(57)【要約】【課題】不純物として鉄、ニッケル、カリウム、カルシウム、ケイ素などの金属元素を含有するガリウムを精製して、これらの不純物の含有量が非常に少ないガリウムを得ることができる、簡単且つ安価なガリウムの精製方法を提供する。【解決手段】不純物として鉄、ニッケル、カリウム、カルシウムおよびケイ素からなる群から選ばれる少なくとも一種の金属を含有するガリウム１６と水１８とを容器１０に入れ、この容器１０内の温度を調整して、ガリウム１６を溶融させる温度に維持するとともに、ガリウム１６と水１８との界面の温度をガリウム１６が凝固する温度に維持することによって、ガリウム１６と水１８との界面に析出物を析出させた後、容器１０から水１８と析出物を除去する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物として鉄、ニッケル、カリウム、カルシウムおよびケイ素からなる群から選ばれる少なくとも一種の金属を含有するガリウムと水とを容器に入れ、前記ガリウムを溶融させる温度に維持するとともに、前記ガリウムと水との界面の少なくとも一部を前記ガリウムが凝固する温度に維持することによって、前記界面の少なくとも一部に析出物を析出させた後、水および前記析出物を分離することを特徴とする、ガリウムの精製方法。
【請求項２】
前記容器内のガリウムを攪拌することを特徴とする、請求項１に記載のガリウムの精製方法。
【請求項３】
前記ガリウムを溶融させる温度が、ガリウムの融点以上且つ３１℃以下の温度であることを特徴とする、請求項１または２に記載のガリウムの精製方法。
【請求項４】
前記ガリウムが凝固する温度が、２９℃以上且つガリウムの融点未満の温度であることを特徴とする、請求項３に記載のガリウムの精製方法。
【請求項５】
純度が９９．９９９９％以上であり、不純物としての鉄、カリウム、カルシウムおよびケイ素の含有量がそれぞれ０．０５ｐｐｍ以下であり、ニッケルの含有量が０．１ｐｐｍ以下であることを特徴とする、ガリウム金属。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガリウムの精製方法に関し、特に、不純物として鉄、ニッケル、カリウム、カルシウム、ケイ素などの金属元素を含有するガリウムの精製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガリウム（Ｇａ）は、ＧａＡｓやＧａＰなどの化合物半導体の原料として使用されている金属元素であり、このような化合物半導体の原料として使用するためには、Ｇａの純度を９９．９９９９％（６Ｎ）以上にする必要がある。Ｇａは、単独の鉱石としては存在しないため、亜鉛製錬やアルミニウム製錬などの副産物として回収したり、Ｇａを含有するスクラップを処理して回収している。
【０００３】
このようにして回収したＧａを精製して純度を高める方法として、Ｇａを酸洗浄した後、金属酸化物の成型体または粉末と接触させながら加熱溶融し、その後、金属酸化物の成型体または粉末を分離することにより、高純度のＧａを得る方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、Ｇａ金属にｐＨ１〜３の鉱酸またはその混合液を加えて攪拌して不純物を除去することにより、高純度のＧａを得る方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。さらに、電解採取により高純度金属を得る方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２６９５６９号公報（段落番号００１６）
【特許文献２】特開昭６３−１８３１３８号公報（第２頁）
【特許文献３】特開２００２−２８５３７１号公報（段落番号０００５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、Ｇａが不純物として鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）、ケイ素（Ｓｉ）などの金属元素を含有する場合には、特許文献１および特許文献２に提案されたような酸洗浄による方法では、上記のようなＧａに難溶性の金属を除去することが困難である。また、特許文献３に提案されたような電解精製による方法では、６Ｎ以上の高純度のＧａを得ることが困難であり、特にＧａが不純物としてＦｅやＮｉを含有する場合には、６Ｎ以上の高純度のＧａを得ることが困難である。さらに、結晶精製法によってＧａを精製する場合には、精製前のＧａが６Ｎ以上の高純度のＧａでなければならず、特に、Ｇａ金属に難溶なＦｅ、Ｎｉ、Ｋ、Ｃａ、ＳｉなどをＧａの凝固精製法によって除去するのは困難である。
【０００６】
また、Ｇａは、電子デバイスや発光素子などの半導体材料として使用されているので、不純物の含有量が非常に少ない６Ｎ以上の高純度のＧａを得ることが必要になる。
【０００７】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、不純物として鉄、ニッケル、カリウム、カルシウム、ケイ素などの金属元素を含有するガリウムを精製して、これらの不純物の含有量が非常に少ないガリウムを得ることができる、簡単且つ安価なガリウムの精製方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、不純物として鉄、ニッケル、カリウム、カルシウムおよびケイ素からなる群から選ばれる少なくとも一種の金属を含有するガリウムと水とを容器に入れ、そのガリウムを溶融させる温度に維持するとともに、そのガリウムと水との界面をそのガリウムが凝固する温度に維持することによって、上記の不純物としての金属とガリウムの化合物または上記の不純物としての金属をガリウムと水との界面に析出させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明によるガリウムの精製方法は、不純物として鉄、ニッケル、カリウム、カルシウムおよびケイ素からなる群から選ばれる少なくとも一種の金属を含有するガリウムと水とを容器に入れ、そのガリウムを溶融させる温度に維持するとともに、そのガリウムと水との界面の少なくとも一部をそのガリウムが凝固する温度に維持することによって、そのガリウムと水との界面の少なくとも一部に析出物を析出させた後、水および析出物を分離することを特徴とする。