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문제 정의
- 이로 인해 랩핑 시 제거효율이 저하되거나 공작물 또는 숫돌 표면에 열손상이 발생하기도 한다. 본 연구에서 수행된 랩핑 공정별 실험에 대해서 숫돌과 공작물의 온도를 측정하고 제거효율과의 연관성을 검토하였다.
제안 방법
- 랩핑 숫돌의 직경은 250 mm, 시편은 2 인치 직경의 사파이어 웨이퍼를 사용하였다. ELID 랩핑 실험조건 선정을 위해 기초 실험을 수행하였다. Table 1 과 같이 랩핑 숫돌의 회전속도는 25 rpm, 공작물의 회전속도는 64 rpm 으로 하였으며, ELID 전압 및 전류는 각각 60 V, 30 A 로 하였다.
- ELID 랩핑 실험조건 선정을 위해 기초 실험을 수행하였다. Table 1 과 같이 랩핑 숫돌의 회전속도는 25 rpm, 공작물의 회전속도는 64 rpm 으로 하였으며, ELID 전압 및 전류는 각각 60 V, 30 A 로 하였다. 랩핑 하중을 결정하기 위해 Fig.
- 실험 장치는 LAPHIT HOY-150 에 ELID 전원공급 장치를 연결하여 EILD 랩핑 가공이 가능하게 하였다. 가공 후 높이 측정은 다이얼 게이지로 하였고, 표면조도(Surface roughness)는 3 차원 표면형상 측정기(NEWView5032, Zygo)를 사용하였다. Fig.
- 건식과 습식 랩핑 실험을 통해 건식 랩핑의 제거효율이 높음을 확인하였다. 그러나 건식 랩핑은 장시간 사용하기 어려운 단점이 있으므로 건식과 습식을 혼합한 인터벌 ELID 랩핑 공정을 제안하고 그 랩핑 성능을 확인하는 실험을 수행하였다. 인터벌 ELID 실험은 각각 IntE_1 : (건식 73 분 X 1 회) + (습식 17 분 X 1 회) = 90 분, IntE_2 : (건식 60 분 X 3회) + (습식 17 분 X 2 회) = 214 분, IntE_3 : (건식 60 분 X 6 회) + (습식 17 분 X 5 회) = 445 분, IntE_4 : (건식 60 분 X 9 회) + (습식 17 분 X 8 회) = 676 분으로 나누어 수행하였다.
- 랩핑 압력이 증가하면 사파이어 웨이퍼의 파손이 우려되며 낮은 경우에는 가공량이 발생하지 않으므로 랩핑 하중의 결정은 매우 중요하다. 기초 실험은 랩핑 압력의 변화에 따른 가공량 변화를 조사하는 방식으로 진행하였다.
- Table 1 과 같이 랩핑 숫돌의 회전속도는 25 rpm, 공작물의 회전속도는 64 rpm 으로 하였으며, ELID 전압 및 전류는 각각 60 V, 30 A 로 하였다. 랩핑 하중을 결정하기 위해 Fig. 2 와 같이 트루잉을 수행하고 드레싱을 통해 숫돌표면에 산화피막을 생성시킨 상태에서 건식으로 실험하고, 랩핑 하중에 따른 사파이어 웨이퍼 시편의 연마량을 측정하여 적합한 하중조건을 선정하고자 하였다. 랩핑 숫돌과 드레싱 전극 사이의 간격은 0.
- 한편, 습식 ELID 랩핑은 연속 드레싱을 통해 시간적 제약 없이 연속랩핑이 가능한 장점이 있으나 연마액의 공급으로 인한 마찰력의 감소로 제거 가공 속도가 낮아지는 단점이 있다. 본 기초실험에서는 건식과 습식 랩핑 실험을 수행하고 각 공정의 제거가공 성능을 평가하였다. 건식 및 습식 랩핑의 비교 실험을 통해 Table 3 의 랩핑 조건에 따라 실험한 결과 Fig.
- 본 연구를 통해 EILD 랩핑 기술을 0.5 mm 두께의 2 인치 사파이어 웨이퍼의 가공에 적용하여 제안한 랩핑 공정별로 제거가공 효율을 비교하고 가공표면을 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 사파이어 웨이퍼의 랩핑 가공을 위해 미세 고정지립을 이용한 랩핑 공정에서 눈메움 현상의 방지 대책으로 ELID 연삭가공 기술을 적용하였다. 사파이어 웨이퍼의 ELID 랩핑 실험을 통해 효율적인 ELID 랩핑 공정을 제안하고 사파이어 가공 표면의 랩핑 특성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 사파이어 웨이퍼의 랩핑 가공을 위해 미세 고정지립을 이용한 랩핑 공정에서 눈메움 현상의 방지 대책으로 ELID 연삭가공 기술을 적용하였다. 사파이어 웨이퍼의 ELID 랩핑 실험을 통해 효율적인 ELID 랩핑 공정을 제안하고 사파이어 가공 표면의 랩핑 특성을 분석하였다.
- Table 2 는 랩핑 하중 선정을 위한 실험 조건표이다. 선정된 랩핑 하중을 기준으로 Table 3 과 같이 건식(Dry), 습식(Wet), 인터벌 ELID(IntE)랩핑으로 나누어 각 조건에 따라 실험을 수행하고 제거 효율을 각각 비교하였다.
