KR20030089489A - 콜로이드 용액의 여과 방법 - Google Patents

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Abstract

종래, CMP 등의 기계적 가공에 의해 발생하는 배수는 CMP 슬러리에 포함되는 지립이 미립자이기 때문에 콜로이드 용액이 되어, 유효한 여과 방법이 없었다.
본 발명에서는 콜로이드 용액의 미립자를 포함하는 배수를 제1 필터(1)의 표면으로 흡입하여 형성되는 겔막으로 이루어지는 제2 필터(2)를 이용하여 여과한다. 이 때, 응집제 또는 pH 조정제를 넣어 콜로이드 용액의 미립자를 겔화하기 쉬운 응집 입자로 하여 흡입 여과를 행함으로써, 겔화가 곤란한 콜로이드 용액이라도 여과를 행할 수 있다.

Description

콜로이드 용액의 여과 방법{Filtering Method for Colloid Solution}
본 발명은 콜로이드 용액의 여과 방법에 관한 것으로, 주로 0.15 ㎛ 이하로 매우 미세한 피제거물이 콜로이드형에 포함된 콜로이드 용액의 여과 방법에 관한 것이다.
현재, 산업 폐기물을 줄이는 것, 또한 산업 폐기물을 분별하여 재이용하는것, 또는 산업 폐기물을 자연계로 방출시키지 않는 것은 생태학의 관점에서 중요한 테마이고, 21세기의 기업 과제이다. 이 산업 폐기물 중에는 피제거물이 포함된 다양한 유체가 있다.
이들은 오수, 배수, 폐액 등의 다양한 말로 표현되고 있지만, 이하, 물이나 약품 등의 유체 속에 피제거물인 물질이 포함되어 있는 것을 배수라 칭하여 설명한다. 이들의 배수는 고가의 여과 처리 장치 등에 의해 상기 피제거물이 제거되어 배수가 깨끗한 유체가 되어 재이용되거나, 분별된 피제거물 또는 여과할 수 없어 남은 것을 산업 폐기물로서 처리하고 있다. 특히 물은 여과에 의해 환경 기준을 만족시키는 깨끗한 상태로 하여 강이나 바다 등의 자연계로 복귀되거나, 또한 재이용된다.
그러나, 여과 처리 등의 설비비, 운전 비용 등의 문제로 인해 이들의 장치를 채용하는 것이 매우 어려워 환경 문제도 되고 있다.
이것으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 배수 처리 기술은 환경 오염의 의미에서도, 또한 재활용의 점에서도 중요한 문제이고, 저초기 비용, 저운전 비용의 시스템이 조급히 요구되고 있다.
일예로서, 반도체 분야에 있어서의 배수 처리를 이하에 설명해 간다. 일반적으로, 금속, 반도체, 세라믹 등의 판형 부재를 연삭 또는 연마할 때, 마찰에 의한 연마(연삭) 지그 등의 온도 상승 방지, 윤활성 향상, 연삭칩 또는 절삭칩의 판형 부재로의 부착 등이 고려되어 물 등의 유체가 연마(연삭) 지그나 판형 부재에 샤워링되고 있다.
구체적으로는, 반도체 재료의 판형 부재인 반도체 웨이퍼를 다이싱하거나, 백그라인드할 때, 순수(純水)를 흘리는 수법이 취해지고 있다. 다이싱 장치에서는 다이싱 블레이드의 온도 상승 방지를 위해, 또한 다이싱 칩이 웨이퍼에 부착되는 것을 방지하기 위해 반도체 웨이퍼 상에 순수의 흐름을 만들거나, 블레이드에 순수가 닿도록 방수용 노즐이 부착되어 샤워링되고 있다. 또한 백그라인드로 웨이퍼 두께를 얇게 할 때도 마찬가지의 이유에 의해 순수가 흐르게 되어 있다.
전술한 다이싱 장치나 백그라인드 장치로부터 배출되는 연삭칩 또는 연마칩이 혼입된 배수는 여과되어 깨끗한 물이 되어 자연계로 복귀되거나, 혹은 재이용되고, 농축된 배수는 회수되고 있다.
기존의 반도체 제조에 있어서, Si를 주체로 하는 피제거물(칩)이 혼입된 배수 처리에는, 응집 침전법, 필터 여과와 원심 분리기를 조합한 방법의 2가지가 있다.
전자의 응집 침전법에서는 응집제로서 PAC(폴리염화알루미늄) 또는 Al2(SO4)3(황산 밴드) 등을 배수 속에 혼입시키고, Si와의 반응물을 생성시켜 이 반응물을 제거함으로써 배수의 여과를 하고 있었다.
후자의 필터 여과와 원심 분리를 조합한 방법에서는 배수를 여과하여 농축된 배수를 원심 분리기에 끼얹어 실리콘칩을 슬러지로서 회수하는 동시에, 배수를 여과하여 생긴 깨끗한 물을 자연계로 방출하거나, 또는 재이용하고 있었다.
예를 들어, 도12에 도시한 바와 같이 다이싱시에 발생하는 배수는 원수탱크(201)로 모이게 되어 펌프(202)에 의해 여과 장치(203)로 이송된다. 여과 장치(203)에는 세라믹계나 유기물계의 필터(F)가 장착되어 있으므로, 여과된 물은 배관(204)을 거쳐서 회수 물탱크(205)로 이송되어 재이용된다. 또는 자연계로 방출된다.
한편, 여과 장치(203)는 필터(F)에 막힘이 발생하므로 정기적으로 세정이 실시된다. 예를 들어, 원수 탱크(201)측의 밸브(B1)를 폐쇄하여 밸브(B3)와 원수 탱크로부터 세정수를 송부하기 위한 밸브(B2)가 개방되고, 회수 물탱크(205)의 물에 의해 필터(F)가 역세정된다. 이에 의해 발생한 고농도의 Si칩이 혼입된 배수는 원수 탱크(201)로 복귀된다. 또한 농축 물탱크(206)의 농축수는 펌프(208)를 거쳐서 원심 분리기(209)로 수송되어 원심 분리기(209)에 의해 오니(슬러지)와 분리액으로 분리된다. Si칩으로 이루어지는 오니는, 오니 회수 탱크(210)에 모이게 되고, 분리액은 분리액 탱크(211)에 모이게 된다. 또한 분리액이 모인 분리액 탱크(211)의 배수는 펌프(212)를 거쳐서 원수 탱크(201)로 수송된다.
이들의 방법은, 예를 들어 Cu, Fe, Al 등의 금속 재료를 주재료로 하는 고형물 또는 판형 부재, 세라믹 등의 무기물로 이루어지는 고형물이나 판형 부재 등의 연삭, 연마시에 발생하는 칩을 회수할 때도 채용되고 있었다.
한편, CMP(Chemical-Mechanical Polishing)가 새로운 반도체 프로세스 기술로서 등장하였다.
이 CMP 기술이 초래하는 것은,
① : 평탄한 디바이스면 형상의 실현
② : 기판과는 다른 재료의 매립 구조의 실현
이다.
①은 리소그래피 기술을 사용한 미세 패턴을 정밀도 좋게 형성하는 것이다. 또한 Si 웨이퍼의 부착 기술의 병용 등으로 삼차원 IC의 실현 가능성을 초래하는 것이다.
②는 매립 구조를 가능하게 하는 것이다. 종래, IC 다층 배선에는 텅스텐(W) 매립 기술이 채용되어 있다. 이는 층간막의 홈에 CVD법으로 W를 매립하여 표면을 엣치백하여 평탄화하고 있었지만, 최근에는 CMP에 의해 평탄화되고 있다. 이 매립 기술의 응용으로서는, 다마신 프로세스, 소자 분리를 들 수 있다.
이들 CMP의 기술 및 응용은 사이언스포럼 발행의「CMP의 사이언스」에 상세하게 서술되어 있다.
계속해서, CMP의 기구를 간단하게 설명한다. 도13에 도시한 바와 같이, 회전 정반(250) 상의 연마포(251)에 반도체 웨이퍼(252)를 얹어 연마재(슬러리)(253)를 흘리면서 문질러, 연마 가공, 화학적 에칭함으로써, 웨이퍼(252) 표면의 요철을 없애고 있다. 연마재(253) 속의 용제에 의한 화학 반응과, 연마포와 연마제 속의 연마 지립과의 기계적 연마 작용에 의해 평탄화되고 있다. 연마포(251)로서는, 예를 들어 발포폴리우레탄, 부직포 등이 이용되고, 연마재는 실리카, 알루미나 등의 연마 지립을 pH 조정제를 포함한 물에 혼합한 것으로, 일반적으로는 슬러리라 칭하고 있다. 이 슬러리(253)를 흘리면서 연마포(251)에 웨이퍼(252)를 회전시키면서 일정한 압력을 가하여 서로 문지르는 것이다. 또한, 부호 254는 연마포(251)의 연마 능력을 유지하는 것으로, 항상 연마포(251)의 표면을 드레스된 상태로 하는 드레싱부이다. 또한 부호 202, 208, 212는 모터, 부호 255 내지 257은 벨트이다.
상술한 기구는, 예를 들어 도14에 도시한 바와 같이 시스템으로서 구축되어 있다. 이 시스템은 크게 나누면, 웨이퍼 카세트의 로딩ㆍ언로딩 스테이션(260), 웨이퍼 이동 적재 기구부(261), 도13에서 설명한 연마 기구부(262), 웨이퍼 세정 기구부(263) 및 이들을 제어하는 시스템 제어로 이루어진다.
우선 웨이퍼가 들어 간 카세트(264)는 웨이퍼 카세트ㆍ로딩ㆍ언로딩 스테이션(260)에 설치되어, 카세트(264) 내의 웨이퍼가 취출된다. 계속해서, 웨이퍼 이동 적재 기구부(261), 예를 들어 매니퓰레이터(265)로 상기 웨이퍼를 보유 지지하여 연마 기구부(262)에 설치된 회전 정반(250) 상에 적재되고, CMP 기술을 사용하여 웨이퍼가 평탄화된다. 이 평탄화의 작업이 종료되면, 슬러리의 세정을 행하기 위해, 상기 조작기(266)에 의해 웨이퍼가 웨이퍼 세정 기구부(263)로 옮겨져 세정된다. 그리고 세정된 웨이퍼는 웨이퍼 카세트(266)에 수용된다.
