製造プロセスの中で不可欠な役割を担ってきました。製造工程のいくつかの重要な部分に必須であり、パッケージ材料の主要成分であり、半導体製造装置や関連インフラにも幅広く活用されています。PFASが入手できなければ、半導体メーカーは現状の生産レベルを維持できなくなるリスクが高くなり、最先端かつ高品質なチップの製造も大きく阻害されます。

言い換えれば、PFASは重要な半導体業界にとって不可欠な必要悪といえる存在となっています。今後、政府・規制当局・社会全体が直面する難問は、「現代でもっとも重要な技術基盤を生み出している分野において、PFASの利用制限をどのように両立させるべきか」ということです。

現代社会を支える最重要技術の製造にPFASが不可欠な分野に対し、どのようにしてPFAS利用の制限を講ずるのか？

半導体製造におけるPFAS

半導体企業は近年、より悪名高いPFASの一部をクリーンルームや製造工場、パッケージ施設から段階的に排除する動きを進めてきました。PFOAの使用を段階的に廃止し、他の長鎖PFASの除去も継続中です。しかし、現時点でも短鎖PFASへの依存度は高く、これは炭素骨格が7以下で構成されるタイプの化学物質です。

短鎖PFASへの業界シフト

半導体業界が短鎖PFASへシフトしたのは独自判断ではありません。他の多くの業界も「レガシーPFAS」（長鎖化合物）から短鎖PFASへ切替中です。これは、炭素骨格が短いほうが半減期が短く生物蓄積性が低いと考えられているためで、環境への残存や有害性の低減が期待されています。しかし現状、短鎖PFASが前世代より無害であるという決定的な証拠は示されていません。

現時点で短鎖PFASは業界の基盤となる物質のままです。チップメーカーやマイクロプロセッサ関連企業の業界団体SEMIは、PFASが「半導体製造全体、半導体製造装置、サプライチェーン全体、広範なテクノロジー分野に使用されている」と声明で明確に述べています。また「半導体チップや類似デバイスはサプライチェーンの複数ポイントでPFASなしでは製造不可」と断言しています。

業界団体の声明では、この論議を呼ぶ化学物質群が「半導体製造、半導体製造装置、半導体業界サプライチェーン全体、一般的なテクノロジー分野全体で使用されている」と説明されています。

フォトリソグラフィ工程でのPFAS

フォトリソグラフィ工程は半導体製造の最重要ステージの1つです。この工程ではシリコンウェハーにフォトレジストを塗布し、マスク上の幾何学模様を紫外線（UV）でウェハーに転写しますが、PFASはこのフォトレジストの密着性・耐久性・耐熱性強化に寄与しています。

PFAS in the Photolithography Process
半導体製造におけるフォトリソグラフィ工程の画像

特にフォトレジストの処方設計において、PFASは深紫外線（DUV）リソグラフィ用に不可欠です。Semiconductor PFAS Consortium（PFAS問題の対策戦略を検討する業界団体）は、PFAS利用により「表面コート均一性」「高い除去効率と低欠陥」「ラインエッジ粗さの改善やライン崩壊の減少」などの重要特性を実現していると指摘しています。

PFASはまた、ウェハーからフォトレジストを除去するリンス溶液の界面活性剤としても使用されています。この用途では表面張力を低減しパターン崩壊を防止します。

PFASは、ウェハーからフォトレジストを除去するリンス溶液の界面活性剤としても活用されており、この場合、表面張力の低減やパターン崩壊の防止に役立っています。

Image of the rinsing process in semiconductor manufacturing
半導体製造におけるリンス工程の画像

パッケージ材料でのPFAS

チップ製造工程だけでなく、パッケージなど後工程でもPFASは重要な役割を持ちます。PFASの持つ熱的・化学的安定性、表面エネルギーの低さ、水分吸収の低さ、低誘電率（電力損失の最小化に有利）などは、複雑かつ繊細なパッケージ工程において特に有用です。

PFAS in Packaging Materials
フレックスプリント基板上の半導体の画像

パッケージ基板には、機械的・熱的・電気的要求特性のすべてを満たすことが求められます。上記のような熱的・化学的安定性、水分吸収の低さ、低誘電率、不燃性などがその一例です。PFASはこれらすべての特性を備えており、基板材料設計に不可欠な存在です。フッ素系ポリマー（PFASの一種）は基板コアの製造にも用いられ、低熱膨張係数（CTE）を実現し、幅広い温度領域にわたりパッケージの安定性と形状維持を支えます。

また、PFASはパッケージ用接着剤の処方材料としても非常に高い効果を発揮しています。例えばダイアタッチ工程では、シリコンチップをパッケージ基板やフレームに固定するため優れた接着剤が不可欠です。多くの半導体は高温環境で使用されるため、これらの接着剤には高熱伝導率・低CTE・熱サイクルによる劣化への高い耐性が求められます。フッ素系ポリマーはこれらの機能をすべて実現します。米国工学アカデミーによると、「高い熱伝導・低CTE・熱疲労に対する高い耐性をもたらす理想的材料」とされています。

PFASはパッケージ用接着剤の配合材料としても非常に高い効果を発揮することが証明されています。

半導体製造装置・潤滑・インフラでのPFAS

PFASは、チップ製造に使われる高度かつ専門的な製造装置の材料としても不可欠です。化学的不活性（化学反応への耐性）や、他の特性を併せ持つことから、配管・コンテナ・ガスケットなど装置用部品の製造に活用されています。

