সিলিকনের (Si) ধাতুবিদ্যা এবং শিল্প নিষ্কাশন

প্রাকৃতিক উপস্থিতি এবং প্রধান আকরিক

সিলিকন (Si) পৃথিবীর ভূত্বকের দ্বিতীয় সর্বাধিক প্রাচুর্যপূর্ণ উপাদান, যা ভরের প্রায় 27.7% গঠন করে। এটি প্রকৃতিতে কখনও মুক্ত, মৌলিক অবস্থায় পাওয়া যায় না। সিলিকন প্রধানত এর অক্সাইড হিসাবে বা জটিল সিলিকেট খনিজ হিসাবে ঘটে।

প্রাথমিক আকরিক

1. সিলিকন ডাইঅক্সাইড (সিলিকা): এটি শিল্প সিলিকন নিষ্কাশনের জন্য সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ উৎস।
   • কোয়ার্টজ ($\text\{SiO\}_2$): স্ফটিকাকার রূপ, অত্যন্ত প্রাচুর্যপূর্ণ।
   • বালি ($\text\{SiO\}_2$): অনিয়মিত বা মাইক্রোক্রিস্টালাইন রূপ, ব্যাপকভাবে বিতরণ করা হয়।
   • অন্যান্য রূপগুলির মধ্যে রয়েছে ফ্লিন্ট, অ্যাগেট, ওপাল এবং জ্যাস্পার।
2. সিলিকেটস: জটিল খনিজ যেখানে সিলিকন-অক্সিজেন টেট্রাহেড্রা ($\text\{SiO\}_4^\{4-\}$) বিভিন্ন কাঠামো গঠন করে। যদিও প্রচুর পরিমাণে বিদ্যমান, তবে বিজারণের জটিলতার কারণে এগুলি সাধারণত প্রাথমিক সিলিকন নিষ্কাশনের জন্য ব্যবহৃত হয় না।
   • ফেল্ডস্পারস (যেমন, $\text\{KAlSi\}_3\text\{O\}_8$ - অর্থোক্লেজ)
   • মাইকাস (যেমন, $\text\{KAl\}_2(\text\{AlSi\}_3)\text\{O\}_\{10\}(\text\{OH\})_2$ - মাসকোভাইট)
   • অ্যাসবেস্টস (যেমন, $\text\{Mg\}_3\text\{Si\}_2\text\{O\}_5(\text\{OH\})_4$ - ক্রাইসোটাইল)

শিল্প নিষ্কাশনের জন্য, উচ্চ-বিশুদ্ধ সিলিকা বালি তার প্রাচুর্য এবং তুলনামূলকভাবে সহজ গঠনের কারণে পছন্দের আকরিক।

আকরিকের ঘনীকরণ

প্রাথমিক আকরিক, সিলিকা বালি, সাধারণত বেশ বিশুদ্ধ হয়। ঘনীকরণ পদ্ধতিগুলি সিলিকনের রাসায়নিক উপাদান সমৃদ্ধ করার পরিবর্তে ভৌত অপদ্রব্য অপসারণের উপর মনোযোগ দেয়।

1. ধোলাই (মাধ্যাকর্ষণ পৃথকীকরণ):
   • নীতি: ঘনত্বের পার্থক্য ব্যবহার করা হয়। হালকা অপদ্রব্য ধুয়ে ফেলা হয়, যখন ভারী আকরিকের কণা তলানিতে পড়ে।
   • প্রক্রিয়া: সিলিকা বালি বড় ধোয়ার ট্যাঙ্ক বা স্লুইজে জলের সাথে নাড়াচাড়া করা হয়। হালকা মাটির কণা, জৈব পদার্থ এবং দ্রবণীয় লবণ জলে স্থগিত থাকে এবং ধুয়ে যায়, denser সিলিকা রেখে যায়।
2. চৌম্বকীয় পৃথকীকরণ:
   • নীতি: বালিতে উপস্থিত লৌহ অক্সাইড (যেমন, হেমাটাইট, ম্যাগনেটাইট) এর মতো চৌম্বকীয় অপদ্রব্য অপসারণ করতে ব্যবহৃত হয়।
   • প্রক্রিয়া: শুকনো বালি একটি শক্তিশালী চৌম্বকীয় রোলারের উপর দিয়ে প্রবাহিত করা হয়। চৌম্বকীয় অপদ্রব্য রোলারে আকৃষ্ট হয় এবং পৃথক করা হয়, যখন অচৌম্বকীয় সিলিকা অবাধে একটি পৃথক সংগ্রহকারীতে পড়ে।
3. অ্যাসিড লিচিং (উচ্চ বিশুদ্ধতার জন্য ঐচ্ছিক):
   • খুব উচ্চ বিশুদ্ধতার প্রয়োজন এমন অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য, বালিকে অবশিষ্ট ধাতব অক্সাইড অপদ্রব্য দ্রবীভূত করার জন্য লঘু অ্যাসিড (যেমন, $\text\{HCl\}$ বা $\text\{H\}_2\text\{SO\}_4$) দিয়ে চিকিত্সা করা যেতে পারে। এটি সাধারণত ডি-মিনারাইজড জল দিয়ে পুঙ্খানুপুঙ্খ ধোয়ার পরে করা হয়।