예를 들어, 1회의 공정에서 사용되는 슬러리의 양은 약 500 cc 내지 1 리터/웨이퍼이다. 또한, 상기 연마 기구부(262), 웨이퍼 세정 기구부(263)로 순수가 흐르게 된다. 그리고 이들의 배수는 드레인에서 최종적으로는 합쳐지게 되므로, 약 5 리터 내지 10 리터/웨이퍼의 배수가 1회의 평탄화 작업으로 배출된다. 예를 들어 3층 메탈이면, 메탈의 평탄화와 층간 절연막의 평탄화로 약 7회의 평탄화 작업이 들어가, 1개의 웨이퍼가 완성되기까지는 5 내지 10 리터의 7배의 배수가 배출된다.
따라서, CMP 장치를 사용하면, 순수에 의해 희석된 슬러리가 상당량 배출되는 것을 알 수 있다. 그리고 이들의 배수는 콜로이드 용액을 위해 응집 침전법으로 처리되고 있었다.
그러나, 응집 침전법은 응집제로서 화학 약품이 투입된다. 그러나 완전히 반응하는 약품의 양을 특정하는 것은 매우 어려워, 아무래도 약품이 많이 투입되어 미반응의 약품이 남는다. 반대로 약품의 양이 적으면, 모든 피제거물이 응집 침강되지 않아 피제거물이 분리되지 않고 남아 버린다. 특히, 약품의 양이 많은 경우는 상징액에 약품이 남는다. 이를 재이용하는 경우, 여과 유체에 약품이 잔류하므로 화학 반응을 꺼리는 것에는 재이용할 수 없는 문제가 있었다.
또한 약품과 피제거물의 반응물인 플록은 마치 해초와 같은 부유물로 생성된다. 이 플록을 형성하는 조건은 pH 조건이 엄격하고, 교반기, pH 측정 장치, 응집제 주입 장치 및 이들을 제어하는 제어 기기 등이 필요해진다. 또한 플록을 안정되게 침강시키기 위해서는 큰 침전조가 필요해진다. 예를 들어, 3입방 미터(㎥)/1 시간의 배수 처리 능력이면, 직경 3 m, 깊이 4 m 정도의 탱크(약 15톤의 침강 탱크)가 필요해지고, 전체 시스템으로 하면 약 11 m × 11 m 정도의 부지도 필요해지는 대규모 시스템이 되어 버린다.
게다가 침전조에 침전하지 않고 부유하고 있는 플록도 있어, 이들은 탱크로부터 외부로 유출될 우려가 있어 전부를 회수하는 것은 어려웠다. 즉 설비 크기의 점, 이 시스템에 의한 초기 비용이 높은 점, 물의 재이용이 어려운 점, 약품을 사용하는 점으로부터 발생하는 운전 비용이 높은 점 등의 문제가 있었다.
한편, 도12와 같이 5입방 미터(㎥)/1 시간의 필터 여과와 원심 분리기를 조합한 방법에서는 여과 장치(203)에 필터(F)(UF 모듈이라 일컬어지고 폴리슬폰계 파이버로 구성된 것, 또는 세라믹 필터)를 사용하므로 물의 재이용이 가능해진다. 그러나, 여과 장치(203)에는 4개의 필터(F)가 부착되고, 필터(F)의 수명으로부터 약 [50 만엔/개]으로 고가인 필터를 적어도 1년에 1회 정도 교환할 필요가 있었다. 게다가 여과 장치(203)의 전방 펌프(202)는 필터(F)가 가압형의 여과 방법이므로 필터의 막힘이 발생하여 모터의 부하가 커, 펌프(202)가 고용량이었다. 또한, 필터(F)를 통과하는 배수 중, 2/3 정도는 원수 탱크(201)로 복귀되고 있었다. 또한 피제거물이 들어 간 배수를 펌프(202)로 수송하므로 펌프(202)의 내벽이 깎여 펌프(2)의 수명도 매우 짧았다.
이들의 점을 정리하면, 모터의 전기세가 많이 들고, 펌프(P)나 필터(F)의 교체 비용이 들기 때문에 운전 비용이 매우 큰 문제가 있었다.
또한, CMP에 있어서는 다이싱 가공과는 비교가 되지 않는 양의 배수가 배출된다. 슬러리는 콜로이드형으로 유체 내에 분포하고, 브라운 운동에 의해 그다지 침강하지 않는다. 게다가 슬러리에 혼입되는 지립의 입경은 10 내지 200 ㎚의 매우 미세한 것이다. 따라서, 미세한 지립으로 이루어지는 슬러리를 필터로 여과하면, 필터의 구멍에 지립이 침입하여 곧 막힘을 일으켜 막힘이 빈번히 발생하므로 배수를 대량으로 처리할 수 없는 문제가 있었다.
지금까지의 설명으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 지구 환경에 해를 끼치는물질을 가능한 한 제거하기 위해, 또는 여과 유체나 분리된 피제거물을 재이용하기 위해, 배수의 여과 장치는 다양한 장치를 추가하여 대규모인 시스템이 되어, 결국 초기 비용, 운전 비용이 방대해졌다. 따라서 지금까지의 오수 처리 장치는 도저히 채용할 수 있는 시스템이 아니었다.
도1은 본 발명의 필터를 설명하는 도면.
도2는 본 발명의 필터의 동작 원리를 설명하는 도면.
도3의 (A)는 본 발명의 제2 필터의 성막 조건을 설명하는 단면도, 도3의 (B)는 본 발명의 제2 필터의 성막 조건을 설명하는 특성도.
도4는 본 발명의 구체화된 여과 장치를 설명하는 도면.
도5는 본 발명의 필터 장치를 설명하는 도면.
도6은 본 발명의 더욱 구체화된 필터 장치를 설명하는 도면.
도7은 본 발명의 필터 장치의 재생을 설명하는 도면.
도8은 본 발명의 여과 장치의 운전 상황을 설명하는 도면.
도9는 본 발명의 여과 방법을 설명하는 도면.
도10은 본 발명의 여과 특성을 설명하는 도면.
도11은 본 발명의 다른 여과 장치를 설명하는 도면.
도12는 종래의 여과 시스템을 설명하는 도면.
도13은 CMP 장치를 설명하는 도면.
도14는 CMP 장치의 시스템을 설명하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 제1 필터
2 : 제2 필터
4 : 프레임
5 : 중공부
6, 57 : 펌프
7 : 여과액
11 : 필터 구멍
50 : 원수 탱크
52 : 원수
53 : 필터 장치
61 : 유량계
62 : 광 센서
65 : 약제 용기
본 발명은 상기한 과제에 비추어 이루어지고, 본 발명의 목적은 콜로이드형의 피제거물을 포함하는 콜로이드 용액에 응집을 촉진하는 첨가 물질을 넣어 상기 피제거물의 응집 입자를 생성하고, 제1 필터의 표면에 상기 피제거물의 응집 입자를 흡입하여 생성한 겔막으로 이루어지는 제2 필터를 성막하고, 상기 제2 필터로 상기 피제거물의 응집 입자를 여과하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 첨가 물질로서 응집제 혹은 pH 조정제를 이용하는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 응집제의 첨가량은 생성된 피제거물의 응집 입자가 침강하지 않는 범위로 설정되는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 응집제로서 PAC(폴리염화알루미늄) 또는 Al2(SO4)3(황산 밴드)를 이용하는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 pH 조정제로서 HCl(염산), NaOH(수산화나트륨)을 이용하는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 제2 필터는 상기 제2 필터 성막시의 여과량과 상기 제2 필터에서의 여과시의 여과량이 대략 등량이 되는 흡입 압력으로 선택되어 성막되는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 흡입 압력은 상기 제2 필터의 성막시 및 여과시에 있어서의 여과량을 장시간 일정하게 보유 지지할 수 있는 미약 흡입 압력으로 설정되는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 제2 필터에서의 피제거물의 여과시에 상기 흡입 압력은 서서히 증가시키고, 상기 제2 필터에서의 여과시의 여과량을 일정해지도록 제어하는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 제2 필터는 상기 제2 필터의 성막시의 흡입 압력과 상기 제2 필터에서의 여과시의 흡입 압력을 대략 동등하게 하여 성막되는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 흡입 압력은 상기 제2 필터의 성막시 및 여과시에 있어서의 흡입 압력을 장시간 일정하게 보유 지지할 수 있는 미약 흡입 압력으로 설정되는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 피제거물은 CMP 슬러리로 이루어지는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 피제거물은 CMP 슬러리 및 CMP시에 발생하는 가공칩으로 이루어지는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 콜로이드형의 피제거물을 포함하는 콜로이드 용액에 응집을 촉진하는 첨가 물질을 넣어 상기 피제거물의 응집 입자를 생성하고, 제1 필터의 표면에 상기 피제거물의 응집 입자를 흡입하여 생성한 겔막으로 이루어지는 제2 필터를 성막하고, 상기 제2 필터로 상기 피제거물의 응집 입자를 여과하여 상기 제2 필터가 막혔을 때에 상기 제2 필터를 재생시켜 다시 상기 피제거물의 여과를 계속하는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 첨가 물질로서 응집제 혹은 pH 조정제를 이용하는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 응집제의 첨가량은 생성된 피제거물의 응집 입자가 침강하지 않는 범위로 설정되는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 응집제로서 PAC(폴리염화알루미늄) 또는 Al2(SO4)3(황산 밴드)를 이용하는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 pH 조정제로서 HCl(염산), NaOH(수산화나트륨)을 이용하는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 제2 필터는 성막시의 여과량과 여과시의 여과량이 대략 등량이 되는 흡입 압력으로 선택되어 성막되는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 흡입 압력은 여과시에 있어서의 여과량을 장시간 일정하게 보유 지지할 수 있는 미약 흡입 압력으로 설정되는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 제2 필터는 성막시의 흡입 압력과 여과시의 흡입 압력을 대략 동등하게 하여 성막되는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 흡입 압력은 상기 제2 필터의 성막시 및 여과시에 있어서의 흡입 압력을 장시간 일정하게 보유 지지할 수 있는 미약 흡입 압력으로 설정되는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 제2 필터의 성막시 및 여과시에 상기 제2 필터 표면에 기체의 기포를 공급하여 병행류를 발생시키는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 기체의 기포는 상기 제2 필터의 바닥변 전체에 걸쳐서 공급되는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 제2 필터에서의 여과 유량이 감소하였을 때에 상기 제2 필터의 재생을 행하는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 제2 필터의 재생시에는 상기 흡입을 해제하는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 제2 필터의 재생시에는 기체의 기포의 양을 여과시보다 증량하는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 제2 필터의 재생시에 상기 제1 필터로 여과수를 역류시키는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 피제거물은 CMP 슬러리로 이루어지는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 피제거물은 CMP 슬러리 및 CMP시에 발생하는 가공칩으로 이루어지는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 피제거물은 암모니아를 포함하는 CMP 슬러리로 이루어지는 콜로이드 용액에 차아염소산 또는 차아염소산 소다를 넣어 pH 조정한 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
일반적으로, CMP의 슬러리에 혼입되는 지립과 같이 200 ㎚ 클래스 이하의 입체를 제거하기 위해서는, 이 입체보다도 작은 구멍의 필터막을 채용하는 것이 일반적이다. 그러나 본 발명은, 미약한 흡입 압력으로 성막된 팽윤도가 높은 겔막을 이용하여 이 겔막에 수분이 침투하는 성질을 이용하여 여과를 실현한 것에 있다. 또한 본 발명은 유체에 응집제 혹은 pH 조정제를 첨가하여 콜로이드 용액을 미리 겔화하기 쉽도록 응집 입자로 한 후에 여과를 행함으로써, 콜로이드 용액의 여과 효율을 대폭으로 높이는 여과 방법을 실현할 수 있는 것이다. 또한 본 발명은 겔막의 필터가 여과를 계속함으로써 막혀도, 그 필터를 재생하여 여과를 계속할 수 있어 장시간의 여과를 실현할 수 있는 것이다.
