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다이아몬드 와이어 절단 기술은 연마재 접합 절단 기술이라고도 합니다. 이 기술은 강선 표면에 다이아몬드 연마재를 전기 도금 또는 수지 결합 방식으로 접합하여, 다이아몬드 와이어가 실리콘 봉이나 실리콘 주괴 표면에 직접 작용하여 연삭 효과를 발생시키고 절단하는 기술입니다. 다이아몬드 와이어 절단은 빠른 절단 속도, 높은 절단 정밀도, 그리고 낮은 재료 손실이라는 특징을 가지고 있습니다.

현재 다이아몬드 와이어 커팅 방식의 단결정 실리콘 웨이퍼 시장은 활발하게 성장하고 있지만, 보급 과정에서 벨벳 화이트 현상과 같은 몇 가지 문제점도 발생하고 있습니다. 이에 본 논문에서는 다이아몬드 와이어 커팅 단결정 실리콘 웨이퍼에서 발생하는 벨벳 화이트 현상을 방지하는 방법에 대해 집중적으로 다룹니다.

다이아몬드 와이어 커팅 단결정 실리콘 웨이퍼의 세척 공정은 와이어쏘 공작기계로 절단된 실리콘 웨이퍼를 수지판에서 분리하고, 고무 스트립을 제거한 후, 실리콘 웨이퍼를 세척하는 것입니다. 세척 장비는 주로 예비 세척기(탈검기)와 세척기로 구성됩니다. 예비 세척기의 주요 세척 공정은 공급-분무-분무-초음파 세척-탈검-청정수 세척-하부 공급 순입니다. 세척기의 주요 세척 공정은 공급-청정수 세척-청정수 세척-알칼리 세척-알칼리 세척-청정수 세척-청정수 세척-예비 탈수(저속 리프팅)-건조-공급 순입니다.

단결정 벨벳 제작 원리

단결정 실리콘 웨이퍼의 이방성 부식은 단결정 실리콘 웨이퍼의 특징입니다. 반응 원리는 다음과 같은 화학 반응식과 같습니다.

Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2↑

본질적으로 스웨이드 형성 과정은 다음과 같습니다. 서로 다른 결정 표면의 부식 속도가 다른 NaOH 용액에서 (100) 표면의 부식 속도가 (111) 표면보다 빠르므로, (100) 표면은 이방성 부식을 거쳐 결국 (111) 사면 원뿔, 즉 "피라미드" 구조(그림 1 참조)를 형성합니다. 이 구조가 형성된 후, 빛이 특정 각도로 피라미드 경사면에 입사하면 다른 각도로 경사면에 반사되어 2차 또는 그 이상의 흡수가 발생하여 실리콘 웨이퍼 표면의 반사율을 감소시킵니다. 즉, 광 포획 효과가 나타납니다(그림 2 참조). "피라미드" 구조의 크기와 균일성이 좋을수록 포획 효과가 더욱 뚜렷해지고 실리콘 웨이퍼의 표면 방출률이 낮아집니다.

그림 1: 알칼리 처리 후 단결정 실리콘 웨이퍼의 미세 형태

그림 2: “피라미드” 구조의 빛 포획 원리

단결정 백화 현상 분석

주사전자현미경으로 백색 실리콘 웨이퍼를 관찰한 결과, 해당 영역의 백색 웨이퍼 표면에는 피라미드 미세구조가 거의 형성되지 않았고, 마치 "왁스" 같은 잔류물이 남아 있는 것처럼 보였다. 반면, 동일한 실리콘 웨이퍼의 백색 영역에서는 스웨이드 질감의 피라미드 구조가 더 잘 형성되어 있었다(그림 3 참조). 단결정 실리콘 웨이퍼 표면에 잔류물이 존재할 경우, 잔류 영역의 "피라미드" 구조의 크기와 균일성이 저하되고 정상 영역의 효과가 불충분해져, 잔류 벨벳 표면의 반사율이 정상 영역보다 높아지게 된다. 따라서 반사율이 높은 영역은 육안으로 관찰했을 때 백색으로 보인다. 백색 영역의 분포 형태를 보면 넓은 영역에 걸쳐 규칙적이거나 균일한 형태를 보이지 않고, 국부적인 영역에만 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 실리콘 웨이퍼 표면의 국부적인 오염물질이 완전히 제거되지 않았거나, 실리콘 웨이퍼 표면이 2차 오염으로 인해 이러한 상태에 이르렀음을 시사한다.

