JP4421882B2 - 含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコンウエハーの製造過程で発生するＳｉＣスラッジを製鋼用ペレットとして使用する含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法に係り、更に詳細には、シリコンウエハーの製造過程で油系の処理液を使用したときに発生する含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法に関する。

従来、電子材料として使用するシリコンウエハーは、シリコン多結晶やシリコン単結晶のインゴットを切断（カッティング）して製造されている。この切断には、通常ワイヤーソーが使用され、加工時には、ＳｉＣ砥粒が添加された水系又は油系の加工液が切断箇所に供給されている。
このようにして切断を行った場合、その加工時にＳｉＣ砥粒や加工屑等を有するＳｉＣスラッジを含んだ処理液が発生するため、この処理液中からＳｉＣスラッジを回収し、再利用又は廃棄している（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−２０１８１９号公報

しかしながら、前記従来のＳｉＣスラッジの処理には未だ解決すべき以下のような問題があった。
水系の処理液中からＳｉＣスラッジ（以下、含水ＳｉＣスラッジともいう）を分離し回収することは容易であるが、油系の処理液中からＳｉＣスラッジ（以下、含油ＳｉＣスラッジともいう）を分離し回収する作業は、含水ＳｉＣスラッジを回収するときと比較して手間がかかり作業性が良好でない。また、回収した含油ＳｉＣスラッジは、ハンドリング（例えば、搬送等）が困難な上、油を含んでいるため利用が難しく、また無害化処理のために高い費用がかかっているのが現状である。
また、有効利用による処理コストの削減を目的とし、需要の安定性及び使用量の大きさを考慮し、製鋼用資材への利用を目指す場合、ハンドリングのし易さ及び強度の確保が必要であった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、製鋼用資材としての品質保持をしながら、ハンドリング性を良好にし、強度を高めた製鋼用ペレットとする含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う請求項１記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法は、シリコンウエハーの製造過程で発生するＳｉＣ砥粒を有する含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法であって、前記含油ＳｉＣスラッジに結合材を混ぜ、加熱し固化させてペレット化し、これを溶鋼に添加される製鋼原料として使用する。
請求項１記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法において、含油ＳｉＣスラッジとは、例えば、油系の処理液中に含まれていたものであり、ＳｉＣ砥粒を主体（例えば、５０質量％以上、好ましくは７０質量％以上、更に好ましくは８０質量％以上）とし、他にシリコンウエハーの製造時に発生するＳｉ、ＳｉＯ₂等を含むものである。
また、結合材としては、例えば、熱可塑性樹脂、熱可塑性プラスチック、タール等を使用することができる。

請求項２記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法は、請求項１記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法において、前記結合材は廃トナーである。
請求項２記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法において、廃トナーとしては、例えば、電子写真法による複写機やプリンターで使用した後のカートリッジに装入され廃棄されたもの、また、トナーの製造工場で品質基準を満足できず不良品として取り扱われたもの等を使用できる。

請求項３記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法は、請求項１及び２記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法において、前記含油ＳｉＣスラッジは、前記シリコンウエハーの製造過程で発生する処理液を沈降槽に供給し、沈降させて回収される。
請求項３記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法において、沈降槽としては、例えば、重力により固液分離を行う槽等を使用できる。

請求項４記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法は、請求項３記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法において、前記含油ＳｉＣスラッジは、更に前記沈降槽内の前記処理液の上澄み層を固液分離して回収する。
請求項４記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法において、固液分離を行う装置としては、例えば、フィルタプレス、遠心ろ過機等を使用することができる。

請求項５記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法は、請求項１〜４記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法において、前記含油ＳｉＣスラッジに混ぜる前記結合材量は、前記含油ＳｉＣスラッジの質量の１〜１０質量％である。
請求項５記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法において、含油ＳｉＣスラッジに混ぜる結合材量が、含油ＳｉＣスラッジの質量の１質量％未満の場合、含油ＳｉＣスラッジに対する結合材量が不足し、製鋼原料として使用できる程度の強度が得られない。一方、結合材量が、含油ＳｉＣスラッジの質量の１０質量％を超える場合、含油ＳｉＣスラッジに対する結合材量が過剰になり、製鋼原料として使用できる程度の品質を維持できない。
従って、製鋼原料として使用できる程度の強度及び品質を満足するには、含油ＳｉＣスラッジに混ぜる結合材量を、含油ＳｉＣスラッジの質量の３〜９質量％とすることが好ましく、更には５〜９質量％とすることが好ましい。

