KR100958567B1 - 백래핑 공정에서 발생하는 슬러리로부터 제조되는 실리콘 청크의 제조방법과 이의 방법으로 제조된 실리콘 청크 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 후공정인 백래핑(back lapping) 공정에서 발생하는 슬러리로부터 저순도의 실리콘 파우더를 포집하고, 상기 포집된 저순도의 실리콘 파우더를 태양광소재의 원자재로 사용하는 실리콘 청크(Chunk)로 제조하는 백래핑 공정에서 발생하는 슬러리로부터 실리콘 청크를 제조하는 방법과 이를 이용하여 제조되는 실리콘 청크에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 백래핑 공정시 발생하는 슬러리로부터 제조된 실리콘 청크는, 반도체 후공정인 백래핑(back lapping) 공정에서 발생한 슬러리로부터 실리콘 파우더를 회수하고, 상기 회수된 실리콘 파우더를 동결건조방식으로 건조시키고, 상기 건조된 실리콘 파우더를 진공상태의 용융로에서 용융함으로써 제작된다.
또한, 본 발명의 백래핑 공정시 발생하는 슬러리로부터 실리콘 청크의 제조방법은, 반도체 후공정인 백래핑(back lapping) 공정에서 발생한 슬러리로부터 실리콘 파우더를 회수하는 회수단계와; 상기 회수단계에서 회수된 실리콘 파우더를 동결건조방식으로 건조시키는 건조단계와; 상기 건조단계에서 건조된 실리콘 파우더를 진공상태의 용융로에 장입하여 용융시키는 용융단계와; 상기 용융단계에서 용융된 용액의 상부에 존재하는 슬래그를 제거하는 슬래그 제거단계로 이루어진다.
반도체, 백래핑, 슬러리, 실리콘, 파우더, 청크
Description
본 발명은 반도체 후공정인 백래핑(back lapping) 공정에서 발생하는 슬러리로부터 저순도의 실리콘 파우더를 포집하고, 상기 포집된 저순도의 실리콘 파우더를 태양광소재의 원자재로 사용하는 실리콘 청크(Chunk)로 제조하는 백래핑 공정에서 발생하는 슬러리로부터 실리콘 청크를 제조하는 방법과 이를 이용하여 제조되는 실리콘 청크에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 웨이퍼의 가공공정은 일반적으로 크게 준비단계와 전(前)공정과 후(後)공정으로 구분된다.
상기 전공정은 웨이퍼의 표면에 여러 종류의 막을 형성시켜, 이미 만든 마스크를 사용하여 특정부분을 선택적으로 깎아내는 작업을 되풀리함으로써 전자회로를 구성해 나가는 웨이퍼 가공(Fabrication)를 말하며, 보통 FAB라고도 칭한다.
상기 후공정은 일측면에 전자회로가 구성된 웨이퍼의 뒷면을 소정의 두께가 되도로 깎아내는 백래핑공정과, 웨이퍼상의 칩을 개개로 잘라서 리드프레임과 결합하는 조립과정과, 검사과정으로 구분된다.
보통 반도체 웨이퍼는 구경에 따라 3", 4", 6,", 8"로 제조되며, 그 두께는 최초 약 600~800㎛이고, 웨이퍼 가공 후 약 200㎛이 되도록 후공정인 백래핑공정에서 뒷면을 깎아내고, 이로 인해 반도체 제조공정인 후공정의 백래핑(back lapping)공정에서 발생하는 슬러리에는 실리콘 파우더를 포함하게 된다.
상기 슬러리에 포함되어 있는 실리콘 파우더의 사이즈는 0.02~5㎛의 크기를 가지며, 평균 2㎛의 크기를 가지고, 상기 백래핑(back lapping)공정에서 발생하는 슬러리에 포함되어 있는 실리콘 파우더의 함량은 슬러리 1000㎏당 0.5㎏(약 0.05%)의 지극히 적은 양을 포함하고 있다.
상기와 같이 백래핑공정에서 발생된 슬러리에 포함되어 있는 실리콘 파우더는 그 크기가 작고, 지극히 적은 함량으로, 보통 폐기물 업체를 통하여 폐기를 시켰다.
그러나, 산업의 발달로 인하여 반도체의 수요가 증가함으로써 백래핑공정에서 발생하는 슬러리 양이 증가함으로써 슬러리를 폐기물로 처리하는데에 많은 제약을 받게 되고, 폐기물로 처리하기에는 버려지는 실리콘 파우더 양이 많아 비경제적인 단점이 있다.