본 발명을 설명하는 면에서 본 발명에 이용하는 용어의 정의를 명확하게 한다.
콜로이드 용액이라 함은, 직경이 1 ㎚ 내지 1 ㎛인 크기의 미립자가 매질 속에 분산되어 있는 상태를 말한다. 이 미립자는 브라운 운동을 하여 통상의 여과지는 통과하지만 반투막은 통과하지 않는 성질이 있다. 또한 응집 속도가 매우 느린 성질은 미립자 사이에 정전기 반발력이 작용하고 있으므로, 접근하는 기회를 적게 하고 있다고 생각된다.
졸은 콜로이드 용액과 대략 마찬가지로 사용되고, 졸은 겔과 달리 액체 속에 분산되어 있어 유동성을 나타내고, 미립자는 활발하게 브라운 운동을 하고 있다.
겔은 콜로이드 입자가 독립된 운동성을 잃어 집합하여 고화된 상태를 말한다. 예를 들어, 한천이나 젤라틴은 온수에 녹이면 분산되어 졸이 되지만, 이를 냉각하면 유동성을 잃어 겔이 된다. 겔에는 액체분이 많은 히드로겔과 약간 건조된 크세로겔이 있다.
겔화의 요인으로서는, 분산매의 물을 제거하여 건조시키거나, 실리카 슬러리(pH 9 내지 10)에 전해질염을 첨가하여 pH 6 내지 7까지 pH 조정을 하거나, 냉각을 하여 유동성을 잃게 하는 등이 있다.
슬러리는 입자와 액체 및 화학 약품을 혼합하여 폴리싱에 사용하는 콜로이드 용액 또는 졸을 말한다. 전술한 CMP에 이용하는 연마제를 CMP 슬러리라 칭하고 있다. CMP 슬러리에는 실리카계 연마제, 산화알루미늄(알루미나)계 연마제, 산화셀륨(세리아)계 연마제 등이 알려져 있다. 가장 자주 이용되는 것은 실리카계 연마제이고, 그 중에서도 콜로이달 실리카가 널리 이용된다. 콜로이달 실리카라 함은, 7 내지 300 ㎚의 콜로이드 사이즈의 실리카 초미립자가 물 또는 유기 용매 속에 침강하는 일 없이 균질하게 분산되어 있는 분산액으로, 실리카졸이라고도 불리운다.이 콜로이달 실리카는 물 속에서 입자가 단일 분산되어 있으므로, 콜로이드 입자의 상호 반발력으로 1년 이상 방치해도 거의 침강하는 일은 없다.
우선 본 발명은 피제거물이 콜로이드 용액 혹은 졸에 의해 유체 속에 포함된 상태의 배수로부터 피제거물을 여과에 의해 제거하는 콜로이드 용액의 여과 방법을 제공하는 데 있다.
피제거물은 3 ㎚ 내지 2 ㎛인 입경 분포의 미립자가 대량으로 들어 간 콜로이드 용액(졸)이고, 예를 들어 CMP에 이용하는 실리카, 알루미나 혹은 세리아 등의 지립과 지립에 의해 깎이어 발생하는 반도체 재료칩, 금속칩 및/또는 절연막 재료칩이다. 본 실시예에서는 CMP 슬러리로서, 로델니타사제 ILD1300 산화막 연마용 슬러리를 사용하였다. 이 슬러리는 pH 10, 지립 분포 10 내지 200 ㎚의 실리카를 주성분으로 한 암모니아계의 슬러리이다. 강알칼리성이므로 분산성이 강하여 좀처럼 겔화가 곤란한 슬러리이다.
도1을 참조하여 본 발명의 원리를 설명한다.
본 발명은 콜로이드 용액(졸)의 피제거물이 혼입된 유체(배수)를 피제거물로부터 형성된 겔막으로 이루어지는 필터로 제거하는 것이다.
구체적으로 설명하면, 유기 고분자의 제1 필터(1) 표면에 콜로이드 용액의 피제거물인 CMP 슬러리로 형성된 제2 필터(2)가 되는 겔막을 형성하고, 이 필터(1, 2)를 탱크 내의 유체(3) 속에 침지하여 피제거물이 들어 간 배수를 여과하는 것이다. 피제거물은 미리 첨가된 응집제 혹은 PH 조정제의 작용으로 최초의 졸 입자로부터 응집된 큰 졸 입자를 형성하여 겔화하기 쉽게 하는 점에 특징이 있다.
제1 필터(1)는 겔막을 부착시킬 수 있으면 원리적으로 생각하여 유기 고분자계, 세라믹계 중 어느 쪽이라도 채용 가능하다. 여기서는 평균 구멍 직경 0.25 ㎛, 두께 0.1 ㎜인 폴리올레핀계의 고분자막을 채용하였다. 이 폴리올레핀계로 이루어지는 필터막의 표면 사진을 도2의 (B)에 도시하였다.
또한, 제1 필터(1)는 프레임(4)의 양 면에 설치된 평막구조를 갖고, 유체에 수직이 되도록 침지되어 프레임(4)의 중공부(5)로부터 펌프(6)에 의해 흡입하도록 구성되어 여과액(7)을 취출할 수 있다.
다음에, 제2 필터(2)는 제1 필터(1) 표면 전체에 부착되어 피제거물의 응집된 졸 입자를 흡입함으로써 즉시 겔화하여 형성되는 겔막이다. 일반적으로 겔막은 젤리형이므로, 필터로서의 작용은 없다고 생각되어지고 있다. 그러나, 본 발명에서는 이 겔막의 생성 조건을 선택함으로써 제2 필터(2)의 기능을 갖게 할 수 있다. 이 생성 조건은 후에 상세하게 서술한다.
그럼, 상기한 피제거물의 콜로이드 용액(졸)으로 피제거물의 겔막인 제2 필터(2)를 형성하여 피제거물을 제거하는 여과에 대해 도1 및 도2의 (A)를 참조하여 설명한다.
콜로이드 용액(졸)의 피제거물이 혼입된 유체(배수)에는 우선 응집제 혹은 pH 조정제가 들어가게 된다. 이 응집제 혹은 pH 조정제는 본래 졸 입자가 갖는 정전기의 반발력을 약하게 하여 복수의 졸 입자가 응집된 약간 큰 졸 입자를 형성한다. 특히, 겔화하기 어려운 피제거물의 콜로이드 용액에서는 미리 응집제 혹은 pH 조정제로 콜로이드 용액을 겔화하기 쉬운 상태로 하면, 다음의 여과 공정에서 효율적으로 겔화되어 여과를 행할 수 있다. 즉, 이 큰 졸 입자도 졸의 유동성은 잃지 않아 겔화는 하고 있지 않지만, 상당히 겔화하기 쉬운 상태에 놓여져 있다. 도1에서는 큰 졸 입자를 2개의 졸 입자가 결합한 것 처럼 나타내고 있지만, 이 개수에는 관계는 없다. 통상 약 20 ㎚ 정도 크기의 졸 입자가 응집제 혹은 pH 조정제의 작용으로 그 반발력이 약해져 약 100 ㎚ 정도 크기의 응집된 졸 입자가 되는 것을 나타내고 있다.
응집제의 첨가량은 겔화하여 플록을 형성하여 자중에 의해 침강하기까지 다량이 아닌, 졸 입자가 응집하여 큰 졸 입자를 형성하는 소량으로 충분하다. pH 조정제의 첨가량은 pH를 6 내지 7의 중성으로 하는 정도이고, 이것도 중성화하여 졸 입자의 반발력을 약하게 하여 겔화를 촉진하기 때문이다. 구체적으로는, 응집제로서는 PAC(폴리염화알루미늄) 또는 Al2(SO4)3(황산 밴드) 등의 종래와 같은 것을 이용한다. 또한, pH 조정제로서는 HCl(염산), NaOH(수산화나트륨) 등을 이용한다.
제1 필터(1)는 다수의 필터 구멍(11)을 갖고, 이 필터 구멍(11)의 개구부 및 제1 필터(1)의 표면에 층형으로 형성되어 있는 피제거물(13)의 겔막이 제2 필터(2)이다. 제1 필터(1)의 표면에는 응집제 혹은 pH 조정제에 의해 미리 겔화하기 쉬워진 피제거물(13)의 응집 입자가 있고, 이 응집 입자는 펌프로부터의 흡입 압력에 의해 제1 필터(1)를 거쳐서 흡입되어 유체(3)의 수분이 흡수되므로, 건조(탈수)되어 곧 겔화하여 제1 필터(1) 표면에 제2 필터(2)가 형성된다.
제2 필터(2)는 피제거물(13)의 응집 입자로 형성되므로 즉시 소정의 막 두께가 되고, 이 제2 필터(2)를 이용하여 콜로이드 용액의 피제거물의 응집 입자의 여과가 개시된다. 따라서 펌프(6)로 흡입하면서 여과를 계속하면, 제2 필터(2)의 표면에는 응집 입자의 겔막이 적층되어 두꺼워지고, 결국은 제2 필터(2)는 막혀 여과를 계속할 수 없게 된다. 그 동안에 피제거물의 응집 입자는 겔화되면서 제2 필터(2)의 표면에 부착되어 배수가 제1 필터(1)를 통과하여 여과수로서 취출된다.
