KR100873940B1 - 고순도 산화세륨 분말 그 제조 방법 및 이를 포함하는씨엠피 슬러리 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 중간물질인 세륨 나이트레이트 수화물(Ce(NO3)3·6H2O)을 고순도로 형성하여 산화세륨(CeO2)을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 세륨 클로라이드 조성물에 수산화나트륨을 적정하여 상등액과 침전물로 구분하여 상기 침전물을 회수하고, 상기 침전물에 함유된 프라세오디움(Pr)을 저감하도록 과량의 정제수를 미세 분사하고 여과하여 고상의 세륨 전구체를 수득하고, 상기 세륨 전구체에 질산을 적정하여 형성되는 세륨 나이트레이트 수화물을 사용하여 산화세륨을 제조하며, 수산화나트륨 적정에 의한 정제 및 과량의 정제수의 미세 분사에 의한 수세에 의해 고순도화된 세륨 나이트레이트 수화물을 중간물질로 사용하여 제조되므로, 각종 희토류 원소인 불순물 특히 CMP 슬러리의 물성에 심각한 악영향을 미치는 프라세오디움이 거의 함유되지 않는 고순도의 산화세륨 분말, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 CMP 슬러리를 제공한다.
산화세륨, CMP 슬러리, 정제수, 미세 분사, 프라세오디움, 세륨 전구체
Description
본 발명은 중간물질인 세륨 나이트레이트 수화물을 고순도로 형성하여 산화세륨을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수산화나트륨 적정에 의한 정제 및 과량의 정제수의 미세 분사에 의한 수세에 의해 고순도화된 세륨 나이트레이트 수화물을 중간물질로 사용하여 제조되므로, 각종 희토류 원소인 불순물 특히 CMP 슬러리의 물성에 심각한 악영향을 미치는 프라세오디움이 거의 함유되지 않는 고순도의 산화세륨 분말, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 CMP 슬러리에 관한 것이다.
산화세륨 분말은 연마재, 촉매, 형광체 등의 원료로 사용되는 고기능 세라믹 분말로서, 최근에는 반도체 기판의 선택적 평탄화를 위한 화학기계적 연마재로서 널리 사용되고 있다. 일반적으로 이러한 산화세륨 분말은 기상법, 고상법 및 액상법으로 제조되고 있다.
산화세륨 분말을 제조하기 위한 기상법은 세륨 금속염 전구체를 기화하고, 산소 등과 결합시켜서 직접 산화세륨을 제조하는 방법으로서, 세부적으로 화염연소 분해법, 기체응축 분해법, 플라즈마 분해법, 레이저 기화법 등으로 구분된다. 그러나, 이러한 기상법은 세륨 금속염 전구체의 단가 및 장치비용이 고가이므로 산화세륨의 대량생산이 곤란하다는 문제점이 있다.
산화세륨 분말을 제조하기 위한 고상법은 탄산염, 황산염, 옥살산염 등을 원료물질로 하여 소성 공정을 거쳐서 산화세륨을 제조하는 방법이다. 예를 들면, 국제공개특허 WO 1998-14987호 및 WO 1999-31195호에서는 입자 크기가 큰 탄산세륨 분말을 산소 분위기에서 소성하여 입경 30∼100 ㎛의 산화세륨 분말을 제조하고, 상기 산화세륨 분말을 건식 분쇄 또는 습식 분쇄하여 입도를 조절하여 이루어지는 산화세륨 연마재가 개시되어 있다. 그러나, 산화세륨 분말의 분쇄 공정 후에도 입경이 큰 산화세륨 분말이 잔존하여 입도 조절이 곤란하며, 이로 인하여 최종 CMP 슬러리를 제조한 후에도 필터를 이용한 장시간의 여과 공정을 실시해야 하는 문제점이 있다.
