반도체 쿼츠웨이퍼 다이싱용 블레이드는 마이크로/나노 디바이스와 부품을 제조하기 위해 고정밀도의 가공성을 요구한다. 따라서 균일한 마이크로/나노 선폭의 가공을 위해서는 블레이드의 제작 단계에서 균일한 두께와 밀도를 유지하는 것이 중요하다. 기존의 실리콘웨이퍼 가공을 위해서는 금속의 블레이드가 사용되고 있지만 쿼츠 웨이퍼 가공을 위해서는 고분자 복합재가 사용된다. 이러한 복합재는 가공성, 전기전도성, 그리고 적절한 강도와 연성 및 마모저항성이 있어야 한다. 그러나 기존의 건식성형 공정으로는 균일성을 유지하기 위해 많은 공정과 비용이 소비되고 있다. 본 연구에서는 도전성 나노 세라믹스 분말, 연마재 세라믹스 분말에 열경화성 수지, 전도성 고분자를 혼합한 복합재 분말을 습식성형 공정에 의해 제조, 평가하는 연구를 수행하였다. 먼저 복합재 분말을 액상과 혼합하여 블레이드를 제작하였으며, 액상의 종류, 액상 건조공정의 영향을 고찰하였다. 평가는 마이크로미터 측정기와 현미경을 이용하여 두께를 측정하였다. 두께편차와 기공률, 밀도, 경도, 등의 특성을 비교, 평가하였다. 그 결과 습식성형에 의해 블레이드의 두께편차를 감소시킬 수 있었으며, 경도 등의 특성을 향상시킬 수 있었다.
반도체 쿼츠 웨이퍼 다이싱용 블레이드는 마이크로/나노 디바이스와 부품을 제조하기 위해 고정밀도의 가공성을 요구한다. 따라서 균일한 마이크로/나노 선폭의 가공을 위해서는 블레이드의 제작 단계에서 균일한 두께와 밀도를 유지하는 것이 중요하다. 기존의 실리콘웨이퍼 가공을 위해서는 금속의 블레이드가 사용되고 있지만 쿼츠 웨이퍼 가공을 위해서는 고분자 복합재가 사용된다. 이러한 복합재는 가공성, 전기전도성, 그리고 적절한 강도와 연성 및 마모저항성이 있어야 한다. 그러나 기존의 건식성형 공정으로는 균일성을 유지하기 위해 많은 공정과 비용이 소비되고 있다. 본 연구에서는 도전성 나노 세라믹스 분말, 연마재 세라믹스 분말에 열경화성 수지, 전도성 고분자를 혼합한 복합재 분말을 습식성형 공정에 의해 제조, 평가하는 연구를 수행하였다. 먼저 복합재 분말을 액상과 혼합하여 블레이드를 제작하였으며, 액상의 종류, 액상 건조공정의 영향을 고찰하였다. 평가는 마이크로미터 측정기와 현미경을 이용하여 두께를 측정하였다. 두께편차와 기공률, 밀도, 경도, 등의 특성을 비교, 평가하였다. 그 결과 습식성형에 의해 블레이드의 두께편차를 감소시킬 수 있었으며, 경도 등의 특성을 향상시킬 수 있었다.
Nanocomposite blade for dicing semiconductor wafer is investigated for micro/nano-device and micro/nano-fabrication. While metal blade has been used for dicing of silicon wafer, polymer composite blades are used for machining of quartz wafer in semiconductor and cellular phone industry in these days...
Nanocomposite blade for dicing semiconductor wafer is investigated for micro/nano-device and micro/nano-fabrication. While metal blade has been used for dicing of silicon wafer, polymer composite blades are used for machining of quartz wafer in semiconductor and cellular phone industry in these days. Organic-inorganic material selection is important to provide the blade with machinability, electrical conductivity, strength, ductility and wear resistance. Maintaining constant thickness with micro-dimension during shaping is one of the important technologies fer machining micro/nano fabrication. In this study the fabrication of blade by wet processing of mixing conducting nano ceramic powder, abrasive powder phenol resin and polyimide has been investigated using an experimental approach in which the thickness differential as the primary design criterion. The effect of drying conduction and post pressure are investigated. As a result wet processing techniques reveal that reliable results are achievable with improved dimension tolerance.
