对硅晶片制造工艺中产生的使用后浆料进行再循环的设备

摘要

本发明提供一种用于对硅晶片制造工艺中产生的使用后浆料进行再循环的设备，更具体地，提供一种通过从使用后浆料中有效地分离并回收研磨剂和切削油使使用后浆料再循环的设备。用于对硅晶片制造工艺中产生的使用后浆料进行再循环的设备包括：第一加热器，用于在60℃至沸点的温度范围内加热使用后浆料；第一离心分离机，用于以1200～1500rpm的转速旋转由第一加热器加热的使用后浆料，以便通过离心分离而分离为固体物质和第一液体物质；第二加热器，用于在50℃至沸点的温度范围内加热由第一离心分离机分离的第一液体物质；第二离心分离机，用于以最低为2800rpm的转速旋转由第二加热器加热的第一液体物质，以便通过离心分离而分离为锯屑和第二液体物质。

权利要求

1.一种用于对硅晶片制造工艺中产生的使用后浆料进行再循环的设备，包括：第一加热器，用于在60℃至沸点的温度范围内加热使用后浆料；

第一离心分离机，用于以1200～1500rpm的转速旋转由第一加热器加热的使用后浆料，以通过离心分离为固体物质和第一液体物质；

第二加热器，用于在50℃至沸点的温度范围内加热由第一离心分离机分离的第一液体物质；和第二离心分离机，用于以至少2800rpm的转速旋转由第二加热器加热的第一液体物质，以通过离心分离为锯屑和第二液体物质。

2.根据权利要求1所述的设备，其中第一加热器在60～90℃的温度范围内加热所述使用后浆料。

3.根据权利要求1或2中任意一项所述的设备，进一步包括返回管道，用于将第二离心分离机分离的第二液体物质返回到该第二离心分离机，以使第二离心分离机至少重复进行两次离心分离。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述返回管道将第二液体物质进料给第二加热器，以使第二液体物质在进入第二离心分离机之前，在第二加热器内被加热。

5.根据权利要求3所述的设备，进一步包括在返回管道上的第三加热器，该第三加热器在50℃至沸点的温度范围内加热第二液体物质。

6.根据权利要求3所述的设备，其中在重复进行离心分离时，第二离心分离机以一致的转速或者以增加的转速旋转。

7.根据权利要求3所述的设备，进一步包括再循环单元，用于混合第一离心分离机分离的固体物质和第二离心分离机分离的第二液体物质以产生再循环浆料。

8.根据权利要求1或2中任意一项所述的设备，进一步包括再循环单元，用于混合第一离心分离机分离的固体物质和第二离心分离机分离的第二液体物质以产生再循环浆料。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于对硅晶片制造工艺中产生的使用后浆料进行再循环的设备，更具体地，涉及通过从使用后浆料中有效地分离并回收研磨剂和切削油使使用后浆料再循环的设备。

