Glass 재료의세정및 에칭조건에따른표면상태고찰 업체 : 전영일자 : 2006. 2. 10 발표자 : 이을규
목 차 1. 회사소개 & 사업분야 2. Surface Tech. 3. Glass 재료의표면처리기술 (1) 유기물세정 (2) 무기물세정 Glass 세정 - 불산대체의필요성 - Frost Etching -Etching 조건에따른표면상태의변화 ( & thickness)
사업분야 전영소개 끊임없는도전과기술개발로표면처리분야의선도적역할을목표함. 사업분야 반도체, FPD 세정제 ( Semiconductor, FPD cleaning Chemical) TCE 대체 / 정밀수계세정 System ( Water based precise cleaning system substitution for TCE) 불산대체 wafer/ 유리에칭세정제 ( Wafer/Glass etching cleaning agent for Hydro fluoric acid) 알루미늄정밀에칭제 ( Aluminium precision etchant) 질산대체 ALDC 표면처리제 ( ALDC surface Treatment agent substitution for Nitric acid) 산세부식억제제 ( Pickling inhibitor)
Surface Tech. 표면처리기술이란 particle : 기초표면처리기술은찌든때 (Oil & 산화막 ) 를 벗기고, 새옷 ( 도료 도금 피막 ) 을입히기위한 세정 - 에칭 - 도금으로크게 3 단계를의미한다. Oil MeO X 세정에칭 세정 : 각종절삭유 연삭유 가공유등의오일뿐아니라, carbon 금속particle 등의무기물질까지제거하는것을세정이라함. 단순탈지의개념이아님. 에칭 : 표면의산화막을제거하기위해, 표면적을넓혀도장이나도금시에밀착성을좋게하기위해, 소재에패턴을형성시키기위해하는작업으로소재의표면을에칭하기위해서는소재보다더강력한산화력을가진물질을사용함. 도장 & 도금 : 새옷을입혀서소재가산화되거나녹쓰는것을방지하기위함. 페인트를칠하거나 ( 도장 ), 표면을강제로산화시켜더이상의부식이되는것을차단시켜주기도하고 (Anodizing), 녹을방지하기위해소재표면에강력한산화력을가진크롬액에침적해서크롬산화막을표면에형성시키기도함 (Chromate).
유기물세정 유기물세정의기본원리 Oil 알칼리 (Alkali) : 비누화 : 지방유, 지방산을검화시켜생성된비누가습윤제로작용하여 침투, 분산, 유화작용. (R-COO) 3 C 3 H 5 + 3NaOH 3RCOONa( 비누 ) + C 3 H 5 (OH) 3 유화 (Emulsification) : 분해 탄화수소계 (x30) : 수중유적형 (O/W), 유중수적형 (W/O) 용제 (Solvent) : 용해 : 유기물세정만가능. 무기입자는잔류함. 솔벤트 (x30) 탄화수소계 vs 솔벤트 vs 수계세정의세정력비교 (sus304 전자총부품 ) I.C ( μg /25개) 부착유분 SEM/EDS 시료명 Cl - ( μg /25개) ( 잔탄함량 : μm 2/ mm2 ) 탄화수소계세정 35 1,300~1,450 4,000 수계 (x30) TCE 세정 28 800~900 2820 수계세정 1.3 130 90
Wafer/Glass 표면의유기물세정 세정조건및결과 세정대상조건세정세정전 (x200) 세정후 (x200) 광학적분석을통한세정력비교 약 품 KOH based solution 농도 10 ~ 20 % 온도 50 ~ 60 시간 3 ~ 5 min 방법침적 or 초음파 세정전 후 glass 표면의투광도 (UV-Vis spectrum) 세정전 후 glass 표면의접촉각 Transmittance (%) 100 90 80 After Before Before After 40.4 ⁰ 22.9 ⁰ 70 400 500 600 700 800 Wavelength (nm)