Nanocomposite blade for dicing semiconductor wafer is investigated for micro/nano-device and micro/nano-fabrication. While metal blade has been used for dicing of silicon wafer, polymer composite blades are used for machining of quartz wafer in semiconductor and cellular phone industry in these days. Organic-inorganic material selection is important to provide the blade with machinability, electrical conductivity, strength, ductility and wear resistance. Maintaining constant thickness with micro-dimension during shaping is one of the important technologies fer machining micro/nano fabrication. In this study the fabrication of blade by wet processing of mixing conducting nano ceramic powder, abrasive powder phenol resin and polyimide has been investigated using an experimental approach in which the thickness differential as the primary design criterion. The effect of drying conduction and post pressure are investigated. As a result wet processing techniques reveal that reliable results are achievable with improved dimension tolerance.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 기존의 라미네이션을 이용한 건식공정으로 제작된 쿼츠 웨이퍼 가공용 블레이드를 분석하여 혼합되는 원료와 배합비율을 파악하고, 테잎 캐스팅 공정을 추가한 습식 공정의 방법과 기존의 건식 공정을 결합하여 후 처리가공을 생략한 공정을 통하여 균일한 두께편차와 밀도, 원료의 분산, 경도를 우수하게 하여 제품의 가공 특성을 향상 시키고, 제작비용과 시간을 줄일 수 있는 최적의 공정 조건을 찾아내어 반도체 쿼츠 웨이퍼 다이싱용 블레이드를 개발하는것이 본 연구 목적이다.
이러한 이유 또한, 구간별 밀도와 기공률이 습식성형으로 인한 유동성 향상에 의해 변화하는데 기인한다.
제안 방법
Fig. 5와 같이 시험편으로 제작된 블레이드는 총 5종류로 Table 1에서와 같은 조건으로 수평제어 여부와 성형시 최대압력을 변화시킨 후 시험편을 8구간으로 나누어 각 구간의 중앙부의 두께편차를 측정하였다.
가열된 성형 틀을 라미네이션 장비에서 해체하고 냉각수로 급냉하여 블레이드를 최종 경화 및 냉각하여 성형 틀 내부의 블레이드의 형상을 유지하면서 유압 프레스 장비를 사용하여 냉각된성형 틀에서 블레이드를 제거하고 블레이드 주변의 버를 제거함으로 쿼츠 웨이퍼 절단용 블레이드를 제작하였다. 제작된 시험편을 Fig.
그리고 성형된 필름을 57mm, 내경 40mm의 블레이드 형상의 펀치로 가압한 후, 절단을 하여 형상을 유지시켰으며, 테잎 캐스팅 장비에서 필름을 제거하여 다시 상온에서 48시간 이상보관, 유지시켜 용매인 아세톤이 충분히 건조시킨 후 블레이드 형상의 시트를 마일러 필름에서 제거하여 균일한 두께를 갖는 시트를 제작하였다.
촬영하였다. 그리고 제작된 블레이드의 구간별 특성 평가를 위해 시험편을 동일한 크기로 8등분 하여 각 구간의 밀도와 겉보기 기공률을 평가하였다.
먼저 기존의 건식 공정으로 블레이드 시험편을 제작하기 위해 혼합재 분말을 가열가압하기 위한 라미네이션 장비(HMM-04A, Korea)를 사용하였고, 습식 공정으로 균일한 두께의 블레이드 시트를 제조하기 위해 테잎케스팅 장비(STC-14A, Korea)와 시트를 가열가압하기 위해 라미네이션 장비(HMM-04A, Korea)를 사용하여 블레이드 시험편을 제작하였다. 그리고, 경도를 측정하기 위해 마이크로 경도계(HM-U4, Japan)를 사용하였다.
이때 열경화성 레진은 탄화규소 또는 다이아몬드 세라믹스분말입자들 사이의 결합력을 증가시키는 역할도 하게 되며, 첨가량은 탄화규소 또는 다이아몬드 세라믹스 분말에 대하여 HOwt%를 첨가 혼합하였다. 그리고, 전도성 고분자 5~ 10M%를 첨가하고, 전기 전도성을 지니게 하기 위한 나노 크기의 전도성 화합물을 5.0~25.0wt%, 혼합분말간의 결합력을 증대시키기 위한 coupling agent 를 0.1~1.0wt% 첨가 혼합하여 폴리에틸렌 용기에 넣고 진동밀(vibration pot mill)에서 1시간 동안 건식 혼합하여 균일한 혼합이 이루어지도록 하였다. 다시 이 혼합물에 10~50wt%의 액상프레온 용매를 혼합하여 혼련기에 넣고 4시간 동안 고르게 혼합하여 액상 혼합물을 형성하고 100℃이상의 온도에서 24시간 동안건조시킨 후에 마노유발로 다시 분쇄하여 125㎛크기의 체를 통과한 분말을 얻어내는 단계를 거쳐서 혼합분말을 제조하였다.