請求項６記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法は、請求項１〜５記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法において、前記ペレット化は、前記結合材の添加により前記含油ＳｉＣスラッジに含まれる液量を調整し混練した後、この混練物を造粒機で造粒している間又は造粒した後に加熱し、更に空冷及び水冷のいずれか一方により固化させて行う。
請求項６記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法において、含油ＳｉＣスラッジと結合材との混練には、例えば、パグミル、フレットミル、マルチマル、シリンドリカルミル、アイリッヒミキサ、ボールミル、ニーダー等の攪拌機を使用することができる。
また、造粒機としては、例えば、パンペレタイザー、ドラム型造粒機、コンクリートミキサ、押出し造粒機等を使用することができる。

請求項１〜６記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法は、ＳｉＣ砥粒を有する含油ＳｉＣスラッジを製鋼原料として使用するので、従来のように、例えば、含油ＳｉＣスラッジを無害化処理した後に廃棄するという作業を行うことなく、有効利用を図ることができる。従って、資源の再利用を行うことができると共に、トータルコストの低減も図ることができ経済的である。
特に、請求項２記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法は、結合材として廃トナーを利用するので、廃トナーの有効利用を図ることができ、しかも資源の有効活用も図ることができ経済的である。

請求項３記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法は、シリコンウエハーの製造過程で発生する処理液を沈降槽に供給し、沈降した含油ＳｉＣスラッジを回収するので、含油ＳｉＣスラッジの分離回収作業が容易である。
請求項４記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法は、上澄み層からも含油ＳｉＣスラッジを回収するので、含油ＳｉＣスラッジの回収率を高めることができ経済的である。
また、含油ＳｉＣスラッジを、沈降槽とは別に、例えば固液分離を行う装置を用いて回収することができるので、分離作業を効率的に行うことができ、処理に要する時間も短縮できる。
請求項５記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法は、含油ＳｉＣスラッジに混ぜる結合材量を設定するので、製鋼原料として適した成分、物性等を有する製鋼原料を製造できる。

請求項６記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法は、含油ＳｉＣスラッジに結合材を添加して、含まれる液量を調整し混練するので、予め含油ＳｉＣスラッジに含まれる液量の微調整を行うことなく、造粒に必要な液量に調整することができる。
また、混練物を、造粒機での造粒中に加熱することで、含油ＳｉＣスラッジに対して、流動状態となった結合材を略満遍なく混合できる。なお、造粒機での造粒後に加熱することで、造粒物の内部で結合材を流動状態にでき、造粒物の全体にわたって略満遍なく結合材を行き渡らせることもできる。これにより、強度を高めたペレットを製造できる。
更に、加熱後の造粒物を空冷又は水冷するので、結合材の固化を短時間に実施でき、ペレットからの結合材の流れ出しを抑制、更には防止し、ペレットの強度を更に高めることができる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１は本発明の一実施の形態に係る含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法の説明図である。

図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法は、シリコンウエハー（シリコン板）の製造過程において、例えば、シリコン多結晶やシリコン単結晶のインゴット（シリコンインゴット）を、ワイヤーソー等を使用して切断するときに発生する含油ＳｉＣスラッジ（含油スラッジ）に廃トナー（結合材の一例）を混ぜ、加熱し固化させてペレット化し、これを製鋼原料として使用する方法である。以下、詳しく説明する。

シリコンウエハーは、インゴットをワイヤーソー等を使用して切断することで製造される。この加工時には、例えば、鉱油をベースとしたオイル（油性クーラント）に粒径が５〜１５μｍ程度（この実施の形態では１０μｍ程度）のＳｉＣ砥粒を分散させたスラリー状の油系の加工液が、インゴットの切断箇所に供給されている。このため、使用後の処理液中には、ＳｉＣ砥粒や加工屑等を有する含油ＳｉＣスラッジが含まれる。なお、この含油ＳｉＣスラッジは、例えば、ＳｉＣ成分が７０質量％以上（この実施の形態では８０質量％）、インゴットの切断時に発生するＳｉ成分が１０質量％以下（この実施の形態では２質量％）、残部がＳｉＯ₂成分、ワイヤーソーを構成するＦｅ成分等を含むものである。

