メンブレンフィルターとは何か？どのように製造されるのか？

この記事で分かること

メンブレンフィルター

　世界の半導体製造用液体ろ過フィルター市場は、2025年見込みの3,659億円から、2030年には5,260億円へと拡大すると予測されています。これは、スマートフォンやデータセンター、IoTデバイスなど、世界的な半導体需要の増加に関連しています。

　https://eetimes.itmedia.co.jp/ee/articles/2508/22/news051.html

　市場をリードする主要な企業には、Pall Corporation、Entegris、Porvair Filtration Groupなどが挙げられます。

　前回の記事では、市場拡大の背景やフィルターの種類についての解説でしたが、今回はフィルターの一種であるメンブレンフィルターに関する記事となります。

半導体製造用液体ろ過フィルターとは何か

　半導体製造用液体ろ過フィルターは、製造プロセスで使用される液体（純水、化学薬品など）から、ナノメートルレベルの微細な不純物や微粒子を除去する特殊な装置です。これにより、半導体チップの欠陥を防ぎ、歩留まりと品質を向上させます。

　半導体製造では、メンブレンフィルター、深層フィルター、カプセルフィルターが主に使われます。

メンブレンフィルターとは何か

　メンブレンフィルターは、英語で「膜」を意味するmembraneが語源で、液体や気体から特定のサイズの微粒子や微生物を分離するための、非常に目の細かい多孔質のフィルム状フィルターです。

特徴

• 均一な孔径: メンブレンフィルターは、円形に近い均一な孔が多数空いています。この孔径によって、特定のサイズ以上の粒子を確実に捕捉できます。この性質から、精密ろ過や滅菌ろ過に利用されます。
• 表面ろ過: ほとんどのメンブレンフィルターは、フィルター表面で粒子を捕捉します。そのため、フィルターの表面がすぐに目詰まりしやすい傾向があります。このため、粒子が多い液体のろ過では、メンブレンフィルターの前に深層フィルター（プレフィルター）を併用することがよくあります。

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種類

メンブレンフィルターは、用途や耐薬品性に応じて、さまざまな材質で作られています。

• セルロースアセテート (CA): 親水性が高く、生体試料のろ過に適しています。
• ニトロセルロース (NC): タンパク質結合性が高く、分析や検出用担体としても使われます。
• ポリテトラフルオロエチレン (PTFE): 疎水性が高く、優れた耐薬品性を持つため、腐食性の高い溶媒やガスのろ過に適しています。
• ポリエーテルサルフォン (PES): 親水性で、高い透過流量と耐熱性を持つため、滅菌処理に多く用いられます。
• ナイロン (NY): 耐薬品性と機械的強度のバランスが良く、幅広い用途に対応します。

メンブレンフィルターはどのように製造されるのか

　メンブレンフィルターの製造方法には、主に相分離法が用いられます。この方法は、溶剤に溶かした高分子（ポリマー）を、溶けにくい液体（貧溶媒）と接触させることで、均一な微細孔を持つ膜を形成するプロセスです。

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製造プロセスの種類

1. 湿式相分離法

この方法は、メンブレンフィルター製造の最も一般的な手法です。

1. 溶液の調製: フィルターの素材となる高分子を溶剤に溶かし、均一な溶液を作ります。
2. 成膜: この溶液を不織布などの支持体に塗布し、シート状にします。
3. 凝固（浸漬）: 溶液を、水などの高分子が溶けにくい貧溶媒に浸漬します。
4. 構造形成: 貧溶媒が溶液中の溶剤と置き換わることで、高分子が析出し、多孔質構造の膜が形成されます。この時、溶剤の蒸発速度や貧溶媒の温度を精密に制御することで、目的の孔径や膜の厚みをコントロールします。

2. 乾式相分離法

　この方法は、湿式相分離法とは異なり、貧溶媒に浸漬させる代わりに、溶剤を熱で蒸発させながら空気中の水分を吸収させることで孔を形成します。この方法で製造された膜は、表面がより緻密な構造になります。

