सिलिकॉन (Si) का धातु कर्म और औद्योगिक निष्कर्षण

प्राकृतिक उपलब्धता और प्रमुख अयस्क

सिलिकॉन (Si) पृथ्वी की पपड़ी में दूसरा सबसे प्रचुर तत्व है, जो द्रव्यमान के अनुसार लगभग 27.7% है। यह प्रकृति में कभी भी अपने मुक्त, मौलिक अवस्था में नहीं पाया जाता है। सिलिकॉन मुख्य रूप से अपने ऑक्साइड या जटिल सिलिकेट खनिजों के रूप में पाया जाता है।

प्राथमिक अयस्क

1. सिलिकॉन डाइऑक्साइड (सिलिका): यह औद्योगिक सिलिकॉन निष्कर्षण के लिए सबसे महत्वपूर्ण स्रोत है।
   • क्वार्ट्ज ($\text\{SiO\}_2$): क्रिस्टलीय रूप, अत्यधिक प्रचुर।
   • रेत ($\text\{SiO\}_2$): अनाकार या सूक्ष्मक्रिस्टलीय रूप, व्यापक रूप से वितरित।
   • अन्य रूपों में फ्लिंट, एगेट, ओपल और जैस्पर शामिल हैं।
2. सिलिकेट्स: जटिल खनिज जहाँ सिलिकॉन-ऑक्सीजन टेट्राहेड्रा ($\text\{SiO\}_4^\{4-\}$) विभिन्न संरचनाएँ बनाते हैं। प्रचुर मात्रा में होने के बावजूद, अपचयन की जटिलता के कारण इनका उपयोग आमतौर पर प्राथमिक सिलिकॉन निष्कर्षण के लिए नहीं किया जाता है।
   • फेल्डस्पार्स (उदाहरण के लिए, $\text\{KAlSi\}_3\text\{O\}_8$ - ऑर्थोक्लेज़)
   • अभ्रक (मीका) (उदाहरण के लिए, $\text\{KAl\}_2(\text\{AlSi\}_3)\text\{O\}_\{10\}(\text\{OH\})_2$ - मस्कोवाइट)
   • एस्बेस्टस (उदाहरण के लिए, $\text\{Mg\}_3\text\{Si\}_2\text\{O\}_5(\text\{OH\})_4$ - क्राइसोस्टाइल)

औद्योगिक निष्कर्षण के लिए, उच्च-शुद्धता वाली सिलिका रेत उसकी प्रचुरता और अपेक्षाकृत सरल संरचना के कारण पसंदीदा अयस्क है।

अयस्क का सांद्रण

प्राथमिक अयस्क, सिलिका रेत, आमतौर पर काफी शुद्ध होता है। सांद्रण विधियाँ रासायनिक रूप से सिलिकॉन सामग्री को समृद्ध करने के बजाय भौतिक अशुद्धियों को दूर करने पर केंद्रित होती हैं।

1. धुलाई (गुरुत्वाकर्षण पृथक्करण):
   • सिद्धांत: घनत्व में अंतर का फायदा उठाया जाता है। हल्की अशुद्धियाँ धुल जाती हैं, जबकि भारी अयस्क कण बैठ जाते हैं।
   • प्रक्रिया: सिलिका रेत को बड़े धुलाई टैंकों या स्लुइस में पानी के साथ उत्तेजित किया जाता है। हल्के मिट्टी के कण, कार्बनिक पदार्थ और घुलनशील लवण पानी में निलंबित हो जाते हैं और बह जाते हैं, जिससे सघन सिलिका पीछे छूट जाती है।
2. चुंबकीय पृथक्करण:
   • सिद्धांत: रेत में मौजूद लौह ऑक्साइड (जैसे, हेमेटाइट, मैग्नेटाइट) जैसी चुंबकीय अशुद्धियों को हटाने के लिए उपयोग किया जाता है।
   • प्रक्रिया: सूखी रेत को एक मजबूत चुंबकीय रोलर के ऊपर से गुजारा जाता है। चुंबकीय अशुद्धियाँ रोलर की ओर आकर्षित होती हैं और अलग हो जाती हैं, जबकि गैर-चुंबकीय सिलिका एक अलग संग्राहक में स्वतंत्र रूप से गिर जाती है।
3. अम्ल निक्षालन (उच्च शुद्धता के लिए वैकल्पिक):
   • अत्यधिक उच्च शुद्धता की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए, रेत को अवशिष्ट धातु ऑक्साइड अशुद्धियों को घोलने के लिए तनु अम्लों (जैसे, $\text\{HCl\}$ या $\text\{H\}_2\text\{SO\}_4$) के साथ उपचारित किया जा सकता है। इसके बाद आमतौर पर विखनिजीकृत पानी से अच्छी तरह धोया जाता है।

कच्चे धातु में अपचयन

औद्योगिक सिलिकॉन मुख्य रूप से एक इलेक्ट्रिक आर्क भट्टी में सिलिका के कार्बनीकरण अपचयन द्वारा निर्मित होता है। उत्पाद को धातुकर्म-ग्रेड सिलिकॉन (MGS) के रूप में जाना जाता है।

