KR20110038340A - 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지립의 분산성이 우수하고 슬러리 중의 연마 입자의 침강 속도를 느리게 할 수 있어 슬러리상의 지립의 입자 농도의 분포도가 양호하며, 물에서의 세정성이 용이하고, 와이어 쏘우에 대한 점착성이 좋은 수용성 절삭액 조성물을 제공한다.

수용성 절삭액, 와이어 쏘우, 연마제, 잉곳 절삭 공정

Description

와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물 {Aqueous sawing fluid composition for wire saw}

본 발명은 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지립(砥粒)의 분산성이 우수하고 슬러리 중의 연마 입자의 침강 속도를 느리게 할 수 있는 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 와이어 쏘우나 밴드 쏘우 등의 절삭공구를 사용하여 피가공물을 절단하는 경우, 절삭공구와 피가공물과의 사이의 윤활, 마찰열의 제거 및 절삭부스러기의 세정을 목적으로 하여 절삭액이 널리 사용되고 있다. 예를 들면 피가공물로서 실리콘 단결정의 잉곳을 슬라이스하여 웨이퍼를 제조하는 경우에는, 광물유나 고급탄화수소를 주성분으로 하는 분산매 내에, SiC 등으로 이루어지는 유리연마용 지립을 분산시킨 슬러리상의 비수성 절삭액이 널리 사용되고 있다. 이 비수성 절삭액에 SiC 등의 지립을 1:1의 중량비로 분산시킨 슬러리 형상이며, 이 슬러리가 절단 가공면에 연속적으로 공급된다. 절단된 웨이퍼의 세정에는, 트리클로로메탄이나 염화메틸렌 등의 염소계 유기 용제, 또는 고농도의 비이온계 계면활성제가 세정액으로서 사용되고 있다.

이와 같이 절삭공구와 피가공물과 연마용 입자와의 동적 접촉에 의해서 절단이 행하여지는 계에서는, 절삭액 중에 연마용 입자의 분산성을 높이는 것이 절삭성능을 항상 일정히 유지하는 데에 있어서 중요하다. 분산성을 높이기 위한 방법에는, 대별하여 분산제를 첨가하는 방법과, 증점제를 첨가하는 방법이 있다.

분산제의 첨가하는 방법은, 연마용 입자의 분산성을 높인다. 이로 인해, 분산성이 높여진 연마용 입자가 침강 속도는 확실히 느리지게 되지만 퇴적의 과정에서는 서로 친밀하게 접촉하여 반발력을 상회하는 하중으로 압축되고 하드케이크를 형성하여 버린다. 하드케이크화가 일단 진행되면, 원래와 같은 상태로 재분산시키는 것은 곤란하다. 따라서, 이러한 침전물을 생기게 한 절삭액을 장시간 교반하고 재이용하려 해도 결과적으로는 연마용 입자농도가 낮은 상태로 사용하는 셈이 되어, 절삭성능이 저하하여 버린다. 또한, 절삭액의 공급계통의 배관이 막히거나, 혹은 하드케이크을 분쇄하기 위한 공구의 마모가 빨라지는 등의 문제도 있다.

또한, 증점제를 첨가하는 방법은, 절삭액의 점도가 불변하다는 가정 하에서는 일정한 효과가 보증되지만, 실제로는 절삭액의 점도는 여러 가지 요인으로 변화한다. 우선 절삭액의 점도는, 절삭부스러기가 혼입하면 일반적으로 증대한다. 점도가 증대하면, 균질한 연마용 입자를 피가공물의 절단면에 항상 일정한 비율로 공급할 수 없게 되기 때문에, 일반적으로는 절삭부스러기의 혼입량이 절삭액의 3∼4중량%에 달하면 절삭액을 교환할 필요가 있다. 이것이, 절삭액의 폐기량을 늘리고, 나아가서는 그 소각에 따라 발생하는 이산화탄소의 양을 늘리게 된다. 또한, 수분이 혼입하더라도 비수성절삭액의 점도는 증대한다. 따라서, 수분혼입을 막기 위해 서 종래는, 예를 들면 와이어 쏘우의 장치 내에서의 웨이퍼나 잉곳부착베이스의 세정작업에 큰 제약이 있었다. 즉, 비수성절삭액을 사용하는 계에서는 세정액도 유기용매가 아니면 안되기 때문에, 절삭액 탱크와는 별도로 설치한 세정탱크에 세정액을 채워 세정을 할 필요가 있다. 이래서는 장치의 점유면적이 증대하고, 더욱이 유기용매의 사용량도 증가하여 작업환경이나 지구환경이 점점 더 악화하는 원인이 된다.