그림 3: 벨벳 화이트 실리콘 웨이퍼의 지역별 미세구조 차이 비교

다이아몬드 와이어로 절단한 실리콘 웨이퍼의 표면은 더 매끄럽고 손상이 적습니다(그림 4 참조). 모르타르로 절단한 실리콘 웨이퍼와 비교했을 때, 다이아몬드 와이어로 절단한 실리콘 웨이퍼 표면의 알칼리 반응 속도는 모르타르로 절단한 단결정 실리콘 웨이퍼보다 느리기 때문에 표면 잔류물이 벨벳 효과에 미치는 영향이 더 뚜렷합니다.

그림 4: (A) 모르타르로 절단한 실리콘 웨이퍼의 표면 미세사진 (B) 다이아몬드 와이어로 절단한 실리콘 웨이퍼의 표면 미세사진

다이아몬드 와이어 커팅 실리콘 웨이퍼 표면의 주요 잔류물 발생원

(1) 냉각제: 다이아몬드 와이어 절삭 냉각제의 주요 성분은 계면활성제, 분산제, 소포제, 물 및 기타 성분입니다. 성능이 우수한 절삭액은 현탁성, 분산성 및 세척성이 우수해야 합니다. 계면활성제는 일반적으로 친수성이 높아 실리콘 웨이퍼 세척 과정에서 쉽게 제거됩니다. 이러한 첨가제를 물에 넣고 지속적으로 교반 및 순환시키면 많은 양의 거품이 발생하여 냉각제 유량이 감소하고 냉각 성능이 저하되며, 심각한 거품 발생이나 거품 넘침 현상이 발생하여 사용에 심각한 지장을 초래합니다. 따라서 냉각제에는 일반적으로 소포제가 함께 사용됩니다. 소포 성능을 확보하기 위해 기존의 실리콘 및 폴리에테르는 일반적으로 친수성이 낮습니다. 물에 용해된 용매는 후속 세척 과정에서 실리콘 웨이퍼 표면에 쉽게 흡착되어 잔류하며, 이로 인해 백점 문제가 발생합니다. 기존 냉각제는 주성분과 호환성이 좋지 않아 2액형으로 제조해야 합니다. 주성분과 소포제를 물에 첨가하는 방식인데, 사용 과정에서 거품 발생량에 따라 소포제의 사용량과 투입량을 정확하게 조절하기 어려워 과다 투입 시 실리콘 웨이퍼 표면 잔류물이 증가하고 조작이 불편해집니다. 하지만 원료 및 소포제 원료 가격이 저렴하기 때문에 국내 대부분의 냉각제가 이 방식을 사용하고 있습니다. 반면, 새로운 소포제를 사용하는 냉각제는 주성분과 호환성이 좋아 첨가물 없이 소포제 사용량을 효과적으로 정량 조절할 수 있고, 과다 사용을 효과적으로 방지할 수 있으며, 적절한 세척 과정을 거치면 잔류물도 매우 낮은 수준으로 관리할 수 있습니다. 일본을 비롯한 일부 국내 제조업체에서 이 방식을 채택하고 있지만, 원료 가격이 높아 가격 경쟁력이 크지 않습니다.

