真空の汚染：オイル逆流を防ぐ下限は圧力 × 内径で 50 Pa·cm

膜に不純物が入っていたとき、真空をもっと良くすれば直るのでしょうか。

真空を良くしても、ここは同じままです。主な汚染源は 2 つあって、そのどちらもこの操作では減らないからです。しかも片方は、引けば引くほど悪くなります。

オイル逆流は、圧力を下げるほど悪化します。圧力が下がって分子流に入ると、ポンプへ向かうガスの流れが、逆行してくる油分子を一切押し戻さなくなるからです。対策は「もっと引く」の逆で、配管の圧力に下限を引くことになります。

壁からのガス放出は、圧力から完全に自由です。出てくる量が工程ガスの圧力とほぼ無関係なので、10⁻⁸ Pa の UHV 蒸着でも 10⁵ Pa の常圧 CVD でも、同じ問題が同じ形で出て、同じ対策が要ります。

真空度と清浄度は、別の軸です。片方を良くしても、もう片方は同じままです。

油の蒸気圧は、ポンプが熱いだけで 3 桁上がる

オイル逆流の量を、油の室温での蒸気圧から見積もると、大きく外します。実際にはずっと速く起きます。

理由は単純で、ポンプは熱いからです。蒸気圧は温度に対して指数関数的に立ち上がります。どれくらい立ち上がるかは、Clausius-Clapeyron の式で書けます。ここから先の計算はこの記事で組んだものです。

重い炭化水素の蒸発潜熱を $\Delta H_v=100kJ/mol$ と置き、室温 25 °C（298 K）からポンプの運転温度 85 °C（358 K）へ上げます。

60 K 上げただけで、ほぼ 3 桁です。データシートに載っている室温の値を設計に使うと、それだけ楽観することになります。

実際、前段ポンプの油蒸気の逆流を定量的に測った 1985 年の論文¹1A quantitative appraisal of the backstreaming of forepump oil vapor (1985)は、粗引きポンプだけで引き続けると容器の壁に油が溜まると述べたうえで、高真空ポンプへできるだけ早く切り替えることを勧めています。室温の蒸気圧で安心していい時間は、思っているより短いということです。

分子流では、ガスの流れを油が素通りする

問題は、その油がどうやって上流へ戻ってくるかです。流れは全部ポンプの向きに出ているのに、逆流します。

理由は、分子流の性質そのものです。平均自由行程が管径より長い（Kn > 1）と、分子どうしの衝突が消えます。だから上流向きの流束と下流向きの流束は互いに独立のままです。ポンプへ向かうガスの流れは、逆行してくる油分子にとって無いのと同じです。

これは、オリフィスのコンダクタンスが 11.6 l/(s·cm²) という定数になるのとまったく同じ性質です。同じ独立性が、片方では便利な計算式を、もう片方では止めようの無い汚染を生んでいます。

管の室温の壁で凝縮する油もありますが、一部だけです。残りはチャンバまで届きます。

対策として最初に来るのがバッフルです。要件は「光学的に不透明」——つまり、どの油分子も最低 1 回（できれば 2 回）は壁に当たってから出ていく形にする。伝統的な形が軍曹の袖章に似た山形（シェブロン）のもので、冷却水か、できれば液体窒素で冷やして油を凝縮させて捕まえます。この形の設計は古く、円形シェブロンの拡散ポンプ用バッフルを追った 1963 年の報告²2Circular Chevron Diffusion Pump Baffle (1963)まで遡れます。

ただしこれは、条件付きの対策です。

• トラップは、いつか暖まります。清掃のときと、冷媒が止まったとき
• バルブで塞ぐ手はありますが、油はバルブの下流面までは来ています。いずれチャンバへ入り込みます

ターボ分子ポンプと油拡散ポンプの油逆流を測った 1979 年の論文³3Oil backstreaming in turbomolecular and oil diffusion pumps (1979)は、最新の油拡散ポンプの逆流率は、油シール前段ポンプで背圧を取ったターボ分子ポンプと同等だと報告しています。安心の根拠は、ポンプの種類より別のところにあるということです。