कार्बनीकरण अपचयन

1. कच्चा माल:
   • सिलिका ($\text\{SiO\}_2$): उच्च-शुद्धता वाला क्वार्ट्ज या रेत।
   • अपचायक: कोक, चारकोल, लकड़ी के चिप्स, या कोयले के रूप में कार्बन। ये अपचयन के लिए कार्बन और गैस के प्रवाह के लिए सरंध्रता प्रदान करते हैं।
2. प्रक्रिया:
   • सिलिका और कार्बन के मिश्रण को एक बड़ी, तीन-चरण वाली इलेक्ट्रिक आर्क भट्टी में डाला जाता है।
   • आवेश में डूबे कार्बन इलेक्ट्रोड के बीच विद्युत आर्क द्वारा तीव्र गर्मी (1700°C से अधिक तापमान) उत्पन्न होती है।
   • अभिक्रिया: $\text\{SiO\}_2(\text\{s\}) + 2\text\{C\}(\text\{s\}) \xrightarrow\{>1700^\circ\text\{C\}\} \text\{Si\}(\text\{l\}) + 2\text\{CO\}(\text\{g\})$
   • पिघला हुआ सिलिकॉन भट्टी के निचले भाग में जमा हो जाता है और समय-समय पर निकाला जाता है। कार्बन मोनोऑक्साइड गैस उत्सर्जित होती है और उसे एकत्र या जलाया जाता है।
3. उत्पाद: धातुकर्म-ग्रेड सिलिकॉन (MGS) आमतौर पर 98-99% शुद्ध होता है। प्रमुख अशुद्धियों में लोहा, एल्यूमीनियम, कैल्शियम और कार्बन शामिल हैं।

(आरेख का विवरण: एक बड़ी, बेलनाकार भट्टी की कल्पना करें जिसमें तीन ऊर्ध्वाधर कार्बन इलेक्ट्रोड सिलिका और कार्बन के बिस्तर में डूबे हुए हैं। इलेक्ट्रोड और आवेश के बीच एक विद्युत आर्क बनता है, जिससे अत्यधिक गर्मी उत्पन्न होती है। पिघला हुआ सिलिकॉन आधार पर जमा होता है, और गैस ऊपर से निकलती है।)

शोधन और शुद्धिकरण

धातुकर्म-ग्रेड सिलिकॉन (MGS) अर्धचालक और इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त शुद्ध नहीं होता है, जिनके लिए अत्यधिक उच्च शुद्धता (अक्सर 99.9999% या अधिक, जिसे इलेक्ट्रॉनिक-ग्रेड सिलिकॉन, EGS के रूप में जाना जाता है) की आवश्यकता होती है। शुद्धिकरण प्रक्रिया में कई चरण शामिल होते हैं।

1. वाष्पशील हैलाइड में रूपांतरण (उदाहरण के लिए, ट्राईक्लोरोसिलैन प्रक्रिया)

यह MGS से उच्च-शुद्धता शोधन के लिए उपयुक्त रूप में प्रारंभिक शुद्धिकरण की सबसे आम विधि है।

1. प्रक्रिया: MGS को लगभग 300-350°C तापमान पर एक फ्लुइडाइज्ड बेड रिएक्टर में निर्जल हाइड्रोजन क्लोराइड ($\text\{HCl\}$) गैस के साथ अभिकृत किया जाता है।
2. अभिक्रिया: $\text\{Si\}(\text\{s\}) + 3\text\{HCl\}(\text\{g\}) \xrightarrow\{300-350^\circ\text\{C\}\} \text\{SiHCl\}_3(\text\{g\}) + \text\{H\}_2(\text\{g\})$ (ट्राईक्लोरोसिलैन) अन्य क्लोरोसिलैन जैसे $\text\{SiCl\}_4$ (सिलिकॉन टेट्राक्लोराइड) और $\text\{SiH\}_2\text\{Cl\}_2$ (डाइक्लोरोसिलैन) भी बनते हैं। अधिकांश अशुद्धियाँ (Fe, Al, B, P, As) अपने वाष्पशील क्लोराइड बनाने के लिए अभिक्रिया करती हैं।
3. लाभ: क्लोरोसिलैन वाष्पशील होते हैं, जिससे उन्हें गैर-वाष्पशील अशुद्धियों से अलग किया जा सकता है।

2. क्लोरोसिलैन का प्रभाजी आसवन

1. प्रक्रिया: पिछले चरण से क्लोरोसिलैन और अशुद्ध क्लोराइड के मिश्रण को प्रभाजी आसवन के कई चरणों से गुजारा जाता है।
2. सिद्धांत: विभिन्न यौगिकों के क्वथनांक अलग-अलग होते हैं, जिससे उन्हें अलग किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, $\text\{SiHCl\}_3$ (क्वथनांक 31.8°C) को $\text\{SiCl\}_4$ (क्वथनांक 57.6°C), $\text\{SiH\}_2\text\{Cl\}_2$ (क्वथनांक 8.3°C) से, और विशेष रूप से बोरॉन ट्राईक्लोराइड ($\text\{BCl\}_3$, क्वथनांक 12.5°C) से प्रभावी ढंग से अलग किया जाता है, जो अर्धचालकों के लिए एक महत्वपूर्ण अशुद्धता है।
3. उत्पाद: अत्यधिक शुद्ध ट्राईक्लोरोसिलैन ($\text\{SiHCl\}_3$) प्राप्त होता है।

