સિલિકોન (Si) નું ધાતુશાસ્ત્ર અને ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ

કુદરતી ઉપલબ્ધતા અને મુખ્ય કાચી ધાતુઓ

સિલિકોન (Si) એ પૃથ્વીના પોપડામાં બીજું સૌથી વિપુલ પ્રમાણમાં મળી આવતું તત્વ છે, જે દળથી આશરે 27.7% જેટલું હોય છે. તે પ્રકૃતિમાં ક્યારેય મુક્ત, તત્વ સ્વરૂપમાં મળતું નથી. સિલિકોન મુખ્યત્વે તેના ઓક્સાઇડ તરીકે અથવા જટિલ સિલિકેટ ખનિજો તરીકે જોવા મળે છે.

મુખ્ય કાચી ધાતુઓ

1. સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ (સિલિકા): આ ઔદ્યોગિક સિલિકોન નિષ્કર્ષણ માટેનો સૌથી મહત્ત્વપૂર્ણ સ્ત્રોત છે.
   • ક્વાર્ટઝ ($\text\{SiO\}_2$): સ્ફટિકમય સ્વરૂપ, પુષ્કળ પ્રમાણમાં ઉપલબ્ધ.
   • રેતી ($\text\{SiO\}_2$): અસ્ફટિકમય અથવા સૂક્ષ્મ-સ્ફટિકમય સ્વરૂપ, વ્યાપકપણે વિતરિત.
   • અન્ય સ્વરૂપોમાં ફ્લિન્ટ, અકીક, ઓપલ અને જેસ્પરનો સમાવેશ થાય છે.
2. સિલિકેટ્સ: જટિલ ખનિજો જ્યાં સિલિકોન-ઓક્સિજન ટેટ્રાહેડ્રા ($\text\{SiO\}_4^\{4-\}$) વિવિધ રચનાઓ બનાવે છે. જોકે તે પુષ્કળ પ્રમાણમાં હોય છે, પરંતુ રિડક્શનની જટિલતાને કારણે સામાન્ય રીતે પ્રાથમિક સિલિકોન નિષ્કર્ષણ માટે તેનો ઉપયોગ થતો નથી.
   • ફેલ્ડસ્પાર્સ (દા.ત., $\text\{KAlSi\}_3\text\{O\}_8$ - ઓર્થોક્લેઝ)
   • માઇકાસ (દા.ત., $\text\{KAl\}_2(\text\{AlSi\}_3)\text\{O\}_\{10\}(\text\{OH\})_2$ - મસ્કોવાઇટ)
   • એસ્બેસ્ટોસ (દા.ત., $\text\{Mg\}_3\text\{Si\}_2\text\{O\}_5(\text\{OH\})_4$ - ક્રાયસોટાઇલ)

ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ માટે, ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળી સિલિકા રેતી તેની વિપુલતા અને પ્રમાણમાં સરળ બંધારણને કારણે પસંદગીની કાચી ધાતુ છે.

કાચી ધાતુનું સંકેન્દ્રણ

પ્રાથમિક કાચી ધાતુ, સિલિકા રેતી, સામાન્ય રીતે એકદમ શુદ્ધ હોય છે. સંકેન્દ્રણ પદ્ધતિઓ સિલિકોનનું રાસાયણિક રીતે સંવર્ધન કરવાને બદલે ભૌતિક અશુદ્ધિઓને દૂર કરવા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે.

1. ધોવાણ (ગુરુત્વાકર્ષણ પૃથક્કરણ):
   • સિદ્ધાંત: ઘનતાના તફાવતોનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. હળવી અશુદ્ધિઓ ધોવાઈ જાય છે, જ્યારે ભારે કાચી ધાતુના કણો સ્થિર થાય છે.
   • પ્રક્રિયા: સિલિકા રેતીને મોટા વોશિંગ ટેન્કો અથવા સ્લુઇસમાં પાણી સાથે હલાવવામાં આવે છે. હળવા માટીના કણો, કાર્બનિક પદાર્થો અને દ્રાવ્ય ક્ષારો પાણીમાં નિલંબિત થાય છે અને વહી જાય છે, પાછળ ગાઢ સિલિકા છોડી જાય છે.
2. ચુંબકીય પૃથક્કરણ:
   • સિદ્ધાંત: રેતીમાં હાજર હોઈ શકે તેવી આયર્ન ઓક્સાઇડ (દા.ત., હેમેટાઇટ, મેગ્નેટાઇટ) જેવી ચુંબકીય અશુદ્ધિઓને દૂર કરવા માટે ઉપયોગ થાય છે.
   • પ્રક્રિયા: સૂકી રેતીને એક શક્તિશાળી ચુંબકીય રોલર પરથી પસાર કરવામાં આવે છે. ચુંબકીય અશુદ્ધિઓ રોલર તરફ આકર્ષાય છે અને અલગ પડે છે, જ્યારે બિન-ચુંબકીય સિલિકા મુક્તપણે એક અલગ કલેક્ટરમાં પડે છે.
3. એસિડ નિક્ષાલન (ઉચ્ચ શુદ્ધતા માટે વૈકલ્પિક):
   • ખૂબ ઉચ્ચ શુદ્ધતાની જરૂર હોય તેવી એપ્લિકેશનો માટે, રેતીને અવશેષ મેટાલિક ઓક્સાઇડ અશુદ્ધિઓને ઓગાળવા માટે મંદ એસિડ (દા.ત., $\text\{HCl\}$ અથવા $\text\{H\}_2\text\{SO\}_4$) સાથે પ્રક્રિયા કરી શકાય છે. આ પછી સામાન્ય રીતે ડિમિનરલાઇઝ્ડ પાણીથી સંપૂર્ણપણે ધોવામાં આવે છે.

