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고정 숫돌 입자 연마 가공 기술 실용화의 조건과 과제
 
 
월간 기계기술기자 | 2002.08.01 | 2002년 8월호
 
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연마가공(폴리싱)은 미세한 유리 연마재 슬러리와 연질 폴리셔(polisher)를 사용하여 압력 전사 (轉寫) 방식의 가공하는 것이 종전부터 해 오고 있는 일반적인 방법이다.
  초정밀 다듬질 가공이나 호닝 가공 등 주로 금속 원통 부품 내외면의 경면화를 위한 고정 연마재 방식의 연마가공도 오래 전부터 실시되고 있는데 실리콘 웨이 퍼를 비롯한 최근의 고기능 재료 연마에서는 유리 연마재 방식이 압도적으로 우세하다. 이같은 현상은 이재료들에 대해서는 평탄도나 진원도 등의 형상 정밀도 뿐만 아니라 고도의 평활성과 가공 표면의 무요활성 (無擾活性)도 엄격히 요구되므로 결합 재료의 강도나 연마재의 돌출 높이가 가공 정밀도에 직접적으로 영향을 미치는 고정 연마재 방식보다는 미세 연마재의 균일함·안정된 작용과 연질 폴리셔의 압력 완충 작용을 기대할 수 있는 유리 연마재 방식이 유리하기 때문이 라고 해석할 수 있다.
  그러나 근년에 와서는 연삭 장치의 고(高)강성화· 고정밀도화, 연삭 숫돌의 초미립화, 숫돌 조정 기술의 고도화 등이 진전됨에 따라 경면 연삭이 점점 실용 수준에 도달해 가고 있다.
  한편 기계 화학적 연삭 숫돌 등 연마 가공에 적합한 특수 숫돌을 개발하려는 움직임도 활발해지는 상황을 보이고 있어 고정 연마재 연마 가공의 가능성·실현성이 급속도로 높아져 가고 있다. 이러한 상황을 감안하여 (사)砥粒가공학회에서도 2001년에 「초정밀 고정 연마재 가공 밀레니엄 연구회」를 분과회로 발족시켜 21 세기에 기대되는 고정 연마재 연마 가공기술의 실용화를 위한 실상 조사와 과제 추출을 개시하였고 분과회가 주최하는 심포지엄 「실리콘 웨이퍼 가공 기술의 돌파구 탐색 -고정 연마재 공구에 거는 기대와 과제-」도 개최한다.
  본고에서는 유리 연마재 연마 방식과의 비료를 통해 고정 연마재 연마 방식의 향후 과제에 대해 검토 한다.
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1. 고정 연마재 연마와 유리 연마재 연마의 특징 비교
유리 연마재 연마 방식의 단점은 슬러리(연마제)나폴리셔(연마포) 등의 소모품 소비량이 큰 점, 가공 변질층의 잔류를 피하기 위해 비교적 연질의 폴리셔가 사용되므로 형상 정밀도를 유지하기가 어려운 점, 자동화가 쉽지 않은 점 등이다.
  특히 기능성 재료인 유리 연마재 연마에서는 화학작 용이 강한 연마액을 사용하는 일이 많아 앞으로는 작업 환경과 지구환경의 관점에서도 검토해야 하는 상황에 임박해 있다. 이에 대해 고정 연마재 연마 가공 방식에서는 공정 생략, 에너지 절약화, 저비용화, 환경 부담 저하 등의 이점을 기대할 수 있으므로 그 실용화 의식이 매우 커 고정 연마재 연마법의 연구개발이 최근 활발해진 것은 그 때문이라고도 할 수있다.
  <표 1>에서는 주요 요소에 대해 고정 연마재 연마 방식과 유리 연마재 연마 방식의 특징을 비교하여 나타 낸다. 표에서 ▒ 부분은 현 시점에서 볼 때고정 연마재 연마 방식이 유리 연마재 연마 방식보다도 우위성이 있다고 해석할 수 있는 포인트이다. 즉 고정 연마재 연마에 의하면 연질 폴리셔를 사용하는 유리 연마재 연마 방식보다도 높은 형상 정밀도를 얻을 수 있고 가공을 자동화하기가 쉬우며 또 폐액 처리면에서도 유리 하다는 이점은 확보되어 있다. 그러나 연삭 숫돌의 제조 변수가 복잡하고 최적화하기가 어려워 숫돌 표면을 장시간에 걸쳐 일정한 상태로 유지하면서 안정적으로 계속 연마할 수 있는 수준에는 도달 하지 못한 점 등 넘어야 할 장해 요소가 많이 남아 있는 실정이다.
