KR20070028496A - 반도체 웨이퍼 제조시 발생하는 폐슬러지의 재생방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 웨이퍼 제조시 발생하는 폐슬러지의 재생방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐슬러지로부터 절삭재 및 절삭유를 효율적으로 분리 회수하여 재생할 수 있는 반도체 웨이퍼 제조시 발생하는 폐슬러지의 재생방법에 관한 것이다. 본 발명은 절삭재, 절삭분, 절삭유를 함유하고 있는 폐슬러지를 65℃~ 90℃의 온도로 가열하면서 교반하는 폐슬러지 가열 단계; 상기 폐슬러지 가열 단계에서 가열된 폐슬러지를 절삭재인 고형분과 절삭분과 절삭유 혼합액인 액상분으로 분리하는 1차 원심 분리 단계; 및 상기 1차 원심 분리 단계에서 분리된 절삭분과 절삭유 혼합액인 액상분을 원심분리하여 절삭분과 절삭유로 분리하는 2차 원심 분리 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 제조시 발생하는 폐슬러지의 재생방법을 제공한다.
반도체, 웨이퍼, 슬러지
Description
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 폐슬러지로부터 절삭재, 절삭분 및 절삭유를 분리하고 재생하는 과정을 순차적으로 도식화한 도면이다.
도 2는 원심분리기의 처리 용량 식의 유도와 관련한 참고 도면이다.
도 3a 내지 도 3h는 폐슬러지의 온도에 따라 1차 원심 분리된 고형분의 성분을 분석한 결과이다.
도 4는 도 1의 과정을 수행하기 위한 폐슬러지의 재생장치의 개략 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
5: 제1원심분리기 11: 제2원심분리기
본 발명은 반도체 웨이퍼 제조시 발생하는 폐슬러지의 재생방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐슬러지로부터 절삭재 및 절삭유를 효율적으로 분리 회수하여 재생할 수 있는 반도체 웨이퍼 제조시 발생하는 폐슬러지의 재생방법에 관한 것이다.
최근 정보통신 및 반도체 산업의 발전에 따라 실리콘 단결정 웨이퍼의 수요가 매우 급증하는 추세이다. 일반적으로 실리콘 단결정 웨이퍼는 실리콘 단결정 잉곳에 절삭재와 절삭유를 공급하면서 와이어소우(wiresaw)로 절삭한 후, 연마기로 연마하여 제조한다. 이 과정에서 일반적으로 최초 공급되는 실리콘 단결정 잉곳의 약 20 ~ 30%의 양이 절삭분(saw dust)으로 발생한다.
실리콘 단결정 웨이퍼 제조시, 절삭재(탄화규소, 산화알미늄, 이산화규소 등), 절삭분 및 절삭유와 같은 부산물들은 세정과정을 통해 반도체 웨이퍼로부터 제거된다. 따라서 일반적으로 반도체 웨이퍼 제조에 따라 발생하는 폐슬러지 내에는, 절삭재와 Si 성분인 절삭분이 절삭유에 분산된 형태로 존재한다.
반도체 웨이퍼 제조 시 발생하는 폐슬러지는 특수산업폐기물로 분류된다. 발생된 폐슬러지는 절삭분과 절삭유를 함유하므로 단순히 소각 처리할 수 없으며, 또한 단순 매립의 경우 절삭유에 의한 심각한 토양오염이 우려된다. 따라서 발생된 폐슬러지는 시멘트로 고형화 하여 매립 처리하는 특수한 처리 방법이 적용되고 있 는 실정이다.
그러나 위의 처리방법은 환경적, 경제적, 시간적인 측면에서 매우 부적합하다. 따라서 근래에, 폐슬러지를 고형화 하여 매립 처리하는 대신, 폐슬러지 내에 포함되어 있는 절삭재, 절삭분 및 절삭유를 회수하여 재사용하는 방안이 제시되고 있다.
