СПОСОБ ОБРАБОТКИ ШЛИФОВАЛЬНЫХ ПОРОШКОВ
GRINDING POWDER TREATMENT METHOD

Изобретение относится к способам обработки шлифовальных порошков и непосредственно шлифовальных порошков, содержащих в качестве основного компонента карбид кремния и применяемых в таких областях как микроэлектроника, производство полупроводников.
Как известно, карбид кремния, благодаря своим особым физическим свойствам, применяется как режущее, шлифовальное средство при обработке кремнийсодержащих поверхностей, например при производстве полупроводников. Шлифовальный порошкообразный карбид кремния, выпускаемый промышленностью обычно содержит свободный кремний, диоксид кремния, металлические примеси (RU 2060935, С01В 31/36, 1996). Для отделения карбида кремния от данных примесей применяются различные методы. Так, в нескольких известных способах применяется метод высокотемпературной обработки исходного порошка карбида кремния, содержащего порядка 3-5 мас.% примесей. Данный метод применяется, например, в известном способе обработки шлифовальных порошков на основе карбида кремния, в котором стадию отжига исходного продукта проводят в воздушной среде при температуре 800-850°С (RU 2060935, С01В 31/36, 1996). Этот же метод применяют и в другом известном изобретении, в котором стадию отжига проводят в безокислительной атмосфере при 1500-2000°С (JP 63-23042, С01В 31/36, 1991). Основным недостатком высокотемпературных способов является их высокая энергоемкость. Кроме того, как показали дополнительные исследования, данный высокотемпературный метод не эффективен при обработке шлифовального порошка карбида кремния, содержащего значительные количества указанных выше примесей (порядка 20% и выше).
Известен также способ очистки шлифовального зерна, шлифовальных порошков и других порошкообразных фракций карбида кремния, включающий сначала стадию окисления кислородом или озонированным воздухом, а затем стадию хлорирования (SU 239275, С01В 31/36, 1969). Обе стадии в данном способе проводятся при температуре 400-700°С в кипящем слое. Однако применение токсичного газообразного хлора делает данный процесс экологически опасным. Кроме того, данный способ, как и вышерассмотренные способы, не применяется для обработки отработанных шлифовальных порошков карбида кремния, сильно загрязненных примесями кремния, оксида кремния. Для обработки шлифовального порошкообразного карбида кремния применяется также метод обработки химическими реагентами, а именно минеральными кислотами и щелочами. Например, известна обработка карбида кремния минеральными кислотами (WO 91/01270, С01В 31/36, 1990) или обработка как щелочами, так и минеральными кислотами (Состояние и тенденция развития производства микропорошков. М.: НИИМАШ, 1979, с.17). Данный метод химической обработки применяется для повышения режущей способности карбида кремния за счет повышения качества порошка. Повышение качества шлифовального порошка карбида кремния в известном способе, выбранном в качестве прототипа (SU 1135713, С01В 31/36, 1985), достигается определенной последовательностью обработки исходного измельченного порошка карбида кремния: сначала минеральной кислотой (4,5%-ной серной кислотой), затем горячей водой и затем щелочью (3%-ной гидроокисью натрия) при температуре порядка 80°С. Данным способом получаются микропорошки следующего химического состава: 98,75 мас.% карбида кремния, 1,07 мас.% диоксида кремния, 0,03 мас.% кремния и 0,07 мас.% железа. Исходные порошки до указанной обработки имели следующий химический состав: 96,65 мас.% карбида кремния, 1,35 мас.% диоксида кремния, 0,15 мас.% кремния и 1,62 мас.% железа. Однако данный способ не применим для обработки сильно загрязненного шлифовального порошка карбида кремния. Кроме того, способ-прототип экологически опасен, поскольку в нем применяются агрессивные жидкости (кислоты и щелочи).
Для создания процесса, применимого для обработки сильно загрязненных шлифовальных порошков на основе карбида кремния, характеризующегося как невысокой энергоемкостью, так и удовлетворяющего экологическим требованиям, разработан новый способ обработки шлифовальных порошков, в котором шлифовальные порошки, содержащие карбид кремния, диоксид кремния, кремний и металлические примеси, обрабатывают при механическом перемешивании бромоформом и/или дибромметаном при условиях полной герметизации и при давлении не выше 0,2 атм и затем выделяют очищенный карбид кремния.
Исходные шлифовальные порошки, загрязненные органическими примесями, предварительно обрабатывают органическими растворителями.
Увлажненные исходные шлифовальные порошки подвергают предварительной осушке.
Для отделения карбида кремния от примесей диоксида кремния, элементарного кремния, металлических примесей (железа, хрома, алюминия и др.) в новом способе применяется флотационный метод разделения твердой фазы, который осуществляется в жидкостях, имеющих плотности, лежащие между плотностями элементарного кремния, оксида кремния и карбида кремния. Такими жидкостями в новом способе являются бромированные углеводороды, а именно бромоформ и/или бромметан, поскольку известно, что перечисленные соединения имеют следующие плотности:
3
3
3
3
3
SiC 3,2 г/см, Si 2,42 г/см, SiO 2,3 г/см, а бромоформ 2,89 г/см и бромметан 2,51 г/см (при температуре 20°С).
