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FPD 공장환경과 크린 테크놀로지
FPD용 유리기판의 정전파괴 방지 기술
자료제공: Display October. 2004
크레하 화학공업(주)
타카유키 아베
1. 첫머리에
지금까지 반도체용 포토마스크 및 웨이퍼의 보관·반송용기는 다양한 도전성(導電性) 수지를 사용하여 사출성형(射出成形. injection molding)에 의해 생산되어 왔다. 사출성형은 6·8·12인치의 비교적 소구경이면서 일정한 사이즈의 용기제조에는 적합하지만, 다른 한편 대형이면서 사이즈가 다양한 플래트 패널 디스플레이(FPD)용 유리케이스에서는 사출성형이 아니라 개별사이즈에 대응 가능한 기판재료의 절삭(切削)가공 등이 주류를 이루었다.
FPD 제조공정에 있어서는 생산효율화를 위한 마더글래스의 유리 대형화가 진행되어 메타각 이상의 사이즈가 주류로서 여겨지는데, TFT 어레이 및 그것을 형성하기 위한 원판인 포토마스크의 부가가치가 증가함에 따라 ESD에 의한 묘화(描畵)회로의 손상위험이 커지기 시작해 전리(ioniger) 등에 의한 환경정비와 더불어 핸드링시에 있어서의 보관·반송용기 유래의 정전파괴가 문제시되기 시작했다. 또한 보관·반송용기에 정전기가 발생함으로써 미립자를 끌어들이는 문제가 생겨 디스플레이 같은 표시체에 대한 포장용기의 제전(制電)대책이 불가피해졌다.
유리와 접촉하는 수지부분에 대한 제전성능의 부가에는 몇 가지 방법이 있는데 본고에서는 그 제전기술 개요와 정전기 대책에 대한 수지측면에서의 제언을 해보고자 한다.
2. 수지에 대한 종래의 제전성능 부여기술
대부분의 수지재료는 전기저항이 매우 크고 흡습성이 낮기 때문에 전기절연재료로서는 매우 우수한 성능을 발휘한다. 반면 이것은 수지재료가 일단 대전하면 전하가 장시간에 걸쳐 소산(消散)하는 특성을 지니며, 내용물에 대한 전하전달 가능성을 높이게 되는 경향이 있음을 의미한다. 핸드링시에 유리기판에 대한 완전한 비접촉화는 어렵고, 일반수지와 같은 절연재료가 유리기판에 접촉할 경우 도전재료와 같은 매우 낮은 전기저항률을 갖는 재료와 비슷해져 방전위험은 막을 수 있지만, 절연재료에서 유리기판이 분리될 때 박리대전을 일으켜 미립자를 끌어들일 가능성이 있다.
전술한 대로 반도체 제조공정에 있어서의 반송용기는 도전성 수지를 사출성형하여 생산되어 왔는데, 그때 사용되는 기술은 고분자형 대전방지제 또는 도전성 캐본을 수지에 녹여 넣는 방법이 주가 되었다.
고분자형 대전방지제의 일반적인 기술은 폴리아미드 에테르계 고분자형 대전방지제를 수지에 10∼20% 정도 녹여 넣어 사출성형시의 큰 전단력(剪斷力)을 이용하여 표층부에만 제전네트워크를 근상(筋狀)으로 형성하는 방법이다. 사출성형에서 다용되어 온 해당기술은 FPD용 Flat 제조에서는 그다지 볼 수 없다. 왜냐하면 Flat 압출시의 전단력은 사출성형에 비하면 현저히 작아 사출성형에서 볼 수 있는 고분자형 대전방지제가 잡아 늘여짐으로써 만들어지는 표층부에서의 제전네트워크 형성이 곤란하기 때문이다. 또한 폴리아미드 에테르계 고분자형 대전방지제로는 포토리소 공정에서 사용되는 페리클에 악영향을 주는 질소화합물을 아웃가스로서 생성할 위험성이 있다.
도전성 캐본은 섬유모양 내지 알맹이 모양의 캐본을 함유시켜 그 금속전도성에 의해 전기저항률을 낮추는 기술로, 고분자 대전방지제와 캐본기술은 시인성(示認性) 유무나 요구되는 제전영역 등에 의해 선택되어져 왔다. 섬유모양 캐본의 경우 그 이방성(異方性)으로 인해 캐리어 가공시의 휘어짐이 문제가 되고, 알맹이 모양의 캐본에서는 캐본입자 탈락에 의해 유리기판이나 IC드라이버에 대한 부착이 염려된다.
사출성형은 전술한 대로 Lot가 어느정도 정해지고 형상이 비교적 소형이며 일정한 경우에 유리한 성형방법이고, 대형에 사이즈가 다양한 FPD에서는 중간원료로서 Flat를 사용한 가공방법이 적합하다.