산화세륨 분말을 제조하기 위한 액상법은 3가 또는 4가의 세륨염 출발물질로부터 암모니아 등의 pH조절제를 첨가하여 산화세륨 분말을 직접 제조하는 방법으로서, 세부적으로 침전법, 수열합성법 등으로 구분되며, 원료 단가와 장치비용이 저렴하여, 이에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
예를 들면 한국 공개특허공보 제2007-51680호(발명의 명칭 : 탄산세륨 분말, 산화세륨 분말, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 CMP 슬러리)에서는 세륨 전구체와 탄산 전구체의 몰 농도를 조절하고 1종 이상의 첨가제를 혼합하여 구성되는 탄산세 륨 분말, 상기 탄산세륨 분말을 열처리하여 구성되는 산화세륨 분말, 및 상기 산화세륨 분말을 연마재로 사용하는 CMP 슬러리가 개시되어 있다.
그러나, 이러한 액상법을 사용하여 제조되는 산화세륨은 세륨의 원료광물인 세라나이트에 함유된 불순물, 즉 희토류 원소인 La, Ce, Pr, Nd 등의 라피네이트(Raffinate)가 잔존하게 되므로, 잔존한 라피네이트가 산화세륨 분말, 및 상기 산화세륨 분말을 연마재로 사용하는 CMP 슬러리의 물성에 악영향을 미치게 된다. 세륨의 원료광물인 세라나이트에 함유된 각종 라피네이트 중에서도, 특히 Pr은 세륨과의 결합력이 매우 강력하고 용해성도 낮아서 산화세륨의 원료물질을 pH조절제에 의해 적정하는 과정에서도 제거되지 않고 세륨 전구체에 그대로 잔존하게 되며, 상기 잔존된 Pr이 세륨 전구체의 열처리 과정에서 산화되어 입경이 큰 Pr6O11로 변환된 상태로 산화세륨에 함유하게 된다. 따라서 Pr6O11가 함유된 산화세륨을 분쇄하여 형성된 산화세륨 분말의 입도 분포가 균일하지 못하여 물성에 악영향을 미칠 뿐만 아니라, 이러한 산화세륨 분말을 연마재로 사용하여 CMP 슬러리를 제조하는 경우에는, 상기 CMP 슬러리에 의해 연마되는 연마 대상물에서 스크래치가 다발(예를 들면, 연마 대상물인 8인치 웨이퍼에서 4∼15 개의 스크래치가 발생함)하게 되며, 이로 인하여 상기 웨이퍼를 사용하여 제조되는 전자제품의 품질 저하로까지 연결된다는 문제점을 지니고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 수산화나트륨 적정에 의한 정제 및 과량의 정제수의 미세 분사에 의한 수세에 의해 고순도화된 세륨 나이트레이트 수화물을 중간물질로 사용하여 제조되므로, 각종 희토류 원소인 불순물 특히 CMP 슬러리의 물성에 심각한 악영향을 미치는 프라세오디움의 함량이 100 ppm 미만인 고순도의 산화세륨 분말, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 CMP 슬러리를 제공하는데 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 세륨 클로라이드 조성물이 pH9∼10이 되도록 수산화나트륨을 적정하여 1차 상등액과 1차 침전물로 구분하고 여과하여 상기 1차 침전물을 회수하는 1차 정제 단계; 상기 1차 침전물의 산도가 pH10∼11이 되도록 수산화나트륨을 적정하여 2차 상등액과 2차 침전물로 구분하고 여과하여 상기 2차 침전물을 회수하는 2차 정제 단계; 상기 2차 침전물에 함유된 프라세오디움(Pr)을 저감하도록 정제수를 미세 분사하고 여과하여 Pr 함량이 100 ppm 미만인 고상의 세륨 전구체를 수득하는 수세 단계; 상기 세륨 전구체에 질산을 적정하여 세륨 나이트레이트 수화물(Ce(NO3)3·6H2O)을 형성하는 단계; 상기 세륨 나이트레이트 수화물과 탄산 전구체 수용액을 혼합하고 침전 반응하여 3차 상등액과 3차 침전물로 구분하고 여과하여 상기 3차 침전물을 회수하는 단계; 및 상기 3차 침전물을 900∼1000 ℃로 소성하고 분쇄하여 산화세륨 분말을 형성하는 단계를 포함하는 고순도 산화세륨 분말의 제조 방법이 제공된다.