이 외에도 비수성 절삭액에는 해결해야 할 과제도 많다. 우선, 종래의 비수성 절삭액의 분산매로서 널리 사용되고 있는 유기용매는, 악취가 강하고, 또한 종류에 따라서, 특히 광물유의 경우에는 인화성을 갖는 등, 작업환경을 악화시키는 원인을 갖고 있다. 또한 소위 유성의 절삭액을 사용하여 절단된 피가공물은 이것을 용해 제거할 수 있는 유기용매를 사용하여 세정할 필요가 있다. 하지만 반도체 웨이퍼의 세정에 사용되고 있는 디클로로에탄은 오존층파괴물질로 지정되어 있기 때문에, 전폐를 위하여 금후는 사용량을 삭감해 나아야 한다. 또한, 상기 슬러리가 잉곳의 절삭에 사용된 뒤에 남게 되는 폐기물의 처리방식은 소각 처리하게 되는 것이 일반적인데, 이 소각 또한 대기 오염의 원인이 되고 있다. 그러나 대체물질의 경제성이나 세정력은 현재 상태로서는 아직 부족하다.

상술한 바와 같이, 비수성 절삭액에 있어서는 작업환경이나 지구환경에의 임팩트를 억제하고, 또한 절삭성능의 유지에 필요한 연마용 입자의 높은 분산성의 달성과, 재이용성이나 설비의 보수성의 개선에 필요한 하드케이크화의 방지를 양립시키는 것이 지극히 어렵다.

본 발명의 목적은 환경 문제를 최소화하고, 절삭액의 와이어 쏘우에 대한 점착성이 좋은 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 절삭시에 절삭물의 절삭 입자가 함유되어도 점도의 증점이 없어 절삭액의 소비량을 줄일 수 있는 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 와이어 쏘우로 슬라이싱 하는 것에 있어서 탁월한 능력을 발휘하는 연마제 지립이 안정하게 분산되어 있는 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 절삭 공정 후에 남아있는 연마제나 작업제품의 커팅 찌꺼기 등이 쉽게 제거될 수 있으며, 부식 방지 특성을 갖는 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명은 메틸 펜탄디올을 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물을 제공한다.

본 발명은 상기 수용성 절삭액 조성물과 연마제 지립을 포함하는 것을 특징으로 하는 가공용 수용성 슬러리를 제공한다.

본 발명의 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물은 환경 문제를 최소화하 고, 절삭액의 와이어 쏘우에 대한 점착성이 좋다. 본 발명의 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물은 절삭시에 절삭물의 절삭 입자가 함유되어도 점도의 증점이 없어 절삭액의 소비량을 줄일 수 있다. 본 발명의 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물은 와이어 쏘우로 슬라이싱 하는 것에 있어서 탁월한 능력을 발휘하는 연마제 지립이 안정하게 분산되수 있다. 본 발명의 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물은 절삭 공정 후에 남아있는 연마제나 작업제품의 커팅 찌꺼기 등이 쉽게 제거될 수 있으며, 부식 방지 특성을 갖는다. 본 발명의 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물은 실리콘 단결정이나 다결정, 그 밖에 화합물 반도체나 세라믹 등의 잉곳의 절단용에 사용되는 절삭액에 사용 할 수 있다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 와이어 쏘우용 수용성 절색액 조성물에 포함되는 메틸 펜탄디올은 표면장력을 저하시켜 점착성을 높이거나 조성물의 점도를 높이는 목적으로 사용되며, 연마제의 분산에도 우수한 특성을 나타낸다.