対策は「圧力の下限を守る」こと

ここが直感と逆になるところです。

下限は具体的な数字で引けます。前段ポンプの油蒸気の逆流を定量的に測った 1985 年の論文¹が出している条件は、流体流の範囲に留まること、そしてそれを満たす目安として窒素（または空気）の圧力と管の内径の積が 50 Pa·cm 以上であることです。

積で書いてあるところが要点です。内径 5 cm なら 10 Pa、内径 2 cm なら 25 Pa が下限になります。細い管ほど、高い圧力を保つ必要がある。危険域に入るのは Kn > 0.01 から、つまり遷移流に入った時点からで、そこから先は分子流の逆流機構が働き始めます。

だから運用はこうなります。

• 油の粗引きポンプは、この圧力より下ではバルブで切り離す（同じ論文は、粗引きから高真空ポンプへできるだけ早く切り替えることと、長い待機のあいだは大気圧までベントしておくことを勧めています）
• 背圧ポンプの前段配管は、N₂ か Ar のパージで流体流に保つ（高真空ポンプの出口にもとから油がある設計なら別）
• 圧力が足りなければ、パージ流量を上げるか、背圧ポンプ側で配管を絞る。工程ガスの流れだけで足りることもあります

「真空を良くする」が、そのまま汚染を招く操作になっています。

もう 1 か所、見落としやすい失敗モードがあります。ターボ分子ポンプと分子ドラッグポンプは、止まると圧縮比を失います。停電やベアリング固着で回転が止まったとき、ポンプ内の圧力が低いままなら、気相を通って一気に逆流します。だからこれらのポンプは、そういう場合に自動でベントするインターロックを組んでおくことになります。

時間の側にも条件が付きます。ターボ分子ポンプと油拡散ポンプの油逆流を測った 1979 年の論文³の結論は、逆流は主として時間の関数であり、系の中に油蒸気があれば、いずれチャンバへ辿り着くというものでした。同じ論文は、大気へ動的シールで排気する気体軸受のターボ分子ポンプだけが、運転時間によらず油蒸気の逆流から完全に自由だとも書いています。対策の等級がここで割れます。

パージ量は、式で出せる

では、どれだけ流せばいいのか。定常の物質収支として解けます。成膜の他の場面にも出てくる型なので、追う価値があります。

上流向きの拡散流束と、下流向きのバルク流束が、管のどの断面でも釣り合うところで定常になります。油蒸気の濃度を $n_h(z)$（$z$ は背圧ポンプから上流へ測った距離）として、

積分すれば指数関数です。

$\bar{u}$ は断面平均の流速で、体積流量 $W=Q/p$ を断面積で割ったもの。

拡散係数のほうは圧力に反比例するので、Ar–Ar の値を使って $D=0.19\times 10^5/p\mathrm{c}{\mathrm{m}}^2/s$ と取ります。

ここで $p$ が消えます。

$Q$ を Pa·cm³/s で入れると係数は $6.7\times 10^{-5}$、sccm で入れる（1 sccm = 1837 Pa·cm³/s）なら 1837 倍して

流体流である限り、必要なパージ量は配管の圧力から自由です。効くのは流量と、長さと、内径だけです。

実例で検算します。油蒸気の逆流をガスパージで防ぐ実験を報告した論文⁶6Prevention of oil vapor backstreaming in vacuum systems by gas purge method (1990)が実験に使った管は、内径 9 cm、長さ 220 cmでした。この寸法を式へ入れると、指数の中身は $0.123\times 220/81=0.334$ を $Q$ に掛けたものになります。10 桁落とすなら $\ln (10^{10})=23.0$ なので $Q=69\mathrm{sccm}$。

式そのものは流体流を仮定して組んでいます。その論文が測ったのは遷移流領域の管で、そこでもわずかなパージ流量で油蒸気の逆流が防げたと報告しています。仮定が成り立つ範囲の少し外まで、同じ向きの効果が続くということです。

演習のほうの条件でも出しておきます。内径 5 cm、長さ 300 cm の前段配管で、油の分圧を 10¹⁰ 分の 1 にしたい。

16 sccm です。これで 10 桁落ちます。

2 つの例を見比べると、設計の勘所が浮かびます。分母が ${\varphi }^2$ です。管を太くすると、必要なパージ量が直径の 2 乗で増える。内径 9 cm・長さ 220 cm で 69 sccm、内径 5 cm・長さ 300 cm で 16 sccm。後者は 36% 長いのに、4 分の 1 以下で済みます。長さは 1 乗、内径は 2 乗だからです。