ક્રૂડ ધાતુમાં રિડક્શન

ઔદ્યોગિક સિલિકોન મુખ્યત્વે ઇલેક્ટ્રિક આર્ક ભઠ્ઠીમાં સિલિકાના કાર્બોથર્મિક રિડક્શન દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે. આ ઉત્પાદનને મેટલર્જિકલ-ગ્રેડ સિલિકોન (MGS) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

કાર્બોથર્મિક રિડક્શન

1. કાચો માલ:
   • સિલિકા ($\text\{SiO\}_2$): ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળો ક્વાર્ટઝ અથવા રેતી.
   • રિડ્યુસિંગ એજન્ટ: કોક, ચારકોલ, લાકડાની ચિપ્સ અથવા કોલસાના સ્વરૂપમાં કાર્બન. આ રિડક્શન માટે કાર્બન અને વાયુ પ્રવાહ માટે છિદ્રાળુતા પ્રદાન કરે છે.
2. પ્રક્રિયા:
   • સિલિકા અને કાર્બનના મિશ્રણને એક મોટી, ત્રણ-તબક્કાની ઇલેક્ટ્રિક આર્ક ભઠ્ઠીમાં દાખલ કરવામાં આવે છે.
   • આવેશમાં ડૂબેલા કાર્બન ઇલેક્ટ્રોડ્સ વચ્ચેના ઇલેક્ટ્રિક આર્ક્સ દ્વારા તીવ્ર ગરમી (1700°C થી વધુ તાપમાન) ઉત્પન્ન થાય છે.
   • પ્રતિક્રિયા: $\text\{SiO\}_2(\text\{s\}) + 2\text\{C\}(\text\{s\}) \xrightarrow\{>1700^\circ\text\{C\}\} \text\{Si\}(\text\{l\}) + 2\text\{CO\}(\text\{g\})$
   • પીગળેલું સિલિકોન ભઠ્ઠીના તળિયે એકઠું થાય છે અને સમયાંતરે બહાર કાઢવામાં આવે છે. કાર્બન મોનોક્સાઇડ વાયુ મુક્ત થાય છે અને તેને એકત્રિત કરવામાં આવે છે અથવા બાળી નાખવામાં આવે છે.
3. ઉત્પાદન: મેટલર્જિકલ-ગ્રેડ સિલિકોન (MGS) સામાન્ય રીતે 98-99% શુદ્ધ હોય છે. મુખ્ય અશુદ્ધિઓમાં આયર્ન, એલ્યુમિનિયમ, કેલ્શિયમ અને કાર્બનનો સમાવેશ થાય છે.

(આકૃતિનું વર્ણન: સિલિકા અને કાર્બનના સ્તરમાં ત્રણ ઊભી કાર્બન ઇલેક્ટ્રોડ્સ ડૂબેલા હોય તેવી એક મોટી, નળાકાર ભઠ્ઠીની કલ્પના કરો. ઇલેક્ટ્રોડ્સ અને આવેશ વચ્ચે ઇલેક્ટ્રિક આર્ક બને છે, જે પ્રચંડ ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે. પીગળેલું સિલિકોન તળિયે એકઠું થાય છે, અને વાયુ ઉપરથી બહાર નીકળે છે.)

શુદ્ધિકરણ અને વિશોધન

મેટલર્જિકલ-ગ્રેડ સિલિકોન (MGS) સેમિકન્ડક્ટર અને ઇલેક્ટ્રોનિક એપ્લિકેશનો માટે પૂરતું શુદ્ધ નથી, જેને અત્યંત ઉચ્ચ શુદ્ધતા (ઘણીવાર 99.9999% કે તેથી વધુ, જેને ઇલેક્ટ્રોનિક-ગ્રેડ સિલિકોન, EGS તરીકે ઓળખવામાં આવે છે) ની જરૂર હોય છે. શુદ્ધિકરણ પ્રક્રિયામાં બહુવિધ તબક્કાઓ શામેલ છે.