背景技术

随着信息技术和半导体工业取得迅速进步，对单晶硅片的需求正在剧增。正如本领域中众所周知的，单晶硅片通常通过用涂敷研磨剂的线锯在供应切削油的同时对单晶硅锭进行切割来制造。然后，用磨光机磨光晶片。在此工艺中，约20～30％的初始单晶硅锭作为锯屑而浪费。
在单晶硅片的制造工艺中，通过清洗从硅晶片上除去诸如研磨剂(碳化硅、氧化铝和二氧化硅)、锯屑和切削油等副产物。因此，在硅晶片制造工艺中产生的使用后浆料中存在分散于切削油中的研磨剂和硅锯屑。
这种在硅晶片制造工艺中产生的使用后浆料可以归类为特殊的工业废料。因为使用后浆料含有锯屑和切削油，所以不能简单地用火烧掉。又因为使用后浆料会造成严重的土壤污染，所以也不能埋于地下。因此，来自硅晶片制造工艺的使用后浆料需用水泥固化，然后将固化的浆料埋于地下。
然而，从环境、经济和时间等角度来看，这种常规处理是不当的。因此，为了克服固化和埋藏使用后浆料的常规处理中的问题，提出了从使用后浆料中分离并回收研磨剂、锯屑和切削油的方法。
在这种用于再循环使用后浆料的方法中，基于离心分离法的再循环方法的应用比通过溶剂萃取进行浆料再循环的方法更广泛。因为浆料很容易溶解于水或油，所以能够容易地从浆料中分离切削油。然而，切削油含有在干燥或者蒸馏工艺中很容易被改变性质的乳化剂。当重复利用所述切削油时，改变性质的乳化剂引起研磨剂沉淀，而不是使其分散于切削油中。
基于离心分离法的再循环方法通过两步来完成：在第一离心分离步骤中，通过将浆料分离为主要包含研磨剂的固体物质和主要包含锯屑和切削油的第一液体物质从而使研磨剂回收。在第二离心分离步骤中，通过将从第一离心分离步骤中得到的第一液体物质分离为主要包含切削油的第二液体物质和锯屑从而使切削油回收。
在利用两个离心分离步骤的基于离心分离法的再循环方法中，在第一离心分离之前将切削油添加到使用后浆料中，以降低使用后浆料的粘度。由于含有大量的硅锯屑，所以使用后浆料具有非常高的粘度。由于存在大量的硅锯屑，不向使用后浆料内添加切削油而对使用后浆料进行离心分离是不可能的。通常，在第一离心分离步骤之前添加到使用后浆料中的切削油在第二离心分离步骤中从使用后浆料中回收。
根据常规技术，在第一离心分离步骤之前，在常温或者稍高于常温，例如30℃±15℃下，对使用后浆料连同添加的切削油进行加热。然而，其目的仅仅是将切削油和使用后浆料均匀混合。即，该加热被认为仅仅是用于提高添加切削油效率的辅助方式。
在添加切削油之后，通过离心分离浆料以再循环浆料的常规方法存在以下缺点。
首先，添加的切削油不可避免地增加将被处理的浆料量。这会延长处理时间，增加处理成本，而且需要大尺寸的设备。已发现，添加的切削油使将被处理的浆料量增加4～5倍。
同样，添加切削油需要用于将第二离心分离步骤中回收的切削油返回的附加设备，以及用于将使用后浆料和切削油的混合比保持恒定的另一个附加设备。这些设备使浆料再循环设备变得复杂。

发明内容

已进行本发明来解决现有技术中的上述问题，因此本发明的目的是提供一种用于再循环使用后浆料的设备，该设备能够提高使用后浆料的再循环效率，作为为了稀释目的而添加切削油的现有技术的备选方法。
本发明的另一个目的是提供一种用于再循环使用后浆料的设备，该设备能够最小化工艺时间、工艺成本，并具有简单且紧凑的结构。
本发明的进一步目的是提供一种用于再循环使用后浆料的设备，该设备具有所需安装成本最低的简单结构。
根据用于实现所述目的的本发明的一个方面，本发明提供一种用于对硅晶片制造工艺中产生的使用后浆料进行再循环的设备。该设备包括：第一加热器，用于在60℃至沸点的温度范围内加热使用后浆料；第一离心分离机，用于以1200～1500rpm的转速旋转由第一加热器加热的使用后浆料，以通过离心分离为固体物质和第一液体物质；第二加热器，用于在50℃至沸点的温度范围内加热由第一离心分离机分离的第一液体物质；和第二离心分离机，用于以最低为2800rpm的转速旋转由第二加热器加热的第一液体物质，以通过离心分离为锯屑和第二液体物质。
较佳地，第一加热器在60～90℃的温度范围内加热所述使用后浆料。
较佳地，该设备可以进一步包括返回管道，用于将第二离心分离机分离的第二液体物质返回到该第二离心分离机，以使第二离心分离机至少重复进行两次离心分离。
较佳地，所述返回管道可以将第二液体物质进料给第二加热器，以使第二液体物质在进入第二离心分离机之前，在第二加热器内被加热，或者该设备可以在返回管道上进一步包括第三加热器，该第三加热器在50℃至沸点的温度范围内加热第二液体物质。
较佳地，在重复进行离心分离时，第二离心分离机以均匀的转速或者以渐增的转速旋转。
较佳地，该设备可以进一步包括再循环单元，用于混合第一离心分离机分离的固体物质和第二离心分离机分离的第二液体物质以产生再循环浆料。
根据本发明所述，用于再循环使用后浆料的设备通过加热使用后浆料和控制离心分离机的转速，代替了为稀释目的添加切削油来调节粘度，从而实现优异的再循环效率。
本发明没有增加将要被处理的浆料量，从而能够最小化工艺时间、工艺成本以及实现简单且紧凑的结构。
此外，本发明用于再循环使用后浆料的设备可以具有所需安装成本最低的简单结构。即，本发明利用简单的操作原理和结构可使用于再循环使用后浆料的设备具有高的再循环效率。