0wt% 첨가 혼합하여 폴리에틸렌 용기에 넣고 진동밀(vibration pot mill)에서 1시간 동안 건식 혼합하여 균일한 혼합이 이루어지도록 하였다. 다시 이 혼합물에 10~50wt%의 액상프레온 용매를 혼합하여 혼련기에 넣고 4시간 동안 고르게 혼합하여 액상 혼합물을 형성하고 100℃이상의 온도에서 24시간 동안건조시킨 후에 마노유발로 다시 분쇄하여 125㎛크기의 체를 통과한 분말을 얻어내는 단계를 거쳐서 혼합분말을 제조하였다. 이때에 건조시 온도를 100P 이상으로 24시간 유지시키는 이유는본 블레이드의 원료인 열경화성 수지를 1차 경화온도 이상으로 가열하기 위해서이다.
다음은 세 가지 시험편을 대상으로 마이크로 경도계를 사용하여 경도의 측정을 통해 제작한 시험편의 특성을 평가할수 있었다.
따라서 블레이드의 두께편차를 줄여 나가기 위해, 공정에서 라미네이션 장비의 수평 조절 절차가 두께편차에 영향을 주는지에 대해 확인하고, 승온 온도와 최고 압력을 변화 시켜가며 시험편을 제작하여 마이크로미터 측정기로 두께편차를 측정하였고, 결과를 바탕으로 최적화된 공정 조건을 결정하였다.
또한, 테잎캐스팅을 사용한 습식공정이 아닌 기존의 라미네이션만을 사용한 건식가압공정으로 제작된 독일 제품과 제작한블레이드 시험편들의 비교를 위해 밀도와 겉보기 기공률을 측정하였고, 마이크로 경도계를 사용하여 각 시험편의 경도를 측정하였으며, 광학현미경을 사용하여 습식성형 공정으로 제작한 시편을 촬영하였다. 그리고 제작된 블레이드의 구간별 특성 평가를 위해 시험편을 동일한 크기로 8등분 하여 각 구간의 밀도와 겉보기 기공률을 평가하였다.
먼저 기존의 건식 공정으로 블레이드 시험편을 제작하기 위해 혼합재 분말을 가열가압하기 위한 라미네이션 장비(HMM-04A, Korea)를 사용하였고, 습식 공정으로 균일한 두께의 블레이드 시트를 제조하기 위해 테잎케스팅 장비(STC-14A, Korea)와 시트를 가열가압하기 위해 라미네이션 장비(HMM-04A, Korea)를 사용하여 블레이드 시험편을 제작하였다. 그리고, 경도를 측정하기 위해 마이크로 경도계(HM-U4, Japan)를 사용하였다.
먼저 블레이드의 주성분이 되는 탄화규소 또는 다이아몬드 세라믹스 분말 30~50wt%에 열경화성 수지를 첨가하였다. 이때 열경화성 레진은 탄화규소 또는 다이아몬드 세라믹스분말입자들 사이의 결합력을 증가시키는 역할도 하게 되며, 첨가량은 탄화규소 또는 다이아몬드 세라믹스 분말에 대하여 HOwt%를 첨가 혼합하였다.
본 연구에서는 반도체 쿼츠 웨이퍼 다이싱용 블레이드를 습식공정을 활용하여 시편을 제작하고 기계적 특성을 측정하여 기존의 블레이드와 비교, 평가하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
블레이드의 제작은 Fig. 2에서 보는 바와 같이, 분말의 훈합단계 후 두 가지 공정으로 나누어 시편을 제작하였다.
세 가지 시험편을 대상으로 밀도와 겉보기 기공률을 측정하여 제작한 시험편의 특성을 평가할 수 있었다.
습식 공정을 통하여 제작한 블레이드 시험편의 특성 평가를 위해 건식 공정만을 사용하여 제작된 제품 및 독일제품과 비교하였다. 세 가지 시험편을 대상으로 밀도와 겉보기 기공률을 측정하여 제작한 시험편의 특성을 평가할 수 있었다.
이때 온도는 10P씩, 압력은 약 30kgf/cn?씩 증가 시켰다. 승온, 가압이 된 블레이드를 냉각 및 이형시키기 위해 가열된 성형 틀을 냉각수로 급냉하여 블레이드를 최종 경화 및 냉각시키고, 유압 프레스 장비를 사용하여 냉각된 성형 틀에서 블레이드를 제거한 후 블레이드 주변에 생성된 버를 제거하여 Lot No. 1의 블레이드를 제작하였다.