이들 종래의 폐슬러지 재생방법으로, 솔벤트 추출에 의해 재생하는 방법보다는 통상 원심분리법이 많이 적용되고 있다. 폐슬러지는 물이나 솔벤트에 의해 쉽게 용해되어 절삭유를 분리할 수 있으나, 건조나 증류 과정에서 절삭유에 포함된 유화첨가제가 변화되어 재사용시 절삭재가 분산되지 않고 침전되는 문제점이 있기 때문이다.
원심분리는 통상 2단계에 걸쳐 이루어지고 있다. 1차 원심 분리 단계에서는 절삭재가 다수 포함된 고형분과 절삭분과 절삭액이 다수 포함된 액상분으로 분리하여 절삭재를 회수하고, 2차 원심 분리 단계에서는 1차 원심 분리에 의하여 얻어진 액상분을 절삭분과 절삭유로 분리하여 절삭액을 회수하는 것이다.
종래의 2단계 원심분리에 의한 폐슬러지 재생방법에서는 1차 원심 분리에 앞서 폐슬러지에 절삭액을 첨가한다. 이는 폐슬러지 내에 Si 성분의 절삭분이 포함되어 있어 폐슬러지의 점도가 높아 이 상태로는 원심 분리가 가능하지 않기 때문이다. 첨가되는 절삭액으로는 통상 2차 원심 분리에서 회수된 절삭액을 반송하여 사용하는 것이 일반적이다.
종래의 기술에 따라서는, 상기 절삭액의 첨가에 보조하여 1차 원심 분리에 앞서 상온 또는 이보다 다소 높은 온도(예컨대 30℃ ± 15℃)로 폐슬러지를 가열하기도 하였다. 그러나, 이는 폐슬러지와 첨가 절삭액의 혼합을 원활하게 하기 위한 수단, 그 이상은 아니었다. 즉, 가열이 절삭액의 첨가 효과를 높이기 위한 보조 수단으로서만 인식되어 온 것이다.
상기 폐슬러지에 절삭액을 첨가하여 원심 분리하는 재생방법은 다음과 같은 문제점을 가지고 있었다.
먼저, 절삭액의 첨가는 필연적으로 처리 용량의 증가를 야기한다. 이는 공정 시간의 증가, 운전 비용의 증가와 장치의 대형화를 초래한다. 절삭액의 첨가로 인하여 약 4 ~ 5배의 처리 용량의 증가를 야기하는 것으로 조사되었다.
또한, 절삭액의 첨가, 특히 2차 원심 분리에서 회수된 절삭액을 반송하여 폐슬러지에 첨가하는 재생방법은, 절삭액을 반송하기 위한 장치 구성과 함께 폐슬러지와 절삭액의 혼합 비율을 일정하게 유지하기 위한 장치 구성이 필요하게 되어, 폐슬러지 재생장치의 구성을 복잡하게 하는 요인이 된다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 가지는 종래의 희석용 절삭액 첨가를 대체하는 대체 수단을 제안하여, 폐슬러지 재생의 효율성을 높일 수 있는 폐슬러지의 재생방법을 제공하는데 있다.
즉, 본 발명의 목적은 공정 시간의 최소화, 운전 비용의 최소화 및 장치의 컴팩트화를 달성할 수 있는 폐슬러지의 재생방법를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 재생장치의 구성을 단순화하여 장치 설비비용을 최소화할 수 있는 폐슬러지의 재생방법를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 절삭재, 절삭분, 절삭유를 함유하고 있는 폐슬러지를 65℃ ~ 90℃의 온도로 가열하면서 교반하는 폐슬러지 가열 단계; 상기 폐슬러지 가열 단계에서 가열된 폐슬러지를 절삭재인 고형분과 절삭분과 절삭유 혼합액인 액상분으로 분리하는 1차 원심 분리 단계; 및 상기 1차 원심 분리 단계에서 분리된 절삭분과 절삭유 혼합액인 액상분을 원심분리하여 절삭분과 절삭유로 분리하는 2차 원심 분리 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 제조시 발생하는 폐슬러지 재생방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 1차 원심 분리 단계에서 1차 원심 분리된 고형분과 상기 2차 원심 분리 단계에서 2차 원심 분리된 절삭유를 혼합하여 재생 슬러지로 재생하는 재생단계를 구비한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 폐슬러지로부터 절삭재, 절삭분 및 절삭유를 분리하고 재생하는 과정을 순차적으로 도식화한 도면이다.