附图说明

图1为根据本发明示例性实施方式的用于从使用后浆料中分离研磨剂、锯屑和切削油并再循环的工艺的示意图；
图2为执行图1所示工艺的用于再循环使用后浆料的设备的草图；
图3为用于说明计算离心分离机处理能力的等式的参考图；
图4为通过第一离心分离得到的固体物质中油含量随温度和转速的改变而变化的曲线图；
图5为通过第一离心分离得到的固体物质中锯屑(Si)含量随温度和转速的改变而变化的曲线图；
图6为通过第一离心分离得到的固体物质中研磨剂(SiC)含量随温度和转速的改变而变化的曲线图；
图7为在1000rpm的转速下，通过第一离心分离得到的固体物质的密度随温度的改变而变化的曲线图；
图8为在1000rpm的转速下，通过第一离心分离得到的固体物质的粒径随温度的改变而变化的曲线图；
图9为在1200rpm的转速下，通过第一离心分离得到的固体物质的密度随温度的改变而变化的曲线图；
图10为在1200rpm的转速下，通过第一离心分离得到的固体物质的粒径随温度的改变而变化的曲线图；
图11为在1500rpm的转速下，通过第一离心分离得到的固体物质的密度随温度的改变而变化的曲线图；
图12为在1500rpm的转速下，通过第一离心分离得到的固体物质的粒径随温度的改变而变化的曲线图；
图13为通过第二离心分离得到的第二液体物质中油含量随温度和转速的改变而变化的曲线图；
图14为通过第二离心分离得到的第二液体物质中锯屑(Si)含量随温度和转速的改变而变化的曲线图；
图15为通过第二离心分离得到的第二液体物质中研磨剂(SiC)含量随温度和转速的改变而变化的曲线图；
图16为通过第二离心分离得到的第二液体物质的密度随温度和第二离心分离次数的改变而变化的曲线图。

