Способ изотопного обогащения - RU2399409C2
Код документа: RU2399409C2
Чертежи
Описание
Область техники
Настоящее изобретение относится к способу изотопного обогащения кремния, используемого в области полупроводниковых материалов, оптике и других подобных отраслях.
Уровень техники
Природный кремний состоит из трех видов стабильных изотопов с массовыми числами 28, 29 и 30 (в дальнейшем именуемых соответственно28Si,29Si,30Si). Доли содержания стабильных изотопов28Si,29Si,30Si составляют соответственно 92,23%, 4,67% и 3,10% (атомные проценты).
В литературе сообщается о монокристалле, полученном из высокообогащенного по одному из изотопов кремния, имеющего улучшенную теплопроводность по сравнению с кремнием с природным изотопным отношением. В этой связи имеются достаточные основания рассматривать такой монокристалл в качестве материала, способного обеспечить более высокую скорость, миниатюризацию, сниженную потребляемую мощность и улучшенную стабильность больших интегральных схем (LSI). Кремний, полученный после полного удаления имеющего ядерный спин29Si, является весьма вероятным материалом для создания квантового компьютера, предназначаемого для сверхбыстрых вычислений.
Необходимо создать технологию массового низкозатратного производства изотопно-чистого кремния для стимулирования научно-исследовательской деятельности в данной области, разработки новых сфер применения, расширения сбыта оборудования и другой подобной продукции, использующей изотопно-обогащенный кремний.
Примеры обычных технологических способов изотопного обогащения включают дистилляционный способ, способ разделения центрифугированием, способ лазерного разложения, способ реакции изотопного обмена и т.п. Однако, так как дистилляционный способ обеспечивает чрезвычайно малый коэффициент разделения и требует применения очень высоких разделительных колонн, в масштабах промышленного производства дистилляционный способ является трудно осуществимым. Способ разделения центрифугированием требует крупногабаритных и поэтому дорогостоящих центробежных сепараторов. Способ лазерного разложения обеспечивает низкий выход и поэтому непригоден для массового производства.
Что касается способа реакции изотопного обмена, то существует, например, раскрытый в патенте США №6146601 (патентный документ 1) способ, использующий комплексное соединение галоидированного кремния или подобное и С1-С4-алканол или подобный. Поскольку общеизвестно, что тетрафторид кремния, представляющий собой частный случай галоидированного кремния, реагирует с водой, подвергаясь гидролизу (химическая формула (1)), данный способ предотвращает гидролиз, используя указанный органический растворитель в качестве соединения-донора:
3SiF4+2H2O→2H2SiF6+SiO2. (1)
Однако, как известно, при некоторых производственных условиях тетрафторид кремния реагирует со спиртами по тому же самому механизму, что и с водой, распадаясь и образуя алкилортосиликат и алкоксифторсиликат. Поэтому процесс изотопного разделения, осуществляемый с помощью такого способа реакции обмена, может не оказаться достаточно устойчивым. Кроме того, использование такого органического растворителя, как С1-С4-алканол, требует применения взрывобезопасного оборудования и вызывает увеличение стоимости производства.
Раскрытие изобретения
Решаемые изобретением задачи
Настоящее изобретение было разработано с учетом вышеупомянутых проблем и целью настоящего изобретения явилось предложение способа концентрирования изотопа, делающего возможным внедрение более удобной и стабильной системы для широкомасштабной реализации низкозатратного изотопного обогащения кремния по способу реакции изотопного обмена.
Способы решения задачи
Авторы настоящего изобретения провели исследования в целях разрешения связанных с существующим способом изотопного обогащения кремния проблем. В результате изобретатели пришли к выводу, что проблемы могут быть разрешены, следуя изложенным ниже принципам, и разработали настоящее изобретение.
То есть для достижения вышеозначенной цели настоящее изобретение предлагает способ изотопного обогащения, содержащий стадию осуществления изотопного обмена между водным раствором, содержащим, по меньшей мере, два компонента, каждый из которых представлен формулой H2O-H2SiF6·nSiF4 (где n≥0) и газом, содержащим SiF4, для концентрирования устойчивого изотопа Si.
В качестве основного принципа способ использует реакцию изотопного обмена в среде водного раствора. Обычно, когда элемент X и элемент X*, который имеет другую массу и одинаковые с элементом X химические свойства, заменяются на два соединения типа АХ и ВХ*, и оба эти соединения приводятся в контакт друг с другом, между ними происходит реакция изотопного обмена (АХ+ВХ*→АХ*+ВХ). Проистекающая из различия в массах элементов разница в величине энергии связи вызывает небольшое различие в скорости реакции или константе равновесия. Способ разделения, объединяющий эти различия в многостадийном процессе, именуется способом реакции изотопного обмена.
В настоящем изобретении используется водный раствор, содержащий фтористоводородную кислоту в качестве донора при реакции изотопного обмена с использованием тетрафторида кремния, а сам способ рассматривается как основанный на следующей равновесной реакции. В результате реакции изотопного обмена легкий изотоп Si концентрируется в водном растворе, а газ обогащается тяжелым изотопом Si. В частности, например, кремний с природным изотопным отношением может быть разделен на водный раствор кремнефтористоводородной кислоты, содержащий высокообогащенный28Si, и тетрафторид кремния, содержащий высокообогащенный29Si и30Si. В свою очередь, обогащенный29Si и30Si тетрафторид кремния может быть разделен на водный раствор кремнефтористоводородной кислоты, содержащий29Si в еще более высокой концентрации, и тетрафторид кремния, содержащий более высококонцентрированный30Si:
(l+n)xSiF4+H2ySiF6·nySiF4aq.↔(l+n)ySiF4+H2xSiF6·nxSiF4aq, (2)
где n≥0; х и у представляют массовое число изотопа и подчинены условию х<у.
В вышеописанном способе SiF4 предпочтительно растворяется в водном растворе до состояния насыщения.