또한, 본 발명에서는 상기 산화세륨 분말의 제조 방법에 의하여 제조되는 고순도 산화세륨 분말이 제공된다.
또한, 본 발명에서는 상기 산화세륨 분말의 제조 방법에 의하여 제조되는 고순도 산화세륨 분말을 포함하는 CMP 슬러리가 제공된다.
본 발명에 의하여 제조되는 고순도 산화세륨 분말은 수산화나트륨 적정에 의한 정제 및 과량의 정제수의 미세 분사에 의한 수세에 의해 고순도화된 세륨 나이트레이트 수화물을 중간물질로 사용하여 제조되므로, 각종 희토류 원소인 불순물 특히 CMP 슬러리의 물성에 심각한 악영향을 미치는 프라세오디움이 거의 함유되지 않고, 균일한 입도 분포를 지니게 되는 효과를 지니고 있다.
또한, 본 발명의 고순도 산화세륨 분말을 포함하는 CMP 슬러리는 주 연마 대상물인 웨이퍼의 표면에 스크래치를 거의 발생시키지 않기 때문에, 이러한 웨이퍼를 사용하는 전자제품의 품질을 보장하는 효과를 지니고 있다.
본 발명에 의한 고순도 산화세륨 분말의 제조 방법에 대하여 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다.
우선, 본 발명의 고순도 산화세륨 분말의 제조 방법은 세륨 클로라이드 조성물이 pH9∼10이 되도록 수산화나트륨을 적정하여 1차 상등액과 1차 침전물로 구분하고 여과하여 상기 1차 침전물을 회수하는 1차 정제 단계가 포함된다.
세륨의 원료광물인 세라나이트를 염소가스로 처리하여 세륨 클로라이드 조성 물을 형성하고, 상기 세륨 클로라이드 조성물을 pH조절제를 사용하여 산도를 조절하고 정제하므로써, 산화세륨의 중간물질인 세륨 전구체를 형성한다.
구체적으로, 세륨 클로라이드 조성물을 pH조절제인 수산화나트륨으로 적정하여 반응계를 형성하되, 상기 반응계의 산도가 pH9∼10이 되도록 수산화나트륨을 적정하면 상기 반응계의 세륨 클로라이드 조성물이 침전되어 1차 상등액과 1차 침전물로 구분된다. 그런데 세륨 클로라이드 조성물에 수산화나트륨을 일시에 공급하게 되면 반응계에서 발열 반응이 심하게 발생하므로, 세륨 클로라이드 조성물에 수산화나트륨을 소량씩 공급하는 적정을 실시하여 발열 반응을 조절하면서 반응계를 1차 상등액과 1차 침전물로 구분시킨다. 상기와 같은 수산화나트륨의 적정에 의해 산도가 pH9∼10으로 조절된 반응계에서 세륨 클로라이드 조성물이 침전되어 1차 상등액과 1차 침전물로 구분되면, 상기 세륨 클로라이드 조성물에 함유된 라피네이트인 Nd, Sm이 상기 1차 상등액으로 분산하게 되는 반면, 1차 침전물에는 Nd, Sm이 거의 잔류하지 않게 된다.
반응계를 형성하기 위하여 세륨 클로라이드 조성물에 적정되는 수산화나트륨의 농도 제한은 없으나, 고순도 산화세륨 분말을 제공하는 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는, 상기 반응계의 산도가 pH9∼10이 되도록 세륨 클로라이드 조성물에 수산화나트륨을 적정하여 1차 상등액과 1차 침전물로 구분해야 한다.
세륨 클로라이드 조성물에 수산화나트륨이 적정되어 이루어지는 반응계의 산도가 pH9 미만이면 상기 반응계가 1차 상등액과 1차 침전물로 충분하게 구분되지 않으며, 세륨 클로라이드 조성물에 수산화나트륨이 적정되어 이루어지는 반응계의 산도가 pH10을 초과하면 상기 세륨 클로라이드 조성물에 함유된 Nd, Sm이 1차 상등액에 제대로 분산되지 않는다.
