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양두(兩頭)연삭 장치와 가공 특성
 
 
월간 기계기술기자 | 2002.08.01 | 2002년 8월호
 
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「유리 연마재 방식을 고정 연마재 화할 수 있는가?」라는 테마는 비용 이나 정밀도 추구라는 관점에서 많은 정밀 가공 분야에서 연구되고 있다.
1. 랩 다듬질(lapping)에서 양두 연삭으로
「유리 연마재 방식을 고정 연마재 화할 수 있는가?」라는 테마는 비용 이나 정밀도 추구라는 관점에서 많은 정밀 가공 분야에서 연구되고 있다.
  <그림 1>에서는 실리콘 웨이퍼 가공 공정의 개략을 나타내는데 본 가공 공정에서도 슬라이스 후의 평활 가공 으로서 종전부터 실시되고 있는 랩다듬질을 연삭으로 대체할 수 없을까 하는 시도가 이루어져 왔다. 왜냐하면 랩다듬질은 비교적 쉽게 평활면을 얻을 수 있는 안정된 가공 방법이 라고 할 수있으나 슬러리 사용으로 인한 운영비(running cost) 인상과 환경에 미치는 영향 혹은 웨이퍼 대구경화에 따르는 자동화의 어려움 등이 문제시되어 왔기 때문이다.
  당초의 연삭 방법으로는 진공 흡착 으로써 웨이퍼를 강제로 체크하고 반전하면서 한 쪽면씩 컵 숫돌로 인피드 연삭하는 방식이 시도되었다. 그러나 <그림 2>에서 그 일례를 나타내는 것처럼 슬라이스 후의 웨이 퍼에는 TTV로 불리는 면내의 두께 편차나 WARP으로 불리는 휨, 기복이 존재한다. 이같은 웨이퍼를 진공 척하여 연삭하면 처킹 상태에서는 평탄한 면을 얻을 수있으나 처킹을 풀면 TTV 성분이 스프링 백(spr ing back)하여 새로운 기복을 만들어 버린다. 이 문제를 해결하기 위해 「척리스(chuckless) 연삭」을 가능하게 하는 양두 연삭 방식이 주목되어 랩 다듬질을 대체할만한 유력한 후보로 기대받게 되었다.
  당사에서는 1996년부터 실리콘 웨이퍼용 양두 연삭기 개발에 착수하여 1998년에 상용(商用)화를 실현하 였다<그림 3>. 그후 실리콘 웨이퍼에 의한 필드 테스 트를 통해 저비용화와 고정밀도화를 실현하는 유효한 방법임이 확인되어 300mm 웨이퍼 생산라인에 도입 하기에 이르렀다.
2. 실리콘 웨이퍼용 양두 연삭기의 특징
양두 연삭으로 가공되는 공작물은 클램프하기 어려운 박물(薄物)이나 이(異)형상인 경우가 많고 공작물보다 큰2개의 숫돌 사이에 끼워 넣음으로써 유지 보전을 겸하면서 연삭되는 것이 일반적이다. 그러나 이같은 방법은 실리콘 웨이퍼와 같이 갈라지기 쉬운 박물 경취재(硬脆材)에는 적용할 수 없고 연삭 저항의 크기와 숫돌면의 형상이 일그러지는 영향 때문에 정밀도를 안정적으로 유지할 수 없었다. 결국 척식 한쪽면 연삭과 같이 웨이퍼의 중심에 컵 모양의 숫돌을 대고 어떤 방법으로든 웨이퍼를 자전(自轉)시키면서 숫돌을 인피 드시킴으로써 전면(全面)을 연삭하는데 이것을 양면에서 동시에 실시하는 것이 양두 연삭을 실현할 수 있는 유일한 방법이라고 판단하였다. 그러나 이 방식에서는 웨이퍼의 절반 이상이 숫돌에서 비어져 나온 상태가 된다. 이 부분을 어떻게 유지 보전하는가가 실용화의 열쇠를 쥐고 있었다고 말할 수 있다. 이하에서는 실리콘 웨이퍼용 수직형 양두 연삭기의 특징을 설명한다.