1. બાષ્પશીલ હેલાઇડમાં રૂપાંતરણ (દા.ત., ટ્રાઇક્લોરોસિલેન પ્રક્રિયા)

MGS માંથી વધુ ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળા વિશોધન માટે યોગ્ય સ્વરૂપમાં પ્રારંભિક શુદ્ધિકરણ માટે આ સૌથી સામાન્ય પદ્ધતિ છે.

1. પ્રક્રિયા: MGS ને 300-350°C ની આસપાસના તાપમાને ફ્લુઇડાઇઝ્ડ બેડ રિએક્ટરમાં નિર્જળ હાઇડ્રોજન ક્લોરાઇડ ($\text\{HCl\}$) વાયુ સાથે પ્રતિક્રિયા કરાવવામાં આવે છે.
2. પ્રતિક્રિયા: $\text\{Si\}(\text\{s\}) + 3\text\{HCl\}(\text\{g\}) \xrightarrow\{300-350^\circ\text\{C\}\} \text\{SiHCl\}_3(\text\{g\}) + \text\{H\}_2(\text\{g\})$ (ટ્રાઇક્લોરોસિલેન) અન્ય ક્લોરોસિલેન જેવા કે $\text\{SiCl\}_4$ (સિલિકોન ટેટ્રાક્લોરાઇડ) અને $\text\{SiH\}_2\text\{Cl\}_2$ (ડાયક્લોરોસિલેન) પણ બને છે. મોટાભાગની અશુદ્ધિઓ (Fe, Al, B, P, As) પ્રતિક્રિયા કરીને તેમના બાષ્પશીલ ક્લોરાઇડ્સ બનાવે છે.
3. ફાયદો: ક્લોરોસિલેન બાષ્પશીલ હોય છે, જે તેમને બિન-બાષ્પશીલ અશુદ્ધિઓથી અલગ કરવાની મંજૂરી આપે છે.

2. ક્લોરોસિલેનનું વિભાગીય નિસ્યંદન

1. પ્રક્રિયા: અગાઉના તબક્કામાંથી મળેલા ક્લોરોસિલેન અને અશુદ્ધિ ક્લોરાઇડ્સના મિશ્રણને વિભાગીય નિસ્યંદનના બહુવિધ તબક્કાઓમાંથી પસાર કરવામાં આવે છે.
2. સિદ્ધાંત: જુદા જુદા સંયોજનોના ઉત્કલનબિંદુ જુદા જુદા હોય છે, જે તેમને અલગ પાડવાની મંજૂરી આપે છે. ઉદાહરણ તરીકે, $\text\{SiHCl\}_3$ (ઉ.બિ. 31.8°C) ને $\text\{SiCl\}_4$ (ઉ.બિ. 57.6°C), $\text\{SiH\}_2\text\{Cl\}_2$ (ઉ.બિ. 8.3°C), અને ખાસ કરીને બોરોન ટ્રાઇક્લોરાઇડ ($\text\{BCl\}_3$, ઉ.બિ. 12.5°C) થી અસરકારક રીતે અલગ કરવામાં આવે છે, જે સેમિકન્ડક્ટર્સ માટે એક નિર્ણાયક અશુદ્ધિ છે.
3. ઉત્પાદન: ઉચ્ચ શુદ્ધ ટ્રાઇક્લોરોસિલેન ($\text\{SiHCl\}_3$) મેળવવામાં આવે છે.

3. શુદ્ધ ટ્રાઇક્લોરોસિલેનનું રિડક્શન (સીમેન્સ પ્રક્રિયા)

આ પ્રક્રિયા શુદ્ધ કરાયેલા ક્લોરોસિલેનને પાછા ઘન ઇલેક્ટ્રોનિક-ગ્રેડ સિલિકોનમાં રૂપાંતરિત કરે છે.