상기와 같이 1차 상등액과 1차 침전물로 구분된 반응계를 여과하여, Nd, Sm이 대폭 저감되어 정제된 상태인 1차 침전물을 회수하므로써 1차 정제 단계가 실시된다.
또한, 본 발명의 고순도 산화세륨 분말의 제조 방법은 상기 1차 침전물의 산도가 pH10∼11이 되도록 수산화나트륨을 적정하여 2차 상등액과 2차 침전물로 구분하고 여과하여 상기 2차 침전물을 회수하는 2차 정제 단계가 포함된다.
1차 정제 단계에서 여과 회수된 1차 침전물을 수산화나트륨으로 적정하여 반응계를 형성하되, 상기 1차 정제 단계와 마찬가지로 상기 반응계의 산도가 pH10∼11이 되도록 수산화나트륨을 적정하면 상기 반응계가 2차 상등액과 2차 침전물로 구분된다. 그런데 1차 침전물에 수산화나트륨을 일시에 공급하게 되면 반응계에서 발열 반응이 심하게 발생하므로, 1차 침전물에 수산화나트륨을 소량씩 공급하는 적정을 실시하여 발열 반응을 조절하면서 반응계를 2차 상등액과 2차 침전물로 구분시킨다. 상기와 같은 수산화나트륨의 적정에 의해 산도가 pH10∼11로 조절된 반응계의 침전 현상으로 2차 상등액과 2차 침전물로 구분되면, 세륨 클로라이드 조성물에 함유된 라피네이트인 La이 상기 2차 상등액으로 분산하게 되는 반면, 2차 침전물에는 La이 거의 잔류하지 않게 된다.
반응계를 형성하기 위하여 세륨 클로라이드 조성물에 적정되는 수산화나트륨의 농도 제한은 없으나, 고순도 산화세륨 분말을 제공하는 본 발명의 목적을 달성 하기 위해서는, 상기 반응계의 산도가 pH10∼11이 되도록 1차 침전물에 수산화나트륨을 적정하여 2차 상등액과 2차 침전물로 구분해야 한다.
1차 정제 단계에서 여과 회수된 1차 침전물에 수산화나트륨이 적정되어 이루어지는 반응계의 산도가 pH10 미만이면 상기 반응계가 2차 상등액과 2차 침전물로 충분하게 구분되지 않으며, 1차 침전물에 수산화나트륨이 적정되어 이루어지는 반응계의 산도가 pH11을 초과하면 세륨 클로라이드 조성물에 함유된 La이 2차 상등액에 제대로 분산되지 않는다.
상기와 같이 2차 상등액과 2차 침전물로 구분된 반응계를 여과하여, La이 대폭 저감되어 정제된 상태인 2차 침전물을 회수하므로써 2차 정제 단계가 실시된다.
또한, 본 발명의 고순도 산화세륨 분말의 제조 방법은 상기 2차 침전물에 함유된 Pr을 저감하도록 정제수를 미세 분사하고 여과하여 고상의 세륨 전구체를 수득하는 수세 단계가 포함된다.
세륨 클로라이드 조성물에 함유된 Pr은 세륨과의 결합력이 매우 강력하고 용해성도 낮아서 pH조절제를 사용하는 정제 과정, 즉 상기 1차 정제 단계 및 2차 정제 단계에서도 제거되지 않고 그대로 잔존하게 되며, 별도의 Pr 제거 과정을 거치지 않을 경우 세륨 전구체에 그대로 잔존하게 되며, 상기 잔존된 Pr이 세륨 전구체의 열처리 과정에서 산화되어 Pr6O11로 변환되어 산화세륨에 함유된다.
따라서, 본 발명에서는 2차 정제 단계에서 여과 회수된 2차 침전물에 함유된 Pr을 저감하기 위하여, 상기 회수된 2차 침전물에 과량의 정제수를 가하여 2차 침전물에 함유된 Pr을 분산시키되, 상기 2차 침전물 전체를 효과적으로 수세하여 함 유된 Pr을 제거하도록, 정제수를 미세한 물방울로 분쇄하여 분사할 수 있는 미세 분사 샤워기로 정제수를 미세 분사하여 수세하고, 상기 2차 침전물과 정제수의 혼합물을 여과하여 고상의 세륨 전구체를 회수한다.