- 실험 장치는 LAPHIT HOY-150 에 ELID 전원공급 장치를 연결하여 EILD 랩핑 가공이 가능하게 하였다. 가공 후 높이 측정은 다이얼 게이지로 하였고, 표면조도(Surface roughness)는 3 차원 표면형상 측정기(NEWView5032, Zygo)를 사용하였다.
- 인터벌 ELID 랩핑실험은 Fig. 3 과 같이 트루잉과 드레싱을 수행한 후에 건식 랩핑 60 분, 습식 랩핑 17 분을 주기적으로 반복하여 가공 한 후 다이알 게이지로 시편의 두께를 측정하므로서 가공공정별 연마량을 평가하였다.
- 그러나 건식 랩핑은 장시간 사용하기 어려운 단점이 있으므로 건식과 습식을 혼합한 인터벌 ELID 랩핑 공정을 제안하고 그 랩핑 성능을 확인하는 실험을 수행하였다. 인터벌 ELID 실험은 각각 IntE_1 : (건식 73 분 X 1 회) + (습식 17 분 X 1 회) = 90 분, IntE_2 : (건식 60 분 X 3회) + (습식 17 분 X 2 회) = 214 분, IntE_3 : (건식 60 분 X 6 회) + (습식 17 분 X 5 회) = 445 분, IntE_4 : (건식 60 분 X 9 회) + (습식 17 분 X 8 회) = 676 분으로 나누어 수행하였다. Fig.
대상 데이터
- 1 은 실험에 사용된 EILD 랩핑 장치와 표면분석에 사용된 측정기의 사진이다. ELID 랩핑용 숫돌은 주철 결합제로 입도 1200 번의 다이아몬드 숫돌을 사용하였다.
- 랩핑 숫돌의 직경은 250 mm, 시편은 2 인치 직경의 사파이어 웨이퍼를 사용하였다. ELID 랩핑 실험조건 선정을 위해 기초 실험을 수행하였다.
- 사파이어는 LED, 디지털 카메라, 태양전지셀, B-LED, LD(Laser Diode), SOS(Silicon on Sapphire)등의 광학 재료로서 각광받고 있다. 사파이어 광학 소자는 표면의 가공 상태에 따라 빛의 투과율에 차이가 나타난다.
성능/효과
- 1) 숫돌을 이용한 랩핑 실험에서 랩핑하중은 12.5 kg 에서 시편의 파손위험이 적고 비교적 높은 제거가공 효율을 얻을 수 있었다.
- 2) 건식 랩핑과 습식 랩핑의 제거가공 효율을 비교한 결과, 건식 랩핑의 제거가공 효율이 습식에 비해 2 배 높게 나타났다.
- 3) 인터벌 ELID 랩핑에서 랩핑 시간에 따라 제거 가공량은 비례하여 증가하였으며, 제거 가공 효율이 가장 높게 나타난 것은 건식 60 분 3 회, 습식 17 분 2 회를 수행한 IntE_2 공정으로 0.042 um/min이었다.
- 4) 실험 전 숫돌과 공작물의 온도는 각각 15.1℃, 21.6℃였으며, 랩핑이 시작되면 숫돌과 공작물의 온도가 모두 상승하였다. 온도가 가장 높은 공정은 습식 랩핑 공정이었다.
- 5) 인터벌 ELID 랩핑으로 제작된 사파이어 웨이퍼 시편의 표면을 측정한 결과, RMS 35.4 nm, Ra 19.5 nm 의 표면조도를 얻을 수 있었다.
- 랩핑 시간에 따라 제거 가공량은 비례하여 증가하는 것을 실험 결과로부터 확인할 수 있었다. 90 분간 인터벌 ELID 랩핑을 수행한 경우(IntE_1) 최대 3 um, 평균 2.5 um 의 두께 변화가 나타났으며, 214 분의 경우(IntE_2)에는 최대 10 um, 평균 9 um, 445 분의 경우(IntE_3)에는 최대 15 um, 평균 14.3 um, 676 분(IntE_4)에서는 20 um 의 두께 변화가 나타났다.
- 가장 낮은 온도는 90 분간 수행된 인터벌 ELID 랩핑 공정이었다. 건식 및 습식 랩핑 공정에 비해 인터벌 ELID 랩핑 공정은 비교적 낮은 온도를 유지하고 있음을 확인 할 수 있었다.
- 건식과 습식 랩핑 실험을 통해 건식 랩핑의 제거효율이 높음을 확인하였다. 그러나 건식 랩핑은 장시간 사용하기 어려운 단점이 있으므로 건식과 습식을 혼합한 인터벌 ELID 랩핑 공정을 제안하고 그 랩핑 성능을 확인하는 실험을 수행하였다.
- 5 kg 이상의 랩핑 압력에서는 시편이 파손되었다. 따라서 랩핑 하중 선정을 위한 Fig. 4 의 실험 결과로부터 파손 위험이 낮으면서 제거 가공량이 높은 것은 12.5 kg 임을 확인할 수 있었다.
- 랩핑 시간에 따라 제거 가공량은 비례하여 증가하는 것을 실험 결과로부터 확인할 수 있었다. 90 분간 인터벌 ELID 랩핑을 수행한 경우(IntE_1) 최대 3 um, 평균 2.
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