3. 延伸法

　この方法は、延伸によって孔を形成するものです。

1. シートの形成: フィルターの原料（主にPTFE）を、加熱しながら薄いシート状に成形します。
2. 延伸: このシートを、特定の温度と速度で引っ張ります（延伸）。これにより、内部の結晶構造が引き伸ばされ、微細な孔が多数形成されます。

　これらの製造プロセスは、フィルターの材質や用途に応じて使い分けられます。半導体製造用の高精度フィルターでは、ナノメートル単位の孔径を均一に制御できる湿式相分離法がよく用いられます。

延伸でなぜ穴が開くのか

　延伸で穴が開くのは、ポリマー（高分子）フィルムを特定の温度で引っ張ることで、フィルム内部の結晶構造が引き伸ばされ、結晶部分の間に微細な隙間（空隙）が生まれるためです。

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原理

　メンブレンフィルターの素材となるポリマーは、小さな結晶が集まった結晶部分と、結晶化していない非晶性部分で構成されています。このフィルムを特定の温度に加熱し、引っ張ると（延伸）、次のようなことが起こります。

1. 結晶の引き伸ばし: フィルムが引っ張られると、結晶部分が繊維状に細く引き伸ばされます。この引き伸ばされた繊維状の構造はミクロフィブリルと呼ばれます。
2. 空隙の形成: 結晶部分が伸びることで、その結晶と結晶をつなぐ非晶性部分が引きちぎられ、その間に空間（ボイドまたは空隙）が形成されます。この空隙がフィルターの「穴」となります。

　このプロセスでは、延伸の方向、温度、速度を精密に制御することで、形成される穴の大きさや分布をコントロールできます。これにより、ろ過性能が異なる様々な種類のフィルターが製造されます。

代表的な素材　

　この製造方法で最もよく知られているのが、PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）です。PTFEは非常に耐薬品性が高く、高温にも強いため、厳しい環境下で使用されるフィルターの素材として適しています。PTFEフィルムを特定の条件下で延伸することで、微細な孔を持つ多孔質膜が効率的に製造されます。

半導体向けのメンブレンフィルターの製造方法は

　半導体向けメンブレンフィルターの製造には、相分離法と延伸法の両方が利用されますが、用途や素材によって使い分けられます。どちらの方法も、ナノレベルの微細な孔を均一に形成することが重要です。

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相分離法

　相分離法は、主に親水性のポリマー（ポリスルホン、ポリエーテルスルホンなど）を用いたフィルターの製造に利用されます。

• 製造原理: 液体に溶かしたポリマー溶液を、ポリマーが溶けにくい別の液体（貧溶媒）に接触させることで、溶液が分離し、ポリマーが析出して多孔質な膜が形成されます。この方法は、孔の大きさを比較的自由に調整でき、異なる孔径を持つフィルターを製造しやすいという特徴があります。
• 用途: 親水性のフィルターは、水や水系の化学薬品のろ過に広く使われます。特に超純水や、水系のスラリー、洗浄液などのろ過に利用され、半導体プロセスにおける重要な役割を担っています。

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延伸法

　延伸法は、主に疎水性のポリマーである**PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）**を用いたフィルターの製造に用いられます。

• 製造原理: PTFEのフィルムを特定の温度と速度で引っ張ることで、フィルム内部の結晶構造が引き伸ばされ、その間に微細な空隙（穴）が形成されます。この方法は、非常に精密で均一な孔径を持つフィルターを製造できることが特徴です。
• 用途: PTFEは優れた耐薬品性と耐熱性を持つため、強酸や強アルカリなどの腐食性の高い化学薬品、特にフォトレジストや高温のプロセスガスのろ過に不可欠です。半導体製造で最も厳しい環境下で使用されるフィルターの多くは、この延伸法で製造されています。