세라믹 초정밀 가공기술 동향

편집부
등록 2007-03-23 17:57:28
수정 2009-07-23 17:53:41

세라믹스의 경면연삭 가공 기술
곽태수 공학박사 국립진주산업대학교 기계공학과 교수

1. 서 론
세라믹 재료는 기계적, 전기적, 광학적 특성이 우수하여 내열성, 내환경성에 뛰어난 재료로서 반도체, 우주망원경, 레이저 광 및 X선 반사용 미러에 적용되는 등 다종 다양한 용도로 이용되고 있다. 광학소자로서 활용되는 구면, 비구면 및 자유곡면 등의 형상을 가진 세라믹스 렌즈 금형과 미러는 고정밀도 뿐만 아니라 초평활면이 요구된다. 비정형화된 형상을 정밀하게 제작하는 데는 평활성과 초정밀성, 고능률화를 동시에 만족할 수 있어야 한다. 광학소자로서 사용되는 재료는 고강도의 세라믹스와 같은 경취 재료가 많고 초정밀, 고능률 가공을 동시에 실현해야 한다.
특히, 광학 분야에서 사용되는 세라믹스의 가공은 나노급 표면 평활성 뿐만 아니라 서브 미크론의 형상치수 정밀도를 달성하는 초정밀 가공 기술이 요구되므로 이러한 엄격한 요구를 실현하기 위해서는 절대치수와 정밀도를 추구할 수 있는 초정밀가공 시스템과 이에 의한 나노 수준의 표면 가공 기술이 필요하다. 전해 인프로세스 드레싱(ELID) 연삭법은 반도체, 유리, 세라믹스, 초경합금, 소입강을 시작으로 각종 재료의 피가공 특성을 조사한 결과, 고능률 연삭 가공법으로서 그 응용성이 높고 표면 개질 효과를 동반하는 것으로 알려져 있다. 뿐만 아니라 연삭 공정에서 입도 #8000을 넘는 초미립 금속 결합 숫돌을 이용하여 나노 수준의 표면 평활성을 실현 함으로서 공작물의 정밀도 향상에 크게 기여하고 있다.
따라서 본고에서는 세라믹스의 경면 연삭에 있어서 피가공 특성을 살펴보고 광학계 부품의 가공에 있어서 ELID연삭법의 적용 사례 및 기상계측 기술에 의한 광학 부품의 제작 사례 등을 통해 세라믹스의 고효율 초정밀 연삭가공 기술을 살펴본다.
2. ELID경면 연삭가공 기술
ELID(Electrolytic In-Process Dressing) 연삭은 전해 연속 드레싱의 영문 약자로 CBN 또는 다이아몬드와 같은 초경질 입자를 갖는 숫돌을 연삭 가공 중에 전해 방식으로 드레싱(dressing)하는 기법이다. 일반적인 연삭 드레싱은 가공 전에 한번 행하고 가공 중에 드레싱이 필요할 때에는 공정을 정지하고 드레싱을 재작업하는 번거로움이 있다.
ELID연삭법에 의한 연속 드레싱은 연삭과 드레싱이 병행되므로 가공 중에 연삭 숫돌의 눈메움(Loading) 현상을 방지할 수 있는 장점이 있다. 이러한 ELID 연삭법은 금속 결합제 숫돌을 이용하여 연속적으로 전해 드레싱을 하면서 연삭하는 고효율, 고정밀도의 연삭법이다. 최근에는 ELID 연삭법의 고정밀도를 이용한 초소형 부품 가공에 대한 다양한 연구와 ELID 연삭법의 공정 최적화에 대한 연구 등이 진행되고 있다.
그림 1은 ELID연속 전해드레싱에 대한 개략적인 메커니즘을 나타낸 것이다. 그림 1 (a)는 트루잉(truing) 공정을 통한 연삭 숫돌의 표면을 균일하게 하는 작업을 나타낸 것이고, (b)는 드레싱시 금속성 본드재의 금속 이온이 빠져 나오면서 다이아몬드 입자가 숫돌의 외면에 원활하게 돌출되는 과정을 보여주고 있으며, (c)는 숫돌의 표면에 수산화물 또는 산화물 등의 부도체 피막이 형성되어 다이아몬드 입자를 적절한 힘으로 고정하게 되는 과정을 단계적으로 보여주고 있다.
이러한 산화물은 연삭시 숫돌 표면에서 쉽게 박리되어 숫돌의 눈메움 현상을 방지해 준다. 따라서 다이아몬드 입자가 피삭재를 쉽게 가공할 수 있게 해주므로 난삭재의 경우에도 가공성이 좋아지는 장점이 있다.
또한 산화물의 두께는 가공 조건에 따라 전류 및 전압의 변동으로 조절이 가능하며 연삭 중에도 산화 피막층의 마모와 재생을 통하여 일정한 두께를 유지할 수 있다.
일반 연삭에서는 공작물과 입자돌출이 없는 숫돌 결합제와의 접촉에 의하여 취성모드에서 가공이 진행되지만, ELID연삭법을 적용하면 미세입자의 돌출이 효과적으로 얻어질 수 있기 때문에 공작물의 제거는 연성모드로 진행되어 경면연삭이 가능하며 난삭재료의 고효율 가공이 가능하다.

3. 기상 계측 시스템
구면, 비구면 등의 형상 가공에 있어서 계측 및 평가 기술은 공작물의 가공 정도를 평가하고 보정하여 재가공함에 있어서 필수적이다. 특히 가공 중에 반복적으로 측정이 이루어지는 초정밀 가공은 공작물의 탈착에 따른 작업 손실과 공작물의 회전축 변화로 인한 미소 변위 오차의 발생으로 인해 설계 형상대로 완성 가공하는데 상당한 시간적 경제적 손실을 초래한다. 따라서 공작물을 가공기상에 탑재하여 가공 중에 형상 및 표면조도 등을 측정하고 평가하여 보정 가공 데이터로 피드백 시켜 주는 기술이 요구되고 있다.
초정밀 가공에 있어서 형상 측정법은 크게 촉침법과 간섭계법으로 구분된다. 촉침법은 프루브 또는 레이저광 등을 이용하여 광학 소자 표면을 주사하여 측정하는 방법으로 다양한 형상에 대응이 가능하나 상대적으로 측정 시간이 길고 측정 정밀도에도 한계가 있다. 간섭계 법은 피조식 간섭계로 대표되는 여러 가지 형태의 간섭계를 이용하여 면 측정이 가능한 방법으로 단시간에 광학 소자의 광범위한 형상을 측정할 수 있으므로 고능률 측정법으로 활용도가 높은 반면, 평면, 구면, 구면에 가까운 비구면 형상 등 측정 가능 형상이 제한되어 있으며 비교적 단순 형상의 측정에 유효하다.
기상 계측 시스템은 이러한 고정도 공작물의 가공을 위한 시스템 기술로서 연구 개발되어 실용화되고 있다. 그림 2는 저접촉압(최소50mgf)의 기상계측 프루브에 의한 구면형상을 측정하고 있는 모습이다.
이 방법은 촉침법으로서 대면적의 대상물을 측정하는데 유용하나 최대 경사각에 제한이 있고 측정하는데 다소의 시간이 요구되므로 간섭계법에 의한 레이저 간섭식 기상측정법의 적용도 검토되고 있다.
그림 3은 대형 비구면 가공기에 탑재되어 레이저 간섭 측정기로 대구경 천체망원경용 글라스 세라믹구면 미러를 측정하고 있는 사진이다. 이와 같이 간섭호 해석에 의한 측정법은 외란 요인을 제거해야 하므로 접촉식 및 비접촉식 측정법을 조합한 계측 평가 기술이 요구되고 있다.
그림 4는 SiC미러 구면의 가공면 조도를 기상에서 이동식 원자간력 현미경을 이용하여 계측하고 있는 모습이다. 나노급 표면조도를 측정하기 위해서는 가공기상에서 AFM을 이용함으로서 가능하다.