このガリウムの精製方法において、容器内のガリウムを攪拌するのが好ましい。また、ガリウムを溶融させる温度が、ガリウムの融点以上且つ３１℃（３０４．１５Ｋ）以下の温度であるのが好ましく、ガリウムが凝固する温度が、２９℃（３０２．１５Ｋ）以上且つガリウムの融点未満の温度であるのが好ましい。また、本発明によるガリウム金属は、純度が９９．９９９９％以上であり、不純物としての鉄、カリウム、カルシウムおよびケイ素の含有量がそれぞれ０．０５ｐｐｍ以下であり、ニッケルの含有量が０．１ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、不純物として鉄、ニッケル、カリウム、カルシウム、ケイ素などの金属元素を含有するガリウムを精製して、これらの不純物の含有量が非常に少ないガリウムを得ることができる、簡単且つ安価なガリウムの精製方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明によるガリウムの精製方法の実施の形態では、図１に示すように、温水を流して内部の温度を調整する温水ジャケット１２を周囲に配置した容器１０を、攪拌用のスターラー１４の上に配置し、容器１０内にガリウム１６と純水１８を入れる。容器１０内に入れる純水１８の量は、水面の高さが溶融したガリウム１６の液面の上方１００ｍｍ以内の高さになる量であるのが好ましく、精製対象となるガリウム１６と純水１８の界面における反応を促進させるためには、水面の高さが溶融したガリウム１６の液面の上方５０ｍｍ以内の高さになる量であるのがさらに好ましい。なお、スターラー１４は必須ではないが、反応を早めるために使用するのが好ましい。このスターラー１４の回転数は、ガリウム１６の表面に凹凸が形成されると純水１８の層の厚さが均一でなくなって温度制御が困難になるので、ガリウム１６の表面に凹凸が形成されない程度の回転数であるのが好ましい。
【００１２】
容器１０内のガリウム１６を溶融させる温度（２９．８〜３１℃）に維持すると、ガリウム１６内のＦｅ、Ｎｉ、Ｋ、Ｃａ、Ｓｉなどの不純物が比重差により浮上する。このように容器１０内のガリウム１６の温度を２９．８〜３１℃に維持すると、容器１０内の純水１８の温度は２９〜３０℃になり（この温度は純水１８の層の厚さによって異なるので、この範囲の温度になるように純水１８の層の厚さを調整するのが好ましい）、ガリウム１６と純水１８の界面に温度が低い部分が生じ、この界面の温度はガリウム１６と純水１８の反応物が凝固する温度になる。そのため、浮上した不純物が、界面で凝固したガリウムに閉じ込められて、溶融したガリウム内に戻るのを抑制することができる。すなわち、溶融したガリウムから温度が低い界面の部分に不純物の金属またはその金属とガリウムの化合物を含むスポンジ状の析出物が生成される。その後、水を除去し、スポンジ状の析出物を除去することにより、不純物の金属を除去することができる。
【００１３】
本実施の形態のガリウムの精製方法では、容器内のガリウムを溶融させる温度に維持して、溶融したガリウム上に厚さ１００ｍｍ以下の水の層を作る。このように溶融したガリウム上の水の層を所定の厚さにすれば、水の揮発により水の温度が降下して、その熱が伝熱して、ガリウムと水の界面の温度がガリウムが析出する温度（２９℃〜３０℃）になる。また、水の層の厚さを５０ｍｍ以下にすると、界面における析出を促進することができる。なお、ガリウムと水の界面には、ガリウム金属の他に、スポンジ状のガリウムと水の化合物が析出し、この化合物に、浮上した不純物としての元素およびその元素の化合物が閉じ込められる。
【００１４】
なお、容器内に入れる水として、蒸留水やイオン交換水を使用してもよいが、高純度のガリウムを得るためには、他の不純物の混入を防止することができる純水を使用するのが好ましい。また、攪拌速度は、溶融したガリウムの表面が平坦状態を維持する速度以下であるのが好ましい。攪拌速度が速くなって中心部に凹みが生じると、水の層の厚さが変化するので、界面の温度制御が困難になる。
【実施例】
【００１５】
以下、本発明によるガリウムの精製方法の実施例について詳細に説明する。
【００１６】
まず、表１に示すようにＦｅ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｋ、Ｃａをそれぞれ０．２ｐｐｍ以上含有する４ＮのＧａ（処理前Ｇａ）を用意した。このＧａと純水を図１に示すような容器１０内に入れ、容器１０内のＧａの温度を２９．８〜３１℃に維持し、スターラー１４によってＧａを攪拌速度１５０ｒｐｍで攪拌して反応させた。この反応後、容器１０から純水を除去するとともに、スポンジ状の析出物を除去し、容器１０内のＧａを回収した。その後、回収したＧａの結晶精製を行ったところ、表１に示すように、この精製後のＧａ（処理後Ｇａ）中のＦｅ、Ｓｉ、Ｋ、Ｃａの含有量はいずれも０．０５ｐｐｍ以下であり、Ｎｉの含有量は０．１ｐｐｍまで減少していた。なお、スポンジ状の析出物中のＦｅ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｋ、Ｃａは表１に示すとおりである。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
比較例として、実施例と同様のＧａ（処理前Ｇａ）についてそのまま結晶精製を行ったところ、表２に示すように、この精製後のＧａ（処理後Ｇａ）中のＦｅ、Ｎｉ、Ｋ、Ｃａの含有量はいずれも０．１ｐｐｍ以上、Ｓｉの含有量は０．０８ｐｐｍであり、実施例と比較して非常に多く残存していた。
【００１９】
【表２】
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【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明によるガリウムの精製方法の実施の形態に使用する装置を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１０  容器
１２  温水ジャケット
１４  スターラー
１６  ガリウム
１８  純水
【図１】
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