구체적으로, 2차 침전물에 그 100배 중량의 정제수를 미세 분사 샤워기로 미세 분사하여 상기 2차 침전물에 함유된 Pr을 정제수로 분산시키고, 상기 정제수와 2차 침전물의 혼합물을 여과하여 고상의 세륨 전구체를 수득한다. 상기와 같은 수세 단계에서 과량의 정제수의 미세 분산에 의해 2차 침전물에 함유된 라피네이트인 Pr이 상기 정제수로 분산하게 되는 반면, 수세된 세륨 전구체에서는 Pr의 함량이 그만큼 저감되는 것이다.
이러한 수세 단계를 5회 반복 실시하여 세륨 전구체를 구성하는 것이, 세륨 전구체에 함유된 Pr이 상기 세륨 전구체로부터 제조되는 산화세륨 분말과 상기 산화세륨 분말을 함유하는 CMP 슬러리의 물성에 악영향을 미치지 않을 정도로, 상기 세륨 전구체의 Pr 함량을 충분히 저감할 수 있다는 측면에서 바람직하다.
상기에서 기술된 2차 침전물에 대한 수세 단계를 5회 반복 실시하게 되면 Pr 함량이 100 ppm 미만인 세륨 전구체를 수득할 수 있다.
또한, 본 발명의 고순도 산화세륨 분말의 제조 방법은 상기 세륨 전구체에 질산을 적정하여 세륨 나이트레이트 수화물을 형성하는 단계가 포함된다.
구체적으로, 수세 단계에 의해 Pr 함량이 대폭 저감된 상태로 수득된 세륨 전구체에 과량의 질산을 혼합하여 치환 반응을 유도하므로써 세륨 유도물질인 세륨 나이트레이트 수화물을 형성하되, 세륨 전구체에 질산을 일시에 공급하게 되면 반 응계에서 발열 반응이 심하게 발생하므로, 세륨 전구체에 질산을 소량씩 공급하는 적정을 실시하여 발열 반응을 조절하면서 세륨 유도물질인 세륨 나이트레이트 수화물을 형성하는 것이다.
상기와 같이 구성되는 세륨 나이트레이트 수화물에 액상법을 적용하여 산화세륨을 구성할 수 있다.
또한, 본 발명의 고순도 산화세륨 분말의 제조 방법은 상기 세륨 나이트레이트 수화물과 탄산 전구체 수용액을 혼합하고 침전 반응하여 3차 상등액과 3차 침전물로 구분하고 여과하여 상기 3차 침전물을 회수하는 단계가 포함된다.
세륨 유도물질인 세륨 나이트레이트 수화물에 우레아 수용액 등과 같은 탄산 전구체 수용액을 일정 함량 혼합하고, 일정한 시간동안 방치하여 침전 반응을 유도하여 3차 상등액과 3차 침전물로 구분하고, 상기 구분된 3차 상등액과 3차 침전물을 여과하여 3차 침전물을 회수한다.
상기와 같이 세륨 나이트레이트 수화물과 탄산 전구체 수용액을 혼합하고 침전 반응을 유도하는 단계에서 상기 세륨 나이트레이트 수화물과 탄산 전구체 수용액 사이에서 치환 반응이 발생하여 산화세륨인 3차 침전물이 형성된다. 상기 형성된 3차 침전물은 세라나이트에 함유되었던 라피네이트인 La, Ce, Nd 등이 대폭 저감되고 특히 연마재로서의 품질에 큰 영향을 미치는 Pr의 함량이 100 ppm 미만으로 저감되는 특성을 지니고 있다.
또한, 본 발명의 고순도 산화세륨 분말의 제조 방법은 상기 3차 침전물을 일정한 온도로 소성하고 분쇄하여 산화세륨 분말을 형성하는 단계가 포함된다.