4. 세라믹스의 ELID경면연삭 적용 사례
가. 수치계산에 의한 SiC미러의 보정가공
대형우주망원경의 주경은 고강도와 함께 경량화가 요구되며 이를 위해 고강도 반응 소결(High-strength reaction sintered) SiC가 사용되고 있으며, 경량화를 위해 배면에 리브 구조로 설계되어 있다.
대형일수록 리브의 구조는 복잡해 지고 미러 면과 리브 부분은 박육이 된다. 연삭 저항이 낮은 ELID연삭에 있어서도 가공변형은 무시할 수 없으며 변형의 양상은 일정하지 않으므로 경험에 의한 보정은 매우 어렵다. 따라서 가공 변형을 수치계산에 의해 예측하고 가공 변형량을 보정함으로써 SiC미러를 연삭할 수 있는 최적 조건을 도출한 사례를 소개한다.
대면적 SiC경량 미러 가공을 위해 개발된 경면 연삭 시스템의 구성은 다음과 같다. 초정밀 가공시스템으로서 안정성이 우수한 2중 정압 슬라이드로 구성된 모든 축이 초정밀 유정압 구동기구 및 전폐형 스케일 피드백(Full-closed scale feedback)을 채용하고 위치제어 분해능은 10nm로 구성되어 있다. 또한, ELID경면 연삭을 위해서 그림 5와 같이 초정밀 경면가공 시스템을 사용한다.
대면적 가공을 위해서 공작물 척의 크기는 1200mm(X)×500mm(Y)이며, 적재 최대질량은 1200kg, 두께방향(Z)으로는 500mm의 스트로크가 있으므로 대형의 공작물 가공이 가능하도록 설계되어 있다.
연삭에 사용된 숫돌은 황가공용으로 #325, 정삭가공용으로 #1200, 경면연삭용으로 #4000(평균입경 약 4um)의 주철결합 다이아몬드 숫돌을 사용하고, 숫돌의 형상은 Φ350mmⅹW10mm 스트레이트형이다. 또한 ELID장치로서 무부하 전압 90V, 최대전류 20A용량의 장치를 사용하였다. 본 장치(그림 5)를 이용하여 지르코니아 세라믹스(1400mmⅹ30mmⅹ150mm)를 시험 가공하여 가공면의 진직도와 표면조도를 측정한 결과, 1400mm 길이에 대해 가공면의 기복을 약 0.3um이하로 억제할 수 있었으며, 표면조도는 #4000 숫돌을 이용하여 67nmRy, 7nmRa를 달성한 것으로 보고된 바 있다.
수치계산에 의한 SiC미러의 보정가공의 필요성은 그림 6 에서 표시한 것과 같이 경량화를 위해 미러 공작물을 최대한 얇은 구조로 설계하므로 통상의 가공에서는 리브의 내측에서 스프링백(가공변형)이 발생할 수 밖에 없으므로 높은 형상정밀도를 얻기 어렵다.
따라서, 수치계산에 의해 가공변형해석을 수행하고, 최적 숫돌의 궤적을 구하면 효율적으로 고정밀도의 가공을 실현할 수 있다. 리브 구조를 가진 Φ 80mm 소결 SiC미러(미러면 및 리브 두께 3mm)를 이용하여 수치계산에 의한 보정가공을 시험한 순서와 가공 결과를 소개한다. 보정 가공의 순서는 다음과 같다.
1) 계산에 필요한 하중데이터 수집 → 2) 미러가공 변형량의 수치계산(그림 7) → 3) 보정가공용 숫돌궤도의 생성 → 4) 보정가공(그림 8)
그림 7은 수치계산에 의해 구해진 숫돌궤도의 3차원 이미지이며, 리브의 배치와 변형 양상을 확인할 수 있다. 전해는 1 path마다 연삭 전에 60sec를 하였다. 보정가공을 하지 않는 통상의 평면연삭을 행한 결과, 형상정도 PV값은 약 700~
800nm정도의 가공변형이 발생하였다. 여기서 보정가공을 절입량(0.3미크론)으로 연삭회수를 3회로 한 결과 PV값은 200nm를 밑돌았으며 10회 이상의 보정가공으로 200~
250nm정도의 결과를 얻을 수 있었다. 또한 최적가공 조건에서 연삭된 경우에는 PV값이 67nm, rms는 10nm의 결과를 얻을 수 있었다.
본 사례는 박육 SiC미러의 경면가공에 있어서, ELID연삭법 및 수치계산에 의한 보정가공이 유효함을 보여주고 있다. 본 사례에서 행한 보정가공법은 미러 제작 이외에도 적용범위는 넓다.
현재는 수치계산에서 NC프로그램을 제작하고 가공까지 각각 독립적으로 이루어져 효율성 측면에서 개선이 필요하나, 이러한 일련의 프로세스를 통일한 시스템을 개발하면 보다 효율적인 보정가공이 가능할 것이다.

나. 천체 관측용 글라스 세라믹(Zerodure)의 미러 가공
대구경 천체 관측용 망원경의 재료로 높은 강도와 저열팽창률을 보이는 글라스 세라믹(Zerodure)이 사용되고 있으나 해당 재료는 가공성이 매우 낮은 재질로서 장시간이 소요된다. 따라서 ELID연삭법을 적용한 고효율 가공 실험을 수행하기 위해 직경 300mm의 시편을 설계 및 제작하여 가공한 사례를 소개한다.
가공을 위해 입도 #325, #1200, #2000 및 #4000의 주철본드 다이아몬드 숫돌을 사용하고 숫돌은 가공 전에 플라즈마 방전 트루인 법에 따라 숫돌 선단의 노우즈 반경을 10mm로 형성하였다. 입도별 연삭 가공 후 접촉식 기상계측 프루브로 형상 오차를 측정하고 이동식 원자간력 현미경(Mobile AFM)을 이용하여 공작물을 탈착하지 않고 표면 조도를 측정하였다.
이러한 측정 결과는 보정 가공 데이터로서 활용된다. 숫돌의 이동 방향이 숫돌의 회전 방향과 수직한 연삭과 수평한 연삭이 있으나 본 실험에서는 숫돌의 마모와 변형을 고려하여 수평 연삭을 채용하였다. 최적 가공 조건을 검토하기 위해서 연삭 조건을 변화시켜 가공을 수행하고 이동식 AFM을 이용하여 표면 조도를 기상에서 측정하였다. 그림 9는 #4000 숫돌로 연삭 후 가공 표면을 측정한 결과이다. 이러한 가공 조건의 최적화에 의해 국소 영역에서 평균 거칠기 Ra 5.58nm까지 얻어졌다.
다음은 가공 경로에 따른 형상 정밀도는 4종류의 연삭 숫돌을 이용하여 가공한 후 기상계측 프루브를 이용하여 미리 구면의 형상을 측정하였다.
그림 10과 그림 11은 #4000숫돌의 연삭 가공 후 형상 오차를 측정한 결과이다. 그림 10은 X축 방향으로 보정 가공 후의 측정 결과이며 그림 11은 Y축 방향으로 보정 가공을 수행하기 전과 후 각각의 결과이다. X축 방향의 형상 오차는 보정 가공 전과 최종 보정 가공 후에 약 1um의 오차가 발생하여 #4000 숫돌을 이용한 X축 방향의 가공에서는 보정 가공에 의한 형상 정밀도가 크게 향상되지는 않았다.
Y축 방향의 보정 가공에 있어서는 보정 가공 전이 약 16um이었으나 마지막 보정 가공을 한 후에는 약 6um으로 형상정밀도가 60%이상 개선되었다. 또한, 미러 전체면의 형상을 측정하기 위해서 기상 간섭 측정을 수행하였으며 그 결과는 그림 12와 같다. 기상프루브 측정 결과와 마찬가지로 Y축 방향의 형상정밀도가 낮은 것을 확인할 수 있으며 일부 간섭호의 불연속 영역이 존재하고 있음을 확인할 수 있다. 가공면의 평균거칠기는 약 12nmRa였다. 직경 300mm의 글라스 세라믹의 대구경 구면 미러의 초정밀 ELID연삭 실험을 수행한 결과, 형상정밀도는 개선이 요구되는 수준이나 기상 프루브타입 형상측정기, 이동형 원자간력 현미경, 기상간섭 측정 등 각종 기상계측 시스템의 유효성을 확인할 수 있었으며 이를 이용한 보정 가공을 통해 형상정밀도가 향상되었다.

