The Electrical Characteristics of the Antistatic Wafer Carrier

대전 방지용 웨이퍼 캐리어의 전기적 특성

Abstract

The wafer carrier is made of PP, PC, PE resin which have excellent heat and chemical resistance and electrical properties. However, particle generation has become a problem due to static electricity generated in the carrier. Some conductive material such as carbon black (CB) and carbon fiber (CF) are added for the purpose of anti-static, however, additional for motility and particle contamination problems due to high carbon content occurs. In this paper, the electrical characteristics and workability are observed and compared by adding low Carbon Nono Tube(CNT) to each PP, PC and PE resin to solve the problem.

1. 서 론

최근 들어 탄소를 고분자 첨가제로 이용하여 소재의 물성을 개선하고자 하는 연구가 다양하게 진행되고 있다[1-3]. 특히 탄소나노튜브, 그래핀 등과 같은 우수한 열적, 기계적, 전기적인 특성을 바탕으로 한 다양한 소재와의 접목을 통하여 전기전자, 신재생에너지 등과 같은 신규 시장에도 많은 접근과 연구가 시도되고 있다[4-6]. 반도체 공정에 사용되고 있는 캐리어는 웨이퍼 처리공정인 sawing, 웨이퍼 표면에 오염된 이물을 제거하는 세정공정, 에칭, texturing 처리 등에 투입하여 웨이퍼를 운송하는 목적으로 사용되어 제조공정의 효율성 및 자동화 시스템에 큰 도움을 주고 있다. 통상 이용되고 있는 웨이퍼는 탄화규소 및 글리콜(glycol), 오일 그리고 냉각제 등이 사용되는 sawing 공정을 거침으로서 웨이퍼 표면에는 복합물들이 오염물로 잔존하게 되고, 오염물을 세정하기 위해 캐리어를 이용하여 세정 장비를 거치게 된다. 위 공정에서 부품소재 표면에 부착된 먼지와 같은 작은 입자로부터 불량이 발생하고 해결하는 다양한 방법이 제시되고 있고 기존의 고분자 소재에 탄소소재를 첨가하여 앞서 언급한 미세 입자 등에 의한 문제를 해결할 수 있는 ESD 수준의 전기적인 개선방법이 가능하다.

기존의 연구에서는 ESD (Electro Static Discharge) 수준의 전기적인 특성을 얻기 위하여 탄소섬유나 탄소나노튜브 등을 독립적으로 이용한 소재 관련 연구가 진행이 되어왔다[7-9]. 본 연구에서는 다양한 소재의 접목을 통하여 ESD 수준을 높이기 위하여 이에 나타나는 복합체의 특성평가를 위하여 전기적인 물성을 측정하였고 고분자 매트릭스 안의 탄소섬유와 탄소나노 튜브의 분산을 확인하기 위하여 주사전자 현미경 등의 기본구조에 대한 모폴로지 등의 특성을 분석하였다. 그리고 최종 사용 목적이 ESD 및 EMI와 같은 전기적인 물성의 개선임을 감안하여 전기전도도와 표면저항 등의 전기적인 특성을 평가하여 그 적용성을 타진하여 보았다.

 

