సిలికాన్ (Si) లోహశాస్త్రం మరియు పారిశ్రామిక వెలికితీత

సహజ లభ్యత & ప్రధాన ధాతువులు

భూమి పైపొరలో సిలికాన్ (Si) రెండవ అత్యంత సమృద్ధిగా లభించే మూలకం, ఇది ద్రవ్యరాశిలో సుమారు 27.7% ఉంటుంది. ఇది ప్రకృతిలో స్వేచ్ఛా, మూలక స్థితిలో ఎప్పుడూ లభించదు. సిలికాన్ ప్రధానంగా దాని ఆక్సైడ్‌గా లేదా సంక్లిష్ట సిలికేట్ ఖనిజాలుగా లభిస్తుంది.

ప్రాథమిక ధాతువులు

1. సిలికాన్ డయాక్సైడ్ (సిలికా): పారిశ్రామిక సిలికాన్ వెలికితీతకు ఇది అత్యంత ముఖ్యమైన మూలం.
   • క్వార్ట్జ్ ($\text\{SiO\}_2$): స్ఫటికాకార రూపం, అత్యంత సమృద్ధిగా.
   • ఇసుక ($\text\{SiO\}_2$): అమోర్ఫస్ లేదా మైక్రోక్రిస్టలైన్ రూపం, విస్తృతంగా పంపిణీ చేయబడింది.
   • ఇతర రూపాలలో ఫ్లింట్, అగేట్, ఓపల్ మరియు జాస్పర్ ఉన్నాయి.
2. సిలికేట్‌లు: సంక్లిష్ట ఖనిజాలు, ఇక్కడ సిలికాన్-ఆక్సిజన్ టెట్రాహెడ్రా ($\text\{SiO\}_4^\{4-\}$), వివిధ నిర్మాణాలను ఏర్పరుస్తాయి. ఇవి సమృద్ధిగా ఉన్నప్పటికీ, తగ్గింపు సంక్లిష్టత కారణంగా ప్రాథమిక సిలికాన్ వెలికితీతకు సాధారణంగా ఉపయోగించబడవు.
   • ఫెల్డ్‌స్పార్స్ (ఉదా., $\text\{KAlSi\}_3\text\{O\}_8$ - ఆర్థోక్లేస్)
   • మైకాస్ (ఉదా., $\text\{KAl\}_2(\text\{AlSi\}_3)\text\{O\}_\{10\}(\text\{OH\})_2$ - మస్కోవైట్)
   • ఆస్బెస్టాస్ (ఉదా., $\text\{Mg\}_3\text\{Si\}_2\text\{O\}_5(\text\{OH\})_4$ - క్రిసోటైల్)

పారిశ్రామిక వెలికితీతకు, అధిక-స్వచ్ఛత గల సిలికా ఇసుక, దాని సమృద్ధి మరియు సాపేక్షంగా సరళమైన కూర్పు కారణంగా ప్రాధాన్యత కలిగిన ధాతువు.

ధాతువు యొక్క ఏకాగ్రత

ప్రాథమిక ధాతువు, సిలికా ఇసుక, సాధారణంగా చాలా స్వచ్ఛంగా ఉంటుంది. ఏకాగ్రత పద్ధతులు రసాయనికంగా సిలికాన్ కంటెంట్‌ను మెరుగుపరచడం కంటే భౌతిక మలినాలను తొలగించడంపై దృష్టి సారిస్తాయి.

1. కడగడం (గురుత్వాకర్షణ విభజన):
   • సూత్రం: సాంద్రతలలో తేడాలను ఉపయోగించుకుంటారు. తేలికైన మలినాలు కడిగివేయబడతాయి, అయితే బరువైన ధాతువు కణాలు స్థిరపడతాయి.
   • ప్రక్రియ: సిలికా ఇసుకను పెద్ద వాషింగ్ ట్యాంకులు లేదా స్లూయిస్‌లలో నీటితో కలిపి కదిలిస్తారు. తేలికైన బంకమట్టి కణాలు, సేంద్రియ పదార్థం మరియు కరిగే లవణాలు నీటిలో తేలుతూ బయటకు వెళ్ళిపోతాయి, దట్టమైన సిలికా మిగిలిపోతుంది.
2. అయస్కాంత విభజన:
   • సూత్రం: ఇసుకలో ఉండే ఇనుము ఆక్సైడ్‌ల (ఉదా., హెమటైట్, మాగ్నటైట్) వంటి అయస్కాంత మలినాలను తొలగించడానికి ఉపయోగిస్తారు.
   • ప్రక్రియ: ఎండిన ఇసుకను బలమైన అయస్కాంత రోలర్‌పై పంపబడుతుంది. అయస్కాంత మలినాలు రోలర్‌కు ఆకర్షించబడి వేరుచేయబడతాయి, అయితే అయస్కాంతేతర సిలికా స్వేచ్ఛగా ప్రత్యేక కలెక్టర్‌లోకి పడుతుంది.
3. యాసిడ్ లీచింగ్ (అధిక స్వచ్ఛత కోసం ఐచ్ఛికం):
   • అత్యంత అధిక స్వచ్ఛత అవసరమయ్యే అనువర్తనాల కోసం, ఇసుకను పలుచని ఆమ్లాలతో (ఉదా., $\text\{HCl\}$ లేదా $\text\{H\}_2\text\{SO\}_4$) చికిత్స చేయవచ్చు, మిగిలిన లోహ ఆక్సైడ్ మలినాలను కరిగించడానికి. దీని తర్వాత సాధారణంగా డెమినిరలైజ్డ్ వాటర్‌తో పూర్తిగా కడుగుతారు.