  <그림 1>에서는 “공구”인 고정 연마재 연마용 숫돌과 유리 연마재 연마용 폴리셔의 재질을 비교하여 나타낸다. 유리 연마재 가공용 폴리셔로는 단일 소재 혹은 비교적 단순한 조성과 구조를 가진 것이 많은데 대해 고정 연마재 가공용 숫돌은 연마재와 결합재와의 복합 재료이어서 가장 적당한 숫돌을 선택하려면 매우 복잡한 제조 변수를 제어해야 한다. 또한 그것들은 소위 제조 노하우로서 공개하지 않아 기술 정보로서 공유되기 어려운 점도 고정 연마재 연마법의 실용화를 지연시키는 한 요인으로도 되어 있다. 거꾸로 생각하면 새로운 발상에 의해 고정 연마재 연마용 숫돌이 개발될 기회도 커 향후 발전도 이 점에 걸려 있다고 말할수 있다.
  <표 2>에서는 고기능 재료를 중심으로 고품위 연마 가공의 요구가 높다고 생각되는 재료들과 그것들을 가공하는 데 요구되는 항목을 정리한다. ○는 요구도가 높은 항목이고 △는 어느 정도는 필요한 항목을 나타낸다. 세라믹스나 광학 유리 등 형상 정밀도는 까다로우나 평활성이나 가공 변질층에 대한 요구도가 그리 높지 않은 재료에 대해서는 이미 경면 연삭이나 숫돌 연마가 실용되고 있는 사례도 있으나 실리콘 웨이퍼 등 형상 정밀도, 평활성, 가공 변질층 모두에 대해 요구가 까다 로운 고기능 재료로는 유리 연마재 연마가 압도적으로 우위에 있다.
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2. 고정 연마재 연마법 개발의 흐름과 요구
고정 연마재 연마 개발의 방향으로는 두 가지의 큰흐름이 있다. 하나는 종전의 운동 전사 방식 연삭가공법 연장선상에서 연마 혹은 거기에 가까운 경면 연삭을 실현하려는 방향이고 또 하나는 종전의 압력 전사 방식 연마법 연장선상에서 고정 연마재 연마 숫돌을 이용하 려는 방향이다.
 
 가. 운동 전사 방식 연삭 가공법으로 접근
  요 수년 동안 초미세 절입이 가능하고 동시에 기계 강성이 매우 높은 초정밀 연삭기의 개발이 급속히 진전 됨에 따라 트루잉 (truing)·드레싱이라는 숫돌 조정 기술을 적정화함으로써 다이아몬드 숫돌을 사용하여 세라믹스나 반도체 재료를 경면 연삭할 수 있는 수준에 도달해 가고 있다.
  특필할만한 최근의 성과를 아래에서 이야기한다.
  400mm 대구경(大口徑) 실리콘 웨이퍼에 대한 무균열(crackless) 연성 모드 연삭의 실현을 목표로 삼각기둥 오면체 지지구조의 초고강성 연삭 장치가 개발되어 파괴 인성치가 작고 크랙이 생기기 쉬운 실리콘 단결정을 가공 변질층 0.1㎛ 레벨로 연성 연삭하는 데 성공하 였다(수퍼실리콘연구소). 또한 설정 절삭 깊이 1nm가 가능한 고강성 초정밀 가공 장치도 점점 개발되고 있어 300mm 실리콘 웨이퍼에 대해 Ra 1nm 이하의 경면 연삭이 달성되었다는 보고도 있다(이바라기 대학 그룹). 장치 구조의 고정밀도화와는 다른 방향에서 숫돌의 주행 궤적을 제어하여 연삭 조흔(條痕)의 정방향화를 피하는 방식으로 초(超)평활화를 지향한 연삭 방법도 제안되고 있다(쿠마모토 대학). 한편 메탈 본드 미립 다이아몬드 숫돌의 조정 기술을 고도화하여 경면 연삭을 가능하게 한 것이 ELID 연삭이다(理硏). 이것은 메탈 본드를 전해 작용으로 부동태 화시켜 미세 다이아몬드 연마재의 탈락과 본드면의 후퇴를 용이하게 함으로써 로딩(loading)을 피해 안정된 연삭을 유지하려는 방식으로 Ra 10nm 이하의 경면 연삭도 가능해졌다.