무기물세정 무기물세정의기본원리 산화반응 : 무기물의세정은유기물과달리, 흔히산화제 ( HF, HNO 3, HCl, H 2 SO 4, 유기산 ) 를선택적으로이용하여소재표면의불순물, 산화막제거가이루어진다. 이때사용되는산화제는금속의상태와얻고자하는표면조건에따라달라지며, 단독또는혼산 ( 例 : STS의경우HF+HNO 3 ) 의형태로사용될수있으며, 소지 () 의보호를의해각종 inhibitor ( 부식억제제 ), 또는 accelator( 촉진제 ) 가선택적으로사용된다. 각종금속은그자체의고유한산화전위를가지고있으며, 금속이산화되어 (Me MeOx) 있을경우산화막제거는표준전위이상의더높은산화에너지를가진산화제의선택을필요로한다. Multi layer Oxide Oxidation 금속의표준산화전위 [ E o (v) ] 산화제의 Ka 값 반응 E o 반응 E o Sn 2+ Sn 4+ + 2e - + 0.15 v Al Cu 3+ + 3e - - 1.66 v Cu Cu 2+ + 2e - + 0.337 v Cr Cr 2+ + 2e - -0.60 v Fe 2+ Fe 3+ + 3e - + 0.771 v Ni Cu 2+ + 2e - - 0.23 v Co 2+ Co 3+ + e - + 1.82 v Zn Zn 2+ + 2e - - 0.763 v Au Au 3+ + 3e - + 1.50 v Pb Pb 2+ + 2e - - 0.126 v 산화제 산해리상수 (Ka) H 2 SO 4 2.4X10 6 HF 10 10 HBr 10 9 HCl 10 7 HNO 3 200 HClO 4 10 10
표면의활성화 : 무기물로구성된소재위에유기물또는탄소나각종무기 particle이존재할경우효율적세정을위하여소재표면의에너지를높여주는활성화가요구될경우가많고, 활성화된표면은세정및 Etching에현저한영향을미친다. Thin Metal Oxide (Me x O y ) Particle 산처리 Acid activation 세정 or Etching Etching : 금속표면의일부를화학적으로용해제거하는공정으로얕은식각이이에해당한다. 금속표면은 Etching 공정을 통하여표면적이극대화되고이는도장이나도금시코팅물질과의밀착성을증대시킨다. Metal Oxide 산처리 Etching 표면의친수화 밀착성증대
무기물세정의실예 내용세정전세정후 Simulation 산화막제거 Metal Oxide (NiOx + FeOy) ( 백라이트전극 ) Su b 42Ni Alloy Su b 증착막제거 ( 핸드폰 아크릴필름 ) Su b 코팅Cr 아크릴 Su b 증착막제거 금속증착층 (Cr, Ti) (Beam projector 반사판 ) Su b Glass Su b EDX
GLASS 세정 GLASS 세정의목적 GLASS 표면의유기물및무기물의세정 소재표면의친수화를통한코팅밀착성확보 코팅불량품의재세정 현황및방법 Hydrophilic OH OH OH OH SiO 2 주로불산 (HF) 를이용 Mechanism : 4HF(l) + SiO 2 (s) SiF 4 (g) + 2H 2 O 3SiF 4 + 3H 2 O 2H 2 SiF 6 (s) + H 2 SiO 3 (s) 불산 (HF) 사용시나타나는문제점및 HF 대체 Glass Etchant 개발배경 작업의위험성 악취로작업기피 이직률이높음 불산 (HF) 설비부식이심함 노후가빠름 유기물세정력이없음 불균일에칭으로 부식불량 규제대상물질 오염이심함 폐수처리의어려움
HF 대체 Glass Etchant 를이용한표면처리의실예 Glass 세정후표면 Image 와표면조도 H F H 2 SO 4 based glass etchant SEM (x200) 표면조도 Ra=0.01 μm Ra=0.005 μm
Glass Frost Etching process 현상조건 Etching Before After HCl based solution 농도원액 온도 20 ~ 30 시간 10 ~ 20 s 방법침적 HF vs HCl based frost etching 표면비교 약 품 H F HCl based glass etchant 표면이거침 표면이굵고평편함
Etching 조건에따른 glass 표면상태의변화 FPD(Flat Panel Display) 의초슬림화 1966. 8월 LG 에서최초의흑백 TV를생산하면서 40년동안디스플레이산업이급성장하였다. CRT, LCD, 유기 EL OLED, PDP, LED 디스플레이산업이 wide screen(7세대 :1870 X 2200mm) 화됨과더불어초경량화, 초슬림화가요구되어지고있다. 1 세대 차세대 (8,9 세대 ) 초경량화 초슬림화 HF & Organic Acid based Glass Etchant 를이용한 Glass 슬림화실험조건 불산 Etchant Glass (0.6 T) 농 도 10 % (55% HF) Organic Acid based Glass etchant 온도 30 30 시간 100, 200, 300 min 100, 200, 300 min 방법침적침적