この処理液を、沈降槽の一例である鉄製（ステンレス製）容器に入れて、例えば十時間以上（この実施の形態では１日）静置し、鉄製容器の底部に沈降させた含油ＳｉＣスラッジを、鉄製容器の底から抜き出し回収する。また、鉄製容器内の処理液の上澄み層にも、固形物である含油ＳｉＣスラッジが含まれているので、この上澄み層を回収し、これを例えば、フィルタープレスや遠心分離機等の固液分離装置にかけて固液分離し、上澄み層から含油ＳｉＣスラッジを分離し回収する。
ここで、鉄製容器及び固液分離装置で回収された含油ＳｉＣスラッジ中の液体含有率は、後工程での処理を考慮し、例えば、固液分離装置にかける時間を調整したり、また乾燥手段を使用することで、例えば２０質量％以下、好ましくは１５質量％以下にされている。

次に、回収された含油ＳｉＣスラッジを攪拌機に投入し、更に含油ＳｉＣスラッジの質量の１〜１０質量％の廃トナーを攪拌機内の含油ＳｉＣスラッジに混ぜる。この廃トナーの添加割合は、含油ＳｉＣスラッジの液体含有率や製造するペレットの強度を考慮すれば、５〜９質量％にすることが望ましい。なお、廃トナーとしては、例えば、電子写真法による複写機やプリンターで使用した後のカートリッジに装入され廃棄されたもの、また、トナーの製造工場で品質基準を満足できず不良品として取り扱われたもの等を使用でき、この廃トナーに含まれる例えば低分子ポリスチレン等が、含油ＳｉＣスラッジの各粒子を結合する役目を果たしている。ここで、廃トナー中にマグネタイト等の鉄成分が含まれている場合には、これを鉄源として利用することも可能である。
また、攪拌機としては、例えば、パグミル、フレットミル、マルチマル、シリンドリカルミル、アイリッヒミキサ、ボールミル、ニーダー等を使用できる。

このように、含油ＳｉＣスラッジに廃トナーを添加し混合することで、含油ＳｉＣスラッジに含まれる液量、即ち混合物全体に含まれる油分及び水分を、それぞれ５質量％以下程度（この実施の形態では３質量％）に調整し、更に攪拌機を使用することで含油ＳｉＣスラッジと廃トナーとを混練する。
この混練されたもの（混練物）は、造粒機に投入され、造粒された造粒物の粒径が例えば５０ｍｍ以下程度となるように、水分及び造粒時間を調整しながら造粒処理が行われる。なお、造粒機としては、例えば、パンペレタイザー、ドラム型造粒機、コンクリートミキサ、押出し造粒機等を使用できる。

造粒が終了した後、造粒物を造粒機から取り出し、直ちに加熱炉等に投入して加熱処理する。なお、加熱処理には、水を沸騰させて発生させた蒸気等を使用することも可能である。この加熱は、造粒物の温度が５０〜９０℃の範囲になるように行う。ここで、造粒物の温度が５０℃未満の場合、廃トナー中の低分子ポリスチレンを十分に溶解させることができず、造粒物を構成する粒子間の結合が不十分となり、最終製品の強度を高めることができない。一方、造粒物の温度が９０℃を超える場合、廃トナー中の低分子ポリスチレンが溶解し、造粒物中から溶け出す可能性があり、やはり最終製品の強度を高めることができない。
なお、加熱処理は、造粒機に加熱手段を設け、造粒中に行うことも可能であり、また造粒中から造粒後にかけて行うことも可能である。

造粒物の温度が５０〜９０℃の範囲に達した後、引き続き冷却処理を施す。この冷却方法としては、冷風を造粒物に吹きかける空気中での冷却（空冷）でもよいし、水中に造粒物を投入する冷却（水冷）でもよい。
このように、溶解した低分子ポリスチレンを固化（固結）させてペレット化することで、その強度を高めることができる。
そして、このペレット化されたものを、篩選別機にかけて篩分けし（篩分）、粒径が例えば５０ｍｍ以下のものをＳｉＣペレットとして回収し、製鋼原料として使用する。なお、粒径が細かい方が最終製品の強度を高めることができるため、粒径の下限値については規定していないが、歩留り等を考慮すれば、例えば２ｍｍ以上とする。
以上の方法により製造されたＳｉＣペレットを、例えば、電気炉等を用いて製造した溶鋼に添加される製鋼原料として使用することで、従来のように、例えば、含油ＳｉＣスラッジを無害化処理して廃棄することなく、有効利用を図ることができる。