세륨 나이트레이트 수화물로부터 형성되는 3차 침전물인 산화세륨을 900∼1000 ℃로 열처리하여 고화시키고, 상기 고화된 산화세륨을 분쇄하여 산화세륨 분말을 형성한다.
3차 침전물인 산화세륨의 열처리 온도가 900 ℃ 미만이면 상기 산화세륨이 제대로 결정화되지 않으며, 3차 침전물인 산화세륨의 열처리 온도가 1000 ℃를 초과하면 상기 산화세륨 입자가 강력하게 결착하여 산화세륨의 분산성이 저하된다.
3차 침전물인 산화세륨에 함유된 Pr의 함량이 100 ppm 미만이므로, 상기 산화세륨에 함유된 Pr이 소성 과정에서 산화되어 발생하는 산화물인 Pr6O11의 함량 역시 극히 작아서, 고화된 산화세륨을 분쇄하여 형성되는 산화세륨 분말의 연마 기능에 영향을 미치지 않는다.
즉, 상기에서 기술된 산화세륨 분말의 제조 방법에 의하여 제조된 고순도 산화세륨 분말은 Pr 함량이 100 ppm 미만인 세륨 나이트레이트 수화물로부터 형성되어, Pr의 산화물인 Pr6O11의 함량이 극히 작기 때문에, 산화세륨 분말의 입도 분포가 균일하여 연마 특성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 고순도 산화세륨 분말을 연마재로 혼합하여 CMP 슬러리를 구성한다. 이러한 CMP 슬러리 역시 Pr6O11의 함량이 극히 작기 때문에 연마 속도를 크게 향상시킬 수 있으며, 연마 대상물에서 스크래치가 거의 발생하지 않는다.
종래의 CMP 슬러리에 의하여 연마된 8인치 웨이퍼에서 4∼15 개의 스크래치가 발생하는 반면, 본 발명에 의한 CMP 슬러리로 연마된 8인치 웨이퍼에서는 스크래치가 발생하지 않거나 1개 정도의 스크래치가 발생할 뿐이므로, 상기 웨이퍼를 사용하여 제조되는 전자제품의 품질을 보장하는 효과를 지니고 있다.
Claims (4)
- 세륨 클로라이드 조성물이 pH9∼10이 되도록 수산화나트륨을 적정하여 1차 상등액과 1차 침전물로 구분하고 여과하여 상기 1차 침전물을 회수하는 1차 정제 단계;상기 1차 침전물의 산도가 pH10∼11이 되도록 수산화나트륨을 적정하여 2차 상등액과 2차 침전물로 구분하고 여과하여 상기 2차 침전물을 회수하는 2차 정제 단계;상기 2차 침전물에 함유된 프라세오디움(Pr)을 저감하도록 정제수를 미세 분사하고 여과하여 Pr 함량이 100 ppm 미만인 고상의 세륨 전구체를 수득하는 수세 단계;상기 세륨 전구체에 질산을 적정하여 세륨 나이트레이트 수화물(Ce(NO3)3·6H2O)을 형성하는 단계;상기 세륨 나이트레이트 수화물과 탄산 전구체 수용액을 혼합하고 침전 반응하여 3차 상등액과 3차 침전물로 구분하고 여과하여 상기 3차 침전물을 회수하는 단계; 및상기 3차 침전물을 900∼1000 ℃로 소성하고 분쇄하여 프라세오디움 함량이 100 ppm 미만으로 함유된 산화세륨 분말을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 산화세륨 분말의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 수세 단계를 5회 반복 실시하여 세륨 전구체를 구성 하는 것을 특징으로 하는 고순도 산화세륨 분말의 제조 방법.
- 제 1 항의 방법에 의하여 제조되어 프라세오디움 함량이 100 ppm 미만으로 함유된 고순도 산화세륨 분말.
- 제 1 항의 방법에 의하여 제조되어 프라세오디움 함량이 100 ppm 미만으로 함유된 고순도 산화세륨 분말을 포함하는 CMP 슬러리.
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