  그리고 화학적 혹은 기계 화학적 효과를 이용하여 경면화와 가공 변질층의 저감을 노린 연삭 가공법으 로서 Chemo-Mechanical Grinding(이바라기 대학)이나 전기 영동(泳動) 현상으로써 실리카 연마재를 응집시켜 작성한 EPD 펠릿 숫돌을 사용하는 연마적인 연삭법(豊橋技科大·사이타마 대학) 등이 시도되고 있다.
 
 나. 압력 전사 방식 연마법으로 접근
  종전의 유리 연마재 방식과 기본적으로는 동일한 장치·작업 형태로 실시할 수 있으므로 얼마나 우수한 연마 성능(가공 능률, 형상 정밀도, 표면 성상 등)을 지닌 숫돌을 개발할 수 있는가가 최대의 관건이다.
  연마용 숫돌의 개발 방향으로서 ① 연마재로는 종전 부터 사용되고 있는 경질 연마재(미립의 알루미나 연마 재나 다이아몬드 연마재 등)를 사용하는데 결합제를 연구함으로써 연마성을 향상시키려는 방향과 ② 연마재 로서 피가공재와 동등하거나 보다 연질의 입자를 탈립시키기 쉬운 결합제로 결합시킨 숫돌을 사용하여 연마재의 기계적 작용보다도 기계화학적 효과를 살려 무변형 경면화를 도모하려는 방향이 활발해져 가고 있다.
 ① 의예로는 목질 페놀 숫돌(칸사이 대학), 불소 수지 본드를 사용한 다이아몬드 숫돌(R&P 오사카),광조형법을 응용한 자외선 경화 수지 본드를 사용한 알루미나 숫돌(立命館大), 유기공 수지 본드 CeO2숫돌(히다찌), 자장에서 숫돌 배열을 제어하는 MAGIC 숫돌(都立科技大), 입상(粒狀)화 알루미나를 함유한 실리카 페이퍼 디스크(八戶高專), 이종(異種) 복합 재료 연마에 적용하는 것을 목표로 한 다이아몬드 연마재 매립 정반(히다찌) 등의 새로운 시도가 보고되어 있다. ②의 예로는 실리콘 웨이퍼의 무변형 경면화를 가능하게 하는 수지 본드 혹은 식재(食材) 본드 BaCO3기계화학적 숫돌(東海大)과 SiC 단결정 연마용 고체 촉매 연마재를 부가한 Cr2O3숫돌(쿠마 모토 대학) 등이 시도되고 있다.
  한편 위에서 말한 강성 숫돌과는 다른 형의 연마용 고정 연마재 공구로서 테이프 혹은 필름 형태의 연마 공구도 활발히 개발되고 있다. 콜로이달 실리카 분산 FOS 필름에 의한 광 커넥터 선단면 연마(大日本인쇄), ZrO2응집 연마재 필름에 의한 광학 유리 연마 (리코), 패턴이 있는 폴리에스테르 래핑 필름에 의한 유리 연마(칸사이 대학) 등의 새로운 시도가 이루어 지고 있다.
  또한 플라즈마 CVD법에 의해 비결정질 Si계 막상 (膜狀) 공구(치바 대학), 더 나아가서는 SUS304나 인코넬 600을 그대로 다이아몬드 연마용 공구로 하는 고속 습동 연마법(日本工大) 등 이른바 「연마재」를 사용하지 않는 연마법도 새로운 기술의 싹으로서 향후 발전이 주목된다.