分子流のコンダクタンスは直径の 3 乗で伸びるので、排気を良くしたくて管を太くすると、パージのコストが上がります。2 つの要求が逆を向いています。

式に入らない経路

ここまでの式は、気相を通る経路の話です。

これとは別に、流れの領域に関係なく働くもっと厄介な機構があります。表面拡散（クリープ、マイグレーション）です。油が壁を伝って上流へ移動する。気相の濃度勾配とも、パージ流とも、別の軸で動きます。

駆動力は分かっています。真空系における油の表面マイグレーションを調べた 1996 年の論文⁷7Surface Migration of Oil in Vacuum Systems (1996)は、この移動が壁に沿った温度勾配によって起きると述べ、移動する接触線の条件まで入れた薄膜流の近似で理論を組み、真空技術でよく使う金属面で実験して確かめています。気相の圧力や流量より、壁の温度分布が変数だということです。

断つには、液体窒素で冷やした面に必ず当たる表面経路しか無いトラップが要ります。ところがほとんどのトラップはその構造になっていません。壁を加熱して油を蒸発させ、冷トラップか気流へ渡すという手も考えられますが、これは可能ではあっても文献に例が無い（undocumented）手です。

いちばん強いはずのポンプにも同じ穴があります。ターボ分子ポンプは、重い分子に対する圧縮比が非常に高いので清浄とされていますが、表面クリープには効かないはずです。圧縮比は気相の話だからです。

臨界的な用途で完全な解は 1 つだけです。油の無い、全ドライの排気系にすることです。

ガス放出は、圧力から完全に自由

もう 1 つの汚染源へ移ります。すべての材料は、常にガスと蒸気を出しています。

放出されるガスがプロセス環境へ入る速度は、工程ガスの圧力からほぼ自由です。動かせるのは材料と履歴のほうで、ステンレスとポリマーの放出速度を差分法で測った 2015 年の論文⁸8Outgassing rate measurements of stainless steel and polymers using the difference method (2015)は、316L ステンレスについて真空中でも大気中でもベークすれば放出速度がほぼ 10 分の 1 になること、そしてポリマーは放出速度が桁違いに大きく、受け入れたままの状態で測るとそれが顕著になることを実測で示しています。結果として、

10⁻⁸ Pa の UHV 蒸着でも、10⁵ Pa の常圧 CVD でも、同じ問題が同じ形で起き、同じ対策が要ります。

真空度は、この汚染源には効きません。動かせるのは材料と、表面処理と、時間だけです。

単分子層 1 枚を吐かせるのに、4000 秒

「単分子層 1 層ぶんの水」がどれくらいの量なのか、感覚が無かったので置き直します。壁が水をどう抱えるかは古くから測られていて、真空系へ水蒸気を導入して壁への吸着を追った 1970 年の論文⁹9Introduction of Water Vapor into Vacuum Systems and the Adsorption by the Walls (1970)は、およそ 67 時間にわたって吸着が動き続けること、そして各時刻の等温線が BET の II 型に従うことを報告しています。II 型は、最初の 1 層とその上の多層が別のふるまいをする形です。この節で使う数字は、その最初の 1 層ぶんにあたります。

単分子層はおよそ 10¹⁵ 分子/cm²。内表面 1 m²（= 10⁴ cm²）のチャンバなら、

たった 1 層で 40 Pa·l です。

これを 100 l/s のポンプで、脱離中に 10⁻⁴ Pa を保ちながら引くとします。40 Pa·l は 10⁻⁴ Pa では $40/10^{-4}=4\times 10^5\mathrm{l}$ に膨らむので、

1 層に 67 分。しかも実際には脱離速度も圧力も、もっと長い時間をかけて緩やかに下がっていきます。

常圧側でも同じ計算が立ちます。同じ 40 Pa·l が、10 slm の工程ガス流に 1 ppm を足す速度で出てくるなら、脱離速度は 10⁻² 標準 cm³/min。吐き切るまで 40 分です。