ముడి లోహానికి తగ్గింపు

పారిశ్రామిక సిలికాన్ ప్రధానంగా ఎలక్ట్రిక్ ఆర్క్ ఫర్నేస్‌లో సిలికా యొక్క కార్బోథెర్మిక్ రిడక్షన్ ద్వారా ఉత్పత్తి అవుతుంది. ఈ ఉత్పత్తిని మెటలర్జికల్-గ్రేడ్ సిలికాన్ (MGS) అంటారు.

కార్బోథెర్మిక్ రిడక్షన్

1. ముడి పదార్థాలు:
   • సిలికా ($\text\{SiO\}_2$): అధిక-స్వచ్ఛత క్వార్ట్జ్ లేదా ఇసుక.
   • తగ్గించే కారకం: కోక్, చార్‌కోల్, చెక్క చిప్స్ లేదా బొగ్గు రూపంలో కార్బన్. ఇవి తగ్గింపు కోసం కార్బన్‌ను అందిస్తాయి మరియు వాయు ప్రవాహం కోసం సచ్ఛిద్రతను ఇస్తాయి.
2. ప్రక్రియ:
   • సిలికా మరియు కార్బన్ మిశ్రమాన్ని పెద్ద, త్రీ-ఫేజ్ ఎలక్ట్రిక్ ఆర్క్ ఫర్నేస్‌లోకి పంపిస్తారు.
   • చార్జ్‌లో మునిగి ఉన్న కార్బన్ ఎలక్ట్రోడ్‌ల మధ్య ఎలక్ట్రిక్ ఆర్క్‌ల ద్వారా తీవ్రమైన ఉష్ణం (1700°C మించి ఉష్ణోగ్రతలు) ఉత్పత్తి అవుతుంది.
   • చర్య: $\text\{SiO\}_2(\text\{s\}) + 2\text\{C\}(\text\{s\}) \xrightarrow\{>1700^\circ\text\{C\}\} \text\{Si\}(\text\{l\}) + 2\text\{CO\}(\text\{g\})$
   • కరిగిన సిలికాన్ ఫర్నేస్ అడుగున సేకరించబడుతుంది మరియు ఆవర్తనంగా తీయబడుతుంది. కార్బన్ మోనాక్సైడ్ వాయువు విడుదల చేయబడుతుంది మరియు సేకరించబడుతుంది లేదా కాల్చివేయబడుతుంది.
3. ఉత్పత్తి: మెటలర్జికల్-గ్రేడ్ సిలికాన్ (MGS) సాధారణంగా 98-99% స్వచ్ఛమైనది. ప్రధాన మలినాలలో ఇనుము, అల్యూమినియం, కాల్షియం మరియు కార్బన్ ఉన్నాయి.

(రేఖాచిత్ర వివరణ: మూడు నిలువు కార్బన్ ఎలక్ట్రోడ్‌లు సిలికా మరియు కార్బన్ పడకలోకి మునిగి ఉన్న ఒక పెద్ద, స్థూపాకార ఫర్నేస్‌ను ఊహించండి. ఎలక్ట్రోడ్‌లు మరియు చార్జ్ మధ్య ఒక ఎలక్ట్రిక్ ఆర్క్ ఏర్పడుతుంది, ఇది అధిక ఉష్ణాన్ని ఉత్పత్తి చేస్తుంది. కరిగిన సిలికాన్ అడుగున సేకరించబడుతుంది, మరియు వాయువు పైనుండి బయటకు వెళ్తుంది.)