도2의 (A)에 있어서, 제1 필터(1)의 한 쪽면에는 피제거물이 혼입된 콜로이드 용액의 배수가 있고, 제1 필터(1)의 반대면에는 제1 필터(1)를 통과한 여과수가 생성되어 있다. 화살표 방향으로 배수는 흡입되어 흐르고, 이 흡입에 의해 콜로이드 용액 속의 응집 입자가 제1 필터(1)에 근접함에 따라 정전기 반발력을 잃고 겔화되어 몇 개의 응집 입자가 결합한 겔막이 제1 필터(1) 표면에 흡착되어 제2 필터(2)가 형성된다. 이 제2 필터(2)의 작용으로 콜로이드 용액 속의 피제거물은 겔화되면서 배수의 여과가 행해진다. 제1 필터(1)의 반대면으로부터는 여과수가 흡입된다.
이와 같이 제2 필터(2)를 거쳐서 콜로이드 용액의 배수를 천천히 흡입함으로써, 배수 중인 물이 여과수로서 취출되고, 피제거물은 건조되어 겔화하여 제2 필터(2) 표면에 적층되어 피제거물의 응집 입자는 겔막으로서 포획된다.
다음에, 제2 필터(2)의 생성 조건에 대해 도3을 참조하여 설명한다. 도3은 제2 필터(2)의 생성 조건과 그 후의 여과량을 나타내고 있다.
본 발명의 방법에서는, 우선 제2 필터(2)의 생성과 여과의 공정으로 구성되어 있다.
제2 필터(2)의 생성 공정에 있어서, 전술한 로델니타사제 ILD1300 산화막 연마용 슬러리 등의 강알칼리성의 CMP 슬러리를 이용한 경우에는, 겔화하기 어려운 성질을 갖고 있으므로, 단순히 흡입만으로는 피제거물의 겔막이 좀처럼 생성되지 않는다. 이로 인해 제2 필터(2)는 성막 상태가 나쁘고, 그 제2 필터(2)의 겔막 사이에는 피제거물의 졸 입자가 인입하여 제2 필터(2)는 자주 막히게 되어 여과량도 적다.
본 발명에서는, 강알칼리성의 CMP 슬러리를 이용한 경우에는 제2 필터(2)의 생성 전에 응집제, 예를 들어 Al2(SO4)3(황산 밴드)를 100 ㎎/L을 첨가하여 큰 피제거물의 응집 입자를 만들어 겔화하기 쉽게 하고 나서 제2 필터(2)의 생성을 행한다. 응집제를 넣은 경우의 여과액의 규소 농도는 80 ppm 정도이고, 응집 입자가 곧 겔화하여 제2 필터(2)가 형성되는 것을 나타내고 있다. 한편, 응집제를 넣지 않은 경우는 규소 농도는 150 ppm으로 증가하여 제2 필터(2)가 곧 소정 두께의 겔막으로 성장하지 않으므로 여과가 충분히 행해지고 있지 않은 것을 나타내고 있다.
다음에, 제2 필터(2)의 여과 조건에 대해 설명한다. 제2 필터(2)의 생성 조건에 의해 여과시의 정제수 여과량이 크게 달라 제2 필터(2)의 정제 조건을 적절하게 선택하지 않으면, 겔막의 제2 필터(2)의 특성으로 대부분 여과할 수 없는 것이 명백해진다. 이는, 종래에서는 콜로이드 용액의 여과는 불가능하다고 일컬어져 온 사실과 일치하고 있다.
도3의 (B)에 나타낸 특성은, 도3의 (A)에 나타낸 방법으로 실험적으로 구하게 된 것이다. 즉, 원통 용기(21)의 바닥부에 제1 필터(1)를 설치하여 로델니타사제 ILD1300 산화막 연마용 슬러리(22)의 원액 50 cc와 응집제를 넣어 흡입 압력을 바꾸어 겔막의 생성을 행한다. 계속해서 남은 슬러리(22)를 버리고 정제수(23)를 100 cc 넣어 매우 낮은 흡입 압력으로 여과를 행하는 것이다. 이에 의해 제2 필터(2)가 되는 겔막의 여과 특성을 조사할 수 있다. 또한, 이 때 제1 필터(1)는 직경 47 ㎜인 것을 이용하고, 그 면적은 1734 ㎡이다.
도3의 (B)에 있어서, 겔막의 생성 공정에서는 흡입 압력을 －55 ㎝Hg, －30 ㎝Hg, －10 ㎝Hg, －5 ㎝Hg, － 2 ㎝Hg로 바꾸어 120분간 성막을 행하여 겔막의 성질을 조사하였다. 이 결과, 흡입 압력을 －55 ㎝Hg으로 강하게 설정하면 2시간에 여과량은 16 cc로 가장 많고, 뒤를 이어 차례로 12.5 cc, 7.5 cc, 6 cc, 4.5 cc가 된다.
다음에, 정제수로 교체하여 이 겔막으로 여과를 행한다. 이 때의 흡입 압력은 －10 ㎝Hg으로 일정하게 설정된다. 흡입 압력 －55 ㎝Hg으로 성막된 겔막에서는 불과 0.75 cc/시간밖에 여과할 수 있다. 흡입 압력 －30 ㎝Hg으로 성막된 겔막에서는 약 1cc/시간의 여과량이다. 그러나, 흡입 압력 －10 ㎝Hg의 겔막에서는 2.25 cc/시간, 흡입 압력 －5 ㎝Hg의 겔막에서는 3.25 cc/시간, 흡입 압력 －2 ㎝Hg의 겔막에서는 3.1 cc/시간의 여과량이 되고, 매우 약한 흡입 압력으로 성막된 겔막은 여과 공정에서도 안정되게 여과를 행할 수 있다. 이 실험 결과로부터, 제2 필터(2) 겔막의 생성 공정에서는 약 3 cc/시간의 여과량이 되도록 흡입 압력을 설정하면, 그 후의 여과 공정에서의 여과량이 가장 커지는 것이 명백하다.
이 이유는 흡입 압력이 강하면 성막되는 겔막이 팽윤도가 낮고, 치밀하고 단단해져 겔막이 수분의 함유가 적어 수축된 상태에서 성막되므로, 정제수가 침투하는 통로가 대부분 없어지기 때문이라 생각된다.
이에 대해 흡입 압력을 약하게 하면 성막되는 겔막은 팽윤도가 높고, 밀도가 낮고 부드러워져 겔막에 수분 함유가 많아 팽윤된 상태에서 성막되어 정제수가 침투하는 통로를 많이 확보할 수 있다. 마치 가루눈이 천천히 내려 쌓이는 상태를 생각하면 용이하게 이해할 수 있다. 본 발명의 특징은 이 미약한 흡입 압력으로 성막된 팽윤도가 높은 겔막을 이용하여 이 겔막에 수분이 침투하는 성질을 이용하여 여과를 실현한 데 있다.
도2에 도시한 필터는 도1의 필터의 한 쪽을 도시하고 있고, 실제로는 겔막이 어떻게 부착되는지를 설명한 모식도이다.
제1 필터(1)는 콜로이드 용액의 배수에 수직으로 세워 침지되고, 배수는 피제거물(13)이 분산된 콜로이드 용액으로 되어 있다. 이 배수에 응집제 혹은 pH 조정제를 첨가하면, 응집제 혹은 pH 조정제가 핵이 되어 피제거물(13)이 복수개 결합한 응집 입자를 만든다. 이 응집 입자를 작은 검은 동그라미로 나타내고 있다. 펌프(6)에 의해 제1 필터(1)를 거쳐서 배수를 미약한 흡입 압력으로 흡입하면, 제1 필터(1) 표면에 피제거물의 응집 입자가 서로 결합하여 겔화하고, 제1 필터(1)의 표면에 흡착된다. 흰 동그라미로 나타낸 겔화한 응집 입자(14)는 제1 필터(1)의 필터 구멍(11)보다 큰 것이 제1 필터(1) 표면에 흡착되어 적층되고, 겔막으로 이루어지는 제2 필터(2)를 형성한다. 또한 필터 구멍(11)보다 직경이 작은 응집입자(14)는 제1 필터(1)를 통과하지만, 제2 필터(2)를 성막하는 공정에서는, 여과수는 다시 배수로 순환되므로 문제는 없다. 그리고 전술한 바와 같이 약 120 분간에 걸쳐 제2 필터(2)가 형성된다. 이 성막하는 공정에서는 매우 미약한 흡입 압력으로 흡입되어 있으므로 겔화한 응집 입자(14)는 다양한 형상의 간극을 형성하면서 적층되고, 매우 팽윤도가 낮은 부드러운 겔막의 제2 필터(2)가 된다. 배수 중인 물은 이 팽윤도가 높은 겔막을 침투하여 흡입되어 제1 필터(1)를 통과하여 여과수로서 취출되고, 최종적으로 배수는 여과되게 된다.
즉, 본 발명에서는 팽윤도가 높은 겔막으로 제2 필터(2)를 형성하고, 제1 필터(1)로부터 미약한 흡입 압력으로 흡입함으로써 제1 필터(1)에 접촉하는 겔막에 포함되는 수분을 탈수시켜 겔막을 수축시키고, 그 겔막에, 배수에 접촉하는 겔막으로부터 수분을 침투시켜 보급하여 팽윤시키는 것을 반복하여 제2 필터(2)를 수분만 침투시켜 여과하는 것이다.
또한, 제1 필터(1)에는 배수의 바닥면으로부터 공기의 기포(12)를 이송하여, 제1 필터(1)의 표면에 따라서 배수에 병행류를 형성하고 있다. 이는 제2 필터(2)가 제1 필터(1)의 표면 전체에 균일하게 부착하기 위해서와 제2 필터(2)에 간극을 형성하여 부드럽게 부착하기 위해서이다. 구체적으로는 1.8 리터/분의 에어 유량으로 설정하고 있지만, 제2 필터(2)의 막질에 의해 선택된다.