Использование водного раствора, в котором SiF4 находится в насыщенном состоянии и который содержит, по меньшей мере, два компонента, может постоянно поддерживать газожидкостную композицию при реакции изотопного обмена. Это обеспечивает возможность концентрирования стабильного изотопа.
В вышеописанном способе предпочтительно, чтобы водный раствор имел азеотропный состав.
Так как газожидкостная композиция в азеотропном составе остается той же самой, композиция при реакции изотопного обмена может поддерживаться постоянно, делая возможным устойчивое осуществление процесса изотопного обогащения.
Сущность изобретения
С помощью вышеописанного способа настоящее изобретение показывает результаты, которые будут представлены ниже.
А именно настоящее изобретение может обеспечить новый способ изотопного обогащения, пригодный для обогащения и разделения изотопов кремния реакцией изотопного обмена между водным раствором, содержащим, по меньшей мере, два компонента, каждый из которых представлен формулой H2O-H2SiF6·nSiF4 (где n≥0), и содержащим SiF4 газом. С помощью данного способа возможно осуществление широкомасштабного низкозатратного процесса изотопного обогащения кремния.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - технологическая схема процесса, демонстрирующая пример установки для разделения/обогащения изотопов кремния согласно воплощению настоящего изобретения.
Фиг.2 - технологическая схема процесса, демонстрирующая пример установки для разделения/обогащения изотопов кремния согласно другому воплощению настоящего изобретения.
Фиг.3 - технологическая схема процесса, иллюстрирующая экспериментальную установку для разделения/обогащения изотопов кремния согласно примеру настоящего изобретения.
Фиг.4 - технологическая схема процесса, иллюстрирующая другую экспериментальную установку для разделения/обогащения изотопов кремния согласно примеру настоящего изобретения.
Фиг.5 - диаграмма, иллюстрирующая диапазон концентраций водного насыщенного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния в процессе изотопного обогащения кремния согласно примеру настоящего изобретения.
Описание обозначений
1 - колонна обменной реакции
2, 2' - первый жидкостной канал
3, 3' - второй жидкостной канал
4 - газовый генератор
5, 5' - первый газовый канал
6: второй газовый канал
7, 7' - третий газовый канал
8 - абсорбер
9 - четвертый газовый канал
10 - дистилляционная колонна
11 - конденсатор
12 - ребойлер
13 - приемник конденсата
14 - третий жидкостной канал
21 - тетрафторид кремния
22 - первая колонна обменной реакции
22' - вторая колонна обменной реакции
23 - первый жидкостной канал
24 - первый газовый канал
25 - второй газовый канал
25' - третий газовый канал
26 - второй жидкостной канал
26' - третий жидкостной канал
27 - колонна газового генератора
28 - канал для концентрированной серной кислоты
29 - четвертый газовый канал
30 - отработанная серная кислота
31 - очистная колонна
32 - концентрированная серная кислота
33 - обогащенный легким изотопом тетрафторид кремния
34 - абсорбер
35 - фтористоводородная кислота
36 - охладитель
37 - обогащенный тяжелым изотопом тетрафторид кремния
41-48 - колонны обменной реакции с первой по восьмую
Наилучший вариант осуществления изобретения
Далее представлено описание воплощения настоящего изобретения. Способ изотопного обогащения согласно настоящему воплощению разделяет и концентрирует изотопы Si с помощью способа изотопного обмена при газожидкостном контакте в среде водного раствора. Изотопный обмен настоящего изобретения предпочтительно осуществляется, например, способом газожидкостного контакта, более предпочтительно - газожидкостным контактом в противотоке.
Изотопное обогащение кремния реакцией изотопного обмена в среде водного раствора согласно настоящему изобретению может осуществляться, например, с помощью представленной на фиг.1 установки. Показанная на фиг.1 установка в основных чертах включает колонну обменной реакции 1, газогенератор 4 и абсорбер 8. В колонне обменной реакции 1 протекает реакция изотопного обмена между водным раствором, содержащим, по меньшей мере, два компонента, каждый из которых представляется формулой H2O-H2SiF6·nSiF4 (где n≥0), и газом, содержащим тетрафторид кремния. В качестве такой колонны обменной реакции 1 могут использоваться тарельчатая колонна или насадочная колонна. В газогенераторе 4 содержащий тетрафторид кремния газ извлекается из исходящего из куба колонны обменной реакции 1 водного раствора и возвращается в колонну обменной реакции 1. В абсорбере 8 газ, отбираемый с верха колонны обменной реакции 1 и содержащий тетрафторид кремния, поглощается водным раствором, содержащим фтористоводородную кислоту, для получения водного раствора, содержащего, по меньшей мере, два компонента, каждый из которых представляется формулой H2O-H2SiF6·nSiF4 (где n≥0), и возвращается на верх колонны обменной реакции 1.
Кремнефтористоводородная кислота является водным раствором гексафторкремнекислоты, представляемой формулой H2SiF6 и существующей только в виде водного раствора. По мере того, как концентрация кремнефтористоводородной кислоты возрастает, кремнефтористоводородная кислота поглощает большие количества тетрафторида кремния, превращаясь в соединение, представляемое общей формулой H2SiF6·nSiF4. Поскольку в ходе исследования предполагалось, что это соединение растворяет кремний в количестве, превышающем теоретическое, данное соединение было названо кремнефтористоводородной кислотой с высоким содержанием кремния. Здесь n равно или больше 0, и известно, что значение n возрастает от 0 до 1 по мере увеличения концентрации кислоты. Однако при совместном существовании кремнефтористоводородной кислоты и тетрафторида кремния в водном растворе подробных данных об их состоянии равновесия не известно. Частичный распад описанной в предыдущем параграфе кремнефтористоводородной кислоты на SiF4 и HF объясняется авторами настоящего изобретения тем, что значение n в H2SiF6·nSiF4 может превышать 1.
