धातुकर्म आणि सिलिकॉनचे (Si) औद्योगिक निष्कर्षण

नैसर्गिक उपलब्धता आणि प्रमुख धातूके

सिलिकॉन (Si) हे पृथ्वीच्या कवचातील दुसरे सर्वात विपुल मूलद्रव्य आहे, जे वस्तुमानानुसार अंदाजे 27.7% आहे. ते निसर्गात कधीही त्याच्या मुक्त, मूलभूत अवस्थेत आढळत नाही. सिलिकॉन प्रामुख्याने त्याचे ऑक्साईड म्हणून किंवा जटिल सिलिकेट खनिजे म्हणून आढळते.

प्रमुख धातूके

1. सिलिकॉन डायऑक्साइड (सिलिका): हे औद्योगिक सिलिकॉन निष्कर्षणसाठी सर्वात महत्त्वाचे स्त्रोत आहे.
   • क्वार्ट्झ ($\text\{SiO\}_2$): स्फटिकी रूप, अत्यंत विपुल.
   • वाळू ($\text\{SiO\}_2$): अस्फटिकी किंवा सूक्ष्म-स्फटिकी रूप, विस्तृतपणे वितरित.
   • इतर रूपांमध्ये चकमक (flint), अगेट (agate), ओपल (opal) आणि जॅस्पर (jasper) यांचा समावेश आहे.
2. सिलिकेट्स: जटिल खनिजे जिथे सिलिकॉन-ऑक्सिजन टेट्राहेड्रा ($\text\{SiO\}_4^\{4-\}$) विविध संरचना बनवतात. जरी ते विपुल असले तरी, क्षपण प्रक्रियेच्या जटिलतेमुळे ते प्राथमिक सिलिकॉन निष्कर्षणसाठी सहसा वापरले जात नाहीत.
   • फेल्डस्पार्स (उदा. $\text\{KAlSi\}_3\text\{O\}_8$ - ऑर्थोक्लेज)
   • अभ्रक (उदा. $\text\{KAl\}_2(\text\{AlSi\}_3)\text\{O\}_\{10\}(\text\{OH\})_2$ - मस्कोव्हाईट)
   • ॲस्बेस्टोस (उदा. $\text\{Mg\}_3\text\{Si\}_2\text\{O\}_5(\text\{OH\})_4$ - क्रायसोटाईल)

औद्योगिक निष्कर्षणसाठी, उच्च-शुद्धता असलेली सिलिका वाळू तिच्या विपुलतेमुळे आणि तुलनेने सोप्या रचनेमुळे पसंत केली जाते.

धातूकाचे सांद्रण

प्राथमिक धातूक, सिलिका वाळू, साधारणपणे खूप शुद्ध असते. सांद्रण पद्धती रासायनिकरित्या सिलिकॉनचे प्रमाण वाढवण्याऐवजी भौतिक अशुद्धी दूर करण्यावर लक्ष केंद्रित करतात.

1. धुणे (गुरुत्वाकर्षण पृथक्करण):
   • तत्त्व: घनतेतील फरकांचा उपयोग केला जातो. हलक्या अशुद्धी धुतल्या जातात, तर जड धातूकाचे कण खाली बसतात.
   • प्रक्रिया: मोठ्या धुण्याच्या टाक्यांमध्ये किंवा स्लुइसेसमध्ये सिलिका वाळू पाण्यासोबत ढवळली जाते. हलके मातीचे कण, सेंद्रिय पदार्थ आणि विद्रव्य क्षार पाण्यात निलंबित होतात आणि वाहून जातात, ज्यामुळे जड सिलिका मागे राहते.
2. चुंबकीय पृथक्करण:
   • तत्त्व: वाळूत असलेल्या लोह ऑक्साईड (उदा. हेमेटाइट, मॅग्नेटाइट) सारख्या चुंबकीय अशुद्धी दूर करण्यासाठी वापरले जाते.
   • प्रक्रिया: सुकलेली वाळू एका मजबूत चुंबकीय रोलरवरून जाते. चुंबकीय अशुद्धी रोलरकडे आकर्षित होतात आणि वेगळ्या होतात, तर अचुंबकीय सिलिका स्वतंत्र संग्राहकात मुक्तपणे पडते.
3. आम्ल निक्षालन (उच्च शुद्धतेसाठी ऐच्छिक):
   • अत्यंत उच्च शुद्धता आवश्यक असलेल्या उपयोगांसाठी, वाळूला सौम्य आम्लांनी (उदा. $\text\{HCl\}$ किंवा $\text\{H\}_2\text\{SO\}_4$) उपचारित केले जाऊ शकते जेणेकरून उर्वरित धातू ऑक्साईड अशुद्धी विरघळतील. यानंतर सामान्यतः विखनिज (demineralized) पाण्याने पूर्णपणे धुतले जाते.