だから、見積もりの出発点はこう引きます。立ち上げ直後の水のバックグラウンドは、高真空工程で 10⁻⁴ Pa、常圧工程で 1 ppm 程度。多くの場合、良い膜を作るにはここからさらに下げる必要があります。

この計算には小さめに出る要因が組み込まれています。面積を幾何学的な表面積で取っているからです。表面が粗いか多孔質なら、あるいは金属の自然酸化膜が粗く多孔質・粉状なら、微視的な面積はずっと大きくなります。仕上げの悪い金属や、ひどく酸化した金属は、水を桁で多く吸います。

ベークは 150 °C で数時間、または室温で数日

脱離を速めるには熱を入れます。脱離速度は温度に対して指数関数的に上がるので、目安は 150 °C で数時間。上限を左右しているのは真空側より、一般的なエラストマーのシール材である Viton の耐熱です。

この目安には実測の裏があります。316L ステンレスの放出速度をベーク温度と大気曝露の履歴で測った 1987 年の論文¹⁰10Effect of baking temperature and air exposure on the outgassing rate of type 316L stainless steel (1987)は、150 °C で 6 時間のベークで $1.3\times 10^{-10}\mathrm{Pa}\cdot {\mathrm{m}}^3/(\mathrm{s}\cdot {\mathrm{m}}^2)$ に達するのに十分だったと報告し、ベーク後の放出速度と最高ベーク温度の関係を $\log q=-1.87\log T_{B\max }-4.51$ という 1 本の式で与えています。温度を上げるほど良くなるが、対数で乗るということです。

同じ量の吸着物を落とすのに、室温なら典型的に数日。時間と温度は交換が利きます。ここにも実測があって、ステンレス製の極高真空系の放出速度特性を追った 1996 年の論文¹¹11Outgassing rate characteristic of a stainless-steel extreme high vacuum system (1996)は、極めて乾いた窒素でベントする系ならベーク無しで 5 時間後に 1.1×10⁻¹⁰ Torr、50 時間後に 1.4×10⁻¹¹ Torr まで下がったと報告しています。同じ論文は、圧力を左右しているのが表面からの放出であること、そして脱離エネルギー 20〜21 kcal/mol の水を追い出せるかどうかが速さを分けていることも示しています。

紫外光やプラズマでも脱離は速まりますが、直接曝される面積だけが相手です。ベークだけが、隅も裏も届きます。

水に対しては、もう 1 つ効率のいい手があります。チャンバの中に液体窒素で冷やしたシュラウドを入れる（マイスナートラップ）。当たった水が全部凍りついて動かなくなるので、水に対する排気速度は

オリフィスのコンダクタンスとまったく同じ定数です。当たった分子が 1 個残らず捕まるなら、排気速度は入射流束そのものになるからで、両者が同じ値になるのには理由があります。安価に巨大な排気速度が手に入ります。

シランのように、その温度で凝縮する工程ガスを使うなら、この手は封じられます。

O リングの水は、永遠に残る

材料の中でいちばん厄介なのはポリマーです。表面への吸着より、バルクへの吸収なので、量が桁違いになります。

構造的に逃げ場の無い場所が 1 つあります。O リングの外側は、常に大気に触れています。

• 外側から水分を吸い続ける
• 吸った水が O リングの中を拡散して、内側へ抜ける
• 供給が続くので、残り続けます

帰結はこうです。清浄なエラストマーシールのチャンバでは、水が常に主要な残留ガスになります。逆に、大気から隔てた内部専用のエラストマーだけなら、いずれ水を失うので 10⁻⁸ Pa 未満まで行けます。

量を出しておきます。演習の条件で、O リングを通って 0.01 sccm の水が入ってくるチャンバを 1000 l/s で引くと、

比較対象は実測値で取れます。316L ステンレスの放出速度をベーク温度と大気曝露の履歴で測った 1987 年の論文¹⁰は、150 °C で 6 時間のベークで $1.3\times 10^{-10}\mathrm{Pa}\cdot {\mathrm{m}}^3/(\mathrm{s}\cdot {\mathrm{m}}^2)$ に達すると報告しています。内表面 1 m² なら $1.3\times 10^{-7}\mathrm{Pa}\cdot l/s$ で、同じ 1000 l/s のポンプなら $1.3\times 10^{-10}\mathrm{Pa}$。