具体实施方式

现在参照附图对本发明进行更充分地说明，其中示出了本发明的示例性实施方式。
图1为根据本发明示例性实施方式的用于从使用后浆料中分离研磨剂、锯屑和切削油并再循环的工艺示意图。
为了从使用后浆料中通过分离和回收研磨剂和切削油来再循环该使用后浆料，执行了两个离心分离步骤。
进行第一离心分离步骤以将使用后浆料分离为主要包含由SiC制成的研磨剂的固体物质和主要包含切削油的第一液体物质。然后，在高速下进行第二离心分离步骤而从第一液体物质中除去细碎的Si锯屑，从而再循环切削油，该切削油与新油具有相似的密度，如0.89g/cc。
图2为用于执行图1所示工艺的再循环使用后浆料的设备的草图。
已流入槽车或者圆桶1的使用后浆料通过泵P进料给储存槽3。因为研磨剂的浓度随线锯设备和诸如再循环次数、储存期间和周围空气温度等回收条件而改变，因此搅动储存槽3内的浆料至均匀。
储存槽3在预定温度下加热浆料以减低其粘度。进行加热以使温度维持在预定范围，优选60℃至沸点，更优选60～90℃。
这也意味着储存槽3充当第一加热器。或者，第一加热器可以独立于储存槽3而配备。
加热的浆料被导入第一离心分离机5。第一离心分离机5在1200～1500rpm的转速范围内运行，因此将浆料分离为主要包含SiC研磨剂的固体物质和主要包含Si锯屑和切削油的第一液体物质。
如果在低于60℃的温度下将使用后浆料导入第一离心分离机5，或者第一离心分离机5在低于1200rpm的转速下运行，则第一离心分离机的工艺效率大大降低，因而运行第二离心分离机11是不可能的。也就是说，随着第一离心分离的效率降低，大量的研磨剂进入第二离心分离机，从而导致例如正在高速运行的第二离心分离机发生故障。
因为没有向使用后浆料内添加切削油，所以没有增加将被处理的使用后浆料的量。因此，不会增加工艺时间、工艺成本或者设备尺寸。
在第一离心分离机5内完成分离步骤后，通过储存槽7将固体物质进料给储存槽15，并将第一液体物质进料给储存槽9。
储存槽9在50℃至沸点的温度范围内加热由第一离心分离机5所离心分离的第一液体物质，以降低其粘度。
这也意味着储存槽9充当第二加热器。或者，第二加热器可以独立于储存槽9而配备。
被加热的第一液体物质被导入第二离心分离机11。第二离心分离机11在2800rpm或者更高的转速下运行，将第一液体物质再分离为锯屑和第二液体物质。这里，锯屑主要包含Si锯屑，第二液体物质主要包含切削油。
在第二离心分离机11的分离步骤之后，将第二液体物质进料给第二储存槽13。
然后，将第二液体物质从储存槽13返回到第二离心分离机11。在返回之前，第二储存槽13在50℃至沸点的温度范围内加热该第二液体物质，以降低其粘度。
这也意味着第二储存槽13充当第三加热器。或者，第三加热器可以独立于第二储存槽13之外进行配备。还可以将切削油返回到第二加热器的上游位置，使第二加热器来加热切削油。
这些返回和离心分离的过程被执行一次或者多次。较佳地，第二离心分离机11重复离心分离两次或者更多次。
在重复离心分离步骤时，第二离心分离机11的转速优选是增加的或者保持相同速度。
在第二离心分离机11重复进行预定次数的离心分离步骤后，通过储存槽13将离心分离的液体物质进料给再循环槽15。
再循环槽15将从储存槽13进料的切削油和从储存槽7导入的研磨剂进行混合，产生再循环浆料。因此，储存槽15充当再循环单元。
图3为用于说明计算离心分离机处理能力的等式的参考视图。
在离心力场中，如等式1所示，离心力、浮力和摩擦力作用于粒子。
$m\frac{\mathrm{d\upsilon }}{\mathrm{dt}}=F_c-F_b-F_d$
$=\left(\frac{4}{3}\right)\pi a^3\rho {\omega }^2\text{R-}\left(\frac{4}{3}\right)\pi {\mathrm{a\alpha }}^3{\rho }_0{\omega }^{2}R-C_D{A}_P\frac{\rho {\upsilon }^2}{2}···\left(1\right)$
粒子为具有几微米直径的细粒。因为粒子漂浮其中的液体具有非常高的粘度，可以假定摩擦力适用Stokes定律。
$C_D=\frac{24}{\mathrm{Re}}=\frac{12\mu }{\mathrm{a\rho \upsilon }}···\left(2\right)$
如果将等式2代入等式1，可以得到等式3。
$m\frac{\mathrm{d\upsilon }}{\mathrm{dt}}=\left(\frac{4}{3}\right)\pi a^3\rho {\omega }^2\text{R-}\left(\frac{4}{3}\right)\pi a^3{\rho }_0{\omega }^{2}R-6\mathrm{\pi \mu a\upsilon }···\left(3\right)$
