சிலிக்கான் (Si): அதன் உலோகவியல் மற்றும் தொழில்துறை பிரித்தெடுத்தல்

இயற்கையில் கிடைக்கும் தன்மை & முக்கிய தாதுக்கள்

சிலிக்கான் (Si) புவி மேலோட்டில் இரண்டாவது அதிகம் உள்ள தனிமம் ஆகும், இது தோராயமாக 27.7% நிறை அளவில் உள்ளது. இது தனிம நிலையில் இயற்கையில் ஒருபோதும் காணப்படுவதில்லை. சிலிக்கான் முக்கியமாக அதன் ஆக்சைடு அல்லது சிக்கலான சிலிக்கேட் கனிமங்களாகக் காணப்படுகிறது.

முதன்மை தாதுக்கள்

1. சிலிக்கான் டை ஆக்சைடு (சிலிக்கா): இது தொழில்துறை சிலிக்கான் பிரித்தெடுத்தலுக்கு மிகவும் முக்கியமான ஆதாரம்.
   • குவார்ட்ஸ் ($\text\{SiO\}_2$): படிக வடிவம், அதிக அளவில் காணப்படுகிறது.
   • மணல் ($\text\{SiO\}_2$): உருவமற்ற அல்லது நுண்படிக வடிவம், பரவலாக விநியோகிக்கப்பட்டுள்ளது.
   • மற்ற வடிவங்களில் ஃபிளின்ட், அகேட், ஓபல் மற்றும் ஜாஸ்பர் ஆகியவை அடங்கும்.
2. சிலிக்கேட்டுகள்: சிலிக்கான்-ஆக்ஸிஜன் நான்முகிகள் ($\text\{SiO\}_4^\{4-\}$) பல்வேறு கட்டமைப்புகளை உருவாக்கும் சிக்கலான கனிமங்கள். இவை ஏராளமாக இருந்தாலும், ஒடுக்கத்தின் சிக்கலான தன்மை காரணமாக முதன்மை சிலிக்கான் பிரித்தெடுத்தலுக்கு பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படுவதில்லை.
   • ஃபெல்ட்ஸ்பார்ஸ் (எ.கா., $\text\{KAlSi\}_3\text\{O\}_8$ - ஆர்த்தோகிளேஸ்)
   • மிகாக்கள் (எ.கா., $\text\{KAl\}_2(\text\{AlSi\}_3)\text\{O\}_\{10\}(\text\{OH\})_2$ - மஸ்கோவைட்)
   • அஸ்பெஸ்டாஸ் (எ.கா., $\text\{Mg\}_3\text\{Si\}_2\text\{O\}_5(\text\{OH\})_4$ - கிரைசோடைல்)

தொழில்துறை பிரித்தெடுத்தலுக்கு, அதிக தூய்மையான சிலிக்கா மணல், அதன் மிகுதி மற்றும் ஒப்பீட்டளவில் எளிய கலவை காரணமாக விரும்பப்படும் தாதுவாகும்.

தாதுவை செறிவூட்டல்

முதன்மைத் தாதுவான சிலிக்கா மணல் பொதுவாக மிகவும் தூய்மையானது. செறிவூட்டும் முறைகள், சிலிக்கான் உள்ளடக்கத்தை வேதியியல் ரீதியாகச் செறிவூட்டுவதற்குப் பதிலாக, இயற்பியல் அசுத்தங்களை நீக்குவதில் கவனம் செலுத்துகின்றன.

1. கழுவுதல் (ஈர்ப்புப் பிரிப்பு):
   • கொள்கை: அடர்த்தியில் உள்ள வேறுபாடுகள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. இலகுவான அசுத்தங்கள் கழுவப்பட்டு வெளியேற்றப்படும், அதே சமயம் கனமான தாதுத் துகள்கள் அடியில் தங்குகின்றன.
   • செயல்முறை: பெரிய கழுவும் தொட்டிகள் அல்லது சல்லடை வாய்களில் சிலிக்கா மணல் தண்ணீருடன் கிளறப்படுகிறது. இலகுவான களிமண் துகள்கள், கரிமப் பொருட்கள் மற்றும் கரையக்கூடிய உப்புகள் தண்ணீரில் மிதந்து வெளியேற்றப்படுகின்றன, அடர்த்தியான சிலிக்கா மட்டும் பின்தங்குகிறது.
2. காந்தப் பிரிப்பு:
   • கொள்கை: மணலில் இருக்கக்கூடிய இரும்பு ஆக்சைடுகள் (எ.கா., ஹேமடைட், மேக்னடைட்) போன்ற காந்த அசுத்தங்களை நீக்கப் பயன்படுகிறது.
   • செயல்முறை: உலர்ந்த மணல் ஒரு வலுவான காந்த உருளை மீது அனுப்பப்படுகிறது. காந்த அசுத்தங்கள் உருளையால் ஈர்க்கப்பட்டு பிரிக்கப்படுகின்றன, அதே சமயம் காந்தமிலா சிலிக்கா ஒரு தனி சேகரிப்பானில் தடையின்றி விழுகிறது.
3. அமிலக் கழுவுதல் (அதிக தூய்மைக்கு விருப்பமானது):
   • மிக அதிக தூய்மை தேவைப்படும் பயன்பாடுகளுக்கு, மணல் நீர்த்த அமிலங்களுடன் (எ.கா., $\text\{HCl\}$ அல்லது $\text\{H\}_2\text\{SO\}_4$) எஞ்சிய உலோக ஆக்சைடு அசுத்தங்களைக் கரைக்க சிகிச்சை அளிக்கப்படலாம். இதைத் தொடர்ந்து பொதுவாக கனிம நீக்கப்பட்ட நீரால் நன்கு கழுவப்படுகிறது.