অশোধিত ধাতুতে বিজারণ

শিল্প সিলিকন প্রাথমিকভাবে একটি বৈদ্যুতিক আর্ক ফার্নেসে সিলিকার কার্বোথার্মিক বিজারণ দ্বারা উত্পাদিত হয়। এই পণ্যটি মেটালার্জিক্যাল-গ্রেড সিলিকন (MGS) নামে পরিচিত।

কার্বোথার্মিক বিজারণ

1. কাঁচামাল:
   • সিলিকা ($\text\{SiO\}_2$): উচ্চ-বিশুদ্ধ কোয়ার্টজ বা বালি।
   • বিজারক: কোক, কাঠকয়লা, কাঠের চিপস বা কয়লার আকারে কার্বন। এগুলি বিজারণের জন্য কার্বন এবং গ্যাস প্রবাহের জন্য ছিদ্র সরবরাহ করে।
2. প্রক্রিয়া:
   • সিলিকা এবং কার্বনের মিশ্রণ একটি বড়, ত্রি-ফেজ বৈদ্যুতিক আর্ক ফার্নেসে প্রবেশ করানো হয়।
   • চার্জে নিমজ্জিত কার্বন ইলেক্ট্রোডের মধ্যে বৈদ্যুতিক আর্ক দ্বারা তীব্র তাপ (1700°C এর বেশি তাপমাত্রা) উৎপন্ন হয়।
   • বিক্রিয়া: $\text\{SiO\}_2(\text\{s\}) + 2\text\{C\}(\text\{s\}) \xrightarrow\{>1700^\circ\text\{C\}\} \text\{Si\}(\text\{l\}) + 2\text\{CO\}(\text\{g\})$
   • গলিত সিলিকন ফার্নেসের নীচে জমা হয় এবং পর্যায়ক্রমে ট্যাপ করা হয়। কার্বন মনোক্সাইড গ্যাস নির্গত হয় এবং সংগ্রহ বা ফ্লের করা হয়।
3. পণ্য: মেটালার্জিক্যাল-গ্রেড সিলিকন (MGS) সাধারণত 98-99% বিশুদ্ধ হয়। প্রধান অপদ্রব্যগুলির মধ্যে রয়েছে লোহা, অ্যালুমিনিয়াম, ক্যালসিয়াম এবং কার্বন।

(চিত্রের বর্ণনা: একটি বড়, নলাকার চুল্লী কল্পনা করুন যার তিনটি উল্লম্ব কার্বন ইলেক্ট্রোড সিলিকা এবং কার্বনের বিছানায় প্রবেশ করেছে। ইলেক্ট্রোড এবং চার্জের মধ্যে একটি বৈদ্যুতিক আর্ক তৈরি হয়, যা প্রচুর তাপ উৎপন্ন করে। গলিত সিলিকন নীচে জমা হয় এবং গ্যাস উপর থেকে নির্গত হয়।)

পরিশোধন এবং বিশুদ্ধকরণ

মেটালার্জিক্যাল-গ্রেড সিলিকন (MGS) সেমিকন্ডাক্টর এবং ইলেকট্রনিক অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য যথেষ্ট বিশুদ্ধ নয়, যার জন্য অত্যন্ত উচ্চ বিশুদ্ধতার প্রয়োজন (প্রায়শই 99.9999% বা তার বেশি, যা ইলেকট্রনিক-গ্রেড সিলিকন, EGS নামে পরিচিত)। পরিশোধন প্রক্রিয়া একাধিক পর্যায় জড়িত।