因为在高粘度液体的离心力场中施加到粒子上的所有力保持平衡，所以加速度为零。因此，等式3左边的项为零，因而速度的等式可表示为等式4。
$\upsilon =\frac{2a(\rho -{\rho }_0){\omega }^{2}R}{9\mu }···\left(4\right)$
在等式4中，因为υ表示远离中心的径向速度，所以可表示为dR/dt。从而可表示为等式5。
$\frac{\mathrm{dR}}{R}=\left[\frac{2a(\rho -{\rho }_0){\omega }^{2}R}{9\mu }\right]\mathrm{dt}···\left(5\right)$
整理等式5，可得到等式6。
$\ln \left(\frac{R}{R_0}\right)=\frac{2a^2(\rho -{\rho }_0){\omega }^{2}t}{9\mu }···\left(6\right)$
简化等式6求t，则得到等式7。
$t=\frac{9\mu \ln \left(\frac{R}{R_0}\right)}{2a^2(\rho -{\rho }_0){\omega }^2}···\left(7\right)$
通过等式7可以计算细粒从起点R0移到预定半径R所需的时间。原浆料的线速度dl/dt可表示为以下的等式8。
$\frac{\mathrm{dl}}{\mathrm{dt}}=\frac{Q}{A}=\frac{Q}{\pi (R_1^2-R_0^2)}···\left(8\right)$
因此，原浆料在离心分离机的保留时间τ可通过等式9计算。
$\tau =\frac{L}{\left(\frac{\mathrm{dl}}{\mathrm{dt}}\right)}=\frac{\pi (R_1^2-R_0^2)L}{Q}···\left(9\right)$
在等式7中，如果将等式9的保留时间作为离心分离所需的时间代入等式7，则可得到等式10。
$\frac{\pi (R_1^2-R_0^2)L}{Q}=\frac{9\mu \ln \left(\frac{R_1}{R_0}\right)}{2a^2(\rho -{\rho }_0){\omega }^2}···\left(10\right)$
在等式10的左边项中，R1、R0和L表示图2所示的离心分离机的容积，Q为液体流入离心分离机的速度，表示离心分离机的处理能力。
如果根据离心分离机的能力简化等式10，则可表示为以下的等式11。
$Q=\frac{2\pi a^2(R_1^2-R_0^2)L(\rho -{\rho }_0){\omega }^2}{9\mu \ln \left(\frac{R_1}{R_0}\right)}---\left(11\right)$
在等式11中，R1、R0和L为涉及离心分离机容积的各项，t、a、ρ、ρ0和μ为涉及粒子和液体特性的各项。Ω为涉及离心分离机驱动条件的项。
通过扩大离心分离机的体积或者提高离心分离机的转速可以增加离心分离机的处理能力。在离心分离机的体积和驱动条件已固定的情况下增加处理能力的方法之中，用于增加处理能力的最有效方法是降低液体粘度。
通过在液体中添加溶剂或者增加液体温度可以降低液体粘度。
如果通过在液体中添加溶剂来降低液体粘度，可以降低相对粘度并增加离心分离机的处理能力。然而，稀释不符合离心分离的目的，这是因为离心分离的目的是粒子的浓缩。而且，因为在离心分离液体之前必须用溶剂稀释液体，所以增加了使用后浆料的体积。因此，增加了用于离心分离使用后浆料的总处理时间。
恰恰相反，增加温度的方法可以不用增加使用后浆料的容积而降低液体粘度。因此，与添加溶剂的方法相比，增加温度的方法具有更高的效率。
因此，本发明中通过增加浆料的温度来降低使用后浆料的粘度。
而且，本发明还关注于以最佳转速运行离心分离机的方法，以便增大对浆料的处理能力。
这种降低使用后浆料粘度的方法符合本发明增加再循环效率的目的。
当主要包含研磨剂的固体物质和主要包含切削油的第二液体物质从使用后浆料中被回收并混在一起时，优选固体物质的密度为2.04g/cc或者更高，固体物质的粒径为4.2或者更高，第二液体物质的密度为0.93g/cc或者更低。
如果固体物质的密度或者粒径低于这些值，则SiC没有被充分地分离，且大量的锯屑和切削油混入固体物质。在这种情况下，切削不能被正常完成，由此导致在精度为关键因素的半导体工业中产生危害的晶片翘曲。
此外，如果第二液体物质的密度高于上述数值，则影响晶片质量(晶片的表面粗糙度、表面波纹度和平滑度等)。然后，必须额外地混入新油(密度：0.89g/cc)，这会增加成本。
改变使用后浆料的温度和第一离心分离机的转速，测定固体物质的组分、密度和颗粒尺寸。
表1～3中记录了分别以1000rpm、1200rpm和1500rpm的转速运行第一离心分离机而得到的实验结果。
表1