다. 질화알루미나(AlN) 기판의 경면연삭
질화알루미나(AlN) 기판은 고열전도율(?170, ?200, ?230W/mK)과 우수한 전기절연 및 유전특성을 가지고 있으며 미세패턴 형성이 가능하므로 레이저 다이오드의 방열부재(히트싱크)와 광통신용 레이저 발광 모듈의 방열부재, DVD-RAM, CD-R 등의 광픽업의 방열부재로서 활용되고 있다. 본 절에서는 질화알루미나 기판의 경면 연삭 가공에 있어서 연삭 가공의 메커니즘을 분석하고 피가공 특성을 살펴본다.
연삭 가공시 공작물은 취성모드 또는 연성모드에 의해 제거된다. 취성모드는 회전하는 숫돌의 지립에 의해 공작물의 최소입자가 제거될 때 취성파괴로 인하여 제거되는 것을 의미하고 연성모드는 연성파괴로 인하여 제거되는 것을 의미한다. 취성파괴는 주로 공작물 재료의 구성입자가 가장 취약한 곳을 중심으로 떨어져 나가는 양상을 보이는 형태로 그 표면은 매우 날카롭고 불균일한 표면상태가 된다.
이에 비해 연성파괴는 비교적 적은 양을 공작물로부터 제거함으로서 미세하게 표면을 긁어내는 형태로 공작물을 원하는 만큼 제거하기 때문에 그 표면상태는 매끄럽고 비교적 균일하다. 취성모드는 숫돌 지립의 크기가 클때 나타나고 숫돌의 지립이 점차 작아질수록 연성모드로 변화한다. 취성모드에서 연성모드로 천이하는 과정은 연삭숫돌의 입도와 비례하여 변화하며 경계영역은 재료마다 달리 나타나고 있다. 그림 13은 재료에 따라 취성모드에서 연성모드로 변화하는 모습을 보여주고 있다.
숫돌의 입도에 따른 질화알루미나의 가공 모드를 살펴보면 그림 14와 같다.
입도 #325과 #600에 의한 연삭 가공에서는 연성모드는 거의 보이지 않고 취성모드에 의해 입자간 떨어져 나간 상태를 분명히 확인할 수 있으며 입도 #1200에 의한 가공에 있어서는 연성모드가 부분적으로 시작되고 있음을 알 수 있다. 입도 #2000에 의한 연삭 가공면은 취성모드가 보이지 않고 대부분 연성모드에 의한 가공이 진행되고 있는 것을 확인할 수 있으며 가공표면에 약간의 연삭가공흔이 발견된다. ELID연삭 가공에 의한 질화알루미나의 가공은 #2000이상의 입도를 사용할 때 경면 연삭이 가능함을 알 수 있다. 그림 15는 ELID연삭 가공에 의한 질화알루미나의 경면 연삭 가공 사진으로서 표면에 글자가 뚜렷하게 반사되는 것을 볼 수 있다.

4. 결론
본 고에서는 ELID연삭법 및 기상계측 기술을 이용한 반도체 및 광학용 세라믹스의 초정밀 가공 기술에 대하여 살펴보았다. 대표적인 난삭재로서 세라믹스의 가공에 있어서 종래에는 유리지립에 의한 경면가공에 크게 의존하였으나 최근 고능률, 고정밀 가공 기술이 요구됨에 따라 고정지립에 의한 ELID연삭가공 기술이 주목 받고 있다.
본 고에서 소개한 ELID연삭 가공의 메커니즘과 가공사례는 각종 난삭재료에 ELID연삭가공 기술의 적용이 가능함을 확인해 주고 있으며 향후 개발되는 첨단 신소재의 고효율, 고정밀 가공에 활발한 적용이 기대되고 있다.

그림 1. ELID연삭가공시 절연층 형성 메커니즘
그림 2. 접촉식 프루브 타입의 기상계측 시스템
그림 3. 간섭계를 이용한 대구경 구면 측정용 기상계측 시스템
그림 4. 이동식 AFM에 의한 표면조도 측정 시스템

그림 5. 대구경 경면 연삭 시스템
그림 6. 탄성회복 해석에 의한 보정가공 기술
그림 7. 시뮬레이션에 의해 계산된 경량 미러의 보정 궤적
Before: 0.741um PV After: 0.067um PV
0.340um rms 0.010um rms
그림 8. 보정가공 전후의 표면 측정 결과
그림 9. 이동식 AFM에 의한 표면측정 결과
그림 10. 보정가공후의 X방향 형상오차 측정 결과
(a) 보정가공 전
(b) 보정가공 후
그림 11. 보정가공전후 Y방향 형상오차 측정 결과
그림 12. 간섭식 기상계측 시스템에 의해 측정된 구면형상 측정결과
그림 13. 숫돌의 입도와 재료에 따른 연삭모드의 변화
그림 14. 입도변화에 따른 질화알루미나의 연삭모드
그림 15. 질화알루미나의 ELID경면가공 결과
필자약력
부산대 기계설계공학과 학사
부산대 재료 및 가공 박사
삼성자동차 연구원
일본 RIKEN Research Scientist
요업기술원 선임연구원
국립진주산업대 기계공학과 교수