O リング 1 本ぶんの水が、ベークしたステンレス 1 m² の 14 万倍出しています。壁を磨いてベークする作業は、シールを 1 か所エラストマーにした瞬間に、意味を失います。

この向きは実測でも裏が取れています。Viton の O リングを通る大気ガスの透過を初期状態ごとに比べた 2017 年の論文¹²12Comparison of permeation of atmospheric gases through Viton O-ring gaskets for different initial conditions (2017)は、湿った空気からの水蒸気が Viton ガスケットを透過し、真空系の到達圧力の下限を左右していると書いています。同じ論文は、比較として軟金属ガスケットも測っています。

材料表は「何が飛ぶか」で書いてある

金属からは 2 種類のものが出ます。蒸気圧の高い合金元素と、溶け込んだガスです。

蒸気圧を理由に避ける元素のリストが、そのまま「避けるべき部品」のリストになります。

真鍮のねじ 1 本、めっきした座金 1 枚が該当します。

使うのは 304(L) / 316(L) の Fe-Ni-Cr 系。S と Se を含まず、非磁性で、溶接しやすく、耐食性があり、緻密な Cr 酸化膜を作ります。L は低炭素で、溶接時に Cr 炭化物ができてこの保護層を壊すのを防ぎます。

450 °C 前後より上へ加熱する部品には、ステンレスを外します。冶金的に劣化することに加えて、わずかに含まれる Mn が揮発するからです。高温用には W、Ta、Mo。Ta は白熱するまで加熱しても脆くならず、W は金属で最も融点が高く蒸気圧が低い（電球のフィラメントである理由です）。

この Mn の話が、この節でいちばん怖い実例です。

GaAs 中の 0.11 eV のマンガン受容体準位を追った 1989 年の報告¹³13The Deep 0.11 eV Manganese Acceptor Level in GaAs (1989)が題名で示しているとおり、Mn は GaAs の中で深い準位を作ります。深い準位は電荷キャリアを捕まえるので、ppm 濃度の Mn が GaAs の導電性を壊します。チャンバの壁の合金に入っている微量元素が、そのまま膜の電気特性の変数になる、という関係です。

材料表は、装備品リストより、故障モードのリストです。

低温での接合や封止に使える合金は 1 つ挙がっていて、Sn-4 at.% Ag 共晶、融点 221 °C。Sn は融点が低いわりに蒸気圧が極端に低い、という組み合わせが効いています。

ステンレスから実際に出てくるガスの内訳も具体的です。主に CO、次いで H₂、CO₂、CH₄。溶け込んだ O と H が、鋼中の C と反応して生まれます。

絶縁物は、石英、無アルカリのホウケイ酸ガラス（Pyrex など）、非多孔質グレードのシリカ-アルミナ、そして熱分解窒化ホウ素（PBN）。PBN は削れるうえに非多孔質で、安価なホットプレス品の BN とはそこが別です。無機の絶縁物はガスの出が小さいぶん、加工が高くつきます。

ポリマーには取り回しの注意が付きます。長時間の脱脂溶剤への接触を避けること。バルクへ溶剤が吸われるからで、代わりにメタノールで湿らせた糸くずの落ちにくい布でさっと拭くのが推奨されています。

「仮想リーク」の正体は、閉じ込められた体積

最後に、リークテストの網から漏れる放出源があります。仮想リーク（virtual leak）です。

典型例は、基板とヒータの筐体のあいだに閉じ込められた気体の体積。抜け道が隙間しか無いので、排気に非常に長い時間がかかります。これは大気からの本物のリークと誤診されがちです。

対策は素直で、空洞へ抜き穴を開けること。よくある発生源として、内部の部品を締結する止まり穴のタップが挙がっています。ここには穴を通したベントねじを使います。

ただし、抜き穴を開けたあとにも続きがあります。流体流の工程では、抜けた空洞がガス流の「よどみ（dead spot）」になります。

具体例を 1 つ。CVD で 2 層目の成膜を始めるためにガス組成を切り替えたとき、1 層目のガスが空洞から拡散して出て行くまで時間がかかる。そのあいだ、2 層目の成膜を汚染し続けます。