이처럼 FPD용도의 반송케이스에서는 대형 Flat로부터의 절삭가공이 적합한데 Flat에 제전효과를 부여하는 종래기술과 그 문제점은 다음과 같다.
(1) 계면할성제를 녹여 넣는 방법: 시간의 경과·세정(洗淨)에 의해 효과가 없어져 버린다. 계면활성제의 브리드 아웃에 의한 오염성이 높다.
(2) 캐본을 녹여 넣는 방법: 알맹이 모양 캐본의 탈락에 의해 미립자 오염이 발생한다. 흑색 외관이 되어 투명성이 없다.
(3) 표면층 제전코팅 또는 도전층 형성: 내구성은 코팅종류에 의존. 유리 접촉부의 절삭가공이나 찰상에 의해 표면 제전층이 소멸된다. 캐퍼시티 효과에 의해 축전될 가능성이 있다.
FPD용 Flat에서는 오염성 문제 때문에 계면활성제 기술은 주가 되지 못하고, 캐본입자 탈락에 의한 오염 및 요구되는 제전영역의 차이 때문에 캐본기술은 일반적이지 않다. Flat 표면층에만 제전코팅하는 방법으로는 표면과 안쪽면의 제전네트워크가 연결되지 않기 때문에 정전유도가 발생한다. 즉 제전경로 단절이 발생한다. 또한 반송케이스 형태로 절삭가공했을 때는 제전효과가 쇄멸하는 문제가 발생한다. 반송케이스 형태로 가공한 후 제전 내지는 도전층을 형성하는 방법으로는 표면방향에 제한되지만 제전특성은 확보된다. 다만 Bath식 처리가 되기 때문에 비용이 상승해 버린다.
실제로는 절연수지를 단순히 사용하는 경우도 많이 볼 수 있지만, 전리의 신뢰성에 의존하는 것으로 문제의 본질적인 해결은 불가능하고 본래 목표로 삼고 있는 생산가득률조차 달성하지 못할 수도 있다.
3. 신제전기술
크레하 화학공업이 개발한 투명 제전 지속성 플래트「바이욘」은 독자적인 고분자형 대전방지 폴리머를 아크릴계 수지에 녹여 넣어 이온전도를 실현하고, 플래트에 있어서도 3차원적인 제전네트워크를 구축했다. 계면활성제처럼 시간경과에 따른 열화(劣化)없이 제전효과를 장기간 유지할 수 있다.「바이욘」은 수지내부에서 3차원적으로 제전네트워크를 형성하고 있기 때문에 표면에만 제전도막(制電塗膜)을 형성하는 기술과 달리 절삭가공부 및 단부에서의 제전성능도 유지된다. 제전코팅기술로는 효과의 지속성이 도막내구성·환경의존성에 영향을 받지만,「바이욘」은 조성자체에서 대전방지기능을 부가시키고 있기 때문에 만일 수지가 깎인 경우라도 제전효과를 유지할 수 있는 특성을 지닌다. 반송용기에 절삭가공한 후 대전방지도막이나 계면활성제 도포라는 2차 가공이 필요없어 제전용기를 만드는 데 있어서의 코스트다운에 공헌한다.
또한 계면활성제처럼 일시적이면서 세정공정에 의해 효과가 소멸되어 버리는 기술과 달리 「바이욘」은 지속성 대전방지제를 사용하기 때문에 세정시 제전효과가 떨어짐을 볼 수 없다. 보관·반송·세정의 반복이 가능하여 대형화와 함께 한 개당 비용이 올라가는 반송용기에 비해 “재활용 상자”로서 리사이클함으로써 비용삭감을 꾀할 수 있어 고가 반송용기의 장수명화에 기여한다.
기존 고분자형 대전방지제의 특성보다 습도의존성이 낮아 수송시의 습도·온도 등의 계절이나 환경에 의한 영향을 최소한으로 줄일 수 있다. 겨울같은 저온도하에서도 일정한 제전특성을 유지할 수 있는 점도 타제전제어기술과는 다른 특징이다.
또한 대전방지제의 굴절률을 베이스 수지에 맞춰 투명성을 확보하여 반송·보관용기를 열지 않고 외부에서 내용물을 확인할 수 있다. 내용물에 대한 시인성이 가능하기 때문에 반도체나 액정분야의 반송캐리어용도를 중심으로 사용하기 시작하여 사용자의 핸드링성 향상으로 이어지고 있다.
4. 대형 유리기판 캐리어에 요구되는 특성
「바이욘」은 사용할 베이스 수지를 선정함으로써 뛰어난 내마모성(耐磨耗性) 및 높은 접착강도를 실현하여 내용물 반출입에 따른 발진(發塵)을 억제할 필요가 있는 용도에 최적이다.