శుద్ధి మరియు విశుద్ధీకరణ

మెటలర్జికల్-గ్రేడ్ సిలికాన్ (MGS) సెమీకండక్టర్ మరియు ఎలక్ట్రానిక్ అనువర్తనాలకు సరిపోదు, దీనికి అత్యంత అధిక స్వచ్ఛత (తరచుగా 99.9999% లేదా అంతకంటే ఎక్కువ, ఎలక్ట్రానిక్-గ్రేడ్ సిలికాన్, EGS అని పిలుస్తారు) అవసరం. శుద్ధి ప్రక్రియలో అనేక దశలు ఉంటాయి.

1. అస్థిర హాలైడ్‌గా మార్చడం (ఉదా., ట్రైక్లోరోసిలేన్ పద్ధతి)

MGS నుండి మరింత అధిక-స్వచ్ఛత శుద్ధికి అనువైన రూపంలోకి మార్చడానికి ఇది ప్రారంభ శుద్ధికి అత్యంత సాధారణ పద్ధతి.

1. ప్రక్రియ: MGS ను నిర్జల హైడ్రోజన్ క్లోరైడ్ ($\text\{HCl\}$) వాయువుతో ఫ్లూయిడైజ్డ్ బెడ్ రియాక్టర్‌లో 300-350°C ఉష్ణోగ్రతల వద్ద చర్య జరుపుతుంది.
2. చర్య: $\text\{Si\}(\text\{s\}) + 3\text\{HCl\}(\text\{g\}) \xrightarrow\{300-350^\circ\text\{C\}\} \text\{SiHCl\}_3(\text\{g\}) + \text\{H\}_2(\text\{g\})$ (ట్రైక్లోరోసిలేన్) $\text\{SiCl\}_4$ (సిలికాన్ టెట్రాక్లోరైడ్) మరియు $\text\{SiH\}_2\text\{Cl\}_2$ (డైక్లోరోసిలేన్) వంటి ఇతర క్లోరోసిలేన్‌లు కూడా ఏర్పడతాయి. చాలా మలినాలు (Fe, Al, B, P, As) వాటి అస్థిర క్లోరైడ్‌లను ఏర్పరచడానికి చర్య జరుపుతాయి.
3. ప్రయోజనం: క్లోరోసిలేన్‌లు అస్థిరంగా ఉంటాయి, ఇది అస్థిరత లేని మలినాల నుండి వేరు చేయడానికి వీలు కల్పిస్తుంది.

2. క్లోరోసిలేన్‌ల ఫ్రాక్షనల్ డిస్టిలేషన్

1. ప్రక్రియ: మునుపటి దశ నుండి క్లోరోసిలేన్‌లు మరియు మలినాల క్లోరైడ్‌ల మిశ్రమాన్ని అనేక దశల ఫ్రాక్షనల్ డిస్టిలేషన్‌కు గురిచేస్తారు.
2. సూత్రం: విభిన్న సమ్మేళనాలకు విభిన్న మరిగే బిందువులు ఉంటాయి, వాటిని వేరు చేయడానికి వీలు కల్పిస్తుంది. ఉదాహరణకు, $\text\{SiHCl\}_3$ (b.p. 31.8°C) ని $\text\{SiCl\}_4$ (b.p. 57.6°C), $\text\{SiH\}_2\text\{Cl\}_2$ (b.p. 8.3°C), మరియు ముఖ్యంగా బోరాన్ ట్రైక్లోరైడ్ ($\text\{BCl\}_3$, b.p. 12.5°C) నుండి సమర్థవంతంగా వేరుచేస్తారు, ఇది సెమీకండక్టర్లకు ఒక కీలకమైన మలినం.
3. ఉత్పత్తి: అత్యంత శుద్ధి చేయబడిన ట్రైక్లోరోసిలేన్ ($\text\{SiHCl\}_3$) పొందబడుతుంది.

3. స్వచ్ఛమైన ట్రైక్లోరోసిలేన్ తగ్గింపు (సీమెన్స్ పద్ధతి)

ఈ ప్రక్రియ శుద్ధి చేయబడిన క్లోరోసిలేన్‌ను తిరిగి ఘన ఎలక్ట్రానిక్-గ్రేడ్ సిలికాన్‌గా మారుస్తుంది.