폐슬러지에서 절삭재와 절삭유를 분리/회수하여 재생하기 위해서는 2단계 원심 분리 과정을 거쳐야 한다.
1차 원심 분리 단계에서는 절삭재(SiC)가 다수 포함된 고형분과 절삭유가 다수 함유된 액상분으로 분리된다. 이어, 2차 원심 분리 단계에서는 고속으로 운전하여 액상분에서 미분의 절삭분(Si)을 제거하여 신유(new oil)의 밀도인 0.89g/cc에 근접한 절삭유로 재생한다.
원심력장에서 원심 분리의 대상이 되는 입자에 대하여 원심력, 부력 및 마찰력이 아래의 수학식 1과 같이 작용하게 된다. 
입자는 그 직경이 수 μ미립자이며, 입자가 부유하는 액체는 그 점도가 매우 높으므로 마찰력에 있어서는 Stoke's Law(스토크의 법칙)이 적용된다고 가정할 수 있으며, 아래의 수학식 2가 성립된다.
위의 수학식 2를 수학식 1에 대입하면 아래와 같이 정리된다.
또한 고점도 액체의 원심력장 내에서 미립자의 거동에 있어서는 입자에 작용하는 모든 힘이 평형을 이루게 되므로 가속도는 0이 된다. 이에 따라 수학식 3에서의 좌항은 0이 되며 속도에 대한 식은 아래의 수학식 4로 표현될 수 있다.
수학식 4에서의 υ는 반경방향으로의 중심으로부터 멀어지는 쪽으로의 속도이므로 
로 표현될 수 있고 이를 수학식 4에 대입하면 아래와 같이 정리할 수 있다.
위의 수학식 5를 적분하면
위의 수학식 6을 t에 대하여 정리하면
즉, 미립자가 출발지역 R0에서 임의의 반경 R까지 진행하기 위하여 필요한 시간은 위의 수학식 7을 통해 구할 수 있게 된다.
원료 슬러지의 선속도 
는 아래의 수학식 8로 표현할 수 있다.
또한 원심분리기 내에서의 원료 슬러지의 체류시간 τ는 아래의 수학식 9를 통해 구할 수 있다.
수학식 7에서 원심분리를 위하여 필요한 시간을 수학식 9의 체류시간으로 대체하면 아래의 수학식 10을 얻을 수 있다.
위의 수학식 10의 좌변에서의 R1, R0 및 L은 도 2에서와 같이 원심분리기의 용적을 나타내는 항이며, Q는 원심분리기에 주입되는 유체의 유속으로서 원심분리기의 처리 용량을 나타낸다.
위의 수학식 10은 원심분리기의 용량 위주로 정리하면
위의 수학식 11에서 R1, R0 및 L 은 원심분리기의 용적에 관련된 항이며, a, ρ, ρ0 및 μ 는 입자 및 유체의 물성에 관한 항이며, 원심분리기의 운전에 대한 항은 ω이다.
원심분리기의 처리용량을 증가시키는 방법은 원심분리기의 용적을 증가시키는 방법, 원심분리기의 회전속도를 증가시키는 방법 등이 있으며 원심분리기의 용적과 운전조건이 고정된 상태에서 분리 용적과 운전조건을 고정시켜 놓고 용량을 증가시키는 방안들 중에서 유체의 점도를 낮추는 것이 가장 효율적인 방법으로 알려져 있다.
유체의 점도를 낮추는 방법으로는 유체에 용매를 첨가하여 농도를 낮추는 방법과 유체의 온도를 높이는 방법이 있다. 유체 내에 미립자의 농도가 증가하면 유체의 겉보기 점도가 매우 높아지며 이는 분리효율을 낮추고 처리용량을 감소시키는 요인이 된다.