예를 들면, 현재 국내의 일개의 반도체회사에서 백래핑공정시 발생하는 슬러리의 양은 하루 약 2000ton이 발생하며, 상기 2000ton의 슬러리에 포함되어 있는 실리콘 파우더의 양은 약 1톤을 포함되게 된다.
상기와 같이 백래핑공정시 발생하는 슬러리가 폐기물로 처리됨으로써 낭비되는 실리콘 파우더를 회수하고, 실리콘 파우더를 포함하는 슬러리의 폐기에 의하여 발생하는 환경오염을 줄이고자 본 출원인에 의하여 아래와 같이 백래핑공정시 발생하는 슬러리로부터 실리콘 파우더를 회수(정제, 포집)하는 장치와 방법 및 시스템이 제공되었다.
국내등록특허 제10-786644호의 반도체 웨이퍼 제조공정에서 발생하는 폐슬러리의 재생방법 및 재생시스템과, 국내등록특허 제10-896069호의 원심분리기를 이용한 백래핑공정에서 발생된 슬러리로부터 실리콘 파우더의 포집방법 및 백래핑공정에서 발생된 실리콘 파우더 포집용 원심분리기와, 국내등록특허 제10-896070호의 실리콘 파우더 정제기용 원심분리기 및 이를 이용한 실리콘 파우더의 정제방법과, 국내등록특허 제10-896071호의 백래핑공정으로부터 발생하는 슬러리로부터 실리콘 파우더의 재생방법이 제공되었다.
본 발명은 백래핑공정시 발생된 슬러리로부터 회수된 실리콘 파우더를 회수하고, 상기 회수된 실리콘 파우더로 태양전지의 소재(원자재)로 사용될 수 있는 순도의 실리콘 청크의 제조방법을 제공하고자 한다.
즉, 본 출원인에 의하여 백래핑공정시 발생된 슬러리로부터 실리콘 파우더를 회수하는 장치, 방법 및 시스템이 제공되기 전까지는 거의 백래핑공정시 발생된 슬러리로부터 실리콘 파우더를 회수하지 않고 폐기물처리 함으로써 백래핑공정시 발생된 슬러리로부터 회수된 실리콘 파우더의 가공방법에 대한 기술의 거의 없는 실정이다.
일반적인 기술방식으로 다량의 수분을 함유한 실리콘 파우더를 용융로(용해로)에 투입하여, 가열하여 용융시키게 되면, 수분이 증발하면서 실리콘 파우더를 산화시키게 되고, 산화에 의하여 실리콘 파우더의 표면에 산화막(SiO2)을 형성하게 된다.
상기와 같이 실리콘 파우더의 표면에 산화막(SiO2)을 형성하게 되면 실리콘 파우더의 용융점온도가 상승하는 단점이 발생하고, 이러한 산화막(SiO2)은 용융 후에도 불순물로 남게 되어 실리콘 청크의 순도를 떨어뜨리게 된다(실리콘의 용융점은 약 1400℃이고, 실리콘 표면에 산화막(SiO2)이 형성되면 용융점은 약 1700℃이상이 된다). 보통 백래핑공정시 발생된 슬러리로부터 회수된 실리콘 파우더는 약 10~20%의 수분을 가진다.
상기와 같은 방식으로 다량의 수분을 함유한 실리콘 파우더를 용융로(용해로)에 바로 투입하여 실리콘 청크를 제조하거나, 또는 다량의 수분을 함유한 실리콘 파우더를 가열하여 건조하고, 건조된 실리콘 파우더를 용융로에 공급하여 실리콘 청크를 제조할 경우에는 실리콘 청크의 순도가 떨어져 태양광 전지의 소재로 사용할 수 없음으로, 별도의 정제작업을 거쳐야만 태양광 전지의 소재로 사용될 수 있다.