Special 세라믹 초정밀 가공기술 동향

레이저를 이용한 세라믹의 가공동향

이제훈 공학박사 한국기계연구원 정보장비연구센터 책임연구원
신동식 공학박사 한국기계연구원 정보장비연구센터 선임연구원

1. 서론
세라믹은 물성이 고강도(high strength), 고내마모성(high wear resistance), 고열전도율( High Thermal Conductivity) 등의 우수한 특성을 갖고 있으므로 정밀 내마모성 기계부품의 핵심요소와 차세대 자동차 엔진 등의 주재료로 이용하기 위한 시도가 일찍부터 시도되어 상품화가 이미 진행되고 있다 (세계 파인세라믹스 수요전망 : 2005년 1300억불, 2015년 4500억불로 추정 1)).
그러나 이러한 세라믹 재료가 정물부품에 제한적으로 사용되고 있는 요인은 형상가공시 치수에 대한 정밀도를 맞추기 어려워 추가적인 가공 공정을 필요로 하기 때문이다. 세라믹 재료는 본질적으로 높은 경도(hardness)와 취성(brittle nature)을 가졌기 때문에 연마와 다이아몬드 가공이 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 이러한 가공 방법은 매우 낮은 재료제거율(material removal rate)을 가져 가공비가 최종 제품의 총 비용에서 차지하는 비율이 60~90%에 이르는 단점을 가진다.
한편, 최근에는 고출력 레이저 기술 및 응용 기술이 발달되어 선반 작업과 같은 전통적인 가공방식으로는 불가능했던 고강도 무기재료의 2차 가공이 가능해져 이에 대한 연구가 활발해 지고 있다.
특히 국내 자동차, 항공기 부품가공, 반도체 분야에서 레이저 빔을 이용한 가공이 산업전반에 걸쳐 급속히 확대되어가는 실정이며 레이저 빔이 가지고 있는 우수한 재료가공특성은 품질 및 신뢰성 그리고 생산성을 향상시키고 있다.
본 논문에서는 레이저를 이용한 세라믹의 가공에 대한 소개 그리고 한국기계연구원의 기술개발 현황 및 향후 나아갈 방향에 대해서 살펴보고자 한다.
2. 레이저 가공의 종류
레이저를 이용한 재료의 가공은 출력과 이송 등에 있어 제어성이 우수하고 비접촉 국부가공이 가능하며, 다품종 소량생산 시스템에 적합하여 산업현장에서 널리 이용되고 있다.
또한 레이저는 고밀도의 에너지를 미세한 부분으로 주사하므로, 입열량이 적어 재료의 변형이 거의 없고 가공 속도가 빨라 용접 및 절단공정에 응용이 매우 용이하다.
이와 같은 레이저 가공기술은 금속소재에 한정되었던 소재의 한계를 세라믹스 및 복합재료를 포함한 거의 모든 소재로 가공 영역을 확장시켰고, 초정밀, 극소형, 다양한 형태의 가공이 가능한 기술 혁신으로 인식되고 있어서 이를 이용한 기술 및 설계 기술 확보에 전력하고 있다.
가공용 레이저로서 CO2 레이저와 Nd:YAG 레이저가 가장 많이 이용되고 있으며, 루비 레이저, Nd:Glass 레이저, 알랙산드라이트(Alexandrite) 레이저, 엑시머 레이저 등도 일부 사용되고 있다.
레이저를 이용하여 세라믹을 가공할 경우 열영향을 최소화 할 수 있는 제거가공이 적합한 분야라고 할 수 있는데 접합가공과 같이 열영향이 많이 발생하는 공정의 경우 용융부에 기공이나 크랙이 발생하기 쉽기 때문이다2). 제거가공은 레이저 광의 에너지 밀도를 높게 하여 재료에 조사하고, 그 부분을 용융시켜 절단가스로 불어내어 재료를 증발, 비산시키는 공정이다.
제거가공의 종류로는 재료의 끝단부에서 내부로 향하도록 하는 것이 절단가공, 재료의 앞면에서 뒷면으로 관통하거나 도중에서 중지하는 것이 구멍가공이다.
또한 최근에는 레이저 예열절삭기법이 연구되고 있어 기존의 절삭가공기계에서도 레이저를 접목하여 세라믹을 가공하려는 시도가 되고 있다. 이외에도 레이저를 이용한 세라믹의 미세가공으로서 마킹, 트리밍 및 스크라이빙 기법으로 적용분야를 확대시켜가고 있다.

3. 세라믹의 절단가공
절단가공이란 레이저 발진기에서 방출되는 레이저 빔을 렌즈나 거울을 사용하여 재료의 표면에 집광하고 적절한 가스를 분사시켜 재료 또는 레이저 빔을 이동하면서 판재를 용융, 증발시켜 분리하는 가공법이다.
세라믹을 절단하는데 레이저를 적용한 경우, 금속재료와 비교하여 빔 흡수율이 지극히 높은 점에서는 유리하지만(예를 들면, CO2레이저에 대하여서는 Si3N4의 경우는 35%, SiC의 경우는 50%, Al2O3의 경우는 95%정도 이상) 열충격으로 균열이 발생하기 쉽다는 큰 문제가 있다. 상기 문제를 해소하기 위해서는 열영향이 적은 펄스레이저를 사용하는 것이 유리하다3).
한편 최근 독일의 JENOPTIK사에서는 열영향을 최소화하기 위한 방법으로서 레이저빔을 이용하여 재료의 표면을 예열한 후 냉각가스를 주입하여 재료에 인장응력을 발생시키는 절단법을 개발하였다.
인장응력은 표면에 미소 크랙을 유발하게 되며 힘을 가하게 되면 미소크랙이 성장하여 절단이 되는 원리를 가지고 있는데 기존의 방법에 비하여 가공부의 열영향을 최소화 시킬 수 있으며 가공후 발생하는 가스가 없어 크린룸에서도 작업이 가능한 장점을 보유하고 있다. 그림 1(a)는 기존의 레이저 절단법으로서 가공한 예이며 반면 그림 1(b)는 독일 JENOPTIK사에서 개발한 VOTAN™G 가공기를 이용하여 가공한 세라믹(알루미나)의 예이다4).
이와 같은 세라믹의 미소절단 가공은 전자부품용 세라믹으로의 적용이 유력시되고 있는 방법으로서 각종 회로기판 및 패키지(package)에 사용되는 대표적인 기판인 고온소성기판(HTFC: High Temperature Co-fired Ceramic)과 저온소성 기판(LTCC: Low Temperature Co-fired Ceramic)의 절단에 용이하게 적용될 수 있다(그림 2 참조).

4. 세라믹의 천공
레이저 빔에 의한 재료의 천공은 비접촉 방법으로 수 미크론 크기의 작은 직경도 적용이 가능하고 또한, 매우 단단한 재료는 물론 매우 연하여 기계적인 방법으로 가공하기 힘든 재료의 천공도 용이하다. 그리고 가공시간이 짧아 생산성이 크며, 증발에 의한 재료의 제거기구에 의함으로 칩의 발생이 없어 장착시킨 광학기구 혹은 CCD 모니터로 천공과정을 관찰할 수 있다. 따라서 항공기 엔진의 터빈 블레이드 냉각홀, 자동차의 연료주입 노즐 구멍, 인발가공용 다이아몬드 다이의 구멍, 의료기기와 광학기기의 정밀홀의 천공 등 광범위하게 이용되고 있다5). (그림 3 참조).
천공된 구멍의 깊이는 펄스 빔의 수에 따라 증가되고 천공된 구멍의 내벽에서 증발 및 용융된 세라믹이 냉각되어 벽면에 붙어 있을 수 있으니 구경의 직경이 작고 깊이가 큰 구멍을 천공하는 경우에는 특별한 주의를 요한다. 따라서 구멍의 상하부를 통하여 매우 정밀하고 일정한 직경의 구경이 요구되는 경우에는 짧은 펄스빔을 이용해야 한다. 따라서 최근에는 열적인 작용에 의한 재료의 용융을 피하기 위하여 파장이 짧고 출력이 높은 엑시머 레이저나 펄스폭이 짧은 극초단 펄스 레이저가 사용되기도 한다.
상기 설명한 세라믹의 절단 및 천공기술은 전자세라믹스 분야에 광범위하게 적용이 가능할 것으로 보고 있다.
전자세라믹은 가전, 컴퓨터, 통신기기, 전자의료기기, dis
play 산업 등의 발전과 함께 전자, 정보산업의 핵심부품으로서 90년대 초반까지만 해도 기술부족, 반제품 생산, 원료의 안정적 공급 및 관련수요 산업의 취약 등 제반 여건이 성숙되지 않아 산업화 추진이 부진한 실정이었다.
그러나 최근 전자세라믹이 새로운 기능을 갖는 소재로 인식되면서부터 급격하게 수요가 창출되었다.
특히 전자정보 통신산업 등이 국제경쟁력을 확보하기 위해서는 핵심 소재의 자립 없이는 불가능하다는 인식이 확산되어 국내 대기업 및 중소 전자부품 제조업체들이 이에 대한 투자를 본격화하고 있다.