В качестве исходных материалов для проведения реакции изотопного обмена могут применяться, например, газ, содержащий тетрафторид кремния, и водный раствор, содержащий, по меньшей мере, два компонента H2O-H2SiF6·nSiF4 (n≥0), поглощающий тетрафторид кремния до концентрации насыщения (именуемый в дальнейшем насыщенным водным раствором кремнефтористоводородной кислоты). С помощью газа, содержащего тетрафторид кремния в качестве исходного материала, в абсорбере 8 возможно получение насыщенного водного раствора кремнефтористоводородной кислоты. Реакция изотопного обмена осуществляется между газом, содержащим тетрафторид кремния, и насыщенным водным раствором кремнефтористоводородной кислоты. С другой стороны, при использовании насыщенного водного раствора кремнефтористоводородной кислоты в качестве исходного материала содержащий тетрафторид кремния газ может быть получен из этого насыщенного водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с помощью газогенератора 4. Реакция изотопного обмена протекает между насыщенным водным раствором кремнефтористоводородной кислоты и газом, содержащим тетрафторид кремния. Используемый в качестве исходного материала для реакции изотопного обмена тетрафторид кремния предпочтительно имеет высокую степень очистки. Однако тетрафторид кремния может содержать примеси, которые не вызывают изменения композиции газожидкостных компонентов при изотопном обогащении, такие как инертный газ, который не вызывает реакций, не поглощается, не разлагается или не вступает в иные подобные взаимодействия с используемыми в реакции изотопного обмена газом и жидкостью. Количество содержавшегося в газе тетрафторида кремния специальным образом не ограничивается и при необходимости может быть установлено наиболее подходящее.
Насыщенный водный раствор кремнефтористоводородной кислоты, используемый в качестве исходного материала реакции изотопного обмена, предпочтительно поглощает тетрафторид кремния до тех пор, пока концентрация тетрафторида кремния не достигнет состояния насыщения. Если водный раствор может поглощать дополнительные количества тетрафторида кремния, реакция изотопного обмена не сможет пройти полностью по всему объему обменного реактора, имеющего количество тарелок в наборе, соответствующее обеспечению желательной степени обогащения, и поэтому неспособному переработать заданную таким образом концентрацию. Кроме того, выделяемая при поглощении тетрафторида кремния теплота может изменять композицию жидкости на непригодную для осуществления устойчивого процесса обогащения. Используемый для реакции изотопного обмена насыщенный водный раствор кремнефтористоводородной кислоты предпочтительно имеет высокую степень очистки. Однако насыщенный водный раствор кремнефтористоводородной кислоты может содержать примеси в виде компонентов, не препятствующих прохождению реакции обмена.
Насыщенный водный раствор кремнефтористоводородной кислоты может приготавливаться поглощением и растворением тетрафторида кремния в водном растворе, содержащем воду или фтористоводородную кислоту. Другим вариантом приготовления насыщенного водного раствора кремнефтористоводородной кислоты может быть также проведение реакции диоксида кремния с водным раствором, содержащим фтористоводородную кислоту. Насыщенный водный раствор кремнефтористоводородной кислоты может быть также получен как дистиллят при простой перегонке водного раствора кремнефтористоводородной кислоты, полученной взаимодействием диоксида кремния с фтористоводородной кислотой. При этом в ходе приготовления насыщенного водного раствора кремнефтористоводородной кислоты вследствие гидролиза тетрафторида кремния может выпадать осадок диоксида кремния. В этом случае, если осадившийся диоксид кремния отфильтровать, насыщенный водный раствор кремнефтористоводородной кислоты может использоваться без каких-либо затруднений.
Предпочтительна более высокая концентрация Si в насыщенном водном растворе кремнефтористоводородной кислоты. Однако когда концентрация кремнефтористоводородной кислоты возрастает чрезмерно, при некоторых температурах возможно выпадение в виде геля или в твердой форме прозрачных гидратированных фторсиликатов, таких как H2SiF6·2H2O и H2SiF6·4H2O, и такой насыщенный водный раствор кремнефтористоводородной кислоты в качестве исходного материала для реакции изотопного обмена использоваться не может. Более конкретно, предпочтительная концентрация Si составляет от 0,2 до 13,1 масс.% и более предпочтительно - от 12,0 до 13,1 масс.% при средней молекулярной массе Si с природным изотопным отношением, равной 28,086 г/моль. Однако когда смешиваются другие компоненты, которые не препятствуют процессу изотопного обогащения, исключая HF, SiF4, Н2О и соединения, состоящие из смеси этих компонентов, предпочтительная концентрация Si снижается только при таком смешивании.
Насыщенный водный раствор кремнефтористоводородной кислоты часто содержит свободную фтористоводородную кислоту. Однако до тех пор, пока насыщенный водный раствор кремнефтористоводородной кислоты может находиться в стабильном состоянии без использования свободной фтористоводородной кислоты, свободная фтористоводородная кислота существовать не может.
Температура насыщенного водного раствора кремнефтористоводородной кислоты, поступающего в колонну обменной реакции 1 из абсорбера, предпочтительно аналогична температуре содержащего тетрафторид кремния газа, поступающего в колонну обменной реакции 1 из газогенератора. Тем самым может быть снижен или ликвидирован температурный градиент в колонне обменной реакции, а газожидкостная композиция сможет устойчиво поддерживаться постоянной. В результате может быть обеспечено устойчивое протекание реакции изотопного обмена.
Рабочая температура при реакции изотопного обмена с использованием насыщенного водного раствора кремнефтористоводородной кислоты специальным образом не ограничивается и при необходимости может быть установлена наиболее подходящая. Однако, предпочтительно, концентрацию насыщенной кремнефтористоводородной кислоты в значительной степени поддерживать высокой при возможно более низкой температуре, но не ниже температуры кристаллизации насыщенной кремнефтористоводородной кислоты. Предпочтительно, чтобы рабочая температура была, как правило, от около 0°С до около 50°С. С учетом поддержания оптимальных температурных режимов установки обогащения, более предпочтительная рабочая температура составляет от 10 до 30°С. Предпочтительно более высокое рабочее давление, так как оно может увеличить концентрацию насыщенной кремнефтористоводородной кислоты. Рабочее давление может, как правило, быть от атмосферного до давления около 0,2 МПа. Однако, поскольку водный раствор кремнефтористоводородной кислоты обладает коррозийными свойствами по отношению к основным производственным материалам, таким как металл и стекло, ряд установок, включающих и колонну реакции изотопного обмена, требует использования облицовки или покрытия, или другой подобной защитной обработки, например коррозионностойкой смолой. Поэтому рабочая температура и рабочее давление могут быть ограничены в соответствии со свойствами используемого в установке материала.
