전자재료 및 광학용으로 널리 사용되며 그 수요가 날로 증가하고 있는 Borofloat, BK7, Quartz, Sapphire, Silicon 등의 세라믹 기판을 만들기 위해서는 Ingot을 성장시켜 얇게 절단하는 Ingot Slicing 공정, 기판의 두께를 조절하고 평탄화를 이루기 위한 Lapping 공정 및 최종 Polishing 공정을 거쳐야 하는데, 본 연구의 목적은 Lapping 공정의 효율을 획기적으로 개선하기 위한 상업적인 용도로서의 Diamond Lapping Pad를 개발하는 것이다.
Lapping 공정은 Slurry를 사용하는 3-Body Lapping Process 와 Slurry를 사용하지 않는 2-Body Lapping Process 로 나눌 수 있는데, 기존의 3-Body Lapping Process 는 lapping 정반과 기판 사이에 연마재를 함유하고 있는 Slurry를 지속적으로 공급하여야 한다. Slurry 내의 연마재는 주로 Rolling Action 에 의해 기판을 연마하게 되는데 연마제의 크기, 분포 및 농도 등을 일정하게 관리하는 것이 기판의 최종 품질을 위해서 매우 중요하다. 또한 일정한 연마력을 유지하기 위해서는 Lapping 후 정반의 표면을 Dressing 하여야 하므로 공정의 효율이 떨어지고 이로 인한 공정비용이 상승되며 사용하고 난 폐Slurry 의 처리는 환경문제를 유발할 수 있다. 이에 반해 최근에 사용되기 시작한 2-Body Lapping Process 는 Lapping Pad 에 고함량의 연마재를 함유하고 있어서 Slurry를 사용하지 않고 DI Water 만을 사용하여 연마가 가능하며 Dressing 공정없이 연속적으로 연마하여도 연마력이 일정하게 유지되는 혁신적인 공법이기는 하지만 이런 요건에 맞는 Lapping Pad 는 아직 수요자의 요구를 만족시키지 못하는 기술적인 한계를 극복하지 못하였다. 따라서 본 연구에서는 Slurry를 사용하지 않고 또한 lapping 후 Pad 의 표면을 Dressing 하지 않는 특성을 갖는 Diamond Lapping Pad를 상업적인 측면에서 개발하고자 하였다.
본 연구에 사용된 기판으로서는 Borofloat, BK7, Quartz 및 Sapphire 를 사용하였으며, Lapping의 성능은 640mm 직경의 양면 Lapping 기에 3 장의 기판을 이용하여 최적의 압력과 회전속도를 일정하게 유지하면서 연마속도 (Material Removal Rate, MRR) 와 표면조도 (Surface Roughness, Ra)를 측정하여 각각 비교하였다.
대체로 연마용 제품은 연마재, 접착제로서의 바인더 및 기공으로 구성되는데, 본 연구에 사용된 주요 연마재로서는 Diamond 와 알루미나를 단일입자 상태와 전처리된 입자 상태로서 사용하였고, 연마재의 접착제로서 바인더로는 일반적으로 연마용 제품에 많이 사용되고 있는 열경화성의 페놀수지와 3 차원 형상을 용이하게 만들 수 있으며 또한 용제를 포함하지 않아 친환경적인 광경화성의 고분자수지를 사용하였으며, Lapping Pad의 연마돌기에 일정 부피의 기공을 형성하기 위해 인위적인 기공형성제로서 중탄산나트륨(Sodium Bicarbonate)을 사용하였다.
본 연구에서 Diamond 의 연마입자 크기가 각각 2, 5, 8 및 10 ㎛ 로 최적화된 배합으로 새로이 개발된 Diamond Lapping Pad 는 정밀광학용 유리로서 Borofloat, BK7 및 반도체용 Blank Mask로 사용되는 Quartz 기판에 대하여 연마하였을 때 Slurry 를 공급하지 않고도 우수한 연마속도와 표면조도를 나타내었으며, Lapping 후 연마패드의 표면을 Dressing 하지 않고 연속적으로 연마할 경우에도 초기와 같은 일정한 연마력과 표면조도를 유지하였다. 다만 Sapphire 기판의 경우는 낮은 연마력을 나타내었는데, 이는 Sapphire 의 높은 경도 특성에 기인한 것으로서 일반적인 광학유리의 연마 메카니즘과는 다르다고 할 수 있다. 일반적으로 유리는 취성재료로 분류되지만 Sapphire와 비교할 때에는 약연성의 취성재료 특성을 보이며 Sapphire 는 강성의 취성재료로서 이를 위한 보다 정확한 메카니즘의 분석이 필요하며 이에 따른 상업적 용도의 Sapphire 기판 연마용 2-Body Lapping Pad 의 개발은 이어지는 다음 연구에서 가능할 것으로 사료된다. 결론적으로 본 연구에서 개발된 Diamond Lapping Pad 는 여러 가지 전자 및 광학소재의 높은 연마속도와 낮은 표면조도를 구현하는 고품질 연마를 바탕으로 기존의 Slurry 방식을 개선할 뿐만 아니라 공정효율을 최적화하여 비용을 줄이며 나아가 친화적인 작업환경을 가능하게 한다.