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
まず、シリコンウエハーの製造過程で発生する処理液から回収したＳｉＣ砥粒を有する含油ＳｉＣスラッジに、廃トナーを５質量％、９質量％それぞれ添加し混練したものを、円筒形の容器内に投入し圧縮成形した２種類のタブレットＡ及びタブレットＢを作製した。なお、各タブレットは、円筒形のものであり、成型時における加圧は、各タブレットの面積である８ｃｍ²あたり１０００ｋｇで行った。ここで、各タブレットの廃トナーの配合率、タブレットの重量、サイズ（直径φ、厚みＬ）、及び密度を表１に示す。

この各タブレットを使用し、加熱処理及び冷却処理の影響について検討した。ここで、加熱処理は、蒸気又は乾燥器を用いて行い、冷却処理は、水での急冷（水冷）、又は空気中での放冷（空冷）により行った。この各処理条件の組み合わせを表２に示す。なお、表２中のケース１（加熱処理なし、水冷処理なし）は比較例である。

以上の各条件で作製された各タブレットの強度を評価するため、各タブレットを３０ｃｍの高さから鉄板上に落下させ、１／３以上が割れるまでの落下回数測定する落下試験を行った。ここで、落下強度は、ハンドリングに対する抵抗力に相当する。なお、強度の評価は、破壊までに要する落下回数が２０回以上で、製鋼原料としての条件を満足できると判断している。その結果を表３に示す。

表３から明らかなように、比較例である加熱処理及び冷却処理を行わないケース１のタブレットＡ、Ｂは、十分な強度が得られないことが分かった。また、ケース４のように、タブレットＡ、Ｂを乾燥器で乾燥させた後、冷却を行うことで、強度を向上できることを確認できたが、ケース２及びケース３のように、タブレットＡ、Ｂを蒸気により加熱した後、冷却する方法でも、製鋼原料として満足できる強度が得られたため、短時間で強度を発現できることを確認できた。そして、ケース３のように、冷却速度を速くすることで、ケース２と比較して落下強度を更に向上できることを確認できた。更に、タブレットＡとタブレットＢとを比較した場合、廃トナーの添加量を増加させることで、落下強度も向上させることができることを確認できた。
以上のことから、本実施の形態で作製されたタブレットは、製鋼用資材としての品質を保持でき、しかも強度が高く製鋼原料として適したものとなることを確認できた。

以上、本発明を、一実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
また、前記実施の形態においては、結合材として廃トナーを使用した場合について説明したが、他の結合材、例えば、熱可塑性樹脂、熱可塑性プラスチック、タール、又はこれらを含むもの等を使用することも可能である。この場合、加熱温度は、各結合材の種類に応じて適宜調整する。
そして、前記実施の形態においては、鉄製容器内の処理液の上澄み層からも含油ＳｉＣスラッジを回収した場合について説明したが、例えば、上澄み層がほとんど無い場合等には、上澄み層からの含油ＳｉＣスラッジの回収を省略することも可能である。

本発明の一実施の形態に係る含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法の説明図である。

Claims (6)

1. シリコンウエハーの製造過程で発生するＳｉＣ砥粒を有する含油ＳｉＣスラッジの利用方法であって、
   前記含油ＳｉＣスラッジに結合材を混ぜ、加熱し固化させてペレット化し、これを溶鋼に添加される製鋼原料として使用することを特徴とする含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法。
2. 請求項１記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法において、前記結合材は廃トナーであることを特徴とする含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法。
3. 請求項１及び２のいずれか１項に記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法において、前記含油ＳｉＣスラッジは、前記シリコンウエハーの製造過程で発生する処理液を沈降槽に供給し、沈降させて回収されることを特徴とする含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法。
4. 請求項３記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法において、前記含油ＳｉＣスラッジは、更に前記沈降槽内の前記処理液の上澄み層を固液分離して回収することを特徴とする含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法において、前記含油ＳｉＣスラッジに混ぜる前記結合材量は、前記含油ＳｉＣスラッジの質量の１〜１０質量％であることを特徴とする含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法において、前記ペレット化は、前記結合材の添加により前記含油ＳｉＣスラッジに含まれる液量を調整し混練した後、この混練物を造粒機で造粒している間又は造粒した後に加熱し、更に空冷及び水冷のいずれか一方により固化させて行うことを特徴とする含油ＳｉＣスラッジの有効利用方法。

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