கச்சா உலோகமாக ஒடுக்கம்

தொழில்துறை சிலிக்கான் முக்கியமாக ஒரு மின்சார வில் உலையில் சிலிக்காவின் கார்போதெர்மிக் ஒடுக்கத்தால் உற்பத்தி செய்யப்படுகிறது. இதன் விளைவாகக் கிடைக்கும் தயாரிப்பு உலோகவியல் தர சிலிக்கான் (MGS) என்று அழைக்கப்படுகிறது.

கார்போதெர்மிக் ஒடுக்கம்

1. மூலப்பொருட்கள்:
   • சிலிக்கா ($\text\{SiO\}_2$): அதிக தூய்மையான குவார்ட்ஸ் அல்லது மணல்.
   • ஒடுக்கும் காரணி: கோக், கரி, மர சில்லுகள் அல்லது நிலக்கரி வடிவில் உள்ள கார்பன். இவை ஒடுக்கத்திற்குத் தேவையான கார்பனையும், வாயு ஓட்டத்திற்குத் தேவையான துளைகளையும் வழங்குகின்றன.
2. செயல்முறை:
   • சிலிக்கா மற்றும் கார்பன் கலவையானது ஒரு பெரிய, மூன்று-கட்ட மின்சார வில் உலைக்குள் செலுத்தப்படுகிறது.
   • ஊட்டப்பட்ட பொருளில் மூழ்கியுள்ள கார்பன் மின்முனைகளுக்கு இடையே உள்ள மின்சார வில்லுகளால் கடுமையான வெப்பம் (1700°C க்கு மேல் வெப்பநிலை) உருவாக்கப்படுகிறது.
   • வினை: $\text\{SiO\}_2(\text\{s\}) + 2\text\{C\}(\text\{s\}) \xrightarrow\{>1700^\circ\text\{C\}\} \text\{Si\}(\text\{l\}) + 2\text\{CO\}(\text\{g\})$
   • உருகிய சிலிக்கான் உலையின் அடிப்பகுதியில் சேகரிக்கப்பட்டு, குறிப்பிட்ட கால இடைவெளியில் வெளியேற்றப்படுகிறது. கார்பன் மோனாக்சைடு வாயு வெளியேற்றப்பட்டு சேகரிக்கப்படுகிறது அல்லது எரிக்கப்படுகிறது.
3. தயாரிப்பு: உலோகவியல் தர சிலிக்கான் (MGS) பொதுவாக 98-99% தூய்மையானது. முக்கிய அசுத்தங்களில் இரும்பு, அலுமினியம், கால்சியம் மற்றும் கார்பன் ஆகியவை அடங்கும்.

(வரைபட விளக்கம்: சிலிக்கா மற்றும் கார்பன் படுக்கையில் மூன்று செங்குத்து கார்பன் மின்முனைகள் மூழ்கியுள்ள ஒரு பெரிய, உருளை உலை. மின்முனைகளுக்கும் உள்ளீடுப் பொருளுக்கும் இடையே ஒரு மின்சார வில் உருவாகி பெரும் வெப்பத்தை உருவாக்குகிறது. உருகிய சிலிக்கான் அடிப்பகுதியில் சேகரிக்கப்படுகிறது, மற்றும் வாயு மேலிருந்து வெளியேறுகிறது.)

