KR101170232B1

KR101170232B1 - 실리콘 회수 방법

Info

Publication number: KR101170232B1
Application number: KR1020100047678A
Authority: KR
Inventors: 조종수; 김현옥; 현준목
Original assignee: 현준목; 김현옥
Priority date: 2010-05-20
Filing date: 2010-05-20
Publication date: 2012-07-31
Also published as: KR20110128066A

Abstract

본 발명은 폐실리콘에서 실리콘을 회수하기 위한 방법에 관한 것으로, 폐실리콘에서 물리적으로 석영이 포함된 불순물을 제거하고, 리튬이 포함된 물질의 수용액을 이용하여 잔존 불순물을 제거한 다음, 세청 및 건조과정을 거치는 실리콘 회수 방법을 제공함으로써, 우수한 품질의 실리콘을 회수할 수 있을 뿐만 아니라, 작업자에게 안전하고 공정이후에 발생되는 물질들을 산업자원으로 다시 활용하는 것이 가능하다는 효과가 있다.

Description

실리콘 회수 방법{SILICON RECOVERING METHOD}

본 발명은 폐실리콘에서 실리콘을 회수하기 위한 방법에 관한 것이다.

반도체의 생산을 위해 이용되는 웨이퍼는 실리콘이 함유된 물질에서 순도가 높은 다결정 실리콘을 추출하여 이를 단결정 실리콘으로 성장시켜 이용을 하고 있는데, 이 과정이 복잡하고 생산비용이 많이 소요되고 있다. 그리고 순도가 높은 다결정 실리콘을 추출하는 과정이나 성장된 단결정 실리콘의 경우에도 그 비용이 상당하여 상품적인 가치가 높은 제품이다.

특히, 반도체의 웨이퍼를 제조하는 공정은 크게 잉곳(Ingot) 형성 공정과 슬라이싱(Slicing) 공정으로 나누어지는데, 본 발명은 잉곳 형성 공정에서 발생되는 폐실리콘을 재활용하기 위한 발명인데, 이렇게 본 발명과 같이 폐실리콘을 재활용하여 실리콘을 회수하고자 하는 연구가 종래에도 이루어지고 있다. 그 중에서 대한민국 공개특허 제10-1998-051993호 및 대한민국 공개특허 제10-1993-0008193호에서와 같이 불화수소산을 이용하여 폐실리콘에서 석영 및 반응 산화물을 제거하여 실리콘을 회수하는 방법이 전통적으로 많이 이루어지고 있다.

그런데, 이렇게 종래와 같이, 불화수소산을 이용하여 실리콘을 회수하는 경우, 불화수소산은 다량의 독가스를 유발할 뿐만 아니라, 불화수소산이 대기 중에 방출되면 오존층을 파괴하여 대기의 온난화 현상을 가속하는 등의 여러 가지 문제를 가지고 있는 물질인데다가, 석영 등의 산화물이 불화수소산에 용해된 불화수소산-석영 산화물 혼합 폐액의 경우에는 2차 환경부하가 발생되어, 불화수소산을 이용하는 것은 여러 가지 환경문제를 발생시킨다는 문제가 있다.

더욱이, 불화수소산을 이용하여 실리콘을 회수하더라도 석영과 실리콘이 용융 접촉에 의해 발생된 양 성분 간의 혼합 결합한 혼합결정 계면의 경우에는 불화수소산으로는 제거가 되지 않는다는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 인체에 무해하면서 환경적인 문제를 발생하지 않으며, 회수되는 실리콘의 품질이 우수한 실리콘 회수 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 고안의 일 태양으로 실리콘 회수 방법은 폐실리콘에서 물리적으로 제거 가능한 석영이 포함된 불순물을 제거하는 제1불순물제거단계; 상기 제1불순물제거단계에서 잔존하는 불순물을 리튬(Li)이 포함된 물질의 수용액을 이용하여 제거하는 제2불순물제거단계; 상기 제2불순물제거단계에서 불순물이 제거된 잔여물에서 실리콘을 회수하기 위해 세척하는 세척단계; 및 상기 세척단계에서 세척된 실리콘을 건조하는 건조단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 제2불순물제거단계에서 이용된 리튬이 포함된 물질의 수용액을 재사용하기 위해 상기 수용액을 침전시키는 침전단계; 및 상기 수용액상기 침전단계에서 침전된 침전물질을 여과하는 여과단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 침전단계에서 침전된 침전물질에 석영을 첨가하는 석영첨가단계; 및 리튬 실리케이트를 제조하기 위해 상기 석영첨가단계에서 석영이 첨가된 침전물질을 가열하는 가열단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 여과단계는 100목, 250목 및 420목으로 차례로 상기 침전물질을 여과하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 리튬이 포함된 물질은 리튬, 산화리튬 및 수산화 리튬 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 물리적으로 석영이 포함된 불순물을 제거한 다음, 리튬이 포함된 물질을 이용하여 잔존하는 불순물을 제거함으로써, 공정 과정에서 인체에 유해한 유독가스를 발생하지 않아 안전하다는 효과가 있다.