(2) 접착제 및 수지 버전: 다이아몬드 와이어 절단 공정의 후반 단계에서, 유입단 부근의 실리콘 웨이퍼는 미리 절단되어 있고, 유출단의 실리콘 웨이퍼는 아직 절단되지 않은 상태입니다. 초기 절단된 다이아몬드 와이어는 고무층과 수지판을 절단하기 시작합니다. 실리콘 로드 접착제와 수지판은 모두 에폭시 수지 제품이므로 연화점은 기본적으로 55~95℃ 사이입니다. 고무층이나 수지판의 연화점이 낮으면 절단 공정 중에 쉽게 가열되어 연화되고 녹아 강선 및 실리콘 웨이퍼 표면에 부착될 수 있으며, 이로 인해 다이아몬드 라인의 절단 능력이 저하되거나 실리콘 웨이퍼가 수지로 오염될 수 있습니다. 일단 부착되면 제거하기가 매우 어렵습니다. 이러한 오염은 주로 실리콘 웨이퍼의 가장자리 부근에서 발생합니다.

(3) 실리콘 분말: 다이아몬드 와이어 절단 과정에서 많은 실리콘 분말이 생성되며, 절단이 진행됨에 따라 모르타르 냉각제 분말 함량이 점점 높아지고, 분말의 크기가 충분히 커지면 실리콘 표면에 달라붙게 되며, 다이아몬드 와이어 절단에 따른 실리콘 분말의 크기와 입자 크기 때문에 실리콘 표면에 흡착되기 쉬워 세척이 어려워집니다. 따라서 냉각제의 최신화 및 품질을 보장하고 냉각제 내 분말 함량을 줄여야 합니다.

(4) 세척제: 현재 다이아몬드 와이어 커팅 제조업체들은 대부분 모르타르 커팅을 동시에 사용하고 있으며, 모르타르 커팅 시 사전 세척, 세척 공정 및 세척제 등을 주로 사용합니다. 단일 다이아몬드 와이어 커팅 기술은 절단 메커니즘부터 시작하여 전체 라인, 냉각 및 모르타르 커팅에 이르기까지 큰 차이가 있으므로, 해당 세척 공정, 세척제 투입량, 배합 등을 다이아몬드 와이어 커팅에 맞게 적절히 조정해야 합니다. 세척제는 중요한 요소이며, 기존 세척제 배합의 계면활성제나 알칼리성은 다이아몬드 와이어 커팅 실리콘 웨이퍼 세척에 적합하지 않으므로, 다이아몬드 와이어 실리콘 웨이퍼 표면, 구성 성분 및 표면 잔류물에 맞춘 세척제를 사용하고 세척 공정에 포함시켜야 합니다. 앞서 언급했듯이 모르타르 커팅에서는 소포제가 필요하지 않습니다.

(5) 물: 다이아몬드 와이어 절단, 사전 세척 및 세척 과정에서 발생하는 과다 유출수는 불순물을 함유하고 있어 실리콘 웨이퍼 표면에 흡착될 수 있습니다.

벨벳처럼 부드러운 머리카락이 하얗게 보이는 문제를 줄이는 방법 제안

(1) 분산성이 좋은 냉각제를 사용해야 하며, 냉각제는 실리콘 웨이퍼 표면의 냉각제 성분 잔류물을 줄이기 위해 저잔류성 소포제를 사용해야 합니다.

(2) 실리콘 웨이퍼의 오염을 줄이기 위해 적절한 접착제와 수지판을 사용합니다.

(3) 냉각수는 순수한 물로 희석하여 사용된 물에 쉽게 잔류하는 불순물이 없도록 합니다.

(4) 다이아몬드 와이어로 절단한 실리콘 웨이퍼의 표면에는 활성과 세척 효과가 더 적합한 세척제를 사용합니다.

(5) 다이아몬드 라인 냉각수 온라인 회수 시스템을 사용하여 절삭 공정에서 실리콘 분말 함량을 줄임으로써 웨이퍼 표면의 실리콘 분말 잔류물을 효과적으로 제어할 수 있습니다. 동시에 예비 세척 시 물의 온도, 유량 및 시간을 개선하여 실리콘 분말이 적시에 세척되도록 할 수 있습니다.