1. ప్రక్రియ: అల్ట్రా-స్వచ్ఛమైన $\text\{SiHCl\}_3$ ఆవిరిని హైడ్రోజన్ వాయువుతో కలిపి, వేడి చేసిన, అధిక-స్వచ్ఛత సిలికాన్ సన్నని కడ్డీలు (సీడ్ రాడ్లు) ఉన్న డిపోజిషన్ చాంబర్‌లోకి ప్రవేశపెడతారు. ఈ కడ్డీలను రెసిస్టెన్స్ హీటింగ్ ద్వారా 1100-1200°C వరకు వేడి చేస్తారు.
2. చర్య (రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణం - CVD): $\text\{SiHCl\}_3(\text\{g\}) + \text\{H\}_2(\text\{g\}) \xrightarrow\{1100-1200^\circ\text\{C\}\} \text\{Si\}(\text\{s\}) + 3\text\{HCl\}(\text\{g\})$ సిలికాన్ వేడి చేసిన కడ్డీలపై ఎపిటాక్సియల్‌గా నిక్షేపించబడి, వాటిని మందపాటి, అధిక-స్వచ్ఛత పాలిగ్రిస్టలైన్ సిలికాన్ ఇంగోట్‌లుగా పెంచుతుంది. $\text\{HCl\}$ వాయువును రీసైకిల్ చేస్తారు.
3. ఉత్పత్తి: ఎలక్ట్రానిక్-గ్రేడ్ పాలిసిలికాన్, సాధారణంగా 99.9999% లేదా 6N (సిక్స్ నైన్స్) స్వచ్ఛత స్థాయిలతో.

(రేఖాచిత్ర వివరణ: సన్నని, U-ఆకారపు సిలికాన్ కడ్డీలు ఉన్న ఒక బెల్ జార్‌ను ఊహించండి. వాయువులు (SiHCl3 మరియు H2) అడుగు భాగానికి పంపబడతాయి. కడ్డీలు విద్యుత్తు ద్వారా వేడి చేయబడి, వాటి ఉపరితలంపై సిలికాన్ నిక్షేపించబడి పెరుగుతుంది.)

4. జోన్ రిఫైనింగ్

అధునాతన సెమీకండక్టర్ పరికరాలకు అవసరమైన అత్యంత అధిక స్వచ్ఛత మరియు సింగిల్-క్రిస్టల్ సిలికాన్ కోసం, జోన్ రిఫైనింగ్ చివరి శుద్ధి దశగా ఉపయోగించబడుతుంది.

1. సూత్రం: మలినాలు సాధారణంగా ప్రధాన లోహం యొక్క కరిగిన స్థితిలో ఘన స్థితి కంటే ఎక్కువ కరుగుతాయి.
2. ప్రక్రియ: ఎలక్ట్రానిక్-గ్రేడ్ పాలిసిలికాన్ కడ్డీని అడ్డంగా ఉంచుతారు. కడ్డీ యొక్క ఒక చివరన కదిలే ఇండక్షన్ హీటర్ (లేదా రెసిస్టెన్స్ హీటర్) ద్వారా ఒక చిన్న, స్థానికీకరించిన కరిగిన జోన్‌ను సృష్టిస్తారు. ఈ కరిగిన జోన్ కడ్డీ మొత్తం పొడవునా నెమ్మదిగా కదులుతుంది.
3. విధానం: కరిగిన జోన్ కదిలేటప్పుడు, మలినాలు ప్రాధాన్యంగా కరిగిన సిలికాన్‌లో కరిగి, కరిగిన జోన్‌తో పాటు కడ్డీ యొక్క ఒక చివరన చేరతాయి. కరిగిన జోన్ చివరకు చేరుకున్నప్పుడు, మలినాలు ఆ చిన్న భాగంలో కేంద్రీకృతమవుతాయి.
4. పునరావృత్తి: మలినాలను ఒక చివరన మరింత కేంద్రీకరించడానికి ఈ ప్రక్రియను అనేకసార్లు (బహుళ పాస్‌లు) అదే దిశలో పునరావృతం చేస్తారు.
5. చివరి దశ: సిలికాన్ కడ్డీ యొక్క అశుద్ధమైన చివరను కత్తిరించి పారవేస్తారు. కడ్డీలోని మిగిలిన భాగం అల్ట్రా-స్వచ్ఛమైన, సింగిల్-క్రిస్టల్ సిలికాన్, తరచుగా బిలియన్‌కు భాగాలు (ppb) స్థాయిలో మలినాలు ఉంటాయి.

(రేఖాచిత్ర వివరణ: ఒక పడవలో అడ్డంగా ఉన్న సిలికాన్ కడ్డీ. ఒక వృత్తాకార ఇండక్షన్ కాయిల్ కడ్డీలోని ఒక చిన్న భాగాన్ని చుట్టుముట్టి, ఒక ఇరుకైన కరిగిన జోన్‌ను సృష్టిస్తుంది. కాయిల్ నెమ్మదిగా కడ్డీ పొడవునా కదులుతుంది, కరిగిన జోన్‌ను మరియు మలినాలను ఒక చివర వైపు నెట్టివేస్తుంది.)