3. 기계화학적 숫돌에 의한 실리콘 웨이퍼 연마 사례
실리콘 웨이퍼는 현재 주류인 200mm에서 300mm로 대구경화 되어 가고 있으며 그에 수반하여 더 한층의 평탄도 향상을 요구하고 있다. 실리콘 웨이퍼의 폴리싱은 종전부터 콜로이달 실리카 슬러리(pH0.6~11)와 점탄성적 변형 특성을 가진 수지 함침 부직포 폴리 셔를 조합하여 실시되고 있는데 앞으로 강화될 것으로 예상되는 나노 토포그래피의 저감이나 Edge Exclu sion의 협소화, 더 나아가서는 슬러리나 폴리셔 등 소모품 비용과 슬러리 폐액 처리비용 삭감 등의 요구에 대해 종전의 프로세스로는 조만간에 대응할 수 없을 것으로 예상된다. 그래서 기대되는 것이 고정 연마재 연마의 실용화이다.
  실리콘 웨이퍼 연마용 고정 연마재 공구로서 실리카 미립자를 전기 영동 현상을 이용하여 작성하는 EPD 펠릿 숫돌이 알려져 있는데 가공 변형을 피하려면 실리카 연마재보다도 연질의 기계화학적 연마재가 유리할 것이다.
  실리콘 웨이퍼 연마용 기계화학적 연마재로는 BaCO3나 CaCO3가 알려져 있다. 필자 일행은 BaCO3입자를 페놀 수지로 고정한 연마 펠릿의 개발을 시도하 였다.
  <표 3>은 시험 제작한 펠릿의 성형 조건과 가공 특성의 일례이다. 기계화학적 폴리싱에서는 고정 연마재 숫돌일 경우에도 기본적으로는 연마재가 어느 정도 숫돌 표면에서 탈락하여 유리 연마재로서 작용할 필요가 있어 이른바 “연삭비(웨이퍼 연마량 /펠릿 감모량)”가높다고 해서 반드시 가공 능률이 높아짐을 의미하는 것은 아님을 알 수있다.
  이같은 BaCO3펠릿을 <그림 2>와 같이 나열하여 컵휠(cup wheel)을 만들고 정압식으로 건식 폴리싱을 실시한 예를 <그림 3>에 나타낸다. <그림 4(A)>는 가공후 웨이퍼 외주 가장자리의 단면 형상을 측정한 것으로 종전의 실리카 슬러리와 Stock Removable형 폴리셔를 조합하여 가공한 경우(B)에 비해 Edge Corner slope가 아주 작은 고정밀도 가공이 가능하다는 점을알 수있다.
  표면 거칠기도 유리 연마재 연마의 경우와 거의 같음을 <그림 5>를 보고 알 수있다.
  연마 계면(界面)에는 <그림 6>에서 볼 수있듯이 탈락된 다수의 연마재가 개재하고 그 중에는 롤러 (roller) 모양으로 성장한 연마재가 여기저기 보이는 점에서도 연마가 유리 연마재의 작용 형태로 진행하고 있음이 추측된다. <그림 7>은 탈락된 연마재를 회수하여 ESCA 관찰한 결과의 일례로, 연마 제거된 실리콘은 Si 단독으로가 아니라 규산 바륨으로서만 검출되고 있기 때문에 실리콘이 기계적인 제거가 아니라 BaCO3와의 기계화학적 반응에 의해 연마되고 있음을 알 수있다.
  더욱이 페놀이나 에폭시와 같은 열경화성 수지를 결합제로 하는 연마재 숫돌의 경우에는 가공 중에 미세한 스크래치를 일으키는 일이 있다. 열 변질로 인한 결합제의 경질화가 그 원인일 것으로 추측된다. 즉 가공 품위(가공 변질층이나 표면 오염 등)에는 결합제의 특성도 큰 영향을 미칠 가능성이 있으므로 고정 연마재 연마 가공을 할 경우에는 적당한 결합제를 선정·선택 함에 있어 엄밀한 평가가 필수적이다.
  21세기에 많은 발전이 있을 것으로 기대되는 고정 연마재 가공 기술에 대해 최근의 동향을 개관하면서 유리 연마재 가공에 대한 우위성과 실용화를 위한 과제에 대해 개인적 의견을 말하였다. 개개의 구체적인 예에 대해서는 본 특집 중에서 상세히 설명하므로 참조하기 바란다.
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TAG :  가공  기술  숫돌  실용화  연마  입자
 
 
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