(6) 실리콘 웨이퍼를 세척 테이블에 놓으면 즉시 처리해야 하며, 전체 세척 과정 동안 실리콘 웨이퍼를 젖은 상태로 유지해야 합니다.

(7) 실리콘 웨이퍼는 탈검 과정에서 표면이 젖은 상태를 유지하며 자연 건조되지 않습니다. (8) 실리콘 웨이퍼 세척 과정에서 공기 노출 시간을 최대한 줄여 실리콘 웨이퍼 표면에 꽃 모양이 생기는 것을 방지할 수 있습니다.

(9) 청소 담당자는 전체 청소 과정 동안 실리콘 웨이퍼 표면에 직접 접촉해서는 안 되며 지문이 묻지 않도록 고무장갑을 착용해야 합니다.

(10) 참고문헌 [2]에서는 배터리 단부에 1:26의 부피비(3% NaOH 용액)로 과산화수소(H2O2)와 알칼리(NaOH)를 혼합한 세척 공정을 적용하여 문제 발생을 효과적으로 줄일 수 있다고 기술하고 있다. 그 원리는 반도체 실리콘 웨이퍼의 SC1 세척액(일반적으로 액체 1이라고 함)과 유사하다. 주요 메커니즘은 실리콘 웨이퍼 표면의 산화막이 H2O2의 산화에 의해 형성되고, NaOH에 의해 부식되면서 산화와 부식이 반복적으로 발생한다는 것이다. 따라서 실리콘 분말, 수지, 금속 등에 부착된 입자들도 부식층과 함께 세척액에 떨어지고, H2O2의 산화로 인해 웨이퍼 표면의 유기물이 CO2와 H2O로 분해되어 제거된다. 이러한 세척 공정은 국내외 실리콘 웨이퍼 제조업체들이 다이아몬드 와이어 커팅 단결정 실리콘 웨이퍼, 실리콘 웨이퍼, 그리고 배터리 제조업체들의 벨벳 화이트 문제 해결을 위해 사용해 온 공정이다. 일부 배터리 제조업체들도 이와 유사한 벨벳 사전 세척 공정을 사용하여 벨벳 백색 현상 발생을 효과적으로 제어해 왔습니다. 이러한 세척 공정은 실리콘 웨이퍼 세척 공정에 추가되어 실리콘 웨이퍼 잔류물을 제거함으로써 배터리 끝부분의 백색 섬유 문제를 효과적으로 해결하는 것으로 보입니다.

결론

현재 다이아몬드 와이어 커팅은 단결정 커팅 분야의 주요 가공 기술로 자리 잡았지만, 이 기술의 확산 과정에서 실리콘 웨이퍼에 벨벳처럼 하얀 반점이 생기는 문제가 발생하여 실리콘 웨이퍼 및 배터리 제조업체들이 어려움을 겪고 있습니다. 이로 인해 배터리 제조업체들은 실리콘 웨이퍼의 다이아몬드 와이어 커팅에 대한 거부감을 느끼고 있습니다. 백색 반점의 원인을 분석한 결과, 주로 실리콘 웨이퍼 표면의 잔류물로 인해 발생하는 것으로 나타났습니다. 따라서 본 논문에서는 셀 내 실리콘 웨이퍼의 이러한 문제를 효과적으로 예방하기 위해 실리콘 웨이퍼 표면 오염의 원인을 분석하고 생산 과정에서 개선 방안 및 조치를 제안합니다. 백색 반점의 개수, 영역, 형태에 따라 원인을 분석하고 개선할 수 있으며, 특히 과산화수소와 알칼리를 이용한 세척 공정을 권장합니다. 실제 적용 사례를 통해 이 공정이 다이아몬드 와이어 커팅 실리콘 웨이퍼의 벨벳 백화 현상을 효과적으로 방지할 수 있음을 입증했으며, 업계 관계자 및 제조업체에 참고 자료로 제공할 수 있을 것입니다.