1. પ્રક્રિયા: અતિ-શુદ્ધ $\text\{SiHCl\}_3$ બાષ્પને હાઇડ્રોજન વાયુ સાથે મિશ્રિત કરવામાં આવે છે અને તેને ગરમ, ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળા સિલિકોનના પાતળા સળિયા (સીડ રોડ્સ) ધરાવતા ડિપોઝિશન ચેમ્બરમાં દાખલ કરવામાં આવે છે. સળિયાઓને રેઝિસ્ટન્સ હીટિંગ દ્વારા 1100-1200°C સુધી ગરમ કરવામાં આવે છે.
2. પ્રતિક્રિયા (રાસાયણિક બાષ્પ જમાવટ - CVD): $\text\{SiHCl\}_3(\text\{g\}) + \text\{H\}_2(\text\{g\}) \xrightarrow\{1100-1200^\circ\text\{C\}\} \text\{Si\}(\text\{s\}) + 3\text\{HCl\}(\text\{g\})$ સિલિકોન ગરમ સળિયાઓ પર એપિટેક્સિયલી જમા થાય છે, જે તેમને જાડા, ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળા પોલિક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન ઇંગોટ્સમાં વિકસાવે છે. $\text\{HCl\}$ વાયુનું પુનઃચક્રણ કરવામાં આવે છે.
3. ઉત્પાદન: ઇલેક્ટ્રોનિક-ગ્રેડ પોલિસિલિકોન, સામાન્ય રીતે 99.9999% સુધીની શુદ્ધતા સ્તર અથવા 6N (સિક્સ નાઇન્સ) શુદ્ધતા સાથે.

(આકૃતિનું વર્ણન: પાતળા, U-આકારના સિલિકોન સળિયા ધરાવતા બેલ જારની કલ્પના કરો. વાયુઓ (SiHCl3 અને H2) તળિયેથી દાખલ કરવામાં આવે છે. સળિયાઓને વિદ્યુત રીતે ગરમ કરવામાં આવે છે, જેના કારણે સિલિકોન તેમની સપાટી પર જમા થાય છે અને વિકાસ પામે છે.)

4. ઝોન રિફાઇનિંગ

સૌથી વધુ શુદ્ધતા અને અદ્યતન સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણો માટે જરૂરી સિંગલ-ક્રિસ્ટલ સિલિકોન માટે, ઝોન રિફાઇનિંગનો અંતિમ શુદ્ધિકરણ પગલા તરીકે ઉપયોગ થાય છે.

1. સિદ્ધાંત: અશુદ્ધિઓ સામાન્ય રીતે મુખ્ય ધાતુની ઘન અવસ્થા કરતાં પીગળેલી અવસ્થામાં વધુ દ્રાવ્ય હોય છે.
2. પ્રક્રિયા: ઇલેક્ટ્રોનિક-ગ્રેડ પોલિસિલિકોનનો એક સળિયો આડી રીતે મૂકવામાં આવે છે. એક ગતિશીલ ઇન્ડક્શન હીટર (અથવા રેઝિસ્ટન્સ હીટર) દ્વારા સળિયાના એક છેડે એક નાનો, સ્થાનિક પીગળેલો ઝોન બનાવવામાં આવે છે. આ પીગળેલો ઝોન ધીમે ધીમે સળિયાની આખી લંબાઈ સાથે પસાર થાય છે.
3. કાર્યપ્રણાલી: જેમ જેમ પીગળેલો ઝોન આગળ વધે છે, તેમ તેમ અશુદ્ધિઓ પીગળેલા સિલિકોનમાં પ્રાધાન્યપણે ઓગળી જાય છે અને પીગળેલા ઝોન સાથે સળિયાના એક છેડા તરફ ધકેલાય છે. જ્યારે પીગળેલો ઝોન છેડે પહોંચે છે, ત્યારે અશુદ્ધિઓ તે નાના વિભાગમાં કેન્દ્રિત થાય છે.
4. પુનરાવર્તન: એક છેડે અશુદ્ધિઓને વધુ કેન્દ્રિત કરવા માટે આ પ્રક્રિયાને એક જ દિશામાં ઘણી વખત (બહુવિધ પાસ) પુનરાવર્તિત કરવામાં આવે છે.
5. અંતિમ પગલું: સિલિકોન સળિયાનો અશુદ્ધ છેડો કાપી નાખવામાં આવે છે અને તેનો નિકાલ કરવામાં આવે છે. સળિયાનો બાકીનો ભાગ અતિ-શુદ્ધ, સિંગલ-ક્રિસ્ટલ સિલિકોન હોય છે, જે ઘણીવાર અબજ દીઠ ભાગ (ppb) માં અશુદ્ધિ સ્તર પ્રાપ્ત કરે છે.

(આકૃતિનું વર્ણન: સિલિકોનનો એક આડો સળિયો એક બોટમાં રહેલો છે. એક ગોળાકાર ઇન્ડક્શન કોઇલ સળિયાના નાના ભાગને ઘેરી વળે છે, જે એક સાંકડો પીગળેલો ઝોન બનાવે છે. કોઇલ ધીમે ધીમે સળિયાની લંબાઈ સાથે આગળ વધે છે, પીગળેલા ઝોન અને અશુદ્ધિઓને એક છેડા તરફ ધકેલે છે.)