상기 메틸 펜탄디올은 조성물 총 중량에 대하여, 1 내지 50 중량％로 포함되는 것이 바람직하고, 2 내지 25 중량%로 포함되는 것이 보다 바람직하다. 상술한 범위로 포함되면, 실리콘 단결정이나 다결정, 그 밖에 화합물 반도체나 세라믹 등의 잉곳의 절단 공정에서 연마제 지립의 분산성이 우수하다. 또한 수용성 용제로 이루어져 있어 환경적인 문제가 발생하지 않고, 절삭 공정 후에 남아있는 연마제나 작업제품의 커팅 찌꺼기 등에 대한 세정성이 우수하다. 또한 상기 수용성 절삭액 조성물이 연마용 지립과 혼합되어 만들어진 가공용 수용성 슬러리를 사용하여 절삭물을 절삭할 경우 슬러리의 와이어 쏘우에 대한 점착성이 좋다. 절삭물의 절삭 부스러기가 포함되어도 상기 가공용 수용성 슬러리 점도의 증점이 적어 절삭액의 소비량을 줄일 수 있다.

상기 메틸 펜탄디올은 2-메틸-2,4-펜탄디올인 것이 바람직하다.

본 발명의 와이어 쏘우용 수용성 절색액 조성물은 글리콜류 화합물을 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 글리콜류 화합물은 수용성 용제로서 절삭액의 효과에 있어서 윤활제, 마찰 저감제, 부식 방지제로서의 역할을 하고, 연마제의 지립에 대해서 분산제 역할도 한다.

상기 글리콜류 화합물은 조성물 총 중량에 대하여, 50 내지 99 질량％로 포함되는 것이 바람직하고, 60 내지 95중량%로 포함되는 것이 보다 바람직하다. 상술한 범위로 포함되면, 실리콘 단결정이나 다결정, 그 밖에 화합물 반도체나 세라믹 등의 잉곳의 절단 공정에서 연마제 지립의 분산성이 우수하며, 또한 수용성 용제로 이루어져 있어 환경적인 문제가 발생하지 않고, 절삭 공정 후에 남아있는 연마제나 작업제품의 커팅 찌꺼기 등에 대한 세정성이 우수하다.

상기 글리콜류 화합물은 특별히 한정하지 않으나, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 테트라에틸렌글리콜, 부틸렌글리콜, 헥실렌글리콜, 글리세린, 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,6-헥산디올, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 폴리부틸렌글리콜 및 폴리헥실렌글리콜으로 이루어 진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것이 바람직하다. 이 중에서도 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜이 보다 바람직하다.

본 발명의 와이어 쏘우용 수용성 절색액 조성물은 물을 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 물은 본 발명의 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물의 비인화성 및 점도 안정성을 위하여 첨가된다. 상기 물은 공업 용수, 수도물, 탈이온수, 증류수 모두 사용할 수 있지만, 그 중에서도 불순물이 없는 증류수가 바람직하고, 탈이온수가 더욱 바람직하다.

상기 물은 조성물 총 중량에 대하여, 1 내지 40중량%로 포함되는 것이 바람직하고, 2 내지 25중량%로 포함되는 것이 보다 바람직하다. 상술한 범위를 만족하면, 인화성을 방지하고 점도를 억제할 수 있다.

본 발명의 와이어 쏘우용 수용성 절색액 조성물은 알칸올아민을 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 알칸올 아민은 부식 방지용 방청제의 역할을 한다.

상기 알카놀아민은 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 메틸에탄올아민, 디메틸에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 에틸에탄올아민, 디에틸에탄올아민, 에틸디에틴올아민으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것이 바람직하다. 이 중에서, 모노에탄올아민, 디에탄올아민이 보다 바람직하다.

본 발명은 상술한 와이어 쏘우용 수용성 절색액 조성물과 연마제 지립을 포함하는 가공용 수용성 슬러리를 제공한다.

상기 연마제 지립은 특별히 한정하지 않으나, 탄화규소, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 이산화규소, 이산화세슘, 다이아몬드로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종인 것이 바람직하다. 상기 연마제 지립의 평균 입경은 0.5∼50㎛인 것이 바람직다. 상기 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물과 지립은 1:0.5~1:1.2의 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다.