다음에 여과 공정에서는, 이 제2 필터(2)의 표면에 미약한 흡입 압력에 의해 흰 동그라미로 나타낸 겔화한 응집 입자(14)가 흡착되면서 서서히 적층된다. 이 때에 정제수는 제2 필터(2) 및 또한 적층되는 흰 동그라미로 나타낸 겔화한 응집입자(14)를 침투하여 제1 필터(1)로부터 여과수로서 취출된다. 즉 배수에 포함되는, 예를 들어 CMP의 경우에는 실리카, 알루미나 혹은 세리아 등의 지립과 지립에 의해 깎이어 발생하는 반도체 재료칩, 금속칩 및/또는 절연막 재료칩 등의 가공칩은 겔로서 제2 필터(2)의 표면에 서서히 적층하여 포획되고, 물은 겔막을 침투하여 제1 필터(1)로부터 여과수로서 취출시킨다.
그러나, 도3의 (B)에 도시한 바와 같이 장시간 여과를 계속하면, 제2 필터(2) 표면에는 두껍게 겔막이 부착되므로 상술한 간극도 결국은 막힘을 일으켜 여과수는 취출할 수 없게 된다. 이로 인해 여과 능력을 재생하기 위해서는 이 적층된 겔막을 제거하는 것이 필요해진다.
계속해서, 도4를 참조하여 보다 구체화된 여과 장치를 설명한다.
도4에 있어서, 부호 50은 원수 탱크이다. 이 탱크(50)의 상방에는 배수 공급 수단으로서 파이프(51)가 설치되어 있다. 이 파이프(51)는 피제거물이 혼입된 유체를 탱크(50)로 도입한다. 예를 들어, 반도체 분야에서 설명하면, 다이싱 장치, 백그라인드 장치, 미러 폴리싱 장치 또는 CMP 장치로부터 흘러나오는 콜로이드 용액의 피제거물이 혼입된 배수(원수)가 유도되는 곳이다. 또한, 이 배수는 CMP 장치로부터 흐르는 지립, 지립에 의해 연마 또는 연삭된 칩이 혼입된 배수로서 설명해 간다.
또한 부호 65는 약제 용기이고, 부호 66은 약제 용기(65)로부터 약제를 원수 탱크(50)로 도입하는 파이프이다. 약제로서는 상술한 바와 같이 첨가 물질로서 이용되는 응집제 혹은 pH 조정제가 들어가 있다.
원수 탱크(50)에 저장된 원수(52) 중에는 제2 필터가 형성된 필터 장치(53)가 복수개 설치된다. 이 필터 장치(53)의 하방에는, 예를 들어 파이프에 작은 구멍을 개방한 것과 같은, 또한 물고기 수조에 사용하는 버블링 장치와 같이 산기관(54)이 설치되고, 정확하게 필터 장치(53)의 표면을 통과하도록 그 위치가 조정되어 있다. 이 산기관(54)은 필터 장치(53)의 바닥변 전체에 걸쳐서 배치되어 기포를 필터 장치(53)의 전체면에 균일하게 공급할 수 있도록 되어 있다. 부호 55는 에어 펌프이다. 여기서 필터 장치(53)는 도1에 도시한 제1 필터(1), 프레임(4), 중공부(5) 및 제2 필터(2)를 가리키고 있다.
필터 장치(53)에 고정된 파이프(56)는 도1의 파이프(8)에 상당하는 것이다. 이 파이프(56)는 필터 장치(53)로 여과된 여과 유체가 흘러, 밸브(V1)를 거쳐서 흡입을 행하는 마그네트 펌프(57)에 접속된다. 파이프(58)는 마그네트 펌프(57)로부터 제어 밸브(CV1)를 거쳐서 밸브(V3) 및 밸브(V4)에 접속되어 있다. 또한 파이프(56)의 밸브(V1) 후방에 제1 압력계(59)가 설치되어 흡입 압력(Pin)을 측정하고 있다. 또한 파이프(58)의 제어 밸브(CV1)의 후방에는 유량계(F) 및 제2 압력계(60)가 설치되어 유량계(61)로 일정한 유량이 되도록 제어하고 있다. 또한 에어 펌프(55)로부터의 에어 유량은 제어 밸브(CV2)로 제어된다.
파이프(51)로부터 공급된 원수(52)는 원수 탱크(50)에 저장되어 필터 장치(53)에 의해 여과된다. 이 필터 장치에 부착된 제2 필터(2)의 표면은 기포가 통과하여 기포의 상승력이나 파열에 의해 병행류를 발생시키고, 제2 필터(2)에 흡착하는 겔화한 피제거물을 움직이게 하여 필터 장치(53)의 전체면에 균일하게 흡착시켜 그 여과 능력이 저하되지 않도록 유지되어 있다.
여기서 전술한 필터 장치(53), 구체적으로는 원수 탱크(50) 속에 침지되는 필터 장치(53)에 대해 도5 및 도6을 참조하면서 설명한다.
도5의 (A)에 도시한 부호 30은 액자와 같은 형상의 프레임이고, 도1의 프레임(4)과 대응한다. 이 프레임(30)의 양면에는 제1 필터(1)(도1)가 되는 필터막(31, 32)이 접합되어 고정되어 있다. 그리고 프레임(30), 필터막(31, 32)으로 둘러싸인 내측 공간(33)[도1의 중공부(5)와 대응함]에는 파이프(34)[도1의 파이프(8)와 대응함]를 흡입함으로써 필터막(31, 32)에 의해 여과된다. 그리고 프레임(30)에 밀봉되어 부착되어 있는 파이프(34)를 거쳐서 여과수가 취출되어 있다. 물론 필터막(31, 32)과 프레임(30)은 배수가 필터막 이외로부터 상기 공간(33)으로 침입하지 않도록 완전히 밀봉되어 있다.
도5의 (A)의 필터막(31, 32)은 얇은 수지막이므로, 흡입되면 내측으로 휘어져 파괴에 이르는 경우도 있다. 그로 인해, 이 공간을 가능한 한 작게 하고, 여과 능력을 크게 하기 위해, 이 공간(33)을 크게 형성할 필요가 있다. 이를 해결한 것이 도5의 (B)이다. 도5의 (B)에서는 공간(33)이 9개밖에 도시되어 있지 않지만, 실제는 다수 형성된다. 또한 실제로 채용한 필터막(31)은 약 0.1 ㎜ 두께의 폴리올레핀계의 고분자막이고, 도5의 (B)에 도시한 바와 같이 얇은 필터막이 주머니형으로 형성되어 있고, 도5의 (B)에서는 FT로 나타내었다. 이 주머니형의 필터(FT) 속에 파이프(34)가 일체화된 프레임(30)이 삽입되고, 상기 프레임(30)과 상기 필터(FT)가 접합되어 있다. 부호 RG는 압박 수단으로, 필터(FT)가 접합된 프레임을 양측으로부터 압박하는 것이다. 그리고 압박 수단의 개구부(OP)로부터는 필터(FT)가 노출되어 있다. 상세한 서술에 대해서는 도6을 참조하여 다시 설명한다.
도5의 (C)는 필터 장치(53) 자신을 원통형으로 한 것이다. 파이프(34)에 부착된 프레임은 원통형으로, 측면에는 개구부(OP1, OP2)가 설치되어 있다. 개구부(OP1)와 개구부(OP2)에 대응하는 측면이 제거되어 있으므로, 개구부 사이에는 필터막(31)을 지지하는 지지 수단(SUS)이 마련되게 된다. 그리고 측면에 필터막(31)이 접합된다.
또한 도6을 참조하여, 도5의 (B)의 필터 장치(53)를 상세하게 서술한다.
우선 도5의 (B)의 프레임(30)에 상당하는 부분(30a)을 도6의 (A) 및 도6의 (B)에서 설명한다. 부분(30a)은 겉보기에 골판지와 같은 형상으로 이루어져 있다. 0.2 ㎜ 정도로 얇은 수지 시트(SHT1, SHT2)가 포개어져 그 사이에 종방향으로 섹션(SC)이 복수개 설치되고, 수지 시트(SHT1, SHT2), 섹션(SC)으로 둘러싸여져 공간(33)이 마련된다. 이 공간(33)의 단면은 세로 3 ㎜, 가로 4 ㎜로 이루어지는 직사각형이고, 별도의 표현을 하면 이 직사각형 단면을 가진 스트로우가 몇 개나 나란히 일체화된 것과 같은 형상이다. 부분(30a)은 양측의 필터막(FT)을 일정한 간격으로 유지하고 있으므로, 이하 스페이서라 칭한다.
이 스페이서(30a)를 구성하는 얇은 수지 시트(SHT1, SHT2)의 표면에는 직경 1 ㎜의 구멍(HL)이 많이 개방되고, 그 표면에는 필터막(FT)이 접합되어 있다. 따라서, 필터막(FT)으로 여과된 여과수는 구멍(HL), 공간(33)을 통해 최종적으로는파이프(34)로부터 나간다.
또한 필터막(FT)은 스페이서(30a)의 양면(SHT1, SHT2)에 접합되어 있다. 스페이서(30a)의 양면(SHT1, SHT2)에는 구멍(HL)이 형성되어 있지 않은 부분이 있고, 여기에 직접 필터막(FT1)이 부착되면, 구멍(HL)이 형성되어 있지 않은 부분에 대응하는 필터막(FT1)은 여과 기능이 없어 배수가 통과하지 않으므로 피제거물이 포획되지 않은 부분이 발생한다. 이 현상을 방지하기 위해 필터막(FT)은 적어도 2매 접합되어 있다. 가장 표측의 필터막(FT1)은 피제거물을 포획하는 필터막이고, 이 필터막(FT1)으로부터 스페이서(30a)의 표면(SHT1)을 향함에 따라서 필터막(FT1)의 구멍보다도 큰 구멍을 갖는 필터막이 설치되고, 여기서는 필터막(FT2)이 1매 접합되어 있다. 따라서, 스페이서(30a)의 구멍(HL)이 형성되어 있지 않은 부분이라도 사이에 필터막(FT2)이 설치되어 있으므로 필터막(FT1) 전체면이 여과 기능을 갖게 되고, 필터막(FT1) 전체면에 피제거물이 포획되어 제2 필터막이 표리면(SH1, SH2) 전체면에 형성되게 된다. 또한 도면의 형편상, 필터막(SHT1, SHT2)이 직사각형상의 시트와 같이 나타나 있지만, 실제로는 도5의 (B)에 도시한 바와 같이 주머니형으로 형성되어 있다.