유리의 대형화에 의해 내용물의 중량이 증가한 결과, 반송용기로서의 신뢰성을 확보하기 위해 용기 접합부에 대한 접착강도 요구수준이 올라가기 시작했다. 지금까지 FPD용 유리기판 케이스에서는 염화비닐수지나 ABS수지, 또는 발포 폴리프로필렌이나 발포 폴리에틸렌 소재가 사용되어 왔는데,「바이욘」에서 사용되는 케이스 수지는 전술한 기존의 수지와 비교하여 훨씬 높은 내마모성과 접촉강도를 발현하고 있다(표 1).
보통 유리반송에서는 제전효과를 부여한 발포 폴리프로필렌이나 발포 폴리에틸렌이 사용되는데, 용기의 재질자체가 부드럽기 때문에 만족스러운 절삭특성을 얻을 수 없다. 패터닝한 후, 재보관할 경우의 제전효과로서도 불충분하여 안정된 제전효과와 내마모성의 관점에서 중간공정에서「바이욘」을 보관·반송용기로서 사용하는 경우도 있다.
또한 표시체인 유리표면에 미립자가 부착하면 투과율 저하나 점결함 발생이라는 불량모드의 증가, 캐본입자의 경우에는 회로쇼트 등이 발생한다. 미립자 부착에 대해서는 캐리어의 재질선정 뿐만 아니라 크린룸 내 설치하는 전리의 종류나 위치, 사용하는 각 부재의 대전방지처리 등에 대한 종합적인 대책도 필요한데, 보관·반송용기에 대해서는 용기가 깎여 미립자화되는 것을 억제하고, 용기자체가 대전하여 미립자를 끌어들일 위험을 억제하기 위한 두 가지 대책이 필요하다. 기본적으로 부드러운 수지는 깎이기 쉬워 미립자화되기 쉽다. 「바이욘」은 수지로서 단단한 재질에 속하여 유리처럼 단단한 재질물의 반출입시에 미립자가 발생하기 어렵다는 특징을 지닌다. 미립자 생성에 대해서는 뛰어난 동성(動性), 즉 ‘미끄러짐’ 특성이 효과를 발휘하는 경우가 있는데 그 경우에는 후술할 내용물에 대한 정전파괴의 문제가 염려된다.
유리기판용기로서 알루미늄 케이스가 사용되는 경우가 있는데 알루미늄은「바이욘」같은 수지에 비해 열전도율이 높아 중온에서 저온으로 용기환경을 바꿨을 때 내부 유리표면에 결로현상이 일어날 위험이 있다. 알루미늄 케이스의 밀폐성을 낮추면 통기가 되어 결로발생 가능성은 줄지만 밀폐성이 좋지 않은 용기는 미립자 혼입의 요인이 되어 버리므로 적절하지 못하다.「바이욘」은 이소프로필알콜(IPA)에도 내성이 있기 때문에 순수세정이외에도 세정효과를 높이기 위한 IPA세정에도 모두 대응 가능하다.
금후 FPD에서는 메타각 이상의 유리사이즈가 주류가 되고 있어 반송용기에 대한 요구특성도 높아져 갈 것이다.「바이욘」은 시인성·제전성·고(高)내마모성·고접착강도의 기능을 지닌 고성능 반송용기를 제공함으로써 미립자나 정전파괴 문제를 저감시켜 FPD 제조공정에 있어서의 생산가득률 향상에 기여하고 있다.
또한「바이욘」은 그 우수한 성능이 인정되어, 금년「제 9회 Advance Display of The Year 2004」에서 제조장치부문 우수상을 수상했다. 이 상은 파인테크재팬을 주최하는 리드엑시비션재팬 주식회사가 1996년 만든 것으로서 금년으로 9회째를 맞는다. 과거 1년간 개발된 FPD관련 우수제품을 선고·표창하여 널리 세상에 발표해서 각 관련업체의 공적을 칭찬하여 FPD업계의 발전에 크게 기여함을 목적으로 한 것으로서 이제껏 다른 제품에서는 볼 수 없었던「바이욘」만의 독자적인 성능이 평가된 결과라고 생각한다.
5. FPD 제조공정에 있어서의 유리기판 정전파괴 매커니즘
소다나 무알칼리, 합성석영 유리기판은 일반적으로 절연재료로 알려져 있다. FPD 제조공정에서는 절연성인 유리기판 위에 크롬이나 실리콘 등의 도전재료를 탑재하여 묘화하기 때문에 대전한 유리의 전하가 전도층을 경유하여 급격히 흐르면 그 도전층이 증발하거나 방전흔이 남거나 하는 결함이 발생한다. 포토마스크로 사용되는 크롬의 경우, 특히 가늘고 긴 패턴에서는 이러한 결함이 현저히 발생하는 경향이 있다.