2. 이론적 배경

실리콘 웨이퍼의 경우 가격 경쟁력 확보 및 생산량 증대를 위해서 단일 웨이퍼를 Inline 형태로 처리하는 매입 식에서 100매의 웨이퍼를 적재하는 배치식 세정공정 시스템 운영체제로 변경되고 있다. 기존 반도체 공정을 수행하기 위해서는 웨이퍼를 수작업을 통해 캐리어에 적재하는 방식으로 진행되었다. 반도체 및 디스플레이 시장은 수요증가 및 미래시장을 겨냥하여 자동화 생산라인을 구축하고 있는 실 정이며, 이에 자동화 시스템에서 활용될 수 있는 캐리어도 그 수요가 증가되고 있는 추세이다. 연구하고자하는 캐리어는 그 구성 중, Bar를 최적으로 설계함으로써 웨이퍼를 지지해주며, 접촉면적을 최소화하여 웨이퍼의 손상률을 감소하는 핵심기술의 기틀을 갖춘다. 따라서 이 기술은 디스플레이의 고효율에 기여하고, 디스플레이용만이 아닌 반도체, 태양전지 등의 캐리어에도 적용이 가능케 하여, 진출 및 응용시장의 폭을 넓힌다. 위의 구조개발에 맞추어, Polymer Nano-composite 기술연구를 통하여 향상된 물성을 가진 소재를 개발하고자 한다. 우수한 특성 및 가격경쟁력을 가진 소재를 이용하여 캐리어의 제품화를 실현한다. 일반적으로 사용되는 캐리어는 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 등의 내열·내약품성, 전기적 특성을 가지고 있는 수지를 사용하고 있지만 문제점인 것은 캐리어 안에서 일어나는 정전기로 인해 주위의 미세 먼지를 끌어당겨 웨이퍼 상의 부착을 일으켜 패턴불량의 원인이 되거나, 반도체 및 디스플레 이 장치의 각종 구동부분에 큰 먼지로 부착되어 오동작을 일으키는 등 반도체 공정에서 트러블 원인 중 하나로 자리 잡고 있다. 위 문제점을 해결하고자 캐리어의 대전방지 기능을 위해 전도성 복합소재인 탄소섬유(carbon fiber), 카본블랙(carbon black)을 이용하고 있지만 입자오염 문제로 인해 웨이퍼 캐리어 등의 제품에 적용 시 기술적 한계로 작용되고 있다. 선진국에서는 위와 같은 문제로 인해 탄소섬유 및 카본블랙 첨가를 규제하고 있다.

또한 웨이퍼 캐리어의 대전방지용에 필요한 ESD기준의 전기전도율은 10⁶ Ω/sq이다. 이 조건을 맞춰서 탄소함량은 표 1에서 설명 하듯이 카본블랙(25-35 wt%, 10⁵ Ω/sq), 탄소섬유(15-20 wt%, 10⁴Ω/sq)로 많은 양이 요구되며 표면의 slugging현상, 전도성 충전제 과도 첨가로 인한 성형 그리고 기계적 강도 저하 등의 문제가 되고 있어 기존의 전도성 첨가제를 적용한 복합체의 문제점을 해결할 수 있는 소재개발을 하고자한다.

표 1기존 전도성 소재 대비 CNT 주요 특징 Table 1 Main features of the conductive CNT compared to existing

기존 캐리어의 구성은 그림 1과 같이 측면 판, 하부 Bar 2개, 측면 Bar 4개, 그리고 상부 고정 Bar 1개로 이루어져 있다. 특히, Bar는 웨이퍼를 지지하기 위하여 캐리어 안쪽 방향으로 치형(tooth form) 구조를 가진다. 이러한 구조가 웨이퍼의 안착에는 도움을 주지만 표면에는 상처나 불량의 원인으로 작용 할 수 있다. 이에 캐리어의 치형(tooth form) 및 각 구성에 대한 개발이 필요한 실정이다.

그림 1캐리어 구성도 Fig. 1 Carrier block diagram

본 연구에서는 전도성 복합소재 CNT와 고분자 소재를 배합하여 대전방지용 웨이퍼 캐리어의 전기적 특성을 알아 보려고 한다. CNT는 하나의 탄소원자가 다른 3개의 같은 원자끼리 sp²결합을 하여 6각형 벌집무늬를 가지고 있다. 탄소원자는 공유결합을 기반으로 원자 간의 결합 구조(z축의 기울기)에 따라 물질의 특성이 달라지며 CNT의 2차원 구조의 흑연은 결합배열이 독특하여 흑연 면이 평탄한 육각형 판 상막 구조를 하고 있다. 이렇게 둘러싼 원통구조로 그 층수에 따라 단일벽(single wall) 탄소나노 튜브 SWCNT(Single-walled nano tube), 다중벽 탄소나노튜브 MWCNT(Multi-walled nano tube)로 분류된다. CNT 벽의 나선성에 따라 부도체성, 전도체 또는 반도체적 성질을 나타내며, 탄소 원자 간의 강력한 공유결합으로 인해 높은 강도를 가지진다. 큰 종횡비, 열적 안정성, 유연성 및 큰 탄성의 성질로 인해 전도체, 복합체, 화학 및 바이오센서, 태양전지, 에너지저장물질, 분자전자소자, 고집적회로 등에 사용이 가능한 물질이다.