தூய்மையாக்கல் மற்றும் சுத்திகரிப்பு

உலோகவியல் தர சிலிக்கான் (MGS) குறைக்கடத்தி மற்றும் மின்னணு பயன்பாடுகளுக்குப் போதுமான தூய்மையானது அல்ல, இதற்கு மிகவும் அதிக தூய்மை (பெரும்பாலும் 99.9999% அல்லது அதற்கும் அதிகமாக, மின்னணு தர சிலிக்கான், EGS என அழைக்கப்படுகிறது) தேவைப்படுகிறது. தூய்மையாக்கல் செயல்முறை பல படிகளைக் கொண்டுள்ளது.

1. ஆவியாகும் ஹாலைடாக மாற்றுதல் (எ.கா., டிரைகுளோரோசிலேன் செயல்முறை)

இது MGS இலிருந்து மேலும் அதிக தூய்மையான சுத்திகரிப்புக்கு ஏற்ற வடிவத்திற்கு மாற்றுவதற்கான மிகவும் பொதுவான ஆரம்பத் தூய்மையாக்கல் முறையாகும்.

1. செயல்முறை: MGS ஆனது நீர்த்த ஹைட்ரஜன் குளோரைடு ($\text\{HCl\}$) வாயுவுடன் ஒரு பாய்மப் படுகை உலையில் 300-350°C வெப்பநிலையில் வினைபுரிகிறது.
2. வினை: $\text\{Si\}(\text\{s\}) + 3\text\{HCl\}(\text\{g\}) \xrightarrow\{300-350^\circ\text\{C\}\} \text\{SiHCl\}_3(\text\{g\}) + \text\{H\}_2(\text\{g\})$ (டிரைகுளோரோசிலேன்) $\text\{SiCl\}_4$ (சிலிக்கான் டெட்ராகுளோரைடு) மற்றும் $\text\{SiH\}_2\text\{Cl\}_2$ (டைகுளோரோசிலேன்) போன்ற பிற குளோரோசிலேன்களும் உருவாகின்றன. பெரும்பாலான அசுத்தங்கள் (Fe, Al, B, P, As) அவற்றின் ஆவியாகும் குளோரைடுகளை உருவாக்க வினைபுரிகின்றன.
3. நன்மை: குளோரோசிலேன்கள் ஆவியாகும் தன்மை கொண்டவை, இதனால் அவை ஆவியாகாத அசுத்தங்களிலிருந்து பிரிக்கப்படுகின்றன.

2. குளோரோசிலேன்களின் பின்னக் காய்ச்சிவடித்தல்

1. செயல்முறை: முந்தைய படியிலிருந்து பெறப்பட்ட குளோரோசிலேன்கள் மற்றும் அசுத்தமான குளோரைடுகளின் கலவையானது பல கட்ட பின்னக் காய்ச்சிவடித்தலுக்கு உட்படுத்தப்படுகிறது.
2. கொள்கை: வெவ்வேறு சேர்மங்களுக்கு வெவ்வேறு கொதிநிலைகள் இருப்பதால், அவை பிரிக்கப்படுகின்றன. எடுத்துக்காட்டாக, $\text\{SiHCl\}_3$ (கொ.நி. 31.8°C) ஆனது $\text\{SiCl\}_4$ (கொ.நி. 57.6°C), $\text\{SiH\}_2\text\{Cl\}_2$ (கொ.நி. 8.3°C) மற்றும் குறிப்பாக குறைக்கடத்திகளுக்கு ஒரு முக்கிய அசுத்தமான போரான் டிரைகுளோரைடு ($\text\{BCl\}_3$, கொ.நி. 12.5°C) ஆகியவற்றிலிருந்து திறம்படப் பிரிக்கப்படுகிறது.
3. தயாரிப்பு: அதிக தூய்மையான டிரைகுளோரோசிலேன் ($\text\{SiHCl\}_3$) பெறப்படுகிறது.

3. தூய்மையான டிரைகுளோரோசிலேனின் ஒடுக்கம் (சீமென்ஸ் செயல்முறை)

இந்த செயல்முறை தூய்மையான குளோரோசிலேனை மீண்டும் திட மின்னணு-தர சிலிக்கானாக மாற்றுகிறது.