कच्चे धातूमध्ये क्षपण

औद्योगिक सिलिकॉन प्रामुख्याने विद्युत आर्क भट्टीमध्ये सिलिकेच्या कार्बोनिक क्षपणद्वारे तयार केले जाते. या उत्पादनाला मेटॅलर्जिकल-ग्रेड सिलिकॉन (MGS) असे म्हणतात.

कार्बोनिक क्षपण

1. कच्चा माल:
   • सिलिका ($\text\{SiO\}_2$): उच्च-शुद्धता क्वार्ट्झ किंवा वाळू.
   • क्षपणक (Reducing Agent): कोक, चारकोल, लाकडी चिप्स किंवा कोळसा या स्वरूपात कार्बन. हे क्षपणसाठी कार्बन आणि वायू प्रवाहासाठी सच्छिद्रता प्रदान करतात.
2. प्रक्रिया:
   • सिलिका आणि कार्बनचे मिश्रण मोठ्या, तीन-फेज विद्युत आर्क भट्टीमध्ये टाकले जाते.
   • चार्जमध्ये बुडलेल्या कार्बन इलेक्ट्रोड्समधील विद्युत आर्कमुळे तीव्र उष्णता (1700°C पेक्षा जास्त तापमान) निर्माण होते.
   • अभिक्रिया: $\text\{SiO\}_2(\text\{s\}) + 2\text\{C\}(\text\{s\}) \xrightarrow\{>1700^\circ\text\{C\}\} \text\{Si\}(\text\{l\}) + 2\text\{CO\}(\text\{g\})$
   • वितळलेले सिलिकॉन भट्टीच्या तळाशी जमा होते आणि वेळोवेळी काढले जाते. कार्बन मोनोऑक्साइड वायू बाहेर पडतो आणि तो गोळा केला जातो किंवा जाळला जातो.
3. उत्पादन: मेटॅलर्जिकल-ग्रेड सिलिकॉन (MGS) साधारणपणे 98-99% शुद्ध असते. प्रमुख अशुद्धींमध्ये लोह, ॲल्युमिनियम, कॅल्शियम आणि कार्बन यांचा समावेश होतो.

(आकृती वर्णन: एका मोठ्या, दंडगोलाकार भट्टीची कल्पना करा, ज्यात सिलिका आणि कार्बनच्या थरात तीन उभ्या कार्बन इलेक्ट्रोड्स बुडवलेले आहेत. इलेक्ट्रोड्स आणि चार्ज यांच्यात विद्युत आर्क तयार होतो, ज्यामुळे प्रचंड उष्णता निर्माण होते. वितळलेले सिलिकॉन तळाशी जमा होते आणि वायू वरून बाहेर पडतो.)