表2

表3

图4～6为第一离心分离所分离的固体物质中油、锯屑(Si)和研磨剂(SiC)的含量随温度和转速的改变而变化的曲线图。
如图4～6所示，在1000rpm的转速下，可以看到增加温度对SiC的含量变化没有很大影响。然而，在1200rpm和1500rpm的转速下，可以观察到在平滑上升后，在60℃处有明显上升。
根据重复的实验，SiC再循环在60～90℃的温度范围内是最有效的。虽然在高于90℃的温度范围内观察到含量的轻微增加，但是当用保持温度的能源成本与回收SiC的成本相比时，这是没有效率的。
同样，SiC回收结果在1200～1500rpm的转速范围内是最有效的，并且在高于1500rpm的转速范围内几乎观察不到含量的增加。因此，在用提高转速的能源成本与回收SiC的成本相比时，转速在1200～1500rpm的范围内被认为是最好的。
图7和图8为在1000rpm的转速下，第一离心分离所分离的固体物质的密度和粒径随温度改变而变化的曲线图。
如图7和图8所示，在1000rpm的转速下，甚至在提高温度时也不可能达到固体物质的目标值(目标密度：2.04g/cc，目标粒径：4.2)。因此，确定1000rpm的转速不适合于第一离心分离机的转速。
图9和图10为在1200rpm的转速下，第一离心分离所分离的固体物质的密度和粒径随温度改变而变化的曲线图。
如图9和图10所示，在1200rpm的转速下，从60℃开始可以得到固体物质的目标密度和目标粒径。
图11和图12为在1500rpm的转速下，第一离心分离所分离的固体物质的密度和粒径随温度改变而变化的曲线图。
与图9和图10相似，从60℃开始可以得到固体物质的目标密度和目标粒径。
接下来，在改变第一离心分离机分离的第一液体物质的温度和改变第二离心分离机的转速时，分析第二离心分离机分离的第二液体物质的组分。
表4～7中记录了分别以2600rpm、2800rpm、3000rpm和3200rpm的转速运行第二离心分离机而得到的实验结果。
表4

表5

表6

表7

图13～15为第二离心分离所分离的第二液体物质的油、锯屑(Si)和研磨剂(SiC)含量随温度和转速的改变而变化的曲线图。
如图13～15所示，在50℃以上和2800rpm以上的条件下，切削油的回收率是优异的。
表8为第二离心分离所分离的第二液体物质的密度随温度和第二离心分离次数的改变而变化的图表。
表8

图16为第二离心分离所分离的第二液体物质的密度随温度和第二离心分离次数的改变而变化的曲线图。
根据图16所示的实验结果，第二液体物质的密度在常温下表现与目标密度有大的差距，但在50℃时接近目标密度。随着重复进行离心分离，第二液体物质的密度下降到低于目标密度的值。
还可以看到通过在重复离心分离时增加转速而不是保持一致的转速可以进一步提高切削油的回收效率。
整体分析以上的实验结果，如果低于60℃的使用后浆料进入第一离心分离机，并在低于1200rpm的转速下执行第一离心分离，则第一离心分离的效率降低，第二离心分离机不能从第二液体物质中分离具有可再利用的参考密度的切削油，并且引起管道堵塞。因此，该条件很少用于大规模生产。
另一方面，如果使用后浆料具有90℃或者更高的温度，并且第一离心分离机的转速为1500rpm或者更高，可以看到用于保持温度和转速的工艺成本急剧增加，而分离效率并没有显著改变。因此，得到更适于使用后浆料的温度范围是60～90℃，更适于第一离心分离机的转速是1200～1500rpm。
此外，低于50℃的使用后浆料进入第二离心分离机，并在低于2800rpm的转速下进行第二离心分离，则第二离心分离的效率降低，并且由此通过第二离心分离得到的切削油不可能具有适合用于切割的期望值(密度：0.93g/cc或者更低)。