1. செயல்முறை: மிகத்தூய்மையான $\text\{SiHCl\}_3$ ஆவியானது ஹைட்ரஜன் வாயுவுடன் கலக்கப்பட்டு, அதிக தூய்மையான சிலிக்கானின் சூடான, மெல்லிய தண்டுகளை (விதை தண்டுகள்) கொண்ட ஒரு படிவு அறைக்குள் செலுத்தப்படுகிறது. இந்த தண்டுகள் 1100-1200°C க்கு மின்சாரத் தடை வெப்பமாக்கல் மூலம் சூடாக்கப்படுகின்றன.
2. வினை (வேதியியல் ஆவிப் படிவு - CVD): $\text\{SiHCl\}_3(\text\{g\}) + \text\{H\}_2(\text\{g\}) \xrightarrow\{1100-1200^\circ\text\{C\}\} \text\{Si\}(\text\{s\}) + 3\text\{HCl\}(\text\{g\})$ சிலிக்கான் சூடான தண்டுகள் மீது எபிடாக்சியல் முறையில் படிகிறது, அவற்றை தடிமனான, அதிக தூய்மையான பலபடிக சிலிக்கான் கட்டிகளாக வளர்க்கிறது. $\text\{HCl\}$ வாயு மறுசுழற்சி செய்யப்படுகிறது.
3. தயாரிப்பு: மின்னணு-தர பலபடிக சிலிக்கான், பொதுவாக 99.9999% அல்லது 6N (ஆறு ஒன்பதாவது) தூய்மை நிலைகளுடன்.

(வரைபட விளக்கம்: மெல்லிய, U-வடிவ சிலிக்கான் தண்டுகளைக் கொண்ட ஒரு பெல் ஜார் என்று கற்பனை செய்து கொள்ளுங்கள். வாயுக்கள் ($\text\{SiHCl\}_3$ மற்றும் $\text\{H\}_2$) அடிப்பகுதியில் செலுத்தப்படுகின்றன. தண்டுகள் மின்சாரம் மூலம் சூடாக்கப்பட்டு, சிலிக்கான் அவற்றின் மேற்பரப்பில் படிந்து வளர காரணமாகிறது.)

4. மண்டலத் தூய்மையாக்கல்

மேம்பட்ட குறைக்கடத்தி சாதனங்களுக்குத் தேவையான மிக உயர்ந்த தூய்மை மற்றும் ஒற்றைப் படிக சிலிக்கானுக்கு, மண்டலத் தூய்மையாக்கல் இறுதி சுத்திகரிப்பு படியாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

1. கொள்கை: அசுத்தங்கள் பொதுவாக முக்கிய உலோகத்தின் திட நிலையை விட உருகிய நிலையில் அதிக கரையும் தன்மை கொண்டவை.
2. செயல்முறை: மின்னணு-தர பலபடிக சிலிக்கானின் ஒரு தண்டு கிடைமட்டமாக வைக்கப்படுகிறது. தடியின் ஒரு முனையில் ஒரு சிறிய, உள்ளூர்மயமாக்கப்பட்ட உருகிய மண்டலம், நகரும் தூண்டல் வெப்பமூட்டி (அல்லது மின்தடை வெப்பமூட்டி) மூலம் உருவாக்கப்படுகிறது. இந்த உருகிய மண்டலம் தடியின் முழு நீளத்திலும் மெதுவாக நகர்த்தப்படுகிறது.
3. இயங்குமுறை: உருகிய மண்டலம் நகரும் போது, அசுத்தங்கள் உருகிய சிலிக்கானில் முன்னுரிமையுடன் கரைந்து, உருகிய மண்டலத்துடன் சேர்ந்து தடியின் ஒரு முனை நோக்கி கொண்டு செல்லப்படுகின்றன. உருகிய மண்டலம் முனையை அடையும் போது, அசுத்தங்கள் அந்த சிறிய பகுதியில் செறிவூட்டப்படுகின்றன.
4. மீண்டும் மீண்டும் செய்தல்: அசுத்தங்களை ஒரு முனையில் மேலும் செறிவூட்ட, இந்த செயல்முறை பல முறை (பல தடவைகள்) ஒரே திசையில் மீண்டும் மீண்டும் செய்யப்படுகிறது.
5. இறுதி படி: சிலிக்கான் தடியின் அசுத்தமான முனை பின்னர் வெட்டி அப்புறப்படுத்தப்படுகிறது. தடியின் எஞ்சிய பகுதி மிகத் தூய்மையான, ஒற்றைப் படிக சிலிக்கான் ஆகும், இது பெரும்பாலும் பில்லியன் பகுதிகளுக்கு (ppb) அசுத்த நிலைகளை அடைகிறது.

(வரைபட விளக்கம்: ஒரு படகில் கிடைமட்டமாக சிலிக்கான் தண்டு வைக்கப்பட்டுள்ளது. ஒரு வட்ட தூண்டல் சுருள் தடியின் ஒரு சிறிய பகுதியைச் சூழ்ந்துள்ளது, இது ஒரு குறுகிய உருகிய மண்டலத்தை உருவாக்குகிறது. சுருள் மெதுவாக தடியின் நீளத்தில் நகர்ந்து, உருகிய மண்டலம் மற்றும் அசுத்தங்களை ஒரு முனை நோக்கித் தள்ளுகிறது.)