1. উদ্বায়ী হ্যালাইডে রূপান্তর (যেমন, ট্রাইক্লোরোসিলেন প্রক্রিয়া)

এটি MGS থেকে পরবর্তী উচ্চ-বিশুদ্ধ পরিশোধন জন্য উপযুক্ত রূপে প্রাথমিক বিশুদ্ধকরণের সবচেয়ে সাধারণ পদ্ধতি।

1. প্রক্রিয়া: MGS প্রায় 300-350°C তাপমাত্রায় একটি ফ্লুইডাইজড বেড রিঅ্যাক্টরে অ্যানহাইড্রাস হাইড্রোজেন ক্লোরাইড ($\text\{HCl\}$) গ্যাসের সাথে বিক্রিয়া করে।
2. বিক্রিয়া: $\text\{Si\}(\text\{s\}) + 3\text\{HCl\}(\text\{g\}) \xrightarrow\{300-350^\circ\text\{C\}\} \text\{SiHCl\}_3(\text\{g\}) + \text\{H\}_2(\text\{g\})$ (ট্রাইক্লোরোসিলেন) অন্যান্য ক্লোরোসিলেন যেমন $\text\{SiCl\}_4$ (সিলিকন টেট্রাক্লোরাইড) এবং $\text\{SiH\}_2\text\{Cl\}_2$ (ডাইক্লোরোসিলেন)ও গঠিত হয়। বেশিরভাগ অপদ্রব্য (Fe, Al, B, P, As) তাদের উদ্বায়ী ক্লোরাইড গঠনের জন্য বিক্রিয়া করে।
3. সুবিধা: ক্লোরোসিলেনগুলি উদ্বায়ী, যা এগুলিকে অন-উদ্বায়ী অপদ্রব্য থেকে পৃথক করতে সাহায্য করে।

2. ক্লোরোসিলেনগুলির আংশিক পাতন

1. প্রক্রিয়া: পূর্ববর্তী ধাপ থেকে ক্লোরোসিলেন এবং অপদ্রব্য ক্লোরাইডের মিশ্রণকে আংশিক পাতনের একাধিক ধাপে ফেলা হয়।
2. নীতি: বিভিন্ন যৌগের বিভিন্ন স্ফুটনাঙ্ক থাকে, যা তাদের পৃথকীকরণ সম্ভব করে তোলে। উদাহরণস্বরূপ, $\text\{SiHCl\}_3$ (স্ফুটনাঙ্ক 31.8°C) কে $\text\{SiCl\}_4$ (স্ফুটনাঙ্ক 57.6°C), $\text\{SiH\}_2\text\{Cl\}_2$ (স্ফুটনাঙ্ক 8.3°C), এবং বিশেষত বোরন ট্রাইক্লোরাইড ($\text\{BCl\}_3$, স্ফুটনাঙ্ক 12.5°C) থেকে কার্যকরভাবে পৃথক করা হয়, যা সেমিকন্ডাক্টরগুলির জন্য একটি গুরুতর অপদ্রব্য।
3. পণ্য: অত্যন্ত বিশুদ্ধ ট্রাইক্লোরোসিলেন ($\text\{SiHCl\}_3$) পাওয়া যায়।

3. বিশুদ্ধ ট্রাইক্লোরোসিলেনের বিজারণ (সিমেন্স প্রক্রিয়া)

এই প্রক্রিয়াটি বিশুদ্ধ ক্লোরোসিলেনকে আবার কঠিন ইলেকট্রনিক-গ্রেড সিলিকনে রূপান্তরিত করে।