При поступлении тетрафторида кремния и насыщенного водного раствора кремнефтористоводородной кислоты в колонну обменной реакции 1 между восходящим по колонне обменной реакции 1 тетрафторидом кремния и нисходящим по колонне обменной реакции 1 насыщенным водным раствором кремнефтористоводородной кислоты происходит реакция изотопного обмена. При этом более легкий изотоп Si переходит из газа в жидкость, а более тяжелый изотоп Si переходит из жидкости в газ, осуществляя тем самым изотопное обогащение. В результате с верха колонны обменной реакции 1 отбирается тетрафторид кремния, обогащенный более тяжелым изотопом Si. Из нижней части колонны обменной реакции 1 отводится насыщенный водный раствор кремнефтористоводородной кислоты, обогащенный более легким изотопом Si.
Насыщенный водный раствор кремнефтористоводородной кислоты, обогащенный более легким изотопом Si, выводится из куба колонны обменной реакции 1 и через второй жидкостной канал 3 направляется к газогенератору 4. В газогенераторе 4 водный раствор кремнефтористоводородной кислоты дегидратируется и разлагается осушителем, таким как концентрированная серная кислота, для получения тетрафторида кремния, обогащенного более легким изотопом Si. В качестве продукта обогащенный тетрафторид кремния частично выгружается через второй газовый канал 6. Остаток снова возвращается в куб колонны обменной реакции 1 через первый газовый канал 5. Поступающий в куб колонны обменной реакции тетрафторид кремния поднимается вверх по колонне обменной реакции 1. Отработанный осушитель также выгружается из газогенератора 4. После регенерации путем отделения воды и фтористого водорода отработанный осушитель может быть рециклирован и повторно использован в процессе. Примеры способов регенерации включают дистилляцию.
Выбор используемого при получении газа осушителя каким-либо специальным образом не ограничивается, за исключением того, что имеющий температуру кипения выше температуры кипения воды и обладающий дегидратирующим действием осушитель должен удовлетворять тому условию, что осушитель не реагирует с тетрафторидом кремния и не выделяет побочных продуктов, препятствующих процессу изотопного обогащения. Его конкретные примеры включают серную кислоту, фосфорную кислоту, хлорную кислоту, трифторметансульфоновую кислоту, олеум, фосфорный ангидрид и т.п. При использовании в качестве осушителя серной кислоты ее предпочтительная концентрация составляет 80-98 масс.% и более предпочтительно 95-98 масс.%. С другой стороны, тетрафторид кремния, обогащенный более тяжелым изотопом Si, выводится из верха колонны обменной реакции 1. В качестве продукта обогащенный тетрафторид кремния частично выгружается через четвертый газовый канал 9. Остаток через третий газовый канал 7 направляют в абсорбер 8.
Примером абсорбера 8 может служить, например, поглотительная колонна. Содержащая фтористоводородную кислоту жидкость направляется в поглотитель 8. Состав и количество содержащей фтористоводородную кислоту жидкости эквивалентны той жидкости, что используется для поглощения тетрафторида кремния, направляемого в поглотитель 8, и для образования насыщенного водного раствора кремнефтористоводородной кислоты, направляемой в колонну обменной реакции 1. Полученный в абсорбере 8 насыщенный водный раствор кремнефтористоводородной кислоты обогащен более тяжелым изотопом Si и этот насыщенный водный раствор кремнефтористоводородной кислоты через первый жидкостной канал 2 направляется в колонну обменной реакции 1.
Например, показанная на фиг.2 установка может использоваться для процесса изотопного обогащения при использовании водного раствора, содержащего, по меньшей мере, два компонента и имеющего азеотропный состав (именуемый в дальнейшем водным азеотропным раствором кремнефтористоводородной кислоты). В обогатительной установке в качестве колонны обменной реакции может использоваться дистилляционная колонна 10. Эта дистилляционная колонна 10 оборудована ребойлером 12 в кубе колонны и конденсатором 11 наверху.
При проведении изотопного обогащения с использованием водного азеотропного раствора кремнефтористоводородной кислоты предпочтительно, чтобы поступающий в колонну реакции изотопного обмена исходный материал имел азеотропный состав. Когда в качестве исходного материала подаются тетрафторид кремния или водный раствор кремнефтористоводородной кислоты, не обладающий азеотропным составом, азеотропная композиция в колонне реакции изотопного обмена может распасться. В результате может не обеспечиваться устойчивость процесса изотопного обогащения. Например, известно, что кремнефтористоводородная кислота с концентрацией 36 масс.%, содержащая 10 масс.% фтористоводородной кислоты, кремнефтористоводородная кислота в концентрации 41 масс.% или кремнефтористоводородная кислота в концентрации 13,3 масс.% представляют собой азеотропную смесь.
Рабочее давление при реакции изотопного обмена с использованием водного азеотропного раствора кремнефтористоводородной кислоты специальным образом не ограничивается и при необходимости может быть установлено наиболее подходящее. Рабочее давление может, как правило, быть от атмосферного до давления около 0,2 МПа. Однако рабочее давление может быть ограничено материалом установки, таким как коррозионностойкая смола. Предпочтительно рабочая температура соответствует точке кипения водного азеотропного раствора кремнефтористоводородной кислоты при рабочем давлении. Например, известно, что точка кипения кремнефтористоводородной кислоты концентрации 36 масс.%, содержащей 10 масс.% фтористоводородной кислоты, при 759,7 мм рт.ст. равна 116,1°С.