다음으로 분말을 넣은 형틀을 라미네이션 장비에 장착하고, 온도를 100℃이상으로 가열한 후, 압력을 15O~18Okg0cm2까지 승압하면서 다시 온도를 150℃ 이상으로 승온하였다. 약 15분간 온도와 압력을 유지시킨 다음 세 번의 가스배출 작업을 통해 블레이드 시험편의 표면에 기포자국이 남지 않도록 하였다. 이렇게 가열, 가압된 형틀을 라미네이션 장비에서 해체하여 바로 냉각을 시킨후 형틀에서 블레이드 시험편을 이형시켰다.
위의 Lot No. 1과 L아 No. 2를 비교해본 결과로 블레이드를 제작할 때 가열과 가압을 하기위한 라미네이트 장비의 수평이 블레이드의 두께편차에 큰 영향을 미치는 것으로 판단되어 Lot No. 3 - Lot No. 5는 각 실험 전 라미네이트 장비의 수평을 조절한 후 실험을 실시하였다.
10분간 가열한 다음 TOkgf/cn?의 압력으로 10분간 가압한 후 감압하여 승온하는 규칙적인 단계를 처음과 동일하게 각각 10분의 시간을 주기로 온도 150℃, 압력 300kgf/cm2 까지 승온 및 가압을 실행하였다. 이때 온도는 10P씩, 압력은 약 30kgf/cn?씩 증가 시켰다.
130kgf7cn?의 압력으로 10분간 가압한 후 다시 감압을 하여 블레이드 내부에서 발생한 가스를 제거하는 방법으로 각각 10분씩의 공정을 주기로 하여 온도는 15(TC, 입력은 180kgi7cm2 까지 승온 및 가압을 반복하며 블레이드 표면에 기포자국이 발생하지 않도록 하여 블레이드를 열경화 시켰다.
분말 30~50wt%에 열경화성 수지를 첨가하였다. 이때 열경화성 레진은 탄화규소 또는 다이아몬드 세라믹스분말입자들 사이의 결합력을 증가시키는 역할도 하게 되며, 첨가량은 탄화규소 또는 다이아몬드 세라믹스 분말에 대하여 HOwt%를 첨가 혼합하였다. 그리고, 전도성 고분자 5~ 10M%를 첨가하고, 전기 전도성을 지니게 하기 위한 나노 크기의 전도성 화합물을 5.
이때에 건조시 온도를 100P 이상으로 24시간 유지시키는 이유는본 블레이드의 원료인 열경화성 수지를 1차 경화온도 이상으로 가열하기 위해서이다. 이렇게 제조된 분말을 사용하여 건식 공정과 습식 공정으로 나누어 실험을 실시하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 SiC 또는 다이아몬드 분말, 세라믹스 분말을 연마재로 사용하고, 고분자 수지로 열경화성수지, 전도성 고분자를 첨가하여 성형보조제, 나노크기의 전도성 화합물 및 coupling agent를 액상프레온 용매와 혼합하여 사용하였다. 먼저 기존의 건식 공정으로 블레이드 시험편을 제작하기 위해 혼합재 분말을 가열가압하기 위한 라미네이션 장비(HMM-04A, Korea)를 사용하였고, 습식 공정으로 균일한 두께의 블레이드 시트를 제조하기 위해 테잎케스팅 장비(STC-14A, Korea)와 시트를 가열가압하기 위해 라미네이션 장비(HMM-04A, Korea)를 사용하여 블레이드 시험편을 제작하였다.
성능/효과
. 습식공정으로 제작한 시편의 표면 거칠기가 가장 고른 분포를 보였으며, 겉보기 기공률 또한 가장 적게 측정되었다.
그 결과 Lot No. 3은 두께편차가 1.96㎛으로 실험전 수평조절을 해서 결과값이 크게 줄었음을 알 수 있었다.
1과 동일한 방법으로 블레이드를 제작하였다. 그 결과 두께와 밀도를 줄이기 위해 최고 압력을 증가 시켰을 때 보다 더 편차는 줄었음을 알 수 있었다.
세 가지 시편(독일제품eForeign goods, 건식공정-Domestic goods, 습식공정-This Study) 중에 습식공정으로 제작한 시험편의 밀도는 독일 제품이나 국내 개발 제품과 유사하였으며, 겉보기 기공률이 가장 적었다.
이에 따라, 각 구간의 밀도와 기공률이 거의 일치하여 블레이드가 전체적으로 혼합재의 분포가 균일함을 확인할 수 있었으며, 수치값에 차이가 나는 이유는 측정 시 발생하는 오차로 추정할 수 있다.
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