5. 세라믹의 예열절삭
세라믹은 고강도, 고내마모성 등의 우수한 특성이 있지만 연성이 거의 없어서 일반적인 선반 가공으로는 가공이 불가능하였다.
그러나 최근 미국의 Purdue 대학 및 IPT에서는 CO2레이저 및 HPDL(High Power Diode Laser)를 이용한 예열절삭(LAM(Laser Assisted Machining) 기법으로서 고품질의 세라믹 부품을 저렴하면서 정밀하게 생산할 수 있는 방법을 제안하였다(그림 4 참조).
가공 메커니즘으로서는 레이저 열원을 사용하여 세라믹을 국부적으로 예열하게 되면 고강도 세라믹은 연성을 가지게 된다. 이때 공구를 이용하여 절삭하면 금속가공과 유사한 절삭가공이 가능해진다.
본 가공법은 금속 절삭과 견줄만한 공구 수명을 가지면서도 열이나 기계적인 균열(crack)이 없는 세라믹 절삭가공이 가능한 것을 보여주고 있으며 이러한 예열절삭가공이이 금속의 절삭가공에서의 절삭속도 수준으로 실현된다면 기존의 연마에 비해 60~80%의 비용 절감이 가능할 것으로 예상하고 있다 6).
상기 장점으로 인하여 국내에서도 레이저를 이용한 세라믹 절삭에 대한 시도가 이루어지고 있으며 현재 한국기계연구원에서의 연구결과가 대표적이다8-11).
본 연구원에서는 세라믹 예열절삭 및 강재의 열처리 작업을 수행할 수 있는 레이저 복합가공기의 개발을 통하여 레이저 복합가공기용 빔 이송 장치, 레이저 가공 핵심 모듈 등의 시스템기술과 세라믹 예열절삭 및 레이저 열처리 등의 이종 복합 공정 기술을 개발하고 있다.
그림 5는 한국기계연구원에서 연구 개발 중인 가공물 온도 측정 및 표면 온도의 제어를 위한 시스템을 보여주고 있다. 세라믹 가공 시 표면온도는 최고 2000℃ 가까이 도달하므로 고온계(pyrometer: KGAF 730)를 이용하여 온도를 측정하며 시뮬레이션 결과와의 비교를 통하여 공정메커니즘을 분석하고 공정변수에 대한 최적화 연구를 수행하고 있다.
이와 같은 세라믹재의 예열절삭 가공공정은 구조용 세라믹스로의 적용분야가 유력할 것으로 판단되며 대표적인 예로서 세라믹 브레이크 디스크 및 엔진 부품을 들수 있다(그림 6 참조)12).

6. 결론
세라믹은 내마모성, 내부식성 등의 특성을 나타냄과 동시에 가벼우며, 특히 고온 응용에서의 안정성은 여타 재료에 비해 매우 우수한 편이다.
이러한 장점들로 인해 현재 재료공학 분야에서도 항공, 수송, 발전, 그리고 군사 분야에서 적합한 재료로 인정받고 있다. 그러나 세라믹재는 연성이 거의 없어서 연삭 외의 일반적인 기계 가공으로는 가공이 거의 불가능한 단점을 보유하고 있다.
본 논문에서는 상기 단점을 보완할 수 있는 해결책으로 레이저 가공법을 제시하였고 전자부품용 세라믹과 구조용 세라믹의 절단, 천공, 예열절삭에 적용이 가능하다는 것을 제시하고 있다. 특히 세라믹의 예열절삭공정은 높은 재료 제거율(Material Revoval Rates)로 인하여 제조단가를 낮추고 양산성이 향상되는 장점이 있어 유망한 적용분야로 분류할 수 있다.
이와 같이 레이저 빔 조사에 의한 세라믹의 가공기술은 레이저 가공 기술과 기계 가공 기술이 결합된 난삭재의 새로운 가공기술로서 자리 잡을 것이며 레이저 복합 가공기의 수요를 획기적으로 창출할 것으로 확신한다. 시장확대를 위해서는 다양한 소재에 대한 레이저 가공기술의 응용기술을 확보하고 불량요인을 제거하여 신뢰성을 확보하기 위한 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것이다.

참고문헌
[1] ‘파인세라믹스 21세기 비젼’, 일본 통상성, 1998.
[2] ‘첨단레이저 응용기술’, 한국과하기술정보연구원, 2004.
[3] 박성두, ‘레이저가공’, 대광서림, p128-130, 1995.
[4] www.automation-jenoptik.de
[5] 김도훈, 김도훈, ‘레이저가공학’, 경문사, 376-393, 2005.
[6] http://meweb.ecn.purdue.edu/~lampl
[7] 김선원, 이제훈, 서정, 조해용, 김관우, ‘CO2 레이저 빔에 의한 Si3N4 세라믹의 반응연구’, 한국레이저가공학회 2006년도 춘계학술발표대회 논문집, 2006.
[8] 김선원, 이제훈, 서정, 조해용, 신동식, ‘질화규소 세라믹스의 레이저 보조가공’, 한국레이저가공학회 2006년도 추계학술발표대회 논문집, 2006.
[9] 이제훈, 서정, 신동식, ‘공작기계의 레이저 가공을 위한 장치’, 특허등록 : 0597906, 2006.
[10] 이제훈, 서정, 신동식, ‘레이저 빔을 이용하여 공작물을 가공하기 위한 장치’, 특허출원 : 10-2005-0088576, 2006.
[11] 이제훈, 서정, 신동식, ‘레이저빔을 이용한 공작물 가공장치 및 가공방법’, 특허등록 : 0597907, 2006.
[12] ‘자동차엔진용 세라믹스’, 한국기술거래소, 2005.

(a) (b)
그림 1. 레이저를 이용하여 절단가공된 알루미나 :
(a)기존의 CO2레이저, (b)VOTANTMG 공정 (source: JENOPTIK)

(a) (b)
그림 2. CO2레이저를 이용하여 가공된
(a)LTCC 보드 및 (b)DCB(Direct Copper Bonded)세라믹

그림 3. 레이저 천공된 (a)알루미나, (b)질화규소

그림 4. 레이저를 이용한 예열절삭 공정 :
(a)CO2 레이저-Purdue Univ., (b)HPDL-IPT
그림 5. 이종복합공정 연구를 위한 (a)온도제어 시스템, (b)실험장면, (c) 온도 시뮬레이션 결과