PFAS in Semiconductor Manufacturing Equipment, Lubrication, and Infrastructure
ウエハ搬送システムを備えた半導体製造用クリーンルームの画像

さらに、半導体製造や加工装置に塗布される潤滑剤にも多種多様なPFASが使われています。製造コストの経済性を維持し高い歩留まりを達成するには、極めて過酷な物理環境や各種薬品が共存する現場で潤滑剤が高い性能を維持することが必須となります。

Worked in manufacturing

半導体クリーンルームは、化学的に極めて危険な環境です。硫酸・過酸化水素・テトラメチルアンモニウム水酸化物といった腐食性・刺激性物質、塩素・フッ素などの反応性ガスラジカル、発火性ガスなどが混在します。装置潤滑剤はこれらすべての化学反応に耐える必要があり、さらに幅広い温度・薬品下で安定して高性能を発揮することが求められます。パーフルオロポリエーテル（PFPE）、ポリクロロトリフルオロエチレン（PCTFE）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）などのPFASは、潤滑剤に卓越した耐熱性・化学的安定性・劣化耐性を与えることができ、極限環境下での安定運用を実現します。

パーフルオロポリエーテル（PFPE）、ポリクロロトリフルオロエチレン（PCTFE）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）などのPFASは、極限環境下でも潤滑剤に必要な耐熱性・化学的安定性・劣化耐性を付与します。

この高度な安定性は、製造施設インフラにおいてもPFASが重要な物質である理由です。水供給システムや純度維持のための特殊タンク、シール、バルブなどにPFASは頻繁に活用されています。

世界のPFAS規制の進化

半導体製造分野でPFASが依然として不可欠な役割を持つ一方で（業界団体SEMIによれば数百～数千の用途が存在）、PFASの利用規制は急速に拡大しつつあります。欧州連合（EU）では、残留性有機汚染物質に関するストックホルム条約（POPs）がPFOSやPFOAを含むPFASの一部の使用を規制。さらに、化学物質の登録・評価・認可および制限（REACH）規則により、多数のPFASが高懸念物質（SVHC：Substances of Very High Concern）候補リストに掲載されています。

米国は欧州ほど積極的なPFAS規制は実施していません。（ただしEPAは、企業にPFAS汚染の責任を問う積極的な姿勢に転じ始めています。）連邦レベルで規制が慎重（あるいは遅い）ため、米国各州が独自にPFAS規制に踏み出しています。

カリフォルニア州、メイン州、ミネソタ州、ワシントン州は特定消費財でPFASを禁止し、さらに多くの州で主要PFASに最大許容濃度（MCL）を設けた飲料水基準が定められています。全米34州がPFAS制限や透明性の強化、調査・試験・浄化のための資金措置など、何らかの法規制に着手しています。

半導体業界の拡大するPFAS規制への対応

拡大しつづけるPFAS規制の全体像は、半導体業界にも強く認識されています。過去数年にわたり、SEMIやSemiconductor Industry Association（SIA）などの業界団体による声明・技術論文・各種資料からは、PFASが現代テクノロジーの中核に不可欠であるとの強いメッセージが読み取れます。SIAのGovernment Affairs担当副社長David Isaacs氏は2023年の記事で、「半導体業界では、フッ素化学物質の利用制限は慎重に進めるべき」とし、「半導体が経済・安全保障に果たす役割を鑑み、不必要な規制が現在の生産や将来のイノベーションを妨げないよう配慮が必要」と述べています。

SEMIやSIAなどの団体による声明・研究レポート・各種資料からもわかるように、半導体企業はPFASが現代テクノロジーの基盤であり極めて重要であることの発信に力を注いでいます。

EPAによる2023年のPFAS低容量例外（LVE）撤廃提案に対しては、SEMIはさらに強い懸念を表明。「半導体業界は、代替物質が存在しない重要用途にPFASを使用しており、LVE撤廃は最終的に『米国内の半導体操業の全停止につながる可能性』がある」と意見提出しています。

これらは膨らみ続ける規制・世論批判に対し業界側が示している強力な反発のほんの一例です。その緊迫感は「現在のチップ業界とPFASは切っても切り離せない関係にある」と明確に示されています。製造企業や業界団体は、「PFASは人間や環境に一定のリスクを与えるが、一律にすべて排除すべき人工化学物質という訳ではない」との複雑だが重要なメッセージでまとまりつつあります。現代社会とPFASとの関係は単純ではない、その複雑性の核心はまさに半導体製造の現場に現れています。

また、半導体業界におけるPFAS利用の性質は、他分野とは質的に異なるという点にも注意が必要です。批判対象の他業界では化学物質排除によって製品の耐久性・機能性が一部損なわれる可能性があっても、「PFASで性能が向上していた」レベルに留まります。これに対しチップ製造では、短鎖PFASはプロセスそのものを成立させるため不可欠な要素となっています。SEMIも、「LVE撤廃などの規制は米国の半導体エコシステムに壊滅的な影響を与える」と警鐘を鳴らしています。

チップ製造では、短鎖PFASがプロセスを構成する不可欠な要素となっています。