그러나 유체에 용매를 첨가하여 농도를 낮추면 유체의 겉보기 점도도 감소하며 원심분리기의 처리용량을 증가시킬 수 있게 된다. 그러나 원심분리의 궁극적인 목적은 입자의 농축이며 이를 위하여 희석이 선행된다는 모순이 존재하게 되며 용 매를 첨가함으로서 폐슬러지의 용적이 증가하고 따라서 원심분리기의 처리용량이 더 증가해야 하는 단점이 있다.
이에 비해 온도를 높이는 방법은 폐슬러지의 용적은 일정하게 유지된 상태로 점도만 감소시키는 결과를 초래하므로 슬러지 입자의 농축에 있어서 용매를 첨가하는 방법에 비하여 월등하게 우위를 갖게 된다.
따라서 본 발명에서는 슬러지를 희석하지 않고 슬러지의 온도를 높이는 방법으로 폐슬러지의 점도를 낮추는데 초점을 맞추었다. 이는 매우 단순한 원리 및 구성만으로, 폐슬러지의 재생 효율을 높이고자 하는 본 발명의 목적과 합치된다.
실험 결과, 재생 절삭유의 밀도가 0.93g/cc 이하가 되는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 이보다 큰 경우, 재생 슬러지의 사용은 웨이퍼 품질(웨이퍼의 표면 거칠기, 표면 굴곡도, 평탄도 등)에 영향을 주며 이는 신유의 추가적인 혼합을 유발하여 비용 증가를 수반한다.
폐슬러지의 온도가 65℃ 미만으로 제1원심분리기에 유입되어 1차 원심 분리 단계가 수행되는 경우, 1차 원심 분리 효율의 저하로 인하여, 고속으로 운전되는 제2원심분리기에서 재사용 가능한 기준 밀도로 오일을 정제하는 것이 불가능하였고, 관로의 막힘 현상을 유발하여 양산 공정에 적용하기 어려웠다.
따라서 1차 원심 분리 단계에 앞서, 폐슬러지의 온도를 65℃ 이상으로 유지시킬 필요가 있다. 폐슬러지의 온도가 65℃ 이상의 조건이 만족되면, 1차 원심 분리 단계의 분리 효율의 향상과 더불어 2차 원심 분리 단계에서 분리된 절삭유가 와이어 소잉에 재사용 가능한 수준(밀도: 0.93g/cc 이하)을 가질 수 있었다.
다만, 실험 결과 폐슬러지의 온도가 90℃ 이상이 되면, 분리 효율에는 큰 변화는 없는 반면, 온도를 유지하기 위하여 소비되는 운전 비용은 급증함을 알 수 있었다. 따라서 더욱 바람직한 폐슬러지의 온도 구간은 65℃ ~ 90℃인 것으로 판단된다.
도 3a 내지 도 3h는 폐슬러지의 온도에 따라 1차 원심 분리 단계에서 분리된 고형분을 분석한 결과로서, 1차 원심 분리 단계에 앞서 수행되는 폐슬러지의 가열 온도에 따라 1차 원심 분리 단계에서 분리된 고형분의 성분이 영향을 받음을 나타낸다.
도 3a는 온도별 고형분의 성분 분석표(15min)이고, 도 3b 내지 도 3h는 도 3a의 결과를 그래프로 도식화한 도면으로서, 도 3b는 입경 분석 그래프(입도 6%), 도 3c는 입경 분석 그래프(입도 50%), 도 3d는 입경 분석 그래프(입도 97%), 도 3e는 고형분의 성분 분석 그래프(절삭유), 도 3f는 고형분의 성분 분석 그래프(SiC), 도 3g는 고형분의 성분 분석 그래프(Si) 그리고 도 3h는 고형분의 밀도 분석 그래프이다.
폐슬러지의 온도가 높을수록 고형분의 SiC 함량이 높아지는 대신 Si 및 절삭유의 함량이 낮아지는 것으로 나타났다. 그러나 몇 개의 데이터에서는 이와 다른 양상을 보이는 바, 이는 시료 채취 부정확에 따른 오류로 판단된다.