 ① 캐리어 유지 보전 방식 <그림 4>에서는 본기(本機)의 유지 보전 방식을 나타낸다. 랩 다듬질과 같이 웨이퍼를 충분한 간격을 갖고 캐리어에 넣고 숫돌에서 비어져 나온 부분은 하측 에서만 공기 정압으로써 비접촉으로 지지하였다. 그리고 웨이퍼의 자전은 노치(웨이퍼 외주에 만들어진 1mm 정도의 V자형 오목부)에 캐리어의 일부를 걸고 캐리어를 회전시킴으로써 얻었다. 따라서 웨이퍼에 무리한 구속력이 작용하지 않아 자유에 가까운 상태를 유지하면서 연삭할 수 있다.
 ② 열 대칭 구조 TTV에는 1㎛ 이하가 요구된다. 양두 연삭에 있어서 TTV에 가장 영향을 끼치는 것은 양 숫돌축의 평행도 이고 분위기 온도 변화나 연삭열로 인한 열변형으로 생기는 양 숫돌축 평행도의 어긋남을 0.1㎛ 수준으로 억제하기 위해 <그림 5>에 나타내는 열대칭 구조를 채택하였다.
  본기에서 수직형을 채택한 것은 열대칭 구조가 가능한 점그리고 웨이퍼를 자체 무게와의 균형을 이루어 자연스러운 형태에서 자유 상태로 유지 보전할 수 있는 점 이2가지 이유 때문이다.
 ③ 정압 베어링·빌트인 모터 구동 숫돌축에는 회전 정밀도가 뛰어나 정적으로나 동적 으로나 높은 강성을 기대할 수 있는 유(油)정압 베어링을 사용하고 회전에는 구동계로부터의 외란을 고려하여 모터 빌트인 방식을 채택하였다.
 ④ 정압 안내 숫돌축의 이송 안내에는 미소한 이송을 가능하게 하고 동시에 이송시의 자세 재현성을 높이기 위해 정압 안내를 사용했다. 그리고 수직형 박스 구조의 중심에 숫돌축과 이송 안내를 배치하고 온도 제어된 윤활유를 순환시키는 것은 구조체 전체의 온도 분포를 대칭으로 유지하는 데도 기여하였다.
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3. 실리콘 웨이퍼 양두 연삭에 요구되는 숫돌
단두(單頭) 연삭에 적절한 숫돌이라고 해서 양두 연삭에서도 반드시 적절하다고는 할 수없다. 양두 연삭에서 양쪽 숫돌에 절삭성의 차이가 생기면 잘리는 측의 연삭량이 일방적으로 증가하고 반대로 잘리지 않는 측은 감소하여 셰딩 상태로 된다. 그 결과 웨이퍼 안팎의 다듬질 여유가 편중되어 형상 이상이나 조악함 (rough)을 남기게 된다. 그리고 노치부를 회전 구동에 사용하고 있기 때문에 기본적으로 연삭 저항을 크게할 수없고 그런 의미에서 볼 때 양숫돌은 서로 역회 전시켜 연삭 저항을 상쇄시키고 있으나 절삭성의 차이가 커지면 웨이퍼에 연삭 저항의 차분(差分)이 작용하여 캐리어에 강압된 상태에서 연삭되기 때문에 TTV나 WARP의 이상을 일으키는 일이 있다. 이같이 양두 연삭에서는 양쪽 숫돌의 조건이 항상 동등할 필요가 있다. 이러한 특수성 때문에 비록 단독적인 성능은 약간 희생시키더라도 절삭성의 안정성을 추구한 숫돌이 요구된다. 일반적으로 실리콘을 정밀 연삭함에 있어서는 레진 본드에 의한 다이아몬드 숫돌이 사용되어 다른 본드에 비해 고품위의 면을 얻을 수 있을 것이나 비교적 연삭 저항이 높아 챔퍼링(chamfering)시 약간의 불안정성을 보게되는 일도 있어 양두 연삭에는 부적합한 것으로 판단하였다.
  본기에서는 유기공 비트리파이드에 의한 다이아몬드 숫돌을 사용하였다.
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4. 가공 특성
가. 가공품 품위
 