 

3. 본 론

CNT는 열전도도 및 전기전도도가 현재까지 알려져 있는 물질 중에서 가장 뛰어나며, 적은 양으로 목표 저항을 충족시킬 수 있기 때문에 성형성(formability) 또한 우수하다. slugging 현상도 발생하지 않아 다양한 응용분야에 적용 가능하다. 하지만 CNT의 저밀도로 인해 날림현상이 발생하여 사용상 문제점이 있으며, Polymer에 대비해 몇 십 배 낮은 밀도는 나노복합체의 가장 중요한 기술인 분산에 문제가 생기며 부피가 매우 커 운송 효율이 떨어진다. 본 연구에서는 순수 CNT를 고 함량 CNT로 1차 가공을 하여 대전방지 웨이퍼 캐리어에 사용을 하려 한다. 폴리프로필렌, 폴리카보네이트를 이용하여 제조한 pellet형 CNT를 사용하여 함량을 증가시켜가며 마스터배치 수준의 고함량 테스트를 진행하였다(PC수지에 CNT 분산에 어려움이 있어 가공성이 더 좋은 PP를 사용하기로 하였다). PP를 이용하여 제조한 CNT pellet(CNT-P)를 사용하여 CNT함량이 2-5 wt%인 복합체를 제조하고 이에 대한 물성 평가를 하였다. CNT-P를 사용할 경우 CNT가 날리지 않아 건조가 용이하며 부피가 줄어 제조공정이 용이하고, CNT의 형태가 고분자 수지의 pellet과 유사하여 사출성형 및 CNT가 균일하게 혼합이 가능했다. 그림 2는 지금까지 설명한 PP 또는 PC와 같은 고분자 물질에 카본 fiber 또는 CNT 등의 전도성 필러가 혼입되어 분산된 모식도이다.

그림 2분산 및 구조 Fig. 2 Dispersion diagram and its mechanism

그림 2에서 보이듯이 전도성 탄소물질들이 일정방향으로 방향성을 가진 분산 필러로 작용하여 전도도에 영향을 주며 각각의 베이스 폴리머가 가교역할을 하여 불성을 구연하는 구조이다. Polymer와 CNT를 같이 가공하는데 있어서 CNT의 양이 증가함에 따라 사출기 내의 토크가 증가하게 된다. 일정 수준까지의 토크는 CNT의 분산성을 향상시키는데 어느 정도까지 도움을 주지만 그 이후에는 생산성을 떨어트리게 된다. 이에 생산성을 유지하고 분산효과를 최대화 하기 위해 가공온도를 컨트롤함에 있어서 일반적으로 PP가 가공되는 온도인 230 ℃에서 30 ℃를 올린 260 ℃에서 가공을 하였다. PP가공 온도가 230 ℃일 때 사출기의 압력은 약 25MPa정도의 압력으로 사출되며, 이때 CNT를 첨가하면 약 29MPa이 된다. 하지만 가공 온도를 260 ℃까지 올려 사출을 하게 되면 CNT를 첨가하여 사출을 하여도 약 26 MPa의 압력으로 가능하다. 이와 같은 결과를 통하여 높은 온도에서 가공함에 따라 고분자 수지의 흐름성이 개선되어 CNT가 첨가되었음에도 가공성이 향상됨을 확인 할 수 있었다. PP를 바인더로 사용한 pellet CNT의 분산성 향상을 위하여 사출기를 사용하여 2 wt% CNT를 함유된 마스터배치를 제조하여 CNT/Polymer의 물성을 평가하였다(표 2).

표 2CNT 나노복합체 특성 Table 2 CNT Nano-composites feature

표 2에서 CNT pellet형과 CNT powder를 비교 하였다. 실험분석 결과 powder와 pellet의 기계적 물성과 전도도 모두 유사한 범위 내에서 측정 되었으며, CNT pellet를 사용함으로서 전기전도도뿐만 아니라 기계적 물성에서도 동일한 성질을 가지고 있다.