상기 가공용 수용성 슬러리는 절삭 가공, 연삭 가공, 연마 가공 또는 절단 가공을 수행할 수 있다. 상기 가공용 수용성 슬러리를 이용한 가공시, 피가공재는 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 석영, 수정, 화합물 반도체, 세라믹, 유리, 금속 산화물, 초경합금 및 소결 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 수용성 절삭액 조성물 및 이를 이용한 가공용 수성 슬러리의 효과가 특히 현저하게 발휘되는 절단 장치로서는 와이어 쏘우, 밴드 쏘우 및 이들을 다중화한 멀티 와이어 쏘우, 멀티 밴드 쏘우 등을 들 수 있다.

이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예1 내지 4 및 비교예1 내지 3: 수용성 절삭액 조성물의 제조

하기 표 1과 같은 조성과 함량으로 혼합하여 실시예1 내지 4 및 비교예1 내지 3의 절삭액 조성물을 제조하였다. 또한, 각각의 절삭액 조성물 1 kg에 대하여 연마제 지립(녹색 탄화규소 #1500) 1 kg을 혼합하여, 교반기로 600 rpm, 1 시간 교반함으로써 각각의 실시예와 비교예에 대한 가공용 수용성 슬러리를 얻었다.

	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	비교예1	비교예2	비교예3
MP	5	5	15	15
EG	60	15			100		80
DEG	10	80	80	50
TEG	25			25		80
DIW			5	10		20	15
벤토나이트							5
MEA	0.5	0.3	0.5	0.3

단위: 중량부

MP: 2-메틸-2,4-펜탄디올 EG: 에틸렌글리콜

DEG: 디에틸렌글리콜 TEG: 트리에틸렌글리콜

DIW: 탈이온수 MEA: 모노에탄올아민

시험예: 수용성 절삭액 조성물의 특성 평가

<분산성 평가>

실시예1 내지 4 및 비교예1 내지 3의 절삭액 조성물이 포함된 슬러리 100㎖을, 100㎖의 메스실린더에 넣고, 정치 후 2시간, 4시간, 8시간, 12시간, 24시간, 48시간 각각의 시점에서 하층의 지립의 용량의 측정과 침강 상태의 관찰을 행하였다. 하층의 용량이 큰 것은 상부 분리 수량이 적어, 지립의 분산성이 우수하다고 판단할 수 있다. 또한 정치 후 48시간이 지난 후에, 슬러리가 들어있는 메스실린더를 기울여, 이하와 같은 기준으로 지립의 침강에 따른 지립의 재 분산성에 대해서도 관찰하였다. 결과는 하기 표 2에 나타내었다.

A: 지립층 전체가 원활하게 유동함

B: 지립층 전체가 천천히 유동함

C: 지립층이 거의 유동하지 않음 (하드케이크화)

	지립의 분산성					재분산성
	4h	8h	12h	24h	48h
실시예1	96%	92%	86%	72%	66%	A
실시예2	95%	91%	87%	75%	68%	A
실시예3	96%	91%	86%	74%	65%	A
실시예4	96%	92%	87%	76%	68%	A
비교예1	92%	83%	73%	54%	52%	B
비교예2	91%	85%	77%	62%	53%	B
비교예3	95%	90%	86%	74%	64%	C

<점착성 평가>

실시예 1 내지 4 및 비교예1 내지 3의 절삭액 조성물이 포함된 슬러리 내에 직경 0.16㎜, 길이 100㎜의 와이어(피아노선)를 잠기게 한 후 즉시 꺼내어 수직으로 5분 동안 매달아 두어 과잉의 액체 방울을 제거시켰다. 그 후 각각의 슬러리가 와이어에 점착된 상태를 현미경으로 관찰하였다. 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

A: 연마제 그레인이 줄 표면의 90 - 100% 상에 균일하게 점착됨

B: 연마제 그레인이 줄 표면의 70 - 100% 상에 균일하게 점착됨

C: 연마제 그레인이 줄 표면의 70% 미만에만 점착됨

	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	비교예1	비교예2	비교예3
평가	A	A	A	A	C	B	B