그리고 리튬이 포함된 물질의 수용액을 이용하여 석영이 포함된 불순물을 제거하고 난 리튬이 포함된 물질의 수용액을 이용하여 리튬 실리케이트를 제조함으로써, 이렇게 제조된 휘발성 유기화합물이 발생하지 않는 리튬 실리케이트는 친환경 도료, 방수제 및 바닥제 등으로 이용할 수 있어, 폐실리콘으로부터 실리콘을 회수한 잔여물을 2차로 활용하는 것이 가능하여 산업자원을 적극 활용할 수 있다는 효과가 있다.

또한, 리튬이 포함된 물질의 수용액을 이용하여 석영이 포함된 불순물을 제거하고 난 리튬이 포함된 물질의 수용액을 다시 정제하는 것이 가능하여 리튬이 포함된 물질의 수용액을 재사용 또는 반복하여 사용하는 것이 가능하므로 경제적인 비용을 줄이는 것이 가능하다는 효과가 있다.

더욱이, 잉곳 형성 공정에서 이용되는 석영(

)는 원 소재(

)와 동질성이 커서 용융 접촉이 쉽게 일어나고, 냉각 후에 실리콘과 석영의 용융 접촉 계면은 혼합 결정 구조를 가지므로 완전히 제거하는 것이 쉽지 않은데, 리튬이 포함된 물질의 수용액은

와 석영의 양 성분을 모두 용해하는 성질을 가지고 있어 용융 접촉 계면을 완전히 제거하는 것이 가능하여 우수한 품질의 실리콘을 회수할 수 있다는 효과가 있다.

도1은 폐실리콘을 나타낸 사진이다.
도2는 종래의 불수소화산을 이용하여 석영을 제거한 계면을 나타낸 사진이다.
도3은 본 발명의 리튬이 포함된 물질의 수용액을 이용하여 석영을 제거한 계면을 나타낸 사진이다.
도4는 본 발명의 실리콘 회수 방법을 도시한 흐름도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.

<방법에 대한 설명>

본 발명의 실리콘 회수 방법에 대해서 도4에 도시된 흐름도를 이용하여 설명하고, 도1 내지 도3에 나타낸 사진을 이용하여 설명하되, 편의상 순서를 붙여 설명한다.

1. 제1불순물제거<S401>

본 단계는 잉곳(Ingot) 형성 공정에서 발생되는 폐실리콘에는 다량의 석영이 붙어 있는데, 이 상태에서 다량의 석영을 정이나 망치 등을 이용하여 우선적으로 제거하는 단계로, 폐실리콘에 붙어있는 다량의 석영 중에서 물리적으로 제거가 가능한 석영들을 우선적으로 제거하여 단계 S402에서 화학적으로 석영을 제거하는데, 수월하게 제거가 가능하도록 한다.

2. 제2불순물제거<S402>

단계 S401에서 물리적으로 석영이 제거된 폐실리콘에서 잔존하는 불순물인 석영을 화학적인 방법을 이용하여 제거하는데, 본 단계에서는 리튬이 포함된 물질의 수용액을 이용하여 석영을 제거한다. 즉, 단계 S401에서 물리적으로 석영이 제거된 상태의 폐실리콘에는 막이나 점 등의 상태로 잔존된 석영과, 폐실리콘의 표면에 자연적으로 형성된 산화분자(

)들의 제거가 본 단계에서 이루어진다.