도 4는 도 1의 과정을 수행하기 위한 폐슬러지의 재생장치의 개략 구성도이다. 폐슬러지가 탱크로리 또는 드럼(1)으로 입고되면 펌프(P)에 의하여 저장탱크(3)로 이송된다. 와이어소우의 장비와 재생 회수, 보관 기간, 외기 온도 등 회수 조건에 따라 절삭재 농도의 변화가 동반되므로, 이송된 폐슬러지는 저장탱크(3) 내에서 균일하게 교반된다.
또한, 저장탱크(3)에서는 폐슬러지를 소정 온도로 가열한다. 즉, 저장탱크(3)가 열공급부로 기능한다. 바람직하게는, 65℃ 이상 비등점 이하, 더욱 바람직하게는, 65℃ ~ 90℃의 온도 범위가 유지되도록 가열한다.
저장탱크(3)에서 가열 및 교반된 폐슬러지는 제1원심분리기(5)로 유입된다. 제1원심분리기는 절삭재(SiC)가 대부분을 차지하는 고형분과 절삭분(Si) 및 절삭유가 대부분을 차지하는 액상분으로 분리한다.
폐슬러지의 온도가 65℃ 미만인 상태로 제1원심분리기(5)에 유입되면, 제1원심분리기(5)에서의 1차 원심 분리 효율이 극히 저하되고, 이로 인하여 제2원심분리기(11)의 운전이 불가능해지게 된다. 즉, 1차 원심 분리 효율이 저하되어, 다량의 절삭재가 제2원심분리기로 유입되고, 이는 고속으로 운전되는 제2원심분리기의 운전 중단 등을 야기한다.
폐슬러지에 절삭액의 첨가가 수반되지 않으므로, 처리 용량의 증가를 가져오지 않는다. 따라서 공정 시간의 증가, 운전비용의 증가, 장치의 대형화를 야기하지 않는다.
제1원심분리기(5)에서 분리된 고형분은 저장탱크(7)를 거쳐 재생탱크(15)로 이송되고, 액상분은 저장탱크(9)를 거쳐 제2원심분리기(11)로 유입된다.
제2원심분리기(11)는 고속으로 운전되면서, 액상분을 절삭분과 절삭액으로 분리한다.
제2원심분리기(11)에서 분리된 절삭액은 저장탱크(13)을 거쳐 재생탱크(15)로 이송되어, 저장탱크(7)로부터 이송되어온 절삭재와 적절한 혼합비로 혼합되어, 재생 슬러지를 생산한다. 즉, 재생탱크(15)가 재생부로서 기능한다.
상기한 구성에 따르면, 본 발명은 종래의 희석용 절삭액 첨가를 대체하여 폐슬러지의 가열을 통한 점도 조절을 통하여 우수한 재생 효율을 가지는 폐슬러지 재생방법을 제공할 수 있게 된다.
본 발명은 처리 용적의 증가를 수반하지 않아, 공정 시간의 최소화, 운전 비용의 최소화 및 장치의 컴팩트화를 달성할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 재생장치의 구성을 단순화하여 장치 설비비용을 최소화할 수 있는 폐슬러지의 재생방법을 제공할 수 있게 된다. 즉 본 발명은 매우 단순한 원리 및 구성만을 이용하여 고효율의 폐슬러지의 재생방법을 구현할 수 있다는데 특징이 있는 것이다.
Claims (2)
- 절삭재, 절삭분, 절삭유를 함유하고 있는 폐슬러지를 65℃ ~ 90℃의 온도로 가열하면서 교반하는 폐슬러지 가열 단계;상기 폐슬러지 가열 단계에서 가열된 폐슬러지를 절삭재인 고형분과 절삭분과 절삭유 혼합액인 액상분으로 분리하는 1차 원심 분리 단계; 및상기 1차 원심 분리 단계에서 분리된 절삭분과 절삭유 혼합액인 액상분을 원심분리하여 절삭분과 절삭유로 분리하는 2차 원심 분리 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 제조시 발생하는 폐슬러지의 재생방법.
- 제 1항에 있어서,상기 1차 원심 분리 단계에서 1차 원심 분리된 고형분과 상기 2차 원심 분리 단계에서 2차 원심 분리된 절삭유를 혼합하여 재생 슬러지로 재생하는 재생단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 제조시 발생하는 폐슬러지의 재생방법.
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