[发明专利]同位素浓缩方法

说明书

技术领域

本发明涉及在半导体领域、光学领域等中所使用的硅同位素的浓缩方法。

背景技术

天然的硅由质量数为28、29、30的3种稳定同位素(以下分别为²⁸Si、²⁹Si、³⁰Si)构成，分别以92.23％、4.67％、3.10％的比例(原子％)存在。

已有如下报道：将硅同位素高浓度地浓缩的单晶，其导热系数与天然比的单晶相比高。因此，硅单晶作为对LSI的更高速化、小型化、耗电降低、稳定性提高有帮助的材料，被寄予很大的期待。另外，将具有核自旋的²⁹Si完全除去的硅，是与提出可超高速计算的量子计算机的实现最接近的材料。

为了促进这样的领域中的研究开发，或者为了进行新的用途开发，进而为了拓宽使用同位素浓缩硅的设备等的销售，需要确立以低成本大量制造同位素分离硅的技术。

作为与硅的同位素浓缩方法相关的现有技术，可列举出例如蒸馏法、离心分离法、激光分解法、同位素交换反应法等。但是，蒸馏法分离系数非常小，分离所需要的塔长变得非常长，因此作为商业工艺难以实现。离心分离法需要大型的离心分离机，成本变高。另外，激光分解法收量少，不适合大量生产。

作为同位素交换反应法，例如在美国专利第6146601号(专利文献1)中公开了使用卤化硅等与C₁-C₄的烷基醇等的络合物的方法。根据该方法，已知作为卤化硅之一的四氟化硅通常与水反应而水解(参照下述化学反应式)，因此使用规定的有机溶剂作为供体化合物来防止水解。

3SiF₄+2H₂O→2H₂SiF₆+SiO₂

但是，已知四氟化硅根据运转条件，通过与水同样的机理与醇类反应，生成正硅酸烷基酯和烷氧基氟硅酸盐而分解。因此，在前述的化学交换法中，有时不能进行稳定的同位素分离操作。进而，C₁-C₄的烷基醇等有机溶剂的使用需要防爆设备，导致制造成本的增大。

专利文献1：美国专利第6146601号

发明内容

发明要解决的问题

本发明是鉴于前述问题点而进行的，其目的在于提供一种同位素浓缩方法，该方法通过在同位素交换反应法中采用更简便、稳定的体系，可以以低成本大量进行硅同位素浓缩。

用于解决问题的方法

本申请发明人为了解决前述现有的问题点，对硅同位素浓缩方法进行研究。结果发现，通过采用下述方案，可以解决前述问题，从而完成了本发明。

即，本发明的同位素浓缩方法为了解决前述问题，其特征在于，通过至少包含H₂O-H₂SiF₆·nSiF₄(式中，n≥0。)两个成分的水溶液与包含前述SiF₄的气体之间的同位素交换，对前述Si的稳定同位素进行浓缩。

前述方法以水溶液体系中的同位素交换反应为基本原理。通常，将X元素和质量不同、化学性质相同的X^*元素制成2种化合物AX和BX^*，使二者接触时，在化合物之间发生同位素的交换反应(AX+BX^*→AX^*+BX)。由于元素的质量差引起的结合能的不同，反应速度、平衡常数产生稍微的差别，将多级地组合该差别的分离法称为同位素交换反应法。

本发明在使用四氟化硅的同位素交换反应法中，使用含氢氟酸的水溶液作为供体，认为基于下述的平衡反应进行。作为同位素交换反应的结果，Si的轻同位素在水溶液侧被浓缩，Si的重同位素在气体侧被浓缩。具体而言，例如可以从天然比的硅分离成：将²⁸Si浓缩为高浓度的氟硅酸水溶液以及将²⁹Si和³⁰Si浓缩为高浓度的四氟化硅。或者，可以将²⁹Si和³⁰Si浓缩为高浓度的四氟化硅分离成：²⁹Si进一步被浓缩为高浓度的氟硅酸水溶液以及将³⁰Si进一步浓缩为高浓度的四氟化硅。

并且，n≥0。另外，x、y表示同位素质量数，满足x＜y的关系。