शुद्धीकरण आणि शुद्धीकरण

मेटॅलर्जिकल-ग्रेड सिलिकॉन (MGS) सेमीकंडक्टर आणि इलेक्ट्रॉनिक उपयोगांसाठी पुरेसे शुद्ध नसते, ज्यासाठी अत्यंत उच्च शुद्धता (अनेकदा 99.9999% किंवा त्याहून अधिक, ज्याला इलेक्ट्रॉनिक-ग्रेड सिलिकॉन, EGS म्हणतात) आवश्यक असते. शुद्धीकरण प्रक्रियेमध्ये अनेक टप्पे असतात.

1. बाष्पनशील हॅलाइडमध्ये रूपांतरण (उदा. ट्रायक्लोरोसिलॅन प्रक्रिया)

MGS मधून पुढील उच्च-शुद्धता शुद्धीकरणसाठी योग्य असलेल्या रूपात प्रारंभिक शुद्धीकरणाची ही सर्वात सामान्य पद्धत आहे.

1. प्रक्रिया: MGS ची 300-350°C तापमानात एका फ्लुइडाइज्ड बेड रिॲक्टरमध्ये निर्जल हायड्रोजन क्लोराईड ($\text\{HCl\}$) वायूशी अभिक्रिया केली जाते.
2. अभिक्रिया: $\text\{Si\}(\text\{s\}) + 3\text\{HCl\}(\text\{g\}) \xrightarrow\{300-350^\circ\text\{C\}\} \text\{SiHCl\}_3(\text\{g\}) + \text\{H\}_2(\text\{g\})$ (ट्रायक्लोरोसिलॅन) $\text\{SiCl\}_4$ (सिलिकॉन टेट्राक्लोराईड) आणि $\text\{SiH\}_2\text\{Cl\}_2$ (डायक्लोरोसिलॅन) सारखे इतर क्लोरोसिलॅन देखील तयार होतात. बहुतेक अशुद्धी (Fe, Al, B, P, As) त्यांच्या बाष्पनशील क्लोराईडमध्ये रूपांतरित होण्यासाठी अभिक्रिया करतात.
3. फायदा: क्लोरोसिलॅन बाष्पनशील असल्याने, त्यांना अविद्राव्य अशुद्धींपासून वेगळे करणे शक्य होते.

2. क्लोरोसिलॅनचे आंशिक ऊर्ध्वपातन

1. प्रक्रिया: मागील टप्प्यातून मिळालेल्या क्लोरोसिलॅन आणि अशुद्धी क्लोराईड्सच्या मिश्रणावर अनेक टप्प्यांमध्ये आंशिक ऊर्ध्वपातन केले जाते.
2. तत्त्व: वेगवेगळ्या संयुगांचे उत्कलनांक (boiling points) भिन्न असतात, ज्यामुळे त्यांना वेगळे करणे शक्य होते. उदाहरणार्थ, $\text\{SiHCl\}_3$ (उत्कलनांक 31.8°C) हे $\text\{SiCl\}_4$ (उत्कलनांक 57.6°C), $\text\{SiH\}_2\text\{Cl\}_2$ (उत्कलनांक 8.3°C), आणि विशेषतः बोरॉन ट्रायक्लोराईड ($\text\{BCl\}_3$, उत्कलनांक 12.5°C) पासून प्रभावीपणे वेगळे केले जाते, जे सेमीकंडक्टरसाठी एक गंभीर अशुद्धी आहे.
3. उत्पादन: अत्यंत शुद्ध ट्रायक्लोरोसिलॅन ($\text\{SiHCl\}_3$) प्राप्त होते.

3. शुद्ध ट्रायक्लोरोसिलॅनचे क्षपण (सीमेन्स प्रक्रिया)

ही प्रक्रिया शुद्ध केलेल्या क्लोरोसिलॅनला परत घन इलेक्ट्रॉनिक-ग्रेड सिलिकॉनमध्ये रूपांतरित करते.