これが実害になることは、パージ時間を変数として切り分けた研究が示しています。分子層堆積でパージ時間の重要性を調べた 2021 年の論文¹⁴14About the importance of purge time in molecular layer deposition of alucone films (2021)は、前駆体を流し終えたあとのパージが短いと膜の質が動くことを、パージ時間を振って実測しています。空洞の排気に要る時間は、そのままレシピのパージ時間の下限になります。よどみが残るなら、2 番目のガスの圧力を上下させて、空洞に「呼吸」させると交換が速まります。

膜の界面が汚れる原因が、ねじ穴にあることがある。界面の話は成長のほうから探しがちですが、探す先が別のことがあります。

2025 年の露光機では、ベークという手が封じられている

ここまでの対策のうち、いちばん強力なのがベークでした。150 °C で数時間、隅も裏も届く。

その手が届かぬ装置があります。

繊細で複雑な部品を含む露光装置では、超高真空を得るためのベークが封じられます。光学系、ステージ、センサ、モータ——どれもが吸着面であり、あとでガスを吐く面でありながら、まとめて焼く手だけが使えません。

しかも供給源が続きます。レジストを塗ったウェーハが繰り返し投入されるからです。これは、さきほどの O リングの水とまったく同じ構図です。供給が続く汚染源は、引いても同じところに戻ります。レジストの放出物による汚染成長を光子と電子の両方の露光で測った 2013 年の報告¹⁵15Denbeaux ほか, Resist outgassing contamination growth results using both photon and electron exposures (2013)が相手にしているのが、この供給源そのものです。

EUV では、汚染が起きる機構まで加速されます。EUV 光子は約 92 eV。鏡や回折格子に当たると吸収されて光電子を出し、その光電子が表面に吸着している有機分子を壊して、炭素膜を作ります。ArF エキシマの光子は 6.42 eV で、メタンや水の電離ポテンシャルより低い。この経路は EUV に固有です。波長を短くしたことが、そのまま汚染機構を 1 つ増やしています。

代償は数字で出せます。13.5 nm に対する炭素の減衰長は 155 nm。6 枚鏡のレンズで各鏡に 1 nm の炭素が付き、光が各鏡の炭素層を往復で 2 回通るとすると、合計の光路は 12 nm。

炭素 1 nm で、スループットが 7.4% 消えます。さきほどの単分子層 10¹⁵ 分子/cm² という数字と見比べると、許容量がどれだけ薄いかが分かります。

炭素が何 nm 積もるかを先に計算する試みもあります。EUV 光学素子の放射線誘起の炭素汚染を予測した 2019 年の論文¹⁶16Predicting radiation-induced carbon contamination of EUV optics (2019)は、ルテニウム保護層の上の吸着酸素と、炭素膜が部分的に水素化されていることまで織り込んだうえで、EUV の強度・炭化水素の分圧・分子種を振って炭素の厚さと堆積速度を計算し、一次光子の励起、二次電子、帯域外放射のどれがどれだけ寄与するかを分けています。汚染量は装置の掃除の問題である前に、露光条件と残留ガスの関数だということです。

ベークが封じられている以上、対策は「吸着を断つ」から「付いた先から化学的に剥がす」へ移ります。EUV 露光機はレチクルステージ周りへ 約 5 Pa の水素を流しています。水素は炭素の堆積を防ぎ、付いた炭素を取り除き、酸化物を還元し、そのうえ 13.5 nm での吸収が他のガスより弱い。

さらに、レジストから出るものの行き先を、そもそも光学系から逸らす手が重なります。ウェーハ面に低圧のガスを横に流して、放出物を運び去るガスカーテン（動的ガスロックとも呼ばれます）。

これは、さきほどのフォアラインパージとまったく同じ式です。上流へ拡散してくる汚染物を、下流向きのバルク流で抑え込む。EUV 露光光学系の炭化水素汚染をガスカーテンで抑える提案は 1999 年に出ています¹⁷17Kanouff ほか, Gas curtain for mitigating hydrocarbon contamination of EUV lithographic optical components (1999)。フォアラインでポンプ油について解いた収支と、露光機がレジスト放出物について解いている収支は、同じ形をしています。分子が別なだけです。