그림 3과 그림 4는 PP와 CNT, 카본블랙을 배합시킨 후 전계 방출 주사현미경으로 CNT의 분포를 확인하였다. 그림 3에서 왼쪽사진은 CNT파우더를 가공하였을 때의 사진이다. CNT의 분포가 한곳에 모여서 배합된 것을 볼 수 있다. 오른쪽의 경우 CNT의 분포가 고르게 분포되어 있음을 확인 할 수 있었다. 또한 카본블랙도 같은 방법의 실험을 하여 관찰을 하였을 때 분포도가 그림 3과 같은 경향을 보여주었다. 전계 방출 주사현미경을 통하여 1차, 2차 가공의 차이점을 직접 확인을 할 수 있었다. 이와 같은 결과를 토대로 이번 연구에서는 정확한 데이터를 위해 2차 가공한 CNT-P를 사용하여 실험을 진행하였다.

그림 5의 왼쪽과 오른쪽 사진은 CNT를 복합하여 만든 pellet형과 powder로 제조한 PP/CNT-P, PP/CNT의 전계 방출 주사현미경 이미지 이다. PP/CNT의 경우 PP/CNT-P 보다 CNT의 길이가 짧아져 있음을 확인 할 수 있다. 이것은 두 번의 용융복합을 거치는 과정에서 가해지는 높은 전단력에 의해 CNT가 절단되어 길이가 짧아진 것으로 판단되며, CNT의 길이가 너무 길 경우 CNT가 서로 뭉치고 꼬이는 현상이 심해져 복합체의 제반 물성이 저하되는 요인이 될 수 있다.

그림 3CNT 파우더 1차 가공 / CNT pellet 2차 가공 Fig. 3 CNT powder 1 tea processing / CNT pellet 2 tea processing

그림 4카본블랙 파우더 1차 가공 / 카본블랙 pellet 2차 가공 Fig. 4 Carbon Black powder 1 tea processing / Carbon Black pellet 2 tea processing

그림 5Pellet CNT의 SEM사진 Fig. 5 SEM image of pellet CNT

웨이퍼 캐리어의 경우 웨이퍼 공정 과정에서 내화학성 및 열 안정성이 요구된다. 공정 과정에서 조건과 동일하게 유지하여 공정 Bar 형태의 변형 및 내화학성 테스트를 하였다. 평가방법은 반도체 제조사에서 사용하는 각종 약액의 종류와 조합비율을 적용하여 수종에 제조된 bar를 합침 하는 방식으로 진행을 하였다. 그 결과 표 3에서 보이듯이 화학적 내성에 대한 성능평가 결과 안정성 및 화학내성은 기준 이상으로 우수하며 외면상의 뒤틀림이나 치형의 변화가 없이 우수한 결과를 얻을 수 있었다.

표 3화학조성 실험 Table 3 Chemical composition test

표 4카본블랙 / CNT 나노복합 기능 Table 4 Carbon Black / CNT nano-composite feature

표 4는 Polymer 폴리프로필렌에 CNT pellet을 희석하여 CNT 1-4 wt%에 대한 기계적 물성 및 표면저항을 분석했다. 실험결과 1-2 wt%보다 3-4 wt% CNT가 사출시 PP와의 분산성 및 기계적 물성, 강도 저하 문제가 발생 하였다. CNT와 카본블랙의 함량의 변화에 따른 표면저항을 살펴보면 카본블랙의 함량이 약 26-32 wt%의 표면저항보다 CNT 2-5 wt%의 표면저항이 높다는 것을 알 수가 있었다. 또한 4 wt%에서 가장 높은 표면저항을 보였으며 그 이상은 급격히 떨어지는 것을 볼 수 있다. 카본블랙에서는 26 wt%일 때 가장 높은 표면저항을 볼 수 있었다. 결과적으로 CNT의 적은 양으로 기존 카본블랙보다 더 높은 결과를 얻을 수가 있었다. 표 4의 표면저항을 이용하여 전기전도도를 구하였다.