1. প্রক্রিয়া: অতি-বিশুদ্ধ $\text\{SiHCl\}_3$ বাষ্প হাইড্রোজেন গ্যাসের সাথে মিশ্রিত করে একটি জমা চেম্বারে প্রবেশ করানো হয় যেখানে উত্তপ্ত, পাতলা উচ্চ-বিশুদ্ধ সিলিকন রড (সিড রড) থাকে। রডগুলি প্রতিরোধের তাপ দ্বারা 1100-1200°C তাপমাত্রায় উত্তপ্ত করা হয়।
2. বিক্রিয়া (রাসায়নিক বাষ্প জমা - CVD): $\text\{SiHCl\}_3(\text\{g\}) + \text\{H\}_2(\text\{g\}) \xrightarrow\{1100-1200^\circ\text\{C\}\} \text\{Si\}(\text\{s\}) + 3\text\{HCl\}(\text\{g\})$ সিলিকন উত্তপ্ত রডগুলির উপর এপিটাক্সিয়ালি জমা হয়, যা তাদের পুরু, উচ্চ-বিশুদ্ধ পলিসিলিকন ইনগট-এ পরিণত করে। $\text\{HCl\}$ গ্যাস পুনর্ব্যবহার করা হয়।
3. পণ্য: ইলেকট্রনিক-গ্রেড পলিসিলিকন, সাধারণত 99.9999% বা 6N (সিক্স নাইনস) বিশুদ্ধতার স্তর সহ।

(চিত্রের বর্ণনা: একটি বেল জারের মধ্যে পাতলা, U-আকৃতির সিলিকন রড রয়েছে কল্পনা করুন। গ্যাস (SiHCl3 এবং H2) নীচের দিক থেকে প্রবেশ করানো হয়। রডগুলি বৈদ্যুতিকভাবে উত্তপ্ত হয়, যার ফলে সিলিকন তাদের পৃষ্ঠে জমা হয় এবং বৃদ্ধি পায়।)

4. জোন রিফাইনিং

সর্বোচ্চ বিশুদ্ধতা এবং উন্নত সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসের জন্য প্রয়োজনীয় একক-স্ফটিক সিলিকনের জন্য, জোন রিফাইনিং চূড়ান্ত পরিশোধন ধাপ হিসাবে নিযুক্ত করা হয়।

1. নীতি: অপদ্রব্যগুলি সাধারণত প্রধান ধাতুর কঠিন অবস্থার চেয়ে গলিত অবস্থায় বেশি দ্রবণীয় হয়।
2. প্রক্রিয়া: ইলেকট্রনিক-গ্রেড পলিসিলিকনের একটি রড অনুভূমিকভাবে স্থাপন করা হয়। একটি চলমান ইন্ডাকশন হিটার (বা রেজিস্ট্যান্স হিটার) দ্বারা রডের এক প্রান্তে একটি ছোট, স্থানীয় গলিত অঞ্চল তৈরি করা হয়। এই গলিত অঞ্চলটি ধীরে ধীরে রডের পুরো দৈর্ঘ্য বরাবর ভ্রমণ করে।
3. কার্যপ্রণালী: গলিত অঞ্চলটি চলার সাথে সাথে, অপদ্রব্যগুলি অগ্রাধিকারমূলকভাবে গলিত সিলিকনে দ্রবীভূত হয় এবং গলিত অঞ্চলের সাথে রডের এক প্রান্তের দিকে ভেসে যায়। যখন গলিত অঞ্চলটি প্রান্তে পৌঁছায়, তখন অপদ্রব্যগুলি সেই ছোট অংশে ঘনীভূত হয়।
4. পুনরাবৃত্তি: অপদ্রব্যগুলিকে এক প্রান্তে আরও ঘনীভূত করার জন্য প্রক্রিয়াটি একই দিকে কয়েকবার (একাধিক পাস) পুনরাবৃত্তি করা হয়।
5. চূড়ান্ত ধাপ: সিলিকন রডের অপরিষ্কার অংশটি তখন কেটে ফেলে দেওয়া হয়। রডের অবশিষ্ট অংশটি অতি-বিশুদ্ধ, একক-স্ফটিক সিলিকন, যা প্রায়শই বিলিয়ন প্রতি অংশ (ppb) অপদ্রব্যের মাত্রা অর্জন করে।

(চিত্রের বর্ণনা: সিলিকনের একটি অনুভূমিক রড একটি নৌকায় থাকে। একটি বৃত্তাকার ইন্ডাকশন কয়েল রডের একটি ছোট অংশ ঘিরে রাখে, একটি সংকীর্ণ গলিত অঞ্চল তৈরি করে। কয়েলটি ধীরে ধীরে রডের দৈর্ঘ্য বরাবর চলে, গলিত অঞ্চল এবং অপদ্রব্যগুলিকে এক প্রান্তের দিকে ঠেলে দেয়।)