여기서, 본 단계에서 이용되는 폐실리콘은 도1에 도시된 바와 같이, 실리콘(13)에 석영막(

, 11),

와

의 혼합결정계면(12) 및 반응 산화 박막(

, 14)가 각각 잔존된 상태이다.

그러므로 본 단계에서는 잔존하는 석영과 산화분자(

)들을 제거하기 위해서 리튬(Li)이 포함된 물질의 수용액을 이용을 이용하는데, 리튬이 포함된 물질로는 리튬, 산화리튬(LiO) 및 수산화리튬(LiOH) 중 어느 하나를 이용하여 수용액을 조성하고, 이를 이용하여 잔존 석영과 산화분자(

)를 용해함으로써, 불순물을 제거하는 것이 가능하다.

이때, 본 발명의 일실시예에서는 56.5%의 수산화 리튬을 2 내지 50%의 수용액으로 조성(바람직하게는 10%의 수용액)을 제조하여, 제조된 수산화 리튬 수용액 100kg를 반응조에 넣고, 이어서 석영과 산화분자(

)가 잔존되어 있는 폐실리콘 75kg를 바스켓에 넣어 반응조에 침지한다.

그런 다음에 약 5도 내지 100도의 온도(바람직하게는 25도의 온도)에서 30분 내지 12시간(바람직하게는 4시간) 동안 바스켓을 0 RPM 내지 1000 RPM(바람직하게는 100 RPM)으로 회전시켜 수산화 리튬 수용액을 이용하여 석영과 산화분자(

)를 용해한다.

여기서, 리튬, 산화리튬 및 수산화 리튬의 수용액은 Si와 산화분자(

)를 모두 용해하는 것이 가능한데, 이대, 리튬의 비율, 온도, 반응시간, 물리적인 세정 등을 조절함으로써 석영과 산화분자(

)를 완전히 제거하는 것이 가능하다.

이때, 상기와 같은 과정으로 용해가 이루어진 이후에 수산화 리튬 수용액은 빼내어 따로 저장을 한다.

3. 세척<S403>

단계 S402에서 잔존하는 석영과 산화분자(

)를 용해시켜 제거한 잔여물을 약 80도의 온도를 가지는 온수로 15분간 세정을 한 다음, 20도의 온도를 가지는 냉수로 15분간 다시 세정을 한다. 그리고 정제수로 5분간 마무리 세정을 실시함으로써, 잔여물을 세척한다.

이때, 단계 S402에서 잔존하는 석영과 산화분자(

)이 제거된 잔여물은 순도가 높은 실리콘이다.

4. 건조<S404>

단계 S403에서 세정이 이루어진 잔여물인 실리콘이 담겨있는 바스켓을 200RPM으로 회전시켜 탈수를 하고, 80도의 온도로 1시간 동안 건조를 시키면 도3에 도시된 바와 같이, 혼합결정계면(14)이 완전히 제거되어, 다각 무늬의 실리콘 결정구조가 드러나는 높은 순도를 가지는 실리콘(110)을 회수하는 것이 가능하다.

5. 침천<S413>

단계 S402에서 잔존하는 석영과 산화분자(

)의 제거를 위해 이용되고 따로 저장된 수산화 리튬 수용액을 약 24시간 침전조에서 침전을 시킨다. 그러면 침전조의 바닥에 침전된 침전물은 석영과 수산화 리튬의 혼합물이 침전이 되고, 상부에는 수산화 리튬 수용액만이 남는다.

6. 여과<S414>

단계 S413에서 침전이 이루어진 수산화 리튬 수용액을 100목, 250목 및 420목으로 차례로 3단 여과를 시킴으로써, 여과된 맑은 수산화 리튬 수용액은 재사용 탱크 등으로 이송시켜 저장한다. 즉, 본 단계를 거쳐 저장된 맑은 수산화 리튬 수용액은 다시 단계 S402에서 잔존하는 석영과 산화분자(

)를 용해시키기 위해 이용되는 것이 가능하다.