상기 목적을 달성하고자 제공되는 본 발명의 백래핑 공정시 발생하는 슬러리로부터 제조된 실리콘 청크는, 반도체 후공정인 백래핑(back lapping) 공정에서 발생한 슬러리로부터 실리콘 파우더를 회수하고, 상기 회수된 실리콘 파우더를 동결건조방식으로 건조시키고, 상기 건조된 실리콘 파우더를 진공상태의 용융로에서 용융함으로써 제작됨을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 백래핑 공정시 발생하는 슬러리로부터 실리콘 청크의 제조방법은, 반도체 후공정인 백래핑(back lapping) 공정에서 발생한 슬러리로부터 실리콘 파우더를 회수하는 회수단계와; 상기 회수단계에서 회수된 실리콘 파우더를 동결건조방식으로 건조시키는 건조단계와; 상기 건조단계에서 건조된 실리콘 파우더를 진공상태의 용융로에 장입하여 용융시키는 용융단계를 포함하되,
상기 용융단계에서 용융된 용액의 상부에 존재하는 슬래그를 제거하는 슬래 그 제거단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명인 백래핑 공정시 발생하는 슬러리로부터 실리콘 청크의 제조방법은 슬러리로부터 회수된 수분을 함유한 마이크로 미세입자 상태의 실리콘 파우더를 동결건조방식으로 건조시킴으로써 실리콘 파우더의 산화막의 형성을 방지하여 용융의 온도가 상승되는 단점을 해결할 수 있으며, 산화막으로 인한 불순물로 실리콘 청크의 순도가 떨어지는 단점을 해결할 수 있다.
상기와 같이 용융의 온도가 상승되지 않고 실리콘의 용융점 부근에서 용융이 이루어짐으로써 융용시 초고온에 의해 발생될 수 있는 안전상의 문제점을 방지할 수 있으며, 산화막으로 인한 불순물을 제거하는 번거로움을 해소할 수 있는 장점이 있다.
그러므로, 본 발명은 백래핑 공정시 발생하는 슬러리로부터 태양광소재의 원자재로 사용될 수 있는 고 순도의 실리콘 청크를 제공할 수 있게 된다.
첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입 각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명인 백래핑 공정시 발생하는 슬러리로부터 실리콘 청크의 제조방법의 일 실시예를 나타낸 것으로, 도 1과 같이 본 발명은 크게 반도체 후공정인 백래핑(back lapping) 공정에서 발생한 슬러리로부터 실리콘 파우더를 회수하는 회수단계(S1)와, 상기 회수단계(S1)에서 회수된 실리콘 파우더를 동결건조방식으로 건조시키는 건조단계(S2)와, 상기 건조단계(S2)에서 건조된 실리콘 파우더를 용융로에 장입하여 용융시키는 용융단계(S3)와, 상기 용융단계(S3)에서 융해된 실리콘 용액을 냉각시켜 응고시키는 냉각단계(S6)로 구성된다.
상기 회수단계(S1)는 반도체 후공정인 백래핑(back lapping) 공정에서 발생한 슬러리를 원심분리기에서 마이크로의 미세입자의 실리콘 파우더만을 포집하여 회수하는 단계로, 보통 원심분리기에서 회수되는 실리콘 파우더는 10~20%의 수분을 한다.
반도체 후공정인 백래핑(back lapping) 공정에서 발생한 슬러리로부터 실리콘 파우더를 포집하여 회수하는 방법은 본 출원인에 의하여 제공된 국내등록특허 제10-786644호의 반도체 웨이퍼 제조공정에서 발생하는 폐슬러리의 재생방법 및 재생시스템과, 국내등록특허 제10-896069호의 원심분리기를 이용한 백래핑공정에서 발생된 슬러리로부터 실리콘 파우더의 포집방법 및 백래핑공정에서 발생된 실리콘 파우더 포집용 원심분리기와, 국내등록특허 제10-896070호의 실리콘 파우더 정제기용 원심분리기 및 이를 이용한 실리콘 파우더의 정제방법과, 국내등록특허 제10-896071호의 백래핑공정으로부터 발생하는 슬러리로부터 실리콘 파우더의 재생방법에 자세하게 나타나 있다.
본 발명에서는 제조되는 실리콘 청크의 순도를 높이기 위해서는 반도체 후공정인 백래핑(back lapping) 공정에서 발생한 슬러리로부터 회수되는 실리콘 파우더의 순도가 높아야 한다. 그러므로 본 발명에서는 반도체 후공정인 백래핑(back lapping) 공정에서 발생한 슬러리로부터 실리콘 파우더를 회수하기 위한 원심분리기는 본 출원인에 의하여 국내등록특허 제10-0896070호의 실리콘파우더 정제기용 원심분리기 및 이를 이용한 실리콘 파우더의 정제방법에 제공되어 있는 실리콘파우더 정제기용 원심분리기를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 반도체 후공정인 백래핑(back lapping) 공정에서 발생한 슬러리로부터 실리콘 파우더를 포집하여 회수하는 장치와 방법에 대해서는 전술되어 있는 국내등록특허공보를 참조하기로 하고 기재하지 않는다.
상기 건조단계(S2)는 회수단계(S1)에서 회수된 실리콘 파우더에 포함되어 있는 수분을 제거하는 단계로, 동결건조기를 사용하여 동결건조방식으로 건조시킨다.