다음에, 주머니형의 필터막(SHT1, SHT2), 스페이서(30a) 및 압박 수단(RG)이 어떻게 부착되어 있는지, 도6의 (A), 도6의 (C) 및 도6의 (d)를 참조하여 설명한다.
도6의 (A)는 완성도이고, 도6의 (C)는 도6의 (A)의 A-A선으로 나타낸 바와 같이, 파이프(34)의 헤드부로부터 파이프(34)의 연장 방향(수직 방향)으로 절단한도면을 도시하고, 도6의 (d)는 B-B선으로 나타낸 바와 같이 필터 장치(35)를 수평 방향으로 절단한 단면도이다.
도6의 (A), 도6의 (C), 도6의 (d)를 보면 알 수 있는 바와 같이, 주머니형의 필터막(FT)에 삽입된 스페이서(30a)는 필터막(FT)도 포함하여 4측변이 압박 수단(RG)에 의해 협지되어 있다. 그리고 주머니형으로 폐쇄된 3측변 및 나머지 1측변은 압박 수단(RG)으로 도포된 접착제(AD1)로 고정된다. 또한 나머지 1측변(주머니의 개구부)과 압박 수단(RG) 사이에는 공간(SP)이 형성되고, 공간(33)에 발생한 여과수는 공간(SP)을 거쳐서 파이프(34)로 흡입된다. 또한 압박 금구(RG)의 개구부(OP)에는 접착제(AD2)가 전체 주위에 걸쳐 설치되고, 완전히 밀봉되어 필터 이외로부터 유체가 침입할 수 없는 구조로 되어 있다.
따라서 공간(33)과 파이프(34)는 연통하고 있고, 파이프(34)를 흡입하면 필터막(FT)의 구멍, 스페이서(30a)의 구멍(HL)을 거쳐서 유체가 공간(33)을 향해 통과하고, 공간(33)으로부터 파이프(34)를 경유하여 외부로 여과수를 수송할 수 있는 구조로 되어 있다.
여기서 이용하는 필터 장치(53)는 도6의 구조를 채용하고 있고, 필터막을 부착하는 프레임[압박 금구(RG)]의 크기는 A4 사이즈이고, 구체적으로는 세로 : 약 19 ㎝, 가로 : 약 28.8 ㎝, 두께 : 5 내지 10 ㎜이다. 실제로는, 필터 장치(53)는 프레임의 양면에 설치되므로, 상기한 2배의 면적(면적 : 0.109 ㎡)이 된다. 그러나 원수 탱크(50)의 크기에 의해 필터 장치의 매수나 크기는 자유롭게 선택되어 구해지는 여과량으로부터 결정하게 된다.
계속해서, 도4에 도시한 여과 장치를 이용하여 실제 여과 방법을 구체적으로 설명한다.
우선, 원수 탱크(50)에 콜로이드 용액의 피제거물이 혼입된 배수를 파이프(51)를 거쳐서 넣는다. 계속해서, 이 배수에 파이프(66)로부터 첨가 물질인 응집제 혹은 pH 조정제를 투입한다. 그 후, 이 탱크(50) 속에 제2 필터(2)가 형성되어 있지 않은 제1 필터(1)만의 필터 장치(53)를 침지하고, 파이프(56)를 거쳐서 펌프(57)로 미약한 흡입 압력으로 흡입하면서 배수를 순환시킨다. 순환 경로는 필터 장치(53), 파이프(56), 밸브(V1), 펌프(57), 파이프(58), 제어 밸브(CV1), 유량계(61), 광 센서(62), 밸브(V3)이고, 배수는 탱크(50)로부터 흡입되고 또한 탱크(50)로 복귀된다.
순환시킴으로써 필터 장치(53)의 제1 필터(1)(도5에서는 부호 31)에는 제2 필터(2)가 성막되고, 최종적으로는 목적인 콜로이드 용액의 피제거물이 포획되게 된다.
즉, 펌프(57)에 의해 제1 필터(1)를 거쳐서 배수를 미약한 흡입 압력으로 흡입을 하면, 피제거물의 응집 입자는 용이하게 겔화하여 제1 필터(1)의 표면에 흡착된다. 겔화한 응집 입자는 제1 필터(1)의 필터 구멍(11)보다 큰 것이 제1 필터(1) 표면에 흡착하여 적층되고, 겔막으로 이루어지는 제2 필터(2)를 형성한다. 또한 응집 입자는 제1 필터(1)를 통과하지만, 제2 필터(2)의 성막과 함께 배수 중인 물은 겔막을 통로로 하여 흡입되어 정제수로서 취출되고, 배수는 여과되게 된다.
광 센서(62)로 여과수에 포함되는 응집 입자의 농도를 감시하고, 응집 입자가 원하는 혼입율보다도 낮은 것을 확인하여 여과를 개시한다. 여과가 개시될 때는 밸브(V3)가 광 센서(62)로부터의 검출 신호에 의해 폐쇄되고, 밸브(V4)가 개방되어 전술한 순환 경로는 폐쇄된다. 따라서, 밸브(V4)로부터 정제수가 취출된다. 산기관(54)으로부터는 항상 에어 펌프(55)로부터 공급되는 공기의 기포가 제어 밸브(CV2)에 의해 조정되어 필터 장치(53)의 표면에 공급되고 있다.
그리고 연속하여 여과가 계속되면, 원수 탱크(50)의 배수 중인 물은 정제수로서 탱크(50) 밖으로 취출되므로, 배수 중인 피제거물의 농도는 상승해 간다. 즉, 콜로이드 용액은 농축되어 점도를 증가해 간다. 이로 인해 원수 탱크(50)에는 파이프(51)로부터 배수를 보충하여 배수의 농도 상승을 억제하여 여과 효율을 높인다. 그러나, 필터 장치(53)의 제2 필터(2) 표면에 겔막이 두껍게 부착되어, 결국은 제2 필터(2)는 막힘을 일으켜 여과를 행할 수 없는 상태가 된다.
필터 장치(53)의 제2 필터(2)가 막힘을 일으키면, 제2 필터(2)의 여과 능력의 재생을 행한다. 즉, 펌프(57)를 정지하여 필터 장치(53)에 가해지는 부의 흡입 압력을 해제한다.
도7에 도시한 그 모식도를 참조하여, 그 재생 공정을 더욱 상세하게 서술한다. 도7의 (A)는 여과 공정의 필터 장치(53)의 상태를 도시하고 있다. 제1 필터(1)의 중공부(5)는 미약한 흡입 압력에 의해 외측과 비교하면 부압으로 되어 있으므로, 제1 필터(1)는 내측으로 오목하게 들어간 형상으로 되어 있다. 따라서, 그 표면에 흡착되는 제2 필터(2)도 마찬가지로 내측으로 오목하게 들어간 형상으로 되어 있다. 또한 제2 필터(2)의 표면에 서서히 흡착되는 겔막도 마찬가지이다.
그런데, 재생 공정에서는 이 미약한 흡입 압력이 정지되어 대략 대기압으로 복귀하므로, 필터 장치(53)의 제1 필터(1)는 원래의 상태로 복귀한다. 이에 의해 제2 필터(2) 및 그 표면에 흡착된 겔막도 마찬가지로 복귀한다. 이 결과, 우선 겔막을 흡착하고 있던 흡입 압력이 없어지므로, 겔막은 필터 장치(53)로의 흡착력을 잃는 동시에 외측으로 팽창되는 힘을 받는다. 이에 의해, 흡착된 겔막은 자중에 의해 필터 장치(53)로부터 이탈을 개시한다. 또한, 이 이탈을 진행시키기 위해 산기관(54)으로부터의 기포의 양을 2배 정도로 증가시키면 된다. 실험에 따르면, 필터 장치(53)의 하단부로부터 이탈이 개시되어 눈사태와 같이 제1 필터(1) 표면의 제2 필터(2)의 겔막이 이탈하여 원수 탱크(50)의 바닥면에 침강한다. 그 후, 제2 필터(2)는 전술한 순환 경로에서 배수를 순환시켜 다시 성막을 행하면 된다. 이 재생 공정에서 제2 필터(2)는 원래의 상태까지 복귀하고 배수의 여과를 행할 수 있는 상태까지 복귀하여 다시 배수의 여과를 행한다. 또한, 재생 공정에서 제2 필터(2)를 형성하기 전에, 피제거물의 겔화를 용이하게 하기 위해 첨가 물질로서 전술한 응집제 혹은 pH 조정제를 투입한다.
또한, 이 재생 공정에서 중공부(5)로 여과수를 역류시키면, 첫째, 제1 필터(1)가 원래의 상태로 복귀하는 것을 돕고, 또한 여과수의 정수압이 가해져 더욱 외측으로 팽창되는 힘을 가하고, 둘째, 제1 필터(1)의 내측으로부터 필터 구멍(11)을 통해 여과수가 제1 필터(1)와 제2 필터(2)의 경계로 베어나와 제1 필터(1)의 표면으로부터 제2 필터(2)의 겔막이 이탈하는 것을 촉진한다.
상술한 바와 같이 제2 필터(2)를 재생시키면서 여과를 계속하면, 원수탱크(50)의 배수의 피제거물의 농도가 상승하여 결국은 배수도 상당한 점도를 갖는다. 따라서, 배수의 피제거물 농도가 소정의 농도를 초과하면 여과 작업을 정지하여 침전시키기 위해 방치한다. 그러면 탱크(50)의 바닥에 농축 슬러리가 저장되고, 이 겔의 농축 슬러리를 밸브(64)를 개방하여 회수한다. 회수된 농축 슬러리는 압축 또는 열건조되어 그 속에 포함되는 물을 제거하여 더욱 그 양을 압축한다. 이에 의해 산업 폐기물로서 취급되는 슬러리의 양은 대폭으로 감소할 수 있다.
도8을 참조하여, 도4에 도시한 여과 장치의 운전 상황을 설명한다. 운전 조건은 전술한 A4 사이즈의 필터 장치(53) 1매의 양면(면적 : 0.109 ㎡)을 이용한 것이다. 초기 유량은 전술한 바와 같이 여과 효율이 좋은 3cc/시간(0.08 ㎥/일)으로 설정하고, 재생 후 유량도 동일하게 설정하고 있다. 에어 블로우량은 성막 및 여과시 1.8 L/분, 재생시 3 L/분으로 하고 있다. Pin 및 재Pin은 흡입 압력이며, 압력계(59)에 의해 측정된다. Pout 및 재Pout는 파이프(58)의 압력이며, 압력계(60)에 의해 측정된다. 유량 및 재유량은 유량계(61)에 의해 측정되고, 필터 장치(53)로부터 흡입되는 여과량을 나타내고 있다.