7. 석영첨가<S424>

단계 S413에서 여과를 거쳐 수득되는 침전물은 석영과 수산화 리튬의 혼합물로, 본 발명의 일실시예에서는 5.8kg이 수득되는데, 여기에 단계 S401에서 물리적으로 제거한 석영을 첨가한다.

이때, 첨가되는 석영은 박리를 하여 첨가시키는 것이 바람직하고, 본 발명의 일실시예에서는 1.3kg를 첨가한다.

8. 가열<S425>

단계 S424에서 석영이 첨가된 침전물을 약 30도 내지 300도의 온도(바람직하게는 90도의 온도)에서 가열을 하면, 표1에서와 같이 리튬 실리케이트(Lithium Silicate)를 제조하는 것이 가능하다.

물성	실시예
pH	11.0
비중( )	1.15
	1.9
	19.5
몰비	4.8
점도(cps, )	48

<비교 예>

<방법에 대한 설명>에서 본 발명의 실리콘 회수 방법에 대하여 일실시예와 함께 설명을 하였는데, 이를 종래의 방법으로 실리콘을 회수하는 예를 들어 비교하고자 한다.

석영이 붙어있는 폐실리콘을 바스켓에 75kg을 넣고 55%의 불화수소산이 들어있는 반응조에 침지한다. 그리고 20도의 온도에서 12시간 동안 석영을 산화 반응으로 제거한 다음, 20도의 온도를 가지는 냉수로 15분간 반복 세정하고 정제수로 5분간 마무리 세정을 함으로써, 도2에 도시된 바와 같이, 회색 얼룩으로 혼합결정계면(20)이 잔류된 상태의 실리콘을 회수한다.

상기와 같이, 본 발명의 실리콘 회수 방법에 의한 혼합결합체의 제거비율과 <비교 예>에 의한 혼합결합체의 제거비율을 비교하면 표2와 같다.

방법	비율	분석방법
본 발명	100%	EDX 분석에 의한 Si 및 O 원자 잔류율 비교 분석
비교 예	1.5%	EDX 분석에 의한 Si 및 O 원자 잔류율 비교 분석

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어져야 할 것이다.

11: 석영막 12; 혼합결정계면
13; 실리콘 14: 반응 산화박막
20: 혼합결정계면
110: 실리콘

Claims

폐실리콘에서 물리적으로 제거 가능한 석영이 포함된 불순물을 정이나 망치를 이용하여 제거하는 제1불순물제거단계;
상기 제1불순물제거단계에서 잔존하는 불순물을 리튬(Li)이 포함된 물질의 수용액을 이용하여 제거하는 제2불순물제거단계;
상기 제2불순물제거단계에서 불순물이 제거된 잔여물에서 실리콘을 회수하기 위해 세척하는 세척단계; 및
상기 세척단계에서 세척된 실리콘을 건조하는 건조단계; 를 포함하고,
상기 리튬이 포함된 물질은 리튬, 산화리튬 및 수산화 리튬 중 어느 하나인 것을 특징으로 하고,
상기 제2불순물제거단계에서는 상기 리튬, 산화리튬 및 수산화 리튬 중 어느 하나를 이용하여 수용액을 조성하고, 상기 제1불순물제거단계에서 잔존하는 불순물인 잔존 석영과 산화분자를 용해하여 제거하는 것을 특징으로 하는
실리콘 회수 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2불순물제거단계에서 이용된 상기 리튬, 산화리튬 및 수산화 리튬 중 어느 하나를 이용한 수용액을 재사용하기 위해 상기 수용액을 침전시키는 침전단계; 및
상기 침전단계에서 침전된 침전물질을 여과하는 여과단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
실리콘 회수 방법.
제2항에 있어서,
상기 침전단계에서 침전된 침전물질에 석영을 첨가하는 석영첨가단계; 및
리튬 실리케이트를 제조하기 위해 상기 석영첨가단계에서 석영이 첨가된 침전물질을 가열하는 가열단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
실리콘 회수 방법.
제2항에 있어서,
상기 여과단계는 100목, 250목 및 420목으로 차례로 상기 침전물질을 여과하는 것을 특징으로 하는
실리콘 회수 방법.
제1항에 있어서,
상기 리튬이 포함된 물질은 리튬, 산화리튬 및 수산화 리튬 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는
실리콘 회수 방법.