수분을 함유한 미세입자의 실리콘 파우더를 공기 중에 장시간 노출시키거나, 또는 가열하여 건조를 시키는 경우에는 산화하여 미세입자의 실리콘 파우더의 표면에는 산화막(SiO2)이 형성된다.
상기와 같이 미세입자의 실리콘 파우더의 표면에는 산화막(SiO2)이 형성되는 경우에는 실리콘 파우더의 용융온도를 상승시키고, 용융 후에는 불순물로 남게 된다. 즉, 일반적인 실리콘의 용융점은 약 1400℃이나, 산화막이 형성된 실리콘의 용융점은 약 1700℃이다.
그러므로 실리콘 파우더의 표면에 산화막이 형성되면 용융의 어려움과, 제조되는 실리콘 청크의 순도를 떨어뜨리는 단점이 있으며, 산화로 인하여 다량이 불순물로 제거됨으로써 제조되는 실리콘 청크 양을 감소시키는 단점이 발생한다.
보통 회수단계(S1)에서 회수된 실리콘 파우더의 함수율은 10~20%이며, 이러한 수분을 함유한 실리콘 파우더는 동결건조기에서 함수율 0.2~0.6%로 건조된다.
상기 용융단계(S3)는 건조된 실리콘 파우더를 용융로(용해로)의 노에 장입하여 가열하여 용융시키는 단계로, 상기 용융로는 전자빔 또는 유도가열방식이 적용된 용융로를 사용한다.
상기 용융로는 진공상태로 유지하여 실리콘 파우더를 장입시켜 용해시키는 것이 바람직하다. 이는 미세입자의 실리콘 파우더는 공기 중에 노출되게 되면 산화가 발생함으로 실리콘 파우더가 공기와 접촉되어 산화되는 것을 방지한다.
또는, 용융로를 비활성 기체인 아르곤가스와 수소가스가 혼합된 혼합가스의 분위기로 조성하여 실리콘 파우더를 용해시킨다. 상기 아르곤 가스는 실리콘 파우더의 산화막을 제거하고 용융시 산화발생을 방지하며, 상기 수소가스는 산화막의 산소를 환원시킨다.
상기 냉각단계(S6)는 용융되어 용액상태의 실리콘을 고체상태가 되도록 응고시키는 단계로, 일방향으로 응고가 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 단계인 슬러리로부터 실리콘 파우더를 회수하는 회수단계(S1)와, 상기 회수단계(S1)에서 회수된 실리콘 파우더를 동결건조방식으로 건조시키는 건조단계(S2)와, 상기 건조단계(S2)에서 건조된 실리콘 파우더를 용융시키는 용융단계(S3)와, 상기 용융단계(S3)에서 융해된 실리콘 용액을 응고시키는 냉각단계(S6)로 백래핑 공정시 발생하는 슬러리로부터 실리콘 청크의 제조하게 된다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 도 1과 동일한 단계는 동일한 명칭으로 기재하였다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 반도체 후공정인 백래핑(back lapping) 공정에서 발생한 슬러리로부터 실리콘 파우더를 회수하는 회수단계(S1)와, 상기 회수단계(S1)에서 회수된 실리콘 파우더를 동결건조방식으로 건조 시키는 건조단계(S2)와, 상기 건조단계(S2)에서 건조된 실리콘 파우더를 용융로에 장입하여 용융시키는 용융단계(S3)와, 상기 용융단계(S3)에서 용융된 실리콘 용액의 상부에 존재하는 불순물인 슬래그를 제거하는 슬래그 제거단계(S4)와, 상기 슬래그 제거단계(S4) 후 실리콘 용액을 냉각시켜 응고시키는 냉각단계(S6)로 구성된다.
도 2로 나타난 실시에는 도 1에 나타난 단계와 동일하되, 용융단계(S3)에서 용융된 실리콘 용액의 상부에 존재하는 불순물인 슬래그를 제거하는 슬래그 제거단계(S4)가 추가된 것으로, 용융로에 용융(용해)되어 액체로 존재하는 실리콘 용액의 상부에는 불순물인 슬래그가 존재하며, 이러한 슬래그는 슬래그 제거장치에 의하여 제거된다.
상기 슬래그 제거장치에는 기계적인 슬래그 제거장치와 화학적인 슬래그 제거장치가 있으며, 이 중 하나를 선택하여 사용하거나 모두 사용할 수 있다.