정전기 발생을 제로로 만드는 일은 매우 어렵고 대책으로서는 우선 전하 발생량을 어떻게 억제시키는가, 그리고 발생된 전하를 얼마나 천천히 소산시키는가 하는 방법이 강구된다. 구체적으로는 체적저항률 제어에 의한 대전방지영역의 제전수지로 유리전하를 없애는 것이다. 유리를 반출입할 때 용기에 전혀 닿지 않고 핸드링하는 것은 불가능하여 유리와 용기 사이에서 마찰대전과 박리대전이 불가피하게 발생한다. 원래 유리와 이(異)재질이 접촉하는 것만으로 접촉대전이 발생하고 그런 경우의 대전량은「바이욘」같은 제전수지를 사용함으로써 억제 가능하다. 유리와 같은 대전렬(列)을 갖는 수지로 용기를 만들면 접촉·마찰·박리대전은 발생하지 않지만 접촉강도·내마모성, 외부로부터의 미립자 혼입을 막기 위한 제전성능의 부여가 문제로 남는다. 전술한 뛰어난 동성을 지닌 것 중에는 PTFE가 단연 돋보이는데 고분자형 대전방지제가 PTFE수지의 가공온도에서 파괴되기 쉬워 제전성능이 부여될 수 없고 대전렬도 유리와 떨어진 곳에 위치한다. 대전렬이 떨어져 있다는 것은 유리기판 핸드링시 유리기판과 PTFE수지 양쪽의 대전량이 커져 대전량이 큰 유리기판은 보다 높은 미립자부착위험을 갖게 됨을 의미한다.
한편, 보통 캐본을 사용하면 도전성은 10 Ω 이하의 저항치가 되어 대전한 유리가 용기 표면에 가까워지면 스파크가 일어나 유리기판상의 패턴이 손상될 위험이 있다. 대전방지영역의 제전성능이라면 방전위험은 경감된다. 통상의 캐본기술에 있어서 ‘너무 낮은 전기 저항률’은 FPD용 유리기판에는 부적격하다고 생각한다. 유리기판에 도체로 묘화하는 구조는 FPD만의 특성으로서 반도체에서는 포토마스크 이외에는 볼 수 없는 공정인데 90nm라는 초미세 피치 반도체 디바이스용 포토마스크의 보관·반송케이스가 똑같이 대전방지영역의 저항률이기 때문에 그 효과는 실증되어져 있고 캐본기술의 도전영역이 아니라「바이욘」같은 대전방지영역이 유리접촉부재로서는 적합하다고 할 수 있다. 원래 흑색물질을 필러(filler)로서 사용하는 캐본재료를 표시체 트레이(tray)나 캐리어로서 사용하는 것 자체가 금후에는 일반적인 것이 못된다.
표면층에만 도막 등으로 제전네트워크를 형성한 경우 제전경로가 한정되어 있기 때문에 전하의 이동이 제한된 범위에서 재빨리 이루어지게 된다. 표면저항률 제어만의 기술은 크린룸 칸막이로서는 사용되지만 유리기판 캐리어로는 부적합하다.「바이욘」으로 발현되고 있는 체적저항률의 제어라면 제전경로가 3차원적이기 때문에 천천히 전하를 소산시킬 수 있다. 용기 외부로부터의 전하에 대해서도 마찬가지여서 내용물로의 전하이동을 최소한에 그치게 하여 제전수지 용기의 오염을 섬유 등으로 닦았을 때, 대전한 미립자를 끌어들일 위험을 줄일 수 있다.
6. 맺음말
FPD용 기판의 대형화에 따라 횡형(橫型)반송이나 핸드링 자체가 곤란해져 소재성능과 더불어 용기의 모양이나 설계에도 연구가 필요해지기 시작했다.「바이욘」은 가공법 선택에 따라 용기의 경량화에 의한 핸드링성 향상, 운송시의 밀폐성 부여, 주문사이즈 더욱이 소량주문에 대한 대응이 가능해진다.
「바이욘」은 금후 더욱더 수요가 늘어날 FPD 제조공정에 있어서의 제전대책 및 패널 생산가득률 개선에 기여할 수 있는 상품이라고 생각한다. 액정분야의 포토마스크 케이스나 어레이 기판 케이스, 칼라 휠터 케이스, 크린룸 관련 경계판, 전자기기나 배기, 폐액장치 등의 각종 장치부재, 외장판 등에 널리 쓰일 것이라고 기대한다.
-[출처: 월간 반도체]
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