도8에서 좌측의 Y축은 압력(단위 : ㎫)을 나타내고, X축에 근접할 수록 부압이 커지는 것을 나타내고 있다. 우측의 Y축은 유량(단위 : cc/분)을 나타낸다. X축은 성막으로부터의 경과 시간(단위 : 분)을 나타낸다.
본 발명의 포인트이지만, 제2 필터(2)의 성막 공정, 여과 공정 및 재생 후의 여과 공정에 있어서, 유량 및 재유량은 3cc/시간을 유지하도록 제어하고 있다. 이로 인해 성막 공정에서는 Pin은 －0.001 ㎫ 내지 －0.005 ㎫로 매우 미약한 흡입압력으로 부드럽게 흡착된 겔막으로 제2 필터(2)를 형성하고 있다.
다음에, 여과 공정에서는 Pin은 －0.005 ㎫로부터 서서히 크게 하여 일정한 유량을 확보하면서 여과를 계속한다. 여과는 약 1000분 계속되어, 결국은 유량이 감소하기 시작했을 때에 재생 공정을 행한다. 이는 제2 필터(2)의 표면에 겔막이 두껍게 부착되어 막힘을 일으키기 때문이다.
또한, 제2 필터(2)의 재생이 행해지면, 응집제 혹은 pH 조정제를 투입하여 서서히 재Pin을 크게 하면서 일정한 재유량으로 다시 여과를 계속한다. 제2 필터(2)의 재생 및 재여과는 원수(52)가 소정의 농도, 구체적으로는 농축도가 5배 내지 10배가 될 때까지 계속된다.
또한, 상술한 운전 방법과는 달리 흡입 압력을 여과 유량이 많은 －0.005 ㎫로 고정하여 여과를 행하는 방법도 채용할 수 있다. 이 경우는 제2 필터(2)의 막힘과 함께 여과 유량은 서서히 감소하지만, 여과 시간을 길게 잡고 또한 펌프(57)의 제어가 간단해지는 이점이 있다. 따라서, 제2 필터(2)의 재생은 여과 유량이 일정치 이하로 감소하였을 때에 행하면 좋다.
도9를 참조하여 본 발명의 응집제를 이용한 경우와 이용하지 않을 때의 여과의 적산량을 비교한다.
실험 조건은 전술한 A4 사이즈의 필터 장치(53) 1매의 양면(면적 : 0.109 ㎡)을 이용한 것이다. 로델니타사제 ILD1300 산화막 연마용 슬러리를 정제수로 20 중량 ％로 희석하고, 응집제로서 Al2(SO4)3(황산 밴드)를 겔막 생성 공정마다 100㎎/L 첨가하여 여과를 행하는 경우를 사각형으로 나타내고, 응집제를 일절 첨가하지 않고 여과를 행하는 경우를 삼각형으로 나타낸다. 흡입 압력은 97 ㎪로 보유 지지하고 있다. 또한, 겔막 생성 공정 및 여과 공정은 각 사이클 모두 120분으로 하고, 그 사이에 각 10분간의 전술한 재생 공정을 배치하고 있다.
도9로부터 명백한 것은, 각 사이클 모두 응집제를 이용한 경우는 겔막의 생성이 빠르고, 양호한 막질의 제2 필터(2)가 형성되므로 바로 여과 공정으로 들어갈 수 있어 여과량도 필연적으로 많아진다. 한편, 응집제를 이용하지 않는 경우는 겔막의 생성이 충분하지 않아 제2 필터(2)의 형성이 지연되고, 여과 공정으로 들어가기까지 시간이 걸리므로 여과량도 적어진다.
따라서, 여과의 적산량은 본 발명의 응집제를 이용한 경우에서는 4사이클로 약 3500 cc로 많아지지만, 응집제를 이용하지 않는 경우에서는 약 2500 cc로 대폭 여과량이 감소한다. 또한, 응집제를 이용하지 않는 경우는 바로 막힘을 일으켜 각 사이클 모두 바로 5 cc/분 정도로 여과량이 포화된다. 이는 응집 입자로부터 겔막을 만드는 쪽이 훨씬 여과를 하기 쉬운 것을 나타내고 있다.
또한, 응집제를 넣은 경우의 여과액의 규소 농도는 80 ppm 정도이고, 응집 입자가 곧바로 겔화하여 제2 필터(2)가 형성되는 것을 나타내고 있다. 한편, 응집제를 넣지 않은 경우는, 규소 농도는 150 ppm으로 증가하여 제2 필터(2)가 바로 소정 두께의 겔막으로 성장하지 않으므로 여과가 충분히 행해지지 않는 것을 나타내고 있다.
도10은 CMP용 슬러리 속에 포함되는 지립의 입경 분포를 나타낸 것이다. 이지립은 Si 산화물로 이루어지는 층간 절연막을 CMP하는 것이고, 재료는 Si 산화물로 이루어져 일반적으로 실리카라 불리우고 있는 것이다. 최소 입자 직경은 약 0.076 ㎛, 최대 입자 직경은 0.34 ㎛였다. 이 큰 입자는 이 가운데 입자가 복수 모여 이루어지는 응집 입자이다. 또한 평균 입경은 약 0.1448 ㎛이고, 이 근방 0.13 내지 0.15 ㎛에서 분포가 피크가 되고 있다. 또한 슬러리의 조정제로서는 KOH 또는 NH3이 일반적으로 이용된다. 또한 pH는 약 10 내지 11 사이이다.
구체적으로, CMP용 지립은 실리카계, 알루미나계, 산화셀륨계, 다이아몬드계가 주류를 이루고, 그 외에 산화크롬계, 산화철계, 산화망간계, BaCO4계, 산화안티몬계, 지르코니아계, 이트리아계가 있다. 실리카계는 반도체의 층간 절연막, P－Si, SOI 등의 평탄화, Al 및 유리 디스크의 평탄화에 사용되고 있다. 알루미나계는 하드 디스크의 폴리싱, 금속 전반, Si 산화막 등의 평탄화에 사용되고 있다. 또한 산화셀륨은 유리의 폴리싱, Si 산화물의 폴리싱으로서, 산화크롬은 철강의 경면 연마에 사용되고 있다. 또한 산화망간, BaCO4는 텅스텐 배선의 폴리싱에 사용되고 있다.
또는, 산화물 졸이라 불리우고, 이 졸은 실리카, 알루미나, 지르코니아 등 금속 산화물 또는 일부 수산화물로 이루어지는 콜로이드 사이즈의 미립자가 물 또는 액체 속에 균일하게 분산되어 있는 모노로, 반도체 장치의 층간 절연막이나 메탈의 평탄화에 사용되고, 또한 알루미늄 및 디스크 등의 정보 디스크에도 검토되고 있다.
도11을 참조하여 본 발명의 다른 실시 형태를 설명한다. 또한, 도4와 동일 구성 요소는 동일 부호를 붙였다.
도11에 있어서, 부호 50은 원수 탱크이다. 이 탱크(50)의 상방에는 배수 공급 수단으로서 파이프(51)가 설치되어 있다. 이 파이프(51)는 피제거물이 혼입된 유체를 탱크(50)로 도입한다. 구체적으로는, 암모니아계의 강알칼리성의 CMP 슬러리, 예를 들어 로델니타사제 ILD1300 산화막 연마용 슬러리 등이 혼입된 배수(원수)가 유도된다.
또한 부호 65는 약제 발생 용기이고, 부호 66은 약제 발생 용기(65)로부터 약제를 원수 탱크(50)로 도입하는 파이프이다. 약제 발생 용기(65)에는 염화나트륨을 녹인 물이 들어가게 되어, 전기 분해에 의해 차아염소산 또는 차아염소산 소다를 만들고 있다. 따라서, 파이프(66)로부터는 밸브(V7)를 개방하였을 때에 차아염소산 또는 차아염소산 소다를 포함하는 전해수가 공급된다. 또한, 전기 분해에 따르지 않고 직접 차아염소산을 이용해도 좋다.
원수 탱크(50)에 저장된 원수(52) 중에는 제2 필터가 형성된 필터 장치(53)가 복수개 설치된다. 이 필터 장치(53)의 하방에는, 예를 들어 파이프에 작은 구멍을 개방한 것과 같은, 또한 물고기 수조에 사용하는 버블링 장치와 같은 산기관(54)이 설치되고, 정확하게 필터 장치(53)의 표면을 통과하도록 그 위치가 조정되어 있다. 이 산기관(54)은 필터 장치(53)의 바닥변 전체에 걸쳐서 배치되어 기포를 필터 장치(53)의 전체면에 균일하게 공급할 수 있도록 되어 있다. 부호 55는 에어 펌프이다. 여기서 필터 장치(53)는 도1에 도시한 제1 필터(1),프레임(4), 중공부(5) 및 제2 필터(2)를 가리키고 있다.
필터 장치(53)에 고정된 파이프(56)는 도1의 파이프(8)에 상당하는 것이다. 이 파이프(56)는 필터 장치(53)에서 여과된 여과 유체가 흐르고, 밸브(V1)를 거쳐서 흡입을 행하는 마그네트 펌프(57)에 접속된다. 파이프(58)는 마그네트 펌프(57)로부터 제어 밸브(CV1)를 거쳐서 밸브(V3) 및 밸브(V4)에 접속되어 있다. 또한 파이프(56)의 밸브(V1)의 후방에 제1 압력계(59)가 설치되어 흡입 압력(Pin)을 측정하고 있다. 또한 파이프(58)의 제어 밸브(CV1)의 후방에는 유량계(F) 및 제2 압력계(60)가 설치되어 유량계(61)로 일정한 유량이 되도록 제어하고 있다. 또한 에어 펌프(55)로부터의 에어 유량은 제어 밸브(CV2)로 제어된다.
파이프(51)로부터 공급된 원수(52)는 원수 탱크(50)에 저장되어 필터 장치(53)에 의해 여과된다. 이 필터 장치에 부착된 제2 필터(2)의 표면은 기포가 통과하여 기포의 상승력이나 파열에 의해 병행류를 발생시키고, 제2 필터(2)에 흡착하는 겔화한 피제거물을 움직이게 하여 필터 장치(53)의 전체면에 균일하게 흡착시켜 그 여과 능력이 저하되지 않도록 유지되어 있다.