이와 같이 용융된 실리콘 용액의 상부에 존재하는 불순물인 슬래그를 제거하면 보다 순도 높은 실리콘 청크를 제조할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸 것으로, 반도체 후공정인 백래핑(back lapping) 공정에서 발생한 슬러리로부터 실리콘 파우더를 회수하는 회수단계(S1)와, 상기 회수단계(S1)에서 회수된 실리콘 파우더를 동결건조방식으로 건조시키는 건조단계(S2)와, 상기 건조단계(S2)에서 건조된 실리콘 파우더를 용융로에 장입하여 용융시키는 용융단계(S3)와, 상기 용융단계(S3)에서 용융된 실리콘 용액 에 동결건조방식으로 건조된 실리콘 파우더를 추가 장입하는 추가 장입단계(S5)와, 상기 추가 장입단계(S5) 후 용융된 실리콘 용액을 냉각시켜 응고시키는 냉각단계(S6)로 구성된다.
도 3으로 나타난 실시예는 도 1에 나타난 단계와 동일하되, 용융단계(S3) 후 동결건조방식으로 건조된 실리콘 파우더를 추가 장입하는 추가 장입단계(S5)를 더 포함하는 것이다.
도 4은 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸 것으로, 반도체 후공정인 백래핑(back lapping) 공정에서 발생한 슬러리로부터 실리콘 파우더를 회수하는 회수단계(S1)와, 상기 회수단계(S1)에서 회수된 실리콘 파우더를 동결건조방식으로 건조시키는 건조단계(S2)와, 상기 건조단계(S2)에서 건조된 실리콘 파우더를 용융로에 장입하여 용융시키는 용융단계(S3)와, 상기 용융단계(S3)에서 용융된 실리콘 용액의 상부에 존재하는 불순물인 슬래그를 제거하는 슬래그 제거단계(S4)와, 상기 슬래그 제거단계(S4) 후 용융로에 동결건조방식으로 건조된 실리콘 파우더를 추가 장입하는 추가 장입단계(S5)와, 상기 추가 장입단계(S5) 후 다시 용융된 실리콘 용액의 상부에 존재하는 불순물인 슬래그를 제거하는 슬래그 제거단계(S4)와, 상기 슬래그 제거단계(S4) 후 실리콘 용액을 냉각시켜 응고시키는 냉각단계(S6)로 구성된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 백래핑 공정시 발생하는 슬러리로부터 실리콘 청크의 제조방법의 단계도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 백래핑 공정시 발생하는 슬러리로부터 실리콘 청크의 제조방법의 단계도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸 백래핑 공정시 발생하는 슬러리로부터 실리콘 청크의 제조방법의 단계도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸 백래핑 공정시 발생하는 슬러리로부터 실리콘 청크의 제조방법의 단계도.
Claims (8)
- 반도체 후공정인 백래핑(back lapping) 공정에서 발생한 슬러리로부터 원심분리기 방식으로 함수율 10~20%의 실리콘 파우더를 회수하는 회수단계와;상기 회수단계에서 회수된 함수율 10~20%의 실리콘 파우더를 동결건조방식으로 함수율 0.2~0.6%로 건조시키는 건조단계와;상기 건조단계에서 건조된 실리콘 파우더를 진공상태의 용융로에 장입하여 용융시키는 용융단계를 포함하는 백래핑 공정시 발생하는 슬러리로부터 실리콘 청크의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 용융단계에서 용융된 용액의 상부에 존재하는 슬래그를 제거하는 슬래그 제거단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백래핑 공정시 발생하는 슬러리로부터 실리콘 청크의 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 슬래그 제거단계 후 동결건조방식으로 건조된 실리콘 파우더를 추가 장입시키는 추가장입단계와;상기 추가장입단계 후 상부에 발생된 슬래그를 제거하는 슬래그 제거단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백래핑 공정시 발생하는 슬러리로부터 실리콘 청크의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 회수단계는 슬러리로부터 원심분리기 방식으로 실리콘 파우더를 회수하는 것임을 특징으로 하는 백래핑 공정시 발생하는 슬러리로부터 실리콘 청크의 제조방법.
- 제1항 또는 제4항에 있어서,상기 회수단계에서는 슬러리로부터 실리콘 파우더의 회수는 실리콘 파우더 정제기용 원심분리기를 사용하여 정제된 실리콘 파우더를 회수함을 특징으로 하는 백래핑 공정시 발생하는 슬러리로부터 실리콘 청크의 제조방법.
- 제1항 내지 제4항의 제조방법 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조됨을 특징으로 하는 백래핑 공정시 발생하는 슬러리로부터 제조된 실리콘 청크.
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