3. शुद्ध ट्राईक्लोरोसिलैन का अपचयन (सीमेंस प्रक्रिया)

यह प्रक्रिया शुद्ध क्लोरोसिलैन को वापस ठोस इलेक्ट्रॉनिक-ग्रेड सिलिकॉन में परिवर्तित करती है।

1. प्रक्रिया: अति-शुद्ध $\text\{SiHCl\}_3$ वाष्प को हाइड्रोजन गैस के साथ मिलाया जाता है और एक निक्षेपण कक्ष में डाला जाता है जिसमें उच्च-शुद्धता सिलिकॉन (सीड रॉड) की गर्म, पतली रॉड होती हैं। रॉड को प्रतिरोध तापन द्वारा 1100-1200°C तक गर्म किया जाता है।
2. अभिक्रिया (रासायनिक वाष्प निक्षेपण - CVD): $\text\{SiHCl\}_3(\text\{g\}) + \text\{H\}_2(\text\{g\}) \xrightarrow\{1100-1200^\circ\text\{C\}\} \text\{Si\}(\text\{s\}) + 3\text\{HCl\}(\text\{g\})$ सिलिकॉन गर्म रॉड पर उपकलात्मक रूप से जमा हो जाता है, जिससे वे मोटी, उच्च-शुद्धता वाली पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन सिल्लियों में विकसित हो जाती हैं। $\text\{HCl\}$ गैस को पुनर्चक्रित किया जाता है।
3. उत्पाद: इलेक्ट्रॉनिक-ग्रेड पॉलिसिलिकॉन, आमतौर पर 99.9999% या 6N (सिक्स निनस) शुद्धता के स्तर के साथ।

(आरेख का विवरण: एक बेल जार की कल्पना करें जिसमें पतली, U-आकार की सिलिकॉन रॉड हैं। गैसें (SiHCl3 और H2) नीचे से डाली जाती हैं। रॉड को विद्युत रूप से गर्म किया जाता है, जिससे सिलिकॉन उनकी सतह पर जमा होकर बढ़ता है।)

4. ज़ोन शोधन

उन्नत अर्धचालक उपकरणों के लिए आवश्यक उच्चतम शुद्धता और एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन के लिए, ज़ोन शोधन को अंतिम शुद्धिकरण चरण के रूप में नियोजित किया जाता है।

1. सिद्धांत: अशुद्धियाँ आमतौर पर मुख्य धातु की ठोस अवस्था की तुलना में पिघली हुई अवस्था में अधिक घुलनशील होती हैं।
2. प्रक्रिया: इलेक्ट्रॉनिक-ग्रेड पॉलिसिलिकॉन की एक रॉड को क्षैतिज रूप से रखा जाता है। रॉड के एक सिरे पर एक चलती हुई प्रेरण हीटर (या प्रतिरोध हीटर) द्वारा एक छोटा, स्थानीयकृत पिघला हुआ क्षेत्र बनाया जाता है। यह पिघला हुआ क्षेत्र रॉड की पूरी लंबाई के साथ धीरे-धीरे चलता है।
3. तंत्र: जैसे-जैसे पिघला हुआ क्षेत्र चलता है, अशुद्धियाँ अधिमानतः पिघले हुए सिलिकॉन में घुल जाती हैं और पिघले हुए क्षेत्र के साथ रॉड के एक सिरे की ओर बह जाती हैं। जब पिघला हुआ क्षेत्र अंत तक पहुँचता है, तो अशुद्धियाँ उस छोटे से खंड में केंद्रित हो जाती हैं।
4. पुनरावृत्ति: प्रक्रिया को उसी दिशा में कई बार (कई पास) दोहराया जाता है ताकि अशुद्धियों को एक सिरे पर और अधिक केंद्रित किया जा सके।
5. अंतिम चरण: सिलिकॉन रॉड के अशुद्ध सिरे को काट कर हटा दिया जाता है। रॉड का शेष भाग अति-शुद्ध, एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन होता है, जो अक्सर प्रति बिलियन भाग (ppb) में अशुद्धता स्तर प्राप्त करता है।

(आरेख का विवरण: एक नाव में सिलिकॉन की एक क्षैतिज रॉड रखी है। एक वृत्ताकार प्रेरण कॉइल रॉड के एक छोटे से खंड को घेरे हुए है, जिससे एक संकीर्ण पिघला हुआ क्षेत्र बनता है। कॉइल रॉड की लंबाई के साथ धीरे-धीरे चलती है, पिघले हुए क्षेत्र और अशुद्धियों को एक सिरे की ओर धकेलती है।)