Водный азеотропный раствор кремнефтористоводородной кислоты при нахождении азеотропной композиции в ребойлере 12 частично испаряется. Пар поднимается по дистилляционной колонне 10. Происходит реакция изотопного обмена между опускающимся вниз по дистилляционной колонне 10 водным азеотропным раствором кремнефтористоводородной кислоты и паром. При этом более легкий изотоп Si переходит из газа в жидкость, а более тяжелый изотоп Si переходит из жидкости в газ, осуществляя процесс изотопного обогащения. Поэтому из куба дистилляционной колонны 10 выгружается водный азеотропный раствор кремнефтористоводородной кислоты, обогащенный более легким изотопом Si. Пары водного азеотропного раствора кремнефтористоводородной кислоты, обогащенного более тяжелым изотопом Si, отбираются с верха дистилляционной колонны 10. Отобранный с верха дистилляционной колонны 10 пар конденсируется в конденсаторе и вновь возвращается на верх дистилляционной колонны. Водный азеотропный раствор кремнефтористоводородной кислоты, обогащенный более легким изотопом Si, выводится из системы через второй жидкостной канал 3'. Водный азеотропный раствор кремнефтористоводородной кислоты, обогащенный более тяжелым изотопом Si, выводится из системы через третий жидкостной канал 14.
Любой из способов изотопного обогащения требует значительного времени от начала процесса до достижения заданной степени обогащения. При этом процесс осуществляется при полном возврате флегмы с прекращением подвода исходных материалов после начала обменной реакции. Как только подтверждается, что изотопное отношение на верху и в кубе колонны обменной реакции достигает заданной величины обогащения, становятся необходимыми подвод определенного количества исходных материалов и отвод продуктов.
Как упоминалось выше, с помощью способа изотопного обогащения согласно настоящему изобретению возможно получение изотопно-обогащенного Si в широких масштабах. Так как способ изотопного обогащения настоящего изобретения осуществляется в среде водного раствора, взрывобезопасного оборудования, необходимого при использовании органического растворителя, не требуется. В результате может быть снижена стоимость оборудования и обеспечена более высокая безопасность процесса. Форма, в которой получается Si по способу изотопного обогащения настоящего изобретения, - тетрафторид кремния и водный раствор кремнефтористоводородной кислоты. Упомянутый тетрафторид кремния получается дегидратацией и разложением водного раствора кремнефтористоводородной кислоты или превращением водного раствора кремнефтористоводородной кислоты в неорганическую соль и термическим разложением этой неорганической соли. Кроме того, полученный изотопно-обогащенный тетрафторид кремния может отводиться в виде Si восстановлением водородом или способом Siemens в результате реакции изотопно-обогащенного тетрафторида кремния с HCl и превращения его в трихлорсилан. При получении монокристалла из высокообогащенного Si такой монокристалл имеет теплопроводность, превосходящую теплопроводность монокристалла, получаемого из Si с природным изотопным отношением. Это может способствовать созданию более высоко интегрированных электронных схем и других кремниевых полупроводниковых приборов.
Примеры
Далее будут подробно и наглядно описаны предпочтительные примеры данного изобретения. Однако материалы, количества смесей и другие представленные в примерах характеристики не являются ограничивающими настоящее изобретение, за исключением каких-либо ограничивающих характеристик, включенных специально. Таким образом, они являются простыми поясняющими примерами.
Пример 1
В этом примере изотоп Si выделялся и обогащался с помощью установки изотопного обогащения, показанной на фиг.3. В этом случае использовались две последовательно установленных колонны обменной реакции (первая колонна обменной реакции 22 и вторая колонна обменной реакции 22'), каждая из колонн обменной реакции имела внутренний диаметр 16 мм и высоту 3000 мм и была изготовлена из фторполимера. Каждая из колонн обменной реакции была снабжена изготовленными из фторполимера кольцами Рашига с наружным диаметром 6 мм так, чтобы высота насадки составляла 2500 мм. Колонна, использовавшаяся в качестве абсорбера 34, колонна газообразования 27 и очистная колонна 31 имели внутренний диаметр 25 мм и были изготовлены из фторполимера. Они были снабжены такими же кольцами Рашига, как и использовавшиеся в колоннах обменной реакции, так, чтобы высота их насадки составляла соответственно 600, 400 и 800 мм.
Вначале в абсорбер загружалось 34998,8 г фтористоводородной кислоты концентрацией 18,9 масс.%. В то время, как фтористоводородная кислота циркулировала и охлаждалась в охладителе 36, подавался используемый в качестве исходного материала высокочистый тетрафторид кремния 21, состоящий из Si с природным изотопным отношением. В абсорбере 34 фтористоводородная кислота поглощала тетрафторид кремния до достижения тетрафторидом кремния концентрации насыщения. Выходящий из верхнего уровня абсорбера 34 поток временно подсоединялся к содержащей около 100 г чистой воды емкости. По осаждению в емкости диоксида кремния вследствие гидролиза тетрафторида кремния подтверждалось достижение тетрафторидом кремния концентрации насыщения. Внутри абсорбера 34 осаждения диоксида кремния не наблюдалось. Температура в нижней части абсорбера 34 составляла около 25°С. Из нижней части абсорбера 34 была отобрана проба объемом около 50 мл полученного водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния. Результат анализа композиции части пробы щелочным титрованием показал, что полученный водный раствор является водным раствором кремнефтористоводородной кислоты, содержащим кремнефтористоводородную кислоту с высоким содержанием кремния (H2Si2F6·SiF4) концентрации 52,47 масс.% и свободную фтористоводородную кислоту концентрации 2,15 масс.%. Вычисленное количество поглощенного кремнефтористоводородной кислотой тетрафторида кремния в этой композиции составило 785,2 г, а общее рассчитанное количество полученного водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния равнялось 1784,0 г. Плотность полученного водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния была 1,70 г/мл. Часть отобранного образца использовалась при измерении изотопного отношения в качестве образца с природным изотопным отношением.