HF vs Organic Acid based Etchant(Formula 1) 로에칭된 Glass 표면의상태변화 Etchant Dipping Time Thickness Image 0.6 T Ra=0.002 μm 4.00 NanoFocus AG Profile 3.00 0.6T Glass 0 min 2.00 677 μm 1.00 0.00 0.50 µm -1.00 0.0 24.0 48.0 72.0 96.0 120.0 0.5 T Ra=0.060 μm NanoFocus AG 21.00 Profile HF 100 min 15.00 9.00 514 μm 3.00-3.00 3.00 µm -9.00 0.0 126.0 252.0 378.0 504.0 630.0 0.5 T Ra=0.010 μm NanoFocus AG 21.00 Formula 1 100 min 15.00 Profile 9.00 538 μm 3.00-3.00 3.00 µm -9.00 0.0 126.0 252.0 378.0 504.0 630.0
HF vs Organic Acid based Etchant(Formula 1) 로에칭된 Glass 표면의상태변화 Etchant Dipping Time Thickness Image 0.4 T Ra=0.135 μm 72.00 NanoFocus AG Profile 56.00 HF 200 min 40.00 24.00 418 μm 8.00 8.00 µm -8.00 0.0 126.0 252.0 378.0 504.0 630.0 0.4 T Ra=0.480 μm 32.00 NanoFocus AG Profile 24.00 Formula 1 200 min 16.00 444 μm 8.00 0.00 4.00 µm -8.00 0.0 126.0 252.0 378.0 504.0 630.0
HF vs Organic Acid based Etchant(Formula 1) 로에칭된 Glass 표면의상태변화 Etchant Dipping Time Thickness Image 0.3 T Ra=0.349 μm NanoFocus AG 28.00 HF 300 min 20.00 12.00 Profile 371 μm 4.00-4.00 4.00 µm -12.00 0.0 126.0 252.0 378.0 504.0 630.0 0.3 T Ra=0.076 μm 32.00 NanoFocus AG Profile Formula 1 300 min 24.00 16.00 344 μm 8.00 0.00 4.00 µm -8.00 0.0 126.0 252.0 378.0 504.0 630.0
응용분야 Glass/Wafer 세정 Frost etching : 고급스러운분위기를연출할수 있으므로인테리어분야에다양한접목가능 유리에칭 : 초슬림화추세에맞추어진 PDP, LCD, 핸드폰등각종생활가전에응용가능
결 론 1. 유기물의세정 1) 분자량에따른화학적조건변화 a. 분자량이작은 light oil( 절삭유, 가공유 ) > 중성탈지제 or 계면활성제 type의탈지제 b. 분자량이조금큰 medium oil( 인발유, 압연유 ) -> 산성탈지제 or 약알카리탈지제 c. 분자량이높은 heavy oil( 버퍼유, 퀀칭유 ) -> 강알카리성탈지제 or 강산성탈지제 2) 그밖에온도, 시간, 물리적 force 등의 control로세정능력변화가능 2. 무기물의세정 1) 모재와소재에손상여부에따른화학적조건변화 a. 모재부식이없어야하는경우 : 재질의이온화에너지 < 세정제의산화에너지 < 모재의이온화에너지 b. 모재부식이허용되며, 적당한표면조도가필요한경우 : 재질과모재의이온화에너지 < 세정제의산화에너지 c. 모재부식이허용되며, 대폭적인산화막제거가필요한경우 : 직접모재에침투하여분리할수있는강산화력을가진세정제 3. 유리세정및부식에따른표면개질 최소한의산화제를선택적으로사용하여유리표면에친수기 (Si-OH) 를부여함으로써, 이후유전체및코팅재료도포시코팅성을높여야함. Etching rate는높이면서넓은면적에도균일한표면조도를부여할수있는화학적 물리적조건의창출이요구됨. 4. 친환경적 SYSTEM 대기및인체에악영향을미치는유해가스의발생을없애고, 모재의손상을최소화하며선택적효과를극대화할수 있는친환경적시스템구축필요.