気相を止めた先にも同じ構図が続き、ウェーハとレンズのあいだに固体の膜を入れる構成があります。視線の経路を物理的に断つという点で、シェブロンバッフルと同じ発想です。

ただし、水素にも代償があります。水素イオンが Mo/Si 多層膜構造にブリスタ（膨れ）を作る機構を調べた 2017 年の論文¹⁸18van den Bos ほか, Blister formation in Mo/Si multilayered structures induced by hydrogen ions (2017)があり、さらに水素プラズマ中で負に帯電した粒子が、正に帯電したマスク表面へ引き寄せられる経路もあります。汚染対策が、別の汚染経路を開いています。

同じ吸着水が、隣の工程では接着剤になっている

正反対の側から同じ分子を見ている工程があります。ハイブリッドボンディングです。

D2W ハイブリッドボンディングの待ち時間（Q-time）を接合強度の精密測定で追った 2025 年の報告¹⁹19Yuki ほか, Assessing Queue Time in D2W Hybrid Bonding Through Precise Bond Strength Measurements (2025)に、昇温脱離分光（TDS）で質量数 18、つまり水を追った測定があります。

結果はこうです。150〜250 °C、表面に吸着した水が典型的に脱離する温度域で、Q-time の長い試料ほど脱離する水の量が小さい。接合エネルギーは、Q-time が延びるほど下がります。解釈は、Q-time による表面の水の減少（おそらく蒸発）が、接合強度を弱めている、というものです。

この 150〜250 °C は、さきほどのベーク温度そのものです。

• 成膜側では、150 °C 数時間のベークが、汚染を落とすいちばん強い手段
• 接合側では、同じ温度域で水が抜けることが、接合エネルギーが落ちる原因

同じ分子、同じ温度、同じ脱離現象を、片方は汚染と呼び、もう片方は接着剤と呼んでいます。どちらの呼び方が正しいかは、次に何をするかだけで決まります。

しかも同じ研究で、表面の電荷状態（ゼータ電位の等電点）は Q-time を通して一定でした。変わっているのは水の量だけ。表面の化学的な性質より、そこに何分子の水が載っているかが接合を左右しています。表面自由エネルギーのような集約された指標では、この違いが埋もれます。

真空系の「汚染」は、絶対的な性質より、関係の名前です。次工程の要求が、何を汚染と呼ぶかを左右しています。

実務での使い方

真空の汚染対策を「到達圧力を良くする」で書くと、2 つとも外します。

オイル逆流に対しては、圧力の下限を確定してください。条件は圧力×内径で 50 Pa·cm 以上、内径 5 cm なら 10 Pa。その下限を守るための手段（バルブで切る、パージで持ち上げる、背圧側で絞る）を、運転手順に書く。パージ量は $0.123Qz/{\varphi }^2$ で出せます。10 桁落とすのに 16 sccm です。バッフルとゼオライトトラップは、壊れたことが表に出てくるまで気づけるきっかけの無い対策なので、パージと併せて使うこと。壁を伝う経路は、どの対策でも残ります。そこまで要るなら全ドライにする。

ガス放出に対しては、圧力は効きません。動かせるのは 4 つだけです。

1. 材料：真鍮、めっき金物、軟ろう、りん青銅を系から外す。304L / 316L と、450 °C 以上には W / Ta / Mo
2. 表面：仕上げと酸化状態。粗い面と多孔質の酸化膜は、幾何面積の何倍もの水を持ちます
3. 時間と温度：150 °C 数時間か、室温で数日。どちらも「待つ」対策なので、装置の稼働計画に入れておく
4. 形状：止まり穴とベントねじ、そして流体流でのよどみ

エラストマーのシールを 1 か所でも大気に露出させたら、上の 4 つの効果はほぼ消えます。0.01 sccm の水が、ベークしたステンレス 1 m² の 14 万倍を出しているからです。まずシールの構成を見てください。Viton の O リングを通る大気ガスの透過を初期状態ごとに比べた 2017 年の論文¹²が、その水蒸気が到達圧力の下限を左右していると書いています。