Затем в очистную колонну 31 загружалось 540,9 г концентрированной 98 масс.% серной кислоты и с помощью насоса запускался процесс циркуляции. Для выполнения процесса изотопного обогащения около 300 мл полученного в ходе процесса водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния закачивались насосом в первую колонну обменной реакции 22 и вторую колонну обменной реакции 22' соответственно через первый жидкостной канал 23 и второй жидкостной канал 26. При помощи насоса при объемной скорости потока 8,4 мл/мин (14,3 г/мин) был начат подвод водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния от абсорбера 34 к первой колонне обменной реакции 22 через первый жидкостной канал 23, от первой колонны обменной реакции 22 ко второй колонне обменной реакции 22' через второй жидкостной канал 26 и от второй колонны обменной реакции 22' к колонне газообразования 27 через третий жидкостной канал 26'. Одновременно при объемной скорости потока 15,7 мл/мин (28,8 г/мин) из внешнего источника был начат подвод концентрированной 98 масс.% серной кислоты к очистной колонне 31 и от очистной колонны 31 к колонне газообразования 27. Дегидратацией и разложением кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния в колонне газообразования 27 была начата выработка тетрафторида кремния. Скорость образования тетрафторида кремния в колонне газообразования 27 составляла 6,3 г/мин. Полученный тетрафторид кремния через четвертый газовый канал 29 направлялся в очистную колонну 31. В очистной колонне 31 с помощью концентрированной серной кислоты удалялись сопутствующие тетрафториду кремния фтористый водород и влага. Весь очищенный в очистной колонне 31 тетрафторид кремния через третий газовый канал 24' был возвращен в куб второй колонны обменной реакции 22'. На данном этапе скорость прохождения газа по первой колонне обменной реакции 22 и второй колонне обменной реакции 22' составляла 0,12 м/сек. Также из колонны газообразования 27 отводилась отработанная серная кислота 30.
С другой стороны, одновременно с выработкой газа был начат подвод к абсорберу 34 фтористоводородной кислоты 35 концентрацией 18,9 масс.% при объемной скорости потока 7,5 мл/мин. (8,0 г/мин.). Отобранный с верха первой колонны обменной реакции 22 тетрафторид кремния через первый газовый канал 24 направлялся в абсорбер 34. Этот тетрафторид кремния поглощался фтористоводородной кислотой с концентрацией 18,9 масс.%, образуя тем самым водный раствор кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния, имеющий вышеприведенную композицию. Готовый водный раствор кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния через первый жидкостной канал 23 направлялся на верх первой колонны обменной реакции 22.
Реакция изотопного обмена осуществлялась при атмосферном давлении, а температура внутри колонны обменной реакции составляла от 26 до 28°С. После проведения реакции изотопного обмена в течение 12 часов при полном возврате флегмы отбирались пробы объемом около 20 мл водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния, поступавшего из нижней части абсорбера 34 в первую колонну обменной реакции 22, и водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния, поступавшего в колонну газообразования 27 из куба второй колонны обменной реакции 22', соответственно. Затем 7,2 г гидроксида калия и 7,4 г фторида калия были растворены в пластиковом лабораторном стакане в чистой воде объемом около 200 мл, а затем достаточным образом охлаждены на водяной бане со льдом. К нему добавлялись 30 г образца водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния и весь Si из кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния превращался в гексафторсиликат калия (K2SiF6). Кристаллы полученного гексафторсиликата калия отфильтровывались на изготовленном из фторполимера мембранном фильтре с размером пор 0,45 мкм. Затем кристаллы высушивались и использовались в качестве образца для определения изотопного отношения. Относительное содержание изотопов кремния в каждом из исследуемых образцов определялось с помощью масс-спектрометра с двойной фокусировкой. Результаты представлены в Таблице 1.
Данные Таблицы 1 показали, что вследствие протекания реакции изотопного обмена между водным раствором кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния и тетрафторидом кремния образец, полученный из нижней части второй колонны обменной реакции 22', был обогащен более легким изотопом Si, а обогащенным более тяжелым изотопом Si оказался образец, полученный с верха первой колонны обменной реакции 22.
Пример 2
В этом примере проводился эксперимент, аналогичный эксперименту примера 1, однако в показанной на фиг.3 установке изотопного обогащения вместо первой колонны обменной реакции 22 и второй колонны обменной реакции 22' использовались изготовленные из фторполимера последовательно установленные колонны обменной реакции с первой (41) по восьмую (48) (см. фиг.4). Внутренний диаметр каждой из колонн обменной реакции был 25 мм, а их высота была установлена равной 3000 мм. Изготовленные из фторполимера кольца Рашига с наружным диаметром 6 мм использовались так, чтобы высота набранной из них насадки в каждой из колонн обменной реакции составляла 2500 мм. Таким образом, общая высота насадки составляла 20 метров.
В качестве исходного материала использовался водный раствор кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния, содержащий свободную фтористоводородную кислоту в концентрации 2,75 масс.%, и кремнефтористоводородную кислоту с высоким содержанием кремния (H2SiF6·SiF4) с концентрацией 54,65 масс.%. Этот водный раствор кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния загружали так, чтобы его уровень в кубах с первой (41) по седьмую (47) колонны обменной реакции оказался приблизительно одинаковым.
Затем с помощью насосов (не показаны), установленных у основания колонн, соответственно, с первой колонны обменной реакции 41 по седьмую колонну обменной реакции 47, при объемной скорости потока 4,3 мл/мин (7,0 г/мин) был начат последовательный, от предыдущей к последующей колонне, подвод водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния со второй колонны обменной реакции 42 по восьмую колонну обменной реакции 48. Водный раствор кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния, отобранный из куба восьмой колонны обменной реакции 48, подавался в колонну газообразования 27. Отдельно при объемной скорости потока 7,2 мл/мин (13,2 г/мин) в колонну газообразования 27 подводилась серная кислота концентрацией 98 масс.%. Тем самым водный раствор кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния дегидратировался и разлагался с образованием тетрафторида кремния со скоростью 3,2 г/мин. Полученный тетрафторид кремния пропускался через очистную колонну 31 с циркулирующей концентрированной серной кислотой для удаления сопутствующей фтористоводородной кислоты. Затем тетрафторид кремния направлялся в восьмую колонну обменной реакции 48. Скорость протекания газа в восьмой колонне обменной реакции 48 была при этом 25 мм/сек.