<점도 평가>

실시예1 내지 4 및 비교예1 내지 3의 절삭액에 대한 슬러리의 점도를 측정하였다. 이어서 각 슬러리에 실리콘분(# 325)을 5 중량％, 10 중량％를 첨가하여 교반 혼합한 후, 슬러리 점도를 측정하였다. 또한 실리콘 분의 혼합 전 후의 점도 변화율 = (실리콘분 혼합 후의 점도)/(실리콘분 혼합 전의 점도)을 구하였다. 점도 변화율이 1에 가까울수록, 잉곳 등의 절단시에 있어서의 점도 변화가 적고, 안정된 가공성이 얻어진다는 것을 나타내고 있다. 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

	실리콘분 투입량에 따른 슬러리 점도 (㎫·s)			점도 변화율
	0중량%	5중량%	10중량%	5중량%	10중량%
실시예1	138	175	215	1.27	1.56
실시예2	140	180	220	1.29	1.57
실시예3	142	175	215	1.23	1.51
실시예4	138	175	215	1.27	1.56
비교예1	120	180	245	1.50	2.04
비교예2	140	190	260	1.36	1.86
비교예3	145	195	265	1.34	1.83

표 2 및 표 4로부터 알 수 있는 바와 같이 각 실시예의 수용성 절삭액 조성물을 사용한 경우 비교예의 절삭액에 비교하여 분산성이 우수하며 점도 안정성을 갖고 있음을 알 수 있다. 또한 표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이 각 실시예의 수용성 절삭액 조성물의 슬러리가 비교예의 절삭액에 비교하여 와이어에 대한 점착성이 우수한 것을 알 수 있다.

<부식성능 평가>

실시예1 내지 4 및 비교예1 내지 3의 절삭액으로 부식 성능을 확인하기 위해 동전위 분극시험을 실시하였다. 시험 장비는 Solartron사의 Potentiostat /Galvanostat model 263A를 사용하였으며 상대전극으로 흑연, 기준전극으로는 포화 칼로멜 전극(SCE, standard calomel electrode), 작업 전극으로는 스테인리스 소재 시편을 사용하여 시험을 실시하였다.

공기를 충분히 포화시킨 후 Tafel곡선(동전위 분극 곡선)을 측정하였으며, 전위 주사영역은 자연전위에서 1.5VSCE까지 0.166mV/s의 전위속도로 측정하였다. 이때 사용한 시편은 회주철(FC20)을 시편으로 제작(1.5㎝ x 1.5㎝) 하였다. 결과는 하기 표 5에 나타내었다.

	부식 전류(㎂/㎠)	부식도(㎛/yr)
DIW	2.56	29.66
실시예1	1.52E-02	0.18
실시예2	3.82E-02	0.42
실시예3	1.64E-02	0.20
실시예4	2.10E-02	0.22
비교예1	1.21E-01	1.85
비교예2	6.88E-01	7.98
비교예3	3.49E-01	4.30

표 5로부터 확인한 바와 같이 각 실시예의 수용성 절삭액 조성물을 사용한경우 비교예의 절삭액에 비해 우수한 부식 방지 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.

Claims (9)

1. 메틸 펜탄디올을 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물.
2. 청구항 1에 있어서,

   조성물 총 중량에 대하여,

   상기 메틸 펜탄디올이 1 내지 50 중량％로 포함되는 것을 특징으로 하는 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물.
3. 청구항 1에 있어서

   글리콜류 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물.
4. 청구항 3에 있어서,

   조성물 총 중량에 대하여,

   상기 글리콜류 화합물이 50 내지 99 질량％로 포함되는 것을 특징으로 하는 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물.
5. 청구항 3에 있어서,

   상기 글리콜류 화합물은 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 테트라에틸렌글리콜, 부틸렌글리콜, 헥실렌글리콜, 글리세린, 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,6-헥산디올, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 폴리부틸렌글리콜 및 폴리헥실렌글리콜으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물.
6. 청구항 1에 있어서,

   물을 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물.
7. 청구항 1 또는 청구항 3 또는 청구항 6에 있어서,

   알칸올아민류 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 쏘우용 수용성 절삭액 조성물.
8. 청구항 1에 기재된 수용성 절삭액 조성물과 연마제 지립을 포함하는 것을 특징으로 하는 가공용 수용성 슬러리.
9. 청구항 8 기재의 가공용 수용성 슬러리를 사용하여 절삭 가공, 연삭 가공, 연마 가공 또는 절단 가공을 행하는 것을 특징으로 하는 가공방법.