  <그림 6>에서는 연마재 번수와 표면 거칠기 및 크랙층 깊이(경사 연마 방식에 의한 평가)와의 관계를 조사한 일례를 나타낸다. 표면 거칠기의 10배 정도에 상당 하는 크랙층이 들어가 있음을 알 수있다. <그림 7>은 #3,000에 의한 가공면의 사진이고, <그림 8>은 그 칩의 사진인데 연성 모드에 가까운 연삭이 이루어져 있는 것으로 추찰된다. 문헌 4)에서는 실리콘 웨이퍼의랩 다듬질에서 이루어진 크랙층 깊이를 보면 약 4~7 ㎛로 되어 있다. <그림 6>에서는 이 값에 상당하는 양두 연삭의 숫돌 번수가 #2,000 정도임을 알 수있다.
  <그림 9>에서는 #2,000의 양두 연삭과 생산라인에서 일반적으로 사용되고 있는 #1,200의 랩다듬질에 대해 크랙층의 상태를 비교하여 나타낸다. 가공 메커 니즘의 차이로 인해 크랙층의 형태가 다를 것 같으나 깊이는 거의 동등하다고 판단할 수 있다.
 
 나. 형상 정밀도
 
  랩 다듬질과 동등한 가공품 품위를 얻는 #2,000 양두 연삭에서는 어느 정도의 형상 정밀도를 얻을 수 있을까? <그림 10>에서는 #2,000에 의한 연속 연삭의 결과를, <그림 11>에서는 TTV 형상을 각각 나타낸다.
 랩 다듬질에 못하지 않은 값을 안정적으로 얻을 수 있고 또형상에 대해서도 매끈하고 양호한 결과라고 말할 수있다. 본기의 기계 구조면 및 독자적인 웨이퍼 유지 보전 방식의 특징을 살린 결과라고 생각한다.
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5. 더 한층의 고품위화를 위한 노력
현재 랩 다듬질 대체에 머물지 않고 에칭과 정밀 연마 작업의 절감을 목표로 고품위화에 노력하고 있다.
  그러나 연마재의 미립화는 로딩이나 스크래치 등 다양한 문제를 불러 일으켜 n수에 대한 안정성을 얻기가 힘들어졌다. 더구나 양두 연삭일 경우에는 숫돌 단독 뿐만 아니라 앞에서 말한 것처럼 양 숫돌간의 균형을 안정적으로 유지할 필요가 있어 어려움은 배가된다고할 수있다.
  <그림 12>에서는 #3,000에서 양 숫돌의 균형이 깨졌을 때 연삭 개시에서부터 종료까지 숫돌축 소비전력의 추이를 나타낸다. 이같이 양 숫돌의 절삭성 균형이 깨진 상태에서 연삭을 진행하면 안팎의 가공 변형에 차이가 생겨 <그림 3>과 같은 WARP 이상을 일으키는 일이 있다. 랩 다듬질을 대체하기까지는 장치면에 대한 의존이 컸다고 할 수있는데 더욱이 에칭, 정밀 연마 작업을 저감시키려면 양두 연삭의 특수성을 고려한 미립 숫돌의 개발과 거기에 맞는 연삭 조건의 최적 화가 요구된다.
  숫돌 개발을 포함하여 노력해 가는 가운데 미립 비트리파이드 다이아몬드에서도 안정적인 연삭을 할 수있게 되었다.
  <그림 14>에서는 소비전력 추이의 일례를, <그림 15>에서는 연속 연삭의 결과를 각각 나타내는 것처럼 안정된 연삭 상태를 얻었다. 양두 연삭에서 소비전력의 안정성과 WARP의 안정성에는 밀접한 관계가 있는데 WARP의 안정은 양 숫돌의 절삭성 안정을 뒷받침하고 있다고도 말할 수 있다.
  또한 「WARP의 안정」이란 절대치뿐만 아니라 형상에 대해서도 슬라이스 후의 WARP에 아주 가까워 n수에 대해서도 변화하지 않음을 의미하고 있다. <그림 16>에서는 #4,000 연속 연삭에서의 WARP 추이를 나타내고 <그림 17>에서는 연삭을 전후한 WARP의 형상을 나타낸다. 절대치와 형상 모두 슬라이스와 거의 동등하여 안정된 연삭 상태가 지속되고 있는 것으로 판단된다.
  미립 숫돌 사용에 관해서는 연삭의 안정성뿐만 아니라 스크래치나 비용도 검토 과제라고 할 수있다. 앞으 로는 이 과제들에 대해서도 총체적으로 전념하여 완성 도를 높임으로써 실리콘 웨이퍼 공정에서의 대폭적인 공정 단축 실현을 지향하고자 한다.
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TAG :  다듬질    실리콘  양두  연삭  웨이퍼  장치
 
 
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