После того, как поступивший в восьмую колонну обменной реакции 48 тетрафторид кремния последовательно проходил по всем предыдущим колоннам обменной реакции, начиная от седьмой колонны обменной реакции 47, в конце тетрафторид кремния из верха первой колонны обменной реакции 41 поступал в абсорбер 34. Газопоглотительная колонна 34 снабжалась фтористоводородной кислотой концентрации 21,3 масс.% со скоростью 3,5 мл/мин (3,8 г/мин). Фтористоводородная кислота поглощала тетрафторид кремния для получения насыщенного водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния. Насыщенный водный раствор кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния с помощью насоса подавался из нижней части на первую колонну обменной реакции 41. В абсорбере 34 насыщенный водный раствор кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния охлаждался при 20°С и направлялся в первую колонну обменной реакции 41. Рабочее давление было установлено равным атмосферному давлению.
После проведения реакции изотопного обмена в течение 12 часов при полном возврате флегмы отбирались пробы водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния, поступавшего из нижней части абсорбера 34 в первую колонну обменной реакции 41, и водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния, поступавшего в колонну газообразования 27 из куба восьмой колонны обменной реакции 48, соответственно. Эти водные растворы были приведены в реакцию со смесью фторида калия и гидроксида калия для получения гексафторида калия, используемого для определения изотопного отношения. Относительное содержание изотопов кремния в образце определялось с помощью термоионизационного масс-спектрометра (TIMS). Результаты представлены в Таблице 1.
Отклонение величины изотопного отношения от природного изотопного отношения
Следующая Таблица 1 показывает, что способность к разделению изотопов улучшается в основном за счет увеличения длины колонны обменной реакции, то есть посредством увеличения числа ступеней разделения. Однако в примере 2 объемная скорость потока газообразного тетрафторида кремния снижена по сравнению с этим показателем из примера 1. Таким образом, так как время процесса одно и то же, а объем газожидкостной циркуляции невелик, отношение степеней изотопного обогащения непропорционально отношению длин колонн.
Пример 3
Посредством газожидкостного контакта насыщенного водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния был исследован рабочий диапазон композиции в процессе изотопного обогащения Si. Фтористоводородная кислота заранее определенной концентрации поглощала газообразный тетрафторид кремния до достижения состояния насыщения по концентрации газообразного тетрафторида кремния и композиция насыщенного водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния подвергалась анализу. Концентрация фтористоводородной кислоты устанавливалась равной 10, 15, 20, 25, 30, 35 и 40 масс.%. В то время как фторполимерная емкость, наполненная 15,0 г фтористоводородной кислоты каждой из концентраций, охлаждалась снаружи водой со льдом, тетрафторид кремния поглощался при давлении 0,05 МПа в закрытой системе. После начала поглощения происходило определяемое теплотой абсорбции тепловыделение и температура абсорбирующей жидкости повышалась. Однако когда концентрация тетрафторида кремния достигала концентрации насыщения, температура абсорбирующей жидкости посредством внешнего охлаждения снижалась. Когда температура водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния стала в этом примере равной 1,5°С, процесс был завершен, поскольку концентрация тетрафторида кремния достигла достаточной степени насыщения. Таким образом, например, когда фтористоводородная кислота концентрации 30 масс.% поглощала тетрафторид кремния до насыщенной концентрации тетрафторида кремния, относящейся к композиции водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния при 1,5°С, концентрация кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния была 56,91 масс.%, а концентрация свободной фтористоводородной кислоты была 6,59 масс.%.
Когда концентрация фтористоводородной кислоты, используемой в процессе в качестве абсорбирующего вещества, была 20, 25 или 30 масс.%, никаких кристаллов не осаждалось и получался жидкий водный раствор кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния. С другой стороны, когда концентрация фтористоводородной кислоты составляла 10 или 15 масс.%, тетрафторид кремния гидролизовался и выпадал белый твердый осадок диоксида кремния. При концентрации фтористоводородной кислоты 35 или 40 масс.% осаждались бесцветные и прозрачные кристаллы предположительного состава H2SiF6·4H2O, и абсорбирующая жидкость превращалась в суспензию.
Фиг.5 показывает зависимость согласно этому примеру между концентрациями кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния и свободной фтористоводородной кислоты, и числом молекул гидратной воды m, рассчитываемым как H2SiF6·mH2O по отношению к Si в насыщенной кремнефтористоводородной кислоте с высоким содержанием кремния в водном растворе кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния.
Пример 4
В этом примере композиция насыщенного водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния исследовалась тем же способом, что и в примере 3, за исключением того, что температура используемого в примере 3 водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния была изменена с 1,5 на 10°С. В результате когда, например, фтористоводородная кислота концентрации 30 масс.% поглощала тетрафторид кремния до концентрации насыщения по отношению к концентрации водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния, концентрация кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния составляла 55,40 масс.%, а концентрация свободной фтористоводородной кислоты составляла 6,98 масс.%. Результаты представлены на фиг.5.
Пример 5
В этом примере композиция насыщенного водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния исследовалась тем же способом, что и в примере 3, за исключением того, что температура используемого в примере 3 водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния была изменена с 1,5 на 20°С. В результате когда, например, фтористоводородная кислота концентрации 30 масс.% поглощала тетрафторид кремния до концентрации насыщения по отношению к концентрации водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния, концентрация кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния составляла 54,17 масс.%, а концентрация свободной фтористоводородной кислоты составляла 7,32 масс.%. Результаты представлены на фиг.5.