Технический эффект от использования нового способа проявляется в достижении высокой степени извлечения карбида кремния из сильно загрязненного шлифовального порошка, а именно из отработанного шлифовального порошка, содержащего порядка 30-55 мас.% карбида кремния, до получения твердого продукта, содержащего порядка 94-96 мас.% карбида кремния. Исходный обрабатываемый шлифовальный порошок, кроме основного компонента - карбида кремния - содержит и значительные количества оксида кремния и кремния (порядка половины и более от общего веса), а также примеси металлов (железа, алюминия, хрома и др.) Такой загрязненный шлифовальный порошок остается, например, после обработки кремнийсодержащих поверхностей шлифовальным карбидом кремния. Именно для такого исходного продукта и применяется новый способ.
Основными условиями осуществления нового способа также являются следующие его отличительные признаки: соблюдение полной герметизации при проведении процесса обработки шлифовальных порошков бромированными углеводородами и проведение процесса при поддержании пониженного давления (не выше 0,2 атм). При иных условиях не достигается указанная эффективность очистки.
Перед стадией флотационного разделения исходный порошок, в случае его загрязнения маслами или полиэтиленгликолем, подвергают дополнительной обработке органическими растворителями. В качестве таких растворителей используют традиционные органические растворители, применяемые для растворения масел, например изопропанол, ацетон.
В случае увлажнения исходного порошка его перед стадией флотации подвергают предварительной осушке известными методами термообработки. Как показали исследования, температурные режимы этой обработки зависят от степени увлажнения исходного продукта. Дополнительный эффект осушки достигается при обработке этих порошков органическими растворителями, например ацетоном, что происходит при предварительной обработке отработанных шлифовальных порошков, загрязненных органическими примесями, а также увлажненных.
После предварительной обработки исходный отработанный шлифовальный порошок помещают в цилиндрический вертикальный аппарат, снабженный механической лопастной мешалкой, в который заливают бромированные углеводороды в количестве, обеспечивающем расслоение на твердую и жидкую фазу. Смесь перемешивают механической мешалкой до полного разделения на тяжелую и жидкую фракции. Такое перемешивание необходимо для разрушения крупных агломератов, состоящих из смеси твердых фаз, а именно кремния, карбида кремния и оксидных кремниевых соединений. Процесс перемешивания при использовании механической мешалки, вращающейся, например, со скоростью 100-120 оборотов в минуту, обычно составляет 0,5-1 час.
Необходимыми условиями процесса являются пониженное давление (не выше 0,2 атм) и полная герметизация, что, наряду с другими признаками, обеспечивает высокую эффективность очистки. В результате такого флотационного разделения сверху отделяют так называемую легкую фракцию твердой фазы, каковой является смесь кремния с диоксидом кремния, а снизу тяжелую фракцию - карбид кремния. По данным анализа в обработанном конечном порошке карбида кремния содержание основного вещества составляет 94-96 мас.% (в исходном 30-55 мас.%).
Ниже способ иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
Отработанный шлифовальный порошок в количестве 1 кг, содержащий 30 мас.% карбида кремния, а также смесь диоксида кремния, кремния, металлические примеси и примеси органических масел и воды, обрабатывают изопропанолом до полной отмывки от органики, после чего осушают при 100°С. Затем в вертикальный цилиндрический аппарат, снабженный механической лопастной мешалкой, заливают бромоформ (1,5 л) и вводят предварительно очищенный и осушенный шлифовальный порошок. Обработку проводят при перемешивании в течение 30 минут при условии полной герметизации и при давлении 0,1 атм. После разделения на легкую и тяжелую фракцию сверху отделяют смесь кремния с диоксидом кремния и металлическими примесями, а снизу отделяют карбид кремния. Нижняя тяжелая фракция содержит 94 мас.% карбида кремния.
Пример 2.
Отработанный шлифовальный порошок (1,5 кг), содержащий 55 мас.% карбида кремния, смесь диоксида кремния, кремния, металлические и органические примеси, обрабатывают ацетоном до полного удаления органических примесей, а затем помещают в аппарат (аналогично примеру 1) и при давлении 0,18 атм перемешивают с бромметаном (2 л) в течение 1 часа. После флотационного разделения отделенная снизу тяжелая фракция содержит 96 мас.% карбида кремния.
Пример 3.
Отработанный шлифовальный порошок (1 кг), содержащий 55 мас.% карбида кремния, смесь диоксида кремния и кремния и металлические примеси, помещают в аппарат (аналогично примеру 1) и в герметических условиях при 0,2 атм перемешивают со смесью бромоформа (50%) и дибромметана (50%) (1,5 л) при давлении 0,15 атм в течение 1 часа. Отделенная нижняя тяжелая фракция содержит 96 мас.% карбида кремния.
Пример 4.
Отработанный сильно увлажненный шлифовальный порошок (1,5 кг), содержащий 40 мас.% карбида кремния и остальное - смесь диоксида кремния и кремния и металлические примеси и воду, подвергают осушке при 120°С, после чего перемешивают в аппарате (аналогично примеру 1) с бромметаном (2 л) в условиях герметизации при давлении 0,2 атм в течение 1 часа. Отделенная нижняя фракция содержит 95 мас.% карбида кремния.