암모니아계의 CMP 슬러리를 이용한 경우는 여과수도 암모니아 냄새가 나므로 어떠한 처리를 할 필요가 있다. 그러나, 원수 탱크(50)에 차아염소산 또는 차아염소산 소다를 포함하는 전해수 혹은 직접 차아염소산을 넣으면, 이하와 같은 화학 반응이 일어난다.
2NH3＋ HClO → 2NH2Cl ＋ H20
2NH2Cl ＋ 2HClO → N2＋ 4HCl ＋ H2O
즉, 암모니아계의 CMP 슬러리를 포함하는 배수에 차아염소산(HClO) 또는 차아염소산 소다(NaClO)를 넣으면, 클로라민(NH2Cl)과 물이 되고, 또한 클로라민이 차아염소산과 반응하여 질소 가스(N2)와 염산과 물이 된다. 따라서, 배수 중인 암모니아는 질소 가스가 되어 공기중으로 방출되고, 염산은 암모니아계의 CMP 슬러리를 중성으로 갖고 가도록 pH 조정된다. 이 차아염소산에 의한 탈질소 반응에 의해 여과수의 암모니아 냄새는 없어지고, 강알칼리성의 배수는 pH 조정되어 보다 겔화가 진행하는 방향이 되어, 본래 겔화가 어렵게 된 암모니아계의 CMP 슬러리를 효율적으로 처리할 수 있다.
일반적으로, CMP 슬러리에 혼입되는 지립과 같이 주로 0.15 ㎛ 클래스 이하의 미립자를 제거하기 위해서는, 이 미립자보다도 작은 구멍의 필터막을 채용하는 것이 일반적이지만, 이와 같은 필터막은 존재하지 않으므로 여과를 할 수 없었다. 그러나, 본 발명은 주로 0.15 ㎛ 이하의 작은 구멍의 필터막을 이용하는 일 없이, 응집제 혹은 pH 조정제의 겔화를 돕는 작용을 이용하여 콜로이드 용액의 피제거물을 겔막의 필터를 성막하여 여과하는 것을 실현하였다.
또한, 겔막의 필터를 졸로 포함되는 피제거물의 유체로 형성하기 위해, 응집제 등의 약품을 소량 이용하는 것만으로, 또한 미소 구멍의 필터도 이용하는 일 없이 여과하는 것을 실현하였다.
또한, 겔막으로 이루어지는 제2 필터의 성막은 흡입에 의해 제1 필터 표면에 겔화하기 쉬운 응집 입자를 흡착하면서 겔화를 행할 수 있고, 게다가 흡입 압력을 미약하게 설정하여 천천히 배수를 흡입함으로써 매우 여과 효율이 좋은 콜로이드 용액의 여과 방법을 실현할 수 있었다.
또한, 겔막으로 이루어지는 제2 필터는 성막 조건을 가장 적절하게 선택하는 것 및 여과 유량을 일정하게 보유 지지함으로써, 매우 막하기 어렵고 또한 여과 시간이 긴 여과를 실현할 수 있었다.
또한, CSP의 반도체 장치를 제조하기 위해 이용하는 CMP 슬러리의 여과를 실현하여 CMP 슬러리에 포함되는 대량의 지립이나 CMP에서 배출되는 전극 재료의 칩이나 실리콘 혹은 실리콘 산화막의 칩도 동시에 여과할 수 있는 이점을 갖는다.
또한, 본 발명에서는 제2 필터 표면에 여과를 계속함으로써 흡착되는 겔을 펌프에서의 흡입을 정지함으로써, 그 겔의 자중을 이용하여 이탈할 수 있으므로 제2 필터의 재생이 용이한 이점이 있다. 그리고 여과 공정, 재생 공정 및 재여과 공정을 몇 번이나 반복하여 행할 수 있어 매우 장시간의 여과를 계속하는 것이 가능해졌다.
또한, 본 발명에서는 제2 필터의 재생시에 펌프의 흡입을 정지하는 것만으로 필터 장치가 외측으로 팽창되어 복귀하는 힘을 이용하여 제2 필터 표면에 흡착된 겔의 이탈을 행하므로, 종래의 여과 장치와 같이 대규모의 역세정을 전혀 필요로 하지 않는 이점이 있다. 또한 재생 공정에서 기포를 여과시보다 증량함으로써, 기포의 상승력이나 파열에 의한 힘이 더욱 제2 필터 표면에 추가되어 겔의 이탈을 더욱 촉진하는 이점도 있다.
게다가 또한, 본 발명을 실현하는 여과 장치에서는 제2 필터가 막히지 않도록 미약한 흡입 압력으로 흡입하고 있으므로, 펌프는 소형 펌프로 달성할 수 있다. 게다가 여과수가 펌프를 통과하므로 피제거물에 의한 마모의 우려도 없어 그 수명도 훨씬 길어졌다. 따라서 시스템의 규모를 작게 할 수 있어 펌프를 가동하기 위한 전기세를 절약할 수 있고, 또한 펌프의 교환 비용도 대폭으로 억제되어 초기 비용과 운전 비용 모두 삭감할 수 있었다.
또한 원수 탱크만을 이용하여 농축시키므로, 여분의 배관, 탱크 및 펌프 등이 불필요해져 자원 절약형의 여과 시스템이 가능해졌다.
또한, 본 발명에서는 암모니아계의 CMP 슬러리를 포함하는 배수에 대해서는 차아염소산의 탈질소 반응을 이용함으로써 암모니아를 질소 가스로서 공중으로 방출하고, 동시에 생기는 염산으로 pH 조정을 하여 보다 겔화를 진행시키므로, 지금까지 처리가 어렵게 된 암모니아계의 CMP 슬러리를 포함하는 배수를 효율적으로 처리할 수 있다.

Claims (31)

  1. 콜로이드형의 피제거물을 포함하는 콜로이드 용액에 응집을 촉진하는 첨가 물질을 넣어 상기 피제거물의 응집 입자를 생성하고, 제1 필터의 표면에 상기 피제거물의 응집 입자를 흡입하여 생성한 겔막으로 이루어지는 제2 필터를 성막하고, 상기 제2 필터로 상기 피제거물의 응집 입자를 여과하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 첨가 물질로서 응집제 혹은 pH 조정제를 이용하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 응집제의 첨가량은 생성된 피제거물의 응집 입자가 침강하지 않는 범위로 설정하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 응집제로서 PAC(폴리염화알루미늄) 또는 Al2(SO4)3(황산 밴드)를 이용하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 pH 조정제로서 HCl(염산), NaOH(수산화나트륨)을 이용하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 필터는 상기 제2 필터의 성막시의 여과량과 상기 제2 필터에서의 여과시의 여과량이 대략 등량이 되는 흡입 압력으로 선택되어 성막되는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 흡입 압력은 상기 제2 필터의 성막시 및 여과시에 있어서의 여과량을 장시간 일정하게 보유 지지할 수 있는 미약 흡입 압력으로 설정되는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2 필터에서의 피제거물의 여과시에 상기 흡입 압력은 서서히 증가시키고, 상기 제2 필터에서의 여과시의 여과량을 일정해지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제2 필터는 상기 제2 필터의 성막시의 흡입 압력과 상기 제2 필터에서의 여과시의 흡입 압력을 대략 동등하게 하여 성막되는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 흡입 압력은 상기 제2 필터의 성막시 및 여과시에 있어서의 흡입 압력을 장시간 일정하게 보유 지지할 수 있는 미약 흡입 압력으로 설정되는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피제거물은 CMP 슬러리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피제거물은 CMP 슬러리 및 CMP시에 발생하는 가공칩으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  13. 콜로이드형의 피제거물을 포함하는 콜로이드 용액에 응집을 촉진하는 첨가 물질을 넣어 상기 피제거물의 응집 입자를 생성하고, 제1 필터의 표면에 상기 피제거물의 응집 입자를 흡입하여 생성한 겔막으로 이루어지는 제2 필터를 성막하고, 상기 제2 필터로 상기 피제거물의 응집 입자를 여과하여 상기 제2 필터가 막혔을 때에 상기 제2 필터를 재생시켜 다시 상기 피제거물의 여과를 계속하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 첨가 물질로서 응집제 혹은 pH 조정제를 이용하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 응집제의 첨가량은 생성된 피제거물의 응집 입자가 침강하지 않는 범위로 설정하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 응집제로서 PAC(폴리염화알루미늄) 또는 Al2(SO4)3(황산 밴드)를 이용하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 pH 조정제로서 HCl(염산), NaOH(수산화나트륨)을 이용하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  18. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 필터는 성막시의 여과량과 여과시의 여과량이 대략 등량이 되는 흡입 압력으로 선택되어 성막되는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  19. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡입 압력은 여과시에 있어서의 여과량을 장시간 일정하게 보유 지지할 수 있는 미약 흡입 압력으로 설정되는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  20. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 필터는 성막시의 흡입 압력과 여과시의 흡입 압력을 대략 동등하게 하여 성막되는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  21. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡입 압력은 상기 제2 필터의 성막시 및 여과시에 있어서의 흡입 압력을 장시간 일정하게 보유 지지할 수 있는 미약 흡입 압력으로 설정되는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  22. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 필터의 성막시 및 여과시에 상기 제2 필터 표면에 기체의 기포를 공급하여 병행류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 기체의 기포는 상기 제2 필터의 바닥변 전체에 걸쳐서 공급되는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  24. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 필터에서의 여과 유량이 감소하였을 때에 상기 제2 필터의 재생을 행하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  25. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 필터의 재생시에는 상기 흡입을 해제하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  26. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 필터의 재생시에는기체의 기포의 양을 여과시보다 증량하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  27. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 필터의 재생시에 상기 제1 필터로 여과수를 역류시키는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  28. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피제거물은 CMP 슬러리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  29. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피제거물은 CMP 슬러리 및 CMP시에 발생하는 가공칩으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  30. 암모니아를 포함하는 CMP 슬러리의 콜로이드 용액에 차아염소산 또는 차아염소산 소다를 넣어 질소 가스와 염산을 생성하여 상기 콜로이드 용액을 pH 조정한 후, 제1 필터의 표면에 상기 CMP 슬러리의 응집 입자를 흡입하여 생성한 겔막으로 이루어지는 제2 필터를 성막하고, 상기 제2 필터로 상기 CMP 슬러리의 응집 입자를 여과하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 차아염소산은 염화나트륨을 녹인 물의 전기 분해에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 콜로이드 용액의 여과 방법.
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