Композиция водного насыщенного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния
В области, отмеченной на фиг.5 наклонной штриховкой, то есть когда показатель степени гидратации фторсиликата был меньше или равен 4, осаждался кристаллический H2SiF6·4Н2О. По этой причине внутренняя часть колонны или трубопровода может оказаться закупоренной кристаллами, осадившимися при газожидкостном контакте водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния и газообразного тетрафторида кремния в насадочной колонне или иных подобных точках, что осложняет продолжение процесса.
С другой стороны, когда концентрация свободной фтористоводородной кислоты становится 0 масс.% или меньше, тетрафторид кремния гидролизуется и выпадает твердый осадок диоксида кремния. Поэтому область с концентрацией свободной фтористоводородной кислоты, равной или меньше 0 масс.%, также не подходит для реакции изотопного обмена настоящего изобретения. Кроме того, высокая рабочая температура снижает количество тетрафторида кремния, способного поглощаться фтористоводородной кислотой. Это снижает концентрацию кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния в насыщенном водном растворе кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния, тем самым увеличивая концентрацию свободной фтористоводородной кислоты. Поэтому предпочтительно, чтобы диапазон композиции водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния при осуществлении процесса изотопного обогащения Si настоящего изобретения являлся диапазоном, в котором концентрация свободной фтористоводородной кислоты превышала 0 масс.%, а количество гидратной воды, представляемое в виде показателя степени гидратации фторсиликата, имело значение выше 4.
Пример 6
В качестве абсорбирующего вещества использовалась фтористоводородная кислота концентрации 20 масс.%, при этом фтористоводородная кислота поглощала тетрафторид кремния до концентрации насыщения при 1,5°С с целью получения насыщенного водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния. Затем этот насыщенный водный раствор кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния нагревался в замкнутой, нагреваемой снаружи теплой водой системе, и его температура устанавливалась равной 20°С. В этих условиях из насыщенного водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния раздельно отбирались пробы пара и жидкости. Полученный образец добавлялся к водному раствору фторида калия, и тетрафторид кремния и кремнефтористоводородная кислота образца превращались в гексафторсиликат калия.
Полученный гексафторсиликат калия отфильтровывался, а избыток фторида калия удалялся промывкой достаточными количествами чистой воды. Затем гексафторсиликат калия в течение ночи высушивался при 120°С. Высушенный гексафторсиликат калия использовался в качестве образца для определения коэффициента разделения при 20°С. Относительное содержание изотопов Si в образце анализировалось с помощью термоионизационного масс-спектрометра (TIMS). По результатам анализа в системах вычислялись коэффициенты разделения α. Данные по композиции насыщенного водного раствора кремнефтористоводородной кислоты с высоким содержанием кремния при 1,5°С представлены в Таблице 2.
Пример 7
В данном примере гексафторсиликат калия был получен тем же способом, что и в примере 6, за исключением того, что концентрация фтористоводородной кислоты была изменена на 25 масс.%. Кроме того, коэффициент разделения28Si α вычислялся так же, как в примере 6, посредством использования этого гексафторсиликата калия в качестве образца. Результаты представлены в Таблице 2.
Пример 8
В данном примере гексафторсиликат калия был получен тем же способом, что и в примере 6, за исключением того, что концентрация фтористоводородной кислоты была изменена на 30 масс.%. Кроме того, коэффициент разделения28Si α вычислялся так же, как в примере 6, посредством использования этого гексафторсиликата калия в качестве образца. Результаты представлены в Таблице 2.
Пример 9
15,0 г диоксида кремния были приведены в реакцию с 85,0 г фтористоводородной кислоты концентрации 47,1 масс.% для синтезирования кремнефтористоводородной кислоты концентрации 36 масс.% (азеотропная композиция), содержащей 10 масс.% свободной фтористоводородной кислоты. Затем емкость из фторполимера, в которую загрузили 60,0 г кремнефтористоводородной кислоты, имеющей азеотропную композицию, нагревалась снаружи горячим маслом (130°С), чтобы подвергнуть кремнефтористоводородную кислоту простой перегонке. Выделяющийся пар пропускался через фторполимерный, охлаждаемый водой конденсатор для его конденсации и сбора. Точка кипения кремнефтористоводородной кислоты в ходе дистилляции была почти постоянной на уровне около 116,3°С. Композиции дистиллята и остатка после дистилляции анализировались щелочным титрованием, чтобы подтвердить, что композиция не была изменена по сравнению с исходным материалом до дистилляции.
Затем из дистиллята и остатка были отобраны образцы и добавлены к водному раствору фторида калия для получения гекасафторсиликата калия. Помимо этого, гексафторсиликат калия отфильтровывался, а избыток фторида калия удалялся промывкой достаточными количествами чистой воды. Затем гексафторсиликат калия в течение ночи высушивался при 120°С. Высушенный гексафторсиликат калия использовался в качестве образца для определения коэффициента разделения при 20°С. Относительное содержание изотопов Si в образце анализировалось с помощью термоионизационного масс-спектрометра (TIMS). По результатам анализа в системах вычислялись коэффициенты разделения28Si α. Результаты, полученные для использовавшейся в эксперименте композиции кремнефтористоводородной кислоты, представлены в Таблице 3.
Реферат
Настоящее изобретение относится к способу изотопного обогащения кремния, используемого в области полупроводниковых материалов, оптике и других подобных отраслях. Способ изотопного обогащения содержит стадию осуществления изотопного обмена между водным раствором, содержащим, по меньшей мере, два компонента, каждый из которых представлен формулой H2O-H2SiF6·nSiF4 (где n≥0) и газом, содержащим SiF4, для обогащения стабильного изотопа Si. С помощью предложенного способа возможно получение изотопно-обогащенного кремния в широких масштабах, при осуществлении способа не требуется взрывоопасного оборудования, может быть снижена стоимость оборудования, а также обеспечена более высокая безопасность процесса. 2 з.п. ф-лы, 3 табл., 5 ил.