Electric conductivity의 데이터는 CNT와 카본블랙의 함량에 따른 표면저항으로 카본블랙과 CNT의 전도특성을 식 (1)과 (2)에 의해 도출한 값이다. CNT의 전도도 값이 카본블랙의 전도도에 비해 월등히 높다는 것을 알 수 있었다. 폴리프로필렌에 들어가는 카본블랙의 함유량이 CNT의 함유량에 비해 약 10 배 이상이 함유되어 있지만 소량의 CNT의 전도도의 값보다는 높지 않았다. 이는 CNT또는 그래핀 같 은 카본의 판상 및 나선형 구조가 가지는 결합구조가 기존의 카본 블랙 및 fiber 보다는 약 15-20 배의 전기전도도 상승효과를 발현함을 알 수 있다[10].

웨이퍼 캐리어로 적용을 하기 위해서는 전기적인 특성이 외에도 기계적인 특성과 탄성 특성을 보유하여야 한다. 그림 6은 CNT의 함량을 2에서 5 %로 증가함에 따라 굴곡탄성률(Flexural Modulus)과 휨강도(Flexural Strength)를 측정한 결과이다. 측정은 UTM(Universal Test Machine)을 이용하여 ASTM D790에 의하여 측정을 하였다. 그 결과 굴곡탄성율과 휨강도는 전도성 필러인 CNT의 함량이 증가함 에 따라 공통적으로 증가를 하였으나 3 wt%를 초과한 이후에는 그 기울기가 완화되는 것을 볼 수 있다. 이는 1차원 선형구조인 CNT의 기계적인 물성은 외부의 물리적인 충격을 전달하는 과정에서 충격을 분산하는 역할을 하는 것으로 사려 된다. 이와 더불어 특정 임계치 이상의 CNT 또는 카본블랙의 함량은 전도도 및 기계적인 물성에 영향을 미치지 않는 것으로 사려 된다.

그림 6굴곡 탄성률 및 CNT / PP의 고분자 복합체의 굴곡 강도 Fig. 6 Flexural modulus and flexural strength of CNT/PP polymer composite

 

3. 결 론

웨이퍼 캐리어 대전방지를 위해 여러 복합체가 사용되어왔다. 기 캐리어의 외형 소재는 산 및 염기성 등의 화학약품에 투입 시, 변형 및 표면손상이 문제되고 있다. 이에 기소재의 분석을 참고하여 Polymer 및 탄소 소재의 분류 및 선택을 통한 이들의 최적 배합과 Nano-composite 기술 도입하여 물성을 확보하고 캐리어 외형 소재에 대한 연구를 진행했다. 이번 연구에서는 CNT 대량합성 기술을 통해 이 를 캐리어 외형소재에 적용함으로써 가격경쟁력을 갖출 수 있었다. 또한, 적은 양의 CNT를 첨가함으로써 기계적, 열적 안정성 등의 물성 향상을 이끌어 냄과 동시에 CNT의 우수한 전기 전도도 특성으로 인해 외형소재의 정전기 분산 기능의 부여가 가능했다. 또한 기존에 사용되고 있던 카본블랙, 카본섬유 전도성 복합소재와 CNT를 비교하였고, 제품의 성능향상과 문제점을 해결하고자 하였다. 연구결과 CNT는 카본블랙, 탄소섬유에 비해 적은 양으로도 정전기 방전대책기술(ESD : Electrostatic Discharge)의 수준 전기 전도도 및 표면저항과 충격강도를 얻을 수 있음을 확인하였다. 정전기에 의해 미세먼지가 웨이퍼에 부착되는 현상을 CNT전도성 복합소재를 이용하여 해결하고자 하였고 실험결과 기존 사용되고 있는 카본블랙과 탄소섬유보다 적은양의 CNT로 더 나은 결과를 얻을 수 있었다. 현재 카본블랙과 탄소섬유에 비해 CNT의 높은 단가로 인해 상용화에 문제가 될 수 있지만 이번 실험에서 카본블랙과 탄소섬유보다 적은 양을 이용하여 새로운 대전방지용 웨이퍼 캐리어를 선보일 수 있을 것이다.