그림 6. 세라믹스화가 검토되고 있는 자동차 엔진부품

필자약력(이제훈)
한국기계연구원 지능형정밀기계연구부
정보장비연구센터 책임연구원

필자약력(신동식)
한국기계연구원 지능형정밀기계연구부
정보장비연구센터 선임연구원

Special 세라믹 초정밀 가공기술 동향

세라믹 정밀연마 가공기술 동향

김대성 공학박사 요업기술원 나노소재응용본부 복합재료팀 선임연구원
이승호 공학박사 요업기술원 나노소재응용본부 복합재료팀 수석연구원

1. 서론
최근 IT 및 NT화가 급속히 진전되면서, 전기, 전자, 정보, 정밀기계, 광학 등에 사용되는 기기 및 구성 요소부품의 가공정밀도가 고도화되어 나노미터대의 정밀도가 요구되어 가고 있다 [그림 1 참조]. 이 정밀가공법은 전통적인 방법으로 절삭, 연삭, 연마가공에 의하여 2005년 이후부터 하향산업에 들어선 CRT(Cathode Ray Tube) 브라운관 유리 등의 일반적인 연마기술로부터 최근의 나노미터대의 초정밀가공이 요구되는 광학유리, 렌즈, Laser optics, LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma display Panel), 유기 EL 등의 기판유리를 위해 표면의 조도 및 굴곡도 등이 우수한 정밀연마 가공기술로 발전하고 있다. 특히 LCD 및 PDP의 경우 7~8세대로 기판유리가 커지면서 정밀연마 가공기술의 중요성이 부각되고 있다. 유리연마재는 세리아계 소재를 외국제품(Ferro, 일본)을 수입하여 사용하거나 일부 국산제품을 활용하고 있다. 반도체의 경우 반도체 칩의 다층화(8층) 및 선폭의 감소로 Cu Damascene 및 STI(Shallow Trench Isolation), ILD(Interlayer Dielectric Layer)및 멤스(MEMS, 초소형 전자기계시스템) 등의 신 공정에 화학적 기계적 연마공정이 적용되고 있다. 나노급 반도체 개발이 본격화되면서 평탄화 공정에 없어서는 안되는 제품으로는 연마재, 패드, 연마장비 등의 기술개발이 요구되며, 연마장비, 평가장비, 연마슬러리(SiO2, CeO2 등) 및 패드는 수입에 의존하고 있는 실정이다. 그 외에 정밀기계 및 측정기계에 적용되는 반도체지그, 전자부품과 구조용 세라믹 정밀연마기술이 있다. 이러한 제품은 주로 알루미나, SiC, Si3N4 등 고경도재료로서 다이아몬드 연마슬러리를 사용하고 있다. 향후 반도체, 디스플레이 등의 분야는 국가산업 경쟁력 향상을 위하여 국가적 차원에서 15대 전략산업 기술개발을 통한 상업화 대응을 추진하고 있어 연마공정의 중요성이 증대되고 있다.

2. 세라믹 정밀연마 가공기술
연마기는 그림 2에서 보는 바와 같이 유리 또는 반도체 웨이퍼용 연마장치를 이용하여 CRT 일반유리, 정밀유리(LCD, PDP 디스플레이), 반도체 웨이퍼, 구조용 세라믹(Si3N4, Al2O3, ZrO2) 연마를 진행한다. 연마기 구성은 일정속도로 회전하는 하정반, 하정반 놓인 유리 또는 웨이퍼에 일정한 연마압력을 유지하도록 하는 역할을 하는 상정반, 상정반을 일정각도로 요동시키는 요동장치 및 유리판 또는 웨이퍼 착탈을 용이하게 하기 위한 상정반 틸팅장치로 구성된다.
정밀연마에 미치는 인자들은 그림 3에서 보는 바와 같이 그림 2b(하)의 상정반 및 하정반의 회전속도, 압력, 연마슬러리 공급량에 따라 유리 또는 반도체 웨이퍼의 연마특성에 영향을 준다. 특히 연마슬러리의 입자크기, 모양, 종류에 따른 물리화학적 특성과 연마패드의 종류, 패드 홈의 형태 및 패드의 다공성 등의 물리적 특성이 중요한 요소로 작용한다. 연마패드는 연마 플래튼 위에 부착되어 연마 중에 웨이퍼와 접촉하여 웨이퍼 표면의 요철부분을 평탄화하며, 웨이퍼의 불균일도 및 평탄화를 결정하는 중요한 소모품이다. 균일한 정밀연마는 연마될 부분의 표면과 연마입자의 접촉점에서 균일한 압력이 유지될 때 이루어지기 위해 연마패드의 소재가 중요하다. 주로 점탄성 물질이 가장 좋은 재료로 알려져 있고, 대형 유리판의 정밀연마에는 폴리우레탄이 많이 사용된다. 그 외에 반도체 CMP 연마의 경우는 폴리우레탄이 함침 또는 코팅된 부직 폴리에스테르 펠트가 사용된다. 따라서 연마에 미치는 다양한 요소들에 따라 연마율, 마찰력, 웨이퍼의 결함(스크래치, 디싱 등), 평탄도, 거칠기 등의 연마결과를 통하여 최적의 결과를 도출하게 된다. 특히, 연마과정에서의 연마실험의 환경과 작업자의 숙련도에 따른 검사과정, 연마후의 유리 또는 웨이퍼의 세정방법 등에 따라 결정된다.
연마메커니즘은 기계적인 마모, 소성유동, 화학적 마모, 기계-화학적인 마모에 의한 것으로 구별된다. 기계적인 마모에 의해 연마된다는 이론은 연마재의 입자가 유리 또는 웨이퍼 표면을 분자 크기 정도로 기계적으로 파괴하여 연마가 이루어진다는 이론이다. 소성유동설은 연마재의 마찰로 순간적, 국부적으로 가열되어 유리 또는 웨이퍼 표면의 미세하게 튀어나온 부분이 소성 내지는 점성유동에 의하여 오목한 부분으로 이동 매립되어 평활한 면이 된다는 것이다. 화학적 마모설은 유리 또는 웨이퍼 산화층막의 분자와 물분자와의 화학반응에 의해 표면에 겔층이 형성되고, 이 겔층이 연마재에 의하여 제기되어 표면이 평활하게 된다는 이론이다. 기계적인 마모와 화학반응에 의한 연마이론이 일반적이며 두 이론을 합쳐서 화학-기계적인 마모에 의한 메커니즘으로 고려하고 있다1).