1. प्रक्रिया: अति-शुद्ध $\text\{SiHCl\}_3$ वाफ हायड्रोजन वायूमध्ये मिसळली जाते आणि उच्च-शुद्धतेच्या सिलिकॉनच्या गरम केलेल्या, पातळ रॉड्स (बीज रॉड्स) असलेल्या संचय कक्षामध्ये (deposition chamber) सोडली जाते. हे रॉड्स प्रतिरोधक उष्णतेने 1100-1200°C पर्यंत गरम केले जातात.
2. अभिक्रिया (रासायनिक बाष्प जमाव - 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 गरम केलेल्या रॉड्सवर एपिटॅक्शियली जमा होते, ज्यामुळे ते जाड, उच्च-शुद्धता असलेल्या पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉनच्या इंगॉट्समध्ये वाढतात. $\text\{HCl\}$ वायूचा पुनर्वापर केला जातो.
3. उत्पादन: इलेक्ट्रॉनिक-ग्रेड पॉलीसिलिकॉन, साधारणपणे 99.9999% किंवा 6N (सहा नववे) शुद्धतेपर्यंत.

(आकृती वर्णन: पातळ, U-आकाराच्या सिलिकॉन रॉड्स असलेले बेल जार (bell jar) ची कल्पना करा. वायू (SiHCl3 आणि H2) तळाशी सोडले जातात. रॉड्स विद्युत पद्धतीने गरम केले जातात, ज्यामुळे त्यांच्या पृष्ठभागावर सिलिकॉन जमा होते आणि वाढते.)

4. झोन शुद्धीकरण

अत्याधुनिक सेमीकंडक्टर उपकरणांसाठी आवश्यक असलेल्या सर्वोच्च शुद्धता आणि एकल-स्फटिक सिलिकॉनसाठी, झोन शुद्धीकरण ही अंतिम शुद्धीकरण प्रक्रिया म्हणून वापरली जाते.

1. तत्त्व: मुख्य धातूच्या घन अवस्थेपेक्षा वितळलेल्या अवस्थेत अशुद्धी सामान्यतः अधिक विद्रव्य असतात.
2. प्रक्रिया: इलेक्ट्रॉनिक-ग्रेड पॉलीसिलिकॉनचा एक रॉड आडवा ठेवला जातो. रॉडच्या एका टोकाला फिरत्या इंडक्शन हीटरद्वारे (किंवा रेझिस्टन्स हीटरद्वारे) एक लहान, स्थानिक वितळलेला भाग (molten zone) तयार केला जातो. हा वितळलेला भाग हळूवारपणे रॉडच्या संपूर्ण लांबीतून फिरवला जातो.
3. कार्यप्रणाली: वितळलेला भाग फिरत असताना, अशुद्धी प्राधान्याने वितळलेल्या सिलिकॉनमध्ये विरघळतात आणि वितळलेल्या भागासोबत रॉडच्या एका टोकाकडे वाहून जातात. जेव्हा वितळलेला भाग टोकापर्यंत पोहोचतो, तेव्हा अशुद्धी त्या लहान भागात केंद्रित होतात.
4. पुनरावृत्ती: अशुद्धी एका टोकाला आणखी केंद्रित करण्यासाठी प्रक्रिया त्याच दिशेने अनेक वेळा (अनेक फेऱ्या) पुनरावृत्त केली जाते.
5. अंतिम टप्पा: सिलिकॉन रॉडचा अशुद्ध टोक नंतर कापून टाकले जाते. रॉडचा उर्वरित भाग अति-शुद्ध, एकल-स्फटिक सिलिकॉन असतो, ज्याची शुद्धता अनेकदा प्रति अब्ज भागांमध्ये (ppb) असते.

(आकृती वर्णन: सिलिकॉनचा एक आडवा रॉड बोटीत ठेवलेला आहे. एका वर्तुळाकार इंडक्शन कॉइलने रॉडच्या एका लहान भागाला वेढलेले आहे, ज्यामुळे एक अरुंद वितळलेला भाग तयार होतो. कॉइल हळूवारपणे रॉडच्या लांबीनुसार फिरते, वितळलेल्या भागाला आणि अशुद्धींना एका टोकाकडे ढकलते.)