가. 정밀유리 연마재 동향
일반적으로 유리의 표면가공은 연마헤드 및 연마테이블의 속도, Down Force의 누르는 압력에 의해 연마공정이 진행되며, 통상 행해지는 것은 황삭(Grinding), 연삭(Smoothing), 미삭(Polishing)의 3개 공정을 거치며 연마를 진행한다. 유리 표면 가공에 주로 사용되고 있는 연삭재(알루미나, SiC 등) 및 연마재(세리아, 산화철, 지르코니아 등)가 사용된다. 브라운관 유리의 연마가공 제 1공정에서는 Garnet 연삭재를 이용하여 황삭한다. 제 2공정에서는 Pumice 연삭재를 이용하여 연삭을 한다. 제 3공정에서는 최종 마무리 연마공정 단계로서 미삭 공정이라고 부른다. 이때 사용되는 세륨 연마재로 전단계의 연삭공정에서 발생하는 미세한 크랙층을 없애고 동시에 스크래치가 없는 유리면을 얻는 마무리공정이다. 이 세륨 연마재는 물에 혼합하여 일정한 무게함량하에서 제조된 슬러리를 연마패드(발포 폴리우레탄 등의 재료를 사용) 위에 공급하여 브라운관 유리 또는 정밀유리(LCD, PDP, 광학렌즈 등) 연마의 최종 미삭공정을 진행한다.
그림 4는 연마재의 등전점에 따른 유리 연마율을 비교하였다. 산화물의 연마율은 CeO2 > TiO2 > MnO2 > Al2O3, SiO2의 순으로 높다. 이는 주로 세리아 연마재가 주로 Oxide막연마에 활용이 잘되며 연마속도가 실리카계에 비해 3배 내지 4배 빠르고, 중성에서 높은 연마율을 보이는 것이 특징이다. 그러나 가격이 비싸고, 기존 세리아 입자가 가지는 다각형 형태, 불균일한 입자 크기로부터 큰 입자의 존재 및 응집 입자로 인하여 연마공정시 유리 표면에 스크래치가 발생하고 유리면내의 평탄화도를 감소시킨다. 또한, 세리아는 입자간 상호 잡아당기는 힘의 척도인 하마커(haymaker) 상수가 실리카(5.99)나 알루미나(15.4)보다 월등히 높은 27.7의 값을 가져, 입자 크기가 증가할수록 입자간의 반발력, 즉 분산성을 유지하는 힘이 거의 존재하지 않기 때문에 자발적으로 재응집하여 침전이 일어날 가능성이 높은 문제점이 있었다. 연마 도중 연마될 표면은 슬러리 내에 함유된 실리카 또는 세리아와 같은 입자들이 서로 응집하여 크기가 커지거나 연마 중 발생하는 연마 부산물에 의한 입자에 의해 스크래치 등과 같은 공정 이상이 발생할 수 있고, 이는 유리연마 시 신뢰성을 떨어뜨리는 문제를 야기한다. 정밀연마 특성이 우수한 연마슬러리는 최적의 연마율, 평탄도, 높은 안정성을 가져야 하며, 이를 위해서 연마재는 입자의 표면적, 결정성, 입자크기 및 분포, 표면의 OH기의 농도, 입자표면 거칠기, 산화물의 종류 등에 따라 정밀연마 특성을 제어할 수 있어야 한다. 연마슬러리는 스크래치 등의 결함 및 평탄도 저하로 인한 문제점의 개선이 필수적이다. 이를 개선하기 위해 두가지 연마재로 세리아-알루미나, 세리아-카올린, 실리카-세리아 등의 복합연마재가 연구 및 개발되고 있다.
CRT 브라운관 유리용 연마재로 바스트네사이트 광물을 분쇄 및 소성공정을 거치면서 미분의 세륨 연마재로 사용이 되고 있다. 이때 연마재의 입자크기 및 소성온도가 중요하며, 소성온도를 상승시키거나 낮출 경우에 연마재인 세리아의 물성 즉 경도나 입도에 영향을 주며 이는 브라운관 유리연마율에 직접적인 영향을 주게 된다. 특히, 바스트네사이트 단독 연마재보다는 복합연마재로 혼용하여 쓸 경우 연마율 및 스크래치 등의 연마특성을 향상시킬 수 있다3).
정밀유리(LCD, PDP, 광학렌즈 등)용 연마재는 고순도 세리아가 사용되며, 미국 특허 제6,905,527호의 ‘세륨 연마재의 제조방법’에서는 세륨 연마재 원광의 분쇄, 소성, 습식 재분쇄를 통해 얻어진 분말에 불소화합물을 넣어 연마율을 증진시키거나 복합연마재를 제조하여 스크래치 및 연마율을 증진시킬 수 있다. 연마재는 입자의 크기, 분포, 입자 표면의 거칠기 등이 중요하며, 광학 및 정밀유리 연마에는 스크래치 문제가 매우 중요하다. 이를 위하여 입자의 응집방지를 위한 알칼리 금속의 제거, 연마된 면의 평탄성을 위하여 불소화 공정의 첨가, 볼밀링에 의한 분쇄 공정, 세리아 나노입자가 코팅된 복합연마재 개발4) 등이 있다.

나. 구조세라믹 연마 동향
구조세라믹은 주로 B, Al, C, N, O의 원소로 구성되어 있으며, 원자와 이온반경이 작으며, 큰 화합결합력을 지닌 원자가가 높은 원소들의 조합으로 이루어져 있어서 응력과 열에 강하며 경하고 변형이 어려우며 고온에 내성을 가지는 재료를 말한다. 소결된 구조세라믹은 연삭 및 연마공정이 필요하며 성형동안에 닳거나 건조동안에 수축변화, 소결동안에 크기의 1~2% 변화 등이 초래된다. 이때에 연삭공정을 거치면서 칫수를 맞추고, 연마를 통하여 거친 표면을 경면으로 연마하기 위하여 SiC, 다이아몬드 분말 등을 사용한다. 특히 알루미나, SiC, Si3N4, ZrO2는 고경도재료로서 피연마재의 형상에 따라 다이아몬드 입자가 혼입된 레진 wheel, disc, mounted wheel을 제작하여 연마하거나 다이아몬드 입자가 분산된 연마슬러리를 사용한다.
반도체지그 및 구조용 세라믹제품에는 다음과 같은 다양한 연마재가 있다. 녹색 SiC계 연마재는 수정 페라이트 등의 가공 등에 사용되며, 흑색 SiC계 연마재로서 석재, 포토마스크용 초자 등 정밀용에 적용된다. 백색 알루미나계 연마재는 98% 이상의 고순도 알루미나로서 반도체지그를 비롯하여 렌즈, 프리즘 등의 광학 재료에 사용되며, 판상 알루미나 99.2%의 판상연마재는 내열성이 우수하고 화학적으로 불활성이고 산이나 알칼리에도 강하여, 실리콘, 광학 재료, 수정 등의 연마에 사용된다.

다. 반도체 CMP 연마 동향5)
화학적 기계적 연마(CMP, chemical mechanical polishing)는 반도체 디바이스의 소형화 및 저유전율(low-k) 재료와 동배선 등의 신기술의 도입으로 평탄한 웨이퍼 표면에 대한 규정과 과제가 급증함에 따라 전 공정을 웨이퍼 처리하는 CMP 연마기술이 활발하게 도입되고 있다. 특히 CMP기술은 화학적 연마와 기계적 연마를 동시에 수행하여 웨이퍼를 평탄화하는 기술로, 높은 평탄화도는 반도체 패턴의 미세화를 가능케 하고, 광역 평탄화는 넓은 면적의 웨이퍼 생산을 가능케 한다. 그림 5는 세라믹 연마슬러리의 화학적인 작용과 연마입자의 기계적인 작용에 의해 전기 절연층(Interlayer Dielectric Layer) 또는 금속 배선층을 연마하는 화학기계적 연마공정을 말한다. 반도체 소자의 고집적화에 의한 배선 폭이 감소함에 따라, 평탄화를 통하여 웨이퍼를 균일하게 하여 photolithog
raphy 마진을 향상시키기 위해 도입되었다. CMP 공정은 90% 이상이 물인 연마슬러리를 회전하고 있는 패드와 웨이퍼 사이에 공급하면서, 연마슬러리에 있는 알칼리 용액 등의 화학 물질에 의해 웨이퍼 표면을 제거하게 된다. 이때, 고단차 영역이 수십~수백 nm 크기의 산화물질, 즉 연마재에 의해 제거가 일어나면서 단차가 점점 감소함에 따라 웨이퍼 전면에 걸쳐 평탄화(planarization) 된다. 재료에 관계없이 기계적 작용은 표면을 평탄화시키는데 더 기여하며, 화학적 작용은 productivity와 selectivity(다른 재료들 간의 Polishing rate)에 영향을 미치고, 기계적 작용은 uniformity와 표면의 smoothness에 기여한다.
CMP 관련 소모재는 그림 5에서 보는 바와 같이 연마패드, 패드 컨디셔너, 연마슬러리(연마재, 화학물질)와 그 외에 연마헤드(캐리어 필름), 연마 플래튼, 세정장치, 건조장치, 연마시간 조절감지 시스템 등으로 구성된다. 그림 6(a)의 입자제어 및 표면개질된 실리카 슬러리와 폴리우레탄 재질의 하드패드의 표면 groove 모양 등에 의해 Shallow Trench Isolation(STI) CMP가 발전되어 왔으나, 최근에는 그림 6의 연마패드에 연마재를 고정한 Fixed Abrasive(FA) 패드가 개발되어, 평탄도 향상과 함께 trench oxide의 dishing 문제에 대한 엄격한 요구조건을 상당히 만족하는 FA STI CMP가 벌크슬러리 제거공정 후에 최종마무리 공정으로 도입되고 있다6).
연마용 슬러리는 반도체 미세 패턴 및 적층회로 구성시 단차제거를 위한 웨이퍼 연마공정에 사용되는 핵심 재료다. 반도체 및 유리 연마공정에 사용되는 연마슬러리는 금속산화물(기계적 연마 보조), 식각제(화학적 연마구현), 기능성 첨가제, 탈이온수 등을 최적의 조합 기술과 분산기술을 적용으로 고품질의 정밀연마를 진행할 수 있다.
반도체 연마의 경우는 반도체 표면을 단지 기계적 평탄화 (산화막 연마), 화학적 처리 후 기계적 평탄화(금속막 연마) 및 선택적 연마(STI막)를 위한 것으로 분류되며, 연마될 반도체 표면에 따라 그림 7의 CMP용 세라믹 연마슬러리의 종류가 달라진다. 세라믹 연마슬러리는 연마할 대상에 따라 크게 Oxide[ILD(Inter Layer Dielectric)]용, 금속(W, Ti, TiN, Al, Cu)용, 폴리실리콘용으로 나눠진다. 기계적 평탄화를 위한 입자(실리카, 알루미나 및 세리아)들이 물속에 분산되어 있고, 연마 대상 반도체 막의 종류에 따라 적당한 각각의 입자를 안정화 시키는 각종 첨가제들로 구성되어 있다. 슬러리의 특성 중 가장 중요한 것은 스크래치 등의 유발 요인인 연마 입자의 균일한 분산, 폴리실리콘 저항 이상이나 배선 short 등을 유발시키는 금속 잔류량의 최소화, 선택적 연마 특성, 점도, 저장 안정성 등을 들 수 있다. 국내 CMP공정이 도입된 1999년경에는 슬러리는 전량 수입에 의존하였으나 ILD용 슬러리의 국산화에 이어 최근에는 Metal 및 STI용 슬러리의 국산화가 추진되고 있다. 산화막 연마용 슬러리의 경우에는 저장 및 유통 등의 많은 문제점으로 국산화 요구는 상당히 높은 편이었다. 현재 전 세계적으로 세라믹 연마슬러리 회사는 약 20 여 개 이상이지만 매출 또는 영향력에 있어서 미국은 Cabot, 롬엔하스 등이 수위이며, 일본은 Hitachi Chem. Co. 및 Fujumi의 영향력 및 점유율이 상당히 높다. 또한 한국에서는 2000년부터 ILD 슬러리 개발을 시작으로 하여 한화, 동진세미켐, 테크노세미켐, 제일모직, K.C.Tech 및 동우화인켐에서 각종 세라믹 연마슬러리를 개발하고 생산에 주력하고 있다.
최근에는 MEMS(Micro ElectroMechnical System)용 CMP가 활발하게 연구되고 있다. MEMS는 모터, 스위치, 센서, 엑츄에이터 등의 다양한 디바이스에 적용하기 위한 유망한 기술분야에 하나이다. MEMS용 CMP는 금속(Cu 또는 NiFe합금)과 광감응 에폭시 물질(SU-8 또는 DNQ/
Novolack)이 함께 패턴된 막을 정반의 회전수 또는 압력에 의한 기계적 연마와 pH 변화에 의한 영 모듈 또는 경도의 변화를 화학적 연마와의 상관성 연구에 대하여 보고하고 있다.7)

3. 맺음말
21세기에 들어서서 IT 및 NT 융합기술개발과 함께 반도체 및 디스플레이 산업의 기술이 급속하게 발전하고 있다. 디스플레이 패널의 기판유리 및 포토마스크용 실리카유리가 100인치로 커짐에 따라 연마의 평탄도, 스크래치 제어 등 연마공정의 중요성이 부각되고 있으며, 경량화에 따른 기판유리 두께의 감소는 연마장비의 압력제어 기술과 함께 연마슬러리와 연마패드 기술도 향상되리라 기대된다. 구조세라믹은 기존의 열교환기, 내마모성 부품, 베어링, 볼, 디스크의 연마에서 향후에는 최소마찰·단열디젤엔진, 피스톤, 가스터빈 엔진 등으로 구조세라믹 부품이 개발되면서 최적의 연마재 개발이 필요하리라 여겨진다. 또한, 반도체 칩의 다층화(8층), 선폭의 감소(50nm이하), 웨이퍼의 대형화(300nm) 및 다양한 소재가 요구되는 MEMS 시장의 확대에 따른 CMP 공정 기술개발이 매우 빠르게 발전하리라 기대된다. 따라서, 향후 반도체 디스플레이 산업의 기술발전과 시장 확대에 따른 디스플레이 및 광학용 정밀유리, 구조세라믹 부품, 반도체 웨이퍼 및 MEMS용 부품에 필요한 세라믹 연마공정의 발전과 중요성이 확대되고 있다.

참고문헌
1. L. M. Cook, J. Non-Crystalline Solids, 120, 152 (1990).
2. H.H. Lu, L.M. Chen, C.J. Wang, Y.T. Chen, and Y.C. Yeh, VMIC Conference, p.231 (1999).
3. 김대성, 이승호 외 2인,“브라운관 유리용 세륨 연마재의 품질향상에 대한 기술지원”부품소재종합기술지원사업 최종보고서 (2005).
4. 안경철, 이승현, 이승호, 김대성 외 4인, “반도체 CMP 공정의 연마슬러리를 초정밀유리연마재로 개발”청정생산기술개발사업 최종보고서 (2006).
5. 한국산업기술재단 및 전자부품분과 전문위원회, “반도체용 CMP/ STI용 나노세리아 슬러리”, 부품소재로드맵 보고서 (2006).
6. Y. Moon, A. Kapur, R. Venigalla, L. Economikos, 2006 International Conference on Planairztion/CMP Technology, Foster City, California, Oct 12-13. 2006.
7. H.H. Gatzen, S. Cvetkovic, 14th CMP User Meeting in Munich, Hanover Univ., April (2005).

그림 1. 세라믹 정밀연마가 적용되는 IT 및 NT 장비내의 부품
(a) 디스플레이용 유리 (b) 반도체웨이퍼 (c) 초소형 전자기계시스템
(d) 반도체지그 및 광학용 유리 (e) 구조용 세라믹 부품

(a) (b)
그림 2. LCD 유리용 연마기(a)와 반도체 웨이퍼용 연마기 및
연마기 구성부분(b)의 장치사진

그림 3. 화학적 기계적 연마에 미치는 인자

그림 4. 다양한 연마재의 등전점에 따른 유리 연마율 비교2)

그림 5. 화학적 기계적 연마(CMP) 개요도

그림 6. Slurry STI CMP(a)와 FA STI CMP(b)의 개략도

그림 7. CMP용 세라믹 연마슬러리의 종류

필자약력(김대성)
고려대 화학과 이학박사
한국화학연구원 Post-doc.
미국 UCSB대 MRL Post-doc.
요업기술원 선임연구원